金属基复合材料课件

1随着现代科学技术的飞速发展，人们随着现代科学技术的飞速发展，人们越来越高。越来越高。在在方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还，还要求其要求其重量要轻重量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。正是为了满足上述要求正是为了满足上述要求而诞生的。而诞生的。2 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)，这一术语包括这一术语包括很广的成分与结构，共同点是有连续的很广的成分与结构，共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）。金属基体（包括金属间化合物基体）。目的：目的：把基体的优越的塑性和成形性与强化体的承把基体的优越的塑性和成形性与强化体的承受载荷能力及刚性结合起来。受载荷能力及刚性结合起来。把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系数结合起来。数结合起来。3相对于相对于传统的金属材传统的金属材料料来说，具有来说，具有较高的较高的与与；而与而与树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的与与；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有和和。4 金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。在土耳其发现的公元前在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子，它是年的铜锥子，它是经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，非金属夹杂物被拉长。非金属夹杂物被拉长。弥散强化金属材料：始于弥散强化金属材料：始于1924年，年，Schmit关于关于铝氧化铝粉末烧结，导致上世纪铝氧化铝粉末烧结，导致上世纪50及及60年代年代的广泛研究。的广泛研究。沉淀强化的理论开始于沉淀强化的理论开始于30年代，并在以后的几年代，并在以后的几十年里得到了发展。十年里得到了发展。5 金属基复合材料真正的起步是在金属基复合材料真正的起步是在20世纪世纪50年代年代末或末或60年代初年代初。美国国家航空和宇航局美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出成功地制备出W丝增强的丝增强的Cu基复合材料基复合材料，成为金属基复合材料，成为金属基复合材料研究和开发的标志性起点。研究和开发的标志性起点。随后，对随后，对纤维金属基复合材料纤维金属基复合材料的研究在的研究在20世纪世纪60年代迅速发展起来。那时，主要的力量集中年代迅速发展起来。那时，主要的力量集中在以在以钨和硼纤维增强的铝和铜为基钨和硼纤维增强的铝和铜为基的系统。在的系统。在这种复合材料里，这种复合材料里，基体的主要功能在于把载荷基体的主要功能在于把载荷传递和分配给纤维。传递和分配给纤维。增强体的体积分数一般都增强体的体积分数一般都很高很高(约约40-80)，得出的轴向性能都很好，得出的轴向性能都很好，因而基体的组织与强度似乎是次要的。因而基体的组织与强度似乎是次要的。6 关于连续纤维增强的复合材料的研究在关于连续纤维增强的复合材料的研究在70年代年代里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和受生产制造的限制。受生产制造的限制。涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复苏。基材料的广泛兴趣的复苏。7 由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚度，以及高温强度，首先在航空航天上得到应度，以及高温强度，首先在航空航天上得到应用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应用，随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应用，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在日本的民用领域得到较好的应用。在日本的民用领域得到较好的应用。8金属基复合材料的研究重点：金属基复合材料的研究重点：1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；料的设计和性能；2）增强相）增强相/基体的界面优化、界面设计；基体的界面优化、界面设计；3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；和降低成本；4）新型增强剂的研究开发；）新型增强剂的研究开发；5）复合材料的扩大应用。）复合材料的扩大应用。910 碳化物金属陶瓷作为工具碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作材料已被广泛应用，称作。硬质合金通常。硬质合金通常以以CoCo、NiNi作为作为，WCWC、TiCTiC等作为强化相。等作为强化相。硬质合金组织硬质合金组织(Co+WC)111213 按用途分类：按用途分类：结构复合材料结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。等高性能结构件。功能复合材料功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。强调具有电、热、磁等功能特性强调具有电、热、磁等功能特性智能复合材料智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。测、自修复等特性。应当注意，功能复合材料和智能复合材料应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。容易混淆。14 1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合；）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合；2）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计；）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计；3）增强剂在基体中的均匀分布；）增强剂在基体中的均匀分布；4）制备工艺方法及参数的选择和优化；）制备工艺方法及参数的选择和优化；5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。1516金属基复合材料制备工艺的分类：金属基复合材料制备工艺的分类：1）固态法固态法：真空热压扩散结合、超塑性成：真空热压扩散结合、超塑性成型型/扩散结合、模压、热等静压、粉末扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。冶金法。2）液态法液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。造、半固态铸造。3）喷射成型法喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成：等离子喷涂成型、喷射成型。型。4）原位生长法原位生长法。17连续增强相金属基复合材料的制备工艺连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金铝合金 固态、液态法固态、液态法镁合金镁合金 固态、液态法固态、液态法钛合金钛合金 固态法固态法高温合金高温合金 固态法固态法金属间化合物金属间化合物 固态法固态法碳纤维碳纤维硼纤维硼纤维SiC纤维纤维Al2O3纤维纤维18不连续增强相金属基复合材料的制备工艺不连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金铝合金 固态、液态、原位生长、喷射成型法固态、液态、原位生长、喷射成型法镁合金镁合金 液态法液态法钛合金钛合金 固态、液态法、原位生长法固态、液态法、原位生长法高温合金高温合金 原位生长法原位生长法金属间化合物金属间化合物 粉末冶金、原位生长法粉末冶金、原位生长法颗粒颗粒晶须晶须短纤维短纤维1920 缠绕鼓缠绕鼓(基体箔材基体箔材)纤维定向定间距缠绕纤维定向定间距缠绕 涂敷聚合物粘结剂定位。涂敷聚合物粘结剂定位。21纤维定向定间距缠绕纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位。等离子喷涂基体粉末定位。22 采用采用物理气相沉积物理气相沉积（PVDPVD）手段将基体金属均匀沉积手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，形成到纤维表面上，形成 PVD PVD法纤维表面金属基体沉积层法纤维表面金属基体沉积层 是通过蒸发，是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件应形成化合物沉积在工件表面。表面。23 金属基体粉末与聚合物粘接剂金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成混合制成；将纤维通过带有一定孔径的胶将纤维通过带有一定孔径的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层一层，干燥后形，干燥后形成一定直径的纤维成一定直径的纤维/基体粉末复基体粉末复合丝。合丝。复合丝的直径取决于胶体的粘复合丝的直径取决于胶体的粘度、纤维走丝速度以及胶槽的度、纤维走丝速度以及胶槽的毛细管孔径等。毛细管孔径等。要求聚合物粘接剂在要求聚合物粘接剂在能够完全挥发。能够完全挥发。粉末法纤维粉末法纤维/基体复合丝示意图基体复合丝示意图 2425 这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会生成会严重影响复合材料的性能。严重影响复合材料的性能。对纤维进行对纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相脆性相Al4C3生成。生成。26 扩散结合扩散结合是在一定温度和压力下，把是在一定温度和压力下，把的基体的基体箔片或（复合）先驱丝通过箔片或（复合）先驱丝通过而连接在一起。而连接在一起。扩散结合在真空中进行。其关键是热压工艺参数的控扩散结合在真空中进行。其关键是热压工艺参数的控制，包括温度、压力和时间。其制，包括温度、压力和时间。其应有一定下限，应有一定下限，防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形成空洞防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形成空洞缺陷。缺陷。模压成型（模压成型（Mold Forming）：将纤维：将纤维/基体预制体基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。得到一定形状的最终制品。27将金属或非金属粉末将金属或非金属粉末后后成形，并在低于金属熔点的成形，并在低于金属熔点的温度下进行温度下进行，利用粉末间原子，利用粉末间原子来使其来使其的过程被的过程被称做称做工艺。工艺。粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过的原子通过，使制件结合为具有一，使制件结合为具有一定强度的整体。定强度的整体。将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的结，烧结温度约为基体金属熔点的2/32/33/43/4倍。由于高温下倍。由于高温下不同种类原子的不同种类原子的，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的末的，使粉末颗粒相互结合。，使粉末颗粒相互结合。28热压热压 松装烧结松装烧结 粉浆烧注粉浆烧注混合混合压制压制等静压制等静压制 轧制轧制 挤压挤压烧结烧结烧结烧结浸适浸适 热处理热处理 电镀电镀预烧结预烧结高温烧结高温烧结 复压复压锻打锻打复烧复烧拉丝拉丝烧缩烧缩精整精整锻造锻造 轧制轧制 挤压挤压 烧结烧结（浸油）（浸油）热处理热处理粉末冶金成品粉末冶金成品29 （1 1）粉末冶金减摩材料。）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。承、支承衬套或作端面密封等。（2 2）粉末冶金多孔材料。）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有道纵横交错、互相贯通，一般有30306060的体积孔隙度，的体积孔隙度，孔径孔径1 1100100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。灭火装置、防冻装置等。（3 3）粉末冶金结构材料。）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。30（4 4）粉末冶金工模具材料。）粉末冶金工模具材料。包括包括 硬质合金硬质合金 、粉末冶金高、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。于制造切削刀具、模具和零件的坯件。（5 5）粉末冶金电磁材料。）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6 6）粉末冶金高温材料。）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、属和合金、金属陶瓷金属陶瓷 、弥散强化和纤维强化材料等。用、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。部件。31 汽车动力系统：3233343536 在压力的作用下，将在压力的作用下，将液态或半液态金属以一液态或半液态金属以一定速度充填定速度充填或或中，在压力下快速凝中，在压力下快速凝固成型。固成型。主要工艺因素有熔融主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热金属的温度、模具预热温度、压力和加压速度温度、压力和加压速度等。等。37 将颗粒加入将颗粒加入中，中，然后将半固态复合材料注入模具进然后将半固态复合材料注入模具进行行。金属熔体的温度控制在液相线和金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间，通过搅拌，使部分树固相线之间，通过搅拌，使部分树枝状结晶体破碎成固态颗粒。枝状结晶体破碎成固态颗粒。当加入当加入的增强颗粒时，在的增强颗粒时，在中增强颗粒受到金属颗粒中增强颗粒受到金属颗粒而滞留在半固态熔体中减少集结和而滞留在半固态熔体中减少集结和偏聚，同时搅拌可促进颗粒与金属偏聚，同时搅拌可促进颗粒与金属基体的基体的。38在高速在高速的作用下，液态金属形成的作用下，液态金属形成“雾化锥雾化锥”；同时通过一；同时通过一个或多个喷嘴向个或多个喷嘴向“雾化锥雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并快板（收集器）上沉积并快速凝固形成速凝固形成。喷射成型法示意图喷射成型法示意图 39 美国美国LanxideLanxide公司开发的一公司开发的一种新工艺。将种新工艺。将，放置于由氧化铝制，放置于由氧化铝制成的容器中。再将成的容器中。再将置于增强材料预制体上置于增强材料预制体上部。然后一齐装入可通入流部。然后一齐装入可通入流动动的加热炉中。通过的加热炉中。通过，基体金属熔化，并自发，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制浸渗入网络状增强材料预制体中。体中。无压浸渗法工艺原理示意图无压浸渗法工艺原理示意图 40以制备以制备AlN/Al复合材料为例，将增强剂预制体放复合材料为例，将增强剂预制体放入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制体入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制体上。上。在流动氮气的气氛下，加热至在流动氮气的气氛下，加热至800 1000 C时，铝时，铝合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应生合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应生成成AlN。控制氮气流量、温度和渗透速度，可控。控制氮气流量、温度和渗透速度，可控制制AlN的生成量。的生成量。AlN起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的作用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。作用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。41 增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的定性好，不存在基体与增强相之间的等问题，基体与增强相等问题，基体与增强相良好，较好的解良好，较好的解决了决了问题。问题。42直接金属氧（氮）化法直接金属氧（氮）化法 。制备制备Al2O3/Al时，时，900 1300 C的温度下，使熔融铝通过显微的温度下，使熔融铝通过显微通道渗透到氧化铝层外部，并顺序氧化；即铝被氧化，但液通道渗透到氧化铝层外部，并顺序氧化；即铝被氧化，但液态铝的渗透通道未被堵塞。可根据氧化程度控制态铝的渗透通道未被堵塞。可根据氧化程度控制Al2O3的量。的量。所制备的复合材料就是含有所制备的复合材料就是含有Al的、互连的的、互连的Al2O3陶瓷基复合陶瓷基复合材料。材料。直接氮化获得直接氮化获得AlN/Al、和、和TiN/Ti等金属或陶瓷基复合材料。等金属或陶瓷基复合材料。43硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加人起粘结作用的金属钴粉末，用粉末冶金法人起粘结作用的金属钴粉末，用粉末冶金法制得的材料。制得的材料。1、硬质合金的性能特点、硬质合金的性能特点44常用硬质合金的分类与牌号常用硬质合金的分类与牌号 碳化钨和粘结剂钴，碳化钨和粘结剂钴，其牌号是由其牌号是由“YG”YG”（“硬、钴硬、钴”两字汉语拼音字首）两字汉语拼音字首）和平均含钴量的百分数组成和平均含钴量的百分数组成 YG8YG8表示表示CoCo的的为为8%8%的钨钴类硬质合金的钨钴类硬质合金)。碳化钨、碳化钛及碳化钨、碳化钛及粘结剂钴，粘结剂钴，其牌号由其牌号由“YT”YT”（“硬、钛硬、钛”两字汉语两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量组成拼音字首）和碳化钛平均含量组成 YT15YT15表示表示TiCTiC的的为为15%15%的钨钴钛类硬质合金的钨钴钛类硬质合金)4546成型方法：成型方法：压制压制烧结烧结47 类类 型型 1类类 型型 2类类 型型 3纤维与基体纤维与基体纤维与基体互不反纤维与基体互不反应但应但纤维与基体纤维与基体形成界形成界面反应层面反应层钨丝钨丝/铜铜Al2O3 纤维纤维/铜铜Al2O3 纤维纤维/银银硼纤维（硼纤维（BN表面涂表面涂层）层）/铝铝不锈钢丝不锈钢丝/铝铝SiC 纤维纤维/铝铝硼纤维硼纤维/铝铝硼纤维硼纤维/镁镁镀铬的钨丝镀铬的钨丝/铜铜碳纤维碳纤维/镍镍钨丝钨丝/镍镍合金共晶体丝合金共晶体丝/同同一合金一合金钨丝钨丝/铜铜 钛合金钛合金碳纤维碳纤维/铝（铝（580 C）Al2O3 纤维纤维/钛钛硼纤维硼纤维/钛钛硼纤维硼纤维/钛钛-铝铝SiC 纤维纤维/钛钛SiO2 纤维纤维/钛钛48 第一类界面：界面微观是平整的，而且只有分子第一类界面：界面微观是平整的，而且只有分子层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含其它层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含其它物质。物质。第二类界面：基体与增强相经过扩散第二类界面：基体与增强相经过扩散 渗透相互渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周围，溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周围，如纤维周围，形成如纤维周围，形成。第三类界面：界面处有微米和亚微米级的第三类界面：界面处有微米和亚微米级的。有时并不是一个完整的界面层，而是。有时并不是一个完整的界面层，而是在界面上存在着在界面上存在着。49 在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的结合力。在不同的界面结合受载时，上建立一定的结合力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。塑性。50：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的机械机械“锚固锚固”力结合。力结合。：第二类界面。如相互溶解严重，也可：第二类界面。如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的性能。性能。如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维/镍基复合材料在镍基复合材料在600600 C C下碳在镍中先溶解后析出的现象等。下碳在镍中先溶解后析出的现象等。：第三类界面。大多数金属基复合材料：第三类界面。大多数金属基复合材料的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要存在的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要存在着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。51 改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。的重要内容。从界面优化的观点来看，增强剂与基体的在从界面优化的观点来看，增强剂与基体的在后又能发生适当的后又能发生适当的，达到化学结合，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。52（1 1）改善增强剂的力学性能（保护层）；）改善增强剂的力学性能（保护层）；（2 2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；（3 3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应（阻挡层）；）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应（阻挡层）；（4 4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）。渡层、匹配层）。常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVDPVD、CVDCVD、电化、电化学、溶胶学、溶胶-凝胶法等。凝胶法等。53 在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。的润湿性或有效控制界面反应。如在纯钛中加入合金元素如在纯钛中加入合金元素AlAl、MoMo、V V、ZrZr等可显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。等可显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。如采用液态浸渗法制备铝基复料时，在铝液中加入如采用液态浸渗法制备铝基复料时，在铝液中加入一定量的一定量的SiSi元素，明显地降低了铝合金的熔点、提高了铝元素，明显地降低了铝合金的熔点、提高了铝液的流动性，因而降低了复合材料的浸渗温度。液的流动性，因而降低了复合材料的浸渗温度。如将如将3%3%的合金元素镁作为的合金元素镁作为活性元素添加到铝中后，可使液态铝的表面能下降。活性元素添加到铝中后，可使液态铝的表面能下降。5455 航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方题之一就涉及到平方立方尺寸关系，即结构的立方尺寸关系，即结构的随其尺寸的随其尺寸的增加而增加而却随其线尺却随其线尺寸的寸的增加。所以，假若要保证大型结构的机动增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。56是在金属基复合材料中是在金属基复合材料中的一种。由于的一种。由于为为结构，因此具有良好的结构，因此具有良好的，再加之它所具有的，再加之它所具有的、及及等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是时，通常并不是使用纯铝而是。这主要是由于。这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，。57硼纤维极高强度的共价结合，铝是被选用最广的基体材料。硼纤维极高强度的共价结合，铝是被选用最广的基体材料。硼硼-铝复合材料在研究上很重视。铝复合材料在研究上很重视。硼铝的弹性模量接近各向同性，非轴向强度也较高，横向抗硼铝的弹性模量接近各向同性，非轴向强度也较高，横向抗拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等。比树脂基拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等。比树脂基材料可能达到的强度要高得多。材料可能达到的强度要高得多。硼硼铝复合材料还具有高的导电件和导热性、塑性和韧性、耐铝复合材料还具有高的导电件和导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。磨性、可涂复性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。58硼硼铝复合材料的研究的主要内容：铝复合材料的研究的主要内容：(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。空航天领域中显得尤为重要。(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。料及构件。(3)改进硼改进硼铝复合材料的制造应用技术，促使其铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。成本尽可能降低。59 对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。性好、价格低以及易于制造成复合材料。玻璃纤维玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。氧化铝纤维氧化铝纤维的比模量和比强度较低且价格昂贵。的比模量和比强度较低且价格昂贵。碳化硅纤维碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用但其密度比硼高用但其密度比硼高30、且强度较低。、且强度较低。-钛合金钛合金Ti-6Al-4V的冷拉丝材和沉淀硬化钢的冷拉丝材和沉淀硬化钢“火箭火箭”丝丝NS355，内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。60 硼纤维硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到成的。将钨丝电阻加热到11001300并连续拉过反应器以获得并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。一定厚度的硼沉积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。目前大量供应的纤维有目前大量供应的纤维有100um和和140um两种直径，有的纤维两种直径，有的纤维带有带有2um厚的厚的，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。140um硼纤维的室温密度为硼纤维的室温密度为2.55gcm3。61 硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金具有良好的硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金具有良好的综合性能。综合性能。较高的断裂韧性较高的断裂韧性，较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的，较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能力；裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性较强的抗腐蚀性，较高的强度较高的强度。62 复合材料的制造包括将复合材料的组分复合材料的制造包括将复合材料的组分组装组装并并压合压合成适于制造复合材料零件的形状。成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种常用的工艺有两种:一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行一、纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行;二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品二、先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。制成最终形状的零件。前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。后再锻成零件的形状。63 64层状复合材料层状复合材料层状陶瓷复合材料断口形貌层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合三明治复合65层状复合层状复合铝合金蜂窝夹层板铝合金蜂窝夹层板66 二次加工是指对基本的复合材料型件二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁和管等所进行的加工、包括如平板、梁和管等所进行的加工、包括、和和等工艺过等工艺过程。程。67 硼硼铝复合材料的成型涉及到它的组分铝复合材料的成型涉及到它的组分强而强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。近于脆性的纤维和软而延性的铝。纤维在室温拉伸实验时具有完全纤维在室温拉伸实验时具有完全应力应力应变应变特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么特性，在高温下具有很高的抗蠕变能力，不会有什么塑性延伸。塑性延伸。由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于向断裂延伸率小于1，致使零件的加工制造在很多，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。加工成最终形状的。68 硼铝复台材料与承载结构的硼铝复台材料与承载结构的的连接是复的连接是复合材料应用中最重要的工程领域之一。合材料应用中最重要的工程领域之一。硼硼铝复合材料的连接技术是基于铝的连接铝复合材料的连接技术是基于铝的连接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。低。连结工艺包括固态扩散结合。连结工艺包括固态扩散结合。：标准的焊接工艺是把钎焊箔放入需要连接的：标准的焊接工艺是把钎焊箔放入需要连接的零件之间并在接触压力下进行炉中钎焊。零件之间并在接触压力下进行炉中钎焊。和和也是复合材料的有效连接力法。也是复合材料的有效连接力法。6970