金属基导电复合材料的研究.ppt

一、金属基导电复合材料,金属基复合材料特点： 用纤维、颗粒、晶须增强的金属、合金或金属间化合物，是当前复合材料研究开发的重要领域，80年代以来发展快速。 树脂基复合材料由于本身的特性通常只能在350以下使用。金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量和低膨胀系数的特点外，它能耐3001200的温度，同时还具有不燃性、高的导电性和导热性、不放气、不吸湿和耐老化等性能。,若与传统的金属材料相比，金属基复合材料重量轻、强度和刚度高、耐磨损。但金属基复合材料造价较高，有些制备工艺较为复杂。金属基复合材料分为纤维增强型（包括短纤维和毡）、颗粒和晶须增强型、定向凝固共晶型和层状型（交替叠层型）。 主流,1、纤维增强金属基复合材料,由纤维增强的金属、合金或金属间化合物。它是在50年代末开始研究和发展起来的一种金属基复合材料。在纤维增强金属基复合材料中常用的增强基有：硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、钨丝、钼丝、钢丝等。常用的基体有：铝、镁、钛、铜、铅及其合金与高温合金。其中以铝基复合材料的研究与发展最为迅速，技术比较成熟，应用也较广泛。,纤维增强金属基复合材料的性能取决于纤维和基体金属的类型和性能，纤维的含量与分布、纤维与基体金属间界面的结构和性能，以及制备工艺过程。纤维增强金属基复合材料的制备工艺与性能列于表5-9中。,各种纤维增强金属基复合材料具有不同的综合性能，用于不同的领域。 铝镁和镁基复合材料主要用于航天、航空领域作为高性能的结构材料。 钛基和高温合金基复合材料主要用于发动机零件。 铜、铅、基复合材料主要用于电子和能源领域，作为特殊的导体和电极材料。,碳（石墨）/铝、碳（石墨）/镁复合材料具有高的比强度和比模量，又具有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，已成功的用于人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜和照相机的镜筒、红外反射镜、人造卫星抛物面天线等。,硼/铝复合材料是应用最早的纤维增强金属基复合材料，具有很高的比强度和比模量，可作主承力构间。硼/铝复合材料管柱用于航天飞机机舱框架结构，243根硼/铝组成的航天飞机机舱框架结构比用铝制重量减轻44%。硼/铝复合材料也用于航天和先进武器系统，例如做成B1飞机的垂直尾翼、发动机风扇叶片、导弹构件，还用于核能装置和核燃料的储运设备等。,钨丝增强高温合金、钨丝增强铜、碳化硅纤维增强Ti3Al、TiAl、Ni3Al等金属间化合物在燃气轮机耐热零件、火箭发动机发面的运用是金属基复合材料研究的重要方向之一。这些高温金属基复合材料具有良好的高温强度、抗蠕变性、抗冲击、耐热疲劳等性能，用作燃气轮机叶片、转动轴等高温零件，能明显提高发动机的效率。纤维增强金属基复合材料，由于具有良好的导热、导电性能和低的热膨胀系数，在电子工业中用作大功率大规模集成电路元件基板，热膨胀系数与硅材料相当，可避免热应力造成的硅片损伤和器件失效，提高集成电路元件的可靠性。,碳/铜复合材料具有优良的导电性和耐烧蚀性，做成的单级惯性电极电刷课通过1000A/cm2的大电流，在粒子束武器中有重要作用。碳/铅复合材料可用作核潜艇大型蓄电池极板。,纤维增强金属基复合材料在汽车、体育、纺织等工业中应用也正在迅速发展。特别是在汽车工业中用纤维增强金属基复合材料在内燃机活塞、连杆、活塞销等发动机零件，有效地减轻云固定部件的重量，提高发动机的效率和使用寿命。用氧化铝、硅酸铝纤维增强的铝活塞是金属基复合材料在民用工业中应用最成功的实例。由于在铝合金中加入氧化铝短纤维而有效地提高了合金的高温强度。耐磨性和减少热膨胀系数，使发动机效率提高5%，寿命提高5倍以上。,2、颗粒增强金属基复合材料,定义：以一种或多种金属、非金属或陶瓷的颗粒作增强体，弥散于金属基体中所制成的一种金属基复合材料。 特点：制备工艺比较容易，成本低，并可用热压、热挤压、热轧等常规热加工工艺加工成型，增强相在基体内弥散分布具有各向同性，适于复杂应力状态下使用。,、基体材料 基体材料是金属基复合材料的主要组成部分，起固结增强颗粒、传递和承受各种载荷的作用。金属基体材料的性能对所制备的金属基复合材料的性能起着非常重要的作用，其密度、强度、塑性、耐蚀耐热性能、导电导热性能等均影响复合材料的整体性能。,、增强颗粒 增强颗粒也是金属基复合材料的重要组成部分之一，其作用是提高金属基体的强度、刚度、耐磨损等性能。随着颗粒增强复合材料的发展，新的增强颗粒不断现。 在了解各种增强颗粒的性能、结构的基础上，根据如下所述的原则选定增强颗粒： 最主要,颗粒的硬度、刚度要高，用于增强复合材料耐磨损耐冲击性能。根据 Richardon 1的观点，要提高耐磨材料的耐磨性，必须设法使材料表面硬度 Hu 与磨料硬度 Ha 的比值超过转折点，即 Hu / Ha 0.8。 增强颗粒与基体材料的高温润湿性应尽可能好一些，根据颗粒间的毛细作用原理2，润湿角越小，铸渗深度越大，铁液的渗透能力越强，均越有利于形成结合致密、没有气孔和裂纹的优质复合材料。,增强颗粒应具有良好的化学稳定性，在复合材料的制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化或退化。 增强颗粒的粒度要适宜，太大或太小都有可能产生不利影响。颗粒粒度太大，影响铸件尺寸精度和表面光洁度； 颗粒粒度太小，比表面积大会导致溶解严重下降而降低颗粒体积含量3颗粒的增强效果，也不利于形成复合良好、表面完整的复合材料。,、界面 复合材料的性能受界面结合状况的影响很大，界面结合主要取决于金属基与陶瓷增强相之间的化学结合和晶格匹配4。化学结合与晶格匹配越好，界面能越低，润湿性越好，在不产生脆性界面相的条件下，复合材料的力学性能越好。,颗粒增强铝基复合材料是比较成熟的金属基复合材料。其中碳化硅颗粒增强铝基复合材料，由于碳化硅颗粒与铝偶良好的界面结合强度，铝基经碳化硅颗粒增强后能显著提高弹性模量、抗拉强度、高温强度和耐磨性，采用常规粉末冶金法或铸造法即可制备，它是当前金属基复合材料中应用最广、最早能实现大规模产业化的品种。,碳化硅颗粒增强铝的密度仅为钢的1/3，为钛合金的2/3而与铝合金相近。它的强度比中碳钢好，与钛合金相近而比铝合金略高。模量略高于钛合金比铝合金搞很多。其价格与铝合金大致相当，而仅为钛合金的1/5。目前已经小批量用于汽车工业和机械工业中。可应用于火箭和导弹构件、红外及激光制导系统构件、超轻空间望远镜、精密航空电子器件封装材料、坦克履带板等。,3、晶须增强金属基复合材料,定义：以晶须为增强体，以金属为基体所形成的一种金属基复合材料。 （晶须： 性能特点：充分利用基体的强韧性和晶须的高强度、高耐热性、高耐磨性、高绝缘性能，使其具有传统金属材料所无法比拟的优异性能。晶须的制备工艺复杂，成本极高，大大限制了其应用领域5-7。,制备特点：可以进行二次加工，一般采用热挤压、热轧制和热旋压等方法。 二次加工可以消除复合材料中的孔洞，提高晶须分布的 均匀性，从而能提高强度并明显改善材料的塑性。 近年来，为了获得具有优异力学性能，且成本较低的晶须，国内外重点开展了硼酸盐晶须的制备及其在镁、铝基等复合材料中的应用研究7。晶须增强金属基复合材料已经在航太航空、汽车、体育器械及纺织等部门得到应用。,4、定向凝固共晶复合材料,定义：是一种自生纤维（或片层）增强的金属基复合材料。它的纤维或片层是合金熔炼体定向凝固时和基体同时生长的。 特点：a、它是由结晶所获，两相间界面结合较强。 b、它是在高温下接近平衡条件下缓慢生长而成，两相间处于化学平衡状态，相界面试保持半共格的低能界面8,所以在高温下比较稳定，能保持其结构和性能。,C、纤维分布比较均匀。 d、可避免由于物理压制过程中对纤维的损伤。 应用：1960年定向凝固技术开始用于制备复合材料，采用定向凝固法能生产出具有特殊物理性能和力学性能的金属基复合材料。定向共晶复合材料的两相具有不同的电、磁、热等物理性能以及由规则排列引起的各向异性，是这类材料可用作电磁材料、电子材料等。,80年代定向凝固共晶合金出现了咦NiAl、 Ni3Al为基体的新型合金。同时，用NbC、TaC纤维强化的定向共晶高温合金已逐步向实用化阶段过渡。1977年，美国成功地进行了NiTaCl3定向共晶合金制造的低压涡轮实心叶片发动机刹车，80年代后期，美国有采用NiTaCl4B定向共晶合金制作高压涡轮空心冷却叶片。因而，定性凝固共晶复合材料具有潜力，有待于进一步研究开发。,5、层状金属基复合材料,定义：在金属基体外包覆以金属、聚合物或陶瓷而制成的材料，又称交替叠层型金属复合材料。 层状金属基复合材料的使用历史悠久，在古代就已使用钢材和铁制成利而韧的刀剑。应用最多的是金属/金属层状材料，表5-10中列有各种金属材料的肯能组合。,制备：层状金属基复合材料的制备方法有涂饰法和包覆法。 涂饰法是将第二种组分材料覆盖在金属基体上并形成一层连续的薄膜，通常使用的方法有电镀、热浸、喷涂和化学气相沉淀等。 包覆法是将熔化的材料或固体材料黏结在金属基表面，采用的方法有轧制、热压、铸造、挤压、爆炸复合、钎焊和焊接等。,应用：层状金属基复合材料在现代工业中应用十分广泛，如下所述。 在航空工业中用作飞机蒙的铝包覆硬铝（称三夹板），其中间层铝合金提供所需的高力学性能，两层纯铝外层具有稳定的耐腐蚀性能，保护了不耐腐蚀的铝合金。,钛、钽有优异的耐蚀性能，被用于化工设备，但由于钛和钽的价格是不锈钢的数倍，而使其应用受到限制。用轧合法或爆炸复合法将钛包覆在钢板上制成钛包钢复合板，或将钽包覆在铜板上制成钽包铜复板。这种复合板的包覆层提供了优异的耐蚀性能，基体金属提供了足够的力学性能，又能大幅度降低成本。,轻型汽车轴瓦使用的铝基钢带是由纯铝带、铝合金带、纯铝带三层金属冷轧复合，然后再与钢带冷轧而成的金属复合带。这种层状铝基钢带中的钢背能够给轴瓦提供足够的强度与刚度，既弥补了铝合金的不足，又能充分发挥铝合金轴瓦的固有性能。,美国除了纪念硬币外的大小硬币都是用层状金属基复合材料制成的。这种材料是由铜层和外包两层较薄的铜镍合金（75%铜和25%镍）组成，其体积比例为：1/6:4/6:1/6。外层铜镍合金提供了所需的外观、耐磨损和耐蚀性能，内层铜保证了所要求的密度。,许多接点材料是由银、铂、铂族金属包覆钢、青铜或镍而制成的。恒温元件由两层或多层膨胀系数不同的组份制成，温度变化时材料的曲率也随之变化。高膨胀组分有黄铜、蒙乃尔合金、奥氏体镍-铬-铁和镍-锰-铁、镍-钼-铁合金和镁-镍-铜合金等。低膨胀组分有镍-铁合金（即因瓦恒范镍钢）。,近年来，国家确定优先发展：复合材料制备工艺及其成套设备。 近期产业的重点是：建设铝-不锈钢、铝-钢、钛-钢、铜-钢带液-固相复合工艺生产，钢-不锈钢复合产线；开发颗粒增强铝基复合材料规模化生产技术、半固态成型技术、连续包覆复合高速钢材料及制品，并实现产业化。,1T W 克莱因，P J 威瑟斯著 （ 余永宁，房志刚译） 金属基复合材料导论M 北京： 冶金工业出版社，1996： 6，278-280. 2王恩泽 铸渗法制备颗粒增强耐热钢基表面复合材料的研究D 西安： 西安交通大学，1998 3 王华明 铸件表面复合合金层组织与性能的研究D 西安：西安交通大学，1986 4 K Sugknuma Ann Rer MaterJ Sci，1988，（ 18） ： 47-73,5Suganuma K, Fujita T, Suzuki N, et al Aluminum composites reinforce