1、復合材料郭連貴郭連貴湖北工程學院化學與材料科學學院湖北工程學院化學與材料科學學院石墨烯石墨烯第第5章章 金屬基復合材料金屬基復合材料多壁碳納米管多壁碳納米管5.1 金屬基復合材料的種類和性能金屬基復合材料的種類和性能 金屬基復合材料相對于傳統的金屬材料來說，具有較高的比強度與金屬基復合材料相對于傳統的金屬材料來說，具有較高的比強度與比剛度；比剛度； 與樹脂基復合材料相比，具有優良的導電性與耐熱性；與樹脂基復合材料相比，具有優良的導電性與耐熱性； 與陶瓷基材料相比，具有高韌性和高沖擊性能。與陶瓷基材料相比，具有高韌性和高沖擊性能。 金屬基復合材料（金屬基復合材料（MMC）是）是，非均質混合物，共

2、同點是具有非均質混合物，共同點是具有連續的金屬基體。連續的金屬基體。5.1 金屬基復合材料的種類和性能金屬基復合材料的種類和性能 19631963年，年，NASANASA制備出鎢絲增強制備出鎢絲增強CuCu基復合材料，是纖維增強金屬基復合材基復合材料，是纖維增強金屬基復合材料的研究起點，料的研究起點，SiC/Al,AlSiC/Al,Al2 2O O3 3/Al/Al； 19781978年年B/AlB/Al復合材料在哥倫比亞航天飛機上應用；復合材料在哥倫比亞航天飛機上應用； 1964 1964年，年，KraftKraft通過共晶合金定向凝固制備出金屬基復合材料，界面結通過共晶合金定向凝固制備出金

3、屬基復合材料，界面結合良好，合良好，Ni-NiNi-Ni3 3AlAl，Ni-NiNi-Ni3 3SiSi； 2020世紀世紀8080年代，金屬基復合材料迅速發展，開始注重顆粒、晶須和短纖年代，金屬基復合材料迅速發展，開始注重顆粒、晶須和短纖維增強金屬基復合材料，在汽車、體育用品等領域得到應用；維增強金屬基復合材料，在汽車、體育用品等領域得到應用； 9090年代后期，電子產品和技術迅速發展，低膨脹、高強度和高導熱性的年代后期，電子產品和技術迅速發展，低膨脹、高強度和高導熱性的金屬基復合材料在電子產品得到應用；金屬基復合材料在電子產品得到應用； 近年，功能和納米金屬基復合材料成為研究熱點。近年，

4、功能和納米金屬基復合材料成為研究熱點。5.1 金屬基復合材料的種類和性能金屬基復合材料的種類和性能一、金屬基復合材料的分類一、金屬基復合材料的分類基體基體增強體增強體6 碳化物金屬陶瓷作為工具材料已碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應用，稱作被廣泛應用，稱作。硬。硬質合金通常以質合金通常以CoCo、NiNi作為作為，WCWC、TiCTiC等作為強化相。等作為強化相。 硬質合金組織硬質合金組織( (Co+WC)78 按用途分類：按用途分類：結構復合材料結構復合材料：高比強度、高比模量、尺才穩定性、：高比強度、高比模量、尺才穩定性、耐熱性等是其主要性能特點。用于制造各種航天、航耐熱性等是其主要性能

5、特點。用于制造各種航天、航空、汽車、先進武器系統等高性能結構件。空、汽車、先進武器系統等高性能結構件。功能復合材料功能復合材料：高導熱、導電性、低膨脹、高阻尼、：高導熱、導電性、低膨脹、高阻尼、高耐磨性等物理性能的優化組合是其主要特性，用于高耐磨性等物理性能的優化組合是其主要特性，用于電子、儀器、汽車等工業。強調具有電、熱、磁等功電子、儀器、汽車等工業。強調具有電、熱、磁等功能特性能特性智能復合材料智能復合材料：強調具有感覺、反應、自監測、自修：強調具有感覺、反應、自監測、自修復等特性。復等特性。 應當注意，功能復合材料和智能復合材料容易混應當注意，功能復合材料和智能復合材料容易混淆。淆。5.

6、1 金屬基復合材料的種類和性能金屬基復合材料的種類和性能二、金屬基復合材料的性能特點二、金屬基復合材料的性能特點p 高比強度、比模量高比強度、比模量p 良好的導熱、導電性能良好的導熱、導電性能p 熱膨脹系數小、尺寸穩定性好熱膨脹系數小、尺寸穩定性好p 良好的高溫性能良好的高溫性能p 良好的耐磨性良好的耐磨性p 良好的斷裂韌性和抗疲勞性能良好的斷裂韌性和抗疲勞性能p 不吸潮、不老化、氣密性好不吸潮、不老化、氣密性好5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝 金屬基體與增強材料的金屬基體與增強材料的和和； 金屬基體金屬基體/ /增強材料增強材料和和在工藝過程中的形成在工藝過程中的形成

7、及控制；及控制； ； 防止防止 優化優化，提高復合材料的，提高復合材料的，降低，降低。 5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝根據各種方法的基本特點，把金屬基復合材料的制備工根據各種方法的基本特點，把金屬基復合材料的制備工藝分為四大類：藝分為四大類：12連續增強相金屬基復合材料的制備工藝連續增強相金屬基復合材料的制備工藝鋁合金鋁合金 固態、液態法固態、液態法鎂合金鎂合金 固態、液態法固態、液態法鈦合金鈦合金 固態法固態法高溫合金高溫合金 固態法固態法金屬間化合物金屬間化合物 固態法固態法碳纖維碳纖維硼纖維硼纖維SiC纖維纖維Al2O3纖維纖維13不連續增強相金屬基復合材料的制

8、備工藝不連續增強相金屬基復合材料的制備工藝 鋁合金鋁合金 固態、液態、原位生長、噴射成型法固態、液態、原位生長、噴射成型法鎂合金鎂合金 液態法液態法鈦合金鈦合金 固態、液態法、原位生長法固態、液態法、原位生長法高溫合金高溫合金 原位生長法原位生長法金屬間化合物金屬間化合物 粉末冶金、原位生長法粉末冶金、原位生長法顆粒顆粒晶須晶須短纖維短纖維5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝一、固相法一、固相法-擴散結合擴散結合中，增強纖維與基體的中，增強纖維與基體的結合主要分為三個關鍵步驟：結合主要分為三個關鍵步驟：a)a)金屬箔復合法金屬箔復合法 b)b)金屬無緯帶重疊法金屬無緯帶重疊

9、法 c)c)表面鍍有金屬的纖表面鍍有金屬的纖維結合法維結合法 5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝一、固相法一、固相法-粉末冶金粉末冶金 將金屬或非金屬粉末將金屬或非金屬粉末后后成形，并在低于金屬熔點的溫度下進成形，并在低于金屬熔點的溫度下進行行，利用粉末間原子，利用粉末間原子來使其來使其的過程被稱做的過程被稱做工藝。工藝。粉末混料均勻并加入適當的助劑，再進行壓制成型，粉粒間的原子通粉末混料均勻并加入適當的助劑，再進行壓制成型，粉粒間的原子通過過，使制件結合為具有一定強度的整體。，使制件結合為具有一定強度的整體。將壓制成型的制件放置在采用還原性氣氛的閉式爐中進行燒結，燒結將

10、壓制成型的制件放置在采用還原性氣氛的閉式爐中進行燒結，燒結溫度約為基體金屬熔點的溫度約為基體金屬熔點的2/32/33/43/4倍。由于高溫下不同種類原子的倍。由于高溫下不同種類原子的，粉末表面氧化物的被還原以及變形粉末的粉末表面氧化物的被還原以及變形粉末的，使粉末顆粒相互結合。，使粉末顆粒相互結合。5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝二、液相法二、液相法-壓鑄法壓鑄法 在壓力的作用下，將液在壓力的作用下，將液態或半液態金屬以一定速度態或半液態金屬以一定速度充填充填或或中，在壓力下中，在壓力下快速凝固成型。快速凝固成型。 主要工藝因素有熔融金主要工藝因素有熔融金屬的溫度、模具

11、預熱溫度、屬的溫度、模具預熱溫度、壓力和加壓速度等。壓力和加壓速度等。 5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝二、液相法二、液相法-攪拌鑄造法攪拌鑄造法 攪拌鑄造法是最早用于顆粒增強金屬攪拌鑄造法是最早用于顆粒增強金屬基復合材料的一種彌散混合鑄造工藝。基復合材料的一種彌散混合鑄造工藝。 攪拌鑄造法有兩種方式：一種是在合攪拌鑄造法有兩種方式：一種是在合金液處于液相線溫度以上進行攪拌，稱金液處于液相線溫度以上進行攪拌，稱為為“液態攪拌液態攪拌”；另一種是合金液處于；另一種是合金液處于固相線與液相線之間進行攪拌，稱為固相線與液相線之間進行攪拌，稱為“半固態攪拌鑄造法半固態攪拌鑄造法

12、”或或“流變鑄造流變鑄造”。5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝三、噴射成型法三、噴射成型法 將將在坩堝中熔化后，在壓力作在坩堝中熔化后，在壓力作用下通過噴咀送入霧化器，在高速惰性氣用下通過噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體射流的作用下，體射流的作用下，形成所謂，形成所謂“” ； 通過一個或多個通過一個或多個向向“霧化錐霧化錐”噴射噴射入入，使之與，使之與一齊在一齊在基板（收集器）上沉積，并快速凝固形成基板（收集器）上沉積，并快速凝固形成顆粒增強金屬基復合材料。顆粒增強金屬基復合材料。5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝四、原位生長法四、原位生長法-共晶合金

13、定向凝固法共晶合金定向凝固法 在復合材料制造過程中，增強材料在基體中生成和生長的方法稱作原在復合材料制造過程中，增強材料在基體中生成和生長的方法稱作原位自生成法。位自生成法。 增強材料增強材料從基體中凝固析從基體中凝固析出，通過控制冷凝方向，在基體中生長出出，通過控制冷凝方向，在基體中生長出排列整齊的類似纖維的條狀或片層狀排列整齊的類似纖維的條狀或片層狀。 要求合金成分為共晶或接近共晶成分，要求合金成分為共晶或接近共晶成分，以及有包晶或偏晶反應的兩相結合。以及有包晶或偏晶反應的兩相結合。 工藝過程：合金原料在真空或惰性氣體中通過感應加熱熔化，控制冷卻工藝過程：合金原料在真空或惰性氣體中通過感應

14、加熱熔化，控制冷卻方向，進行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齊排列，連續相為基體，方向，進行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齊排列，連續相為基體，類似纖維的條狀或片層狀的分散相為增強體。類似纖維的條狀或片層狀的分散相為增強體。5.2 金屬基復合材料的制造工藝金屬基復合材料的制造工藝四、原位生長法四、原位生長法-直接金屬氧化法直接金屬氧化法 。 制備制備Al2O3 / Al時，時，900 1300 C的溫度下，使熔融鋁通過顯微通道滲透的溫度下，使熔融鋁通過顯微通道滲透到氧化鋁層外部，并順序氧化；即鋁被氧化，但液態鋁的滲透通道未被堵到氧化鋁層外部，并順序氧化；即鋁被氧化，但液態鋁的滲透通道未被

15、堵塞。可根據氧化程度控制塞。可根據氧化程度控制Al2O3的量。所制備的復合材料就是含有的量。所制備的復合材料就是含有Al的、的、互連的互連的Al2O3陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料。 直接氮化獲得直接氮化獲得AlN / Al、和、和TiN / Ti等金屬或陶瓷基復合材料。等金屬或陶瓷基復合材料。 5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料是在金屬基復合材料中是在金屬基復合材料中的一種。由于的一種。由于為為結構，因此具有良好的結構，因此具有良好的，再加之它所具有，再加之它所具有的的、及及等優點，為其在工程上應用創造了有等優點，為其在工程上應用創造了有利的條件。利的條件。在在制造鋁基復合材料制造鋁基復合材料

16、時，通常并不是使用純鋁而是時，通常并不是使用純鋁而是。這主要是由于這主要是由于與純鋁相比與純鋁相比，。5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料5.3 鋁基復合材料鋁基復合材料5.4 鈦基復合材料鈦基復合材料5.4 鈦基復合材料鈦基復合材料一、顆粒增強鈦基復合材料一、顆粒增強鈦基復合材料5.4 鈦基復合材料鈦基復合材料二、連續纖維增強鈦基復合材料二、連續纖維增強鈦基復合材料5.4 鈦基復合材料鈦基復合材料三、鈦基復合材料的應用三、鈦基復合材料