金屬基復合材料主講：周文政

152780005391物理科學與工程技術學院第一章金屬基復合材料概述2物理科學與工程技術學院1.復合材料的概念與定義常規材料的優缺點：定義：采用物理或化學的方法，使兩種或兩種以上的材料在相態（如連續相：基體；不連續體：增強相）以性能相互獨立的形式下共存于一體之中，以達到提高材料的某些性能，或互補其缺點，或獲得新的性能（或功能）的目的。金屬材料的優點：優良的延展性和可加工性。缺點：強度相對低，耐熱、耐磨、耐蝕性差，如鋁；陶瓷材料的優點：強度高、耐熱、耐磨、耐蝕性好，缺點：很脆，加工性能差。復合后利用兩者的優勢互補，提高性能。3物理科學與工程技術學院簡單而言復合材料：由兩種或兩種以上性質不同的材料復合而成的多相材料。4物理科學與工程技術學院2.復合材料的分類與命名1．分類按用途分為結構材料（用于制造受力構件的復合材料）和功能材料（具有各種特殊性能，如阻尼、導電、導磁、換能、摩擦、屏蔽等）兩類。按復合材料各成分在材料集散情況，分為三類：分散（摻和）強化型復合材料、層狀（結合型）復合材料、梯度（功能型）復合材料。按基體材料類型分：金屬基復合材料（MMC）（如鋁基復合材料、鈦基復合材料等）；聚合物基復合材料（PMC）；陶瓷基復合材料（CMC）按增強原理分為彌散增強型復合材料、晶須增強型復合材料、纖維增強型復合材料。5物理科學與工程技術學院按基體分類6物理科學與工程技術學院按增強體分類7物理科學與工程技術學院按分散狀態分類8物理科學與工程技術學院9物理科學與工程技術學院復合材料的分類:復合材料按用途按基體類型按增強體種類和形狀結構復合材料功能復合材料金屬基復合材料非金屬基復合材料纖維增強復合材料顆粒增強復合材料晶須增強復合材料總結如下:10物理科學與工程技術學院金屬基復合材料聚合物基復合材料無機非金屬基復合材料復合材料基體材料增強材料種類外形碳纖維復合材料玻璃纖維復合材料芳綸纖維復合材料連續纖維（短纖維）復合材料片狀（粒狀）材料增強復合材料11物理科學與工程技術學院3.復合材料的應用航空航天：12物理科學與工程技術學院航空航天：13物理科學與工程技術學院航空航天：飛機機翼、尾翼、垂尾、機身

波音-747型客機上使用聚合物基復合材料的部位

14物理科學與工程技術學院

B787客機(2007年7月首架飛機下線,復合材料占總質量50%,節省燃油20%)技術參數：翼展：50.3-51.8米；機長:55.5米；高度：16.5米；最大起飛總重:163000千克；巡航速度：0.85馬赫（馬赫=1126公里/小時）；載客量：289；最大航程：15700公里15物理科學與工程技術學院

A380客機(2007年10月,首次商業航行,復合材料占總質量25%)是目前世界上唯一采用全機身長度雙層客艙,最先進、最寬敞和最高效的飛機。技術參數：翼展：79.8米；機長：73米；寬度：7.14米；最大起飛重量：560噸；巡航速度：0.89馬赫；載客量：555人；最大航程：15000公里。16物理科學與工程技術學院

我國研制的ARJ21（AdvancedRegionalJet）支線客機-“翔鳳”(復合材料占總質量2%)2007年12月21日下線，2008年上半年首飛；載客量70-100人;最大燃油航程：4164km.

17物理科學與工程技術學院聚合物基復合材料在導彈火箭上的應用(導彈減輕1公斤,射程增加16-20公里)18物理科學與工程技術學院交通運輸：各種車身構件、車門、地板、冷藏車、座椅建筑工業：輕型房屋、建筑裝飾及雕塑電子電器：層壓板、電線桿、路燈燈具體育：撐桿、弓箭、賽車、滑板機械：各種配件、風機19物理科學與工程技術學院20物理科學與工程技術學院21物理科學與工程技術學院22物理科學與工程技術學院23物理科學與工程技術學院24物理科學與工程技術學院4.1玻璃纖維(20世紀20年代，生產并投入使用，美國；1950年，中國)4.增強材料25物理科學與工程技術學院4.1玻璃纖維玻璃纖維的組成玻璃纖維是由SiO2及各種金屬氧化物組成的硅酸鹽類混合物，屬無定形離子結構物質。SiO2：主要組分，形成基本骨架，有高的熔點金屬氧化物：（Al2O3

，CaO

，MgO

，BeO

，Na2O,K2O，B2O3）26物理科學與工程技術學院4.2碳纖維（CF）碳纖維是有機纖維在惰性氣氛中經高溫碳化而成的纖維狀碳化合物。（高強度、高模量、耐熱性好、密度低）1959年美國研制人造絲碳纖維；1963年日本以瀝青為原料研制出碳纖維；1964年英國，聚丙烯腈基碳纖維20世紀70年代，中國生產碳纖維（品種少，性能一般，產量低）1969年100t1985年4700t2000年20000t27物理科學與工程技術學院碳纖維的用途28物理科學與工程技術學院碳纖維的用途29物理科學與工程技術學院碳纖維的用途NH-90直升機30物理科學與工程技術學院碳纖維的用途

NH-90直升機機體結構中，絕大部分均采用復合材料整體結構，與全金屬結構相比，其零件數目減少20%，重量減輕15%。

31物理科學與工程技術學院碳纖維的用途32物理科學與工程技術學院碳纖維的用途33物理科學與工程技術學院4.3芳綸纖維（KF，VF）KF是一種低密度、高強度、高模量和耐腐蝕的有機纖維，1960年美國杜邦公司發明。34物理科學與工程技術學院4.3芳綸纖維（KF，VF）35物理科學與工程技術學院4.4其它纖維硼纖維（BF）20世紀50年代末，美國開發的高性能纖維，主要用于制造樹脂基和金屬基復合材料。CF比BF生產工藝簡單，成本低，性能相當，BF被CF替代。目前，主要用于金屬基復合材料。36物理科學與工程技術學院4.4其它纖維碳化硅纖維（SiCF）1.制造方法CVD法:鎢絲/碳絲沉積室烷基硅烷分解SiCF37物理科學與工程技術學院4.4其它纖維高硅氧纖維與石英纖維

由高純二氧化硅和天然石英晶體制成的纖維。純度99.95%，密度2.2g/cm3,直徑0.7-10μm。具有耐熱、耐腐蝕和柔軟性。高溫下強度保持率高、尺寸穩定、抗熱震性、化學穩定性、透光性及電絕緣性好。用途:主要用作電絕緣材料、隔熱材料和復合材料的增強體。用于制飛機雷達罩、火箭的尾噴管、空間航天器的燒蝕材料等。

38物理科學與工程技術學院4.4其它纖維超高相對分子量聚乙烯纖維（分子量300萬以上）目前世界上最新的超輕、高比強度、高比模量、成本低的高性能有機纖維。1975年荷蘭DSM公司發明，1990年，第一條小型生產線。39物理科學與工程技術學院4.4其它纖維超高相對分子量聚乙烯纖維40物理科學與工程技術學院4.4其它纖維玄武巖纖維（CBF）以火山巖為原料，經1500℃熔融拉絲而成的纖維。（外觀為金褐色，2006年全世界產量3000噸，中國700噸，70%用于建筑工業。）41物理科學與工程技術學院5.金屬基復合材料金屬基復合材料：連續的金屬、合金基體+增強體基體：鋁基、鎂基、鈦基、鋼基、銅基增強體：連續纖維、短纖維、晶須、顆粒纖維增強型顆粒和晶須增強型交替疊層型共晶定向凝固概念：42物理科學與工程技術學院金屬基復合材料具有高強度、高模量、高韌性、高導熱導電性、低膨脹系數，耐磨性好、高溫強度高、表面穩定性好，能耐300-500℃或更高的溫度。但造價高、密度大、制備工藝復雜，存在界面反應等缺點。性能特點：43物理科學與工程技術學院

1）高比強度、高比模量高強度、高模量、低密度的增強纖維的加入，使MMC的比強度和比模量成倍地提高。例如：鋁合金的比強度為1.4×106Pa·cm3/g、比模量為2.8×108Pa·cm3/g；而石墨/鋁合金的比強度為3.6×106Pa·cm3/g、比模量達到10.5×108Pa·cm3/g。44物理科學與工程技術學院

2）導熱、導電性能良好的導熱性可有效傳熱，減少構件受熱后產生的溫度梯度和迅速散熱，這對尺寸的穩定性要求較高的構件和高集成度電子器件尤為重要。良好的導電性可防止飛行器構件產生靜電聚集的問題。MMC中金屬基體含量一般>60%（vf），所以仍保持金屬所具有的良好導熱和導電性。45物理科學與工程技術學院

3）熱膨脹系數小、尺寸穩定性好MMC所用增強物如碳纖維、SiC纖維、B纖維，均具有很小的熱膨脹系數，又有很高的模量，特別是高模量、超高模量石墨纖維具有負的熱膨脹系數。加入適當含量增強物，并合理設計纖維鋪層可使ＭＭＣ的熱膨脹系數明顯下降，甚至可以實現ＭＭＣ的零膨脹。46物理科學與工程技術學院４）良好的高溫性能金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，加上增強材料主要為無機物，在高溫下具有很高的強度和模量，因此ＭＭＣ比基體金屬具有更高的高溫性能。例如：石墨／鋁復合材料在500℃高溫下，仍具有600MPa的高溫強度；而鋁基體在300℃強度已下降到100MPa以下。47物理科學與工程技術學院

5）耐磨性好高耐磨性材料在汽車、機械工業中具有重要應用前景。如汽車發動機、剎車盤、活塞等。ＭＭＣ中加入了硬度高、耐磨的陶瓷纖維、晶須、顆粒，具有良好的耐磨性。例如：ＳｉＣ顆粒增強鋁基復合材料的耐磨性比鋁高出２倍以上，甚至比鑄鐵的耐磨性還好。48物理科學與工程技術學院

6）良好的斷裂韌性和抗疲勞性能ＭＭＣ的斷裂韌性和抗疲勞性能取決于纖維等增強物與金屬基體的界面狀態、增強物的分布以及各組分本身的特性。適中的界面結合強度既可有效地傳遞荷載，又能阻止裂紋的擴展，提高斷裂韌性。例如：Ｃ／Ａｌ復合材料的疲勞強度與拉伸強度比約為0.7。49物理科學與工程技術學院7）不吸潮、不老化、氣密性好與聚合物相比，金屬性能穩定、組織致密，不會老化、分解、吸潮等，在太空中使用不會分解出低分子物質污染儀器和環境。50物理科學與工程技術學院20世紀60年代，美蘇在宇宙空間開展競爭導致航空航天技術發展而產生。最早是硼纖維增強鋁基復合材料的成功使用，接著是在70年代中期，碳（石墨）纖維增強鋁基復合材料研制及應用取得了較大進展，其后各種不同金屬基體、不同類型和增強形態的增強材料以及多種增強形式的金屬基復合材料不斷發展，逐漸形成了金屬基復合材料體系。80年代后，為解決金屬基復合材料制備成本高難以廣泛應用，各種新制備技術用于顆粒和晶須增強金屬基復合材料，使復合材料成本不斷下降，在民用方面如汽車行業等逐步獲得應用，進而促進了金屬基復合材料的發展。起源與發展：51物理科學與工程技術學院現代科學技術的飛速發展，對材料的要求越來越高。對于結構材料，不單要求強度高，還要求其重量要輕，在航空航天領域尤其如此。金屬基復合材料正是為了滿足這些要求而誕生的。與傳統的金屬材料相比，它具有較高的比強度和比剛度，而相對于樹脂基復合材料，它具有優良的導電性與耐熱性，與陶瓷材料相比，它又具有高的韌性和高的沖擊性能。這些優良的性能決定了它從誕生之日起就成了新材料家族中的重要一員。52物理科學與工程技術學院下圖為采用硼纖維增強鋁基復合材料代替鋁合金制造的航天飛機主艙體的主龍骨支柱，減輕重量達145公斤，效果顯著。53物理科學與工程技術學院金屬基復合材料是以金屬為基體，以高強度的第二相為增強體而制得的復合材料。因此，對這種材料的分類既可按基體來進行、也可按增強體來進行。金屬基復合材料的種類：54物理科學與工程技術學院

1．按基體分類(1)鋁基復合材料(2)鎳基復合樹樹(3)鈦基復合材料55物理科學與工程技術學院這是在金屬基復合材料中應用得最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方結構，因此具有良好的塑性和韌性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價格低廉等優點，為其在工程上應用創造了有利的條件。(1)鋁基復合材料56物理科學與工程技術學院在制造鋁基復合材料時，通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金。這主要是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。至于選擇何種鋁合金做基體，則根據實際中對復合材料的性能需要來決定。57物理科學與工程技術學院這種復合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優良，因此這種復合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件。(2)鎳基復合材料58物理科學與工程技術學院人們研制鎳基復合材料的一個重要目的，即是希望用它來制造燃汽輪機的葉片，從而進一步提高燃汽輪機的工作溫度。但目前由于制造工藝及可靠性等問題尚未解決，所以還未能取得滿意的結果。59物理科學與工程技術學院

鈦比任何其它的結構材料具有更高的比強度。此外，鈦在中溫時比鋁合金能更好地保持其強度。因此，對飛機結構來說，當速度從亞音速提高到超音速時，鈦比鋁合金顯示出了更大的優越性。(3)鈦基復合材料60物理科學與工程技術學院隨著速度的進一步加快，還需要改變飛機的結構設計，采用更細長的機冀和其它冀型，為此需要高剛度的材料，而纖維增強鈦恰可滿足這種對材料剛度的要求。61物理科學與工程技術學院基體和增強體的熱膨脹系數

鈦基復合材料中最常用的增強體是硼纖維，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數比較接近，如下表所示。62物理科學與工程技術學院2.按增強體分類(1)顆粒增強復合材料

(2)層狀復合材料(3)纖維增強復合材料63物理科學與工程技術學院(1)顆粒增強復合材料這里的顆粒增強復合材料是指彌散的硬質增強相的體積超過20％的復合材料，而不包括那種彌散質點體積比很低的彌散強