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* * 金属基复合材料 江苏大学 材料科学与工程学院 第1章 绪 论 本课程的教学安排 1.1 复合材料定义与分类 1.2 金属基复合材料概述 1.3 金属基复合材料的性能特点 课程回顾 思考题 1、金属基复合材料的性能有什么特点？ 2、请举例说明采用哪些措施可以拓展铝基复合材料的应用范围。 第2章 增强体材料 2.1 增强体的分类 2.2 纤维类增强体 2.3 晶须及颗粒类增强体 2.4 金属丝 2.5 其它增强体 增强体是金属基复合材料的重要组成部分，它起着提高金属基体的强度、模量、耐热、耐磨等性能的作用，主要有高性能连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒、金属丝等。 图2-1 各种增强体的力学性能比较 高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能。 在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化，与金属基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面反应。 与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，基体良好复合和分布均匀。此外，增强体的成本也是应考虑的一个重要因素。 能明显提高金属基 体某种所需特性 具有良好的化学稳定性 有良好的浸润性 增强体的基本特性 2.1 增强体的分类 2.1.1 纤维类增强体 纤维类增强物有连续长纤维和短纤维。 2.1.2 颗粒类增强体 颗粒增强体分外加和内生两种，一般是具有高强度、高模量、耐热、耐磨性好、而高温的陶瓷、石墨等非金属颗粒 2.1.3 晶须类增强体 晶须是在人工条件下生长出来的细小单晶。由于细小组织结构缺陷少，具有很高的强度和模量。 2.1.4 其它增强体 用于金属基复合材料的高强度、高模量金属丝增强物主要有铁丝、高强度钢丝、不锈钢丝和钨丝等。 2.2 纤维增强体 2.2.1 碳纤维 碳纤维是一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维，实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯腈纤维制成。 2.2.1.1 碳纤维的分类 按力学 性能 超高模量（UHM）碳纤维 超高强度（UHS）碳纤维 高强度（HS）碳纤维 高模量（HM）碳纤维 按原 材料 PAN 碳纤维 人造丝碳纤维 沥青碳纤维 按用途 24 K 以下为宇航级小丝束碳纤维 （1 K为1 000根单丝） 48 K 以上为工业级大丝束碳纤维 1. 强度高。其抗拉强度在3500MPa 以上。 2. 模量高。其弹性模量在230GPa 以上。 3. 密度小，比强度高。 7. 热膨胀系数小，导热系数大。 6. 耐酸性能好。 5. 耐低温性能好。 4. 能耐超高温。 2.2.1.2 碳纤维主要性能 8. 防原子辐射，能使中子减速。 9. 导电性能好（5～17μΩm）。 10. 轴向抗剪切模量较低，断裂延伸率小，耐冲击差，并且后加工较为困难。 2.2.1.3 碳纤维的制造 制作碳纤维的主要原材料有三种： ①人造丝(粘胶纤维)； ②聚丙烯腈(PAN)纤维； ③沥青。 无论用何种原丝纤维来制造碳纤维，都要经过五个阶段： (1)拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种任意一种； (2)牵伸：在室温以上，通常是100～300℃范围内进行； (3)稳定：通过400℃加热氧化的方法； (4)碳化：在1000～2000℃范围内进行； (5)石墨化：在2000～3000℃范围内进行。 T800碳纤维 T800制造装备 中复神鹰碳纤维有限责任公司 2.2.2 硼纤维 硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维，具有很高的比强度和比模量，也是制造金属基复合材料最早采用的高性能纤维。 2.2.2.1 硼纤维的制造 硼纤维一般采用化学气相沉积法（CVD）制造。作为芯材，使用直径为12.5μm很细的钨丝，通过反应管由电阻加热，三氯化硼（BCl3）和氢气的化学混合物从反应管的上部进口流入，被加热至1300℃左右， 经过化学反应， 硼层就在干净的钨丝表面上沉积， 制成的硼纤维被导出，缠绕在丝筒上。 2.2.2.2 硼纤维的性能 硼纤维在目前已有的增强纤维中具有独特的性能，尤其是它的压缩强度是其拉伸强度的2倍（6900MPa)。 2.2.2.3 与其它纤维性能比较 纤维和生产单位 规格 μm 拉伸强度 Mpa 拉伸模量 Gpa 密度 g/cm3 TEXTRON钨芯硼纤维 100和140 3600 4