文档介绍：金属基复合材料
金属基复合材料(MMCs),基体是延展性很好的金属。这类材料与金属基体相比,可以使用在更高的服役温度。而且,增强可以改善比刚度、比强度、抗磨耗、抗蠕变能力、热导率和尺寸稳定性。与聚合物基复合材料相比,这类材料的优点有:更高的运行温度、不可燃性和巨大的抗有机流体裂解的能力。金属基复合材料比PMCs 要贵的多,因此在一定程度上,它们的应用受到了限制。
超合金以及铝合金、镁、钛和铜也被用做基体材料。增强剂可以是颗粒,也可以是连续和不连续纤维和晶须,浓度范围通常在10~60 vol% 之间。连续纤维材料包括:碳、碳化硅、硼、氧化铝和耐火金属纤维。不连续增强剂主要包括:碳化硅晶须、切断的氧化铝和碳纤维以及碳化硅和氧化铝颗粒。在某种意义上,金属陶瓷也属于MMCs 一类。 列出了几种常见连续和取向纤维-增强金属-基体复合材料的特性。
通常,MMCs 生产过程至少两步:合成(在基体中引入增强剂),然后成型。
目前,一些汽车生产厂家已经引进由氧化铝和碳纤维增强的铝-合金基体构成的发动机部件。这种MMCs 重量轻,抗磨损,抗热扭曲。先进铝合金-金属基复合材料已经用于航空航天结构应用中。硼纤维作为增强剂用于宇宙飞船轨道器;连续碳纤维用于哈勃(Hubble )望远镜。一些超合金(Ni 和Co 基合金)高温蠕变和断裂特性可以通过使用耐火金属(如钨)纤维得到增强,
同时保持了优秀的高温抗氧化性和高冲击强度。使用这类材料设计的涡轮发动机可以允许更高的运行温度和更好的效率。
陶瓷基体复合材料
新一带陶瓷基体复合材料(CMCs)的发展显著的改善了陶瓷的断裂韧性。陶瓷基复合材料是将一种陶瓷材料颗粒、纤维或晶须镶嵌到另一种陶瓷材料基体中。陶瓷基复合材料具有大范围的断裂韧性,断裂韧性的值大约在6~20 MPa 之间。陶瓷材料一般在1~5 MPa。
从本质上,断裂韧性的改善是前进的裂纹与分散相的颗粒之间发生相互作用造成的。裂纹通常始于基体相,而裂纹扩展被增强颗粒、纤维或晶须阻止。
一种很有意义而且很有前途的增韧技术是相变制动裂纹扩展,这称为相变增韧。部分稳定氧化锆小颗粒分散在基体材料内,基体材料经常是Al2O3 和ZrO2 自身。典型情况是CaO, MgO, Y2O3 和CeO 作为稳定剂,部分稳定使得亚稳四方相而不是稳定单斜相保留到大气条件。
扩展裂纹前端的应力场造成亚稳四方相颗粒发生相变形成稳定单斜相,伴随相变,颗粒体积微小增大,结果裂纹尖端附近裂纹表面处在压应力状态,压应力趋向于将裂纹压缩,从而制动了裂纹生长。
其它最新发展的增韧技术涉及到陶瓷晶须的使用,晶须通常是SiC 或Si3N4 晶须。晶须可以阻止裂纹扩展,通过(1)使裂纹尖端偏转;(2)搭桥连通裂纹表面;(3)在拉拔过程中晶须从基体中剥离出来时吸收能量;(4)在裂纹尖端附近区域造成应力重新分布。
一般情况下,增加纤维含量,强度和断裂韧性提高, SiC 晶须增强氧化铝的结果。与未增强对应件相比,晶须增强陶瓷的断裂强度分散性显著减小。此外,CMCs 表现出更高高温抗蠕变行为和抗热震性。
陶瓷基复合材料可以使用热压、热等静压和液相烧结技术生产。在应用方面,SiC 晶须-增强氧化铝用作***切削硬质合金,这类工具的使用寿命远远大于硬质合金。