先进材料制备科学与技术课题报告——Ti基复合材料及其制备技术研究进展报告学院：材料科学与工程学院学号：SY1401210姓名：刘正武2014年12月24日摘要钛基复合材料(TMCS)以其高的比强度、比刚度和良好的抗高温、耐腐蚀性能,在航空航天、汽车等领域有着广阔的应用前景,引起了材料研究者的广泛兴趣。
国外对钛基复合材料的研究已有近40年的历史,发展相当迅速,开发出来的原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功用于制备高性能钦基复合材料。
国内TMCS研究起步较晚,虽取得了一定成绩,但与国外相比还有一定差距。
本文主要从钛基复合材料的研究背景，强化原理，以及存在的主要问题方面做了总结，并对国内外的研究现状作了简要评述。
钛合金本身具有较高的室温和高温比强度、低密度、高弹性模量。
加入增强相，又进一步提高比弹性模量、比强度和抗蠕变能力。
颗粒增强钛基复合材料(PTMCS)与纤维增强钛基复合材料(FTMCS)相比，具有制备工艺较简单，成本较低，无各向异性，可得到近净型零件等优点，是很有前途的复合材料。
自生钛基复合材料基体将由纯钛基体向Ti6Al转化，并加入其它的合金元素，会得到实际应用。
关键词：钛基复合材料；性能；制备；研究进展目录第1章前言 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41.1研究背景及原理-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41.2 主要问题 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 第2章国内外研究进展及评述 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 62.1 Ti基复合材料增强体的种类---------------------------------------------------------------------------------------------- 62.2陶瓷颗粒增强钛基复合材料 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 72.2 自生钛基复合材料--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 第3章结论 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 参考文献 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14第1章前言1.1研究背景及原理随着科学技术的大力发展，对材料性能的要求也越来越高，现有高强度、高模量、耐高温、低密度的单一材料已远远不能满足使用要求。
为此，国内外大量学者采用复合技术将不同性能的材料复合起来，取长补短，得到单一材料无法比拟的"综合性能优越的新型复合材料。
复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体，通过复合工艺形成的材料。
它克服了单一材料的某些弱点，产生协同效应，使之综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求与普通单增强相复合材料相比，其冲击强度"疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。
复合材料的种类繁多，按其基体材料不同可分为金属基"树脂基和陶瓷基复合材料。
目前，金属基复合材料是我国应用较为广泛，发展迅速的复合材料。
它采用金属或合金为基体，以纤维，晶须，颗粒等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势与传统的金属材料相比，金属基复合材料往往具有更高的比强度（强度和密度之比），比模量（模量和密度之比更），好的耐热性以及更低的热膨胀系数。
迄今为止，由于金属基复合材料的制备工艺不完善，成本高等因素，导致难以大规模生产。
钛合金具有比强度高、抗蚀性和耐热性优异等突出优点，是航空航天飞行器、先进武器系统的主要结构材料之一，可达到减轻重量、提高结构效率和可靠性、延长使用使用寿命的目的。
钛合金在国外第三代战斗机上用量已达到15%-25%，在第四代战斗机 F-22 上用量高达 41%。
钛合金本身具有较高的室温和高温比强度、低密度、高弹性模量。
加入增强相，又进一步提高比弹性模量、比强度和抗蠕变能力。
颗粒增强钛基复合材料(PTMCS)与纤维增强钛基复合材料(FTMCS)相比，具有制备工艺较简单，成本较低，无各向异性，可得到近净型零件等优点，是很有前途的复合材料。
1.2 主要问题大推重比发动机及高超音速飞行器的快速发展对材料耐高温性能提出了越来越高的要求。
目前，普遍认为传统的高温钛合金的“热障”温度为 600℃。
在“热障”温度以上，钛合金在服役过程中蠕变抗力和高温抗氧化性能的急剧降低，制约了钛合金使用温度的提高。
虽然材料学家期望通过合金化手段提高钛合金的耐高温性能，但收效甚微。
因此，为了满足航空航天武器装备轻量化及耐高温要求，开发以钛合金为基体的钛基复合材料(TMCs)逐渐引起了材料研究者的极大兴趣。
在钛基复合材料的制备方法上，应发展低成本的制备工艺，以适应在民用工业上的推广应用。
燃烧合成法、熔铸法作为自生钛基复合材料低成本的制备方法将会得到广范应用。
在材料的设计方面，侧重于基体材料的合理设计。
自生钛基复合材料基体将由纯钛基体向Ti6Al转化，并加入其它的合金元素，会得到实际应用。
自生钛基复合材料的增强相以颗粒状存在时增强效果好，纯钛及Ti6Al 基体的增强相会以共晶 TiC 为主。
用熔铸法制备的钛基复合材料，由于其成本低，易于生产，复合材料性能可以满足使用要求，必然会被用于民用工业上，尤其是汽车工业。
用熔铸法制备的钛基复合材料，在制备过程中，当其增强相形态及数量达到可控及可进行设计时，复合材料的应用将会有更大的发展。
第2章国内外研究进展及评述Ti基复合材料除力学性能优异外，还具有某些特殊性能和良好的综合性能，应用范围广泛。
依据基体合金的种类可分为：轻金属基复合材料，高熔点金属基复合材料，金属间化合物基复合材料；按增强相形态的不同可划分为：连续纤维增强金属基复合材料，短纤维增强金属基复合材料，晶须增强金属基复合材料，颗粒增强金属基复合材料，混杂增强金属复合材料。
2.1 Ti基复合材料增强体的种类Ti基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。
目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维，硼纤维，石墨（碳）纤维；颗粒型的有碳化硅，碳化硼等；丝状的有钨，铍，硼等。
金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为以下几类：1）连续纤维增强金属基复合材料。
纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维（或晶须）及金属细线等增强金属得到质量轻且强度高的材料，纤维直径从 3-150μm（晶须直径小于 1μm)，纵横比以上102以上。
在现有的各种类型增强体中，高性能连续纤维具有最明显的增强效果和更高的强度及刚度。
连续纤维增强复合材料具有明显的各向异性，但连续纤维增强复合材料的复合和加工工艺独特、复杂、不易掌握和控制，因此该类复合材料的制造成本很高!连续纤维增强金属基复合材料主要用于较少考虑成本的航天航空等尖端技术领域。
2）短纤维增强金属基复合材料。
作为金属基复合材料增强体的短纤可分为天然纤维制品和短切纤维。
天然纤维主要是一些植物纤维和菌类纤维索等，长度一般为35-150mm，短切纤维一般是由连续纤维(长纤维)切割而成，长度 1-50mm，用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有碳化硅等。
短纤维增强金属基复合材料成本比连续纤维增强金属基复合材料低得多，与基体合金相比，短纤维增强金属基复合材料具有较高的比强度"比刚度和高耐磨性，其各向异性要远远小于连续纤维增强复合材料。
短纤维增强金属基复合材料中增强体的体积分数一般不超过 30%，主要用于汽车行业，电力行业等。
3）晶须增强金属基复合材料。
晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序，几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷，有异乎寻常的力学性能。
作为金属基复合材料的增强体使用的晶须使用做多，性能较好的是碳化硅晶须，成本最低的是Al2O3·B2O3晶须,与连续纤维增强金属基复合材料相比，其各向异性极小；与短纤维增强复合材料相比，晶须增强复合材料的性能更高；而晶须在复合材料中的体积分数一般不超过30%,主要用于航空航天等高新技术领域，如飞机架构"推杆加强筋等。
4）颗粒增强金属基复合材料。
颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用，颗粒平均直径在1μm以上，强化相的容积比可达90%，常用作金属基复合材料增强体的颗粒主要有SiC，Al2O3等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒，甚至金属颗粒，颗粒增强金属基复合材料是各向同性，颗粒价格最低，来源最广，复合制备工艺多样，最易成形和加工的复合材料。
在各种金属基复合材料中，颗粒增强金属基复合材料的使用范围最广，不仅包括航空，航天及尖端军事领域，还适于交通运输工具，微电子，核工业等商业应用。
2.2陶瓷颗粒增强钛基复合材料哈尔滨工业大学的彭德林，赵陆华等对陶瓷颗粒增强钛基复合材料进行了深入研究。
通过在钛基体中添加相应的增强相制备钛基复合材料(TMCs)已成为钛合金的一种发展趋势。
TMCs 分为连续纤维增强钛基复合材料(FTMCs)和颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)两大类。