复合材料-第五章金属基cm课件

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1、2021/10/5复合材料教案—第五章性能分类制备应用概述MetalMatrixComposite(MMC)第五章金属基复合材料概述金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如碳化硅、碳、石墨及硼等，也可以是金属丝。MMC是20世纪60年代初,航空航天技术的发展，促进了定向凝固复合材料、难熔金属丝增强高温合金材料的研究开发，并出现了硼纤维增强铝基复合材料；70年代中期，碳纤维增强铝基复合材料的研制以及应用得到发展；70年代末期，先后出现了碳化硅和

2、氧化铝增强铝、钛等多种金属基复合材料，逐渐形成金属基复合材料体系。概述—MMC的沿革与发展80年初开始，人们开始重视对金属基复合材料制备工艺的研究，各种制备工艺相继问世。这些工艺技术的不断出现，又使复合材料的成本不断下降，从而使金属基复合材料从航空航天与军工业转向民用，如汽车工业的应用。从80年代开始，人们逐渐重视对金属基复合材料界面及界面稳定性的研究。概述—MMC的沿革与发展金属基复合材料的发展只有40多年的历史，还处在一个蓬勃发展的新阶段。从MMC的发展看，今后它的研究与开发主要集中在以下几个方面：（1）不同金属基

3、体与不同种类与形态的增强材料的复合效果；（2）开发新型增强材料；（3）制备工艺的研究与开发；（4）界面优化的研究；（5）扩大应用领域与范围。概述6.1MMC的种类和基本性能6.1.1MMC的种类1.按基体分类（1）铝基复合材料（2）镍基复合材料（3）钛基复合材料（4）镁基复合材料：镁在地壳中储量居金属的第三位。镁的密度为1.74g/cm3。镁基复合材料强度与模量较低，但具有很高的导热/热膨胀比值，在温度变化环境中，是一种尺寸稳定性极好的宇宙空间材料。2.按增强材料分类（1）颗粒增强复合材料（2）层状复合材料（3）纤维增

4、强复合材料6.1.2MMC性能特点1.高比强度、比模量纤维增强金属基复合材料的比强度和比模量明显优于金属材料；颗粒增强复合材料比强度增加不明显，但比模量则有显著提高。6.1MMC的种类和基本性能在纤维增强复合材料中，金属基体强度对非纤维增强方向，如横向强度、抗扭强度以及层间剪切强度等性能方面起到关键性作用。金属基体的模量比聚合物材料高1～2数量级，这对要求高模量复合材料来说显得特别重要，尤其是在飞行器和飞机发动机风扇叶片，垂直尾翼和机身骨架等动力结构中所要求的横向模量和剪切模量，金属基复合材料远高于聚合物基复合物材料。

5、6.1MMC的种类和基本性能2.高韧性和高冲击性能ＭＭＣ相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，具有高韧性和耐冲击性能。3.高温性能好、对热冲击的敏感性低6.1.2MMC性能特点Bf/Al在400℃温度下仍具有高的高温度比强度，而Bf/环氧树脂虽然在室温时具有比金属基复合材料更高的比强度，但在约在150℃时的比强度已显著下降。Bf/Al和基体相比，复合材料可以提高使用温度100℃以上，图中2024Al在316℃时其比强度损失已达70%以上，而Bf/Al可以在350～400℃下工作。金属基复合材料的耐热冲击性能优于树脂基和陶瓷基

6、复合材料。6.1.2MMC性能特点5.导热、导电性能好。4.表面耐久性好，表面缺陷敏感性低金属基复合材料中金属基体对表面裂纹的敏感性比聚合物或陶瓷小得多，表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合材料常作为工程构件中的耐磨件使用。6.1.2MMC性能特点7.不存在老化、分解、吸潮问题有些纤维，如硼纤维与钛合金的热膨胀系数接近，在Bf/Ti中热应力可以降至很低。Cf/Al复合材料经过设计后，可使复合材料的热膨胀系数接近零。6.良好的热匹配性6.1.2MMC性能特点复合材料性能主要由纤维性能及分量、基体性能及分量、微观结

7、构、纤维（长短、分布、取向）和界面结构等所决定。混合法则（混合定律）基体和增强材料的性能和所占分量的大小极大地影响着复合材料的性能。用V表示体积，W表示重量，下标f表示纤维（增强材料），m表示基体，c表示复合材料。体积分量：νf=Vf/Vcνm=Vm/Vc……性能计算时用（5-1）6.1.3金属基复合材料的力学性能重量分量：ωf=Wf/Wcωm=Wm/Wc……制造时用（5-2）由于νf+νm=1ωf+ωm=1Wc=Wf+Wm(5-3)那么把W=ρV代入式（5-2），则ωf=Wf/Wc=(ρfVf)/(ρcVC)=(ρf

8、/ρc)νfωm=Wm/Wc=(ρmVm)/(ρcVc)=(ρm/ρc)νm(5-4)从式（5-4）知，若已知各材料组元的密度及复合材料的密度，则可把体积分量换算成重量分量，反之亦然。6.1.3金属基复合材料的力学性能若把W=ρV代入式（5-3），则ρcVc=ρfVf+ρmVm或ρc=ρf(Vf/Vc)+ρm(Vm/Vc)=ρfν