《复合材料工艺与设备》课程教学资源（教案讲义）12 金属基复合材料成型工艺及设备

第十二章金属基复合材料成型工艺及设备教学参考资料武汉理工大学精品课程

第十二章 金属基复合材料 成型工艺及设备 教学参考资料 武汉理工大学精品课程

1概述1.1叠属基复合材料的发展概况及前景金属基复合材料具有树脂基复合材料所不及的许多优点，虽然对它的研究起步较晚，但发展十分迅速。本世纪60年代末未期，美国首次成功地将B/A1复合材料代替铝合金制作航天轨道飞行器中部壳体的架支栏澈重量减轻了44%，自那时以来，金属基复合材料的研究工作一直方兴未艾。由于增强纤维的发展，金属基复合材料目前已经得到多方面的开发。20多年来，人们对金属基复合材料进行了连续不断地认真研究，获得了比强度和比模量高的石墨（Gr）纤维增强镁和石墨纤维增强铝复合材料，并已应用于军用飞机和航天飞机，但是由于其制造和加工的复杂性，加之成本昂贵，目前还没有得到普遍应用。与树脂基复合材料相比，金属基复合材料的制造困难主要是其加工温度高。作为基体的金属，其熔点高且在高温下容易氧化，而金属基复合材料的成型温度一般都应在基体金属的熔点附近，在这样高的温度下，纤维与基体容易发生化学反应并引起纤维性能的降级；还会由于基体金属与纤维热膨胀系数的差异而形成较高的热应力（残余应力），并因而降低复合材料的强度。为了制造金属基复合材料，必须要有相应的加热设备：能在高温下对工件实现加压；能精确控制温度升温速率、加压时机和压力值；能使纤维（或晶须、颗粒、编织物）在基体中按照预定的方向排列并均匀分布；能够在高温下保护基体金属和纤维不发生过度氧化和不发生有害的化学反应。这些要求都给制造和加工带来困难。1.2金属基复合材料的基本性能特点金属基复合材料除了具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等与树脂基复合材料相似的特点外，还具有良好的耐热性、高韧性、耐老化性和高导电、高导热性，同时还能抗辐射、防燃、不吸潮、不放气、尺寸稳定。因此，在某些应用场合比树脂基复合材料更有竞争优势。1.2.1金属基复合材料的优点（1）高比强度和高比模量。金属基复合材料纵向比强度和比模量与树脂基

1 概述 1.1 叠属基复合材料的发展概况及前景 金属基复合材料具有树脂基复合材料所不及的许多优点，虽然对它的研究起 步较晚，但发展十分迅速。本世纪 60 年代末期，美国首次成功地将 B/Al 复合材 料代替铝合金制作航天轨道飞行器中部壳体的桁架支栏澈重量减轻了 44%，自那 时以来，金属基复合材料的研究工作一直方兴未艾。由于增强纤维的发展，金属 基复合材料目前已经得到多方面的开发。 20 多年来，人们对金属基复合材料进行了连续不断地认真研究，获得了比 强度和比模量高的石墨（Gr）纤维增强镁和石墨纤维增强铝复合材料，并已应用 于军用飞机和航天飞机，但是由于其制造和加工的复杂性，加之成本昂贵，目前 还没有得到普遍应用。 与树脂基复合材料相比，金属基复合材料的制造困难主要是其加工温度高。 作为基体的金属，其熔点高且在高温下容易氧化，而金属基复合材料的成型温度 一般都应在基体金属的熔点附近，在这样高的温度下，纤维与基体容易发生化学 反应并引起纤维性能的降级；还会由于基体金属与纤维热膨胀系数的差异而形成 较高的热应力（残余应力），并因而降低复合材料的强度。为了制造金属基复合 材料，必须要有相应的加热设备；能在高温下对工件实现加压；能精确控制温度、 升温速率、加压时机和压力值；能使纤维（或晶须、颗粒、编织物）在基体中按 照预定的方向排列并均匀分布；能够在高温下保护基体金属和纤维不发生过度氧 化和不发生有害的化学反应。这些要求都给制造和加工带来困难。 1.2 金属基复合材料的基本性能特点 金属基复合材料除了具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等与树脂基复合 材料相似的特点外，还具有良好的耐热性、高韧性、耐老化性和高导电、高导热 性，同时还能抗辐射、防燃、不吸潮、不放气、尺寸稳定。因此，在某些应用场 合比树脂基复合材料更有竞争优势。 1.2.1 金属基复合材料的优点 （1）高比强度和高比模量。金属基复合材料纵向比强度和比模量与树脂基

复合材料可以相媲美，大大优于常用金属材料。图15-1示出C/Al、C/Mg、B/Al、C/Be金属基复合材料、相应的树脂基复合材料和三种金属的比强度、比模量值，并示出了复合材料的预期目标。（2）耐高温性好。树脂基复合材料的使用温度不超过200℃，耐高温的聚酰亚胺树脂可提高到300℃；而金属基复合材料的使用温度远远高于此值。铝基镁基可以在400℃长期使用，并可短期使用于500℃，钛基的使用温度为6G0~700℃；金属问化合物和镍基高温合金基可达1000~1500℃。（3）导电导热。对飞机蒙皮这一类构件而言，在服役中会遇到各种复杂的气候条件，包括天然与人工诱发的粒子云环境，用树脂基复合材料制造蒙皮，由于它的导热性差且不导电，飞行器内部温度不易散发，而且容易发生静电积聚导致雷击。金属基复合材料是高导电和高

复合材料可以相媲美，大大优于常用金属材料。图 15-1 示出 C/Al、C/Mg、B/Al、 C/Be 金属基复合材料、相应的树脂基复合材料和三种金属的比强度、比模量值， 并示出了复合材料的预期目标。 （2）耐高温性好。树脂基复合材料的使用温度不超过 200℃，耐高温的聚 酰亚胺树脂可提高到 300℃；而金属基复合材料的使用温度远远高于此值。铝基、 镁基可以在 400℃长期使用，并可短期使用于 500℃，钛基的使用温度为 6G0~700 ℃；金属问化合物和镍基高温合金基可达 1000~1500℃。 （3）导电导热。对飞机蒙皮这一类构件而言，在服役中会遇到各种复杂的 气候条件，包括天然与人工诱发的粒子云环境，用树脂基复合材料制造蒙皮，由 于它的导热性差且不导电，飞行器内部温度不易散发，而且容易发生静电积聚导 致雷击。金属基复合材料是高导电和高