金屬基復合材料
6.1金屬基復合材料的種類和基本性能
6.1.1金屬基復合材料的種類
1.按基本分類
（1）鋁基復合材料：良好的塑性和韌性，易加工性、工程可靠性及價格低廉等
（2）鎳基復合材料：高溫性能優良，有望成為燃汽輪機的葉片
（3）鈦基復合材料：高比強度，中溫強度較鋁基好，超音速戰斗機中用鈦合金做蒙皮，主要與硼纖維結合增強e59b9ee7ad
（4）鎂基復合材料：比鋁基更輕，集超輕，高比強度，高比剛度于一體，是航空航天材料的優選材料（dmg=1.74, dAl=2.7）
還有鋅基、銅基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復合材料
2.按增強材料分類
（1）顆粒增強復合材料：增強相超過20%的彌散強化類型，其強度取決于顆粒的直徑、間距和體積比
（2）層狀復合材料：與纖維增強相比，它在平面各個方面上是增強的（二維增強，而不是一維增強）
（3）纖維增強復合材料：有長纖，短纖和晶須三種纖維，長纖亦可以一維纖維，二維布和三維網的方式存在。長纖維在基本中必須定向規整地存在，而短纖和晶須則是隨機任意不定向存在。
6.1.2金屬基復合材料中增強體的性質
金屬基復合材料的增強體主要是無機物和金屬。無機纖維有C纖維、B纖維、SiC, Al2O3、Si3N4纖維等。金屬纖維主要有鈹、鋼、不銹鋼和鎢纖維等。增強顆粒主要是無機非金屬顆粒，包括石墨、SiC, Al2O3、Si3N4、TiC、B3C3等。主要講述纖維增強體。
纖維增強體的基本要求：
A高強度，
B高模量，
C容易制造和價格低廉，
D化學穩定性好，
E纖維的尺寸和形狀: 大直徑圓纖維為好，
F性能的再現性與一致性，
G抗損傷或抗磨損性能
6.1.3金屬基復合材料的強度
纖維增強金屬基復合材料的縱向強度和橫向強度是不同的。
1. 縱向強度(圖6-1，P127)

臨界纖維體積比VF*
當弱纖維斷裂時，將引起三種重要的變化。1）由于破斷纖維失去強度，而使該處截面上的強度降低。2）破斷纖維裂紋周圍的靜應力集中會降低材料的有效強度。3）破斷纖維失去載荷時產生的動應力波會使復合材料受到沖擊，從而降低該處橫斷面上的瞬時承載能力。
2. 橫向強度
復合材料的橫向模量隨著增強材料的含量增加是增加的，但強度的變化是復雜的。因為材料總是在局部斷裂，這并不是平均強度可以衡量的，但總體上基本受纖維嚴重束縛，其斷裂強度理應比純基體材料大。
6.1.4復合材料組分的相容性
包括物理相容性和化學相容性，物理相容性和壓力變化、熱變化時材料的伸縮性能有關，相容性的要求是外部載荷能通過基本均勻傳遞到增強物上，基體上的應力不會增強體的局部過于集中化學相容性則與界面結合、界面化學反應及環境的化學反應有關。
6.2金屬基復合材料的制造工藝
雖然該類復合材料的工藝很多，大致有：粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、擠壓鑄造法、共噴沉積法、液態金屬浸潤法、液態金屬攪拌法、反應自生法等等，這些方法大多也尚在不斷發展之中，但其基本制造方法可歸納成幾個大類：固態法、液態法和自生成法及其它制備方法。
6.2.1固態法
基體和增強物均為固態。粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法等包括在此類。
6.2.2液態金屬法
基體處于液態時與增強物復合的方法
6.2.3自生成法和其它方法
在基體內部通過反應生成增強物質的方法
其它方法：如復合涂（鍍）法，將增強物細粒懸浮于鍍液中用電鍍或化學鍍形成復合層。
6.3鋁基復合材料
6.3.1顆粒（晶須）增強鋁基復合材料
增強材料晶須有：SiC,Al2O3,SiO2,BC4,TiC
性能：性能優異，增強顆粒價格低廉，應用前景廣闊，如SiC增強者：有良好的力學性能和耐磨性，拉伸強度和彈性模量都比基體高，且顆粒粒徑越小，顆粒含量越大，強度就越高。耐磨性亦然。
6.3.2纖維增強鋁基復合材料
增強纖維主要有B,C，SiC,Al2O3
1)BF/Al:硼纖維增強材料是最早研究和應用的，其高溫性能尤其突出，在500時的拉伸強度達到500MPa,這是鋁合金材料不可想象的。硼纖維比重：2.5-2.65.硼在鎢絲上化學氣相沉積得到纖維，表面還要加陶瓷涂層增加其抗氧化性能。
制造過程：纖維排列、復合材料組裝壓合和零件層壓。用易揮發的粘結劑將維粘一起并和鋁箔上一起熱壓。
2)C/Al復合材料：碳纖維有優異的力學性能，而價格較低。碳纖維的表面處理很關鍵，
3）SiCF/Al復合材料：特別的高溫抗氧化性能，能在較高溫度下與鋁復合。產品性能。有高的拉伸強度抗彎強度和優異的耐磨性能
4）短纖維增強鋁基復合材料
特點：增強體來源廣，價格低，成形性好，材料性能各向同性，可用傳統工藝成型加工。用氧化鋁和硅酸鋁增強鋁基合金其高溫強度明顯高于基體，彈性模量在室溫和高溫下都有較大的提高，熱膨脹系數小，耐磨性改善。
6.3.3 鋁基復合材料的應用
性能好，但價格昂貴，所以主要用作航天飛機、人造衛星，空間站等的結構材料，其次用作導彈構件，自行車架，高爾夫球桿等體育用品上。其民用前景隨造價的降低會很廣泛。
6.4鎳基復合材料（TMCS）
其復合材料有望用于燃氣渦輪發動機的葉片，承受高溫和高負載。
以單晶氧化鋁（藍寶石）晶須和桿增強簡單鎳或鎳鉻合金是主要研究類型。
藍寶石與鎳在高溫下會發生化學反應，所以要進行表面處理，通常是在表面涂鎢。
制造方法主要是將纖維夾在金屬板之間進行熱壓。如熱壓法成功地制造了Al2O3-NiCr復合材料。其工藝是先在桿上涂Y2O3,再涂一層鎢，然后將桿夾在金屬板之間真空于1200℃加壓41.4MPa.
6.5鈦基復合材料（TMCS）
1）金屬鈦耐高溫、耐腐蝕，比重低（4.5g/cm3）,是高性能結構材料的首選材料
主要有顆粒增強和連續纖維增強兩大類.
如用碳化硅顆粒增強時，其硬度和剛度提高，常溫強度比基體有時有所降低，但高溫強度比基體好。
連續纖維復合鈦合金的難度很大，只能用固相復合，因鈦在高溫時易于與纖維反應。硼鈦復合材料是主要研究對象。為了解決鈦在高溫下與基體的反應性，也就是與纖維的相容性問題，提出如下方法：（1）最大限度減小反應的高速工藝；（2）最大限度減少反應的低溫工藝；（3）研究低活性的基體；（4）研制最大限度減小反應的涂層；（5）選擇具有較大反應容限的系列；（6）設計上盡量減小強度降低的影響。
2）應用：主要以用在航空航天用超高速發動機上為目的，但目前也有用在民用上，用作汽車材料和體育器材上。
6.6碳纖維增強金屬基復合材料
1）碳纖維和許多金屬缺乏相容性，目前相容性較好的有鋁鎂鎳鈷等，和鈦等其它金屬復合時會形成碳化物，故需進行表面處理。
2）碳纖維和某些材料復合會有特殊性質，如與銅，鋁和鉛等復合有高的強度，導電性，低摩擦性，低膨脹性（尺寸穩定性）等
3）與碳復合的金屬除鋁是主要的外，還有銅鎂鉛鋅錫鈹等。
4)Cf/Al:對纖維進行增強與鋁的潤濕性處理很關鍵。這樣在熱壓時能很好結合。涂敷金屬或非金屬層是可期待的改性方式。
5）Cf/Ni:電沉積熱壓是主要方法。但低壓時獲得的強度更高，原因是高壓損傷了纖維。

標簽：復合材料纖維增強