【正文】 屬間化合物具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熔點(diǎn)也較高和較低的密度。 Nb、 A1可作為一種高磁場(chǎng)、高電流下的超導(dǎo)材料來(lái)使用 [23]。由于具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和有限的滑移帶，鈮鋁金屬間化合物的室溫塑性和韌性差，所以，提高延性和增韌是其獲得工業(yè)應(yīng)用的必備條件。制約 Nb、 A1應(yīng)用的另一個(gè)主要原因是它的抗氧化性能較弱，鈮及其合金材料在空氣氣氛 中 600℃ 以上會(huì)發(fā)生嚴(yán)重氧化，最終導(dǎo)致脆性斷裂。通常要采用合金化或延性相增韌來(lái)避免其室溫脆性，通過(guò)合金化和金屬陶瓷復(fù)合這樣的工藝改善其抗氧化性能。目前研究較多的 Nb— Al系金屬間化合物主要是 Nb3A1和NbAl3。 Nb3Al金屬間化合物的高溫屈服強(qiáng)度相當(dāng)高，在 l200℃ 為 800MPa， l 300℃ 為500MPa。 Nb2Al合金很少作為結(jié)構(gòu)材料來(lái)使用，單相 Nb2AI相當(dāng)脆．且韌脆轉(zhuǎn)折溫度 (BDTT)也高于 l150℃ 。通過(guò)元素粉末熱壓反應(yīng)制備單相 Nb2AI的壓縮實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在 1 200℃ 以下發(fā)生脆性斷裂，但屈服強(qiáng) 度比單相 Nb3Al合金的屈服強(qiáng)度要高，當(dāng)應(yīng)變速率為 1104 s1 時(shí)，溫度為 1300 ℃ 時(shí)為 870MPa ， 溫 度 為 1500 ℃ 時(shí)為290MPa[4]NbAl。在 Nb— Al系 3種金屬間化合物中具有最低的氧化速率 [5],合金的熔點(diǎn)高、密度低和高溫氧化性能好。這些年， NbAl3合金的高溫抗氧化性能可以通過(guò)添加 Cr、 Y和 Si的微合金化過(guò)程來(lái)改善 [6]。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 第一章 緒論 復(fù)合材料概述 在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天 ，特別是尖端科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)， 隨之 人們對(duì)材料的性能要求 也 越來(lái)越高，在多 個(gè) 方面，例如在人造衛(wèi)星、設(shè)計(jì)導(dǎo)彈、 飛機(jī)的承載構(gòu)件時(shí)，理想的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有重量輕 ， 強(qiáng)度和模量高的特點(diǎn)，即比強(qiáng)度和比模量要高。 可是， 即使比普通鋼強(qiáng)度高 7倍左右的高強(qiáng)度鋼，由于比重大， 但 比強(qiáng)度 卻 很低，要增加構(gòu)件的強(qiáng)度就 等于同時(shí) 增加其重量，這對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的部件來(lái)說(shuō) 毫無(wú) 意義。顯然 ，傳統(tǒng)的單相材料不能滿足實(shí)際的需求。 所以 促使人們 制備 研究出由多相組 合的復(fù)合材料， 來(lái) 提高材料的性能。 正是 復(fù)合材料各組分之間取長(zhǎng)補(bǔ)短、協(xié)同作用 的優(yōu)點(diǎn) 彌補(bǔ)了單相材料的缺點(diǎn)，改進(jìn)了單相材料的性能，甚至可產(chǎn)生單一材料所不具有的新性能。 這樣 ，復(fù)合材料 就 誕生 了 。 復(fù)合 材料的定義和分類 復(fù)合材料 (posite materials)是由兩種或兩種以上的材料通過(guò)先進(jìn)的材料制備技術(shù)組合而成的性能優(yōu)異的新材料。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)材料組成。它既能保留原組成材料的主要特色，并通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。其中，增強(qiáng)材料是復(fù)合材料的主要承力者，特別是拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能主要由增強(qiáng)材料承擔(dān)；基體的作用是將增強(qiáng)材料黏合成一個(gè)整體，起到均衡應(yīng)力和傳遞應(yīng)力的作用，使增強(qiáng)材料的性能得到充分發(fā)揮，從而產(chǎn)生一種復(fù)合效應(yīng)，使復(fù)合材料的性能大大優(yōu)于單一 材料的性能。復(fù)合材料的性能主要取決于：① 基體的性能； ② 增強(qiáng)材料的性能； ③ 基體與增強(qiáng)材料之間的界面性能。復(fù)合材料的分類方法較多，通常有以下幾種： ① 按材料性能高低分為：常用復(fù)合材料和先進(jìn)復(fù)合材料； ② 按材料用途分為：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料； ③ 按增強(qiáng)材料形態(tài)及分布方式分為：纖維連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù) 合材料、晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、薄片增強(qiáng)復(fù)合材料； ④ 按增強(qiáng)材料類型分為：無(wú)機(jī)非金屬增強(qiáng)復(fù)合材料、金屬增強(qiáng)復(fù)合材料、有 機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料； 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 3 ⑤ 按基體材料類型分為：有機(jī)材料基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料和 金 屬基復(fù)合材料 [7]。 金屬基復(fù)合材料的分類和基本性能 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料的要求越來(lái)越高。在結(jié)構(gòu)材料方面，不但要求強(qiáng)度高，還要求重量輕，在航空航天領(lǐng)域尤其如此。金屬基復(fù)合材料正是為了滿足上述要求而誕生的。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，它具有較高的比強(qiáng)度與比剛度，而與樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，它又具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性，與陶瓷材料相比，它又具有高韌性和高抗沖擊性能。這些優(yōu)良的性能決定了它從誕生之日起就成為新材料家族中的重要一員 [8] 。 金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第 二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料 [9]。因此，對(duì)這種材料既可以按基體來(lái)分類，又可以按增強(qiáng)體來(lái)分類： ① 按基體材料分為：鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鈦基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復(fù)合材料。目前以鋁基、鎂基、鎳基、鈦基復(fù)合材料發(fā)展較為成熟，已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)中應(yīng)用； ② 按增強(qiáng)材料分為：連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 (包括顆粒、短纖維、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 )；自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 (包括反應(yīng)自生和定向自生、大變形 )；層板金屬基復(fù)合材料。除此之外， 還可以按用途和制備工藝來(lái)分類，按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料；按制備工藝可分為外加增強(qiáng)相復(fù)合材料和原位自生復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選用金屬或合金基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。通過(guò)優(yōu)化組合可以得到具有以下性能的復(fù)合材料。 ① 高比強(qiáng)度、高比模量。比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個(gè)指標(biāo)，比強(qiáng)度愈高，同一零件的自重愈?。槐饶Ａ坑?，零件的剛性愈大。由于在金屬基體中加入適量的高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維、晶須及顆粒等增強(qiáng)體，明顯提高了復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量。用高比強(qiáng)度、比模量復(fù)合材料制 成的構(gòu)件質(zhì)量輕、剛性好、強(qiáng)度高，是航空航天領(lǐng)域理想的結(jié)構(gòu)材料。 ② 導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好。金屬基復(fù)合材料中金屬基體占有很高的體積分?jǐn)?shù)，一般在 60％以上，因此仍保持金屬所特有的良好導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。由它們制成的集成電路底板和封裝件可以迅速有效地把熱量散去，提高了集成電路的可靠性。 ③ 熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好。金屬基復(fù)合材料中所用的增強(qiáng)體均具有很小的熱膨脹系數(shù)，又具有很高的模量 。 ④ 良好的高溫內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 性能。由于金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒在高溫下具有很高的高溫強(qiáng)度和模量，因此金屬基復(fù)合材料比金屬基體具有更 高的高溫性能；⑤ 耐磨性好。在金屬基體中加入了大量的陶瓷增強(qiáng)體，特別是細(xì)小的陶瓷顆粒。用它們來(lái)增強(qiáng)金屬不僅提高了材料的強(qiáng)度和剛度，也提高了復(fù)合材料的硬度和耐磨性。復(fù)合材料的高耐磨性在汽車、機(jī)械工業(yè)中有重要的應(yīng)用前景，可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車盤(pán)、活塞等重要零件，能明顯提高零件的性能和壽命。 ⑥ 良好的斷裂韌性和抗疲勞性能。金屬基復(fù)合材料的斷裂韌性和抗疲勞性能取決于纖維等增強(qiáng)體與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)，增強(qiáng)體在金屬基體中的分布以及金屬基體、增強(qiáng)體本身的特性，特別是界面狀態(tài)，最佳的界面結(jié)合狀態(tài)既可有效地傳遞載荷，又能阻止 裂紋的擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌性；據(jù)美國(guó)宇航公司報(bào)道 C／ Al復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度比為 。 ⑦ 不吸潮、不老化、氣密性好。與聚合物相比金屬性質(zhì)穩(wěn)定、組織致密、不存在老化、分解、吸潮等問(wèn)題，也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化； ⑧ 二次加工性能較好?？梢杂行У慕柚F(xiàn)有的各種金屬材料加工工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料的二次加工。 金屬基復(fù)合材料的制備方法 20世紀(jì) 70年代以來(lái)，金屬基復(fù)合材料制造方法日趨成熟，主要可以分為三大類[10]:① 固態(tài)法。固態(tài)法是指在金屬基體基本上處于固態(tài)情況下，制成復(fù)合材料的 方法。其中包括粉末冶金法、固態(tài)熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、熱擠壓法、熱拉拔法和爆炸焊接法等。因?yàn)檎麄€(gè)工藝過(guò)程處于較低的溫度，金屬基體和增強(qiáng)體都處于固態(tài)，所以，金屬基體與增強(qiáng)體之問(wèn)的界面反應(yīng)不嚴(yán)重。 ② 液態(tài)法。液態(tài)法是指在金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固態(tài)的增強(qiáng)體復(fù)合的制造方法。其中包括擠壓鑄造法、真空吸鑄、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法、攪拌復(fù)合法等。為了減少高溫下基體和增強(qiáng)材料之間的界面反應(yīng)，提高基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性，通常采用加壓滲透、增強(qiáng)材料表面處理、基體中添加合金元素等方法。 ③ 其他方法。主要包括原位自生法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)鍍和電鍍及復(fù)合鍍法等。目前應(yīng)用最廣的是原位自生法，因?yàn)楣虘B(tài)法和液態(tài)法都是采用外加增強(qiáng)體的方法，其中增強(qiáng)體和金屬基體材料在高溫時(shí)將不同程度地發(fā)生界面反應(yīng)和氧化反應(yīng)等有害的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生界面脆性相。另外，金屬基體與增強(qiáng)體之間浸潤(rùn)性差，有時(shí)甚至不浸潤(rùn)，從而影響了復(fù)合材料力學(xué)性能的發(fā)揮。雖然這些都有解決的方法，但復(fù)合材料的制備工藝內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 會(huì)變得相對(duì)復(fù)雜。而在原位自生法制備的金屬基復(fù)合材料中，基體與增強(qiáng)材料間的相容性好、界面干凈、結(jié)合牢固，特別當(dāng)增強(qiáng)材料與基體之間有共格或半共格關(guān)系時(shí)，能非 常有效地傳遞應(yīng)力，界面上不生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物，因此這種復(fù)合材料有優(yōu)異的力學(xué)性能，越來(lái)越受到大家的青睞 [11]。 金屬基原位復(fù)合材料的概述 原位復(fù)合材料的定義 在金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中，往往會(huì)遇到增強(qiáng)材料與金屬基體之間的相容性問(wèn)題。如果增強(qiáng)體能從金屬基體中直接原位生成，則相容性問(wèn)題可以得到很好的解決。因?yàn)樵簧傻脑鰪?qiáng)體與金屬基體界面結(jié)合良好，生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性好，不存在基體與增強(qiáng)體之間的潤(rùn)濕和界面反應(yīng)等問(wèn)題。 早在 1967年，前蘇聯(lián) A． G． Merzhanov等人在用 自蔓延高溫合成法 (SHS)合成TiB2／ Cu功能梯度材料時(shí)，提出了原位復(fù)合材料 (in situ posites)的構(gòu)想，但當(dāng)時(shí)尚未引起人們的重視。直到 80年代中后期，當(dāng)美國(guó) Lanxide公司和 Drexel大學(xué)的M． J． Koczak等人先后報(bào)道了各自研制的原位 A1203／ Al和 TiC／ Al復(fù)合材料及其相應(yīng)的制各工藝后，才正式在世界范圍內(nèi)拉開(kāi)了原位 MMCS研究工作的序幕。美國(guó)金屬學(xué)會(huì) (ASM)分別于 1993年和 1995年兩次召開(kāi)了原位復(fù)合材料的國(guó)際專題研討會(huì)。由此可見(jiàn)，原位 MMCS及其制備技術(shù)已成為材料科 學(xué)工作者普遍關(guān)注的研究課題。原位反應(yīng)合成技術(shù)的基本原理是通過(guò)元素間或化合物間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相，從而達(dá)到增強(qiáng)金屬基體的目的 [12]。 金屬基原位復(fù)合材料的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)方法制備出的復(fù)合材料相比，金屬基原位復(fù)合材料具有如下特點(diǎn)： ① 增強(qiáng)體在金屬基體內(nèi)原位形核、長(zhǎng)大，具有強(qiáng)界面結(jié)合、良好的相容性： ② 通過(guò)合理的選擇反應(yīng)物可以有效地控制增強(qiáng)相的種類、大小和數(shù)量，并可以通過(guò)成形工藝來(lái)控制增強(qiáng)相的分布，這樣就不易出現(xiàn)增強(qiáng)相的團(tuán)聚和偏析； ③ 省去了增強(qiáng)體的 預(yù)處理，簡(jiǎn)化了工藝流程，因此，成本也相對(duì)降低； ④ 能與鑄造工藝結(jié)合，直接制造出內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 形狀復(fù)雜、尺寸變化大的近終形產(chǎn)品； ⑤ 增強(qiáng)相顆粒細(xì)小，往往處于微米級(jí)或微米以下，這樣就保證了材料具有較好的韌性和高溫性能，而且有很高的強(qiáng)度和彈性模量。 金屬