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什么是金属基复合材料

发表时间：〖2025-07-23 09:51:01〗浏览次数：〖185〗

与非金属基复合材料相比，金属基复合材料的潜力尚未充分发挥，应用面比较窄，成熟的品种很少。这种情况一直到20世纪70年代中期才略有好转。1974年，美国材料咨询局第一次肯定了研制和使用金属基复合材料的正确性，表示对这项工作要重视和支持。这主要是航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求，看来只有依赖金属基复合材料和精陶瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼（硼硅克）纤维外，还有高强度钢丝、高熔点合金丝（钨、钼）和晶须（氧化铝、碳化硅）等。这些纤维分别用来与铝、镁、钦、铜和镍钴基高温合金组成复合材料。硼一铝复合材料的研制起步最早，取得了一定效果。这种材料用于航天飞机的中机身构架管，可减重80公斤。采用硼一铝复合材料的飞机为数不多，目前只有F-111、S-3A等，此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。硼一铝复合材料最有希望的潜在用途是制造喷气发动机的压气机及风扇叶片，如用其代替钛合金可减重33%，节省成本45%左右。美国几家主要发动机公司如普拉特•惠特尼、通用电器、TRW等均进行过硼一铝复合材料风扇叶片的研究。JT8D发动机上试用硼一铝压气机叶片，工作温度达到300°C，此外，在TF—41-P3发动机上还试用了铍一铝压气机叶片。石墨一铝复合材料也具有很高的比强度和比模量，适合直升机、导弹、坦克和突击浮桥使用。CH47直升机的传动机，采用了多层石墨一铝护板，大大减少了振动噪音，此外石墨一铝和石墨一镁将被用在人造卫星和大型空间结构上，如卫星支撑架、平面天线体、可折式拋物面天线助等。镍基和钴基高温合金使用高熔点钼、钨丝式晶须增强后成为耐热复合材料。这项工作在许多国家开展多年，目的是为了满足工作温度和载荷日益提高的先进涡轮发动机的需要。利用这种耐热复合材料制成实心涡轮叶片，可以提高涡轮的温度和转数，减少涡轮级数和冷却气体的消耗，为改进发动机创造了条件。采用加有二氧化钍和碳化铪的钨丝增强复合材料，工作温度为1160°C〜1200°C，至少比目前的涡轮工作温度提高100°C。与非金属基复合材料相比，金属基复合材料的潜力尚未充分发挥，应用面比较窄，成熟的品种很少。这种情况一直到20世纪70年代中期才略有好转。1974年，美国材料咨询局第一次肯定了研制和使用金属基复合材料的正确性，表示对这项工作要重视和支持。这主要是航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求，看来只有依赖金属基复合材料和精陶瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼（硼硅克）纤维外，还有高强度钢丝、高熔点合金丝（钨、钼）和晶须（氧化铝、碳化硅）等。这些纤维分别用来与铝、镁、钛、铜和镲钴基高温合金组成复合材料。硼一铝复合材料的研制起步最早，取得了一定效果。这种材料用于航天飞机的中机身构架管，可减重80公斤。采用硼一铝复合材料的飞机为数不多，目前只有F—111、S—3A等，此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。硼一铝复合材料最有希望的潜在用途是制造喷气发动机的压气机及风扇叶片，如用其代替钛合金可减重33%,节省成本45%左右。美国几家主要发动机公司如普拉特.惠特尼、通用电器、TRW等均进行过硼一铝复合材料风扇叶片的研究。JT8D发动机上试用硼一铝压气机叶片，工作温度达到300°C，此外，在TF—41一P3发动机上还试用了铍一铝压气机叶片。石墨一铝复合材料也具有很高的比强度和比模量，适合直升机、导弹、坦克和突击浮桥使用。CH47直升机的传动机，采用了多层石墨一招护板，大大减少了振动噪音，此外石墨一铝和石墨一镁将被用在人造卫星和大型空间结构上，如卫星支撑架、平面天线体、可折式抛物面天线助等。镍基和钴基高温合金使用高熔点钼、钨丝式晶须增强后成为耐热复合材料。这项工作在许多国家开展多年，目的是为了满足工作温度和载荷日益提高的先进涡轮发动机的需要。利用这种耐热复合材料制成实心涡轮叶片，可以提高涡轮的温度和转数，减少涡轮级数和冷却气体的消耗，为改进发动机创造了条件。采用加有二氧化钍和碳化铪的钨丝增强复合材料，工作温度为1160°C-1200°C，至少比目前的涡轮工作温度提高100°C。利用氧化铝晶须毡或单晶纤维增强熔点钼钨后，可以耐更高的温度，在1650°C时的强度为钨的两倍，作为火箭喷口材料已通过试验。以钢板为基体的各种层压板也是一种通用的复合材料。例如波音767和757飞机上采用的一种包不锈钢铝板，可以代替钛合金作为发动机的防火材料，重量轻而价格低。另一种是以钢板为基、多孔青铜的中间层、聚四氟乙烯塑料为表面层的三层复合材料，可用于制造载重汽车底盘衬套、机床导轨和在高温腐蚀介质中工作的轴承。超导电缆也是一种复合材料，它是以铜一锡合金为基体，埋入295根铌线后组成，经过扩散处理在界面形成七微米厚的Nb2Sn金属化合物，它具有超导性，可以用于制造磁悬浮高速列车、核聚变反应堆电磁铁、储能超导感应器、超导发电机等新产品。金属基复合材料是指以金属材料为基体，用其他材料增强或改性的复合材料。分：①纤维增强金属基复合材料。分晶须增强和连续纤维（硼、碳、碳化硅等）增强两种，是高强度、高刚度和耐高温结构材料。主要用于飞机喷气部件和火箭发动机等要求耐高温结构件；②粒子增强金属基复合材料，亦称金属陶瓷。以铁、镍、钴、铬、钛等金属基与耐高温氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物等复合而成。具有不生锈、硬度高，耐热等优点，同时又保留了金属材料耐冲击特性。主要用作切削工具，耐腐蚀、耐高温的结构材料。尚未工业化生产，开发中的制造方法有扩散接合法、液体浸透法、喷镀法、电析法、挤出滚压法、冷压及烧结法等，都必须在高温下复合。1、金属基复合材料(metalmatrixcomposite),简称(MMC)是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。2、其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。3、它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。制动钳采用金属基复合材料制造时，除了降低质量外，最主要的益处是刚度它是将含有Ti和B的盐类(如KBF4和K2TiF6)混合后，加入到高温的金属熔体中，在高温作用下，所加盐中的Ti和B就会被金属还原出来而在金属熔体中反应形成TiB2增强粒子，扒去不必要的副产品，浇注冷却后即获得了原位TiB2增强的金属基复合材料1)高比强度、高比模量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、颗粒等增强物，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。如密度只有1.85?g/cm3的碳纤维的最高强度可达7?000?MPa，比铝合金强度高出10倍以上，石墨纤维的最高模量可达900?GPa，硼纤维、碳化硅纤维密度为2.5～3.4?g/cm3，强度为3?000?4?500?MPa，模量为350?450?GPa。加入30%-50%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。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，足航大、航空技术领域中理想的结构材料。(2)导热性能好金属基复合材料中的金属基体占有很高的体积分数，一般在60%以上，因此仍保持金属所特有的良好的导热性和导电性。良好的导热性可以有效她传热，减少构件受热后产生的温度梯度，并能迅速散热，这对尺寸稳定性要求高的构件和高集成度的电子器件而言尤为重要，还可以防止飞行器构件静电聚集问题的产生。在金属基复合材料中采用高导热性的增强物还可以进一步提高金属基复合材料的热导率，使复合材料的热导率比纯金属基体还高。为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超高模量石墨纤维，金刚石纤维，金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯铝、纯铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。(3)线膨胀系数小，尺寸稳定性好金属基复合材料中所用的增强体均具有很小的线膨胀系数，且有很高的弹性模量，特别是超高模量的石墨纤维具有负的线膨胀系数加入相当含量的增强物不仅可大幅度提高材料的强度和模量，也使线膨胀系数明显下降，并通过调整增强物的含量可获得不同的线膨胀系数，以满足各种工况的要求。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到48%时，复合材料的线膨胀系数为零，即在温度变化时这种复合材料不发生热变形，这对人造卫星构件特别重要。合材料基体即复合材料中作为连续相的材料，分为聚合物基体，金属基体，无机非金属基体。作用：基体材料起到粘结作用，均衡载荷，分散载荷，保护纤维的作用。复合材料分为两相，另一项为分散相，称为增强材料。简介：复合材料按照基体材料可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料这三大类。1.金属基复合材料在使用金属基复合材料时，不同领域要求迥异。举例来说，航天、航空领域对比强度、比模量、尺寸稳定性有严格的要求，因此会选择密度小的轻金属合金作为基体。而高性能发动机使用的复合材料不仅需要具备高比强度、比模量，还对其耐高温、耐氧化性能提出了要求，一般使用钛基、镍基合金以及金属间化合物做基体材料。普通汽车发动机对材料的耐热、耐磨、导热性能、高温强度有一定的考量，同时又要求成本低，适合批量生产，通常用铝合金材料做基体。而工业集成电路基板和散热元件，必须具有高导热、低膨胀特性，一般使用铜、铝等仅是作为基体。如果想要增强金属基复合材料的强度，添加连续纤维增强材料可以有效达到这个目的。因为纤维作为增强材料，它的强度和模量都要高于金属基体。而在以颗粒、晶须、短纤维为增强材料的非连续增强金属基复合材料中，增强材料的强度和模量均要低于金属基体。选择增强材料时，还必须充分考虑其与金属基体的相容性，尤其是化学相容性。保证在金属基复合材料高温成型过程中，增强材料不会与基体发生化学反应，而影响复合材料的物理化学功能。当复合材料中含多种物质的时候，这一点就显得更加重要。2.无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料的基体材料主要包括水泥、石膏和水玻璃等。我们以应用最广泛的水泥材料为例，水泥材料是多孔体系，这一特征不仅会影响基体本身的性能，也会影响纤维与基体的界面粘接。纤维与水泥的弹性模量比不大，应力的传递效应远不如纤维增强树脂。水泥基材的断裂延伸率较低，在受到强力拉伸时，水泥基体会先于纤维发生开裂。水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料，与纤维成点接触，因此纤维的掺量受到很大的限制。水泥基材呈碱性，对金属纤维可起到一定的保护作用，但对大多数矿物纤维不利。3.聚合物基复合材料作为基体材料的复合物包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物，这也是一种非常重要的复合材料。在聚合物基复合材料中添加纤维增强材料，可以起到增加强度的作用，所用的纤维种类有玻璃纤维、碳纤维、有机纤维和其他纤维等。玻璃纤维具有很高的拉伸强度，而且防火、防霉、防蛀、耐高温，电绝缘性能也非常出色。其化学稳定性良好，除了HF、浓碱、浓磷酸外，与其他所有化学药品和有机溶剂都不会发生化学反应。但玻璃纤维也有缺点，那就是具有脆性、不耐磨、对人的皮肤有刺激性等。碳纤维具有良好的耐高低温性能，其比重在1.5到2之间，热膨胀系数有各向异性的特点，导热有方向性，比电阻与纤维类型有关。化学性质较为稳定，除了能被强氧化剂氧化以外，与一般酸碱均不会发生反应，还具有耐油、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等性能。有机纤维具有很高的拉伸强度以及弹性模量，它的密度小，热稳定性高，热膨胀系数各向异性，有良好的耐介质性能，但容易被各种酸碱腐蚀，耐水性不好。