【正文】 于增強(qiáng)相和基體界面結(jié)合等一系列因素造成應(yīng)力集中、體內(nèi)缺陷，使復(fù)合后韌性有下降。 性能 Metal－ Matrix 材 料 KIC MPam1/2 Al6061（ T6） 37 Al2O3/ Al6061 15 SiCp/ Al6061 78 20%（體積分?jǐn)?shù)） SiCw/ Al6061（ T6） 20%（體積分?jǐn)?shù)） SiCp / Al6061（ T6） 性能 Metal－ Matrix 耐疲勞性 ? 在循環(huán)載荷作用下，力學(xué)性能下降導(dǎo)致材料破壞的現(xiàn)象可定義為疲勞。正在使用的材料都有一個(gè)疲勞問題。金屬基復(fù)合材料要被設(shè)計(jì)和運(yùn)用，同樣必須測(cè)定其耐疲勞性能。 ? 理論上講，當(dāng)在金屬基體中用短纖維（或晶須）和連續(xù)纖維增強(qiáng)，且纖維與應(yīng)力方向平行時(shí)，疲勞性能可得到很大改善。但在實(shí)際運(yùn)用疲勞斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)測(cè)定復(fù)合材料的疲勞性能時(shí)，由于復(fù)合材料有很多缺陷，如基體開裂、纖維斷裂、脫層、脫黏、空洞生長(zhǎng)、多向開裂等，且這些缺陷在實(shí)驗(yàn)測(cè)定的早期就出現(xiàn)，因此出現(xiàn)了復(fù)合材料的疲勞性能低于未增強(qiáng)合金的結(jié)果。 ? Shiang等研究了 SiCp/Al復(fù)合材料中 SiC顆粒的尺寸對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度變化的影響后發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒復(fù)合材料的門檻應(yīng)力強(qiáng)度 ΔKch低于未增強(qiáng)的合金，即復(fù)合材料對(duì)疲勞裂紋生長(zhǎng)的最初抗力小于末增強(qiáng)的合金。 性能 Metal－ Matrix 金屬基復(fù)合材料的摩擦磨損性能 ? 高強(qiáng)度、高模量、高硬度的陶瓷增強(qiáng)材料的加入明顯提高了金屬基復(fù)合材料的耐磨性，而某些具有自潤(rùn)滑作用的增強(qiáng)材料（如石墨）又可使復(fù)合材料的摩擦系數(shù)大為改善。通過控制調(diào)整增強(qiáng)材料的種類、形態(tài)、尺寸、取向等可以獲得最小的磨耗和與對(duì)磨材料的最佳匹配，這是普通金屬材料難以實(shí)現(xiàn)的。 性能 Metal－ Matrix ? 研究表明，在鋁基材料中加入 7%的硅酸鋁短纖維，就能使耐磨性成倍提高，其不同體積含量的硅酸鋁增強(qiáng)鋁基材料的耐磨性能如右圖所示。 ? 金屬基自潤(rùn)滑材料是將固體潤(rùn)滑劑作為增強(qiáng)材料加入到金屬基體中，或者通過反應(yīng)從金屬基體中生成析出自潤(rùn)滑組分。這類材料主要用于滑動(dòng)軸承和耐磨性部件，在摩擦過程中，復(fù)合材料中析出潤(rùn)滑劑并且發(fā)生彌散分布，向?qū)δケ砻姘l(fā)生轉(zhuǎn)移，形成潤(rùn)滑薄膜，從而改善摩擦特性。右圖是以石墨作為潤(rùn)滑劑時(shí)，其體積分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料摩擦系數(shù)的關(guān)系。從圖中可見，無論 Fe、 ACu復(fù)合材料，其摩擦系數(shù)隨石墨含量增加而降低。但當(dāng)石墨含量高于 25%后，各種材料的摩擦系數(shù)均達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的低值而不再隨石墨添加量而改變。一些研究表明，此時(shí)在相對(duì)滑動(dòng)的表面上形成了較為穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，而金屬基體對(duì)這種摩擦磨損性能的影響甚微。金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的磨損主要取決于： ? （ 1）潤(rùn)滑膜的結(jié)構(gòu)、厚度和分布狀態(tài)； ? （ 2）潤(rùn)滑膜與基體的結(jié)合方式和強(qiáng)度； ? （ 3）基體金屬的特性； ? （ 4）試驗(yàn)參數(shù) (滑動(dòng)速度、接觸壓力等 )以及環(huán)境因素 (溫度、濕度等 )。 性能 Metal－ Matrix 性能 Metal－ Matrix 硼纖維 /鋁復(fù)合材料拉伸性能 硼纖維：用化學(xué)氣相沉積在鎢絲上沉積上硼而形成。 硼纖維的力學(xué)性能 直徑 μ m 密度 g/cm3 彈性模量 GPa 拉伸強(qiáng)度 MPa 斷裂伸長(zhǎng) % 101 400 2520 143 390400 3470 98 390400 3390 95177。 3 394 29503500 性能 Metal－ Matrix （ 1）單向增強(qiáng)硼 /鋁復(fù)合材料室溫拉伸性能 Vf（ %） 拉伸強(qiáng)度 MPa 彈性模量 GPa 20 519540 25 737837 30 850890 35 9601020 40 10701130 47 12131230 54 12001270 （ 2）正交鋪層硼 /鋁復(fù)合材料室溫拉伸性能 Vf（ %） 纖維縱向與載荷間的夾角 縱向 橫向 0176。 45176。 90176。 拉伸強(qiáng)度MPa 彈性模量GPa 拉伸強(qiáng)度MPa 彈性模量GPa 拉伸強(qiáng)度 MPa 彈性模量GPa 20 20 310306 144173 5171 6267 264290 140162 25 15 326354 131147 7587 6971 256296 7791 30 10 672695 196244 6671 93 159160 6783 35 5 735773 181228 4250 4352 160178 5871 性能 Metal－ Matrix 性能 （ 3）硼纖維 /鋁復(fù)合材料的拉伸性能與溫度的關(guān)系 溫度 ℃ 拉伸強(qiáng)度 MPa 彈性模量 GPa 20 10001200 250 300 900 235 400 700 228 500 500 220 Metal－ Matrix 性能 單向碳纖維 /鋁復(fù)合材料拉伸性能 纖維 彈性模量 GPa 縱向拉伸強(qiáng)度 MPa 橫向拉伸強(qiáng)度 MPa P55 207221 520620 3050 P75 276296 620720 3050 P100 379414 550830 3050 P120 469558 590880 3050 碳化硅纖維（皮芯結(jié)構(gòu)） /鋁復(fù)合材料拉伸性能 纖維方向 176。 鋪層數(shù) 拉伸強(qiáng)度 MPa 彈性模量 GPa 總應(yīng)變 % 0 6， 8， 12 1462 90 6， 12， 40 0/90/0/90 8 673 90/90/0/90 8 177。 45 8， 12， 40 0/177。 45/0 8， 16 0/0/90/0 8 1144 0/177。 45/90 8 Metal－ Matrix 性能 不同類型的材料和復(fù)合材料（鋪層）力學(xué)性能的比較 復(fù)合材料類型 0 176。 拉伸強(qiáng)度 MPa 0 176。 拉伸模量 GPa 90 176。 拉伸強(qiáng)度MPa 90 176。 拉伸模量 GPa 0 176。 壓縮強(qiáng)度 MPa 硼纖維 /環(huán)氧樹脂 0/177。 45 660 110 103 32 1930 0/177。 60 430 73 280 73 1490 硼纖維 /鋁 0/177。 60 500 180 490 180 0 1300 220 130 130 1980 碳纖維 /環(huán)氧樹脂 177。 30 270 50 40 10 218 0/177。 45 430 78 62 12 鋁合金 7075T6 500 66 490 67 高強(qiáng)鈦合金 Ti6Al4V 9001100 105 9001100 105 注：碳纖維 /環(huán)氧樹脂中的碳纖維為高模石墨纖維（ HMG50/BP907）。 Metal－ Matrix （三）金屬基復(fù)合材料的物理性能 ? 金屬基體中隨著增強(qiáng)材料的加入會(huì)使一些物理性能，如密度、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、耐疲勞性等發(fā)生變化，形成金屬基復(fù)合材料的一些獨(dú)特的物理性能。 密度 ? 在金屬基復(fù)合材料中大量使用的增強(qiáng)材料是陶瓷，陶瓷的密度一般在 23g/cm3，隨著這些增強(qiáng)材料的加入，其復(fù)合材料的密度將低于原來金屬基體的密度，形成輕質(zhì)高強(qiáng)材料。當(dāng)然，如果以鎢絲作為增強(qiáng)材料加入金屬基體，由于鎢絲密度為 g/cm3，高于一般金屬材料密度，其復(fù)合材料的密度就將大于原來基體材料密度。 物理性能 Metal－ Matrix 熱膨脹性 ? 金屬材料都具有較好的導(dǎo)熱性，但以陶瓷或金屬為增強(qiáng)材料時(shí)，陶瓷和金屬基體或者增強(qiáng)體金屬和基體金屬之間都會(huì)存在熱膨脹系數(shù)不匹配的現(xiàn)象，造成復(fù)合材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。為了避免這種由熱產(chǎn)生的不匹配現(xiàn)象，許多研究者建立了預(yù)測(cè)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的模型，希望通過控制增強(qiáng)體和基體的含量以及增強(qiáng)體在基體中的分布來控制復(fù)合材料總的熱膨脹性能。右圖是 SiCp/AI復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)（ CTE）隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化。圖中實(shí)線是預(yù)測(cè)熱膨脹系數(shù)的 Turner模型。 ? α=（ αmVmKm+αpVpKp） /（ VmKm十 VpKp） ? 式中， α為熱膨脹系數(shù)； V為體積分?jǐn)?shù)； K為體模量；下標(biāo) p和 m表示顆粒和基體。 ? 在上圖中， SiCp的熱膨脹系數(shù)取 ，鋁的膨脹系數(shù)取 23 x106/K。 ? 從圖中看， Turner模型能很好地預(yù)測(cè)顆粒復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。 物理性能 Metal－ Matrix 導(dǎo)熱性 ? 導(dǎo)熱性是金屬材料的一大特點(diǎn)，為了減輕質(zhì)量又不影響其導(dǎo)熱性能，研究者制造了一系列金屬基復(fù)合材料。在鋁基體中單向排列的碳纖維沿纖維方向具有很高的導(dǎo)熱性。試驗(yàn)測(cè)定，在 20140℃ 的溫度范圍內(nèi)，這種復(fù)合材料沿纖維方向的導(dǎo)熱性優(yōu)于銅。以單位質(zhì)量計(jì)的導(dǎo)熱性，這種復(fù)合材料約為純鋁的 4倍，為 A16061的 。右圖比較了銅和碳纖維 /鋁的導(dǎo)熱性。金屬基復(fù)合材料的這一性能可以在一些減輕質(zhì)量很關(guān)鍵的地方（如衛(wèi)星、高速航空、航天器）代替銅作為導(dǎo)熱材料。 物理性能