复合材料学之一.ppt

金属基复合材料学 许光明 上课要求和考试 1 学习目的：了解金属基复合材料的基础知识 2要求：记一些笔记（重要知识点） 3 考试：开卷（30%）+最后一个大题30% 4 平时：40％ 目 录 1 复合材料概论 2 复合理论 3 复合材料的界面 4 复合材料的增强材料 5 复合材料的成型工艺 《材料大词典》 复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。 复合材料的特点之一：是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能； 特点之二：是它的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。 典型复合材料－纤维增强复合材料 1） 比强度、比模量高： 强度和弹性模量与密度的比值，它们是衡量材料承载能力的一个重要指标。 2 抗疲劳性能好：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。大多数金属材料的疲劳极限是抗拉强度的40～50％，而纤维增强复合材料的疲劳极限是抗拉强度的70～80％。 3 破损安全性好：纤维增强复合材料内有大量的独立纤维，当这种材料的构件超载并有少量纤维断裂时，其载荷会重新分配在未断裂的纤维上。这样，不会在短期内丧失承载能力。 4 能组成各种功能材料：如铜包钢线、钢丝铝绞线等 图2 复合材料结构示意图a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合 纤维增强复合材料分类 ① 玻璃纤维复合材料； ② 碳纤维复合材料； ③ 有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料； ④ 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； ⑤ 陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。 混杂复合材料： 两种或两种以上增强体同一基体制成的复合材料称为，可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。 按基体材料分类 ① 聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体； ② 金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体； ③ 无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。 按材料作用分类 ① 结构复合材料：用于制造受力构件； ② 功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。 同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料） 异质复合材料（复合材料多属此类）。 表1 复合材料系统组合 金属基体 选择基体的原则 目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。 基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能，满足使用要求十分重要。 ① 金属基复合材料的使用要求 金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。 在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金—镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。 高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。 如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。 在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。 如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。 工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。 选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。 ② 金属基复合材料组成特点 连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维。 连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身