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1、金属基复合材料的发展及应用报告人:罗成浩2012年9月24日报告框架基础应用及研究背景分类及制备过程复合材料的性能复合材料的研究现状总结与展望23451一基础应用及研究背景1.1研究背景金属基复合材料(MMCs)是以金属为基体的复合材料,对它的研究起步于20世纪50年代末、60年代初,该材料于70年代成功地应用于航天飞机上。由于其制造成本占总成本的60%～70%,研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法乃当务之急。尽管MMCs目前尚未获得大规模应用,但它具有耐温较高、抗磨性好、力学性能一般比基体金属高、热膨胀系数比基体金属小、导热率较高
2、、以及所有性能均可在一定范围内加以设计等特点,并具有一定的二次加工性能,必定存在着充分发挥其性能优势的应用领域。目前除了航空航天及其他一些尖端技术领域,还用于民用工业如汽车齿轮、活塞、连杆及体育用品等,随着工艺技术的提高而不断降低成本,MMCs将会凭其优异的性能进入能发挥其优势的市场,它将有更加广阔的应用前景。CenturyInc公司成功研发出MMC制动鼓1.2应用举例金属基复合材料风扇叶片二分类及制备过程2.1金属基复合材料的分类金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等);后者需显微观察分
3、辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。金属基复合材料一般分为铝基、镁基、钢基、铁基及铝合金基复合材料等。按增强相形态的不同分为颗粒增强金属复合材料、晶须或短纤维增强金属基复合材料及连续纤维增强金属基复合材料。2.2复合材料的制备过程2.2.1颗粒增强金属基复合材料的制备方法(1)液态金属/陶瓷颗粒搅拌铸造法(2)熔体浸渗法(3)固相工艺PM法·PM(粉末冶金)(4)流变铸造法(5)喷射沉积技术(6)XD技术·这是由MartinMarietta公司开发的专利技术,利用金属与金属之间或金属-化合物之间发生的放热反应在金属熔体中原位产生新的所希望获得的金属间化合物
4、-陶瓷增强相.例如:2B+Ti+Al=TiB2+Al3B2O3+3TiO2+10Al=3TiB2+5Al2O33SiO2+4Al=2Al2O3+3SiC+Ti+Al=TiC+Al另外一种原位反应合成方法是向金属液中喷入氨气或含碳气体而成:N2(气体)+3Al=2AlN+AlC(含碳气体)+Ti+Al=TiC+Al原位反应产生的增强相颗粒尺寸一般为012～1μm·此工艺技术制备复合材料,增强相被液态金属润湿,界面结合牢固,因而非常具有吸引力,成为当前复合材料研究的一个热点。2.2.2纤维增强金属基复合材料的制备方法真空铸造法加压凝固铸造法该法是将金属液浇注铸型后,加
5、压使金属液在压力下凝固·金属从液态到凝固均处于高压下,故能充分浸渗、补缩并防止产生气孔,得到致密铸件·铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、液态模锻、锻铸法·加压凝固铸造法可制造较复杂的异型MMC零件,亦可局部增强·在熔融状态于压力下复合,故结合十分牢固,这种高温下制成的复合坯,二次成型比较方便,可实施各种热处理,达到对材料的多种要求。(3)压铸法(4)半固态复合铸造法(5)定向凝固(6)离心铸造法三复合材料的性能3.1结构性能强度和刚度是结构应用的两个最重要的特性。轴向性能,石墨环氧复合材料(Gr)的比强度和比刚度远高于其它材料,Ti(f)和Al(f)的次之。平面增强
6、的Gr是(在平面内)准各向同性(Q/I)的,且Gr比钛基复合材料(TMCs)廉价,比其它MMCs易得,注定了它是最大单向结构效率的首选材料。典型的结构件必须承受多向载荷,因此单向复合材料的应用受到限制。非连续增强MMCs的比强度和比刚度适中,易于获得,是最具竞争力的结构材料。断裂性能(延展性、韧性、抗冲击性能和抗疲劳性能)对结构应用来说也至关重要。MMCs越来越多地应用于那些断裂敏感的场合,并被实践证明完全可以满足使用要求。通常,增强体分布均匀、尺寸合适,有利于提高断裂性能。增强体的体积分数(Vf)对断裂性能的影响也很明显。尽管当Vf≥25%时,只要严格控制颗粒的
7、尺寸、形状和分布,便能获得更好的性能,但是,目前DRA应用于断裂敏感场合时,通常会限制Vf≤20%。用于精密装置的性能单向增强的Gr具有最好的抗机械变形能力,平面增强Gr稍逊一畴。但是Gr的热导率很低,抗热变形的能力很差。陶瓷材料、金刚石和Be全具有出色的性能,但是它们较差的断裂性能和Be对健康的危害限制了这些材料的应用。加入到金属合金中的陶瓷颗粒只适度降低了热导率,引起了密度的轻微改变,却大大增加了材料的刚度。因此,MMCs比没有增强体的基体合金具有更高的抗热变形和机械变形能力。作为一类材料,DRA的抗变形能力超过了其它所有常用的结构金属材料。连续增强的铝基复合
8、材料也可以
