第13章金属基复合材料.ppt

第13章 金属基复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多体材料。复合材料通常有基体和增强材料组成。复合材料能显示出单一材料所不具有的新性能。复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的必然，也是材料设计方面的一个质的飞跃。 金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称MMC）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结合而成的复合材料。 13.1 基本概念 1 、 金属基复合材料的种类 2 金属基复合材料的选择工况条件→使用性能要求→选择金属基体材料。 金属基复合材料的性能特点 * * 按 基体 分类 ⑴铝基复合材料 品种和规格最多、应用最广 ⑵钛基复合材料 ⑶镁基复合材料 ⑷高温合金基复合材料 按增 强体 分类 （1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料 图 典型复合材料结构 （a）单向纤维增强复合材料,（b）颗粒增强复合材料,（c）层状复合材料 （d）蜂窝夹心复合材料,（e）编织复合材料,（f）功能梯度复合材料 航空和航天:高比强度、高比模量、尺寸稳定性。大多选 择体积质量小的铝合金、镁合金作为基体金属 燃气轮机:高比强度、抗蠕变和高温强度，抗氧化、抗气 体腐蚀、耐疲劳、导热等。工作温度450℃，可选择 铝合金、镁合金。450~650℃，选择钛合金、不锈钢； 800℃, 应选择铁基、镍基、钴基耐热合金。 电子技术: 集电材料、触头材料、耐磨材料、耐蚀电极材 料等，需要高导热、低膨胀的金属基复合材料。基体 主要选用具有导热、导电性的铝及铝合金、铜及铜合 金、银等金属 30000 宇宙飞船 450 波音747 20000 同步轨道卫星 450 航空发动机 2000 表层轨道卫星 200 商业飞机 1100 超音速运输机 150 运输机 550 Vistol飞机 100 直升机 450 战斗机 40 小型民用机 每公斤的含金量/美圆 飞行器 名称 每公斤的含金量/美圆 飞行器 名称 表 每公斤质量对各类飞行器的价值 13.2 金属基复合材料的性能特点 现代科学技术对材料的强韧性、导电、导热性、耐 高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求 特别在航空航天工业和汽车工业中要求材料具 有更高的比强度和比模量(刚度) 金属基复合材料具有与金属及其合金相近的一些 共同性能，通过纤维、颗粒、晶须等复合后，可以 获得比基体金属或合金更好的比强度、比模量、高 温性能等性能的新型工程材料。 各类复合材料的比强度随温度的变化 1、高比强度、比模量 2、高韧性、耐冲击性能 3、良好的高温性能 4、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 5、导热、导电性能好 6、热膨胀系数小、尺寸稳定性好 1 、高比强度、比模量 金属基体 + 适量高性能的纤维、晶须或颗粒等增强物 → ↑↑材料的比强度和比模量 . （1）高性能水平。如B与SiC纤维增强的铝和钛，单 向σb1200MPa，模量200GPa； （2）中等性能水平。如纺丝SiC与碳纤维增强铝等， σb在600~1000MPa，模量100~150GPa间； （3）较低性能水平。如晶须、颗粒或短纤维增强铝 等， σb在400~600MPa，模量在95~130GPa 图 几种金属基复合材料与树脂基复合材料和基体金属 的力学性能对比 2、高韧性、耐冲击性能 金属及合金基 体往往具有高 的强韧性 增强相无论是 纤维或是颗粒 都比较脆 受冲击时基体通过塑 性变形消耗能量，使裂 纹钝化，↓应力集中 增强相及增强相与基 体界面↓裂纹的扩展， ↑断裂抗力 金属基复合材料与聚合物基、陶瓷基复合材料 相比，具有高的韧性和耐冲击性。 3、良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很多，一般增强相 在高温下又都具有很高的高温强度和模量。 →金属基复合材料具有比金属基体更高的高温性能 相对聚合物基复合材料而言，金属基复合材料具有 物理、力学性能的高温稳定性和优良耐热冲击性能。 而陶瓷基复合材料中的陶瓷基体的抗热冲击性因陶 瓷的导热性差而比金属基复合材料差，常常使其作为 高温