金属基复合材料

1、复合材料的定义和分类是什么？

定义：是由两种或多种不同类型、不同性质、不同相材料，运用适当的方法，将其组合成具有整体结构、性能优异的一类新型材料体系。

分类：按用途可分为：功能复合材料和结构复合材料。结构复合材料占了绝大多数。

按基体材料类型分类可分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料（包括陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、玻璃基复合材料）

按增强材料形态可分为：纤维增强复合材料（包括连续纤维和不连续纤维）、颗粒增强复合材料、片材增强复合材料、层叠式复合材料。 3、金属基复合材料增强体的特性及分类有哪些？

增强物是金属基复合材料的重要组成部分，具有以下特性：1）能明显提高金属基体某种所需特性 ：高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能；2）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；3）有良好的浸润性：与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，基体良好复合和分布均匀。此外，增强物的成本也是应考虑的一个重要因素。 分类：纤维类增强体（如：连续长纤维、短纤维）、颗粒类增强体、晶须类增强体、其它增强体(如：金属丝)。 4、金属基复合材料基体的选择原则有哪些？ 1）、 金属基复合材料的使用要求；2）、金属基复合材料组成的特点；3）、基体金属与增强物的相容性。 5、金属基复合材料如何设计？

复合材料设计问题要求确定增强体的几何特征（连续纤维、颗粒等）、基体材料、增强材料和增强体的微观结构以及增强体的体积分数。一般来说，复合材料及结构设计大体上可分为如下步骤 ：1）对环境与负载的要求： 机械负载 、热应力 、潮湿环境 2）选择材料： 基体材料 、增强材料 、几何形状 3）成型方法、工艺 、过程优化设计 4）复合材料响应： 应力场 、温度场等 、设计变量优化 5）损伤及破坏分析： 强度准则 、损伤机理 、破坏过程 6、金属基复合材料制造中的关键技术问题有哪些？

1）加工温度高，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。过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。高温下反应产物通常呈脆性，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。 2）增强材料与基体浸润性差是金属基复合材料制造的又一关键技术，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，基体对增强材料浸润性差，有时根本不发生润湿现象。 3）按结构设计需求，使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中也是金属基复合材料制造中的关键技术之一。增强材料的种类较多，如短纤维、晶须、颗粒等，也有直径较粗的单丝，直径较细的纤维束等。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。

7、金属基复合材料的成形加工技术有哪些? 1）铸造成型，按增强材料和金属液体的混合方式不同可分为搅拌铸造成型、正压铸造成型、铸造成型。2）塑性成形，包括铝基复合材料的拉伸塑性、金属基复合材料的高温压缩变形、铝基复合材料的轧制塑性、铝基复合材料的挤压塑性、金属基复合材料的蠕变性能、非连续增强金属基复合材料的超塑性（包括组织超塑性、相变超塑性 、其他超塑性）。3）连接，具体又可分为：应用于MMCs 的常规连接技术（包括熔融焊接、固相连接、钎焊、胶粘），新型MMCs 连接技术（包括等离子喷涂法、快速红外连接法(RIJ )），机械切削加工（包括5.4.1 SiCw/Al复合材料的切削加工、（Al3Zr+Al2O3）P/ZL101A原位复合材料的切削加工）。

8、金属基复合材料的各种界面结合机制？

1）机械结合：基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成；2）溶解和润湿结合：基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶解而产生的一种结合形式；3）反应结合：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；4）交换反应结合：基体与增强物之间，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；5）氧化物结合：这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况；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。 9、影响金属基复合材料性能的关键因素?损伤及失效机制？

性能影响因素：基体影响、增强体影响、基体和增强体相容性的影响、工艺的影响、界面的影响。 金属基复合材料的损伤与失效通常包括三种形式：增强相的断裂导致的基体塑性失效，增强相和基体之间界面的脱开导致的基体塑性失效，基体内孔洞的成核、长大与汇合导致的基体塑性失效。

10、金属基复合材料的应用及发展趋势？制约其应用的关键问题？ 金属基复合材料自进入工业应用发展阶段以来，逐步拓宽了应用范围，大体有以下应用：1）在航天领域的应用：连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用，铝基复合材料在导弹中的应用，铝基复合材料在航天领域的其他应用；2）在汽车工业上的应用：在内燃机方面的应用，在制动系统上的应用；3）在电子封装领域的应用。 其发展趋势集中在以下方面：完善非连续增强金属基复合材料体系，重点发展高性能低成本非连续增强金属基复合材料，开展非连续增强金属基复合材料制备科学基础和制备工艺方法研究，开展非连续增强金属基复合材料热处理技术的研究，开展非连续增强金属基复合材料高温塑性变形和高速超塑性研究，开展非连续增强金属基复合材料的机械加工研究，开展非连续增强金属基复合材料在不同环境下的行为研究，开展非连续增强金属基复合材料的连接技术研究。 有许多因素与金属基复合材料（MMCs ）的大规模应用相关联，原材料制备方法、二次加工、回收能力、质量控制技术等都制约着MMCs 的应用。从MMCs 在汽车和航空、航天领域中的应用来看，应用成本是主要的制约因素，而增强体的成本高是造成复合材料应用成本居高不下的主要原因。具体关键问题有：增强体的选择问题、生产数量、局部增强手段、二次加工性能、回收能力、质量控制体系。

11、什么是SHS法原位生成技术，举例说明其过程。 其基本原理是：将增强相的组分原料与金属粉末混合，压坯成型，在真空或惰性气氛中预热引燃，使组分之间发生放热化学反应，放出的热量、引起未反应的邻近部分继续反应，直至全部完成。反应生成物即为增强相呈弥散分布于基体中，颗粒尺寸可达亚微米级。 其典型工艺为：利用合金熔体的高温引燃铸型中的固体SHS系，通过控制反应物和生成物的位置，在铸件表面形成复合涂层，它可使SHS材料合成与致密化、铸件的成形与表面涂层的制备同时完成。潘复生等人将SHS技术和铸渗工艺相结合，制备了颗粒增强的铁基复合材料涂层。在这种工艺中，SHS过程使基体产生一定数量的增强颗粒，而随后的熔铸过程则利用高温金属液的流动，对SHS过程中易产生的孔隙进行充填，因此两个过程的综合作用下获得较为致密的复合材料。 12、什么是LSM法原位生成技术，举例说明其过程。 其基本原理是将含有Ti和B的盐类（如KBF4和K2TiF6）混合后，加入到高温的金属熔体中，在高温作用下，所加盐中的Ti和B就会被金属还原出来而在金属熔体中反应形成TiB2增强粒子，扒去不必要的的副产物，浇注冷却后即获得了原位TiB2增强的金属基复合材料。 13、金属基复合材料的界面优化和控制途径有哪些？

1）对增强材料进项表面涂层处理：在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应阻挡层的作用；2）选择金属元素：改善基体的合金

成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应，尽量选择避免易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素；3）优化制备工艺和参数，金属基复合材料的界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应发应的有效途径。

14、汽车、摩托车的刹车盘原来采用铸铁材料，查找相关资料并结合你的思考，分析其工作条件和提出其性能要求，然后指出你选用或设计何种复合材料并说明，最后提出你的制备思路。 汽车、摩托车的刹车盘工作在高温、高压下，摩擦的条件下，磨损非常严重。因此刹车盘应该具有耐磨、耐高温（良好的导热性）、抗疲劳性等性能。综合其工作条件及满足其性能要求，我们可以选用颗粒增强型铝基复合材料。选用的增强体颗粒是SiCP，制备方法为真空压力浸渍法。因为颗粒增强铝，得到的材料具有耐一定的高温，耐磨，导热性好，抗疲劳性好的优点。 制备思路：同下图

15、集成电路现在应用广泛，现在集成电路现在越来越来越高，功率越来越大，为保证其可靠性，查找相关资料并结合你的思考，分析其工作条件和提出其性能要求，然后指出你选用和设计何种复合材料并说明理由，最后提出你的制备思路。 集成电路长时间高负荷运转，因此本身处于较高温度条件下，因此需要寻找高导热系数的材料作为分装基材，但这种材料还需要同时满足与电路硅片及基绝缘陶瓷基板的热膨胀系数（CTE）相匹配的要求，否则会因热失配形成残余应力损害电路。因此可以选用真空压力浸渍法进行了碳化硅颗粒增强铝封装器件。基体是铝，增强颗粒是碳化硅。这种铝基复合材料导热系数高，并且能与电路硅片和基绝缘陶瓷基板热膨胀系数相匹配，满足集成电路所需要的性能要求。

1.内生增强的金属基复合材料具有如下特点（第5页）：

1）增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。 2）通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。 3）省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成本较低。 4）从液态金属基体汇总原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净成形构件。 5）在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。

2.金属基复合材料特性（第5页）： 高比强度，高比模量 良好的导电导热性能 热膨胀系数小，尺寸稳定性好 良好的高温性能 耐磨性能好 良好的疲劳性能和断裂韧度 不吸潮，不老化，气密性好

1.增强体的作用（第8页） 增强体是金属基复合材料的重要组成部分，它起着提高金属基体的强度、模量、耐热性、耐磨性等性能的作用。 2.选择增强体的主要考虑因素（5个）（原则） （1）力学性能：杨氏模量和塑性强度； （2）物理性能：密度和热扩散系数； （3）几何特性：形貌和尺寸； （4）物理化学相容性； （5）成本因素。

3.制造碳纤维需要经历的5个阶段：（第12页）

(1)拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种任意一种； (2)牵伸：在室温以上，通常是100～300℃范围内进行； (3)稳定：通过400℃加热氧化的方法； (4)碳化：在1000～2000℃范围内进行； (5)石墨化：在2000～3000℃范围内进行。 4.溶胶-凝胶法的特点（第18页） 优点：

制品的均匀度高，尤其是多组分的制品，其均匀程度可达分子或原子水平； 制品纯度高，而且溶剂在处理过程中容易被除去； 烧结温度比传统方法低400~500℃； 制备的氧化铝纤维直径小，因而抗拉强度有较大提高； 溶胶－凝胶法工艺简单，可设计性强，产品多样化，是一种很有发展前途的制备无机材料的方法。 5.晶须的分散技术有哪些？（第21页）

球磨分散、超声分散、溶胶凝胶(sol –gel)法分散以及分散介质选择、pH值的调整等。 1.分析论述金属基复合材料的可设计性（为什么复合材料具有可设计性） （1）复合材料是由增强体、基体、界面三部分组成。 （2）基体和增强体材料是可以选择的，比如增强体的大小、形貌、分布等都会造成所制备复合材料性能的不同。 （3）此外，选择不同的制备工艺和成型工艺也会影响复合材料性能。 综上，设计者可以根据外部环境的变化与要求来设计具有不同特性与性能的复合材料。

2.复合材料的设计主要包含哪几部分？（第28页） 功能设计、结构设计和工艺设计 3.选择基体的原则（第29页）： 金属基复合材料的使用要求 金属基复合材料组成的特点 基体金属与增强物的相容性

4.功能复合材料调整优值的途径（第38页）：

（1）调整复合度（2）调整联接方式（3）调整对称性（4）调整尺度（5）调整周期性 5.复合效应包括（第39页）：什么是乘积效应 乘积效应、系统效应、诱导效应和共扼效应 乘积效应：在复合材料两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。

6.热膨胀系数以及表达公式（第54页） 定义：表征材料受热时线度或体积变化程度。 表达公式:线膨胀系数：

体膨胀系数：

式中，L为材料的

线度，T为材料的热力学温度，V为材料的体积。

7.提高或改善金属基复合材料的阻尼性能可以采用的方法（第59页） （1） 用高阻尼基体金属 （2） 用高阻尼增强物 （3） 设计高阻尼界面 1.金属基复合材料制备方法分类（第60页）

固态法：固态法是在基体金属处于固态情况下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。 液态法：液态法是在基体金属处于熔融状态下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括：真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法等。 表面复合法：新型制造方法包括：原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法及复合镀法等。 2.制备技术应具备的条件（60页）

(1) 使增强材料均匀地分布金属基体中，满足复合材料结构和强度要求; (2) 能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥; (3) 能够充分发挥增强材料对基体金属的增强、增韧效果; (4) 设备投资少，工艺简单易行，可操作性强；便于实现批量或规模生产; (5) 能制造出接近最终产品的形状，尺寸和结构，减少或避免后加工工序. 3.金属基复合材料制造的关键性技术及解决方法（第61页）（与成形对照） 1)加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应; 解决方法：① 尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应降低至最低程度； ② 通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快； ③ 采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。

2)增强材料与基体浸润性差; 解决方法：① 加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的浸润性； ② 对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的涂层。

3)增强材料在基体中的分布。 解决方法：① 对增强体进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快; ② 加入适当的合金元素改善基体的分散性；③ 施加适当的压力，使其分散性增大。④ 施加外场(磁场,超声场等)

4.热压和热等静压技术基本原理（第62页）

热压法和热等静压法亦称扩散粘接法，是加压焊接的一种，因此有时也称扩散焊接法。它是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。 扩散粘接过程可分为三个阶段： ① 粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜（通常是氧化膜）破坏； ② 随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面粘接； ③ 由于热扩散结合界面最终消失，粘接过程完成。 影响扩散粘接过程的主要参数：温度、压力和一定温度及压力下维持的时间，其中温度和气氛最为重要. 5.液态制造技术的种类（举几例说明）（第65页）（给两三个空让填种类）：

真空压力浸渍技术、挤压铸造技术、液态金属搅拌铸造技术、液态金属浸渍技术、共喷沉积技术、热喷涂技术。

6.液态金属搅拌铸造技术的特点、技术问题（第67页） 特点：工艺简单，制造成本低廉。 存在问题：一是为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒，10～30μm之间的颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，易产生团聚；二是强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属的氧化和吸气等。 注意事项及措施： （1） 在金属熔体中添加合金元素. 合金元素可以降低金属熔体的表面张力。（2） 颗粒表面处理. 比较简单有效的方法是将颗粒进行高温热处理，使有害物质在高温下挥发脱除。（3） 复合过程的气氛控制由于液态金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和润湿，吸入的气体又会造成大量的气孔，严重影响复合材料的质量，因此要采用真空、惰性气体保护来防止金属熔体的氧化和吸气。（4） 有效的机械搅拌。强烈的搅动可使液态金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效改善金属与颗粒之间的润湿性，促进颗粒在液态金属中的均匀分布。 7.共喷沉积技术（第71页）

工艺过程：基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积和凝固等工序。

主要工艺参数有：熔融金属温度，惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度、沉积底板温度等。

特点：适用面广；生产工艺简单、效率高；冷却速度快；颗粒分布均匀；复合材料中的气孔率较大

8.原位自生成技术（72页），尤其是熔体直接反应法（第80页）（方程式问题、熔体直接反应法的特点、工艺过程、问题） 熔体直接反应法：

实例：熔体原位反应合成(Al3Zr+Al2O3)铝基复合材料 反应式：3Zr(CO3)2+13Al(l)→6CO2↑+3Al3Zr+2Al2O3

特点：(1)该工艺以现有的铝合金熔炼工艺为基础，在熔体中直接形成增强颗粒，并且可以直接铸造成各种形状的复合材料铸件； (2)增强体颗粒大小和分布易于控制，并且其数量可在较大范围内调整; (3)该工艺可同时获得高强度、高韧性的复合材料。

制备工艺过程(基本原理):将含有增强相颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在某一温度下加到熔融的铝合金表面，然后搅拌使反应充分进行，从而制备内生颗粒增强的复合材料。 2.铸造成形的技术问题以及如何解决（第86页） （1）增强颗粒与金属熔体的润湿性 解决方法： ① 增强颗粒表面涂层 ② 金属基体中加入某些合金元素 ③ 用某些盐对增强颗粒进行

预处理 ④ 对增强颗粒进行超声清洗或预热处理 （2）增强颗粒分布均匀性 解决方法：调整提高金属熔体粘度，减小增强颗粒的粒径。通常金属熔体的黏度是通过添加合金元素来提高的，但粘度增大会导致复合材料存在气体及夹杂物不易排出的问题。 （3）增强颗粒与基体金属的界面结构 解决方法：选择合适的增强颗粒与金属基体组合，是保证界面结合良好的重要途径。 （4）PRMMC 的凝固过程 研究复合材料凝固过程中颗粒被生长界面推移的距离，对分析颗粒分布的均匀性更为合理。 3.铝基复合材料的挤压塑性（92页）

影响挤压成型的的主要因素：润滑剂、挤压温度、挤压比、挤压速度、SiC颗粒的体积分数、热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响。 4.超塑性的定义以及超塑性变形过程中组织变化的特点（95页） 超塑性又分为组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性。 （1）组织超塑性：又称细晶超塑性或恒温超塑性。指材料晶粒通过细化、超细化和等轴化，在变形期间保持稳定，在一定变形温度区间（T>0.5Tm）和一定变形速度条件下(应变速率在10-4～10-1之间)所呈现出的超塑性。

（2）相变超塑性：又称为转变超塑性或变态超塑性。是材料在变动频繁的温度环境下受应力作用时经多次循环相变或同素异形转变而得到的很大的变形量。

（3）其他超塑性：其他超塑性主要包括短暂超塑性、相变诱发超塑性以及消除应力退火过程中，应力作用下积蓄在材料内能量释放获得的超塑性。 超塑性变形过程中组织变化特点： （1）晶粒形状与尺寸的变化（2）晶粒的滑动、转动和换位（3）晶粒折皱带（4）位错（5）空洞

5.道具的磨损机理（第110页）、刀具模型（112页、114页）

道具磨损机理：① 磨粒磨损；② 粘结磨损； ③ 扩散磨损； ④ 氧化磨损。 道具模型： 1.关于界面的不稳定性因素的物理不稳定性和化学不稳定分别指什么？（135页） 金属基复合材料的界面不稳定因素有两类：物理不稳定因素和化学不稳定因素。 物理不稳定因素：这种不稳定因素主要表现为基体与增强物之间在使用的高温条件下发生溶解以及溶解与再析出现象。 化学不稳定因素：化学不稳定因素主要是复合材料在制造、加工和使用过程中发生的界面化学作用，它包括界面反应、交换反应和暂稳态界面的变化几种现象。 1.金属基复合材料性能的影响因素有哪些？（以TiB2/Al复合材料为例） 1)TiB2的体积分数、颗粒大小、分布、颗粒形貌等；Al基体的成分配比 2)制备工艺：内生还是外加 3)成形工艺：塑性成形等 4)后序处理：挤压锻等 5)服役条件等

1.长纤维增强金属基复合材料的失效机制是什么？（第205页）

累积失效机制、非累积失效机制（接力失效机制、脆性粘性失效机制、最弱环节机制）、混合失效机制

2.原位拉伸的特点、作用；裂纹的产生、长大和扩展（会用文字描述或者作图） 补充：强化机制怎么没有考~~

1.金属基复合材料在哪些领域应用（2~3个例子）（207页） 1)金属基复合材料在航天领域的应用（连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用；铝基复合材料在导弹中的应用） 2)金属基复合材料在航空领域的应用 3)在汽车工业上的应用（在内燃机方面的应用；在制动系统上的应用；有传动系统上的应用） 4)在电子封装领域的应用 2.金属基复合材料的再生与回收的方法与目的（第218页）

颗粒增强Al基复合材料再生的工艺方法，主要采用重熔后重新复合的方法，控制重熔时的温度、保温时间等工艺参数，以及采取有效的措施控制颗粒与基体的界面反应和凝固过程。同时采用二次加工和热处理的方法，使其性能不降低，从而达到PRMMCs的再生利用。 3.Al4C3相的特点、强度以及其他物理化学性能；SiO2呢？（第219页）

Al4C3析出于增强体与基体的界面上，使界面结合强度降低，降低了熔体的流动性，增大了

复合材料的环境敏感性，同时， Al4C3的含量对复合材料的刚度、强度及其失效行为具有重要影响；随着该反应的进行颗粒本身被熔融铝腐蚀而破坏，不仅强低增强体的强度，而且使复合材料的性能降低。

4.再生对金属基复合材料性能的影响（220页） 对于颗粒增强金属基复合材料，其重熔前后的性能与基体合金的成分有关，某些合金成分重熔以后不发生变化，其性能亦然，而有的合金重熔几次后性能有所下降。金属基复合材料各品种中只有非连续增强类(即颗粒、短纤维和晶须增强)才具备再生的可能。金属基体若是低熔点金属(如铅)更有利于再生。 5.铝基复合材料重熔再生过程中影响力学性能的因素（221页） 合金元素的选择、增强体的选择、温度和时间的选择 6.金属基复合材料的回收方法有哪些？（221页）

主要回收方法有熔融盐处理法、旋转炉法、电磁分离法、化学溶解分离法等。

7.金属基复合材料应用的限制因素（222页） 增强体的成本、制备方法、生产数量、局部增强手段、二次加工性能、回收能力、质量控制体系等。 8.金属基复合材料的发展趋势（与一二三章结合）（225页） 1)完善非连续增强金属基复合材料体系 2)重点发展高性能低成本非连续增强金属基复合材料 3)开展非连续增强金属基复合材料制备科学基础和制备工艺方法研究 4)开展非连续增强金属基复合材料热处理技术的研究 5)开展非连续增强金属基复合材料高温塑性变形和高速超塑性研究 6)开展非连续增强金属基复合材料的机械加工研究 7)开展非连续增强金属基复合材料在不同环境下的行为研究 8)开展非连续增强金属基复合材料的连接技术研究 四、叙述金属基复合材料基体选择的原则。

⑴ 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。 ⑵ 由于增强体的性质和增强机理不同，在基体材料的选择上有很大差别。

⑶ 选择金属基体时要充分考虑基体与增强体的相容性和物理性能匹配。尽量避免增强体与基体合金之间有界面反应，界面润湿性良好。

3.分析论述金属基复合材料的可设计性（为什么复合材料具有可设计性） （1）复合材料是由增强体、基体、界面三部分组成。 （2）基体和增强体材料是可以选择的，比如增强体的大小、形貌、分布等都会造成所制备复合材料性能的不同。同时，金属基体的组分比例也将影响复合材料表现出的宏观性能。 （3）界面的设计（4）此外，选择不同的制备工艺和成型工艺也会影响复合材料性能。 （5）设计者可以根据外部环境的变化与要求来设计具有不同特性与性能的复合材料，以满足工程实际对高性能复合材料及结构的要求。 （6）复合材料在弹性模量、线膨胀系数和材料强度等方面具有明显的各向异性性质，可以根据不同方向上对刚度和强度等性能的特殊要求来设计复合材料及结构。 （7）复合材料的不均匀也是其显著特点。复合材料的几何非线性及物理非线性也是要特殊考虑的。 （8）复合材料具有不同层次上的宏观、细观和微观结构，因此可以采用力学理论和数值分析手段对其进行设计。 （9）复合材料设计涉及多个变量的优化及多层次设计的选择。复合材料设计问题要求确定增强体的几何特征、基体材料和增强体的微观结构，以及增强体的体积分数。 复合材料的设计主要包含 功能设计、结构设计和工艺设计 复合材料设计的基本步骤 选择基体的原则（第29页）： 金属基复合材料的使用要求 金属基复合材料组成的特点 基体金属与增强物的相容性

4.功能复合材料调整优值的途径（第38页）：

（1）调整复合度（2）调整联接方式（3）调整对称性（4）调整尺度（5）调整周期性 .复合效应包括（第39页）：什么是乘积效应 乘积效应、系统效应、诱导效应和共扼效应 9. 热轧机的工作原理

热轧系统基本流程为：铝锭→熔炼炉→静置炉→过滤→铸嘴→轧机→中间机组→卷取机 热轧区：液态金属到达铸造区时，由于轧辊带走部分热量。使得金属液体冷却，形成液固两相共存区域，到达变形区时，全部形成固体金属。

10.液态金属搅拌铸造技术的特点、技术问题（第67页） 特点：工艺简单，制造成本低廉。 存在问题：一是为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒，10～30μm之间的颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，易产生团聚；二是强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属的氧化和吸气等。 注意事项及措施：

（1） 在金属熔体中添加合金元素. 合金元素可以降低金属熔体的表面张力。

（2） 颗粒表面处理. 比较简单有效的方法是将颗粒进行高温热处理，使有害物质在高温 下挥发脱除。

（3） 复合过程的气氛控制由于液态金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和润 湿，吸入的气体又会造成大量的气孔，严重影响复合材料的质量，因此要采用真空、惰性气体保护来防止金属熔体的氧化和吸气。

（4） 有效的机械搅拌。强烈的搅动可使液态金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效 改善金属与颗粒之间的润湿性，促进颗粒在液态金属中的均匀分布。 11.共喷沉积技术（第71页）

工艺过程：基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积和凝固等工序。

主要工艺参数有：熔融金属温度，惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度、沉积底板温度等。

特点：适用面广；生产工艺简单、效率高；冷却速度快；颗粒分布均匀；复合材料中的气孔率较大

颗粒加入方式： a) 通过插管直接将增强颗粒吹到雾化锥中。 b) 粒子由顶部倒流管注入的方式 c) 颗粒强制喷入金属熔滴雾化锥内

冷喷涂工艺的原理是：每种金属均有其特定的、与温度相关的临界颗粒速度，当颗粒运动超过这一速度时即会焊接于镀件之上。 热喷涂工艺原理 :热喷涂技术是把某种固体材料加热到熔融或半熔融状态并高速喷射到基体表面上形成具有希望性能的膜层,从而达到对基体表面改质目的的表面处理技术。

12.原位自生成技术（72页），尤其是熔体直接反应法（第80页）（方程式问题、熔体直接反应法的特点、工艺过程、问题） 熔体直接反应法： 实例：熔体原位反应合成(Al3Zr+Al2O3)铝基复合材料

操作步骤：实验前将Zr(CO3)2粉末，放入电烘箱中升温至250℃，保温3小时，充分去除水分，然后冷却、研磨，经过70目标准筛筛分，得到粒度<0.25mm的粉末添加料。

在电阻炉中将A356合金熔化，加热至起始反应温度850℃，精炼，静置10min后分别、分批用钟罩将上述粉末添加料压入A356熔液，并用石墨棒搅拌，使之与Al液发生反应，同时用便携式温度测试仪连续测定反应过程熔体温度的变化，反应过程中分阶段用石英玻璃管提取熔体进行水淬试验。待反应结束后用熔剂精炼、除气、除渣，并静置10～20min后，待温度降至720℃左右扒渣后浇入铜模中，制得铸态内生颗粒增强A356基复合材料。 反应方程式：Zr(CO3)2→ZrO2+2CO2↑

3ZrO2+4Al(l)→3[Zr]+2Al2O3 [Zr]+3Al(l)→Al3Zr 3Zr(CO3)2+13Al(l)→6CO2↑+3Al3Zr+2Al2O3

特点：(1)该工艺以现有的铝合金熔炼工艺为基础，在熔体中直接形成增强颗粒，并且可以直接铸造成各种形状的复合材料铸件； (2)增强体颗粒大小和分布易于控制，并且其数量可在较大范围内调整； (3)该工艺可同时获得高强度、高韧性的复合材料。 但目前要用该方法制备的复合材料主要集中在Al-Ti-B系，但该体系存在反应温度高，生成相形态不易控制和基体变质“毒化”等问题，而对其它体系涉及甚少。只能生产颗粒体积分数较小的材料，若体积分数过大，则粘度过大，扩散不开，反应不完全。

制备工艺过程(基本原理):将含有增强相颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在某一温度下加到熔融的铝合金表面，然后搅拌使反应充分进行，从而制备内生颗粒增强的复合材料。 第五章

15.关于界面的不稳定性因素的物理不稳定性和化学不稳定分别指什么？（135页） 金属基复合材料的界面不稳定因素有两类：物理不稳定因素和化学不稳定因素。 物理不稳定因素：这种不稳定因素主要表现为基体与增强物之间在使用的高温条件下发生溶解以及溶解与再析出现象。 化学不稳定因素：化学不稳定因素主要是复合材料在制造、加工和使用过程中发生的界面化学作用，它包括界面反应、交换反应和暂稳态界面的变化几种现象。 16.颗粒增强金属基复合材料的强化机制 （1）Orowan强化

Orowan强化是位错通过距离很近的细微硬粒子时受到粒子的阻碍而引起的强化作用。（ 2）细晶强化 机制主要为：增强体表面的非均质行核机制。当颗粒尺寸较小时，颗粒会钉扎大角晶界，当颗粒尺寸较大，颗粒会促进再结晶行核。颗粒增强铝基复合材料的晶粒尺寸随增强相尺寸增加而增加，随增强相体积分数增加而减少，从而在基体中产生强化。 （3）固溶强化

当外来原子固溶于基体中，它一方面能阻碍位错运动，另一方面由于外来原子与基体金属原子具有不同的尺寸，将产生晶格畸变，产生应变场，并且与位错发生交互作用。 （4）位错强化 在颗粒增强金属基复合材料中，由于增强体与基体间的热膨胀系数的巨大差异，将导致复合材料内产生很大的热应力。这种热应力引发的塑性变形，使复合材料中的位错密度显著增加。

3.Al4C3相的特点、强度以及其他物理化学性能；SiO2呢？（第219页） 反应式：4[Al]+3SiC=Al4C3+3Si

Al4C3析出于增强体与基体的界面上，使界面结合强度降低，降低了熔体的流动性，增大了复合材料的环境敏感性，同时， Al4C3的含量对复合材料的刚度、强度及其失效行为具有重要影响；随着该反应的进行颗粒本身被熔融铝腐蚀而破坏，不仅强低增强体的强度，而且使复合材料的性能降低。

17粉末冶金

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。 工艺流程：原料粉末的制备、压制成坯块、坯块的烧结、产品的后序处理 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。 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。

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