铝基复合材料反挤压数值模拟文献综述

铝基复合材料反挤压数值模拟文献综述

1.1 金属基复合材料发展概况

金属基复合材料(MMC)是20世纪60年代末才发展起来的。它的出现弥补了聚合物基复合材料的不足，如耐温性较差(一般不能超过300\且不能满足材料导电、导热的需要。与单质的同类金属相比，金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、 高耐磨性、低的热膨胀性和耐高温性能这些性能是单质金属材料所不具有的。早期研究工作所用的增强材料主要是钨、硼纤维和碳化硅SiC增强颗粒等。由于当时这些材料的制造成本昂贵，金属基复合材料的研究工作一度处于低潮。70年代后，随着碳化硅SiC增强颗粒与纤维等增强材料成本的降低以及氧化铝纤维和颗粒、碳化硅颗粒等新的廉价增强材料的出现和批量生产，以及金属基复合材料制备与成形方法的进步，金属基复合材料的研究。全面发展起来。此后至今的20多年晕，世界各国的研究工作者以不同增强材料如SiC、A1203、C、B对增强铝、镁、钦、镍等合金各种复合材料进行了大量深入的研究。研究内容包括探索复合材料的制备与成形方法，探讨它们的力学、物理性能，研究其微观结构、强化机理、变形与断裂行为等。随着性能好、成本低的增强剂的研制成功及各种加工方法的提出，金属基复合材料尤其是铝基复合材料，己成为一种具有开发潜力和发展途的复合材料。部分铝基复合材料已进入商业化生产阶段，应用到航天航空工业、兵器工业，汽车工业等领域，如用纤维增强的铝合金活塞不但提高了刚性、尺寸稳定性、抗热疲劳性及高温强度，而且减轻了活塞质量。同本、美国的一些企业均能大批量生产这种活塞，广泛用于航空和汽车领域。此外，还有连杆、喷气发动机叶轮、飞机发动机扇形叶片等。在兵器行业MMC办有广泛的应用前景，适用于装甲车辆零部件，如铝合金负重轮、履带板，刹车片等。哈尔滨工业大学采用AI 20ySiCp局部混杂增强半固态模锻复合工艺成功研制了WZ502步兵战车铝合会负重轮，为我国战车轻量化打下了基础。

金属基复合材料按增强体的几何形状通常分为：连续纤维增强金属基复合材料、层板复合材料、非连续物（包括短纤维、SiC增强颗粒、颗粒和片状增强体)增强金属基复合材料。

连续纤维增强金属基复合材料：利用高强度、高模量、低密度的碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、金属合金丝等增强金属基体组成高性能复合材

料。通过基体、纤维类型、纤维排布方向、含量、方式的优化设计组合，可获得各种高性能。具有高强度、高模量的连续纤维是复合材料的主要承载体，增强基体效果明显。基体金属主要起固定纤维、传递载荷、部分承载的作用。连续纤维增强金属基复合材料具有明显的方向性，在沿纤维轴向上具有高强度、高模量等性能，而横向性能较差。一般来讲，连续纤维增强金属基复合材料制造难度大、成本较高。

层板复合材料：将两种或两种以上优化设计和选择的层板相互完全粘接在一起组成的层板复合材料。具有单一板材难以达到的综合性能。层板复合材料可由金属与金属板、金属与非金属板组合而成，适应各种应用的需求。其中余属层板复合材料、金属与聚合物板复合材料发展迅速，已有批量生产，应用到汽车、船舶、化工、仪表等工业领域。采用层板复合材料的复合甲板替代装甲车辆钢质甲板是一非常有前景的应用领域。

非连续增强金属基复合材料：由短纤维、SiC增强颗粒、颗粒为增强物与余属基体的复合材料。增强物在基体中随机分布，其性能各向同性，而且各项性能指标易于通过控制增强物的含量及其在基体中的分布形态加以调整。非连续增强物的加入，明显提高了金属的耐磨、耐热性、提高了高温力学性能、弹性模量。降低了热膨胀系数等。这类复合材料的最大特点是材料制备和成形方法种类多，成形过灵活，可以采用常规的粉木冶会、液态金属搅拌、液态会属压力下浸渗、喷射沉积、真空压力下浸渗等方法制造，并可用铸造、挤压、锻造、轧制、半固态流变和触变成形等加工方法进行加工成形，制造成本低。因此，它具有更广阔的应用发景。基于此，材料专家们认为，金属基复合材料未来的发展方向是非连续增强会属基复合材料，并预计这类复合材料将率先得到广泛应用。因此，非连续增强会属基复合材料是21世纪会属基复合材料工作者重点研究发展方向。

1．2 铝基复合材料的特性及运用

1．2．1 金属基复合材料的特性

金属基复合材料的性能特点主要取决于基体金属和增强体的特性、含量和分布等。可以通过对其优化组合获得高性能的材料，会属基复合材料的主要有以下的性能特点： (1)高比强度、比模量

由于增强体是高强度、高模量、低密度的纤维、SiC增强颗粒、颖粒等，因此 明显提高了复合材料的比强度和比模量。用高比强度、比模量的复合材料作成的构件重量轻刚性好、强度高，是航天航空的良好材料。 (2)优越的耐热性能

金属基体的高温性能比有机高分子高得多，同时增强纤维、SiC增强颗粒和颗 粒在高温下又具有很高的高温强度和模量。因此金属基复合材料具有比基体会属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料，纤维强度在高温下基本上不下降，纤维增强金属基复合材料的高温性能可以保持接近金属的熔点，比如石墨纤维增强铝基复合材料在5000C高温下仍有600MPa；而铝基体在300。C强度就己经下降到100 MPa以下了。因此金属基复合材料可以用作在高温环境下使用的零部件，从而可以提高零部件的使用寿命，大幅度提高工作效率。 (3)耐磨性好

高强度、高模量、高硬度的陶瓷增强材料的加入明显提高了金属基复合材料 的耐磨性，而某些具有自润滑作用的增强材料(如石墨)又可大大降低复合材料的摩擦系数。通过控制调整增强材料的种类形状、尺寸和取向等可以获得最小磨耗和与对磨材料的最佳匹配。比如在铝基体中加入7％的硅酸铝短纤维，就能使耐磨性成倍提高。因此金属基复合材料可以广泛用于汽车发动机、刹车盘、活塞等表面接触应力大的零件上。 (4)导热导电性能好

金属基复合材料的基体是金属，复合材料仍保持了金属的良好导热和导电性。 良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集的问题，良好的导热性能能减少构件受热后产生的温度梯度和迅速散热，这样可以保持尺寸的稳定性。在会属基复合材料中采用高导热性的增强物得到复合材料导热性能比金属还好．比如石墨纤维增强铜基复合材料的强度和模量都比铜高，又保持铜的优异的导热和导电性能，其常用束制造大规模集成电路的底板和半导体装置的支持挚板，防止底板的翘曲和半导体基片裂纹的产生，提高了器件的稳定性。 (5)疲劳性和断裂韧性

金属基复合材料的疲劳性和韧性取决于增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是它们之『白J

的界面状态，好的界面结合可以有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，从而提高材料的韧性。当在会属基体中的短纤维和连续纤维与应力方向平行时，疲劳性能得到很大的改善。

(6)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体短纤维、SiC增强颗粒等均具有很小的膨胀系 数，而且具有很高的模量，特别是那些高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。通过设计复合材料的组成，可以使复合材料的热膨胀系数明显下降，并可以调整增强体的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种情况的需要。通过选择不同的基体和增强体，以一定的比例复合在一起，可以得到导热性好、热膨胀系数小、尺 …… 此处隐藏：3240字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……