金属基复合材料考试题目.doc

1、 金属基复合材料的特性有哪些？请详细说明。
答：金属基复合材料的性能取决于所选的金属和或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能。综合归纳金属基复合材料具有以下性能特点：
1. 高比强度、高比模量
由于金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强体，明显提高复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维—硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。
2. 导热、导电性能
金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，一般在60%以上，因此仍然保持金属所特有的良好的导热和导电性。在金属基复合材料中采用高导热性的增强体可以进一步提高金属基复合材料的热导率比纯金属基体还高。
3. 热膨胀系数小，尺寸稳定性好
金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既具有很小的热膨胀系数，又有很高的模量，特别是超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。加入相当含量的增强体不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降并可通过调整增强体的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种工况要求。
4. 良好的高温性能
由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有高的高温强度和模量，因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料。
5. 耐磨性好
金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合材料具有很好的耐磨性。
6. 良好的疲劳性能和断裂韧度
金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧度取决于纤维等增强体与金属基体的界面结合状态，增强体在金属体重的分布以及金属、增强体本身的特性，特别是界面状态。最佳的界面状态既可以有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧度。
7. 不吸潮，不老化，气密性好
与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，具有明显的优越性。
总之，金属基复合材料具有高比强度、高比模量等以上所述的优异的综合性能，使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车等领域均具有广泛的应用前景。

2、 金属基复合材料基体的选择原则有哪些？请详细说明。
答：金属与合金的品种繁多，目前用作金属基复合材料的基体金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。基体材料的正确选择，对于能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能，获得预期的优异综合性能以满足使用要求十分重要。
1. 金属基复合材料的使用要求
金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。在宇航、航空、先进武器、电子、汽车等技术领域和不同的工作条件下，对复合材料的性能要求很大，需选择不同基体的复合材料。在航天、航空技术中高比强度、高比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求。此外，高性能发动机还要有优良的耐高温性能。电子工业集成电路则需要高导热、低热膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。
2. 金属基复合材料组成的特点
金属基复合材料有连续增强和非连续增强金属基复合材料，由于增强体的性质和增强机制不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。
对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体。纤维本身具有很高的强度和模量，金属基体的强度和模量远低于纤维的性能，因此在连续纤维增强金属基复合材料中基体主要作用是以发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，基体不需要很高的强度。
对于非连续增强金属基复合材料，基体的强度对非连续增强金属基复合材料有绝对的影响。因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体。
总之针对不同的增强体系，要充分分析和考虑增强体的特点来正确选择基体合金。
3. 基体金属与增强体的相容性
金属基复合材料制备过程中金属基体与增强体在高温复合过程中会发生不同程度的界面反应，基体金属中往往含有不同烈性的合金元素，这些合金元素与增强体的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，在选用基体合金成分时尽可能选择既有利于金属与增强体浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面的合金元素。如碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素可以明显的改善复合材料的界面结构和性能，提高复合材料的性能。铁镍元素是促进碳石墨化的元素，用铁镍作为基体，碳纤维作为增强体是不可取的。
金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。 在选择基体时要充分考虑与增强体的相容性，特别是化学相容性，并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。

3、 请陈述金属基复合材料增强体的特性及分类。
答：金属基复合材料的增强体的基本特性如下：
1．增强体应具有能明显提高金属基体某种所需特性的性能，如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀等，以便赋予金属基体所需的某种特性和综合性能。
2．增强体应具有良好的化学稳定性。在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化，与金属基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面反应。
3．与金属好的浸润性，或通过表面处理能与金属基体良好浸润、复合和分布均匀。此外，增强体的成本也是应考虑的一个重要因素。
金属基复合材料的增强体分类如下：
1．纤维类增强体。包括连续长纤维和短纤维两种。连续长纤维的长度均超过数百米，纤维性能有方向性，一般沿轴向有很高的强度和弹性模量。短纤维一般由几毫米到几十毫米，排列无方向性，通常采用生产成本低、生产效率高的喷射法制造。
2．颗粒增强体，包括外加和内生两种，一般是陶瓷和石墨等非金属颗粒。
3．晶须类增强体。根据化学成分不同，晶须可分为陶瓷晶须和金属晶须两类。陶瓷晶须包括氧化物和非氧化物晶须，金属晶须包括Cu、Cr、Fe、Ni晶须。
4．其他增强体。用于金属基复合材料的高强度、高模量金属丝增强体，主要有铁丝、高强度钢丝、不锈钢丝和钨丝等。
4、 金属基复合材料制造中的关键技术问题有哪些？请详细说明。
答： 由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂好，在制造金属基复合材料中需要解决一些关键技术问题，主要包括：
1．在高温下易发生不利的化学反应 在加工过程中，为了确保基体的浸润性和流动性，需要采用很高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。在高温下，基体与增强材料易发生界面反应，有时会发生氧化而生成有害的反应产物。这些反应往往会对增强材料造成损害，形成过强结合界面，而过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。同时，高温下反应的产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹源。因此，控制复合材料的加工温度是一项关键技术。
解决的方法是：尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应降至最低温度；通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。
2．增强材料与基体润湿性差 绝大多数的金属基复合材料如：碳/铝、碳/镁、碳化硅/铝、氧化铝/铜等，基体对增强材料润湿性差，有时根本不会发生润湿现象。
解决的方法是：加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的润湿性，常用的合金元素有钛、锆、铌、铈等；对增强材料进行表面处理，涂覆一层可抑制界面反应的涂层，可有效改善其润湿性。表面涂层涂覆方法很多，如化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶和电镀或化学镀等。
3．如何使增强材料按所需方向均匀的分布于基体中 增强材料的种类较多，如短纤维、晶须、颗粒等，还有直径较粗的单丝、直径较细的纤维束等，同时在尺寸、形态、理化性能上也有很大差异，使其均匀地、或按设计强度的需要分布比较困难。
解决的方法是：对增强材料进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快；加入适当的合金元素改善基体的分散性；施加适当的压力，使基体分散性增大。

5、 金属基复合材料的二次成形加工技术有哪些？请分别陈述。
答：为了制成实用的金属基复合材料构件，需对金属基复合材料进行二次成型加工和切削加工。由于增强物的加入给金属基复合材料的二次加工带来很大的困难，如陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料，增强物硬度高、耐磨，使这种复合材料的切削加工十分困难。不向类型的金同基复合材料构件的加工要求和难度有很大差别，对连续纤维增强金届基复合材料构件一般在复合过程中完成成型过程，辅以少量的切削加工和连接即成构件而短纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料则可采用铸造、挤压、超塑成型、焊接、切削加工等二次加工制成实用的金属基复合材料构件。
常用的生产有色金属铸件的铸造方法可用来制造颗粒增强铝基、镁基复合材料铸件，但由于增强颗粒的加入改变了金属熔体的粘度、流动性等性质，高温时还可能发生增强颗粒与基体金属之间的化学反应、颗粒的沉降等问题，因此在选择工艺方法和参数时必须考虑金属基复合成料的特点，对现有铸造工艺做必要的改进。铸造法是—种经济、可批量生产复杂零件的有效方法，并可借鉴现有成熟的铸造工艺，是生产颗耽增强金属基复合材料零件的主要方法。
对于非连续增强金属基复合材料利用挤压、模锻、超塑成型等工艺方法制造型材和零件也是一种工业规模生产金属基复合材料零件的有效方法，这种方法生产出来的零件组织致密，性能好。现有的挤压、锻造等工艺和设备均可借鉴用于制造短纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料，其中颗粒增强铝基、镁基复合材料用得更多。出于金属基体中含有一定体积分数的增强物(晶须、颗粒)，大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成型困难，坚硬的增强颗粒将磨损模具，因此对常规的工艺需进行相应的改进，如挤压、锻造温度、挤压速度、挤压力等。
金属基复合材料由于连续纤维、短纤维、品须、颗粒等增强物的存在，给切削加工带来很大困难。连续纤维增强金属基复合材料具有明显的各向异性，沿纤维方向材料的强度高，而垂直纤维方向性能低，纤维与基体的结合强度低，因此在加工过程中容易造成分层脱粘现象，破坏了材料的连续性，用常规的刀具和方法难以加工。而晶须、颗粒增强金属基复合材料由于增强物均很坚硬，本身就是磨料，在加工过程中对刀具的磨损十分严重。金属基复合材料加工困难，加工成本高也是金属基复合材料发展的障碍之一。
为了制造金属基复合材料构件，焊接工艺常需采用，如自行车架、汽车传动铀、航天飞行器中的构件等。增强物的加入影响焊接熔池的粘度和流动性，增强物与基体金属的化学反应又限制了焊接速度，给金属基复合材料焊接造成较大的困难。金属基复合材料的焊接工艺过程研究工作尚届初期阶段，许多技术困难正在研究解决中，这也是金属基复合材料研究应用中的一个重要问题。

6、 请介绍金属基复合材料的各种界面结合机制。
答：界面的结合力有三种：机械结合力、物理结合力和化学结合力。
机械结合力就是摩擦力，它决定于增强体的比表面和表面粗糙度以及基体的收缩，比便面和表面粗糙度越大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。
物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于所有复合材料中，但在聚合物基体材料中占有很重要的地位。
化学结合力就是化学键，它在金属基符合材料中有重要作用。
由上面三种结合力，金属基符合材料中界面结合形式可以分为下面六种：
1． 机械结合
这是基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，它由粗糙的增强物表面及基体的收缩产生摩擦力完成。具有这类界面结合的复合材料的力学性能，不宜作结构材料使用。例如，以机械结合的纤维增强复合材料除承受不大的纵向载荷外，不能承受其他类型的载荷。事实上由于材料总有范德华力存在，纯粹的机械结合很难实现。
2． 溶解和润湿结合
溶解和润湿结合是基体与增强物之间发生润湿（润湿角＜90℃)，并伴随一定程度的相互溶解（也可能基体和增强物之一溶解于另一种中）而产生的一种结合形式。这种结合是靠原子范围内电子的相互作用产生的，因此要求复合材料各组元的原子彼此接近到几个原子直径的范围内才能实现。增强体表面吸附的气体和污染物都会妨碍这种结合的形成，所以必须进行处理，除去吸附气体和污染物。
3． 反应结合
这是基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物而产生的一种结合形式。其中典型的代表为Al-C和Ti-B系。但在Al-C和Ti-B两个体系中，如果工艺参数控制不当，没有采取相应的措施，以致在界面上生成过量的脆性反应产物，材料强度降低。像这类不能提供有使用价值的复合材料的结合，不能称之为复合材料。
4． 交换反应结合
交换反应结合是基体（含两种以上元素）与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合物外，还有通过扩散发生元素交换的一种结合形式。钛合金（例如Ti-8Al-1V-1Mo）-硼系是这种结合的典型代表。钛与硼的作用分为两个阶段：
Ti（Al）+2B→（Ti，Al）B2
（Ti，Al）B2+Ti→TiB2+Ti（Al）
即首先形成（Ti，Al）B2，然后因为Ti与B的亲和力大于Al与B的亲和力，（Ti，Al）B2中的Al被Ti置换出来，再扩散到钛合金中。因此，界面附近的基体中有铝的富集，这构成了额外的扩散阻挡层，使反应速度常数降低。
5． 氧化物结合
这种结合实际上是结合的一种特殊情况。例如Ni-Al2O3复合材料的结合本来是机械结合，但在氧化性气氛中Ni氧化后，与Al2O3作用形成NiO?Al2O3，变成了反应结合。又如铝-硼、铝-碳化硅复合材料，由于铝表面上的氧化物膜与硼纤维上的硼的氧化物，或碳化硅纤维上的硅氧化物间发生相互作用，形成氧化物结合。正是这种氧化物膜提供了复合材料的表观稳定性。
6． 混合结合
这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实际的复合材料中经常同时存在几种结合形式。例如在Al-B系中如果制造温度较低，氧化膜不破坏，则形成机械结合；如果温度较高（高于基体的熔点），氧化膜部分破坏，形成反应结合，就变成混合结合了。