《金属基复合材》PPT课件.ppt

1,第六章 金属基复合材料,2,第一节 金属基复合材料的种类和基本性能随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高。在结构材料方面，不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。,3,金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。,4,金属基复合材料的这些优良的性能决定了它已从诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。,5,一、金属基复合材料的种类金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按基体来进行、也可按增强体来进行。,6,1按基体分类(1)铝基复合材料(2)镍基复合树树(3)钛基复合材料,7,(1)铝基复合材料这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。,8,在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。,9,(2)镍基复合材料这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。,10,人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。,11,(3)钛基复合材料钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。,12,因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。,13,随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。,14,基体和增强体的热膨胀系数,钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。,15,2.按增强体分类(1)颗粒增强复合材料(2)层状复合材料(3)纤维增强复合材料,16,(1)颗粒增强复合材料这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。,17,此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1um。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。,18,虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但是基体性能也很重要。除此以外，这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。,19,(2)层状复合材料这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。,20,层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。,21,由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。,22,(3)纤维增强复合材料金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。,23,当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。,24,2、金属基复合材料中增强体的性质,虽然各种复合材料中的增强体不同，但它们都具有许多共性。由于纤维状增强物能够最有效地增强金属基体，因此这里将对此进行重点讨论。,25,对纤维状增强体性能的要求如下：(A)高强度。纤维的高强度首先是为了满足复合材料强度的需要，其次还可使整个加工制造过程简单。,26,(B)高模量。对于金属基复合材料而言，这种性能是非常重要的，这是为了使纤维承载时，基体不会发生大的塑性流动。(C)容易制造和价格低廉。如果在重要结构上应用，这个条件对工业生产的要求是十分必要的。,27,(D)化学稳定性好。对所有纤维来说，在空气中的稳定性和对基体材料的稳定性是很重要的。,28,(E)纤维的尺寸和形状。对于采用固相制造法的金属基复合材料，大直径的圆纤维更加合适。由于纤维的表面积小，化学反应也比较小，故借助金属基体的塑性流动，这些纤维很容易和基体结合，,29,(F)性能的再现性与一致性。对于脆性材料或高强度材料，这种要求是非常重要的。由于复合材料的强度取决于纤维的束强度，这种束强度与每个纤维的强度有关。因此，需使各个纤维的强度驱于一致。,30,(G)抗损伤或抗磨损性能。脆性纤维对湿暴露或表而磨损特别敏感，这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。,31,一些增强纤维的典型性能,下表列出了一些重要的增强纤维及其性能,32,从表中可以看到，像“火箭丝”(钢丝)和钨丝等高强度丝，就是由于具有高强度才成为特别有用的增强材料。,33,-玻璃纤维和玻璃纤维具有优良的比强度和低成本，因此可以说是树脂基的最重要的增强纤维。但由于这些纤维模量低且化学性质活泼，所以很少用来增强金属。,34,氧化铝纤维是用从熔体中提拉子晶的方法生产的，这种单晶纤维的典型直径为250um，具有很高的强度。但氧化铝纤维对磨损很敏感，而且很贵。,35,用硼纤维增强铝合金和镁合金时，具有很好的综合性能。用三氯化硼气体通过化学气相沉积法可获得硼纤维，将硼沉积在1200 的钨底丝上。,36,用钨作底丝，主要是由于它的再现性好、强度高、价格低且化学纯度高，但有时也用碳单丝及其它金属丝作底丝。,37,硼纤维具有一系列很突出的优点，它的比模量和比强度高，与固态铝和液态镁的化学相容性好，直径大，再现性好且价格适宜。,38,B4C纤维和SiC纤维已有实验室规模的生产。这种纤维的生产方法与硼纤维十分相似，也是在钨或碳的底丝上用化学气相沉积法生产的。这些沉积物都是结晶体，对表面磨损十分敏感。,39,B4C和SiC纤维的结晶形结构比硼纤维具有更好的抗蠕变性能，因此这些纤维主要作为高温增强材料。,40,石墨纤维或丝束有优良的比模量和比强度。其弹性模量通常与高温石墨化程度有关，一般可达240250GPa。但由于这种纤维和熔融金属有反应，使复合材料加工因维，从而使其作为金属基体的增强体的应用受到限制。,41,3、金属基复合材料的强度由于大多数金属基复合材料均表现出各向异性，所以在各个方向上的强度也不尽相同。以纤维增强金属基复合材料为例，则表现为纵向强度与横向强度的差异。,42,(1)纵向强度材料强度与弹性性能不同，不代表整个测试段上的平均性能，而主要代表局部区的性能。,43,材料强度可以定义为材料发生破坏的最弱横截面上的平均应力。一般情况下，材料强度是指原始横截面积上的应力，而不是瞬断面积上的应力。,44,在静态拉伸应力条件下，判别抗拉强度时，是按原始截面计算的材料试样能够承受的最大张应力或极限张应力。对于高模量的金属基复合材料的断裂，则是由于载荷不断增加，纤维不断断裂，承载能力相继下降从而导致了材料的破坏。,45,复合材料强度同组分性能间的关系可用如下的公式表示：,式中，C*表示复合材料的抗拉强度，即复合材料原始面积上的应力；F为所有纤维上的平均应力；M是基体在断裂时的平均应力；VF和VM是纤维和基体的体积分数。,46,如果没有孔隙及第三相存在，则应有,如果所有纤维的强度相近，剩下的基体在纤维断裂时又不能承受载荷，这时F就等于纤维的平均强度，而M可以认为是在基体应变等于纤维断裂应变时的基体应力。,47,McDaniels等人对此曾用钨丝铜基复合系进行了研究，并将复合材料的强度绘成纤维体积比的函数，如下图所示。,48,高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则,49,从图中可以看出，仅在纤维体积比大于临界纤维体积比VF*时，下列公式才可适用,如果纤维体积比比较低，基体在全部纤维断裂后仍能承受载荷，这与上面的假设不符。,50,上述公式应该采用纤维的有效强度，由于脆性纤维的拉伸强度范围相当大，故有效强度值却不能简单测定。,51,尽管当纤维强度相近时可以采用纤维的平均强度，但对硼这样的脆性纤维，用纤维平均强度并不能很好地预测复合材料的抗拉强度。,52,当弱纤维断裂时，引起三种重要的变化。(A)由于破断纤维失去强度，而使该处截面上的强度降低。(B)破断纤维裂纹周围的静应力集中会降低材料的有效强度。(C)破断纤维失去载荷时产生的动应力波会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力。,53,第一种变化也与基体内的纤维临界载荷传递长度有关。在纤维破断位置上，由于破断纤维失去载荷能力而使材料强度有相应的损失。,54,在临界载荷传递长度以下的纤维段上，纤维承载能力的减少量等于基体剪切应力回传给破断纤维段上的载荷之差。,55,如果载荷传递长度是无限长，则确定这种纤维强度时，或者测试一束纤维的抗拉强度，或者测试每根纤维，然后算出该组纤维所能承受的最大载荷。,56,破断纤维端周围的应力集中效应也会降低复合材料的有效强度。复合材料的一项重要性能即是当裂纹在垂直于外张力载荷的方向上扩展时，会受到纤维基体界面的阻滞。因为基体中裂纹顶端的最大应力值接近于基体的抗拉强度而低于纤维的断裂应力。,57,例如，在硼铝复合材料中，在铝中扩展的裂纹顶端应力可以达到350MPa，而纤维的局部强度接近4.2GPa。因此在这种复合系统中，裂纹顶端周围的应力集中不会导致不稳定的裂纹生长。这种裂纹钝化形式示于下图。,58,复合材料中的裂纹钝化,(a)界面开裂(b)基体剪切变形和开裂,(a),(b),59,而在氧化铝-钛合金系统中，纤维和基体的强度比更接近于2:1，这时裂纹顶端的应力集中会使复合材料严重脆化和降低强度。虽然裂纹顶端本身并没有严重削弱硼-铝复合材料，但局部应力集中是严重的。,60,在纤维破断位置上，由于受到束缚，破断纤维的两端会在基体中产生剪切应力。因基体不能承担破断纤维原来承受的高载荷，这些剪切力主要由最邻近的纤维承担。如果最邻近的纤维没有破坏，则不会有局部应力传到更远的纤维上。,61,附加在未破断纤维上的局部张应力会导致不稳定的裂纹扩展，因为次邻近纤维的破断甚至会产生更大的剪切阻滞力；下图给出了二维阻滞力的示意图。,62,二维裂纹的扩展箭头表示纤维上的剪切应力,63,如果这些力平均分配在最近邻的六根纤维上及平均纤维应力是2.8GPa时，则在纤维断裂时，加给邻近纤维的局部附加张应力就是2.8GPa，或者说每邻近纤维上的附加张应力是0.45GPa。,64,纤维断裂处的附加应力值最大，而在离开断头端的距离等于临界剪切传递长度处，附加应力减小到零。,65,当弱纤维断裂时，复合材料应力状态的第三种变化与由此产生的冲击波有关。金属基复合材料中的断裂通常用声发射检查。动载断裂能主要被试样所吸收，但关于它对复合材料抗拉强度的影响还没有定量的研究。,66,总之，组分性能和复合材料强度之间的关系比弹性模量更为复杂，因为强度和局部材料有关，而不是整个材料的平均常数。虽然对纤维有效强度能预测的复合材料，可以采用混合定则计算复合材料强度。但对含脆性增强纤维的复合材料，这种计算就不很精确了。,67,2横向强度金属基复合材料的横向性能的预测比纵向性能复杂。它通常采用一些假设。,68,在预测横向模量值时，所采用的假设如下：(1)两组元在达到断裂应力前都是线弹性的；(2)界面结合是完好的；(3)纤维排列是规则的。,69,由这些假设可以推导出材料的横向刚度E22和复合材料横向平面泊松比如下：,70,下图为纤维正方排列的复合材料横向模量同基体模量之比是纤维体积比的函数，也是纤维模量对基体模量之比的函数。,71,圆纤维正方排列的复合材料的归一化横向刚度,72,上图表明，金属基体内的增强纤维对横向模量有很大影响。例如，60的硼-铝复合材料的横向模量接近于基体的三倍。,73,这种横向模量的增强作用并不能代表复合材料的横向强度，因为复合材料都在最弱的横截面上破坏。此外，由于基体受到纤维的严重束缚，复合材料的断裂应变比非束缚基体材料的相应值要小得多。,74,、复合材料组分的相容性,由于复合材料包含有两种或两种以上的相，要使组分间具有良好的配合，则这两相间必须具备物理相容性和化学相容性。,75,对金属基复合材料而言，用薄片或纤维增强金属基复合材料的物理相容性问题一般都和压力变化，或热变化时反映材料伸缩性能的材料常数有关。化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的界面结合、界面化学反应以及环境的化学反应等因素有关。,76,所谓物理相容性问题，是指基体应有足够的韧性和强度，从而能够将外部结构载荷均匀地传递到增强物上，而不会有明显的不连续现象。,77,基体和增强体之间的一个非常重要的物理关系是热膨胀系数，因为基体通常是韧性较好的材料，因此最好是基体有较高的热膨胀系数。这是因为膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却时将受到张应力。,78,对于脆性材料的增强物，一般都是抗压强度大于抗拉强度、处于压缩状态比较有利。而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。,79,化学相容性是一个更加复杂的问题。对于原生复合材料，在制造过程中是热力学平衡的。例如，在平衡状态下凝固的共晶复合材料，对于这类晶体，其两相化学势相等，而比表面能效应也最小。,80,如果这种复合材料在偏离制造温度时有明显的相变或浓度变化，就会产生不稳定问题；在人造复合材料中，两相间发生有害反应的化学动力学过程也相当缓慢，一般可以满足相容性要求。,81,对于非平衡态复合材料，化学相容性问题要严重得多。如采用石墨增强纤维时，纤维的浸润和结合都非常困难，在使两相结合方面就会产生问题。还有纤维和环境的化学反应也是加工过程中遇到酌一个严重问题。高强度脆性纤维的有害反应包括应力腐蚀和氧化。热冲击也会使纤维损伤。,82,纤维和基体间的直接反应则是更重要的相容性问题。对于像硼-铝这样的低温金属基复合材料，可以靠尽量降低制造温度来避免两相间的化学反应。,83,对蠕变强度低的基体，采用高压低温工艺也能获得良好的固结和粘合。像硼-镁或钨-铜等复合系，因为两相间不反应，不互镕，因此可以采用熔液渗透法制造。,84,但对于高温复合材料而言，以下的与化学相容性有关的问题则十分重要。(1)F-两相反应的自由能；(2)U-化学势；(3)T-表面能；(4)D-晶界挡散系数；,85,第一个问题 F，不仅对制造过程，而且对高温应用过程都是很重要的。纤维和基体反应的自由能变化代表该反应的驱动力，在高温下该值的大小变得更加重要。设计高温复合材料的材料工作者应该确定所选系统可能发生的反应的自由能变化。,86,化学相容性的第二个问题是关于每个组元中每个元素的化学势。如果各组分相间的化学势不等，常常会导致界面不稳定而使纤维性能下降。例如，欲用氧化铝和镍合金组成复合材料，为防止铝扩散，铝(和氧等)在两相中的化学势必须相等。,87,两相混合物的表面能可能非常高，因而使界面很不稳定。这个问题对晶须增强复合材料是很重要的。而对碳化钨加钴复合系来说，其表面能关系则是有利的。,88,由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合系中两组分相的关系发生很大变化。例如，钨丝增强镍合金中碰到的一个重要问题即是镍向钨晶界扩散，从而导致钨丝再结晶温度下降。,89,另外，还有一些二次扩散效应，如液态金属脆化和氢脆。在复合材料中，如果某一相的间隙氢浓度偏高，便会危及另一相从而会发生氢脆。,90,第二节 铝基复合材料一、铝基复合材料的特点 航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方立方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸的平方增加而重量却随其线尺寸的立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。,91,复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造和应用的基体来克服这些限制。而铝则是被选用最广的基体材料。目前关于硼铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容：(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。(3)改进硼铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。,92,与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量更接近各向同性，而且其非轴向强度也较高。硼铝复合材料的横向抗拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等这就比树脂基材料可能达到的强度要高得多。,93,除上述特点外，硼铝复合材料的其它重要物理性能与机械性能有，高的导电件和导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。而硼铝复合材料的优越性能则为其应用提供了有利的保障。,94,二、硼铝复合材料 作为结构应用来说，选择复合材料组元的主要目标是高比模量和高比强度，硼-铝复合材料因此在研究与发展上受到了很大的重视。,95,1增强纤维 对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。与这些要求有关的纤维主要性能已列于表62中，在表中的每一种纤维与硼纤维相比都各有缺点。,96,玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用但其密度比硼高30、且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤维起剧烈反应。-钛合金Ti-6Al-4V的冷拉丝材和沉淀硬化钢“火箭”丝NS355，内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其应用。,97,硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到11001300并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。目前大量供应的纤维有100um和140um两种直径，有的纤维带有2um厚的碳化硅涂层，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。140um硼纤维的室温密度为255gcm3。由于硼纤维的表面具有高的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意义的特性。,98,此外，硼纤维还具有良好的高温性能，它在600时仍保持75强度，在600和700时的蠕变性能比钨还好。但在500以上暴露于氧气中短时间纤维的强度就会严重受损，在表面涂一层碳化硅正是为了防止这种破坏作用。,99,2基 体 硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金具有良好的综合性能。所谓良好的综合性能是指良好的结合性能，较高的断裂韧性较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较高的强度等。对于高温下使用的复合材料还要求基体具有较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能采用复合蠕变成型技术。,100,目前普遍使用的铝台金有变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全符合硼纤维对金属基体的要求但某些合金已得到了成功的使用，这其中最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。,101,三、铝基复合材料的制造 复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种，第一种是纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。,102,制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。大多数硼铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预制品再经过热压扩散结合。,103,1挥发性粘合剂工艺 这种工艺是一种直接的方法，几乎不需要什么重要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷的硼纤维、铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适当的纤维间距来选择，通常为5075um。,104,所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带：前一种工艺因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足张力控制。,105,第二种纤维排列法是制造连续多丝条带，它要求更完善的设备条件。目前的设备可同时输出600根脆性丝。等离子喷涂的硼铝带用同样的方法制造，只是不喷挥发性粘合剂而在纤维一箔片上喷一层基体铝合金，将纤维和箔片粘在一起。因为选择的等离子喷涂合金与箔基体相同，所以这两种材料都变成基体的一部分。铝合金粉注入到灼热的等离子气流中并在放热区内被熔化。熔融质点打在纤维箔片上并急冷到纤维的反应温度以下。由于纤维周围充满了等离子焰射流中含有的惰性气体，因而能防止纤维氧化。,106,这种工艺的优点是，纤维在缠绕筒上就被基体同定住，因而纤维间距好控制，喷涂条带的耐久性和强度好，以及易于复合粘结。用挥发性粘合剂和等离子喷涂工艺生产的“毛料”预制带还必须经叠片和压合才能做成复合材料：采用挥发性粘合剂方法时，粘合剂必需在热压结之前排除。这一步骤直接在高压焊合之前进行因为在树脂粘合剂挥发之后必须依靠机械作用使纤维和铝箔保持原位。,107,叠片过程包括先把顶制品剪切成一定形状，然后将其铺放在热压模或平压板上。剪切时一般采用比较简单的单片剪切。剪切机可以类似于板金剪切机、剪刀或糕点扣模。假若使用平板热压，通常要将叠层封装在套内，因为控制气氛对防止铝或硼在高温下氧化是很重要的。在平板之间压制的典型封装复合材料的基体均硼纤维各占50(体积比)。,108,若要制造复杂形状的零件，则使用成型模具热压叠层这种叠层可以含有许多复杂形状的单片。层片用滚压剪切的方法切割，其方法与扣制糕点类似，随后将这些层片叠好并在叶形模具中压制。这两种工艺都能用来热压长零件。,109,控制热压条件温度、压力、时间和气氛是非常重要的。否则恶劣的条件会使复合材料强度减低并使铝的扩散结合不好。在使用未涂复的硼纤维时可用的时间温度条件范围很小。然而用促进大范围塑性变形的方法如像疏松的等离子喷涂的压实或像挤压的情况，则热压时间可以大大缩短。若采用的时间相当短，就可选用较高的温度。压力一般要求超过70MPa，为了防止硼的氧化，要在更长的时间内保持氧的分压很低。,110,在硼铝的压合中有下述一些重要的限制：(1)纤维损伤问题限制了时间温度参数。(2)为保证铝的结合和消除孔隙度、时间温度-压力参数必须高于门限值，因为这是一个受蠕变和扩散限制的过程。,111,(3)高压力会增加纤维的断裂c(4)为防止硼氧化要求仔细控制气氛。若硼纤维用碳化硅涂覆，这些限制大多可以放宽或不予考虑，因为在制造过程中可以使用高得多的温度而不会使纤维损伤。,112,在制造复合材料时，在硼和铝合金中还可加入第三种组元以改进一些性能如高温横向性能、抗腐蚀性和韧性等。目前两种最有效的附加物是钛箔和高强度“火箭丝”。因为铝基体同这些第三组元的结合条件与铝本身自结合的参数相同，所以把钛箔或“火箭”丝加到预制品中并结合成复合材料还是比较容易的。这种丝的典型性能是20时抗拉强度为38GPa，500时为28GPa，丝材在500或550的热压过程中不会明显退火。,113,除了上述制造工艺以外，硼铝复合材料的制造还包括电成型、金属粉末成型、铸造和纤维缠绕配合等离子喷涂及烧结等工艺。电成型工艺是先将纤维绕在芯轴上，然后在盛有锂铝氢化物和氯化铝的乙醚槽中电镀铝。此时铝并不在硼纤维上沉积，而是优先在绕线的间隙生长。解决这个问题的一种方法是在沉积基体之前先将纤维镀镍，但这种工艺成本相当高，因此应用受到了限制。,114,在含有硼纤维的金属粉末制造工艺中要求在热压模中放人和模具等长的纤维，并在纤维周围填充一层铝粉。使用这种工艺时遇到的问题有，须保持精确的纤维间距，防止在高纤维体积比时纤维被压碎，以及由于纤维的存在而要求的压力条件下达到良好的基体控制性能。由于存在这些问题，也限制了粉末冶金在这方面的应用。,115,用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样的工艺来制造平板和大直径团环。这种工艺形成的疏松基体很不结实，但可以用随后的烧结或热压加以改善。用这种工艺制造的复合材料的早期试验结果表明，此种硼铝材料具有权好的高温强度和耐疲劳性能。,116,四、铝基复合材料的二次加工 二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁和管等所进行的加工、包括成型、连接机械加工和热处理等工艺过程。,117,1成 型 硼铝复合材料的成型涉及到它的组分强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的应力应变特性，而在高温下具有很高的抗蠕变能力。因为复合材料系列的最高成型温度尚不到600Y，所以如果没有纤维断裂和很高的残余应力，则纤维不会有什么塑性延伸。,118,另一方面，在400Y下很低的应力便可使铝其体产生很大的蠕变变形。纤维对成型工序造成的严重束缚，致使零件的加工制造在很多情况下是在复合材料热压过程中用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。实施成型制造法在树脂基复合材料的制造时也常使用。由于纤维对复合材料的束缚，使得材料的最大轴向断裂延伸率小于1，而蠕变时横向断裂延伸率甚至更小只有高的剪切韧性和高的蠕变延伸率才能使只要求基体剪切的蠕变成型过程顺利进行。,119,2连 接 硼铝复台材料与承载结构的附件的连接是复合材料应用中最重要的工程领域之一。硼铝复合材料的连接技术是基于铝的连接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要得到高剪切强度的基体连接而不使复合材料的机械性能降低。因为铝的连接是一种很成熟的工艺，而且纤维损伤的热力学条件也已知、所以解决这个问题的途径是很明确的。,120,连结工艺包括固态扩散结合、使用钎料的钎焊、不用焊料的铝的熔焊技术和低温钎焊。硼铝与硼铝，或者硼铝与铝板或钛的固态扩散结合工艺，其所要求的技术和设备同前述的复合材料制造上艺基本相同。所获得的高连接强度相当于基体合金的剪切强度。硼铝复合材料的无焊剂炉中钎焊，如果不会使纤维损伤，则可按标准的铝焊工艺进行。标准的工艺是把钎焊箔放入需要连接的零件之间并在接触压力下进行炉中钎焊。,121,铝合金的熔焊用于获得高强度的、抗蚀的韧性连接。在硼铝的熔焊中，须考虑的最主要的问题是纤维的损伤。这就必须把热影响区尽可能限制在最小的范围。标准的技术措施是急速的加热和冷却并使始池的几何形状具有大的深宽比。硼铝熔焊第二个需要考虑的因素是组分之间的残余应力状态。这些连接部位可以进行退火，们对应力引起的变形也应考虑。,122,除了各种焊接方法以外机械固定和胶接也是复合材料的有效连接力法。由于胶合剂的强度比钎焊料低得多，因此连接部位所容许的剪切应力也低得多。机械固定方法的使用要考虑两条主要的限制，承载能力与拔出应力必须按各向异性复合材料确定；为安装固紧件而对复合材料进行机械加工时必须小心，保证不产生明显的损伤。,123,3机械加工 由于硼纤维硬度高(莫氏硬度为9)。硼铝复合材料的机械加工比较困难。然而对单层件来说，板金剪切技术就可以胜任。拉伸试样的加工问题通常采用砂轮切割或电加工的方法来解决。用标准的浸有全刚石的黄铜切割轮可得到良好的切割表而，出于硼冰身的清洁作用，铝不会沾污或损伤具有合适粒度的砂轮。,124,研究表明，剪切和冷冲仅对极薄板材有用，而砂轮切割和磨削则是可用的方法；金刚石切割和金刚石钻孔也是可用的，但刀具磨损过多。使用超声波加工很好，旋转式超声波机床使用浸有金刚石钻芯的钻头在硼铝复合材料上打孔是最有效的钻削方法。对于每种工艺来说其切割表面质量，特别是关系到纤维的压碎或开裂，必须结合切割速率和工具寿命这些价格因素加以权衡比较。,125,4热处理 在硼铝系中，所选择的有些基体合金可进行时效强化。这些合金包括铝铜镁合金2024，铝镁硅台金6061和铝锌合金7178等。因为基体与纤维有强烈的相互作用基体合金的时效硬化对复合材料性能的影响是复杂的，这影响到材料的残余应力状态。但这些合金的标准热处理方法还是可用的。,126,五、机械性能1弹性模量 几乎所有的通用工程机械和结构的设计均使其工作载荷不超过所用材料的弹性范围。弹性模量决定了结构在载荷下的尺寸，在这些用途中，它是相当重要的。用硼一铝复合材料来增强或加固金属结构也取决于对其弹性模量的了解，因为正是组元材料模量的比值决定了结构内部的载荷分配。,127,单向增强硼铝复合材料可以看作是一种正交材料，它在横向上各向同性并具有五个独立的弹件常数。然而，硼铝复合材料经常作薄片使用，这种薄片也是复杂叠层的纳构单元。于是可以把它作为一个处于平面应力状态的正交薄片来对待，因而只需四个独立的弹性常数。这些常数是轴向弹性模量E11、横向弹模量E22，主泊松比12和平面剪切模量G12。组元硼纤维和铝基体的弹性常数见表65。,128,表6-5 硼纤维与铝基体的弹性常数,129,硼铝复合材料的纵向弹性模量E11，可用混合定则公式相当精确地计算即E11=EF.VF+EM.VM式中角注F和M表示纤维和基体，而V表示体积百分比。,130,横向弹性模量的关系较为复杂，但理论计算与实验值符合，图66示出了这两个模量的理论值与实验值的符合情况。弹性模量的各向异性并不大，对于通常使用的50纤维体积比的复合材料来说，纵向与横向模量的比值约为3：2，它们的纵向与横向的比弹性模量大约为最普通用的工程合金的300和200。,131,纵向与横向模量均随温度的增加而下降。复合材料模量的下降主要是由于基体模量的下降所致。如果试样轴相对纤维轴转动，四个独立的弹性常数也将发生相应的变化。,132,纤维体积比，,杨氏模量*1010N/m2,图6-6 硼-6061铝复合材料的纵向和横向弹性模量,133,2强度及应力应变特性 非均质的正交材料，如硼铝复合材料，其强度和全部应力应变特性必然是复杂的；像单的工程材料一样，结构复合材料的最终性能是原材料的性能、成分以及加工和制造过程的结果。然而、由于纤维与基体分布的独立性和各相之间反应热力学的可观察性，使得复合材料这种冶金和结构的体系比以往大多数的工程材料更适于作定量分析的描述。,134,(1)轴向拉伸 硼铝复合材料的轴向拉伸特性取决于增强纤维的性能和复合材料的纤维含量。复合材料轴向强度和断裂应变受纤维性能制约。,135,图6-7为硼铝复合材料的应力应变典型曲线。图中结出了制造状态的(F状态)和热处理状态的两种特性。这两种曲线都有一个初始的直线区域、然后在另一个直线区域之前有个过渡的非线性区域，最后在断裂之前有个非线性区域。这种应力应变曲线不仅反映了硼铝复合构料的特性，而且其它金属基复合材料也有类似的特征。,136,应变*10-3 m/m,应力*107N/m2,图6-7 典型硼铝复合材料的应力应变曲线,137,图68为复合材料的特性与残余应力的作用示意图，它包括含50硼纤维的复合材料的应力应变特性和纤维与基体组元的应力应变特件。在冷却时，基体发生塑性和弹性收缩，而纤维只发生弹性收缩、基体中留下的平均净拉伸残余应力的大小等于纤维中的净压缩残余应力。前述的复合材料应力应变曲线的三个变形阶段分别对应着基体纤维的弹性弹性、塑性屈服弹性和塑性弹性特性。,138,图6-8 基体纤维及复合材料应力 应变曲线图,139,硼铝复合材料具有很高的抗拉强度，这主要是由于增强纤维的抗拉强度高。其它一些因素如基体成分和残余应力则是次要原因。图6-9为复合材料强度与纤维含量的关系。对于一定的纤维类型，复合材料的强度一般随纤维含量的增加而增加。,140,图6-9 复合材料轴向抗拉强度随纤维合量的变化,轴向抗拉强度107N/m2,纤维体积比,141,如果纤维强度的重复性好，发现复合材料的轴向抗拉强度随纤维含量的变化实质上呈线性关系。与线性有较大的偏离通常是由于不同试样之间纤维强度的变化所致。由于复合材料轴向强度与纤维体积比至线性关系，因而可以用混合定则来表尔复合材料强度与纤维强度及基体强度之间的关系其结果与前面类似，这里不再重复。,142,硼铝复合材料轴向抗拉强度还随温度的变化而变化。其结果如图610所示。这种变化主要取决于纤维强度随试验温度的升高而降低，并且也取决于纤维基体发生反应所引起的纤维强度衰退；后一点在温度超过430和时间长于图中数据所用的拉伸试验时间的情况下更为重要。高温轴向强度主要取决于纤维强度这一事实表明，复合材料高温强度的改进主要是靠改进纤维的性能。基体强度的变化和残余应力的松弛也会影响复合材料强度对试验温度的依赖。,143,图6-10 复合材料轴抗拉强度随试验温度的变化,试验温度，,轴向抗拉强度107N/m2,144,(2)横向拉伸 在构件中所用的硼铝复合材料的横向拉伸性能是重要的考虑因素。在多数情况下50纤维增强复合材料的横向抗拉强度只有轴向抗拉强度的1015，而横向弹性模量约为轴向模量的60。这样大的各向异性是采用多向复合增强的大要原因。复合材料的横向性能对基体和纤维两者的性能都是敏感的。,145,所有硼铝复合材料的横向拉伸特性可以根据断口的形貌分为三种常见的类型。第类复合材料断裂的特征是断口全为基体破裂，第二类断口则同时合有基体破裂和纵向纤维劈裂，第三类断口的典型情况是基体破裂和纤维基体界面破裂。,146,对于第三类断裂这里不作进一步讨论，因为对于结合良好的硼铝材料而言并不典型。当复合材料承受横向拉伸载荷时是发生第一类还是第二类复合材料断裂主要取决于基体和纤维的相对强度。两类复合材料特性的典型应力应变曲线示于图611。150um硼增强铝的断裂主要是由于基体的破裂，代表着第一种类型的特性。100um硼增强铝复合材料则代表着第二种断型类型的特征。,147,图6-11 25Y下硼增强铝横面拉伸应力应变曲线,应力107N/m2,应变，m/m,148,复合材料横向抗拉强度与基体强度和纤维种类的关系示于图612中。含有150um硼纤维的复合材料的强度随基体强度的增加而连续增加。复合材料强度与基体强度接近相等。应当说明的是为提高基体强度而进行的复合材料热处理对于提高复合材料横向强度非常有效。所有的150um硼增强铝复合材料，其断口主要呈基体破裂。,149,图612 横向抗拉强度与基体强度和纤维种类的关系,复合材料横向抗拉强度107N/m2,基体抗拉强度107N/m2,