金属基体复合材料知识

金属基体复合材料（MMC）是一种在名目多的结构和热控制调节方面有广泛应用潜力的材料。金属基体复合材料所能提供的工作极限温度高于与之对应的基体金属，而且通过改造能提高它们的强度、刚度、热导率、耐磨料磨损性、抗蠕变性或尺寸稳定性。与聚合物基体复合材料不同，它们还具有阻燃性，也不会在真空中脱气，而且遭受有机流体如燃料和溶剂的腐蚀也最小。　　在一种MMC 中，基体相是一种单一合金（通常为低密度非铁合金），其增强剂由高性能的碳、金属或陶瓷添加剂组成。增强金属间化合物如钛、镍和铁的铝化物也正在开发中。无论以连续或断续为特征的增强剂都是由（体积分数）10% 至70% 的复合材料构成。连续的纤维或细丝（f）增强剂包括石墨、碳化硅（SiC）、硼、氧化铝（Al2 O3 ）和难熔金属。断续增强剂主要由须状（w）的SiC、微粒状（p）的SiC、Al2 O3 和二硼化钛（TiB2 ）组成，还有短的或切断的Al2 O3 或石墨的纤维（c）。



1铝基体复合材料
     有关MMC 的大部分工业化工作都集中在作为基体金属的铝。由于重量轻、环境的适应性和良好力学性能的结合使铝合金非常普遍，这些性能还使铝能很好地作为基体金属使用。铝有足够高的熔点以满足许多使用要求，然而又有足够低的熔点使复合材料的制造具有合理的便利性。铝还能适应各种不同的增强剂。虽然很多早期有关铝MMC 的工作都致力于连续纤维的类型，但是现在的许多工作则都集中在断续增强（微粒或须状）的铝MMC，这是由于它们较为容易制造、较低的生产成本以及相对的各向同性性能。
01.铝MMC 的代号体系
      由于铝MMC 的生产远多于所有其他基体合金所组合的MMC，铝业协会（Aluminum Association 或AA）为MMC 制订了一套标准代号体系， 现已为美国国家标准协会所采用。ANSI 35. 5⁃1992 规定了铝MMC 识别如下：
　　例如，2124/ SiC/25w 表示在AA 登记的体积25%的须状碳化硅增强的合金2124，7075/ Al2 O3 /10p表示在AA 登记的体积10%的微粒状氧化铝增强的合金7075，6061/ SiC/47f 表示在AA 登记的体积47% 的连续碳化硅纤维增强的合金6061 以及A356/ C/05C是一种在AA 登记的体积5% 的切断石墨纤维增强的铸造合金。
02.断续铝MMC
     在断续增强铝复合材料中，最常用的增强剂材料是SiC 和Al2 O3 ，尽管在一些专门的用途里也使用氮化硅（Si3 N4 ）、TiB2 和石墨。例如， 铝⁃石墨合金由于其优异的减摩、抗磨和抗咬死的特征，而被开发用于摩擦学的用途。     断续铝MMC 的工艺方法包括不同的铸造工艺：液态金属的浸渗、喷涂沉积和粉末冶金。    增强剂对性能的影响。MMC 的力学性能除了基体材料的力学性能之外，还取决于分散相（增强剂）的数量、大小、形状和分布，以及界面的性质。按照定义 一种复合材料一般要求一定大小（>1μm）的分散相数量（体积分数> 1%），不像在分散强化材料里，只是起控制位错移动的作用而是要用以承受载荷。分散相的形状对于决定其承载能力是如此的重要，以致复合材料要据此进行分类：①有连续和断续纤维的纤维增强复合材料；②微粒状或须状增强的复合材料。其形状是用长宽比表征的。在连续纤维复合材料中载荷直接作用于基体和纤维上。在断续纤维复合材料或微粒增强复合材料中， 载荷是通过基体传递到分散体上。　　利用数学模型可以预测MMC 的性能，这需要输入有关其组分性能和几何的参数。然而一般来说， 硬微粒增强剂（如SiC）对断续铝MMC 有关力学和物理性能的影响归纳如下：● 抗拉强度和屈服强度均随增强剂含量比例的增加而提高（应当指出的是这些性能随软颗粒如石墨的增加而降低）。● 断裂韧度和塑性（伸长率和至失效时的应变）随增强剂体积比例的增加而降低。● 弹性模量随增强剂体积比例的增加而提高；● 热导率和电导率及热膨胀系数都随增强剂体积比例的增加而降低。
03.铸造铝MMC
     在搅拌浇铸（或混合/ 涡旋）过程中，将经预处理和预制的增强剂填充相倒入连续搅拌的熔化基体里，然后浇铸进入砂型、金属型或压力模铸型。在惰性气体并混有Ar⁃SF6 混合气体的遮蔽下熔化，并以此进行助熔和脱气，这些对于防止气体的吸入是必不可少的。还可以利用超声波作用或者借助于往返搅棒、离心或失重工艺促其混合。　 增强剂包括10～20μm 大小的SiC或Al2O3微粒，其体积含量从10%～30%。铸铝MMC 的发展促进了汽车工业。其目前和潜在的应用包括制动转盘和制动鼓、制动钳、刹车片钢背以及缸套。
04.挤压铸造铝MMC
     挤压铸造是一种熔化金属在作用于密闭的模具的压力下固化的铸造工艺，其模具置于液压机的平板之间。熔化金属的作用压力及其与模具表面的瞬间接触会产生一种热量快速传递的条件，以此产生无疏松、细晶粒的铸件，而且其力学性能接近锻压产品的性能。　 铝MMC 的挤压铸造就是先将一个疏松陶瓷预成形件置于经预热的模具之内，随后让液态金属注入，并施以压力。这时液态金属借助压力浸渗入疏松的陶瓷预制件内，以此形成一种致密的金属陶瓷复合材料。　　挤压铸造之所以特别受人重视是因为这种工艺将所用的材料和能量降低到最低限度，生产出净形状的零件，而且具有一种可供选择增强剂的能力。现已生产断续和连续的两种增强剂，含量高达（体积分数）45%的铝⁃铜、铝⁃硅和铝⁃锰增强合金。
05.流变铸造铝MMC
      流变铸造也称之为复合铸造，它类似于金属搅拌方法，但与将微粒搅拌入完全的液态金属不一样，它是在半固体的（触变性的）状态下进行搅拌的，随后在压力下进行浇铸。SiC、Al2 O3 、TiC、Si3 N4 、石墨、云母、玻璃、矿渣、氧化镁和碳化硼的微粒和断续纤维都能借助这种技术被加入到强烈搅拌并部分固化的铝合金熔浆中。
06.P/M 铝MMC
     铝MMC的粉末冶金工艺分为微粒状和须状的SiC，尽管Al2O3的颗粒与Si3N4的晶须也能使用。其工艺过程包括：
    ①将气体⁃雾化基体合金与粉末状的增强剂相混合；
    ②将均质混合物压制成大约80% 密度的坯块（冷压）；
    ③使预成形件（具有相互连通孔隙的组织）脱气， 排除挥发性的杂质（润滑剂、混合剂及混合添加剂）、水蒸气和气体；
    ④利用真空热压或热等静压方法进行压结。然后该热压的柱形坯料可以进行挤压、轧制或锻造。晶须增强的铝MMC 可以在挤压或轧制的过程中使晶须在一定程度上排序。控制晶须的排序能使生产的铝MMC 产品性能具有方向性，这对于一些高性能的用途是很需要的。薄板的横向轧制能产生一种较为平面化的晶须排序，从而形成二维上的各向同性。
07.铝/ 石墨MMC
     20 世纪60 年代一开始，促使其开发只是由于碳纤维有坚硬的商业表象。碳纤维具有的各种性能包括高达966GPa（140psi × 106 ）的弹性模量和低至- 1.62×10- 6/ ℃ （- 0.9×10-6 / ℉）的负CTE 值（热膨胀系数）。然而，碳和铝的混合很难加工结合成为一种复合材料。碳和铝之间的难以发生反应、碳的难以为液态铝所湿润以及碳的易氧化性，都成为生产这类复合材料的主要技术障碍。目前生产工业用铝MMC 有两种工艺：作为基体的液态金属在纤维絮分布中的浸渗和将纤维絮夹布在铝箔之间进行热压粘结。借助先驱丝和金属涂层的纤维两种材料，需要采用如扩散粘结或拉挤的二次工艺制造其结构元件。为制造这种复合材料还可以采用挤压铸造。　　鉴于尺寸稳定性而要求高精度的精密航天结构件需要用刚性高、重量轻以及低热变形的材料。铝/ 石墨MMC 具有满足上述要求的潜在能力。单一方向的P100Gr/6061 铝拉挤管在沿纤维的方向上展现比钢更好的弹性模量， 而它的密度只约有钢的1/3。
08.铝/ Al2O3 MMC
     这种材料可以用多种方法制造，但是一般都采用液态或半固态的工艺技术。包括纤维FP（99. 5% Al2O3 ）和Saffil（96Al2O3 ⁃4SiO2 ）的氧化铝纤维都是价格低廉，并且其性能与未经增强的铝合金比较均得以改进的复合材料。例如耐磨性和耐热疲劳变形性提高而热膨胀系数降低的复合材料。连续纤维Al/Al2O3 MMC 就是将Al2O3带状纤维按所要求的方向制成预成形件，再将其插入模型，在里面借助真空用熔化铝进行浸渗。通过在液态金属中加入少量的锂而实现增强剂在基体上的粘结。
2钛基体复合材料
       钛之所以被选用于基体材料，是因为其在室温和适度的高温中具有良好的特定强度及其优异的耐腐蚀性。由于钛比铝更能在较高的温度中保持其强度，所以它已越来越多地代替铝被应用于当飞行速度从亚音速增至超音速时的一些飞机和导弹结构件。
01.连续纤维钛MMC
      选择碳化硅纤维作为钛MMC 的增强剂。SCS⁃6 纤维是一种直径为142 微米的碳芯单丝。还开发了一种有碳涂层的、直径为127μm的钨芯单纤维。直径为102μm的并有碳和二硼化钛涂层的钨芯单丝也有应用。（体积分数）30%～40% 的纤维含量是很普通的。传统的基体合金包括用于低温用途的Ti⁃6Al⁃4V 和当要求有较高的抗蠕变性及温度高于Ti⁃6Al⁃4V 所用的最高温度时，就应使用Ti⁃6Al⁃2Sn⁃4Zr⁃2Mo（Ti⁃6242）。Ti⁃6242合金用于涡轮发动机的内置式排气旁通阀活塞和加强型风扇框架。最近，氧化铝的有序金属间化合物，如Ti⁃22Al⁃23Nb 和Ti⁃22Al⁃26Nb 已经作为基体材料使用。这些材料正在开发用于旋转叶片和螺旋桨。航天上使用的钛MMC 所采用的工艺技术包括纤维⁃箔⁃纤维工艺以及结合热等静压所用的铸造带材或卷绕线材。钛基体也可使用等离子喷涂技术沉积在纤维上。类似地，利用电子束的物理气相沉积技术将金属镀在纤维上也已证明是可行的。02.颗粒增强钛MMC    它是用P/ M 制成的。研究过不同的材料，最为普通的结合还是用（体积分数）10%～20%TiC 增强的Ti⁃6Al⁃4V。这些复合材料具有不断提高的硬度和超过传统钛合金的耐磨性。
3镁基体复合材料
      这种复合材料具有基本上与铝MMC 相同的性能：高刚性、轻重量和低热膨胀系数。
      事实上，作为基体通常是依据其重量与耐腐蚀性在铝和镁之间进行选择。镁的密度大约为铝的2/3，但是它在腐蚀性环境中更为活泼。镁还有较低的热导率，有时这也是它的一个选择的因素。镁MMC 包括用于航天结构件的连续纤维Gr/Mg、用于汽车发动机零件的短U 形纤维Al2O3/Mg， 以及用于发动机零件和低膨胀电子包装材料的断续SiC或B4C/ Mg。基体合金包括AZ31、AZ91、ZE41、QE22 和EZ33。所用工艺方法类似于与之相应的铝MMC。
4铜基复合材料
      这种材料是用连续的钨、碳化硅和石墨的纤维增强剂而生产的。其中连续石墨/ 铜MMC 被研究得最多。　　先进石墨纤维的开发成功引起对连续石墨/ 铜MMC 的兴趣。铜具有良好的导热性，但它比较重，且其高温力学性能也较差。在室温下的轴向热导率性能较铜好的沥青基石墨纤维现已得到开发。这种纤维除了相对于铜能减小密度、增加刚度、提高使用温度以外，还具有量身定制热膨胀系数的机制。制造石墨/ 铜MMC 的一种方法就是利用电镀工艺即用纯铜镀层包敷每一根石墨纤维，并使MMC 纤维有足够的柔性用以编成织物。


5超合金基体的复合材料
     将耐熔金属（钨、钼和铌）线材作为纤维增强剂用于高温超合金MMC 还是受到很大的重视，尽管其耐氧化性差和密度高。虽然耐熔合金的纤维增强复合材料的理论比强度潜力小于陶瓷纤维增强复合材料，但是塑性较大的金属纤维系统允许有较大的纤维⁃基体反应和热膨胀失调性。若将耐熔金属纤维用于给一种塑性和耐氧化的基体增强，它们就能受到不被氧化的保护，而且在高温下其复合材料的比强度也大大高于超合金。　 超合金MMC 的制造是通过固相、液相或沉积的工艺而完成的。其方法包括熔模铸造、使用很薄的薄板形式的基体金属、使用由粉末和有机粘合剂轧制成粉末薄板形式的基体金属、粉末冶金技术、金属合金粉末的粉浆浇铸， 以及电弧喷涂。
6金属间化合物基体的复合材料
     超合金MMC的一个缺点就是其高密度 ，因此限制了用这种材料所制造的零件的潜在最小重量。金属间化合物基体复合材料（IMC）的高熔点和相对较低的密度，使其成为较轻的涡轮发动机材料的重要选材。镍、钛和铁的铝化物作为IMC 的基体材料而受到关注。
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