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金屬基復合材料ppt課件-資料下載頁

2025-04-29 03:58本頁面
  

【正文】 料中出現(xiàn)裂紋和位錯運動時基體上產(chǎn)生的局部應力不在增強纖維上形成高應力。物理相容性中最重要的是要求纖維和基體的熱膨脹系數(shù)匹配。如基體的韌性較強、熱膨脹系數(shù)也較大,復合后容易產(chǎn)生拉伸殘余應力,而纖維多為脆性材料,復合后容易產(chǎn)生壓縮殘余應力。右圖為鋁基纖維復合材料(纖維體積比為 50%)的應力 應變曲線??梢钥闯?,復合后纖維中出現(xiàn)殘余應變?fr。在 I 區(qū),載荷完全由基體承受;II區(qū)為暫態(tài)的瞬態(tài)區(qū);超過 II區(qū)后復合材料才發(fā)揮作用。 圖 923 金屬基復合材料的界面殘余應力 ?當纖維中殘余應力為壓應力時,應注意纖維的屈曲;當基體中中殘余應力為拉應力時,應考慮界面和基體中的裂紋擴展。 ?如果情況相反,那么纖維和 圖 923基體正好發(fā)揮各自所長。 ?因此,在選擇金屬基復合材料的組分材料時,為避免過高的殘余應力,要求增強纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不要相差很大。 金屬基復合材料的界面優(yōu)化以及界面設計 ?改善增強劑與基體的潤濕性以及控制界面反應的速度和反應產(chǎn)物的數(shù)量,防止嚴重危害復合材料性能的界面或界面層的產(chǎn)生,進一步進行復合材料的界面設計,是金屬基復合材料界面研究的重要內(nèi)容。從界面優(yōu)化的觀點來看,增強劑與基體的在潤濕后又能發(fā)生適當?shù)慕缑娣磻?,達到化學結(jié)合,有利于增強界面結(jié)合,提高復合材料的性能。 金屬基復合材料的界面優(yōu)化以及界面設計一般有以下幾種途徑: ? 4– 1 增強劑的表面改性處理 ? 增強材料的表面改性(涂層)處理可起到以下作用: ? ( 1)改善增強劑的力學性能,保護增強劑的外來物理和化學損傷(保護層); ? ( 2)改善增強劑與基體的潤濕性和粘著性(潤濕層); ? ( 3)防止增強劑與基體之間的擴散、滲透和反應(阻擋層); ? ( 4)減緩增強劑與基體之間因彈性模量、熱膨脹系數(shù)等的不同以及熱應力集中等因素所造成的物理相容性差的現(xiàn)象(過渡層、匹配層); ? ( 5)促進增強劑與基體的(化學)結(jié)合(犧牲層)。 ? 常用的增強材料的表面(涂層)處理方法有: PVD、 CVD、電化學、溶膠 凝膠法等。 ? SiC纖維 — 富碳涂層、 SCS涂層等; ? 硼纖維 — SiC涂層、 B4C等; ? 碳纖維 —TiB2涂層、 C/ SiC復合涂層等。 4 – 2 金屬基體改性(添加微量合金元素) ? 在金屬基體中添加某些微量合金元素以改善增強劑與基體的潤濕性或有效控制界面反應。 ?( 1)控制界面反應。選擇的改性合金元素應使界面反應速度常數(shù)盡可能小,以保持第三類界面 的穩(wěn)定。如在純鈦中加入合金元素 Al、 Mo、 V、 Zr等可顯著減小鈦合金與硼纖維的反應速度常數(shù)。 ?( 2)增加基體合金的流動性,降低復合材料的制備溫度和時間。如采用液態(tài)浸滲法制備鋁基復料時,在鋁液中加入一定量的 Si元素,明顯地降低了鋁合金的熔點、提高了鋁液的流動性,因而降低了復合材料的浸滲溫度。 4 – 2 金屬基體改性(添加微量合金元素) ?( 3)改善增強劑與基體的潤濕性。在基體合金中加入與可與增強劑表面反應而生成薄層反應層,增加增強劑的表面能、或不與增強劑表面反應但可降低基體液相的表面能的合金元素。如將 3%的合金元素鎂作為活性元素添加到鋁中后,可使液態(tài)鋁的表面能下降。 ?一般基體合金元素應考慮為增強劑組成元素化學位相近的元素。因為化學位相近的元素親和力大,容易發(fā)生潤濕;另外,化學位是推動反應的位能,差別小發(fā)生反應的可能性亦小。 4 – 3 優(yōu)化制備工藝參數(shù),采用新工藝。 ?氫是鈦合金中的強 β相穩(wěn)定元素氫的溶如入可 擴大相圖中 β相區(qū);降低 β相轉(zhuǎn)變溫度。滲氫可明顯降低合金熱變形時的流變應力,提高塑性,特別是高鋁含量的超 α合金和 Ti3Al金屬間化合物,使熱變形在較低溫度下實現(xiàn);同時由于氫在鈦合金中的溶解是可逆的,真空退火可將氫濃度控制在安全范圍內(nèi)。利用這一特性,在制備鈦合金復合材料時,在基體鈦中加入臨時氫工藝可顯著地降低制備溫度,改善復合材料界面狀況(圖 924) 4 – 3 優(yōu)化制備工藝參數(shù),采用新工藝 ?( a) 815℃ 原位充氫熱壓; ( b) 900℃ 真空熱壓 ?圖 924 Ti6Al4V/SiC復合材料的結(jié)合情況 四、金屬基復合材料的性能 ? 金屬基復合材料的一般性能特點 ? 1 1 高比強度、比剛度 ? 表 92 金屬基復合材料的力學性能一覽表 復合材料 增強相含量 VoL% 抗拉強度 MPa 拉伸模量 GPa 密度 g/cm3 BF /Al CVD SiCF /Al Nicalon SiCF /Al CF /Al FP Al2O3 F/Al Sumica Al2O3F/Al SiCW/Al SiCP/Al CVD SiCF/Ti BF / Ti 50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45 1200~1500 1300~1500 700~900 500~800 650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500 200~220 210~230 95 ~ 110 100~150 220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220 ~ 纖維增強金屬基復合材料的比強度、比模量明顯高于金屬基體;顆粒增強金屬基復合材料的比強度雖無明顯增加,但比模量明顯提高。橫向模量和剪切模量,金屬基復合材料遠高于聚合物基復合材料。
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