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金属复合材料的材料材料概念、性能及用途
(1)名词定义:结合两种或两种以上不同相的金属金物质以物理方式结合而成,撷取各组成成分的复合复合优点,以构成需要之结构材。材料材料这些材料也必须合于下列四样条件:
a.必须由人类制造成(此有别于一些已存在于自然界中的金属金天然复合材料,如木材)。复合复合
b.必须由两种或两种以上化性不同的材料材料物质所组成。
c. 每一组成物质均具有三度空间的金属金体积(因为由薄片相压或焊接所成者不属此类)。
d.必须具有一些特殊的复合复合性质,而此种性质不是材料材料各个组成物质本来所有的。
(2)复合材料包括三大领域:金属基复合材料MetalMatrix Composites(MMC’s)、陶瓷基复合材料Ceramic MatrixComposites(CMC’s)与高分子复合材料Polymer MatrixComposites(PMC’s包括热固性与热塑性)等,目前我们使用的是高分子复合材料,其中以碳纤维用于复合材料中而较传统玻璃纤维之复合材料具更佳之物理特性,特称为高性能复合材料(ACM Advanced Composite Material)。
金属基复合材料的常用制造方法有哪些
金属基复合材料的制造方法大致分为三种:
固态法 固态法是在基体金属处于固态情况下与增强材料混合组成新的复 合材料的方法。 其中包括粉末冶金法、 热压法、 热等静压法、 扎制法、 挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。
液态法 液态法是基体金属处于熔融状态时与增强材料混合组成新的复合 材料的方法。其中包括真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、 液态金属浸渍法、共喷沉积法、原位反应生成法等。
表面复合法 表面复合法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、 化学镀法、电镀法及复合镀法等。
什么是金属基复合材料?
与非金属基复合材料相比,金属基复合材料的潜力尚未充分发挥,应用面比较窄,成熟的品种很少。这种情况一直到20世纪70年代中期才略有好转。1974年,美国材料咨询局第一次肯定了研制和使用金属基复合材料的正确性,表示对这项工作要重视和支持。这主要是航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求,看来只有依赖金属基复合材料和精陶瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼(硼硅克)纤维外,还有高强度钢丝、高熔点合金丝(钨、钼)和晶须(氧化铝、碳化硅)等。这些纤维分别用来与铝、镁、钛、铜和镍钴基高温合金组成复合材料。
硼—铝复合材料的研制起步最早,取得了一定效果。这种材料用于航天飞机的中机身构架管,可减重80公斤。采用硼—铝复合材料的飞机为数不多,目前只有F—111、S—3A等,此外还有“阿特拉斯”导弹的壳体。
硼—铝复合材料最有希望的潜在用途是制造喷气发动机的压气机及风扇叶片,如用其代替钛合金可减重33%,节省成本45%左右。美国几家主要发动机公司如普拉特•惠特尼、通用电器、TRW等均进行过硼—铝复合材料风扇叶片的研究。JT8D发动机上试用硼—铝压气机叶片,工作温度达到300℃,此外,在TF—41—P3发动机上还试用了铍—铝压气机叶片。
石墨—铝复合材料也具有很高的比强度和比模量,适合直升机、导弹、坦克和突击浮桥使用。CH47直升机的传动机,采用了多层石墨—铝护板,大大减少了振动噪音,此外石墨—铝和石墨—镁将被用在人造卫星和大型空间结构上,如卫星支撑架、平面天线体、可折式抛物面天线助等。
镍基和钴基高温合金使用高熔点钼、钨丝式晶须增强后成为耐热复合材料。这项工作在许多国家开展多年,目的是为了满足工作温度和载荷日益提高的先进涡轮发动机的需要。利用这种耐热复合材料制成实心涡轮叶片,可以提高涡轮的温度和转数,减少涡轮级数和冷却气体的消耗,为改进发动机创造了条件。采用加有二氧化钍和碳化铪的钨丝增强复合材料,工作温度为1160~1200℃,至少比目前的涡轮工作温度提高100℃。
利用氧化铝晶须毡或单晶纤维增强熔点钼钨后,可以耐更高的温度,在1650℃时的强度为钨的两倍,作为火箭喷口材料已通过试验。
以钢板为基体的各种层压板也是一种通用的复合材料。例如波音767和757飞机上采用的一种包不锈钢铝板,可以代替钛合金作为发动机的防火材料,重量轻而价格低。
另一种是以钢板为基、多孔青铜的中间层、聚四氟乙烯塑料为表面层的三层复合材料,可用于制造载重汽车底盘衬套、机床导轨和在高温腐蚀介质中工作的轴承。
超导电缆也是一种复合材料,它是以铜—锡合金为基体,埋人295根铌线后组成,经过扩散处理在界面形成七微米厚的Nb2Sn金属化合物,它具有超导性,可以用于制造磁悬浮高速列车、核聚变反应堆电磁铁、储能超导感应器、超导发电机等新产品。
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