爱游戏在线登录:复合金属资料是什么？

　　金属基复合资料（metal matrix composite，简称MMCs）一般是以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合资料。首要有以高功用增强纤维、晶须、颗粒等增强的金属基复合资料；金属基体中反响自生增强复合资料；层板金属基复合资料等品种。这些金属基复合资料既坚持了金属自身的特性，又具有复合资料的概括特性。经过不同基体和增强物的优化组合，可取得各种高功用的复合资料，具有各种特别功用和优异的概括功用。

　　MMCs面世至今已有40余年，因为具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨损以及热胀大系数小、尺度安稳性好等优异的物理功用和力学功用，克服了树脂基复合资料在宇航范畴中运用时存在的缺点，得到了令人瞩意图开展，成为各国高新技术研讨开发的重要范畴。因为金属基复合资料加工工艺不行完善、本钱较高，还没有构成大规模批量出产，因此仍是当时研讨和开发的热门。

　　金属基复合资料除力学功用优异外，还具有某些特别功用和杰出的概括功用，运用规模广。此外，金属基复合资料品种繁复，有各种分类办法，以下从基体、增强体以及用处三方面进行分类。

　　有铝基、镁基、锌基、铜基、铅基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合资料。铝、镁、钛、铜合金及金属间化合物合金是现在运用广泛、开展敏捷的轻金属合金。用其制成的各种高比强度、高比模量的轻型结构件广泛地运用于航天、航空和轿车工业等范畴。现在，国内外学者研讨的金属基复合资料基体首要会集在铝和镁两个合金系上。下面将对上述的铝基、镍基、钛基复合资料首要作介绍。

　　这是在金属基复合资料中运用最广的一种。因为铝合金基体为面心立方结构，因此具有杰出的塑性和耐性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低价等长处，为其在工程上运用发明了有利的条件。在制作铝基复合资料时一般并不是运用纯铝而是用各种铝合金。这首要是因为与纯铝比较铝合金具有更好的概括功用，至于挑选何种铝合金作为基体。则往往依据对复合资料的功用需要来决议。

　　这种复合资料是以镍及镍合金为基体制作的。因为镍的高温功用优秀，因此这种复合资料首要用于制作高温下作业的零部件。人们研发镍基复合资料的一个重要意图，便是期望用它来制作燃汽轮机的叶片，然后进一步进步燃汽轮机的作业温度。但现在因为制作工艺及可靠性等问题没有处理，因此还未能取得满意的成果。

　　钛比任何其他的结构资料具有更高的比强度。此外，钛合金在中温时比铝合金能更好地坚持其强度。因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速进步到超音速时，钛合金比铝合金显现出了更大的优胜性。跟着飞行速度的进一步加速，还需要改动飞机的结构规划，选用更细长的机翼和其他翼型，为此需要高刚度的资料，而纤维增强钛合金可满意这种对资料刚度的要求。

　　增强体的挑选，要求与复合资料基体结合时的潮湿性较好，并且增强体的物理、化学相容性好，载荷接受才能强，尽量避免增强体与基体合金之间产生界面反响等。增强相的挑选并不是随意的，挑选一个适宜的增强体需要从复合资料运用状况、制备办法以及增强体的本钱等诸多方面概括考虑。金属基复合资料依照增强体可分为接连纤维增强金属基复合资料、非接连增强金属基复合资料、层状复合资料和自生增强复合资料等。首要的复合结构如图1所示。

　　接连纤维增强金属基复合资料是运用高强度、高模量、低密度的碳（石墨）纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等增强体与金属基体组成高功用复合资料。经过基体、纤维类型、纤维排布方向、含量、办法的优化规划组合，可取得各种高功用。在纤维增强金属基复合资料中纤维具有很高的强度、模量，是复合资料的首要承载体，增强基体金属的作用显着。基体金属首要起固定纤维、传递载荷、部分承载的作用。接连纤维增强金属因纤维排布有方向性，其功用有显着的各向异性，可经过在不同方向上纤维的排布来操控复合资料构件的功用。在沿纤维轴向上具有高强度、高模量等功用，而横向功用较差，在规划运用时应充分考虑。因为原资料接连纤维价格昂贵，制作工艺杂乱、本钱很高，阻挠了它们的实践运用。

　　非接连增强金属基复合资料，是由短纤维、晶须、颗粒为增强体与金属基体组成的复合资料。在此类复合资料中金属基体仍起着主导作用，增强体在基体中随机散布，其功用呈各向同性。非接连增强体的参加，显着进步了金属的耐磨、耐热件，进步了高温力学功用、弹性模量，下降了热胀大系数等。依据非接连增强体的来历可分为外加(ex-situ)和内生(insitu)两种。外加增强的金属基复合资料是指其增强体是从外部参加，并使其均匀散布于金属基体中。内生增强的金属基复合资料的根本原理，是在必定条件下经过元素之间或元素与化合物之间的化学反响，在金属基体内原位自生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，然后到达强化金属基体的意图。与外加增强的金属基复合资料比较，内生增强的金属基复合资料具有如下特色。

　　a.增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学安稳相，因此，增强体外表无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。

　　b.经过合理挑选反响元素（或化合物）的类型、成分从其反响性可有用地操控原位生成增强体的品种、巨细、散布和数量。

　　d.从液态金属基体中原位构成增强体的工艺，可用铸造办法制备形状杂乱、尺度较大的近净成形构件。

　　e.在确保资料具有较好的耐性和高温功用的一起，可较大起伏地进步资料的强度和弹性模量。

　　综上所述，非接连增强金属基复合资料最大的特色是，能够用惯例的粉末冶金、液态金属拌和、液态金属揉捏铸造、真空压力浸渍、原位反响组成等办法制作，并可用铸造、揉捏、铸造、轧制、旋压等加工办法进行加工成形，制作办法简洁，制作本钱低，适合于大批量出产，在轿车、电子、航空、外表等工业中有宽广的运用远景。

　　层状（层板）复合资料是以耐性和成形性较好的金属作为基体资料，并含有重复摆放的高强度高模量片层状增强体的复合资料。因为层状（层板）复合资料是将两种或两种以上优化规划和挑选的层板彼此彻底黏结在一起组成，所以它具有单一板材所难以到达的概括功用，如抗腐蚀、耐磨、抗冲击、高导热、导电性、高阻尼等功用特色。层板复合资料可由金属与金属板、金属与非金属板组合而成，品种繁复，可满意各种需求。其间，金属层板复合资料、金属一聚合物层板复合资料开展敏捷，已有批量出产，逐步开展成一类工程资料，在轿车、船只、化工、外表等工业中广泛运用。

　　在金属基体内经过反响、定向凝结等途径生长出颗粒、晶须、纤维状增强物，组成自生金属基复合资料。包含反响自生和定向自生、大变形。

　　以高比强度、高比模量、尺度安稳性、耐热性等为首要功用特色，用于制作各种航天、航空、轿车、先进武器系统等高功用构件。

　　以高导热、导电性、低胀大、高阻尼、高耐磨性等物理功用的优化组合为其首要特性，用于电子、仪器、轿车等工业。

　　智能复合资料是一类根据仿生学概念开展起来的高新技术资料，它实践上是集成了传感器、信息处理器和功用驱动器的新式复合资料。

　　金属基复合资料的功用取决于所选用金属或合金基体和增强体的特性、含量、散布等。经过优化组合，不只能够取得基体金属或合金具有的杰出的导热、导电功用，抗严苛环境才能，抗冲击、抗疲惫功用和开裂功用，还能够具有高强度、高刚度，超卓的耐磨功用和更低的热胀大系数(CTE)。概括概括金属基复合资料的特性如下。

　　因为在金属基体中参加了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强体，显着进步了复合资料的比强度和比模量，特别是高功用接连纤维-硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。密度只要1.85g/cm3的碳纤维的最高强度可到达7000MPa，比铝合金强度高出10倍以上，石墨纤维的模量为230-830GPa。硼纤维密度为2.4-2.6g/cm3，强度为2300-8000MPa，模量为350-450GPa。碳化硅纤维密度为2.5-3.4g/cm3，强度为3000-4500MPa，模量为350-450GPa。参加30%-50%的高功用纤维作为复合资料的首要承载体，复合资料的比强度、比模量成倍地高于基体合金的比强度和比模量。图2所示为典型的金属基复合资料与基体合金功用的比较。用高比强度、高比模量复合资料制成的构件质量轻、刚性好、强度高，是航天、航空技术范畴中抱负的结构资料。

　　金属基复合资料中金属基体占有很高的体积分数，一般在60％以上，因此仍坚持金属所特有的杰出导热和导电性。杰出的导热功能够有用地传热，减小构件受热后产生的温度梯度和敏捷散热，这对尺度安稳性要求高的构件和高集成度的电子器件尤为重要。杰出的导电功能够避免飞行器构件产生静电集合的问题。

　　在金属基复合资料中选用高导热性的增强体还能够进一步进步金属基复合资料的热导率，使复合资料的热导率比纯金属基体还高。为了处理高集成度电子器件的散热问题，现已研讨成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强的铝基、铜基复合资料的热导率比纯铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有用敏捷地把热量散去，进步了集成电路的可靠性。

　　金属基复合资料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既具有很小的热胀大系数，又具有很高的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热胀大系数。参加适当含量的增强体不只大起伏进步资料的强度和模量，也使其热胀大系数显着下降并可经过调整增强体的含量取得不同的热胀大系数，以满意各种工况要求。例如，石墨纤维增强镁基复合资料，当石墨纤维的体积分数到达48％时，复合资料的热胀大系数为零，即在温度改动时运用这种复合资料做成的零件不产生热变形，这对人造卫星构件特别重要。经过挑选不同的基体金属和增强体，以必定的份额复合在一起，可得到导热性好、热胀大系数小、尺度安稳性好的金属基复合资料。图3所示为一些典型金属基复合资料和金属资料的尺度安稳性和比模量。可见，石墨／镁复合资料具有最高的尺度安稳性和最高的比模量。

　　因为金属基体的高温功用比聚合物高许多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。因此金属基复合资料具有比基体金属更高的高温功用，特别是接连纤维增强金属基复合资料。在复合资料中纤维起着首要承载作用，纤维强度在高温下根本上不下降，可坚持到挨近金属熔点，并比金属基体的高温功用高许多。如钨丝增强耐热合金，其1100℃,100h高温耐久强度为207MPa，而基体合金的高温耐久强度只要48MPa；又如石墨纤维增强铝基复合资料，在500℃高温下仍具有600MPa的高温强度，而铝基体在300℃强度已下降到100MPa以下。因此金属基复合资料被选用在发动机等高温零部件上，可大起伏进步发动机的功用和功率。总归，金属基复合资料做成的零构件比金属资料、聚合物基复合资料零件能在更高的温度条件下运用。

　　金属基复合资料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合资料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属中参加了许多的陶瓷增强体，特别是细微的陶瓷颗粒所造成的。陶瓷资料硬度高、耐磨、化学性质安稳，用它们来增强金属不只进步了资料的强度和刚度，也进步了复合资料的硬度和耐磨性。图4是碳化硅颗粒增强铝基复合资料的耐磨性与基体资料和铸铁耐磨性的比较，可见SiCp/Al复合资料的耐磨性比铸铁还好，比基体金属高出几倍。SiCp/Al复合资料的高耐磨性在轿车、机械工业中有重要运用远景，可用于轿车发动机、制动盘、活塞等重要零件，能显着进步零件的功用和寿数。

　　金属基复合资料的疲惫功用和开裂韧度取决于纤维等增强体与金属基体的界面结合状况，增强体在金属基体中的散布以及金属、增强体自身的特性，特别是界面状况。最佳的界面结合状况既可有用地传递载荷，又能阻挠裂纹的扩展，进步资料的开裂韧度。据美国宇航公司报导C/Al复合资料的疲惫强度与抗拉强度比为0.7左右。

　　与聚合物比较，金属性质安稳、安排细密，不存在老化、分化、吸潮等问题，也不会产生功用的天然退化，这比聚合物基复合资料优胜，在空间运用也不会分化出低分子物质污染仪器和环境，有显着的优胜性。

　　MMCs成形办法多，变形特性优胜，可有用凭借现在老练的各种金属资料加工工艺及设备完成金属及复合资料二次加工。

　　总归，金属基复合资料所具有的高比强度、高比模量、杰出的导热性、导电性、耐磨性、高温功用、低的热胀大系数、高的尺度安稳性等优异的概括功用，使金属基复合资料在航天、航空、电子、轿车等范畴均具有广泛的运用远景。

　　与传统金属资料比较，MMC具有较高的比强度、比刚度和耐磨性；与树脂基复合资料比较，MMC具有优秀的导电、导热性，高温功用好，可焊接；与陶瓷基复合资料比较，MMC具有高耐性、高冲击功用、线胀大系数小的特色。有用的MMC应体现出低的密度和能与当时工程资料比较的力学功用。几种典型的金属基复合资料的力学功用列于表1中。

　　金属基复合资料的优异功用是多方面的，增强体使MMC的屈从强度和抗拉强度大起伏进步。MMC有杰出的高温功用，如高的蠕变抗力。这在长纤维强化MMC中体现尤为杰出。在金属基体中参加不同的增强体后，大大进步了资料的耐磨性，磨损率可下降一个数量级。MMC参加的增强体的密度低，因此资料的密度可显着下降。运用陶瓷的线胀大系数，运用它为增强体，可用来调理MMC的线胀大系数，然后取得与多种资料相匹配的复合资料。

　　金属基复合资料的功用除了与增强资料成分、形状、体积分数及基体合金成分有关外，还与界面安排结构密切相关，而界面安排结构与制备工艺，增强体外表处理工艺等有关。依照增强原理不同，可将金属基复合资料分为接连纤维增强和非接连增强两大类。

　　在接连增强金属基复合资料中，增强纤维首要有硼纤维、碳纤维（石墨纤维）、SiC纤维、Al2O3纤维等，基体首要有铝、镁、钛、铜、镍及它们的合金。几种典型接连增强金属基复合资料的功用见表2。可见，纤维接连增强复合资料的功用具有各向异性，纵向显着高于横向；复合资料的纵向强度、模量显着高于基体合金。别的，许多资料标明沿纤维方向（纵向）加拉伸载荷的接连纤维增强金属基复合资料的疲惫抗力优于未增强的基体合金，使疲惫极限一般可成倍添加。合金的抗蠕变功用往往可因接连纤维的参加而大大改善。在这方面的典型比如是碳化硅接连纤维增强钛基复合资料在航空涡轮发动机上的运用，以此来补偿钛合金蠕变抗力低的缺点。因为低胀大纤维的参加，复合资料的线胀大系数显着减小，典型的比如便是Gr/Mg在哈勃太空望远镜天线支撑杆的运用，使得在重复收支日照的条件下坚持尺度安稳件。

　　短纤维的增强作用介于颗粒和接连纤维之间。因为短纤维的功用显着低于晶须，尺度显着大于晶须，所以短纤维的增强作用不如晶须的增强作用。短纤维增强金属基复合资料的制备办法首要有粉末冶金法、压力浸渗法、揉捏铸造法等。

　　短纤维增强铝基复合资料是现在研讨最多的。氧化铝短纤维增强铝基复合资料的室温拉伸强度与基体合金比较进步不太显着（表3），但它们的高温强度坚持率显着优于基体，弹性模量在室温文高温都有较大的进步，热胀大系数有所下降（表4），耐磨功用得到改善（图5）。

　　别的，选用揉捏铸造法制备的Al2O3短纤维增强锌基复合资料具有显着的强化作用，其高温力学功用和耐磨功用得到了显着进步。未经增强镁合金的功用在100-150℃以上便显着下降，参加增强体后可显着改善基体合金的高温功用。

　　在颗粒增强金属基复合资料中，常用的增强颗粒首要有SiC、Al2O3、TiC等，基体资料首要是选用合金元素含量较高、力学功用较好的工业铝合金、镁合金、钛合金等，而不必纯金属。虽然其力学功用比纤维、晶须增强金属基复合资料的低，但因其本钱低价、出产工艺设备简略，便于批量出产，是工业运用最有出路的资料。

　　颗粒增强铝基复合资料是将增强体颗粒参加到铝合金后，引起基体合金微观结构的改动，一起使合金的功用产生改动的一种复合资料。铝基复合资料力学功用视制备工艺，增强体品种、尺度和体积分数，基体合金及热处理工艺的不同而存在必定的差异。表5中给出一些颗粒增强铝基复合资料根本力学功用数据。从表中能够看出，增强颗粒的参加，使复合资料的弹性模量、屈从强度和抗拉强度都得到显着进步，但却使伸长率显着下降。

　　晶须增强金属的实验最早选用的是Al2O3晶须，但因为其本钱高，并且要使晶须在金属基体中均匀散布也较困难，因此开展不快。但廉价的SiC晶须的参加，显着进步了复合资料的弹性模量和强度，引起了晶须增强金属研讨的开展。用来增强的基体首要是Al、Mg及其合金。

　　SiCw/Al复合资料的功用见表6、表7，SiCw/Al复合资料强度与SiCw体积分数之间的联系见图6，SiCw/2024Al复合资料强度、弹性模量与温度的联系见图7和图8。可见，与基体合金比较，复合资料的强度、模量都有显着进步，且高温功用优秀，但密度稍有添加。复合资料的强度随晶须的体积分数的添加而添加，并且其功用与制备工艺办法及参数也有很大联系。

　　SiCw/Mg复合资料的功用见表8。与基体合金比较。SiCw/Mg复合资料的拉伸强度、屈从强度、弹性模量均大大进步，然后复合资料具有更高的比强度和比模量。