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01金屬基復(fù)合材料的性能

與傳統(tǒng)金屬材料相比，MMC具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和耐磨性；與樹脂基復(fù)合材料相比，MMC具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，高溫性能好，可焊接；與陶瓷基復(fù)合材料相比，MMC具有高韌性、高沖擊性能、線膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)。實用的MMC應(yīng)表現(xiàn)出低的密度和能與當(dāng)前工程材料相比的力學(xué)性能。

金屬基復(fù)合材料的優(yōu)異性能是多方面的，增強(qiáng)體使MMC的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大幅度提高。MMC有良好的高溫性能，如高的蠕變抗力。這在長纖維強(qiáng)化MMC中表現(xiàn)尤為突出。在金屬基體中加入不同的增強(qiáng)體后，大大提高了材料的耐磨性，磨損率可降低一個數(shù)量級。MMC加入的增強(qiáng)體的密度低，因而材料的密度可顯著降低。利用陶瓷的線膨脹系數(shù)，使用它為增強(qiáng)體，可用來調(diào)節(jié)MMC的線膨脹系數(shù)，從而獲得與多種材料相匹配的復(fù)合材料。

金屬基復(fù)合材料的性能除了與增強(qiáng)材料成分、形態(tài)、體積分?jǐn)?shù)及基體合金成分有關(guān)外，還與界面組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而界面組織結(jié)構(gòu)與制備工藝，增強(qiáng)體表面處理工藝等有關(guān)。按照增強(qiáng)原理不同，可將金屬基復(fù)合材料分為連續(xù)纖維增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)兩大類。

1 長纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

在連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，增強(qiáng)纖維主要有硼纖維、碳纖維（石墨纖維）、SiC纖維、Al2O3纖維等，基體主要有鋁、鎂、鈦、銅、鎳及它們的合金。幾種典型連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能見表2。可見，纖維連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料的性能具有各向異性，縱向明顯高于橫向；復(fù)合材料的縱向強(qiáng)度、模量顯著高于基體合金。另外，很多資料表明沿纖維方向（縱向）加拉伸載荷的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的疲勞抗力優(yōu)于未增強(qiáng)的基體合金，使疲勞極限一般可成倍增加。合金的抗蠕變性能往往可因連續(xù)纖維的加入而大大改善。在這方面的典型例子是碳化硅連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，以此來彌補(bǔ)鈦合金蠕變抗力低的缺陷。由于低膨脹纖維的加入，復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)顯著減小，典型的例子就是Gr/Mg在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡天線支撐桿的應(yīng)用，使得在反復(fù)出入日照的條件下保持尺寸穩(wěn)定件。

2 短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

短纖維的增強(qiáng)效果介于顆粒和連續(xù)纖維之間。由于短纖維的性能明顯低于晶須，尺寸明顯大于晶須，所以短纖維的增強(qiáng)效果不如晶須的增強(qiáng)效果。短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法主要有粉末冶金法、壓力浸滲法、擠壓鑄造法等。

短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是目前研究最多的。氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的室溫拉伸強(qiáng)度與基體合金相比提高不太明顯（表3），但它們的高溫強(qiáng)度保持率明顯優(yōu)于基體，彈性模量在室溫和高溫都有較大的提高，熱膨脹系數(shù)有所降低（表4），耐磨性能得到改善。

另外，采用擠壓鑄造法制備的Al2O3短纖維增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料具有明顯的強(qiáng)化效果，其高溫力學(xué)性能和耐磨性能得到了顯著提高。未經(jīng)增強(qiáng)鎂合金的性能在100-150℃以上便顯著降低，加入增強(qiáng)體后可顯著改進(jìn)基體合金的高溫性能。

3 晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

晶須增強(qiáng)金屬的試驗最早采用的是Al2O3晶須，但由于其成本高，而且要使晶須在金屬基體中均勻分布也較困難，因而發(fā)展不快。但廉價的SiC晶須的加入，明顯提高了復(fù)合材料的彈性模量和強(qiáng)度，引起了晶須增強(qiáng)金屬研究的發(fā)展。用來增強(qiáng)的基體主要是Al、Mg及其合金。

①晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

SiCw/Al復(fù)合材料的性能見表6、表7，SiCw/Al復(fù)合材料強(qiáng)度與SiCw體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系見圖6，SiCw/2024Al復(fù)合材料強(qiáng)度、彈性模量與溫度的關(guān)系見圖7和圖8?？梢?，與基體合金相比，復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量都有顯著提高，且高溫性能優(yōu)良，但密度稍有增加。復(fù)合材料的強(qiáng)度隨晶須的體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，而且其性能與制備工藝方法及參數(shù)也有很大關(guān)系。

②晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料

SiCw/Mg復(fù)合材料的性能見表8。與基體合金相比。SiCw/Mg復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量均大大提高，從而復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度和比模量。

02金屬基復(fù)合材料的特性

金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選用金屬或合金基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。通過優(yōu)化組合，不僅可以獲得基體金屬或合金具備的良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，抗苛刻環(huán)境能力，抗沖擊、抗疲勞性能和斷裂性能，還可以具有高強(qiáng)度、高剛度，出色的耐磨性能和更低的熱膨脹系數(shù)(CTE)。綜合歸納金屬基復(fù)合材料的特性如下。

1高比強(qiáng)度、高比模量

由于在金屬基體中加入了適量的高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體，明顯提高了復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，特別是高性能連續(xù)纖維-硼纖維、碳（石墨）纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)物，具有很高的強(qiáng)度和模量。密度只有1.85g/cm3的碳纖維的最高強(qiáng)度可達(dá)到7000MPa，比鋁合金強(qiáng)度高出10倍以上，石墨纖維的模量為230-830GPa。硼纖維密度為2.4-2.6g/cm3，強(qiáng)度為2300-8000MPa，模量為350-450GPa。碳化硅纖維密度為2.5-3.4g/cm3，強(qiáng)度為3000-4500MPa，模量為350-450GPa。加入30%-50%的高性能纖維作為復(fù)合材料的主要承載體，復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量成倍地高于基體合金的比強(qiáng)度和比模量。圖2所示為典型的金屬基復(fù)合材料與基體合金性能的比較。用高比強(qiáng)度、高比模量復(fù)合材料制成的構(gòu)件質(zhì)量輕、剛性好、強(qiáng)度高，是航天、航空技術(shù)領(lǐng)域中理想的結(jié)構(gòu)材料。

2熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好

金屬基復(fù)合材料中所用的增強(qiáng)物碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具有很小的熱膨脹系數(shù)，又具有很高的模量，特別是高模量、超高模量的石墨纖維具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。加入相當(dāng)含量的增強(qiáng)體不僅大幅度提高材料的強(qiáng)度和模量，也使其熱膨脹系數(shù)明顯下降并可通過調(diào)整增強(qiáng)體的含量獲得不同的熱膨脹系數(shù)，以滿足各種工況要求。例如，石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，當(dāng)石墨纖維的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到48％時，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時使用這種復(fù)合材料做成的零件不發(fā)生熱變形，這對人造衛(wèi)星構(gòu)件特別重要。通過選擇不同的基體金屬和增強(qiáng)體，以一定的比例復(fù)合在一起，可得到導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好的金屬基復(fù)合材料。圖3所示為一些典型金屬基復(fù)合材料和金屬材料的尺寸穩(wěn)定性和比模量?？梢?，石墨／鎂復(fù)合材料具有最高的尺寸穩(wěn)定性和最高的比模量。

3良好的高溫性能

由于金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒在高溫下又都具有很高的高溫強(qiáng)度和模量。因此金屬基復(fù)合材料具有比基體金屬更高的高溫性能，特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。在復(fù)合材料中纖維起著主要承載作用，纖維強(qiáng)度在高溫下基本上不下降，可保持到接近金屬熔點(diǎn)，并比金屬基體的高溫性能高許多。如鎢絲增強(qiáng)耐熱合金，其1100℃,100h高溫持久強(qiáng)度為207MPa，而基體合金的高溫持久強(qiáng)度只有48MPa；又如石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在500℃高溫下仍具有600MPa的高溫強(qiáng)度，而鋁基體在300℃強(qiáng)度已下降到100MPa以下。因此金屬基復(fù)合材料被選用在發(fā)動機(jī)等高溫零部件上，可大幅度提高發(fā)動機(jī)的性能和效率?？傊?，金屬基復(fù)合材料做成的零構(gòu)件比金屬材料、聚合物基復(fù)合材料零件能在更高的溫度條件下使用。

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