金属基复合材料 金属基复合材料通常
金属基复合材料的性能特点
01金属基复合材料的性能
与传统金属材料相比，MMC具有较高的比强度、比刚度和耐磨性；与树脂基复合材料相比，MMC具有优良的导电、导热性，高温性能好，可焊接；与陶瓷基复合材料相比，MMC具有高韧性、高冲击性能、线膨胀系数小的特点。实用的MMC应表现出低的密度和能与当前工程材料相比的力学性能。几种典型的金属基复合材料的力学性能列于表1中。
表1 金属基复合材料的典型力学性能
金属基复合材料的优异性能是多方面的，增强体使MMC的屈服强度和抗拉强度大幅度提高。MMC有良好的高温性能，如高的蠕变抗力。这在长纤维强化MMC中表现尤为突出。在金属基体中加入不同的增强体后，大大提高了材料的耐磨性，磨损率可降低一个数量级。MMC加入的增强体的密度低，因而材料的密度可显著降低。利用陶瓷的线膨胀系数，使用它为增强体，可用来调节MMC的线膨胀系数，从而获得与多种材料相匹配的复合材料。
金属基复合材料的性能除了与增强材料成分、形态、体积分数及基体合金成分有关外，还与界面组织结构密切相关，而界面组织结构与制备工艺，增强体表面处理工艺等有关。按照增强原理不同，可将金属基复合材料分为连续纤维增强和非连续增强两大类。
在连续增强金属基复合材料中，增强纤维主要有硼纤维、碳纤维（石墨纤维）、纤维、
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纤维等，基体主要有铝、镁、钛、铜、镍及它们的合金。几种典型连续增强金属基复合材料的性能见表。可见，纤维连续增强复合材料的性能具有各向异性，纵向明显高于横向；复合材料的纵向强度、模量显著高于基体合金。另外，很多资料表明沿纤维方向（纵向）加拉伸载荷的连续纤维增强金属基复合材料的疲劳抗力优于未增强的基体合金，使疲劳极限一般可成倍增加。合金的抗蠕变性能往往可因连续纤维的加入而大大改善。在这方面的典型例子是碳化硅连续纤维增强钛基复合材料在航空涡轮发动机上的应用，以此来弥补钛合金蠕变抗力低的缺陷。由于低膨胀纤维的加入，复合材料的线膨胀系数显著减小，典型的例子就是Gr/Mg在哈勃太空望远镜天线支撑杆的应用，使得在反复出入日照的条件下保持尺寸稳定件。
表2 连续纤维增强金属基复合材料的力学性能（纵向）
短纤维的增强效果介于颗粒和连续纤维之间。由于短纤维的性能明显低于晶须，尺寸明显大于晶须，所以短纤维的增强效果不如晶须的增强效果。短纤维增强金属基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、压力浸渗法、挤压铸造法等。
短纤维增强铝基复合材料是目前研究最多的。氧化铝短纤维增强铝基复合材料的室温拉伸强度与基体合金相比提高不太明显（表3），但它们的高温强度保持率明显优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高，热膨胀系数有所降低（表4），耐磨性能得到改善（图5）。
表3 多晶氧化铝纤维增强铝基复合材料的室温及高温性能
表4 氧化铝纤维增强铝基复合材料的热膨胀系数和热导率
图5 氧化铝纤维增强铝基复合材料的磨损性能
及与基体和高镍耐磨铸铁的比较
另外，采用挤压铸造法制备的
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短纤维增强锌基复合材料具有明显的强化效果，其高温力学性能和耐磨性能得到了显著提高。未经增强镁合金的性能在以上便显著降低，加入增强体后可显著改进基体合金的高温性能。
晶须增强金属的试验最早采用的是
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晶须，但由于其成本高，而且要使晶须在金属基体中均匀分布也较困难，因而发展不快。但廉价的晶须的加入，明显提高了复合材料的弹性模量和强度，引起了晶须增强金属研究的发展。用来增强的基体主要是、及其合金。
①晶须增强铝基复合材料
w
复合材料的性能见表、表，
w
复合材料强度与
w
体积分数之间的关系见图，
w
复合材料强度、弹性模量与温度的关系见图和图。可见，与基体合金相比，复合材料的强度、模量都有显著提高，且高温性能优良，但密度稍有增加。复合材料的强度随晶须的体积分数的增加而增加，而且其性能与制备工艺方法及参数也有很大关系。
表6 SiC
w
/60614Al复合材料性能
表7 压铸法制备SiC
w
/Al复合材料拉伸强度
图6 SiC
w
/Al复合材料抗拉强度与V
f
的关系
1-206.7MPa；2-137.8MPa；3-68.9MPa；4-大气中铸造
图7 SiC
w
/2024Al复合材料σ-T关系
图8 SiC
w
/2024Al复合材料E-T关系
②晶须增强镁基复合材料
w
复合材料的性能见表。与基体合金相比。
w
复合材料的拉伸强度、屈服强度、弹性模量均大大提高，从而复合材料具有更高的比强度和比模量。
表8 SiC
w
/ZK60A镁基复合材料与基体合金性能的比较
02金属基复合材料的特性
金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合，不仅可以获得基体金属或合金具备的良好的导热、导电性能，抗苛刻环境能力，抗冲击、抗疲劳性能和断裂性能，还可以具有高强度、高刚度，出色的耐磨性能和更低的热膨胀系数(CTE)。综合归纳金属基复合材料的特性如下。
由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强体，明显提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。密度只有
3
的碳纤维的最高强度可达到，比铝合金强度高出倍以上，石墨纤维的模量为。硼纤维密度为
3
，强度为，模量为。碳化硅纤维密度为
3
，强度为，模量为。加入的高性能纤维作为复合材料的主要承载体，复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金的比强度和比模量。图所示为典型的金属基复合材料与基体合金性能的比较。用高比强度、高比模量复合材料制成的构件质量轻、刚性好、强度高，是航天、航空技术领域中理想的结构材料。
图2 典型金属基复合材料与基体合金性能的比较
金属基复合材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膨胀系数，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膨胀系数。加入相当含量的增强体不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降并可通过调整增强体的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种工况要求。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维的体积分数达到48％时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形，这对人造卫星构件特别重要。通过选择不同的基体金属和增强体，以一定的比例复合在一起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。图3所示为一些典型金属基复合材料和金属材料的尺寸稳定性和比模量。可见，石墨／镁复合材料具有最高的尺寸稳定性和最高的比模量。
图3 几种典型材料的尺寸稳定性和比模量
由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，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。因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料。在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本上不下降，可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。如钨丝增强耐热合金，其1100℃,100h高温持久强度为207MPa，而基体合金的高温持久强度只有48MPa；又如石墨纤维增强铝基复合材料，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。因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。总之，金属基复合材料做成的零构件比金属材料、聚合物基复合材料零件能在更高的温度条件下使用。
转载：材易通