金属基

第一讲复合材料概述

复合材料概况及复合理论

复合材料的界面特征与增强材料

金属基复合材料的制造与加工

金属基复合材料力学性能的评价方法

典型金属基复合材料的研究现状

金属基复合材料的前景展望

什么是复合材料：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性能不同的材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，其性能明显优于原材料。

纤维增强复合材料的特点：比强度、比模量高，抗疲劳性能好高韧性和抗冲击性，高导电性和热导性，破损安全性好，耐热性高、高温性能好，

其他特点，如：

减震性能好

减摩、耐磨、自润滑性好

纤维增强塑料化学稳定性优良

能组成各种功能材料

成形工艺简单灵活及材料、结构的可设计性

什么是比强度比模量：强度和弹性模量与密度的比值分别称为比强度和比模量。这

是衡量材料承载能力的一个重要指标。比强度越高，同一零

件的自重越小；比模量越大，零件的刚度越大。

疲劳破坏是材料在交变载荷作用下由裂纹的产生和扩展而形成的低应力破坏。

纤维增强复合材料的疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到纤维与基体的界面上，而界面又能阻止裂纹的扩展，故碳纤维 //聚酯树脂复合材料的疲劳极限可达其抗拉强度的70~80%。

在解决资源短缺与能源危机方面的贡献：开发新能源与节约能源，挖掘尚未被利用的能源开发海洋，与空间，使基础设施，延长寿命，

复合材料的分类

按组成组分的类型分类：

金属基复合材料MMC，有机材料基复合材料，无机非金属基复合材料

按分散材料（增强材料）的类型分类：

无机非金属增强材料，金属增强材料，有机纤维增强材料

按分散材料（增强材料）的形态和排布方式：

颗粒状分散相复合材料，纤维状分散相复合材料。

按复合效果分类：

结构材料 —力学型复合材料，功能材料 —功能型复合材料

颗粒增强金属基复合材料（PRM）：

由于 WC、TiC、TaC等颗粒硬度高，颗粒平均直径1μmm以上，容积比高，主要是利用颗粒本身的硬度和强度，基体是起把颗粒结合在一起的作用，故称为颗粒增强金属基复合材料（（PRMPRM）。

分散强化（DS）金属基复合材料：

其强化相的平均直径小于0.10.1μμm，，体积比仅占百分之几，由于强化相阻止基体位错运动而强化基体

纤维增强金属基复合材料（FRM）：

连续纤维增强金属基复合材料：利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，金属合金丝等增强金属基体组成高性能的复合材料。通过基体、纤维类型。纤维的排布方向。含量方式的

优化设计组合，可获得各种高性能。纤维是复合材料的主要承载体，增强金属强度的效果明显。基体起固定纤维，传递载荷和部分承载的作用。因纤维具有方向性，复合材料的性能具有各向异性，纤维轴向性能高于横向性能。制造过程中要考虑纤维的排布、含量、均匀分布等，制造难度大，成本高。

非连续纤维增强金属基复合材料：短纤维，晶须，颗粒为增强物。随即分布，各向性能相同。非连续增强物的加入提高了热力学性能，弹性模量，降低热膨胀系数。可以用常规的粉末冶金、液态金属搅

拌、液态金属挤压铸造、真空压力浸渍等方法制造，并可用铸造、挤压。锻造、轧制、旋压等加工方法进行加工成型，制造方法简便，成本低廉。

金属基复合材料的应用和前景展望：

金属基复合材料最早是在空天领域开始应用的，现在已经在汽车、电子、化工、兵器等工业部门都有了应用，已制造了汽车发动机的活塞、连杆、曲轴，机器人的齿轮，电子仪器的高速回转部件和滑动部件，半导体电极，超导电线，包钛钢和化工容器壳体和管道式热交换器，坦克的双硬度复合装甲板等。随着廉价增强材料的不断出现和复合成型技术的发展进步，金属基复合材料的应用会越来越广泛。

是否任意两种材料都能复合，都能制成复合材料？

(1)要形成复合材料，两种材料必须在界面上建立一定的结合力，界面结合力大致可分为物理结合力和化学结合力。

(2)遵循协同效应思想，即两种或多种因子组合作用效果大于两种或多种因子单独作用效果之和，并力求获得正混杂效应。

(3)熔解和浸润结合时，基体能润湿增强体，相互之间发生扩散和熔解形成结合；反应结合时，基体与

增强体应能反应生成有利的界面生成物，其厚度须控制在临界厚度以下。

(4)如果形成结构复合材料，所选择的增强体力学性能(强度、模量)一定要大大高于基体。如形成功能复合材料，应该利用有利的复合效应，例如协同效应。

第二讲复合理论

将着重讨论纤维增强复合材料性能的复合准则

增强原理：

分散强化：由微细硬质点与金属基体复合而成；强化原理与析出强化机理相似，Orowan位错绕过机制；质点尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好；

颗粒增强：由尺寸较大的坚硬颗粒与金属基体复合而成载荷主要由基体承担，但颗粒诱发金属基体中的位错及阻碍位错运动，颗粒诱发位错和阻碍位错运动的能力越大，则增强效果越好；

纤维增强：由（不）连续短/长纤维与金属基体复合而成基体只是作为传递和分散载荷给纤维的媒介，力学性能除与基体及纤维的力学

性能和含量有关外，还和纤维与基体界面的粘接强度和状态、纤维的排列方向等有关。

强度增强率：表示复合材料的增强效果；是指复合材料的平均屈服强度与未增强的基体的屈服强度之比。

复合材料的相容性是指在加工和使用过程中，复合材料的各组元之间相互配合的程度。

物理相容主要指在应力作用下和热变化时材料性能和材料常数之间关系；

化学相容指各组分之间的结合、化学反应等问题。

力学相容：主要指基体应有足够的韧性和强度，能将外部载荷均匀地传递到增强物上而不会产生明显的不连续现象。由于位错运动和裂纹发展在基体上产生的局部应力集中，不应在增强物上产生高的局部应力。要求基体有高的延展性和屈从性。

热相容：热相容是指基体和增强材料在热膨胀时相互配合的程度。通常基体韧性好，热膨胀系数较高，在高温冷却时受拉力；增强材料一般较脆，抗压强度高于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。避免残余应力，膨胀系数不应相差太大

化学相容性热力学相容+化学反应

原位复合材料：两相在制造过程中是热力学平衡的，如在平衡状态下凝固的共晶合金，共晶体的两相

化学势相等，比表面能最小。如制造过程中有明显转变或浓度变化，则产生不稳定现象尽量减小总的表面自由能引起的聚集作用

人造复合材料：两相发生有害反应的化学动力学十分缓慢，一般满足相容性要求

对于非平衡态的人造复合材料，化学相容性问题十分突出。如石墨纤维与基体的浸润和结合十分困难、纤维的环境化学反应、高脆性纤维的应力损伤等

基体与增强材料相互作用分类：（以纤维增强材料为例）

基体与纤维不互相作用，也不互溶

基体与纤维间不发生化学反应，但互溶

基体与纤维间发生化学反应，在界面上生成化合物

液体对固体的润湿性就是前者在后者表面铺开的能力。如果固体表面能超过液体表面能，则液体在固体表面上铺开，即液体润湿固体。润湿程度可用二者之间的接触角表示。液体一旦对固体润湿，它们之间的粘结程度可用粘着功来度量。粘着功W是指在固体－真空界面和液体－饱和蒸气界面形成单位面积固－液相界面所需的功。

思考题：

1.熟悉下列术语：

复合准则：

复合材料的性能与组分材料的性能及含量之间究竟存在什么关系，这就是性能的复合准则所要分析的问题。

力学性能复合准则：复合材料的力学性能与组分材料的性能及含量之间的关系

强度增强率：

表示复合材料的增强效果；是指复合材料的平均屈服强度与未增强的基体的屈服强度之比。

纤维临界体积分数：复

合材料破坏点处的纤维体积分数

复合材料的相容性

润湿角（接触角？）

液体对固体的润湿性就是前者在后者表面铺开的能力，润湿程度可用二者之间的接触角表示

复合材料失稳临界应力

2.提高连续纤维增强金属基复合材料纵向弹性模量和强度的方法有哪些

随体积分数的增加，单向连续纤维增强复合材料的纵向弹性模量增加，因此可以通过增加连续纤维的体积分数来增强金属基复合材料纵向弹性模量。

对于连续纤维增强的金属基复合材料，纤维是主要的承载物体，纤维本身具有很高的弹性模量和强度，因此复合材料要采用高强度、高模量的增强纤维，而基体用低强度、低模量的材料，但基体的韧性要好。

3.改进液态金属对固态增强材料润湿性的方法和原理是什么

主要原理是降低液体金属与固体增强材料的接触角，基体方法有：

（1）改变固体增强材料的表面状态及化学成分，如：对纤维进行表面处理（物理 /化学清洗、机械 /电化学抛光、腐蚀、涂层等）。碳纤维最有效的办法是表面涂覆，对颗粒增强材料，表面处理主要是除去颗粒表面吸附的气体和水分，可用（真空）高温加热、超声波振荡等。

（2）改变液体金属中的化学成分

基体中添加合金元素可使液体表面能减少，固液界面能减少，及生成化合物，也可改进润湿性。

（3）改变加工温度

温度升高可减少液态金属基体与固态增强材料的接触角，改进其润湿性。

（4）改变工作环境气氛

固体或液体表面吸附不同气体也能改变液体金属和固体的表面张力。

（5）提高液相压力，渗透力和毛细压力成正比

第三讲基体和增强材料

基体材料是金属基复合材料的主要组成，起着固结增强物、传递和承受各种载荷（力、热、电）的作用。基体在复合材料中占有很大的体积百分数，金属基体的选择对复合材料的性能有决定性的作用。

金属基复合材料基体和增强材料的选择原则：

有连续增强和非连续增强金属基复合材料。由于增强物的性质和增强机制的不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。对于连续纤维增强的金属基复合材料，纤维是主要的承载物体，纤维本身具有很高的弹性模量和强度，因此复合材料要采用高强度、高模量的增强纤维，而基体用低强度、低模量的材料，但基体的韧性要好。对于非连续增强金属基复合材料，基体材料的强度起到决定作用，因此要获得高性能的金属基复合材料需要就需要选用高强度的铝合金为基体

无机纤维的最大特点是在金属基熔点以下的高温仍能保持其常温强度

有的纤维在高温制造和高温使用是易于基体发

生反应而劣化，故必须对纤维进行表面处理，以提高纤维与金属间的润湿性或者抑制其高温时的界面反应

思考题

对于轻而刚性好的结构金属基复合材料，选择基体与增强纤维的依据是什么？应该用什么样的基体和纤维？

在航天、航空技术中高比强、比模量、尺寸稳定是最重要的性能要求，基体材料应选用密度小的轻金属合金，如镁合金、铝合金。

对于高温金属基复合材料，应该选择什么基体和什么纤维？

高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度、比模量性能外，还要求复合材料具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作，需选用钛基、镍基合金以及金属间化合物做基体材料。

比较碳纤维、硼纤维、SiC纤维以及金属纤维的性能特点，分析它们作为铝合金的增强纤维可能出现的问题。

碳纤维具有密度小，弹性模量和强度高，断裂伸长小，高温强度不变以及热膨胀系数小的特点。碳纤维的热导率高，但随温度上升而减少；耐热性高但是抗氧化性差。

硼纤维具有优异的力学性能。虽然价格很高，但性能稳定，偏差小，是信赖性很高的一种纤维。与碳纤维等相比，硼纤维直径较粗、强度也高不能采用像碳纤维那样的成形方法。另外，此类纤维不适宜用于曲率半径小的部分和非常薄的板。与金属润湿性好，反应性低而且纤维粗，易与金属复合。易于沿纤维的纵向开裂，价格昂贵

可能会出现不润湿的情况