金属基体材料和高性能金属基复合材料

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1、6金属基体和高性能金属基复合材料6金属基体与高性能金属基复合材料6.1复合材料的金属基体6.2高性能金属基复合材料6.1复合材料的金属基体(MetalMatrixinHighPerformanceComposite）6.1.1金属基体概述6.1.2用纤维增强金属的原因6.1.3选择金属基体的原则6.1.4常用金属基体材料6.1.5金属的晶体结构与晶体缺陷6.1.6金属的强化方法6.1.1金属基体概述6.1.1.1金属基体在复合材料中的作用6.1.1.2金属基体在复合材料中的体积比6.1.1.3与陶瓷、聚合物基体相比，金属基体的优势6.1

2、.1.4利用金属基体制成MMCs的综合性能6.1.1金属基体概述以金属或金属间化合物作为基体的复合材料称为金属基复合材料(MetalMatrixComposites;简记为MMCs)。例如：硼纤维增强铝、镁、钛及其合金(B/Al、B/Mg、B/Ti）；碳纤维增强铝、镁及其合金（C/Al、C/Mg)；碳化硅纤维增强铝、镁、钛及其合金（SiC/Al、SiC/Mg、SiC/Ti)；氧化铝纤维增强铝及其合金(Al2O3/Al、Al2O3/Al-Li)钨丝增强铜(W/Cu);铬丝增强镍铝金属间化合物(Cr/Ni-Al);6.1.1.1金属基体在复

3、合材料中的作用基体在复合材料中所起的作用主要有：（1）固结增强体，使之成为一整体，保护纤维使之不受环境侵蚀；（2）传递和承受载荷，在颗粒增强金属基复合材料中基体是主要承载相，在纤维增强金属基复合材料中，基体对力学性能的贡献也远大于在聚合物基和陶瓷基复合材料中的贡献；（3）赋予复合材料一定形状，保证复合材料具有一定的可加工性;（4）复合材料的比强度、比刚度、耐高温、耐介质、导电、导热等性能均与基体密切相关。6.1.1.2金属基体在复合材料中的体积比基体在复合材料中占有很大的体积比：连续纤维增强金属基复合材料中基体约占50%~70%；颗粒增

4、强金属基复合材料中，根据不同性能要求，基体体积比可在90%~25%范围内变化，多数为80%~90%；短纤维、晶须增强金属基复合材料中，基体体积比在70%以上，一般为80%~90%。6.1.1.3与陶瓷、聚合物基体相比，金属基体的优势（1）金属是最古老、最通用的工程材料之一，它们有许多可以借鉴的、成熟的成型、加工、连接方法。在使用寿命等方面有丰富的技术资料；（2）金属材料的模量和耐热性比聚合物高；（3）金属基体强度高，如下页图所示。金属材料还可以通过各种工程途径来进行强化；（4）金属的塑性、韧性好，因此，金属是强而韧（strongandt

5、ough)的材料;（5）金属的电、磁、光、热、弹等性能好，有优势向多功能复合材料方向发展。图6-1工程材料的断裂能之比较金属无机玻璃未改性的环氧、聚酯和聚酰亚胺有机玻璃(PMMA)聚砜热塑性(PSF)合成橡胶改性环氧6.1.1.4利用金属基体制成MMCs的综合性能（1）高比强度；（2）高比模量；（3）高的韧性及抗冲击性能；（4）良好的耐热性；（5）良好的耐磨与阻尼性；（6）与增强纤维复合后可以制造低热膨胀系数的、尺寸稳定性好的复合材料；（7）表面耐久性好，对表面裂纹敏感性低；（8）导电导热性强；（9）对温度变化或热冲击的敏感性低；（10

6、）抗腐蚀性好；（11）无放气污染；（12）不吸湿、不老化、防燃、抗辐射；（13）性能再现性好；（14）便于制造、成型、加工、连接和精整。6.1.2用纤维增强金属的原因6.1.2.1为什么要用纤维增强金属？6.1.2.2用高模量纤维增强金属的意义6.1.2.1为什么要用纤维增强金属？虽然沉淀强化或弥散强化可以提高金属材料的屈服强度和加工硬化率，但对改善材料的弹性模量作用不大。这是由于第二相粒子主要是通过阻碍金属中的位错运动来提高其强度。而金属颗粒本征的高模量没有发挥出来。因此，通过加入强化相(例如高模、高强纤维）来获得材料模量的提高，便成

7、为强化金属材料的最新途径。同时，大多数高模量增强纤维的密度远低于金属（除钨以外）。因此，可以通过在金属基体中掺杂高模量纤维来提高材料的比模量。表6-1一些商用金属及其合金的密度(g/cm3)MetalDensityMetalDensityAluminum2.7Lead11.5Beryllium1.8Nickel8.9Copper8.9Silver10.5Gold19.3Titanium4.5Iron7.9Tungsten19.3表6-2一些增强纤维的密度(g/cm3)FiberDensityFiberDensityB(W芯)2.6B(C

8、芯)2.23粘胶基HTC1.6沥青基HMC2.2PAN基HTC(T300)1.75PAN基HMC(M40)1.81SiC(W芯)3.16SiC(C芯)3.07Nicalon2.55Tyranno2.35Hi