复合材料学之五

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1、5金属基复合材料的制法及特性1概述制造金属基复合材料时必须注意的问题：1）纤维与基体金属的润湿性、结合性和反应性，即相容性问题。2）纤维分布状态的控制。3）制造过程中纤维因热学、力学方面的原因造成的损伤和劣化。4）纤维和基体金属的膨胀及制造时承受的残余应力的分布状态。5）纤维质量的稳定性。6）适于工业化生产，便于质量控制的制造方法。增强处理的预处理1）纤维制品往往不是单纤维，而是呈束或纱状，还有呈织物状的，也有短纤维或晶须状的，应根据使用目的选择下的状态。2）有的纤维或颗粒或短纤维可以直接与金属复合成型，有的则需要改善两者的润湿性和结合性，控制界面反应，故要对纤维进行表面

2、处理。3）为了保证纤维的有序排布，要把纤维与基体金属做成预制带或预浸线，然后再根据使用要求进行裁剪、层合、制成预成形体。4）对于短纤维、晶须合颗粒增强材料，还必须解决如何加入及防止它们在金属液中上浮、下沉或凝聚等问题，使其能在基体金属中均匀分布。经过以上预处理后才能复合成形。2纤维增强金属基复合材料的复合成形1）预制带的制作在纤维增强复合材料的制造中往往先制成预制带，再根据需要的纤维排列方向和分布状态，再把预制带按纤维的取向和规定的厚度进行层合、加温加压成形制成预成形体，其优点：可以自由改变层合的方法得到所希望的性能。预制带包括：半固化带、喷涂带、PVD带和单层带半固化带

3、：用于较粗纤维增强如B/Al复合材料制造，把硼纤维以一定间隔单向排列再铝箔上，再用树脂固定单层带是在金属箔上开槽，把纤维下到槽里，再再上面放同样的金属箔，它是一种有纤维夹层的金属箔。喷涂带是用喷涂金属将排布好的纤维固定在金属箔上，粗纤维和细纤维都行。2）预浸线的制作预浸线是将纤维束通过金属液，使金属液渗到纤维之间，然后挤出多余的金属液并同时进行固化而制成。右图为连续挤拉法制造预浸线的示意图，这种方法已被用于SiC纤维与Al的预浸线的连续制造上。除熔浸连续挤拉，还可以采用电镀法、真空沉积法制备预制带和预浸线是用固相扩散结合法和液相法制造复合材料过程的中间制品，它可以直接使用

4、，也可以先做成预成体后再用于复合材料的成形。3）增强纤维的排布方式及形态增强纤维的排布形态总的来说可以分为：单向排布、二维排布及三维排布。将预制带层合或纤维、预浸线按要求的排布形态编好即可制成预成形体，制成预成形体后，还要经过复合成形的过程才能制成复合材料制品。复合成形有两种方法：固态复合成形（固相扩散结合法）液态复合成形（熔融金属浸渗法）3固相扩散结合法1）扩散粘结：也称扩散焊接，是再塑性变形不大时，利用接触部位的原子再高温下相互扩散而使纤维和基体金属结合在一起的。常用的技术有：A热压法：把预成形层合体在真空或惰性气体中加热、加压而复合的方法。如B/Al复合材料的加热温

5、度：773K，加压10～70MPa，保压时间0.5~1.5h。B热等静压（HIP）法把预成形体密封在模盒中，再放在高温高压的压力釜里复合成形的方法。因为加的压力是静压，可以用简单的模、夹具就能压出复杂形状的部件，与热压法相比，它可以进行大型部件的复合成形，如直升飞机的部件。航天飞机上应用的B/Al复合材料的管状桁架就是这种方法做的。一架航天飞机用243根B/Al复合材料的管状桁架，它的重量只是高强度铝合金桁架的44％。2）形变压力加工A热轧：直接把纤维盒金属箔材热轧成复合材料，也可以把半固化带、喷涂带夹在不锈钢板中热轧。B热拔：热拔时可以基体金属的塑性变形控制得比较小，而

6、且在拉拔中纤维主要受拉，几乎没有弯曲应力，可以避免纤维的断裂盒界面剥离。下图是热拔法制造C/Al复合材料的示意图，拉拔温度应取在基体金属的固相线上下，由于这时基体金属的塑性变形阻力很小，可将纤维的机械损伤控制在最小的限度。C挤压法：用于加工连续纤维增强复合材料时，基体金属的塑性变形会使纤维与基体的界面承受弯曲应力，容易造成界面剥离和纤维破断。但是，对于短纤维、晶须和颗粒随机分布的复合材料，热挤压加工时，纤维能随基体金属塑性流动，并按挤出方向排布，即使产生弯曲应力而使纤维破断，如果纤维的纵横比在临界纵横比以上，就能保持纤维的增强效果。用扫描电镜观察SiC/Al挤压复合材料，

7、证实了碳化硅晶须按挤出方向排布的。用氧化铝短纤维与铝合金在773K挤压出的复合材料，在体积分数为30％时，抗拉强度为421MPa，是基体强度的2倍。4爆炸焊接利用炸药爆炸的能量把两层或两层以上的金属板或者预制带结合在一起的一种加工方法。主要用于金属层合板和金属纤维增强金属复合材料特点：1）结合力大2）能使其它方法无法结合的异种金属结合在一起3）与焊接法相比，受到热影响的区域小。4）可进行多达几十层层合材料的加工。3熔融金属浸渗法（液相复合成形法）熔浸法要求纤维热力学稳定或者经表面稳定处理，并且与金属液的润湿性良好。熔浸法有：大