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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-07-10 14:41
01概述
金屬基復(fù)合材料是以第二相為增強(qiáng)材料，金屬或合金為基體材料制備而成的復(fù)合材料。
02 特點(diǎn)
高比強(qiáng)度、高比模量
導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能
熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定好
良好地高溫性能
耐磨性好
疲勞性能和斷裂韌度好
性能再現(xiàn)性及可加工性好
不吸潮、不老化、氣密性好
03 增強(qiáng)體材料
用于金屬基復(fù)合材料的典型增強(qiáng)體
04 增強(qiáng)體特性
作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體應(yīng)具有以下基本特性：
能明顯提高金屬基某種所需特性的性能
如高的比強(qiáng)度、比模量、高導(dǎo)熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等。
良好地化學(xué)穩(wěn)定性
在金屬基復(fù)合材料制備和使用過程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯地變化和退化，與金屬基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。
與金屬有良好地潤濕性
通過表面處理能與金屬基體良好潤濕、復(fù)合和分布均勻。
05 增強(qiáng)體基本物性參數(shù)
典型顆粒物增強(qiáng)體的物性參數(shù)
典型晶須增強(qiáng)體的物性參數(shù)
典型纖維增強(qiáng)體的物性參數(shù)
06 增強(qiáng)體其他性質(zhì)
新一代電子封裝材料的研發(fā)主要以高熱導(dǎo)率的碳納米管。金剛石。高定向熱解石墨作為增強(qiáng)相，可忘獲得高導(dǎo)熱、低膨脹、低密度的理想電子封裝材料。
材料熱管理性能的比較應(yīng)用
（CTE-低熱膨脹系數(shù)）
用于熱沉的金屬基復(fù)合材料的性能
|
代數(shù) |
增強(qiáng)體 |
基體 |
導(dǎo)熱系數(shù) |
線膨脹系數(shù) |
密度 |
|
W/mK |
ppm/K |
g/cm3 |
|||
|
第 1 代 |
Cu |
W |
160~190 |
5.7~8.3 |
15~17 |
|
Cu |
Mo |
180~200 |
7.0~7.1 |
9.9~10 |
|
|
第 2 代 |
SiC顆粒 |
Al |
240 |
7~9 |
2.9~3.1 |
|
非連續(xù)碳纖維 |
銅 |
xy:300 z:200 |
6.5~9.5 |
6.8 |
|
|
SiC顆粒 |
Cu |
320 |
7.0~10.9 |
6.6 |
|
|
碳泡沫 |
Cu |
350 |
7.4 |
5.7 |
|
|
第 3 代 |
長碳纖維 |
Cu |
xy:400~420 z:200 |
0.5~16 |
5.3~8.2 |
|
石墨薄片 |
Al |
xy:400~600 z:80~110 |
4.5~5.0 |
2.3 |
|
|
金剛石 顆粒 |
Al |
550~600 |
7.0~7.5 |
3.1 |
|
|
金剛石+SiC 顆粒 |
Al |
575 |
5.5 |
- |
|
|
金剛石 顆粒 |
Cu |
600 |
5.8 |
5.9 |
|
|
金剛石 顆粒 |
Al |
400~600 |
5.8 |
5.8 |
|
|
金剛石 顆粒 |
Mg |
550 |
8 |
- |
07 金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思路
金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一體化模擬設(shè)計(jì)與制造流程
08 金屬基體的選擇原則
金屬基復(fù)合材料構(gòu)（零）件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。
金屬基復(fù)合材料有連續(xù)增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，由于增強(qiáng)物的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)制的不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。
在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性。
對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料，基體的強(qiáng)度對(duì)非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有決定的影響。
在金屬基復(fù)合材料制備過程中金屬基體與增強(qiáng)物在高溫復(fù)合過程中會(huì)發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)，基體金屬中往住含有不同類型的合金元素，這些合金元素與增強(qiáng)物的反應(yīng)程度不同，反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同，需在選用基體合金成分時(shí)充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)物浸潤復(fù)合，又有利于形成合適穩(wěn)定的界面的合金元素。
金屬基材料的選材要求
|
應(yīng)用 |
要求 |
金屬基體 |
|
航天航空 |
高比強(qiáng)度、高比模量、尺寸穩(wěn)定性 |
Al、Ti |
|
高性能發(fā)動(dòng)機(jī) |
高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫性能 |
Ti、Ni、金屬間化合物 |
|
汽車發(fā)動(dòng)機(jī) |
耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、高溫強(qiáng)度、低成本 |
鋁合金 |
|
集成電路 |
高導(dǎo)熱、低熱膨脹 |
Ag、Cu、Al (石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒) |
|
航天及汽車 零件 |
< 450℃ |
Al合金、Mg合金 |
|
航空發(fā)動(dòng)機(jī) 零件 |
450℃~700℃ |
Ti合金 |
|
燃?xì)廨啓C(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片 |
>1000℃ |
Fe、Ni、金屬間化合物 |
09 金屬基復(fù)合材料制造的關(guān)鍵性技術(shù)
|
關(guān)鍵問題 |
解決辦法 |
|
加工溫度高 |
盡量縮短高溫加工時(shí)間，使增強(qiáng)材料與基體界面反應(yīng)時(shí)間降低至最低程度； 通過提高工作壓力使增強(qiáng)材料與基體浸潤速度加快； 采用擴(kuò)散粘接法可有效地控制溫度并縮短時(shí)間 |
|
增強(qiáng)體與基體浸潤性差 |
加入合金元素，優(yōu)化基體組分，改善基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤性，常用的合金元素有：鈦、鋯，鈮、鈰等； 對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理，涂敷一層可抑制界面反應(yīng)的涂層，可有效改善其浸潤性，表面涂層涂覆方法較多，如化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，溶膠－ 凝膠和電鍍或化學(xué)鍍等。 |
|
增強(qiáng)材料在基體中的均勻分布 |
對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，使其浸漬基體速度加快； 加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪馗纳苹w的分散性； 施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ蛊浞稚⑿栽龃蟆?/span> |
10 金屬基復(fù)合材料制備工藝
11 金屬基復(fù)合材料工藝與選材
|
類別 |
工藝 |
適用體系 |
|
|
增強(qiáng)體 |
基體 |
||
|
固態(tài)法 |
粉末冶金法 |
SiC、Al2O3、BC （顆粒、晶須、短纖維） |
Al、Cu、Ti |
|
熱壓法 |
B、SiC、C（Gr）、W |
Al、Cu、Ti、耐熱合金 |
|
|
熱等靜壓 |
B、SiC、W |
Al、Ti、超合金 |
|
|
擠壓+拉拔軋制法 |
- |
Al |
|
|
液態(tài)法 |
擠壓鑄造法 |
SiCp、Al2O3、C （顆粒、晶須、短纖維） |
Al、Cu、Zn、Mg |
|
真空壓力滲透法 |
纖維、晶須、顆粒 |
Al、Cu、Ti、Mg |
|
|
攪拌法 |
顆粒、短纖維 |
Al、Zn、Mg |
|
|
共沉積法 |
SiCp、Al2O3、TiC、B4C等顆粒 |
Al、Ni、Fe |
|
|
真空鑄造法 |
C、Al2O3連續(xù)纖維 |
Mg、Al |
|
|
原位復(fù)合法 |
反應(yīng)自生法 |
|
Al、Ti |
|
其他 |
電鍍、化學(xué)鍍 |
SiCp、Al2O3、B4C等顆粒、碳纖維 |
Ni、Cu |
|
噴涂法 |
熱噴涂法 |
SiCp、TiC顆粒 |
Ni、Fe |
12 金屬基復(fù)合材料制備工藝流程
粉末冶金法工藝流程圖
成品：SiCp/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等金屬基復(fù)合材料零部件、板材或錠坯等
熱壓法工藝流程圖
成品：鎢絲－超合金、鎢絲－銅
熱等靜壓法工藝流程圖
成品：B/Al、SiC/Ti 管材
真空壓力浸漬技術(shù)的工藝流程圖
成品C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCW+SiCp/Al 等復(fù)合材料零部件、板材、錠坯等
擠壓鑄造工藝流程圖
成品：SiCp/Al、SiCW/Al、C/Al、C/Mg、Al2O3/Al、SiO2/Al 等復(fù)合材料及其零部件、板材和錠坯等。
共噴沉積工藝流程圖
可用于鋁、銅、鎳、鈷等有色金屬基體，也可用于鐵、金屬間化合物基體；可加入SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等多種顆粒；產(chǎn)品可以是圓棒、圓錠、板帶、管材等
自蔓延高溫合成法工藝流程圖
成品：AlB12/Ti、Al2O3-TiAl3/Al等鋁基復(fù)合材料
放熱彌散法法工藝流程圖
成品：TiC/A1、TiB2/Al、TiB2/Al-Li 等鋁基復(fù)合材料
13 金屬基復(fù)合材料的界面
機(jī)械結(jié)合：由粗糙的增強(qiáng)物表面及基體的收縮產(chǎn)生的摩擦力完成；
溶解和潤濕結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解；
反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物面產(chǎn)生的一種結(jié)合形式；
交換反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間通過擴(kuò)散發(fā)生元素交換的一種結(jié)合形式；
混合結(jié)合：多種結(jié)合方式組合。
14 金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用
MMCs市場可細(xì)分為陸上運(yùn)輸、電子/熱控、航空航天、工業(yè)、消費(fèi)產(chǎn)品等5個(gè)部分。
金屬基復(fù)合材料全球市場
陸上運(yùn)輸領(lǐng)域
對(duì)于成本極端計(jì)較的汽車市場，唯一能接受的只有鋁基MMCs。MMCs主要用于耐熱耐磨的發(fā)動(dòng)機(jī)和剎車部分（如活塞、缸套、剎車盤和剎車鼓），或用于需要高強(qiáng)度模量運(yùn)動(dòng)部件（如驅(qū)動(dòng)軸、連桿）。
在陸上運(yùn)輸領(lǐng)域消耗的MMCs中驅(qū)動(dòng)軸的用量超過50%，汽車和列車剎車件的用量超過30%。
汽車剎車鼓和剎車碟(a)
火車轉(zhuǎn)向架及剎車盤（b）
電子/熱控領(lǐng)域
如果以產(chǎn)值排序，高產(chǎn)品附加值的電子/熱控領(lǐng)域是第一大MMCs市場，產(chǎn)值比例超過60%。
以SiCp/Al復(fù)合材料為代表的第二代熱管理材料主要用作微處理器蓋板/熱沉、倒裝焊蓋板、微波及光電器件外殼/基座、高功率襯底、IGBT基板、柱狀散熱鰭片等。其中，無線通訊與雷達(dá)系統(tǒng)中的視頻與微波器件封裝構(gòu)成其最大的應(yīng)用領(lǐng)域，其第二大應(yīng)用領(lǐng)域則是高端微處理器的各種熱管理組件。
SiCp/Al 微處理器蓋板（a）
SiCp/Al 光電封裝基座（b）
航空航天領(lǐng)域
航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最多的是鋁基和鈦基復(fù)合材料。
鋁基MMCs應(yīng)用包括風(fēng)扇導(dǎo)向葉片、武器掛架、液壓系統(tǒng)分路閥箱等，SiC鋁基MMCs應(yīng)用于波導(dǎo)天線、支撐框架及配件、熱沉等。
鈦基MMCs應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的接力器活塞。
F-16的腹鰭采用金屬基復(fù)合材料
其他領(lǐng)域
|
序號(hào) |
MMCs材料 |
應(yīng)用 |
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1 |
Cu基、Ag基 |
電觸頭材料 |
|
2 |
TiC增強(qiáng)鐵基 |
耐磨材料、高溫結(jié)構(gòu)材料 |
|
3 |
Saffil纖維增強(qiáng)鋁基 |
輸電線纜 |
|
4 |
B4C增強(qiáng)鋁基 |
中子吸收材料 |
|
5 |
… |
… |
B4Cp/Al MMCs用于廢核燃料貯存
貯存水池（（a），貯存桶（b）
輸電線路用金屬基復(fù)合材料
15 金屬基復(fù)合材料研究前沿
金屬基復(fù)合材料的性能不僅取決于基體和增強(qiáng)體的種類和配比，更取決于增強(qiáng)體在基體中的空間配置模式（形狀、尺寸、連接形式和對(duì)稱性）。從中間或介觀尺度上人為調(diào)控的有序非均勻分布更有利于發(fā)揮設(shè)計(jì)自己有毒，從而進(jìn)一步發(fā)掘MMCs的性能潛力、實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的最優(yōu)配置。
多元/多尺度MMCs
通過引入不同種類、不同形態(tài)、不同尺度的增強(qiáng)相，利用多遠(yuǎn)增強(qiáng)體本身物性參數(shù)不同，通過相與相、以及相界面與界面之間的耦合作用，呈現(xiàn)出比單一增強(qiáng)相復(fù)合條件下更好的優(yōu)越性能。
微結(jié)構(gòu)韌化MMCs
通過將非連續(xù)增強(qiáng)MMCs分化區(qū)隔為增強(qiáng)體顆粒富集區(qū)（脆性）和一定數(shù)量、一定尺寸、不含增強(qiáng)體基體區(qū)（韌性），這些純基體區(qū)域作為韌化相將會(huì)具有阻止裂紋擴(kuò)展，吸收能力的作用，從而使MMCs的損傷容限得到提高。
層狀MMCs
受自然生物疊層結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)、韌最佳配合的啟發(fā)，韌脆交替的微疊層MMCs研究受到關(guān)注。通過微疊層來補(bǔ)償單層材料內(nèi)在性能的不足，以滿足各種各樣的特殊應(yīng)用需求，如耐高溫材料、硬度材料、熱障涂層材料等。
泡沫MMCs
多孔金屬泡沫具有多孔、減振、阻尼、吸音、散熱、吸收熱沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能，可通過對(duì)其引入粘彈性體、吸波涂料等功能組分達(dá)到多功能化的需求。
雙連續(xù)/互穿網(wǎng)絡(luò)MMCs
雙連續(xù)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使增強(qiáng)體在基體合金中稱為連續(xù)的三維骨架結(jié)構(gòu)，可更有效地發(fā)揮陶瓷增強(qiáng)體的剛度、低膨脹等特性。
16 標(biāo)準(zhǔn)
目前我們MMCs的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺失，MMCs的標(biāo)準(zhǔn)化工作大大落后于美國、日本等發(fā)達(dá)國家，也滯后于我國MMCs技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
|
序號(hào) |
標(biāo)準(zhǔn)號(hào) |
標(biāo)準(zhǔn)名稱 |
國家 |
|
1 |
ISO-TTA 2-1997 |
Tensile tests for discontinuously reinforced metal matrix composites ambient temperatures |
ISO |
|
2 |
ASTM B976-2011 |
Standard Specification for Fiber Reinforced Alumium Matrix Composite core wire for Aluminum conductors composite reinforced |
美國 |
|
3 |
ASTM D 3553-96R07 |
Standard Test Method for tensile properties of fiber reinforced metal matrix composites |
美國 |
|
4 |
ASTM D 3552-1996 |
Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Reinforced Metal Matrix Composites |
美國 |
|
5 |
JIS H7006-1991 |
金屬基質(zhì)復(fù)合材料的術(shù)語匯編 |
日本 |
|
6 |
JIS H7401-1993 |
金屬基復(fù)合材料中纖維的體積百分率的試驗(yàn)方法 |
日本 |
|
7 |
JIS H7407-1995 |
纖維增強(qiáng)金屬壓縮性能的試驗(yàn)方法 |
日本 |
|
8 |
G/JB 5443-2005 |
高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒/鋁基復(fù)合材料規(guī)范 |
中國 |
|
9 |
G/JB 5975-2007 |
碳化硅顆粒增強(qiáng)鑄造鋁基復(fù)合材料規(guī)范 |
中國 |
|
10 |
HB 7616-1998 |
纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料層板拉伸性能試驗(yàn)方法 |
中國 |
|
11 |
HB 7617-1998 |
纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料層板彎曲性能試驗(yàn)方法 |
中國 |
|
12 |
GB/T 34558-2017 |
金屬基復(fù)合材料術(shù)語 |
中國 |
|
13 |
GB/T 32498-2016 |
金屬基復(fù)合材料 拉伸試驗(yàn) 室溫試驗(yàn)方法 |
中國 |
|
14 |
GB/T 32496-2016 |
金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體體積含量試驗(yàn)方法圖像分析法 |
中國 |
|
15 |
GB/T 34556-2017 |
鋁基復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)方法 |
中國 |
|
16 |
GB/T 35096-2018 |
SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 鍛材 |
中國 |
|
17 |
GB/T 30599-2014 |
原位顆粒增強(qiáng)ZL101A合金基復(fù)合材料 |
中國 |
來源：材易通
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