聚合物中的分子间结合由原子间公用电子数或原子间电子迁移表征。陶瓷和聚合物中缺乏 自由电子（由于分子间的范得华力结合，聚合物中没有自由电子）导致它们有不良的热、 电传导性，并且与金属材料相比较低的可塑性和韧性。 12.3.1基体材料的作用 MC材料中基体合金的选择由几个因素决定。特别重要的是复合材料是否为连续的 或非连续的增强。采用连续纤维作为增强体会使绝大部分载荷加到增强纤维上，因此，复 合材料的强度将主要受纤维强度控制。那么基体合金的主要任务就是将载荷有效地传递给 纤维并在纤维发生断裂时钝化裂纹，这样连续增强MMC的基体材料应该选择有更好的韧 性而不是强度。在这一基础上，低强度、高延展性、高韧性的基体合金将用于连续增强的 M①MC材料。对于非连续增强的MMC材料，可能由基体决定复合材料的强度。那么，基体 的选择将受到所孺需复合材料强度要求的影响，可能需要高强度的基体合金。 选择基体时要考虑的另外的因素包括：在制备或服役期间内潜在的增强体与基体的相 互作用，可能会导致复合材料性能的退化：增强体与基体之间由于热膨胀失配而产生的热 应力；基体疲劳行为对复合材料循环响应的影响。实际上，在循环加载情况下MMC的行 为是需要特别关注的问题。打算应用在高温情况下的MMC,需考虑基体和增强体熔点不 同造成的影响，当两者熔点相差较大时，基体已产生蠕变而增强体仍保持弹性：熔点相差 不大时，需同时考虑基体和增强体的蠕变。 1.2.3.2基体材料的形式 金属材料可制成多种多样的产品形式为后续的加工操作做好准备，这些形式包括：为 了铸造的重熔化块，锻造材料，包括，丝、箔、薄板、棒料、平板和许多种类的挤压成形 件以及粉末。许多这些不同的形式在生产MMC时都有采用。像液态金属渗透这样的熔化 加工方法需要有可再熔的组分。箔/纤维/箔方法要求基体箔有一个合适的厚度（通常是 0.1mm或0.004in);总的来说，箔指的是厚度不超过0.012in(0.3mm)轧制的扁平产品。 这样的厚度对于大多数韧性基体合金来说都可以通过轧制而得到，但可加工性差的合金可 能需要特殊的轧制方法。大多数金属都可以通过多种方法制成粉末。 1.2.3.3基体材料的类型 许多MC材料的应用需考虑多个方面而不单单是强度（例如电接触），因此，对多 种基体材料就有相应的要求。纯金属大多软且弱并有高的热和电传导率，这是因为导致易 塑性变形和低强度及高延展性的因素同时也使电子的运动变得容易，从而有高的热和电的 传导率。因此，同时需要高的热和电的传导率及高强耐磨的材料，例如触点材料，可采用 带有陶瓷增强体的纯金属基体。 近年来，越来越多的人关注接近某些内金属化合物的合金混合物，例如铝化钛。这样 的内金属化合物和基于它们的合金经常呈现出具有吸引力的综合性能：低密度、高熔点、 高温下的高强度。另一方面，这些化合物的延展性通常很差，因为它们的结合特征已与金 属不同，通常是共价或离子结合。 基体合金也会以熔点来分类。超高熔点的，例如用M0,Nb和W铸造的材料，被称为 难熔物质。金属例如Fe,Ni和Cu被认为显示出一般的熔化行为，而Al和Mg是较低熔点 的材料。 31
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许多不同的金属都被用于制备MMC,基体材料的选择提供了为这些材料进一步分类 的基础。合金体系包括铝、铜、铁（钢）、镁、镍和钛都己经被用作基体，将在以下的章 节中分别讨论。 1.2.3.3.1铝 不同形式的铝合金已大范围地应用到MMC中。大多数铝合金的密度都接近纯铝，大 约为0.11b/in3(2698kg/m3)。纯铝的熔点为1220℉(660℃)，这一相对于其他有潜力 的金属基体较低的熔点使得铝基MC可以方便地通过固态方法，例如粉末冶金，或通过 铸造的方法加工。铅合金被大致分为锻造材料或铸造材料：而且，许多锻造组合物也可用 粉末成形。术语“锻材”主要指的是由机械加工形式可得到的材料例如：辊轧薄板、金属 板或金属箔、多种挤压型材，管材、锻件、金属丝、棒或条。在20世纪70年代，铝合金 箔的易加工性和相对较低的加工温度使得箔纤维/箔方法得到成功地发展与应用，连续的硼 纤维或带SC涂层的硼纤维增强的铝合金就已经应用到了航宇方面。箔形式的6061 A-Mg-Si合金已有很多应用实例，而且这种合金还可以铸造形式用作铝/石墨连续增强复合 材料的基体。许多可锻的铝合金非常适用于挤压成形和大多数非连续增强的铝基复合材料 (DRA),无论其最初的固化是通过粉末冶金或铸造的方法，都是通过这样的方式成形的。 用于铸造生产的铝合金通常是以不同尺寸的铝锭或是其他适合重熔化的形式提供。这些铸 造材料的应用包括了用DRA方法的铸造件产品，它们在铸造或凝固前，要通过搅拌使小颗 粒悬浮在液态金属中。 锻造和铸造合金的牌号都基于主要的合金添加物。锻造合金用4个数字表示，而铸造 成分用3个数字（表1.23.3.1）。这些成分更多的详情可从许多资料中得到。锻造和铸造 成分都应当依照所获得力学性能的方法（可热处理或不可热处理）进一步分类。可热处理 指的是可以用热处理的方法增强的合金。牌号为2XXX,6XXX和7XXX系列的锻造合金 人多是可热处理的，那些含有锂做主要添加物（例如某些8XXX合金）的合金也可以被热 处理。典型的热处理方法包括固熔热处理，在液态介质中的淬火和后续的时效。一个淬（回） 火指示符被添加到合金名称后来记述经过热处理后的状态。这样-T4指的是材料经过固熔 热处理和淬火后可以在室温下自然时效，而-T6指的是人工时效到强度峰值。附加的数字 可以指示更详细的处理，例如校直操作。热处理的更多的细节以及对材料性能的影响可在 大量的文献中查到。增强体的添加（特别是颗粒和品须）已被发现对DRA MMC基体材料 的老化响应有显著的影响。老化响应可能被加速也可能被延缓，同时，这样的影响对材料 和加工过程都是特有的。由于这-原因，可热处理合金做基体的MMC的时效处理与没有 增强的基体有着显著的不同。大多数锻造合金内含少量合金添加物，例如：在热加工过程 中Z「（锆）被加入到不同的合金中来控制再结晶。然而，在MMC中增强颗粒的存在也有 助于颗粒细化，这样可以减少对在锻造合金中常见的次要添加物的需求。 不可热处理的合金是那些不是通过热处理使其明显强化的材料。材料的强度是由固熔 体中存在的合金元素和冷加T.的程度决定，1XXX,3XXX,4XXX和5XXX系列的锻造合 金一般情况下是不可热处理的。加在这些合金后淬（回）火指示符通常是-O,指的是充分 退火和软化状态，或-H(伴随附加数字)。H指的是采用了塑性变形（通常用冷轧）来强 化材料，附加的数字表述的是应变硬化的程度，和为了控制强度、延展性和对应力腐蚀敏 感性的相关退火处理。可热处理的铸造合金(2XX,3XX,7XX和8XX系列)使用与可热 32
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处理锻造合金相似的淬（回）火指示符。因为铸造在生产时不需要经历明显的机械变形， 不可热处理的1XX、4XX、和5XX系列铸造铝合金既可以表为-F(作为铸造)也可以表为 -O(铸造并退火以释放应力)。AlSi合金(3XX和4XX系列)在铸造朝合金中居主导地 位，因为它们熔化后通常展现出较高的流动性，因而，非常适合复杂形状和薄壁铸件。流 动性在铸造MMC基体组分选取的时候是一个非常重要的考虑因素，例如它必须完全充满 模具空间。Si在AI中的存在非常显著地减少了A1起化学反应、还原SiC并形成AL,C的趋 势。后面一种化合物即使在很少量存在时也会严重地增加SiC增强A1基MMC的脆性。由 于这一原因，SiC颗粒增强的铸造AI MMC采用诸如AA3S9合金作为基体材料，作为选择， SC可通过粉末冶金的方法加入到铝合金中：固态时较低的加.L温度可以减少生成AL,C的 趋势，并且这样可以提供一个宽广的范围来选择基体组分。许多在MMC中采用的AA3XX 压（模）铸合金也包含有Fe的添加物（大约有1%的重量百分比）以减少熔化A1同钢模表 面的反应。 表12.3.3.1铝合金的牌号（铝协会-A4和美国国家标准研究所-ANSI) 牌号 主要合金元素 锻造 转造 1XXX 1XX 无 2XXX 2XX Cu 3XXX Mn 3XX Si+Mg:Si+Cu:Si +Mg +Cu 4XXX 4XX Si 5XXX 5XX Mg. 6XXX M组+Si 700X 7XX 0 8XXX 与以上各类不问 8XX Sn 1.2.3.3.2铜 此节留待以后补充。 123.3.3铁 此节留待以后补充。 1.2.3.3.4镁 此节留待以后补充。 1.2.3.3.5镍 此节留待以后补充。 1.2.3.3.6钛 钛基复合材料已成功地由各种B,-B和α相钛合金中制造出来。因为钛合金的密度人 约为0.18b/n3(4317kgm3),在强度与退火钢相当时，它比铝合金的密度通常高60%， 比低合金钢的密度低40%。在温度高达315℃(600℉)时，钛合金通常仍能保持优良的结 33
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构性能和抗氧化性。相对于以前的连续纤维增强铝基复合材料，这些合金可以为复合材料 体系提供较高的基体性能，所以人]对特殊合金的选择有较大的兴趣。 尽管钛合金主要以锻造产品形式提供，但它1750℃(3200°F)的高熔点和加工硬化 特性使其比其他合金难以加工。一般说机械加工时，B相钛合金比-B相合金有较高的压缩 比，然而，-B相合金在高温下有更高的强度保持率。另外，钛是高活性元素，因此，在高 温下较难以处理和加工。钛的熔/铸和快速凝固操作都必须在真空环境中进行。 尽管一些特殊的合金已注册了商业名称（例如：Timetal-21,Ti-1100),钛合金的识 别是由它们主要的合金成分来区分（例如：Ti-6Al-4V,Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)。在钛复合 材料中最常用的是Ti-64,Ti-15-3-3-3,Ti-6-2-4-2和Timetal-.21。一直对各种铝化钛合金 有很大的兴趣，包括-2、超级-2、Y和大部分斜方晶系合金，这些合金提供较高的高温强 度、蠕变强度和微结构稳定性并且很适合在一些燃气涡轮发动机上应用，然而，低延展性 和隙间杂质容限低使得加工变得更加困难。 1.2.4增强材料 MMC的增强材料可以是非连续的纤维或对于金属基体的第二相添加物，它们会导致 一些性能的净提高，通常是强度和/或硬度的提高。MMC最常用的增强体材料是陶瓷（氧 化物、碳化物、氨化物等)，它们的特性是室温和高温环境中的高强度和高刚度。常用的 MMC增强体如SiC,A12O3,TB2,BC和石墨，不常用金属增强体。 1.2.4.1增强体的种类 增强体可分为两大类：(1)颗粒或晶须：(2)纤维。纤维增强体又可细分为连续和非连续 纤维。纤维增强了铺设方向上的强度，但在垂直铺设方向上强度低是连续纤维增强MMC 的特征。另一方面，非连续（纤维）增强的MMC表现出更多的各向同性。 1.2.4.2增强体的作用 增强体的作用由它们在结构MMC材料中的类型决定。在颗粒或晶须增强的MMC中， 基体是主要的承载组分。增强体的作用是通过机械约束作用阻止基体变形而增强增硬复合 材料。约束功能通常是粒间间隔与颗粒直径比值的函数。在连续纤维增强的MMC中，增 强体是主要的承载组分。金属基体的作用是将增强纤维结合到一起并且传递和分配载荷。 非连续纤维增强的MC显示出介于连续纤维增强和颗粒增强复合材料之间的特征。通常 增强体的添加提高了强度、硬度和热容但降低了所得MMC的热膨胀系数。当与高密度金 属基体组合时，增强体还可以起到降低密度的作用，因而可以提高某些性能，例如比强度。 1.2.5增强体涂层 1.2.5.1涂层的作用 在许多MMC中，增强体在添加到金属基体中以前，都有必要加上一层薄的涂层。 一般讲，纤维的涂层可以提供以下几个益处： ● 作为一个扩散阻挡层，保护纤维不与基体反应和扩散。 ● 阻止纤维-纤维直接接触。 改善纤维与基体的润湿与结合。 ●减缓纤维与基体之间的热应力或应变集中。 34
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●在纤维的操作过程中保护纤维不受伤害。 在有些实例中，颗粒被加上涂层，通过加强润湿和减少界面反应来提高复合处理过程。 1.2.5.2涂层类型 给出了涂层的主要作用后，有几种技术可以用于在长纤维上沉积薄涂层，但很少用于 短纤维和颗粒增强体。一个此类的工艺是化学气相沉积(CVD)。在这一I艺中，热纤维 穿过一个反应区域，在该区域中某物质通过热分解或与其他气体反应的方法而气化，进而 在纤维表面形成沉积层。有时沉积过程通过产生等离子放电而加强（等离子辅助CVD)。 物理气相沉积(PVD)、电镀和喷涂是一些用来生成纤维涂层的其他技术。当目的是要增 强润湿性，涂层的结构和完整性就没有被用作保护层时那样给予关注。除了热力学稳定性 外，用来保护纤维不受金属基体化学侵害的阻挡涂层必须削弱反应物通过它的传递。已经 发现由活性盐涂层的熔解作用，如K,ZF6导致的助熔反应可增强特别是铝中碳和碳化硅纤 维的润湿性。在基于陶瓷纤维的丝束上涂胶可提高加特性。 1.2.6制造过程 1.2.6.1概述和总的说明 制造任何MMC所选用的制造工艺由许多因素来决定，其中最重要的是： ●增强体强度的保持 ●使增强体损伤最小 ● 促进基体和增强体之间的润湿与结合 ● 允许增强体在基体中适当衬垫、分布和取向的适应性 这些主要的工业制造工艺可以分成液相和固态工艺。液相艺的特点是密切的界面接 触和由此产生的强的结合，但是容易形成脆的界面层。固态艺包括压固后的粉末混合、 扩散连接和气相沉积。液相工艺包括压力铸造和压力渗透，喷射/溅射沉积，淤浆铸造（混 合铸造)和反应工艺（原位复合材料）。 1.2.62组合和1压周 1.2.6.2.1粉末混合和压固 粉末混合和压是制备非连续增强MMC的常用方法。在这·工艺中，金属基体和增 强体的粉末首先混合并放入所需形状的模具中。混合过程可在下态或液体悬浮液中进行。 然后加压使粉末更密实（冷压）。压块然后被加热到低于金属熔点，但足以产生明显固态 扩散（烧结）的温度。搅和后的混合物也可以直接通过热压或热等静压压固来得到较高的 密度。压固后的复合材料就可用于第二道工序。在搅和时得到均的混合物是一个关键因 素，因为非连续增强体总是倾向于维持大块形式，其隙间空间小倒使基体颗粒难以渗透。 1.2.6.2.2凝固扩散连接 这一方法一般被用来利用基体材料的薄片、箔、粉末、粉带或丝，或涂覆基体的纤维 生产纤维增强MMC。增强纤维和金属基体的组合方法依赖丁纤维类型和纤维编排预成形 方法。在单体纤维的情况下，例如碳化硅和硼，纤维间距可控的平行排列由鼓轮缠绕且和 金属带一起机织而制成，或把一根或多根单丝加入到个连续的过程中。丝束基的纤维， 例如氧化铝或石墨（碳），通常用鼓轮或筒子架连续缠绕。基体材料可以以单独的组分（例 35
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