金属基复合材料总复习

金属基复合材料总复习1.复合材料的定义复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。复合材料可经设计，即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能。2.氧化铝纤维的制备方法淤浆法该法是以氧化铝粉末为主要原料, 同时加入分散剂、流变助剂、烧结助剂, 分散于水中, 制成可纺浆料，经挤出成纤，干燥、烧结得到直径在200um 左右的氧化铝纤维。溶胶-凝胶法这是一种新型的成型方法, 一般以铝的醇盐或无机盐为原料, 同时加入其它有机酸催化剂，溶于醇/水中, 得到混合均匀的溶液, 经醇解/水解和聚合反应得到溶胶, 浓缩的溶胶达到一定粘度后进行纺丝, 得到凝胶纤维, 随后进行热处理得到氧化铝纤维。预聚合法先是用烷基铝加水聚合成一种聚铝氧烷聚合物, 将其溶解在有机溶剂中,加入硅酸酯或有机硅化合物,使混合物浓缩成粘稠液,干法纺丝成先驱纤维。再在600空气中裂解成含有氧化铝氧化硅等组成的无机纤维,最后在1000以上烧结,得到微晶聚集态的连续氧化铝纤维,其直径在10um左右。因先驱体为线性聚合物形式,该法的优点是纺丝性能好,容易获得连续长纤维。卜内门法该法与溶胶-凝胶法不同之处是先驱体不形成均匀溶胶，而是通过加入水溶性有机高分子来控制纺丝粘度以得到氧化铝纤维。由于前驱体分子本身并不形成类线性聚合物，难以得到连续的氧化铝长纤维，故其产品一般是短纤维的形式。基体纤维浸渍溶液法此法采用无机盐溶液浸渍基体纤维, 经过烧结除去基体纤维而得到陶瓷纤维。采用溶液一般为水溶液,基体纤维为亲水性良好的粘胶纤维。其中无机盐以分子状态分散于粘胶丝纤维中,并非粘附于纤维表面,这有利于纤维的形成。其缺点是成本高，且纤维质量较差。3. 选择增强体的主要考虑因素有：（1）力学性能：杨氏模量和塑性强度；（2）物理性能：密度和热扩散系数；（3）几何特性：形貌和尺寸；（4）物理化学相容性；（5）成本因素。金属基复合材料的增强物应具有以下基本特性能明显提高金属基体所需的某种特性，高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能。具有良好的化学稳定性，在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化，与金属基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面反应。有良好的浸润性，与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，基体良好复合和分布均匀。此外，增强物的成本也是应考虑的一个重要因素。4.金属基复合材料的可设计性复合材料的设计是一个复杂的系统过程，它涉及环境负载、设计要求、材料选择、成形工艺、力学分析、检测测试、安全可靠性及成本等诸多因素。复合材料的出现与发展为材料及结构设计者提供了前所未有的好时机。设计者可以根据外部环境的变化与要求来设计具有不同特性与性能的复合材料，以满足工程实际对高性能复合材料及结构的要求。这种可设计的灵活性再加上复合材料优良的特性（高比强、高比模等）使复合材料在不同应用领域竞争中成为特别受欢迎的候选材料。复合材料设计问题要求确定增强体的几何特征（连续纤维、颗粒等）、基体材料、增强材料和增强体的微观结构以及增强体的体积分数。一般来说，复合材料及结构设计大体上可分为如下步骤。 5. 功能复合材料调整优值的途径 （1）调整复合度 （2）调整联接方式 （3）调整对称性 （4）调整尺度 （5）调整周期性6. 提高或改善金属基复合材料的阻尼性能的方法：（1） 用高阻尼基体金属选择阻尼性能好的金属作为制备金属基复合材料的基体，如Zn-Al、Mg-Zr等，将它们与常用的增强剂（碳纤维、石墨纤维等）复合。（2） 用高阻尼增强物 因为纤维的弹性模量通常远大于基体和复合材料的弹性模量，应变能主要集中在纤维上，所以纤维对复合材料阻尼性能的贡献是主要的。（3） 设计高阻尼界面 金属基复合材料的阻尼性能与其实际界面层的性能有关。根据界面层阻尼理论，一定厚度的强结合界面层本身的阻尼性能对复合材料的阻尼有极大影响；而弱结合界面层，其内发生的微滑移对复合材料的阻尼做出更多贡献。7.金属基复合材料制造方法的类型(1)固态制造技术 固态法是在基体金属处于固态情况下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。(2) 液态制造技术 液态法是在基体金属处于熔融状态下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括：真空压力浸渍法。挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法等。(3) 新型制造技术 新型制造方法包括：原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法及复合镀法等。8. 制造技术应具备的条件(1) 使增强材料均匀地分布金属基体中，满足复合材料结构和强度要求;(2) 能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥;(3) 能够充分发挥增强材料对基休金属的增强、增韧效果;(4) 设备投资少，工艺简单易行，可操作性强；便于实现批量或规模生产(5) 能制造出接近最终产品的形状，尺寸和结构，减少或避免后加工工序.9. 金属基复合材料制造的关键性技术(1)加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应;解决的方法是： 尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时间降低至最低程度； 通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快； 采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。(2)增强材料与基体浸润性差;解决的方法是： 加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的浸润性，常用的合金元素有：钛、锆，铌、铈等； 对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的 涂层，可有效改善其浸润性， 表面涂层涂覆方法较多，如化学气相沉积，物理气相沉积，溶胶凝胶和电镀或化学镀等。 (3)增强材料在基体中的分布解决的方法是： 对增强体进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快； 加入适当的合金元素改善基体的分散性； 施加适当的压力，使其分散性增大。 施加外场(磁场,超声场等)10.粉末冶金法的概念和工艺流程粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。基本工序：(1)原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。(2)压制成坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。(3)坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。 温度,时间,气氛.(4)产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果工艺过程：11.热压和热等静压过程中扩散粘结法的概念与过程扩散粘接法，它是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。扩散粘接过程可分为三个阶段： 粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜（通常是氧化膜）破坏； 随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面粘接； 由于热扩散结合界面最终消失，粘接过程完成。12. 热轧法主要用来将已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。由金属箔和连续纤维组成的预制片制成板材，如铝箔与硼纤维、铝箔与钢丝。为了提高粘接强度，常在纤维上涂银、镍、铜等涂层，轧制进为了防止氧化常用钢板包覆。与金属材料的轧制相比，长纤维金属箔轧制时每次的变形量小、轧制道次多。对于颗粒或晶须增强金属基复合材料板材，先经粉末冶金或热压成坯料，再经热轧成复合材料板材。适用的复合材料:SiCp-Al、SiCW-Cu、Al2O3W-Al、Al2O3W-Cu等热轧系统基本流程为：铝锭熔炼炉静置炉过滤铸嘴轧机中间机组卷取机13. 真空压力浸渍技术的内容、工艺参数、基本工艺真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料中制成预制件，再制备金属基复合材料制品。其兼备真空吸铸和压力铸造的优点。主要工艺参数包括: 预制件预热温度,金属熔体温度,浸渍压力,冷却速度.熔体进入预制件有三种方式:底部压入式；顶部压入式；顶部注入式。14.共喷沉积工艺过程: 基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积和凝固等工序。主要工艺参数有：熔融金属温度，惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度、沉积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有重要的影响。15、（1）热喷涂技术1、等离子喷涂过程 等离子喷涂是利用等离子弧的高温将基体熔化后喷射到工件（增强材料）上，冷却并沉积下来的一种复合方法。2、关键技术 喷涂过程中的关键是得到致密的与纤维粘接良好的基体涂层和避免基体的氧化。3、适用性 等离子喷涂法适用于直径较粗的纤维单丝，例如用化学气相沉积法得到的硼纤维和碳化硅纤维，它是制造这两种纤维增强铝、钛基复合材料预制片的大规模生产方法。（2）冷喷涂技术的含义和原理冷喷涂是一项崭露头角的固态工艺。该方法可将以超声加速的固体颗粒的动能在撞击到镀件表面时转变为热能，从而完成冶金焊接。该工艺的原理是：每种金属均有其特定的、与温度相关的临界颗粒速度，当颗粒运动超过这一速度时即会焊接于镀件之上。16. 熔体直接反应工艺的特点该工艺以现有的铝合金熔炼工艺为基础，在熔体中直接形成增强颗粒，并且可以直接铸造成各种形状的复合材料铸件；增强体颗粒大小和分布易于控制，并且其数量可在较大范围内调整；该工艺可同时获得高强度、高韧性的复合材料。17. 解决增强颗粒与金属基体润湿性差的问题，采取的措施：增强颗粒表面涂层；金属基体中加入某些合金元素；用某些盐对增强颗粒进行预处理；对增强颗粒进行超声清洗或预热处理。18. 超塑性变形过程中组织变化的特点:晶粒形状与尺寸的变化晶粒的滑动、转动和换位晶粒条纹带位错空洞19. 刀具的磨损机理 磨粒磨损； 粘结磨损； 扩散磨损 氧化磨损。其中，扩散磨损和氧化磨损仅在高速切削时发生。20.损伤与失效的基本形式增强相的断裂导致的基体塑性失效增强相和基体之间界面的脱开导致的基体塑性失效基体内孔洞的成核、长大与汇合导致的基体塑性失效21.颗粒增强金属基复合材料的强化机制Orowan强化；Orowan强化是位错通过距离很近的细微硬粒子时受到粒子的阻碍而引起的强化作用。Orowan的位错阻碍理论指出颗粒间距越小，则位错线绕过颗粒时的曲率越大，从而导致对位错移动的阻力增加而使材料表现出高的强度。细晶强化；目前，关于金属基复合材料基体晶粒细化的机制主要为：增强体表面的非均质形核机制。固溶强化；当外来原子固溶于基体中，它一方面能阻碍位错运动，另一方面由于外来原子与基体金属原子具有不同的尺寸，将产生晶格畸变，产生应变场，并且与位错发生交互作用。位错强化；金属晶体中总是存在着位错。在颗粒增强金属基复合材料中，由于增强体与基体间的热膨胀系数的巨大差异，将导致复合材料内产生很大的热应力。这种热应力引发的塑性变形，使复合材料中的位错密度显著增加。22. 金属基复合材料的主要特性有哪些？与传统金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度，耐磨损。与树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有优良的导电、导热性，高温性能好，可焊接。与陶瓷材料相比，金属基复合材料具有高韧性和高冲击性能、线胀系数小等优点.23.增强体在金属基复合材料中所起的作用？增强体是金属基复合材料的重要组成部分，它起着提高金属基体的强度、模量、耐热性、耐磨性等性能，同时还起着传递作用和承受载荷的作用。24.铸造成型技术存在的问题？如何解决？增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒表面涂层；金属基体中加入某些合金元素；用某些盐对增强颗粒进行预处理；对增强颗粒进行超声清洗或预热处理。增强颗粒分布均匀性调整提高金属熔体的粘度，减小增强颗粒的粒径均可使颗粒的上浮或下沉速度变小，从而使颗粒增强相不易聚集、结团。金属熔体的粘度通常是通过添加合金元素来提高的，但粘度增大会导致复合材料存在气体及夹杂物不易排出的问题。.增强颗粒与基体金属的界面结构PRMMC 的界面有3 种类型：增强体与基体互不反应亦互不溶解；增强体与基体不反应但能互相溶解；增强体与基体互相反应-界面反应物。选择适当的增强体与金属基体组合，是保证界面结合良好的重要途径。如：元素化学位相近，物质亲和力大，容易发生润湿，发生反应的可能性亦小；体系的反应速度常数小，界面反应层薄，适量的界面反应能促进增强颗粒与金属基体的润湿结合，提高界面结合强度，对复合材料是有利的。.PRMMC 的凝固过程随着颗粒体积分数及界面生长速度的增加，颗粒被固液界面推移距离减小；随着推移临界速度及基体晶粒自凝固开始至结束的局部区域宽度减小，推移距离也减小。25.碳纤维制造过程中基本工序(1)拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种任意一种；(2)牵伸：在室温以上，通常是100300范围内进行；(3)稳定：通过400加热氧化的方法；(4)碳化：在10002000范围内进行；(5)石墨化：在20003000范围内进行。26.碳化硅纤维的主要制备技术(1)化学气相沉积法（CVD）；(2)有机硅聚合物的熔融纺丝裂解转化法（先驱体转化法）；(3)活性炭纤维转化法(4)挤压法；27.影响铝基复合材料挤压成型的主要因素影响挤压成形性的主要因素有挤压变形时模具及坯料的预热温度、挤压比和挤压变形速度，以及润滑剂。（1）润滑剂 润滑剂的作用是改变挤压坯料和模具之间的摩擦力。摩擦力越小则由于坯料内外层材料流动不均匀所形成的附加拉应力就越小。（2）挤压温度最佳挤压温度的选择应考虑以下因素：金属的塑性较好；变形抗力尽可能小；型材具有最高强度；较高劳动生产率和较低劳动成本。为了保持挤压制品的整体性，在挤压过程中，塑性变形区的温度必须与SiCp/Al复合材料塑性最好的温度范围相适应。随着复合材料坏料及模具预热温度的升高，挤压力显著降低。（3）挤压比在热挤压中，不论是哪种挤压方式，其最大单位挤压力和变形功都是随变形程度的增加而增大。变形程度可以采用不同的方法来表示，采用比较多的是用断面收缩率来表示。（4）挤压速度SiCp/A1复合材料由于SiC颗粒的加入使基体的变形抗力增加，因此，SiCp/Al复合材料的挤压力比基体要高，容易产生第一类或第二类裂纹而使挤压制品表面发生碎裂，但可以通过降低挤压速度使过多的热量从高温加工的剪切变形区扩散出去，使该问题得以解决。但是，如果挤压速度过低，则又会出现第三类低速撕裂现象。（5）SiC颗粒体积分数 最大挤压力随着SiC颗粒体积分数的增加而增加。(6)热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响 在挤压过程，金属基复合材料的显微组织除了会发生纤维断裂外，在某些情况下还会形成平行于挤压方向的“陶瓷富集带”。28.铸造成型的方法和特点按增强材料和金属液体的混合方式不同分为：搅拌铸造。液态机械搅拌法所用设备简单，操作方便,但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。半固态搅拌法能获得增强颗粒均匀分布的复合材料，但是只适应于有固液相温度区间的基体合金材料。正压铸造。正压铸造成型可按加压方式分为挤压铸造和离心铸造。负压铸造。负压铸造分为真空吸铸法和自浸透法。要求增强相在基体中分布均匀，材料在加工过程中具有较高的利用率和小的工程消耗，后续处理及加工应尽可能少，生产成本应尽可能低。29. 金属基复合材料应用的制约因素增强体的成本制备方法生产数量局部增强手段二次加工性能回收能力质量控制体系30.颗粒增强铝基复合材料的主要性能指标？弹性模量 强度 导热性能热膨胀性能高温力学性能31.长纤维增强金属基复合材料非累积失效机制是什么？这是一种脆性断裂机制，个别纤维的断裂立即造成材料的整体失效，或在增加一定载荷后失效。界面粘结强度高的金属基复合材料具有这种失效机制，失效时无纤维拔出。有三种类型：接力失效机制、脆性粘性失效机制和最弱环节机制。32.改善增强体在金属基体中分布的主要措施？33.液态金属搅拌的优缺点？如何解决？液态金属搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法，工艺简单，制造成本低廉。基本原理是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中，然后浇铸成锭坯、铸件等。 液态金属搅拌法制造颗粒增强金属基复合材料尚存在一些困难，主要困难有：一是为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒，1030m之间的颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，易产生团聚；二是强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属的氧化和吸气等。（1）在金属熔体中添加合金元素. 合金元素可以降低金属熔体的表面张力。例如在铝熔体中加入钙、镁、锂等元素可以明显降低熔体的表面张力，提高对陶瓷颗粒的润湿性，有利于陶瓷颗粒在熔体中的分散，提高其复合效率。（2）颗粒表面处理. 比较简单有效的方法是将颗粒进行高温热处理，使有害物质在高温下挥发脱除。有些颗粒，如SiC，在高温处理过程中发生氧化，在表面生成SiO2薄层，可以明显改善熔融铝合金基体对颗粒的润湿性。（3）复合过程的气氛控制 由于液态金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和润湿，吸入的气体又会造成大量的气孔，严重影响复合材料的质量，因此要采用真空、惰性气体保护来防止金属熔体的氧化和吸气。（4）有效的机械搅拌. 强烈的搅动可使液态金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效改善金属与颗粒之间的润湿性，促进颗粒在液态金属中的均匀分布。通常采取高速旋转的机械搅拌或超声波搅拌来强化搅拌过程。34.界面的作用 实验熔体反应法与其他方法的比较：熔体反应法由于以现有的铝合金熔炼工艺为基础，在铝熔体中直接形成增强颗粒，并且可以直接铸造成各种形状的复合材料铸件。因此，工艺简单，工期短，复合材料制备成本低，易于推广，具有广阔的应用前景。但目前要用该方法制备的复合材料主要集中在Al-Ti-B系，但该体系存在反应温度高，生成相形态不易控制和基体变质“毒化”等问题，而对其它体系涉及甚少。实验步骤：实验前的准备(1)材料准备：将实验用材料按照实验要求秤量并在一定温度下烘干，去除水分；(2)材料制备用具：包括坩锅，钟罩，搅拌棒，模具等在接触 铝液之前要烘干。(3)试样制备：金相砂纸，抛光粉，抛光布；电子拉伸试样制备等。操作步骤：实验前将Zr(CO3)2粉末，放入电烘箱中升温至250，保温3小时，充分去除水分，然后冷却、研磨，经过70目标准筛筛分，得到粒度0.25mm的粉末添加料。在电阻炉中将A356合金熔化，加热至起始反应温度850，精炼，静置10min后分别、分批用钟罩将上述粉末添加料压入A356熔液，并用石墨棒搅拌，使之与Al液发生反应，同时用便携式温度测试仪连续测定反应过程熔体温度的变化，反应过程中分阶段用石英玻璃管提取熔体进行水淬试验。待反应结束后用熔剂精炼、除气、除渣，并静置1020min后，待温度降至720左右扒渣后浇入铜模中，制得铸态内生颗粒增强A356基复合材料。反应方程式：Zr(CO3)2ZrO2+2CO2 3ZrO2+4Al(l)3Zr+2Al2O3 Zr+3Al(l)Al3Zr 3Zr(CO3)2+13Al(l)6CO2+3Al3Zr+2Al2O3