复合材料第十三章-金属基复合材料.pdf

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1、11复合材料复合材料第三部分 复合材料的增强材料第十二章 金属基复合材料第三部分 复合材料的增强材料第十二章 金属基复合材料2教学目的:教学目的:通过本章的学习，掌握金属基复合材料的性能特点、制备方法及主要应用，金属基复合材料的开发难点、热点。重点内容:通过本章的学习，掌握金属基复合材料的性能特点、制备方法及主要应用，金属基复合材料的开发难点、热点。重点内容:1、金属基复合材料的性能及制备方法。、金属基复合材料的性能及制备方法。2、金属基复合材料的开发难点和热点。难点:、金属基复合材料的开发难点和热点。难点:金属基复合材料的结构与性能的关系。熟悉内容:金属基复合材料的结构与性能的关系。熟悉内容

2、:金属基复合材料中的应用状况和发展趋势。金属基复合材料中的应用状况和发展趋势。3主要英文词汇：主要英文词汇：Composite material-复合材料复合材料Advanced composite material-先进复合材料先进复合材料Macromechanics of composite-复合材料宏观力学复合材料宏观力学Reaction of composite interface-复合材料界面反应复合材料界面反应Compatibility of composite interface-复合材料的界面相容性复合材料的界面相容性Optimum design of composite in

3、terface-复合材料的界面优化设计复合材料的界面优化设计4Powder metallurgy method of metal matrix composite-金属基复合材料的粉末冶金法金属基复合材料的粉末冶金法Immersed treatment of reinforced surface in metal-based composite-金属基复合材料增强表面涂浸处理金属基复合材料增强表面涂浸处理Vacuum-casting of metal-based composite-金属基复合材料真空吸铸金属基复合材料真空吸铸Particle reinforced metal-based co

4、mposite-颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料5参考教材或资料：参考教材或资料：1、复合材料学、复合材料学-周祖福（武汉理工大学出版社，周祖福（武汉理工大学出版社，2004年）年）2、现代复合材料、现代复合材料-陈华辉 邓海金 李 明（中国物质出版社陈华辉 邓海金 李 明（中国物质出版社,1998）3、复合材料概论、复合材料概论-王荣国 武卫莉（哈尔滨工业大学出版社王荣国 武卫莉（哈尔滨工业大学出版社,1999）4、复合材料、复合材料-吴人洁（天津大学出版社吴人洁（天津大学出版社,2000）5、复合材料科学与工程、复合材料科学与工程-倪礼忠倪礼忠,陈麒陈麒(科学出版社科学出版社,

5、2002)6、复合材料及其应用、复合材料及其应用尹洪峰尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社任耘（陕西科学技术出版社,2003）7、高性能复合材料学、高性能复合材料学-郝元恺郝元恺,肖加余肖加余(化学工业出版社化学工业出版社,2004)8、新材料概论、新材料概论-谭毅谭毅,李敬锋李敬锋(冶金工业出版社冶金工业出版社,2004)9、先进复合材料、先进复合材料-鲁 云 朱世杰 马鸣图（机械工业已出版社鲁 云 朱世杰 马鸣图（机械工业已出版社,2004）10、复合材料、复合材料-周曦亚（化学工业出版社周曦亚（化学工业出版社,2005）6278910111231313、金属基复合材料前言：金属基复合材料的制

6、备工艺方法对复合材料的性能有很大的影响，是金属基复合材料的重要研究内容之一。金属基复合材料与树脂基复合材料比，优点在于：工作温度高；横向机械性能好；层间剪切强度高；耐磨损、导电、导热；不吸湿、不老化；尺寸稳定，可采用金属加工方法。、金属基复合材料前言：金属基复合材料的制备工艺方法对复合材料的性能有很大的影响，是金属基复合材料的重要研究内容之一。金属基复合材料与树脂基复合材料比，优点在于：工作温度高；横向机械性能好；层间剪切强度高；耐磨损、导电、导热；不吸湿、不老化；尺寸稳定，可采用金属加工方法。14金属基复合材料的发展：金属基复合材料的发展：(1)产生于产生于60年代，发展于年代，发展于90年

7、代。年代。(2)最早应用于哥伦比亚号航天飞机的骨架：硼纤维最早应用于哥伦比亚号航天飞机的骨架：硼纤维/Al。由于硼纤维太昂贵，现在基本用碳纤维。由于硼纤维太昂贵，现在基本用碳纤维/Al复合材料来替代硼纤维复合材料来替代硼纤维/Al。(3)受制备工艺的限制，基本还处于实验室阶段。金属基复合材料的应用：受制备工艺的限制，基本还处于实验室阶段。金属基复合材料的应用：最初，比强度、比模量高，尺寸稳定等优点；而用于航天、航空等部门；近年来，随着新制造工艺的出现，廉价增强体（最初，比强度、比模量高，尺寸稳定等优点；而用于航天、航空等部门；近年来，随着新制造工艺的出现，廉价增强体（SiC、陶瓷短纤维等），金

8、属基复合材料开始用于民用部门。、陶瓷短纤维等），金属基复合材料开始用于民用部门。15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、复合材料的设计和性能；（）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）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）制备工艺研究，以提高复合材料的性能和降低成本；（）制备工艺研究，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；（）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。1613.1金属基复合材料的类型用途分类：结构型：低温：铝（合金）、镁

9、（合金）基复合材料，金属基复合材料的类型用途分类：结构型：低温：铝（合金）、镁（合金）基复合材料，350度或略高；中温：钛（合金）基度或略高；中温：钛（合金）基600-650度下；高温：镍（合金）基度下；高温：镍（合金）基1000度以上工作。功能型：度以上工作。功能型：17金属基复合材料优异的高温性能主要是增强体赋 予的。结构型金属基复合材料按增强体分类：连续纤维增强；非连续增强体增强；不同金属板的积层复合。功能型金属基复合材料：例如：半导体器件底板受热容易翘曲，使硅片上产生微裂纹；采用铜和碳纤维复合后，刚性提高，同时调节了膨胀系数。大型蓄电池的铅板重、刚性差、容易翘曲；采用铅和碳纤维复合后，

10、强度和模量提高，同时不容易翘曲。金属基复合材料优异的高温性能主要是增强体赋 予的。结构型金属基复合材料按增强体分类：连续纤维增强；非连续增强体增强；不同金属板的积层复合。功能型金属基复合材料：例如：半导体器件底板受热容易翘曲，使硅片上产生微裂纹；采用铜和碳纤维复合后，刚性提高，同时调节了膨胀系数。大型蓄电池的铅板重、刚性差、容易翘曲；采用铅和碳纤维复合后，强度和模量提高，同时不容易翘曲。18增强体的作用：连续纤维或长纤维增强：增强体的作用：连续纤维或长纤维增强：以高性能的纤维为增强体，金属或其合金作为基体。纤维为承受复合的主要组元，纤维的加入大大改善了材料的力学性能，也提高了耐热性能。常用的纤

11、维：硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅、氧化硅纤维等。以高性能的纤维为增强体，金属或其合金作为基体。纤维为承受复合的主要组元，纤维的加入大大改善了材料的力学性能，也提高了耐热性能。常用的纤维：硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅、氧化硅纤维等。419铝合金铝合金固态、液态法碳纤维镁合金固态、液态法碳纤维镁合金 固态、液态法硼纤维钛合金固态、液态法硼纤维钛合金 固态法固态法SiC纤维高温合金纤维高温合金固态法氧化铝纤维金属间化合物固态法氧化铝纤维金属间化合物固态法固态法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20非连续型纤维：非连续型纤维：短纤维、晶须、颗粒等为增强体。复合材料

12、的力学性能不及连续纤维增强金属基体复合材料，但价格便宜。短纤维、晶须、颗粒等为增强体。复合材料的力学性能不及连续纤维增强金属基体复合材料，但价格便宜。铝合金铝合金固态、液态、原位生长、喷射成型法颗粒镁合金固态、液态、原位生长、喷射成型法颗粒镁合金液态法晶须钛合金液态法晶须钛合金固态、液态法、原位生长法短纤维高温合金固态、液态法、原位生长法短纤维高温合金原位生长法金属间化合物原位生长法金属间化合物粉末冶金、原位生长法粉末冶金、原位生长法21积层复合材料：积层复合材料：由两层或多层不同的层板组成的材料，根据需要选择不同的层板（金属、非金属），使积层复合材料具有多种优异的性能。混杂复合材料：一种增强

13、体和两种基体；一种基体和两种增强体。由两层或多层不同的层板组成的材料，根据需要选择不同的层板（金属、非金属），使积层复合材料具有多种优异的性能。混杂复合材料：一种增强体和两种基体；一种基体和两种增强体。2213.2 金属基复合材料的制造技术为了改善液态基体对增强体的湿润性；防止或减少增强体与基体之间的化学反应。对增强体进行预涂覆处理或基体中添加合金元素。金属基复合材料的制造技术：直接涂覆法；液态法；固态法；原位自生成法。金属基复合材料的制造技术为了改善液态基体对增强体的湿润性；防止或减少增强体与基体之间的化学反应。对增强体进行预涂覆处理或基体中添加合金元素。金属基复合材料的制造技术：直接涂覆法

14、；液态法；固态法；原位自生成法。23金属基复合材料的制备成形金属基复合材料的制备成形24?CVD（化学气相沉积）（化学气相沉积）?CVI（化学气相渗透）（化学气相渗透）?PVD（物理气相沉积）气相工艺（物理气相沉积）气相工艺?粉体烧结粉体烧结?反应成形反应成形?粉末冶金（热压、机械合金化、粉末冶金（热压、机械合金化、SPS）?合金箔扩散键合合金箔扩散键合?拉拔等机加工成形拉拔等机加工成形?热塑性塑料的热压成形固相工艺热塑性塑料的热压成形固相工艺?定向氧化定向氧化?定向凝固共晶定向凝固共晶?利用有机聚合物的合成利用有机聚合物的合成?压力熔浸与无压熔浸压力熔浸与无压熔浸?搅拌铸造搅拌铸造?喷射沉积

15、成形喷射沉积成形?定向凝固共晶定向凝固共晶?热喷射热喷射?液体状树脂含浸液体状树脂含浸?预浸料坯成形预浸料坯成形?(玻璃钢玻璃钢)片状模塑料片状模塑料?热塑性塑料注射成形液相工艺陶瓷基复合材料金属基复合材料聚合物基复合材料热塑性塑料注射成形液相工艺陶瓷基复合材料金属基复合材料聚合物基复合材料525常用的金属基复合材料制备工艺常用的金属基复合材料制备工艺26直接涂覆法：将基体直接涂于纤维上而得。一般只能制造成半成品。等离子喷涂法：直接涂覆法：将基体直接涂于纤维上而得。一般只能制造成半成品。等离子喷涂法：利用等离子弧的高温将基体熔化后喷射到工件的纤维上，冷却并沉积下来的一种涂覆方法，过程间歇进行。

16、离子涂覆法：利用等离子弧的高温将基体熔化后喷射到工件的纤维上，冷却并沉积下来的一种涂覆方法，过程间歇进行。离子涂覆法：物理气积方法的一种，熔发蒸发金属，蒸汽在氩气辉光放电中部分电离，在外加电场下加速沉积于阴极的碳纤维上。电镀和化学镀法：物理气积方法的一种，熔发蒸发金属，蒸汽在氩气辉光放电中部分电离，在外加电场下加速沉积于阴极的碳纤维上。电镀和化学镀法：化学气相沉积法：化学气相沉积法：27液态法：是基体在液态下制造金属基复合材料的所有方法的总称，分为连续浸渍法液态法：是基体在液态下制造金属基复合材料的所有方法的总称，分为连续浸渍法、铸造法、铸造法。液态法亦称为熔铸法。液态法亦称为熔铸法，液态法是

17、目前制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。液态法主要特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法非常相似，制备成本较低，因此液态法得到较快的发展。，液态法是目前制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。液态法主要特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法非常相似，制备成本较低，因此液态法得到较快的发展。28连续浸渍法：连续浸渍法：只适用于长纤维。目的：为了解决基体对纤维的湿润性以及它们之

18、间的化学作用问题。例如：化学气相沉积法处理后碳纤维，在氩气保护下通过盛有熔融铝的坩埚中，纤维表面立即复合上了铝。铸造法：只适用于长纤维。目的：为了解决基体对纤维的湿润性以及它们之间的化学作用问题。例如：化学气相沉积法处理后碳纤维，在氩气保护下通过盛有熔融铝的坩埚中，纤维表面立即复合上了铝。铸造法：大多数铸造方法可用来制造金属基复合材料，某些可铸零件，甚至形状复杂的零件。该法制造纤维增强金属基复合材料时，纤维预先制成预制件。大多数铸造方法可用来制造金属基复合材料，某些可铸零件，甚至形状复杂的零件。该法制造纤维增强金属基复合材料时，纤维预先制成预制件。29压铸法：压铸法：在压力的作用下，将液态或半

19、液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。压铸成型法的具体工艺：在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。压铸成型法的具体工艺：首先将包含有增强材料的金属熔体首先将包含有增强材料的金属熔体倒入预热摸具中后，迅速加压，压力约为倒入预热摸具中后，迅速加压，压力约为70100MPa，使液态金属基复合材料，使液态金属基复合材料在压力下凝固。待复合材料完全固化后顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸件在压力下凝固。待复合材料完全固化后顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸

20、件。压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素。压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个：熔融金属的温度、模具预热温度 使用的最大压力、加压速度。主要有四个：熔融金属的温度、模具预热温度 使用的最大压力、加压速度。30在采用预制增强材料块在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于50MPa，加压速度以使预制件不变形，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为为宜，一般为13cm/s。对于铝基复合材料。对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为，熔融金属温度一般为700800，预，预制件和模具预热温度制件和模具预热温度一般可控

21、制在一般可控制在500800，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压铸法，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压铸法生产的铝基复合材料生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。631真空压力铸造法：真空压力铸造法：真空可减少材料中的空隙，上部抽真空，下

22、部熔融液金属加压。半固态复合铸造：真空可减少材料中的空隙，上部抽真空，下部熔融液金属加压。半固态复合铸造：将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。通常采用搅拌法制备金属基复合材料通常采用搅拌法制备金属基复合材料时，常常会由于强烈时，常常会由于强烈搅拌搅拌将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中；同时当颗粒与金属基体；同时当颗粒与金属基体湿润性差时，颗粒难

23、以与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中湿润性差时，颗粒难以与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。32半固态复合铸造的原理：半固态复合铸造的原理：是将金属熔体的温度是将金属熔体的温度控制在液相线与固相线之间，通过搅拌使部分树枝状结晶体破碎成固相颗粒控制在液相线与固相线之间，通过搅拌使部分树枝状结晶体破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种非枝晶结钩，可以防止半固态熔体粘度，熔体中的固相颗粒是一种非枝晶结钩，可以防止半固态熔体粘度的增加的增加。当加入预热后的。当加入预热后的增强颗粒时，因熔体中含有一定量

24、的固相金属颗粒，在搅拌中增强颗粒受阻而滞留在半固态增强颗粒时，因熔体中含有一定量的固相金属颗粒，在搅拌中增强颗粒受阻而滞留在半固态金属熔体金属熔体中，增强颗粒不会结集和偏聚而得到一定的分散。同时强烈的机械搅拌也使增强颗粒与金属熔体中，增强颗粒不会结集和偏聚而得到一定的分散。同时强烈的机械搅拌也使增强颗粒与金属熔体直接接触，促进润湿。直接接触，促进润湿。33主要控制工艺参数主要控制工艺参数 金属基体熔体的温度应使熔体达到 金属基体熔体的温度应使熔体达到30%50%固态；搅拌速度应不产生湍流固态；搅拌速度应不产生湍流以防止空气裹入，并使熔体中枝晶破碎形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒

25、的加入。由于浇注时金属基复合材料以防止空气裹入，并使熔体中枝晶破碎形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。由于浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型是处于半固态，直接浇注成型或压铸成型或压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料，因短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结，因短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也不易分散均匀，因而不易采用此法来制备短纤维或晶须增强金属基复合材料。在一起，虽经搅拌也不易分散均匀，因而

26、不易采用此法来制备短纤维或晶须增强金属基复合材料。34喷射成型法：喷射成型法：喷射沉积工艺是一种喷射沉积工艺是一种80年代逐渐成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工艺。该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成年代逐渐成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工艺。该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成“雾化锥雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴向；同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥雾化锥”喷射入增强

27、颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并 快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并 快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。35喷射成型法示意图喷射成型法示意图36喷射沉积法的优越性喷射沉积法的优越性 该工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，有利于实现工业化生产。高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的 该工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，有利于实现工业化生产。高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的95%98%；属快速凝固方法，冷速可达；属快速凝固方法，冷速可达103 106 K/s，故金属晶粒及组织细

28、化，消除了宏观偏析，合金成分均匀，同时增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应；具有通用性和产品多样性。该工艺适于多种金属材，故金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均匀，同时增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应；具有通用性和产品多样性。该工艺适于多种金属材料基体料基体，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。同时可设计雾化器和收集器的形状，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。同时可设计雾化器和收集器的形状和一定的机械运动，以直接形成盘、棒、管和板带等接近零件实际形状的复合材料的坯料。和一定的机械运动，以直接形成盘、棒、管和板带等接近零件实际形状的复合材料的坯料。

29、737固态法：指金属处于固态下制造金属基复合材料的方法。固态制备工艺主要为扩散结合和粉末治金两种方法。扩散粘结法：固态法：指金属处于固态下制造金属基复合材料的方法。固态制备工艺主要为扩散结合和粉末治金两种方法。扩散粘结法：要求有少量的塑性变形，主要靠原子的扩散完成粘结，例如：复合碳要求有少量的塑性变形，主要靠原子的扩散完成粘结，例如：复合碳/铝复合材料；碳（石墨）布及铝箔按要求截成一定形状和尺寸，叠成一定厚度，设备中加压加热，可得到最终制品。扩散结合也成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。铝复合材料；碳（石墨）布及铝箔按要求截成一定形状和尺寸，叠成一定厚度，设备中加压加热，可得

30、到最终制品。扩散结合也成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。38扩散结合工艺扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤：纤维的排布；复合材料的叠合和真空封装；热压。采用扩散结合方式主要分为三个关键步骤：纤维的排布；复合材料的叠合和真空封装；热压。采用扩散结合方式制备金属基复合材料，工艺相对复杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。但扩散结合是连续纤维增强制备金属基复合材料，工艺相对复杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。但扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的并能按照铺层要求排

31、布的惟一可行的工艺。在扩散结合工艺中，增强纤维与基体惟一可行的工艺。在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，而且在热压时的湿润问题容易解决，而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。因此，在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。因此，在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。39粉末冶金法粉末冶金法：粉末冶金法：混合、压制、烧结；压制与烧结通常同时完成。粉末冶金既可用于连续长纤维增强，又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。在粉未冶金法中，长纤维增强金属基复合材料粉末冶金法：混合、压制、烧结；压制与烧结通常

32、同时完成。粉末冶金既可用于连续长纤维增强，又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。在粉未冶金法中，长纤维增强金属基复合材料分两步进行。首先是将预先设计好的一定体积百分比的分两步进行。首先是将预先设计好的一定体积百分比的长纤维和金属基体粉末混装于容器中，在真空或保护气氛长纤维和金属基体粉末混装于容器中，在真空或保护气氛下预烧结。然后将预烧结体下预烧结。然后将预烧结体进行热等静压加工。一般情况下，采用粉未冶金工艺制备的长纤维增强金属基进行热等静压加工。一般情况下，采用粉未冶金工艺制备的长纤维增强金属基复合材料中复合材料中，纤维的体积百分含量为，纤维的体积百分含量为40%60%，最多可达，最

33、多可达75%。40粉末冶金法五大优点粉末冶金法五大优点 热等静压或烧结温度低于 热等静压或烧结温度低于金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应。可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末以任何比例混合。可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量

34、最高可达，纤维含量最高可达75%，颗粒含量可达，颗粒含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。可降低增强材料与基体以上，这是液态法无法达到的。可降低增强材料与基体互相湿润的要求，也降低了增互相湿润的要求，也降低了增强材料与基体粉未强材料与基体粉未的密度差的要求，使颗粒或晶须的密度差的要求，使颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。采用热等静压工艺时，其组织细化均匀分布在金属基复合材料的基体中。采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、致密、均匀、均匀，一般不会产生偏析、偏聚，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能。粉未冶金法制备的金属基复合材料

35、等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能。粉未冶金法制备的金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加工。可以得到所需形状的复合材料构件的毛坯。可通过传统的金属加工方法进行二次加工。可以得到所需形状的复合材料构件的毛坯。41粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。其优点如下：粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。其优点如下：1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；2）可根据要求设计复合材料的性能；）可根据要求设计复合材料的性能；3）利于增强相与金属基体的均匀混合。）利于增强

36、相与金属基体的均匀混合。4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。粉末冶金法主要缺点：工艺过程比较复杂；金属基体必须制成粉末，增如了工艺的复杂性和成本；在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的爆炸。）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。粉末冶金法主要缺点：工艺过程比较复杂；金属基体必须制成粉末，增如了工艺的复杂性和成本；在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的爆炸。4284344原位自生成法：原位自生成法：在复合材料制造过程中，增强材料在基体中在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的方法称作原

37、位自生成法。在金属基复合材料生成和生长的方法称作原位自生成法。在金属基复合材料制备过程中，往往会遇到两个问题：一是增强材料与金属基体之间的相容性（即润湿性）问题，二是无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间的界面都存在界面反应。其中，增强材料与金属基体制备过程中，往往会遇到两个问题：一是增强材料与金属基体之间的相容性（即润湿性）问题，二是无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间的界面都存在界面反应。其中，增强材料与金属基体之间的相容性之间的相容性往往影响金属基复合材料在高温制备和高温应用中的往往影响金属基复合材料在高温制备和高温应用中的性能和性能稳定性。如果增强材料（纤维、颗粒或晶须）

38、能从金属基体中性能和性能稳定性。如果增强材料（纤维、颗粒或晶须）能从金属基体中直接（即原位）生成，则上述两个问题就可以得到较好的解决。以原位自生成法直接（即原位）生成，则上述两个问题就可以得到较好的解决。以原位自生成法制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的相容性好，界面干净，结合牢固。特别当增强材料与基体之间制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的相容性好，界面干净，结合牢固。特别当增强材料与基体之间有共格有共格或半共格或半共格关系时，能非常有效地传递应力关系时，能非常有效地传递应力；而且，界面上不生成有害的反应产物；而且，界面上不生成有害的反应产物，因此这种复合材料有较优异的力学性能。

39、，因此这种复合材料有较优异的力学性能。45原位自生成原位自生成有三种方法有三种方法1)共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法2)直接金属氧化法直接金属氧化法（DIMOXTM）3)反应自生成法反应自生成法（XDTM）1)共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法增强材料增强材料以共晶的形式从基体中以共晶的形式从基体中凝固析出，通过控制冷凝固析出，通过控制冷凝方向凝方向，在基体中生长出排列整齐的，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层类似纤维的条状或片层状状共晶增强材料。以这种方式生产的镍基、钴基定向凝固共晶复合材料共晶增强材料。以这种方式生产的镍基、钴基定向凝固共晶复合材料已得到应用。定向凝固共晶

40、复合材料的原位生长必须满足三个条件：有温度梯度（已得到应用。定向凝固共晶复合材料的原位生长必须满足三个条件：有温度梯度（GL）的加热方式；满足平面凝固条件；两相的成核和生长要协调进行）的加热方式；满足平面凝固条件；两相的成核和生长要协调进行。462)直接金属氧化法（直接金属氧化法（DIMOXTM）DIMOXTM是一种可以制备金属基复合材料是一种可以制备金属基复合材料和陶瓷基复合和陶瓷基复合材料材料的原位复合工艺。的原位复合工艺。DIMOXTM法根据是否有预成型体又可分为惟一基体法法根据是否有预成型体又可分为惟一基体法和预成型体法和预成型体法，两者原理相同。惟一基体法，两者原理相同。惟一基体法的

41、特点制备金属基复合材料的的特点制备金属基复合材料的原材料中没有填充物（增强材料预原材料中没有填充物（增强材料预成型体）和增强相成型体）和增强相，只是通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料在惟一基体法中，例如需制备，只是通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料在惟一基体法中，例如需制备Al2O3/Al，则可通过铝液，则可通过铝液的氧化的氧化来获取来获取Al2O3增强相。通常铝合金增强相。通常铝合金表面迅速氧化，形成一种内聚、结合紧密的表面迅速氧化，形成一种内聚、结合紧密的氧化铝膜，这层氧化铝膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。但是在氧化铝膜，这层氧化铝膜使得氧无法进一步渗透，从而

42、阻止了膜下的铝进一步氧化。但是在DIMOXTM工艺中，熔化温度上升到工艺中，熔化温度上升到9001300，远超过铝的熔点，远超过铝的熔点660。47通过进一步加入促进氧化反应的合金元素通过进一步加入促进氧化反应的合金元素Si和和Mg，使熔化金属通过显微通道，使熔化金属通过显微通道渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，但铝液的渗透通道未被堵塞。利用惟一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，但铝液的渗透通道未被堵塞。利用惟一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制Al2O3的量。如果这一工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所制备的复合材料就是致密互连的的量。

43、如果这一工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所制备的复合材料就是致密互连的Al2O3陶瓷基复合材料，其中含有陶瓷基复合材料，其中含有5%30%的的Al。除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过。除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过DIMOXTM工艺还可以获得工艺还可以获得AlN/Al，ZrN/Al和和TiN/Ti等金属基或陶瓷基等金属基或陶瓷基复合材料。当复合材料。当DIMOXTM工艺采用增强材料预成型体工艺采用增强材料预成型体时，由于增强材时，由于增强材料预成型体料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮顺序氧是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮顺序氧（氮）化（氮）化形成基体

44、。形成基体。483)反应自生成法（反应自生成法（XDTM）这种方法是在近这种方法是在近20年中发展起来的技术，主要用于制造金属间化合物复合材料。在反应自生成法中，增强材料是由加入基体中的年中发展起来的技术，主要用于制造金属间化合物复合材料。在反应自生成法中，增强材料是由加入基体中的相应元素之间的反应，或者合金熔体中的相应元素之间的反应，或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间反应生成的。在某种组分与加入的元素或化合物之间反应生成的。在XDTM工艺中，可以根据所选择的原位生成的工艺中，可以根据所选择的原位生成的增强相的类别或形态，选择基体和增强相生成所需的增强相的类别或形态，选择基体和增

45、强相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例（反应要求）混合。当这种混合物制成预制体，加热到金属熔点以上原材料，如一定粒度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例（反应要求）混合。当这种混合物制成预制体，加热到金属熔点以上或者自蔓或者自蔓延的反应发生的温度延的反应发生的温度时，混合物的组成元素进行放热反应，用以生成在基体中弥漫的时，混合物的组成元素进行放热反应，用以生成在基体中弥漫的微观增强颗粒、晶须和片晶等增强相。微观增强颗粒、晶须和片晶等增强相。949XDTM工艺的关键技术是可以生成一种韧相，它属于专利技术。例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例工艺的关键技术是可以生成一种

46、韧相，它属于专利技术。例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例混合成型，加热后反应生成混合成型，加热后反应生成TiB2，进而形成，进而形成TiB2增强的铝基复合材料。增强的铝基复合材料。Al+Ti+B TiB2+Al XDTM法不仅可以用粉末反应法不仅可以用粉末反应生成复合材料，也可以在熔生成复合材料，也可以在熔融的合金中融的合金中导入参加反应的粉末或气体而生成复合材料。如在熔融的导入参加反应的粉末或气体而生成复合材料。如在熔融的Al-Ti合金中导入载碳气体，反应生成合金中导入载碳气体，反应生成TiC，进而形成，进而形成TiC增强铝基复合材料。增强铝基复合材料。Al+Ti+C TiC+Al5

47、0XDTM工艺特点工艺特点 增强相是原位形成，具有热稳定性 增强相是原位形成，具有热稳定性；增强相的类型、形态；增强相的类型、形态可以选择和设计；各种金属或金属间化合物均可作为基体；复合材料可以采用传统金属加工方法可以选择和设计；各种金属或金属间化合物均可作为基体；复合材料可以采用传统金属加工方法进行二次加工。进行二次加工。XDTM材料包括材料包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和和Ni基复合材料，还可以是基复合材料，还可以是TiAl、Ti3Al和和NiAl等金属化合物基复合材料。其中，增强相包括硼化物等金属化合物基复合材料。其中，增强相包括硼化物、氮化物、氮化物和碳化物和碳化物等，其形态可以是颗

48、粒等，其形态可以是颗粒、片晶、片晶和杆状和杆状，还可以原位生成晶须。，还可以原位生成晶须。5113.3基本性能随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高。在结构材料方面，不但要求强度高基本性能随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高。在结构材料方面，不但要求强度高，还要求其重量，还要求其重量要轻要轻，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。金属基复合材料相对于传统的金属材料，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的来说，具有较高的比强度与比刚度；而与树脂基复合材料比强度与

49、比刚度；而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。相比，它又具有高韧性和高冲击性能。52金属基复合材料的这些优良的性能金属基复合材料的这些优良的性能决定了它已从决定了它已从诞生之日起诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的

50、复合材料。53(1)铝基复合材料铝基复合材料这是在金属基复合材料中应用得最广这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。在制造铝基复合材料创造了有利的条件。在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于