密度小、弹性模量高，但室温脆性是致命弱点
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14
Ti - Al 系金属间化合物
低密度、高强度、高刚度、良好的高温性能、 抗蠕变和抗氧化性能。Ti-Al系金属间化合物 一般分 2-Ti3Al和 - TiAl两类。
但目前实用化的主要障碍有：1) 难以热压加工； 2) 严重的室温脆性。
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15
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4
金属基复合材料中，最早源于1963美国国家航空 和宇宙航行局成功研制出钨丝增强铜基复合材料， 之后又有SiC/Al、Al2O3/Al复合材料的报道研究。 1982年日本丰田公司率先报道Al2O3·SiO2/Al复合 材料在汽车发动机活塞上应用，开创了金属基复 合材料在民用产品的先例。
近年来，功能金属基复合材料和纳米金属基复合 材料成为了复合材料的研究热点。
高性能发动机则要求复合材料有高比强度和比模量，耐 高温性能。此时应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作 为基体材料。
第六章 金属基体复合材料
2011.05.01
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1
目标与要求
掌握常见的金属基体性能
掌握金属基复合材料基体的选择 原则
掌握金属复合材料的性能 掌握金属复合材料的制备方法 掌握铝基复合材料的性能、制备 了解铝基复合材料应用
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2
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。
在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素
形成合金。铝合金密度2.5～2.88g/cm3，熔点降低，与
掺如合金元素有关，都低于纯铝。
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7
2、镁和镁合金
镁密度1.74g/cm3，熔点650℃。镁的低温塑性较低。
镁的强度和模量都较低，但比模量和比强度高。镁的 化学性能活泼，在室温可以与大气中氧发生作用生成 氧化镁薄膜，抗腐蚀能力差。但在氢氟酸水溶液中和 碱类以及石油产品中具有较高的抗腐蚀能力。
二、金属基体材料的选择原则
基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和 发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优 异综合性能满足使用要求十分重要。所以，在选择 基体金属时应考虑以下几方面：
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1、根据金属基复合材料的使用要求
使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。
在航天、航空技术中，要求高比强度和比模量以及尺寸 稳定性，宜选用密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金） 作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成复 合材料。
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9
3、钛及钛合金
钛 密度4.4 g/cm3，有两种晶形，-钛：六方密堆 积，低于885℃时稳定； -钛：体心立方，高于 885℃时稳定，熔点1678℃。
导热性好，热膨胀系数小。塑性好，延伸率可达
50～70％。力学性能明显高于铝和镁。化学性能
活泼，易与氧、氢、氮、碳发生化学反应形成稳
定的化合物，极难提炼。在海水中具有极高的抗
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。
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3
金属基复合材料相对于传统金属材料，具有较高 的比强度与比刚度；与树脂基复合材料相比，具 有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比， 具有高韧性和高冲击性能。
从复合材料的使用温度和比强度考虑，聚合物基 复合材料在室温附近具有优势，Al和Ti基等金属 基复合材料在中温区域、金属间化合物材料在高 温领域，而陶瓷基复合材料在更高温度具有优势。
加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度可
达650～1000℃，具有较高的强度、良好的抗氧化
和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃
烧室等。用钨丝、钍钨丝增强镍基合金还可以大幅
度提高高温性能。
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12
5、铜及铜合金
密度8.94g/cm3，熔点1080℃。导电导热性好。 铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系 数大，容易铸造和加工。
310
70
Ti 4.4 1650 0.59
7
9.5
1170 110
Ni 8.9 1440 0.46 62
13.3
760
210
Cu 8.9 1080 0.38 391
17.6
340
120
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6
1、铝和铝合金
铝 面心立方点阵。第三周期第三主族元素，原子序
数为13，原子核最外层电子有3个。
密度2.72g/cm3，熔点660℃，导热和导电性能极好， 化学性质活泼，但在大气中具有很好的抗腐蚀性（酸 碱除外）。具有很高的塑性核较低的强度，加工性能 好。
铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体 的基体材料。
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13
6、金属间化化物、铍化物 等），使用温度可达1600℃决定金属间化合物相结构的主 要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等
使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。根据其组成， A、B两元之间可形成AB、A2B、A3B、A5B3 、A7B6等化合 物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。
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5
6.1、常见的金属基体性能
金属 密度
(g/cm3)
熔点
/℃
比热容
/(J/g/℃)
热导率
/[W/(m∙℃ )]
热膨胀系 数/(10-6/℃)
抗拉强度 弹性模量
/(N/mm2) /(kN/mm2)
Mg 1.74 570 1.0
76
25.2
280
40
Al 2.72 580 0.96 171
23.4
目前常用的镁合金主要包括Mg--Mn，Mg--Al--Zn，
Mg--Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合
材料的基体。
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8
镁和镁合金基体复合材料
铝、镁基复合材料用于450 ℃以下，属于低温复 合材料
主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于 航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、 刹车盘等，并已形成工业规模生产。
腐蚀性。在室温下对不同浓度的酸、碱的抗腐蚀
性，但是不耐氢氟酸
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钛合金
通过添加不同的合金元素，可以改变钛同素异 形体的转变温度。添加铝、氧、氮、碳等元素， 可以扩大相区，称为稳定剂。添加钼、钒、 铌、钽等元素，可以扩大相区，所以称为稳 定剂
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11
4、镍及镍合金
密度8.9 g/cm3，熔点1455℃。有铁磁性和延展性， 导电和导热性能好，力学性能明显好于铝和镁。常 温下，在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，耐碱、 盐溶液。用来制造不锈钢和其他抗腐蚀合金，也作 加氢催化剂和用于陶瓷制品等。