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金屬基復合材料的分類有哪些?

發布時間:2022-04-02人氣:176

鋁、鎂、鈦、銅合金及金屬間化合物合金是目前應用廣泛、發展迅速的輕金屬合金。用其制成的各種高比強度、高比模量的輕型結構件廣泛地應用于航天、航空和汽車工業等領域。


鋁基復合材料具有輕質、高強、高韌性、導熱性較好的性能特點,且鋁基復合材料適用的制備方法多,易于塑性加工,制造成本低。與鋁基復合材料相比,鎂基復合材料最大的優點是質量更輕,多用于航天、空間等對構件質量有嚴格要求的高技術領域。銅的導電性、導熱性和塑性在金屬中名列前茅,屬于廉價金屬,但在銅中加入增強體可提高其強度、剛度、耐熱性和降低熱膨脹系數,所以銅基復合材料有良好的導熱性可有效地傳熱散熱,能減少構件受熱后產生的溫度梯度,主要用于電力工業和半導體工業。鋁基復合材料在溫度高于 300℃后,其強度迅速下降,極限工作溫度約350℃,相比之下,鈦基復合材料比鋁基復合材料有更高的耐熱性,但成本明顯高于鋁基復合材料,因此,鈦基復合材料應用領域主要集中于飛行器及發動機的耐熱零部件。另有一類主要用于高溫作業輕質高強結構件方面的金屬間化合物基復合材料,此類復合材料具有輕質、高溫性能高的特點,故被選用在發動機等高溫零部件上,可大幅度提高發動機的性能和效率。通常金屬間化合物基復合材料的增強體有SiC、TiB2、TiC 顆粒等,常見的基體有NiAl、TiAl。


金屬基復合材料的增強體是一些不同幾何形狀的金屬或非金屬材料。目前,其增強相已有很多,重要的有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨(碳)纖維、SiC 纖維、SiC 晶須;顆粒型的有 SiC、碳化硼、圖化鈦等;絲狀的有鎢、鈹、硼、鋼等。金屬基復合材料按其增強材料的幾何形態可劃分為以下幾類。


1,連續纖維增強金屬基復合材料

纖維增強金屬基復合材料是利用無機纖維(或晶須)及金屬細線等增強金屬得到質量輕且強度高的材料,纖維直徑從 3~150μm(晶須直徑小于 1μm),縱橫比(長度/直徑)在102以上。在現有的各種類型增強體中,高性能連續纖維具有最明顯的增強效果和更高的強度及剛度。連續纖維增強復合材料具有明顯的各向異性,但連續纖維增強復合材料的復合和加工工藝獨特、復雜、不易掌握和控制,因此該類復合材料的制造成本很高。連續纖維增強金屬基復合材料主要用于較少考慮成本的航天、航空等尖端技術領域。


2,短纖維增強金屬基復合材料

作為金屬基復合材料增強體的短纖可分為天然纖維制品和短切纖維。天然纖維主要是一些植物纖維和菌類纖維索等,長度一般為35~150 mm;短切纖維一般是由連續纖維(長纖維)切割而成,長度1~ 50 mm,用于金屬基復合材料短纖維增強體的材料主要有Saffil-Al2O3、Al2O3-SiO2、SiC 等。短纖維增強金屬基復合材料成本比連續纖維增強金屬基復合材料低得多,與基體合金相比,短纖維增強金屬基復合材料具有較高的比強度、比剛度和高耐磨性,其各向異性要遠遠小于連續纖維增強復合材料。短纖維增強金屬基復合材料中增強體的體積分數一般不超過30%。主要用于汽車行業、電力行業等。


3,晶須增強金屬基復合材料

晶須是指在特定條件下以單晶的形式生長而成的一種高純度纖維,其原子排列高度有序,幾乎不含晶界位錯等晶體結構缺陷,有異乎尋常的力學性能。作為金屬基復合材料的增強體使用的晶須使用做多、性能較好的是 SiC、SiN4 晶須,成本最低的是Al2O·3 B2O3 晶須。與連續纖維增強金屬基復合材料相比,其各向異性極??;與短纖維增強復合材料相比,晶須增強復合材料的性能更高;而晶須在復合材料中的體積分數一般不超過 30%,主要用于航空航天等高新技術領域,如飛機架構、推桿加強筋等。


3,顆粒增強金屬基復合材料

顆粒增強金屬基復合材料是利用顆粒自身的強度,其基體起著把顆粒組合在一起的作用,顆粒平均直徑在1μm 以上,強化相的容積比可達90%。常用作金屬基復合材料增強體的顆粒主要有:SiC、Al2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4 等陶瓷顆粒,以及石墨顆粒、甚至金屬顆粒。顆粒增強金屬基復合材料是各向同性、顆粒價格最低、來源最廣、復合制備工藝多樣、最易成形和加工的復合材料。在各種金屬基 復合材料中,顆粒增強金屬基復合材料的使用范圍最廣,不僅包括航空、航天及尖端軍事領域,還適用于交通運輸工具、微電子、核工業等商業應用。


4,混雜增強金屬復合材料

對上述四種單一的增強形式進行有機的組合就形成了混雜增強。增強體的混雜組合可分為三種:顆粒-短纖維(或晶須)、連續纖維-顆粒、連續纖維-連續纖維。在短纖維或晶須的預制件中,易出現增強 的粘結、團聚現象,顆粒的混入可以解決這一問題。與單一的增強金屬基復合材料相比,可以大幅度提高材料的橫向強度,改善材料的力學性能。


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