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1、金属基复合材料（MMC）,材料学院 朱正吼,一、金属基复合材料概述,1、金属基复合材料的分类 1 - 1、按增强材料分类： 纤维增强金属基复合材料 颗粒、晶须增强金属基复合材料 1 - 2、按基体材料分类： 铝基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 高温合金基复合材料 金属间化合物基复合材料,2、金属基复合材料的研究重点,2、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、复合材料的设计和性能； 2）增强相/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和降低成本； 4）新型增强剂的研究开发； 5）复合材料的扩大应用。,二、金属基复合材料的制备工艺,1、金属基
2、复合材料制备工艺概述 1 - 1 金属基复合材料制备工艺的研究内容以及选择原则： 1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合： 增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学相容性。另外，如果在复合材料中使用高强度的纤维，就必须寻找具有高断裂功的基体材料。在这方面，固态法制备方法更好一些，因铸造合金一般具有较低的断裂韧性。 2）界面的形成及机制，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： 在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂更均匀、均质排布（分布）的方法。在这方面，液态法与固态法相比较差。4）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。,金属基
3、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：真空热压扩散结合、超塑性成型 / 扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。 2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。 3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。 4）原位生长法。,1 - 2、连续增强相金属基复合材料的制备工艺,铝合金 固态、液态法 碳纤维 镁合金 固态、液态法 硼纤维 钛合金 固态法 SiC纤维 高温合金 固态法 氧化铝纤维 金属间化合物 固态法,1 - 3、不连续增强相金属基复合材料的制备工艺,铝合金 固态、液态、原位生长、喷射成型法 颗粒 镁合金 液态法 晶须 钛合金 固态、液态法、原位生长
4、法 短纤维 高温合金 原位生长法 金属间化合物 粉末冶金、原位生长法,2、 先驱（预制）丝（带、板）的制备,2 - 1 纤维/（基体箔材）聚合物粘结剂先驱（预制）带（板）(图9-1)： 缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕涂敷聚合物粘结剂定位。 图9-1 纤维 / 聚合物粘结剂先驱（预制）带（板）,2 - 2 等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱（预制）带（板）：,纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位（图9-2）。 图9-2 等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱（预制）带（板）示意图,2 -3 PVD法纤维/基体复合丝,图 9-3 PVD法纤维/基体复合丝原理图,2 -3 PVD法纤维/基体复合
5、丝,采用磁控溅射等物理气相沉积（PVD）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面（图9-3、4）上，形成纤维/基体复合丝。使用这种复合丝制备复合材料时，主要是基体与基体之间的扩散结合，有利于材料界面的改善；同时通过控制基体沉积层的厚度可控制纤维的体积比。,图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层,2 - 4 粉末法纤维/基体复合丝,首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体，然后将纤维通过带有一定孔径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。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毛细管孔径等。 由于在复合材料
6、制备过程中需要预先彻底除去复合丝中的聚合物粘接剂胶体，因此要求聚合物粘接剂具有在真空状态的低温下能够完全挥发的特性。,图9-5 粉末法纤维/基体复合丝示意图,2 - 6 熔池法纤维 / 基体复合丝,图 9-6 熔池法纤维 / 基体复合丝示意图,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。 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Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。 如图9-6所示，对纤维进行Ti-B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，防止过量的脆性相Al4C3生成。,3、固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）,图
7、9-6 真空热压扩散结合工艺流程示意图 扩散结合是制备连续纤维金属基复合材料的传统工艺。在一定温度下的压力下，把均匀排布在新鲜清洁表面的基体箔片或（复合）先驱丝通过基体金属表面原子的相互扩散而连接在一起（图9-6）。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。其压力应有一定下限，防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形成“眼角”空洞缺陷。,3 2 热等静压（HIP）,图9-8 热等静压制备金属基复合材料管材示意图 热等静压工艺是扩散结合的一种手段。采用热等静压工艺时，所得制品组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其它内部缺陷得到明显改善，从而
8、提高复合材料的性能。,3 3 模压成型（Mold Forming）,图 9-9 模压成型制备金属基复合材料示意图 模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材（图9-9）。,3-4 超塑性成型/ 扩散结合 （SPF / DB）,超塑性：材料在低负载作用下，拉伸变形时不发生缩颈，也不发生断裂，延伸率可达 100% 到 2000% 的现象。塑性流变和应变速度的关系如下： = K (e ) m 式中 ：流变应力；e：应变速度；K：常数；m：应变速度敏感指数，衡量超塑性的重要参数。 影响超塑性的因素： 1
9、) 形变速度：10 -4 10 -1 /分 2) 温度： 0. 5T m ，达到相变临界点以下的某一温度可得到最大的m值和延伸率。 3) 晶粒度： 稳定、等轴、复相直径为0.5 5 m的细晶粒。,3-4 超塑性成型/ 扩散结合 （SPF / DB）,图 9-10 超塑性成型/ 扩散结合法制备金属基复合材料叶片示意图,3-5 粉末（冶金）法（Slurry Powder Metallurgy）,为了解决使用金属箔材成本高以及难以获得Ti-Al金属间化合物箔材的问题，发展了粉末（冶金）（Slurry Powder Metallurgy）工艺。,粉末（冶金）法,首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体，可将胶体轧制成基体粉末薄带（箔）；也可将纤维按一定间距排好，用粉末胶体固定，干燥后制成粉末/纤维预制片；也可按粉末法纤维/基体复合丝的制备方法制成复合丝。然后使用真空扩散结合工艺制成复合材料制品（图9-11）。 这种方法是一种低成本的工艺，其关键是聚合物粘接剂能够完全挥发，否则聚合物残留物将留在复合材料的界面，严重影响复合材料的性能。因此选择具在较低体积比的情况下有足够粘度，而且在真空状态的低温下能够完全挥发的聚合物粘接剂是至关重要的。,图9-11 粉末（冶金）法制备金属基复合材料示意图,