第四章+復(fù)合材料的焊接(1)

1、第四章 復(fù)合材料的焊接第一節(jié) 金屬基復(fù)合材料的焊接材料種類材料種類特性特性金屬材料金屬材料強度大，易腐蝕強度大，易腐蝕無機非金屬材料無機非金屬材料硬度大，脆性大硬度大，脆性大高分子材料高分子材料質(zhì)量輕，易老化質(zhì)量輕，易老化 復(fù)合材料復(fù)合材料Composite material無處不在的復(fù)合材料無處不在的復(fù)合材料土房-草增強泥基復(fù)合材料 鋼筋混凝土建筑框架玻璃鋼撐桿復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主貨艙門主貨艙門- 碳纖維碳纖維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂壓力容器壓力容器- 凱芙拉纖維凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂主機隔框和翼梁主機隔框和翼梁- 硼硼/鋁復(fù)合材料鋁復(fù)合材料“哥倫比亞號哥倫

2、比亞號”航天飛機航天飛機發(fā)動機的噴管發(fā)動機的噴管- 碳碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料發(fā)動機組傳力架發(fā)動機組傳力架- 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料機身防熱瓦機身防熱瓦- 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 1、復(fù)合材料基本概念、復(fù)合材料基本概念要給復(fù)合材料下一個嚴(yán)格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難要給復(fù)合材料下一個嚴(yán)格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點，有關(guān)復(fù)合材料的定義或偏重于考慮的。概括前人的觀點，有關(guān)復(fù)合材料的定義或偏重于考慮，或偏重于考慮，或偏重于考慮 FL. Matthews和和DRawlings認為，復(fù)合材料認為，復(fù)合材料是兩個或兩個以上是兩個或兩個以上，并應(yīng)滿足下面，并應(yīng)滿足下面三個條件：三個

3、條件： (1) 組元含量大于組元含量大于5； (2) 復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能，復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能， (3) 通過各種方法混合而成。通過各種方法混合而成。 按按Matthews和和Rawlings給出的定義，鋼鐵及其合金給出的定義，鋼鐵及其合金不應(yīng)屬于復(fù)合材料，如不應(yīng)屬于復(fù)合材料，如Co-Cr-Mo-Si合金不屬于復(fù)合材合金不屬于復(fù)合材料，因為這種合金經(jīng)過料，因為這種合金經(jīng)過過程；而僅有像過程；而僅有像SiC顆粒強化的顆粒強化的Al合金這種混合而成的材料才屬于復(fù)合材料。合金這種混合而成的材料才屬于復(fù)合材料。因此有人認為可將復(fù)合材料劃分為因此有人認為可將復(fù)合材料劃分

4、為廣義復(fù)合材料廣義復(fù)合材料和和狹義狹義復(fù)合材料復(fù)合材料。從廣義上講，復(fù)合材料是由從廣義上講，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同兩種或兩種以上不同的組分的組分組合而成的材料。組合而成的材料。復(fù)合材料可定義為：復(fù)合材料可定義為：用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復(fù)合、組成多相、或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復(fù)合、組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。上述復(fù)合材料的定義較易被普遍接受，它不僅明確指上述復(fù)合材料的定義較易被普遍接受，它不僅明確指出復(fù)合材料是

5、出復(fù)合材料是“”和和“”材材料，而且還指明了復(fù)合材料的料，而且還指明了復(fù)合材料的及及（如簡單混合物、化合物、合金）（如簡單混合物、化合物、合金）。根據(jù)上述復(fù)合材料的定義，復(fù)合材料應(yīng)不包括根據(jù)上述復(fù)合材料的定義，復(fù)合材料應(yīng)不包括自然形自然形成的具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和成的具有某些復(fù)合材料形態(tài)的物質(zhì)、化合物、單相合金和多相合金。多相合金。 滿足下列條件的材料稱為滿足下列條件的材料稱為復(fù)合材料復(fù)合材料： （1 1）復(fù)合材料必須是人造的，是人們根據(jù)需要設(shè)計制復(fù)合材料必須是人造的，是人們根據(jù)需要設(shè)計制造的材料；造的材料； （2 2）復(fù)合材料必須由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)復(fù)合材料

6、必須由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料組分，以所設(shè)計的形式、比例、分布組合而成，不同的材料組分，以所設(shè)計的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在；各組分之間有明顯的界面存在； （3 3）復(fù)合材料保持各組分材料性能的優(yōu)點，并增加單復(fù)合材料保持各組分材料性能的優(yōu)點，并增加單一組成材料所不能達到的綜合性能。一組成材料所不能達到的綜合性能。復(fù)合材料的組成基體基體Matrix增強相增強相Reinforcement界面界面Interface 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為；而；而另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連另一相

7、是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為強，故常稱為 ( (也稱為增強材料、增強相等也稱為增強材料、增強相等) )。復(fù)合材料的基體復(fù)合材料的基體 連續(xù)相連續(xù)相 起到將增強體黏結(jié)成整體，并賦予復(fù)合材料一定起到將增強體黏結(jié)成整體，并賦予復(fù)合材料一定的形狀、傳遞外界作用力、保護增強體免受外界的形狀、傳遞外界作用力、保護增強體免受外界環(huán)境侵蝕的作用。環(huán)境侵蝕的作用。 基體主要有聚合物、金屬、陶瓷、水泥基體主要有聚合物、金屬、陶瓷、水泥復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面是指基體與增強物之間

8、是指基體與增強物之間化學(xué)成分化學(xué)成分有顯著變化的、有顯著變化的、構(gòu)成構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作載荷傳遞作用用的微小的微小區(qū)域區(qū)域。1 1、外力場、外力場2 2、基體、基體3 3、基體表面區(qū)基體表面區(qū)4 4、相互滲透區(qū)相互滲透區(qū) 5 5、增強劑表面區(qū)增強劑表面區(qū) 6 6、增強劑、增強劑 復(fù)合材料的界面示意圖復(fù)合材料的界面示意圖界面的特點界面的特點性能和結(jié)構(gòu)上不同于基體和增強材料性能和結(jié)構(gòu)上不同于基體和增強材料具有一定的厚度具有一定的厚度連接基體與增強體材料連接基體與增強體材料能夠傳遞載荷能夠傳遞載荷復(fù)合材料的性能取決于：復(fù)合材料的性能取決于： （1 1）基體和增強體的性能；基

9、體和增強體的性能； （2 2）增強體的含量、分布、形態(tài)及尺寸大??；增強體的含量、分布、形態(tài)及尺寸大??； （3 3）基體和增強體的界面結(jié)合強度?；w和增強體的界面結(jié)合強度。 以下面五點概括了以下面五點概括了：1、復(fù)合材料的、復(fù)合材料的組分和相對含量組分和相對含量是由是由人工選擇和設(shè)計人工選擇和設(shè)計的；的；2、復(fù)合材料是以、復(fù)合材料是以人工制造人工制造而非天然形成的（區(qū)別于具有而非天然形成的（區(qū)別于具有某些復(fù)合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；某些復(fù)合材料形態(tài)特征的天然物質(zhì)）；3、組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍然、組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍然保持其固有保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)

10、別于化合物和合金）；（區(qū)別于化合物和合金）；4、復(fù)合材料的、復(fù)合材料的性能性能取決于取決于各組成相性能的協(xié)同各組成相性能的協(xié)同。復(fù)合。復(fù)合材料具有新的、獨特的和可用的性能，這種性能是單個材料具有新的、獨特的和可用的性能，這種性能是單個組分材料性能所不及或不同的；組分材料性能所不及或不同的；5、復(fù)合材料是各組分之間、復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分被明顯界面區(qū)分的多相材料。的多相材料。1234比強度與比強度與比模量高比模量高化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良（管道）優(yōu)良（管道）減摩、耐磨、減摩、耐磨、自潤滑性好自潤滑性好（摻入纖維）（摻入纖維）耐熱性高、耐熱性高、高抗沖擊性高抗沖擊性 、增強劑增強劑或者

11、或者基體基體是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都不高，且都不是完全致密的；不高，且都不是完全致密的； 、增強劑多是強度很高的纖維。、增強劑多是強度很高的纖維。（指（指強度強度與與密度密度的比值）和的比值）和是各類材是各類材料中最高的。料中最高的。例如，例如，的密度為的密度為7.8 g/cm3。復(fù)合材料的密度為復(fù)合材料的密度為1.52.0 g/cm3，只有普通碳鋼的只有普通碳鋼的1/41/5，比鋁合金還要輕比鋁合金還要輕1/左右，而左右，而卻能超過普通碳鋼的卻能超過普通碳鋼的水平。水平。 對于有對于有要求的產(chǎn)品，設(shè)計時可以選用耐腐要求的產(chǎn)品，設(shè)計時可以選用耐腐蝕性能好的蝕

12、性能好的和和； 聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的、也能也能、和和。因此它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材。因此它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的料，用其制造的化工管道化工管道、貯罐貯罐、塔器塔器等具有較長的使用壽等具有較長的使用壽命、極低的維修費用。命、極低的維修費用。 陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性。設(shè)計時可選用耐陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性。設(shè)計時可選用耐磨性好的陶瓷基體和增強材料。磨性好的陶瓷基體和增強材料。金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能在較高的溫度下長期使用，金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能在較高的溫度下長期使用，但是聚合物基復(fù)合材料不能在高溫下長期使用，即使耐高溫但是聚合物基復(fù)合材料不

13、能在高溫下長期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長期工作溫度也只能在的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長期工作溫度也只能在300 左左右。右。 復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢是根據(jù)比較共同的趨勢是根據(jù)來命名，通常來命名，通常有以下三種情況：有以下三種情況：2、復(fù)合材料的命名、復(fù)合材料的命名（1 1）強調(diào)基體時強調(diào)基體時以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合以基體材料的名稱為主。如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。（2 2）強調(diào)增強體時強調(diào)增強體時以增強體材料的名稱為主。如

14、玻璃纖以增強體材料的名稱為主。如玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維增強復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強維增強復(fù)合材料、碳纖維增強復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強復(fù)合材料等。復(fù)合材料等。（3 3）基體材料基體材料名稱與名稱與增強體材料增強體材料并用。這種命名方法并用。這種命名方法常用來表示某一種常用來表示某一種具體的復(fù)合材料具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把，習(xí)慣上把增強體材增強體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。例如：例如：“玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”，或簡，或簡稱為稱為“玻璃纖維玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或或玻璃纖維玻璃纖維/環(huán)氧

15、環(huán)氧”。而我國則常把這類復(fù)合材料通稱為而我國則常把這類復(fù)合材料通稱為“玻璃鋼玻璃鋼”。碳纖維。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料”，也，也可寫為可寫為“碳金屬復(fù)合材料碳金屬復(fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫材料叫“碳碳復(fù)合材料碳碳復(fù)合材料”。復(fù)合材料表示方法復(fù)合材料表示方法1 1）增強材料）增強材料/ /基體材料。基體材料。 如如WC/CoWC/Co（讀作：由碳化鎢增強的鈷基復(fù)合材料）；（讀作：由碳化鎢增強的鈷基復(fù)合材料）； SiCSiC（P P）/Al/Al（讀作：由碳化硅顆粒增強的鋁基復(fù)合材料）；（讀作：由碳化

16、硅顆粒增強的鋁基復(fù)合材料）； C C（f f）/EP/EP（讀作：由碳纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料）。（讀作：由碳纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料）。2 2）英文編號的縮寫。）英文編號的縮寫。 如如FRPFRP：纖維增強塑料（：纖維增強塑料（Fiber Reinforced PlasticsFiber Reinforced Plastics）；）； PMCPMC：聚合物基復(fù)合材料；：聚合物基復(fù)合材料； MMCMMC：金屬基復(fù)合材料；：金屬基復(fù)合材料； CMCCMC：陶瓷基復(fù)合材料；：陶瓷基復(fù)合材料； FRCFRC：纖維增強復(fù)合材料；：纖維增強復(fù)合材料；按照按照基體基體分類分類按照按照增強體增強體分類分

17、類、復(fù)合材料的分類、復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的復(fù)合材料的可表示為：可表示為：古代古代近代近代先進復(fù)合材料先進復(fù)合材料學(xué)術(shù)界開始使用學(xué)術(shù)界開始使用“復(fù)合復(fù)合材料材料”（composite materials ）一詞大約一詞大約是在是在20世紀(jì)世紀(jì)40年代，當(dāng)年代，當(dāng)時出現(xiàn)了時出現(xiàn)了玻璃纖維增強玻璃纖維增強不飽和聚酯不飽和聚酯，開辟了，開辟了的新紀(jì)元。的新紀(jì)元。天然復(fù)合材料天然復(fù)合材料20世紀(jì)世紀(jì)80年代以后，年代以后，設(shè)計設(shè)計、制造制造和和測試測試等方面的知識等方面的知識和經(jīng)驗的豐富，加上各類和經(jīng)驗的豐富，加上各類作為復(fù)合材料基體的材料作為復(fù)合材料基體的材料的使用和改進，使的使用和改進，使的發(fā)展達

18、到了更高的發(fā)展達到了更高的水平，即進入的水平，即進入的發(fā)展階段。的發(fā)展階段。、復(fù)合材料發(fā)展概況、復(fù)合材料發(fā)展概況人類很早就人類很早就各種天然復(fù)合材料，并各種天然復(fù)合材料，并自然自然界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如 陜西半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今；陜西半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今； 漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年；漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年； 敦煌壁畫泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆。敦煌壁畫泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆。古代古代天然復(fù)合材料天然復(fù)合材料近代近代，復(fù)合材料的發(fā)展始于，復(fù)合材料的發(fā)展始于20世紀(jì)世紀(jì)40年代，第二次世

19、界大戰(zhàn)中，年代，第二次世界大戰(zhàn)中，復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機構(gòu)件開始復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機構(gòu)件開始算起。算起。近現(xiàn)代近現(xiàn)代復(fù)合材料復(fù)合材料第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纖維增強塑料；年，玻璃纖維增強塑料；第二代：第二代：1960年到年到1980年，先進復(fù)合材料的發(fā)展時期年，先進復(fù)合材料的發(fā)展時期 1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維；年英國科學(xué)家研制出碳纖維； 1971年美國杜邦公司開發(fā)出年美國杜邦公司開發(fā)出Kevler-49 （開芙拉（開芙拉-49 ）； 1975年先進復(fù)合材料年先進復(fù)合材料“碳纖維增強、及碳纖維增強、及Kevler纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合纖維增強環(huán)氧樹

20、脂復(fù)合材料材料”已用于飛機、火箭的主承力件上。已用于飛機、火箭的主承力件上。第三代：第三代：1980年到年到1990年，纖維增強金屬基復(fù)合材料年，纖維增強金屬基復(fù)合材料 以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛第四代：第四代：1990年以后，年以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如機敏（智能）復(fù)合材料主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如機敏（智能）復(fù)合材料和梯度功能材料和梯度功能材料 縱觀復(fù)合材料的發(fā)展過程，可以看到：縱觀復(fù)合材料的發(fā)展過程，可以看到：早期發(fā)展出現(xiàn)的復(fù)合材料，由于性能相對比較低，生產(chǎn)早期發(fā)展出現(xiàn)的復(fù)合材料，由于性能相對比較低，生產(chǎn)量大，使用面廣，可稱之為量大，使用面廣，可稱之為

21、。后來隨著高技術(shù)發(fā)展的需要，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出性能后來隨著高技術(shù)發(fā)展的需要，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出性能高的高的。（）玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料（）玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料 非常成熟非常成熟 廣泛的應(yīng)用廣泛的應(yīng)用 （）金屬基復(fù)合材料（）金屬基復(fù)合材料 開發(fā)階段開發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位 （）陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等（）陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等 尚處于研究階段尚處于研究階段 有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決5、增強材料、增強材料 在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)均在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)均稱為稱為增強材料增強材料。

22、增強材料在復(fù)合材料中起增強作用，是主要的增強材料在復(fù)合材料中起增強作用，是主要的承力承力組分，組分，還能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度。還能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度。 復(fù)合材料的性能很大程度上取決于增強材料的復(fù)合材料的性能很大程度上取決于增強材料的性能性能、含含量量及及處理方法處理方法。顆粒增強型顆粒增強型非連續(xù)纖維增強型非連續(xù)纖維增強型板狀板狀(層片狀層片狀)增強型增強型連續(xù)纖維增強型連續(xù)纖維增強型 將熔化的玻璃以極快的速度抽拉將熔化的玻璃以極快的速度抽拉成細微的絲，即成為玻璃纖維。成細微的絲，即成為玻璃纖維。 細度在細度在3.821.6m, 脆性與直徑脆性與直徑的四次

23、方成正比。的四次方成正比。玻璃纖維的特點：玻璃纖維的特點：l 質(zhì)地柔軟，可以織成質(zhì)地柔軟，可以織成玻璃布，玻玻璃布，玻璃帶璃帶。l 玻璃纖維增強復(fù)合材料的機械強玻璃纖維增強復(fù)合材料的機械強度、物理性能、電性能及化學(xué)性度、物理性能、電性能及化學(xué)性能與能與玻璃的成分玻璃的成分，直徑直徑，細度細度有有直接關(guān)系。直接關(guān)系。 碳纖維特點碳纖維特點 將有機纖維燒結(jié)后得到的一種含碳量在將有機纖維燒結(jié)后得到的一種含碳量在9090以上的纖維。以上的纖維。其質(zhì)輕而強度高，具有良好的潤滑及耐磨性能，其價格約其質(zhì)輕而強度高，具有良好的潤滑及耐磨性能，其價格約為硼纖維的十分之一。為硼纖維的十分之一。 制備方法制備方法

24、原料纖維制造、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨化燒結(jié)等原料纖維制造、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨化燒結(jié)等工藝過程。工藝過程。 航空航天領(lǐng)域中，為獲航空航天領(lǐng)域中，為獲得得高比強度和高比彈性高比強度和高比彈性模量模量，開發(fā)新型增強纖，開發(fā)新型增強纖維維-硼纖維。硼纖維。 硼的熔點在硼的熔點在20002000以上，以上，硬度僅次于金剛石。硬度僅次于金剛石。纖維類型纖維類型拉伸強度拉伸強度彈性模量彈性模量比重比重硼纖維硼纖維3.6GPa3.6GPa400GPa400GPa2.572.57碳纖維碳纖維3.53GPa3.53GPa370GPa370GPa3 3 晶須晶須：截面積小于：截面積小于5.25.21

25、010-4-42 2，長徑比在，長徑比在101010001000單單晶體晶體。 晶體結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)部缺陷較少，其強度和模量均接近完晶體結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)部缺陷較少，其強度和模量均接近完整晶體材料的理論值，是目前發(fā)現(xiàn)的固體的整晶體材料的理論值，是目前發(fā)現(xiàn)的固體的最強形式最強形式。 是長在銀、銅等金屬上的象霉菌一樣的東西，可以從溶是長在銀、銅等金屬上的象霉菌一樣的東西，可以從溶液、熔液、固體中生成并生長，也可以通過氣相反應(yīng)來液、熔液、固體中生成并生長，也可以通過氣相反應(yīng)來制取。制取。1、金屬基復(fù)合材料 是以金屬及其合金為基體，與是以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強相人工合成的復(fù)合材料。其增

26、一種或幾種金屬或非金屬增強相人工合成的復(fù)合材料。其增強材料主要為無機非金屬，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。強材料主要為無機非金屬，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。 金屬基復(fù)合材料制備過程是在高溫下進行的，有的還在金屬基復(fù)合材料制備過程是在高溫下進行的，有的還在高溫下工作較長時間，因此界面的結(jié)合強度起到重要作用。高溫下工作較長時間，因此界面的結(jié)合強度起到重要作用。為什么會產(chǎn)生金屬基復(fù)合材料？為什么會產(chǎn)生金屬基復(fù)合材料？對材料的強韌性，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、耐高溫性、耐磨性等性對材料的強韌性，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、耐高溫性、耐磨性等性能都提出了越來越高的要求能都提出了越來越高的要求 要求材料具有更高的比強度和比模量要求材料

27、具有更高的比強度和比模量(剛度剛度) 纖維增強聚合物基復(fù)合材料不能在纖維增強聚合物基復(fù)合材料不能在300以上溫度下工作以上溫度下工作 聚合物基復(fù)合材料耐磨性差，不導(dǎo)電，不導(dǎo)熱，在使用期聚合物基復(fù)合材料耐磨性差，不導(dǎo)電，不導(dǎo)熱，在使用期間逐漸老化，變質(zhì)，尺寸不夠穩(wěn)定。間逐漸老化，變質(zhì)，尺寸不夠穩(wěn)定。（1）鋁基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用纖維增強鋁基復(fù)合材料具有比強度、比模量高，尺寸穩(wěn)定性纖維增強鋁基復(fù)合材料具有比強度、比模量高，尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能好等一系列優(yōu)異性能 ，目前主要用于航天領(lǐng)域，作為航天飛，目前主要用于航天領(lǐng)域，作為航天飛機、人造衛(wèi)星、空間站等的結(jié)構(gòu)材料。機、人造衛(wèi)星、空間站等的結(jié)構(gòu)

28、材料。 （2）鎂基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用鎂基復(fù)合材料是同類金屬基復(fù)合材料中比強度和比模量最高的一種，但鎂基復(fù)合材料是同類金屬基復(fù)合材料中比強度和比模量最高的一種，但由于價格昂貴目前只用于航空航天部門。由于價格昂貴目前只用于航空航天部門。 含硼纖維含硼纖維4045的硼的硼/鎂復(fù)合材料的拉伸強度為鎂復(fù)合材料的拉伸強度為11001200MPa，彈性，彈性模量模量220GPa，斷裂伸長，斷裂伸長0.5，泊松比，泊松比0.25。 加入少量的加入少量的SiC或或Al2O3顆粒在鎂或鎂合金中，明顯提高其耐磨性顆粒在鎂或鎂合金中，明顯提高其耐磨性 ，可，可用于制造油泵的泵殼體、止推板、安全閥等零部件用于制造油泵

29、的泵殼體、止推板、安全閥等零部件 。 石墨纖維增強鎂基復(fù)合材料由于具有最高的比強度和比模量、最好的抗石墨纖維增強鎂基復(fù)合材料由于具有最高的比強度和比模量、最好的抗熱變形阻力，成為理想的航天結(jié)構(gòu)材料，已被用于制造衛(wèi)星的熱變形阻力，成為理想的航天結(jié)構(gòu)材料，已被用于制造衛(wèi)星的10m直徑直徑的拋物面天線及其支架的拋物面天線及其支架 。 具有零膨脹系數(shù)的石墨具有零膨脹系數(shù)的石墨/鎂復(fù)合材料可用于航天飛機的大面積蜂窩結(jié)構(gòu)鎂復(fù)合材料可用于航天飛機的大面積蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮材料。蒙皮材料。2、金屬基復(fù)合材料的焊接性 基體：基體：金屬金屬(塑性、韌性好塑性、韌性好) 焊接性較好焊接性較好 增強相：增強相：非金屬非金屬

30、(高強度、高熔點、低線脹系數(shù)高強度、高熔點、低線脹系數(shù)) 焊接性較差焊接性較差 金屬基復(fù)合材料焊接的關(guān)鍵：金屬基復(fù)合材料焊接的關(guān)鍵：非金屬增強相與金屬基體以及非非金屬增強相與金屬基體以及非金屬增強相之間的結(jié)合問題金屬增強相之間的結(jié)合問題基體與增強相熱力學(xué)不穩(wěn)定基體與增強相熱力學(xué)不穩(wěn)定易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)脆性相生產(chǎn)脆性相生產(chǎn)內(nèi)因：二者的化學(xué)相容性內(nèi)因：二者的化學(xué)相容性外因：溫度外因：溫度 例如：例如：Bf/Al復(fù)合材料復(fù)合材料 430左右，左右，B+AlAlB2 脆性脆性，導(dǎo)致界面強度下降，導(dǎo)致界面強度下降 例如：例如：Cf/Al復(fù)合材料復(fù)合材料 580左右，左右，C+AlAl4C3 脆

31、性脆性，導(dǎo)致界面強度下降，導(dǎo)致界面強度下降 例如：例如：SiCf/Al復(fù)合材料復(fù)合材料 SiC+AlAl4C3+Si Al4C3+H2OC2H2+Al(OH)3 導(dǎo)致低應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致低應(yīng)力腐蝕開裂 綜上，界面反應(yīng)降低連接質(zhì)量，要避免和抑制連接時基體和綜上，界面反應(yīng)降低連接質(zhì)量，要避免和抑制連接時基體和增強相之間的反應(yīng)。增強相之間的反應(yīng)。加入活性比基體金屬更強的元素加入活性比基體金屬更強的元素(目的：代替基體與增強相發(fā)目的：代替基體與增強相發(fā)生反應(yīng)生反應(yīng)) 例如：例如： SiCf/Al復(fù)合材料，加入復(fù)合材料，加入Ti元素元素 原來：原來：SiC+AlAl4C3+Si 加入加入Ti后：后：SiC

32、(固固)+Ti+Al(液液)TiC(固固)+Si+(Ti3Al+TiAl) TiC作為強化相存在；作為強化相存在；Si增加使反應(yīng)向逆方向進行增加使反應(yīng)向逆方向進行瞬時液相擴散焊時，選用能與基體生成低熔點共晶或熔點低瞬時液相擴散焊時，選用能與基體生成低熔點共晶或熔點低于基體金屬的合金作為中間層。于基體金屬的合金作為中間層。 控制加熱溫度和焊接時間控制加熱溫度和焊接時間 例如：降低熱輸入例如：降低熱輸入 固態(tài)焊固態(tài)焊 采用非活性的材料作為增強相采用非活性的材料作為增強相 例如：用例如：用Al2O3、B4C取代取代SiC增強增強Al基復(fù)合材料基復(fù)合材料物理相容性：基體與增強相熔點相差大物理相容性：基

33、體與增強相熔點相差大大量未熔增強相大量未熔增強相熔池流動性變差熔池流動性變差氣孔、未焊透、未熔合缺陷產(chǎn)生氣孔、未焊透、未熔合缺陷產(chǎn)生未熔質(zhì)點偏聚，性能惡化未熔質(zhì)點偏聚，性能惡化金屬基體熔化：熔焊機制金屬基體熔化：熔焊機制金屬基體與增強相：釬焊機制金屬基體與增強相：釬焊機制要求良好的要求良好的潤濕性解決措施解決措施l 采用流動性好的填充金屬，例如：高采用流動性好的填充金屬，例如：高Si焊絲焊絲l 采取相應(yīng)的工藝措施減少復(fù)合材料的熔化，如加大坡口和采采取相應(yīng)的工藝措施減少復(fù)合材料的熔化，如加大坡口和采用熱輸入小的用熱輸入小的TIG焊焊 基體與增強相線脹系數(shù)相差大基體與增強相線脹系數(shù)相差大較大的內(nèi)應(yīng)

34、力較大的內(nèi)應(yīng)力 焊縫中增強相體積分數(shù)小且不連續(xù)焊縫中增強相體積分數(shù)小且不連續(xù)焊縫與母材線脹系數(shù)相焊縫與母材線脹系數(shù)相差大差大較大的內(nèi)應(yīng)力較大的內(nèi)應(yīng)力 電弧焊時，電弧力電弧焊時，電弧力纖維偏移、斷裂纖維偏移、斷裂 擴散焊時，壓力過大擴散焊時，壓力過大增強纖維擠壓破壞增強纖維擠壓破壞 對接接頭，纖維無法對接對接接頭，纖維無法對接 對于連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料，由于在纖維方向上具有對于連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料，由于在纖維方向上具有很高的強度和模量，保證纖維的連續(xù)性是提高纖維增強金屬很高的強度和模量，保證纖維的連續(xù)性是提高纖維增強金屬基復(fù)合材料焊接接頭性能的重要措施，故必須基復(fù)合材料焊接接頭性能的

35、重要措施，故必須合理設(shè)計接頭形式。 熔池粘度大熔池粘度大氣孔難以逸出氣孔難以逸出存在氣孔存在氣孔 措施：措施：焊前母材和填充材料真空去氫處理焊前母材和填充材料真空去氫處理 熔池流動性差熔池流動性差顆粒增強相的偏聚顆粒增強相的偏聚結(jié)晶最后階段液態(tài)金結(jié)晶最后階段液態(tài)金屬的增強相含量較大屬的增強相含量較大結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋 冷卻速度快冷卻速度快增強相被液增強相被液/固界面推移固界面推移偏聚偏聚3、各種連接工藝對金屬基復(fù)合材料的適應(yīng)性分析 固態(tài)焊和釬焊明顯優(yōu)于熔焊。固態(tài)焊和釬焊明顯優(yōu)于熔焊。 首先，這些方法避免了復(fù)合材料的熔化。首先，這些方法避免了復(fù)合材料的熔化。 其次，可將連接溫度控制在基體與增強相不發(fā)生反應(yīng)的其次，可將連接溫度控制在基體與增強相不發(fā)生反應(yīng)的范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 這些方法的共同缺點是接頭形式的局限性較大；且工藝這些方法的共同缺點是接頭形式的局限性較大；且工藝復(fù)雜，生產(chǎn)率低，尤其是擴散焊。復(fù)雜，生產(chǎn)率低，尤其