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金属基复合材料
金属基复合材料，语言精简，直指重点
编辑于2020-07-21 12:34:40- 金属，复合材料
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金属基复合材料
绪论
金属基复合材料的背景意义、分类、发展历史
MMCS的概念：以金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒为增强体通过复合制备技术而形成的先进材料
MMCs的构成：基体、增强体、界面
MMCS的分类
按用途分
结构型（高比强、高比摸、冲击韧性、抗疲劳）
功能型（高导热、导电、低膨胀、高阻尼、高耐磨）
按基体分
有色金属基：Al Mg Zn Cu Ti
黑色金属基:钢基、铁基
按增增强体分
连续纤维增强金属基复合材料
碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维
非连续增强金属基复合材料
晶须
颗粒
短纤维
原位自生增强金属基复合材料
MMCS的发展历史
金属基复合材料的性能、前沿、发展趋势
MMCS的特征性能
高比强度、比模量
金属基体中加入适量高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物，可显著提高复合材料的比强度和比模量。
热膨胀系数小、尺寸稳定好
高模量的石墨纤维有负的热膨胀系数
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、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，
高导电、导热
解决集成电子器件的散热问题
金属基复合材料中金属基体占有很高的体积百分数(一般在60％以上)，因此仍保持金属所特有的良好导热和导电性
在金属基复合材料中采用高导热性的增强物还可以进一步提高金属基复合材料的导热系数，使复合材料的热导率比纯金属基体还高
高耐磨
这是因为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强物，特别是细小的陶瓷颗粒。陶瓷材料硬度高、耐磨、化学性质稳定，用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。
SiCp/Al复合材料的高耐磨性在汽车、机械工业中有重要应用前景，可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件
良好的高温性能
增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都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，在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本上不下降
MMCS的前沿和发展趋势
MMCS的新理论
纳米增强理论
多元/多尺度复合强化理论
非均质构型强化理论
MMCS的新材料
高效热管理MMCS
自润滑MMCS
纳米碳增强MMCS
泡沫MMCS
高阻尼MMCs
MMCS的新技术
3D打印
外场调控原位合成技术
搅拌摩擦技术
增强体
增强体的作用、要求、分类
增强体的作用：在复合材料中粘结在基体中以改善其机械性能和物理性质
增强体的性能要求
能明显提高金属的某种特性
具有良好的化学稳定性（不发生明显的界面反应）
有良好的浸润性
增强体的分类
纤维类增强体
晶须类增强体
颗粒类增强体
其他增强体（金属丝、碳纳米管、石墨烯）
纤维类增强体
纤维类增强体的分类
连续长纤维（长度可达百米、性能有方向性,轴向强度和模量高）
单丝（硼纤维、碳化硅纤维）
束丝（玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维)
短纤维
长度一般为几毫米或几十毫米，排列无方向性
在使用时先需将短纤维制成预制件、毡、布等，再用挤压铸造、压力浸渗等方法制造短纤维增强金属基复合材料制品
典型的纤维增强体
碳纤维
简介：碳纤维是一种重量轻、强度高、模量高、耐热性高、化学稳定性好的材料
分类
按制备原料分
粘胶碳纤维
沥青碳纤维
聚丙烯啨碳纤维
按石墨化程度分
碳纤维
石墨纤维
主要性能
强度高
模量高
密度小
耐高温
热膨胀系数小，导热系数大
低温性能好
耐酸性能好
导电性能好
碳纤维的制造
气相法：在惰性气氛中，小分子有机物（烃或芳烃）在高温下沉积成纤维，用这种方法只能制造晶须或短纤维
有机纤维碳化法：将有机纤维经过稳定化处理后变成耐焰纤维，然后在惰性气氛中高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物，可制造连续长纤维
T800
硼纤维
简介：硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相沉积在钨丝表面制成的纤维
硼纤维的性能
强度高（抗压强度是抗拉强度的两倍）
模量高
密度小
耐高温（高温下易与金属反应，要在表面沉积SiC层
硼纤维的制造：在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层，目前研究用碳纤维代替钨丝
碳化硅纤维
简介：碳化硅纤维是以碳化硅为主要成分的一种陶瓷纤维，具有良好的高温性能和化学稳定性、高强度、高模量
性能特性
抗拉强度高
拉伸模量高
密度低
耐热性好
尺寸稳定性好，热膨胀系数低
与金属反应性好、浸润性好
耐腐蚀性好
制备方法：
化学气相沉积法（CVD）：在管式反应器中通入氯硅烷和氢气的混合气体，在1200以上，经反应裂解为碳化硅，并沉积在钨丝或碳丝表面
先驱体转化法：以有机聚合物为先驱体，利用其可溶可熔等特性成型后，经高温热分解处理使之从有机化合物转变成为无机陶瓷材料的方法
氧化铝纤维
简介：氧化铝纤维是高性能无机纤维的一种，它以Al2O3为主要成分，有的还含有其他氧化物，如SiO2和B2O3等成分，具有长纤维、短纤维、晶须等形式
性能特点
高强度
高模量
耐热性和耐高温氧化性（与碳纤维和金属丝相比其高温抗拉强度，更高）
热导率小，热膨胀系数低
表面活性好
制备方法
晶须类增强体
晶须概念：在人工控制的条件下，以单晶形式生长的一种纤维。晶须是一种无缺陷的理想的完整晶体，其强度接近于完整晶体的理论值
性能特点：
高强度
高弹性模量
耐高温
良好的机械性能
电绝缘性
高硬度
在电学、光学、磁学、铁磁性、介电性、传导性方面都有显著影响
物理性质
由于晶须的晶体结构近乎完整，不存在晶体缺陷，具有异乎寻常的力学及物理性能
晶须分：
金属、氧化物、氮化物、硼化物及无机盐多种晶须
金属晶须增强体：一般是由金属的固体、熔体或气体为原料、采用熔融电解法、气相沉积法获得
非金属晶须增强体：又称陶瓷类增强体，它具有高强度、高模量、耐高温等突出优点。又可分为两类，氧化物类和非氧化物类
例子：Si3N4、SiC、Al2O3.B2O3、TiB2、TiC、ZnO
α-Al2O3晶须的制造 、α-SiC晶须、 β-SiC晶须的制造 、钛酸钾晶须
颗粒类增强体
概念：主要是一些具有高强度、高模量、耐热、耐磨的陶瓷、石墨等无机金属颗粒。主要有SiC、Al2O3、Si3N3、TiC、BC、金刚石
分类
陶瓷颗粒：Al2O3、TiO2、ZrO2、SiC、Si3N4、TiC、Al4C3、Cr7C3、
金属硬质颗粒：Mo、W、Cr、Fe－P、Fe—Si
非金属颗粒：C、轻石
制备方法：颗粒尺寸小，主要是烧结法、热压、粉末冶金、液体搅拌法制备的复合材料
其他增强体
金属丝
碳纳米管
石墨烯
基体材料
基体材料概念：
基体材料是金属基复合材料的主要组分，起着固结增强物、传递和承受各种载荷(力、热、电)的作用。基体在复合材料中占有很大的体积百分数
基体材料选择的作用：
金属基体的选择对复合材料的性能有决定性的作用，金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、耐热性、抗腐蚀性等均将影响复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能
基体材料的选择原则
金属基复合材料使用要求
金属基复合材料的组成特点
对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维的性能。因此在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。
对于非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定的影响。因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体
基体金属与增强物的相容性
可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面的合金元素。
结构复合材料的基体选择
用于450℃以下的轻金属基体：Al、Mg
用于450－700ºC的复合材料的金属基体
钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，是一种可在450－650℃下使用的合金，在航空发动机等零件上使用。用高性能碳化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒增强钛合金，可以获得更高的高温性能。
用碳化硅纤维增强钛复合材料制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机
用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体
用于1000℃以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物、铌合金等
钨丝增强镍基合金主要用于高性能航空发动机叶片等重要零件。
功能用金属基复合材料的基体选择
用于电子封装的金属基复合材料有
高碳化硅颗粒含量的铝基，其基体主要是纯铝和纯铜
用于耐磨零部件的金属基复合材料有：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、锌、镁、铜、铅等金属基复合材料，所用金属基体主要是常用的铝、锌、镁、铜、铅等金属及合金。
用于集电和电触头的金属基复合材料有：碳(石墨)纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等。
金属基复合材料的设计
MMCS的设计基础
复合材料的可设计性和复合原理
MMCS的可设计性
复合材料设计的研究方法
细观力学分析方法
宏观力学分析方法
复合材料的设计基本步骤
复合效应
概念：复合效应是指复合材料的性能与组元性能之间的关系。其实质是组元性能、界面性能之间的相互作用和相互补充
分类
线性效应
平均效应：又称混合效应，是组份材料取长补短共同作用的结果。复合材料的某项性能等于组成复合材料的各组分的性能乘以该组分体积分数之加和
平行效应：指的是复合材料某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当
相补效应：复合材料中各组分复合后，可以相互补充，弥补各自的缺点，从而产生优异的综合性能
相抵效应：各组分之间出现性能相互制约
非线性效应
概念：指的是复合材料的性能与各组元的对应性能不再呈线性关系，它使复合材料的某些功能得到强化，甚至具有组元不具有的新功能
分类
相乘效应：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，例如将一种具有X/Y转换性质的组元与另一种具有Y/Z转化性质的组元复合，结果得到具有X/Z转化性质的组元材料
诱导效应:诱导效应是指在复合材料中两组元的界面上，一相对另一相在特定条件下产生诱导作用，使之形成相应的界面层，这种界面层结构上的特殊性使复合材料在传递载荷的能力或其他功能上具有特殊性，从而改变整体性能产生新效应
系统效应：系统效应是指将不具备某种性能的诸组元通过特定的复合状态复合后，使复合材料具备单个组元不具有的新性能
共振效应：是指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组分的大多数性能受到抑制，而使其中某一项性能在复合材料中突出发挥
单向连续纤维增强MMCS的力学性能设计
单向连续纤维增强复合材料的弹性模量
纵向弹性模量（EcL）：
最小纤维体积分数：纤维体积分数为复合材料的破坏由基体控制转变为由纤维控制的临界点，该点所对应的体积分数称为最小纤维体积分数Vfmin
临界纤维体积分数：使纤维增强复合材料的强度比纯基体的强度有所增加时，所需加入 纤维的最小体积分数。
等破坏点
横向弹性模量（EcT）
串联模型(EcT1)：纤维含量较少时，纤维和基体呈串联模型，等应力假设
并联模型(EcT2)：纤维含量较高时，等应变假设
单向连续纤维增强复合材料的泊松比
纵向泊松比
概念：当沿纤维方向弹性拉伸或压缩时，在弹性范围内，其横向应变与纵向应变之比的绝对值称为纵向泊松比 。
模型采用：纵向，并联，等应变
横向泊松比
概念:当沿垂直纤维方向弹性拉伸或压缩时，在弹性范围内，其纵向应变与横向应变之比的绝对值称为横向泊松比 。
模型采用：横向，串联联，等应力
单向纤维增强复合材料的剪切弹性模量
模型
G1：当纤维含量较低时，纤维彼此分散，可简化为模型1。模型1是纤维和基体轴向，串联模型，等应力假设
G2:当纤维含量很高时，纤维之间彼此接通，可简化为模型2。模型2是纤维与基体轴向并联，即纤维被基体包围，如纤维与基体结合良好，在扭矩作用下，纤维与基体产生相同剪应变，但剪应力不同，故模型2为等应变假设
单向连续纤维增强复合材料的纵向拉伸强度
单向连续纤维增强复合材料的纵向压缩强度
单向纤维增强复合材料的横向拉压强度
单向纤维增强复合材料的剪切强度
短纤维/晶须增强金属基复合材料的强化
概述
纤维的临界长度 lc：当纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维破断强度时，纤维长度称为纤维的临界长度 lc
子主题
（1）当l＜ lc时，即小于临界长度的纤维制作短纤维复合材料时，无论对复合材料施加多大应力，纤维应力都不会达到sfF，亦即纤维不可能断裂，这就不会充分发挥纤维的承载能力。而纤维只能从基体中拉出。
（2）当l > lc时，由于一般情况下，emF >efF，纤维比基体先破坏，纤维能发挥增强效果。
单向短纤维增强复合材料的弹性模量设计
随机取向短纤维增强复合材料的弹性模量设计
单向短纤维增强复合材料的强度设计
随机取向短纤维增强复合材料的强度设计
短纤维/晶须增强金属基复合材料的强化
概述：颗粒分类及强化机制
低温：切过、绕过
高温：攀移、交滑移
颗粒增强复合材料的弹性模量设计
颗粒增强复合材料的强度设计
金属基功能复合材料的设计
功能复合材料调整优值的途径
调整复合度
调整连接方式
调整周期性
调整尺度
复合材料的制造技术
绪论
制造技术简介
应具备的条件
增强材料的均匀排布
复合材料界面效应的发挥
充分的发挥增强材料对基体金属的增强、增韧
成本低
工艺简单
制造技术的分类
固态法：在基体金属处于固态的情况下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法
液态法：在基体金属处于熔融状态的情况下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法
原位自生
存在的问题
金属基复合材料在高温制造时将发生严重 的界面反应、氧化反应等有害的化学反应。在高温下制备会发生基体金属氧化、元素烧损、纤维氧化损伤等不利的化学反应
金属基体与增强物之间浸润性差，甚至不浸润
将增强物按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布在金属基体中。
解决办法
增强物的表面处理
加入合适的合金元素，优化基体合金成分
优化工艺方法及工艺参数
固态制造技术
粉末冶金技术
概念：粉末冶金是用金属粉末作为原料，经过混粉、压制成形和烧结，制造复合材料的一种固态技术
关键环节
增强体颗粒/晶须的均匀混合
基体粉末防氧化
优点
基体与增强相不易反应（温度低）
易实现颗粒的均匀分散
制备温度低，界面反应可控
子主题
子主题
子主题
缺点：制备大尺寸零件困难
工艺适用性: SiC/Al（SIC颗粒或晶须）、Al2O3/Al、TiB2/Ti
热压和热等静压法
概念：热压和热等静压技术是加压焊接的一种，它是在较长时间高温及不大的塑性变形的作用下依靠接触原子间相互扩散进行的
扩散粘结过程的三阶段
子主题
子主题
子主题
工艺流程
热压技术首先要求先将纤维与金属基体制成复合而成的预制片，然后将预制片按照设计要求裁剪成所需的形状、层叠排布
根据对纤维体积分数的要求，在叠层时添加基体箔，将叠层放入模具内，进行加热加压，最终制得复合材料或零件
工艺参数：
工艺适用性：热压固结法是目前制造B纤维、SiC纤维增强铝基、钛基复合材料的主要方法，技术成熟，已成功地用来制造航天飞机主仓框架承力柱、发动机叶片、火箭部件等。热压法也是制造钨丝-超合金、钨丝-铜等复合材料的主要方法之一。
热等静压技术
概念：热等静压法也是热压的一种，用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用
操作方法：在高压容器内设置加热器，将金属基体与增强体按一定比例混合或排布后、或用预制片叠层后放入金属包套中，抽气密封后入热等静压管中加热，加压，复合成金属基复合材料
工艺适用性：适合于制造管、筒、柱及形状复杂零件的制造，主要用于制造连续B纤维、SiC纤维、W丝等增强钛基、金属间化合物、超合金基等的高温金属复合材料。美国航天飞机用的B／Al管柱、火箭导弹的构件均用此法制造。
热轧法
概念：热轧法主要用来将已经复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭胚进一步加工成板材。也可以将由金属箔和连续纤维组成的预制片，制成板材，如铝箔与碳纤维、铝箔与钢丝
热挤压和热拉拔
概念：主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料胚料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等
工艺流程：
在基体金属胚料上钻长孔，将增强金属制成棒放入基体金属的孔中，密封后进行热挤压或热拉，增强金属棒变成丝
也可以将颗粒或者晶须与基体粉末混匀后装入金属管中，密封后直接热挤压或者热拉成复合材料管材或者棒材
爆炸焊接技术
概念：爆炸焊接法是利用炸药爆炸后产生的强大脉冲应力，通过相互碰撞的材料，发生塑性变形、粘结处金属局部扰动，及相应的热过程实现焊接
爆炸焊接是利用炸药爆炸的能量把两层或两层以上的金属板或者预制带结合在一起的一种加工方法
注意事项：爆炸焊接前必须除去基体和纤维表面的氧化物和油污。为防止纤维弯曲和移动，应将其固定或编织好。为防止靠近炸药层纤维的损伤，应在炸药和动板间 放一缓冲防护层，如橡胶或聚氯乙烯
特点
结合力大
能使其它方法无法结合的异种金属结合在一起
与焊接法相比，受到热影响的区域小
与轧制法比，可进行三层到几十层的厚层层合材料的加工
工艺适用性：爆炸焊接主要用来制造金属层合板和金属纤维增强金属复合材料，如钢丝增强铝、钢丝增强镁、钼丝或钨丝增强铜等
液态法
真空压力浸渍法
概念：真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体的共同作用下，将液态金属压入增强材料中制成预制件，再制备金属基复合材料制品。
工艺流程
1.首先将增强物制成预制件，放入模具，将基体金属装入坩埚。
2.装有预制件的模具和装有基体金属的坩埚装入浸渍炉内，紧固和密封炉体
3.通过真空系统将预制件模具和炉腔抽成真空，当炉腔内达到预定真空后开始通电加热预制件和基体金属。
4.控制加热过程使预制件和基体金属分别达到预定温度，保温一定时间，使模具升液管插入液体金属。由于模具内继续保持真空，当炉内通入惰性气体后，金属液体即迅速吸入模腔内。当压力不断升高，液态金属在高压下渗入预制件中和填充增强物之间的间隙，完成浸渍，形成复合材料。
装入预制件-装炉-抽真空与熔化-提升坩埚-通入高压气体-进入模具-浸渍-凝固
工艺参数
预制件预热温度：预制件温度越高，金属熔体不会因渗入预制件而迅速冷却凝固，浸渍充分
金属熔体温度：金属熔体温度越高，液态金属的流动性越好，易填充到预制件中去
浸渍压力：真空压力浸渍过程中，外压是浸渍的直接动力，压力越高，浸渍能力越强，但浸渍压力过大会产生增强物的聚集，造成微观组织的不均匀
冷却速度：
特点
适用面广
可直接做成金属基复合材料零件。适于制造形状复杂的零件，一次成型，基本上无需进行附加的后续加工。
浸渍在真空下进行，压力下凝固，基本上无气孔、疏松等铸造缺陷，组织致密，性能好。
工艺简单，工艺参数易于控制
可以制备高体积分数的金属基复合材料。 用此方法可以制备出体积分数高达75%的SiCp／Al、55%的C／Al复合材料
工艺适用性
挤压铸造技术
定义：挤压铸造技术是利用压机将液态金属强行压入增强材料的预制件中以制造复合材料的一种方法
工艺流程：先将增强材料制成一定形状的预制件，经干燥预热后放入模具中，浇铸熔融金属，用压头加压，液态金属在压力下浸渗入预制件中，并在压力下凝固，制成接近最终形状和尺寸的零件，或用于塑性成形法二次加工成的锭胚
预制件预热-预制件放入模具内-注入液态金属-加压渗入金属-加压保压凝固
特点
子主题
子主题
子主题
子主题
子主题
工艺适用性: 该法适于批量制造陶瓷短纤维、晶须增强铝、镁基复合材料零部件，形状、尺寸均可接近零部件的最终尺寸。二次加工量小，成本低。也可用于制备金属基复合材料锭坯。这类锭坯可通过挤压、锻造等二次加工方法制造成金属基复合材料型材和零部件。
液态金属浸渍技术
概念：通过对碳(或石墨)纤维表面进行活化处理，经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。当纤维束经过铝熔池时，金属液就自发浸渍到纤维束中，形成复合丝，以后再进行二次复合(热压、铸造)成零件。
工艺流程
(1) 碳纤维先经过预处理炉，将纤维表面的有机涂层烧掉
(2) 进入专用的化学气相沉积炉，进行纤维化学气相沉积处理，在每根纤维表面沉积上一层极薄的Ti-B涂层。
（3）经Ti-B表面处理后的碳纤维直接浸入熔融铝或镁液中，液态铝、镁可自发浸渍到纤维束中，形成复合丝。
(4) 制成的复合丝再经热压或铸造进一步复合制成复合材料零件。
液体金属搅拌铸造技术
概念：将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌，使颗粒均匀的分散在金属熔体中，然后浇铸成锭胚、铸件等。
存在的主要困难
加入的增强颗粒尺寸细小，一般在10－30 m ，与金属液体的浸润性差，不易进入金属或在金属中容易团聚。
颗粒在基体中不易实现均匀分布
强烈的液态金属搅拌容易造成金属液体氧化和大量吸气
主要解决措施
在金属熔体中添加合金元素改善浸润性：
颗粒增强物表面处理，高温
复合过程的气氛控制（真空、惰性气体保护）
有效的机械搅拌
搅拌的基本方法
旋涡法
概念：用高速旋转的叶桨搅动金属液体，使其强烈流动，并形成以搅拌旋转轴为对称中心的旋转涡旋，将颗粒加到涡旋中，依靠涡旋的负压抽吸作用，颗粒逐渐混合进入金属熔体中。通过一定时间的强烈搅拌，颗粒逐渐均匀地分布在金属熔体中，并与其复合在一起。
工艺参数：搅拌复合工序的搅拌速度、搅拌时基体金属熔体的温度、颗粒加入速度等
工艺适用性：含较粗颗粒(60-100mm)的耐磨复合材料，主要有Al2O3/Al-Mg，ZrO2/Al-Mg， A12O3/Al-Si，SiC/Al-Si，SiO2/Al-Mg，石墨/铝等复合材料
Duralcon法：将熔炼好的基体合金熔体注入可抽真空或通保护气体的搅拌炉中，并加入颗粒增强物，搅拌器在真空或充氩条件下进行高速搅拌。搅拌过程中基体金属熔体保持在一定的温度
半固态复合铸造法：采用机械搅拌将颗粒混入基体熔体中，其特点是搅拌在半固态金属中进行，而不是在完全液态的金属中进行
共喷沉积法
概念：液态金属通过特殊的喷嘴，在惰性气体气流的作用下分散成细小的液态金属雾化(微粒)流，喷射向衬底。在液态金属喷射雾化过程中将增强颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料。
工艺流程：共喷沉积的工艺过程包括基体金属熔化、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
工艺参数：主要工艺参数有熔体金属温度、气体压力、流量、速度、颗粒加入速度、沉积底板温度等
特点5
原位合成技术
定义：增强体在复合材料制造过程中在基体中自己生成，自己生长，最终得到复合材料的方法
与上述方法的区别：主要是增强体的来源
共晶的形式从基体中凝固析出
加入的相应元素发生反应生成化合物
分类
定向凝固法
概念：通过在共晶合金凝固过程中，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层状共晶增强体，而得到金属基复合材料
共晶合金的形式：棒状或片状取决于共晶两相的体积分数与两相的自由能和界面能
反应自生成法
概念：在一定的条件下，通过元素之间或者元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高强度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属的目的
分类
自蔓延合成法：自蔓延法是将增强相的组分材料与金属粉末混合、压胚成型，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，放出的能量引起未反应临近部分继续反应，直至全部完成
VLS技术：将含碳或者含氮的惰性气体通入到高温金属熔体中，利用气体分解生成的碳或者氮与合金中的Ti发生化学反应，生成热力学稳定的微细TiC或者TiN（惰性气体一般为Ar，含碳气体一般用CH4、CCl4，含氮气体一般用N2或者NH3
反应机械合金化技术
定义：是利用机械合金化过程中诱发的各种化学反应制备出复合粉来，再经过固结成型、热加工处理而制备成所需材料的技术
增强相是由固相组元间的反应生成的，通过固相间原子扩散来完成的，通常温度较低，增强相长大倾向较小，有利于获得超细增强相。机械合金化法(MA)就是其中一种
原理：用高性能球磨机，将原料粉末(金属与金属、金属与陶瓷等)按一定比例混合，反复研磨。由于研磨过程的冲撞、压轧，使金属粉末和陶瓷粒子反复变形、粉碎和“粘合”而“合金化”和均匀化，将这种“预合金化”的混合粉末冷压成一定形状的坯料，再经过热挤压或热等静压制成复合材料制品。
表面复合技术
物理气相沉积法（PVD）
概念：在真空度较高或含有惰性气体的环境下，通过加热或高能粒子轰击的方法将固体或液体材料源（靶材）表面气化成原子、分子或离子态沉积物理粒子，这些粒子沉积在基底（或增强体）上形成薄膜的技术。
用途：用于制造长纤维
PVD的三个关键过程
产生：材料源发射气相粒子
运输：气相激发粒子运输到基片
沉积：气相粒子在基片上成膜
分类
真空蒸发：在真空环境下，给待蒸发物质提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝结形成薄膜
溅射沉积：溅射法制备复合材料主要依靠高能粒子轰击作为靶的基体金属，使其原子飞溅出来，然后沉积在增强材料上，得到复合丝。
离子涂覆: 离子涂覆的实质是使气化了的基体在氩气的辉光放电中发生电离，在外加电场的加速下沉积到作为阴极的纤维上形成预制带
化学气相沉积法
子主题
子主题
界面
界面的概述
界面的定义
复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域
界面的作用：有效的传递载荷、调节复合材料内的应力分布，阻止裂纹扩展、充分发挥增强纤维的作用，使复合材料有良好的综合性能
界面的特征
金属基体与增强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应，使金属基复合材料的界面结构十分复杂
在金属基复合材料界面区出现材料物理性质（弹性模量、热膨胀系数、导热率、热力学参数）和化学性质等的不连续性，使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系
子主题
界面效应
传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。
阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用
不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等
散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等
诱导效应：一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接附的物质的结构出于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等
界面的结合机制
结合力分类
机械结合力：即摩擦力，它决定于增强体的粗糙度及基体的收缩
物理结合力：即范德华力和氢键
化学结合力：即化学键
结合机制分类
机械结合：基体和增强体之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由粗糙的增强体表面及基体收缩产生的摩擦力完成
溶解与润湿结合：基体和增强体之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶解而产生的一种结合形式
反应结合：基体和增强体之间发生化学反应，在界面上形成化合物而产生的一种结合形式。
交换反应结合：基体和增强体之间，除了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
氧化物结合：即反应结合的一种特殊情况
混合结合：以上几种形式同时存在
界面分类
I类界面：增强体与基体金属既不溶解·也不反应（包括机械结合和氧化物结合）
II类界面：增强体与基体金属之间可以溶解，但不反应（溶解与润湿结合）
III类界面：基体和增强体之间生成化合物
MMCS的界面特征
界面的物理化学特性
润湿现象
概念：不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展开来覆盖固体的表面，这一现象称为润湿现象或浸润。有时液体仍然团聚成为球状不铺开，这一现象成为润湿不好或者不润湿
改善润湿性的措施
思路：为了使液态基体能够很好的润湿固态增强体必需尽可能的增大固-气与固-液的界面张力差，即增大固-气的表面张力和减少固-液的表面张力
具体措施
改变增强体的表面状态和结构以增大固-气的界面张力
改变金属基体的化学成分以降低固-液界面张力
升高温度减小液态基体与固态增强体的接触角
改变环境气氛
提高液相压力，改善其对固体的润湿性
化学相容性
概念：化学相容性是指复合材料的各组元（基体和增强体）之间有无化学反应及反应速度的快慢，它包括热力学相容性和动力学相容性，除少数体系外，金属基复合材料的基体和增强体在热力学上是不相容的
组分之间发生相互作用的两种情况
基体和增强体之间不生成化合物，只生成固溶体
这种情况并不导致复合材料性能的急剧降低，主要危险是增强体的溶解消耗
增强体和基体之间生成化合物
为了兼顾有效传递载荷和阻止裂纹扩展两个方面，必须要有最佳的界面结合状态和强度也最佳的化合物层厚度，称临界厚度
设置动力学障碍，减小反应速度，使得厚度小于临界厚度（提高反应扩散的激活能、降低扩散系数）
界面的稳定性
物理不稳定因素：主要表现为基体和增强体之间在使用的高温条件下发生溶解以及溶解再析出现象（碳纤维增强镍基复合材料）
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，包括界面反应、交换反应和暂稳态界面
界面结构及界面反应
界面结构
有界面反应产物的界面微结构
有元素偏聚和析出相的界面微结构
增强体与基体直接进行原子结合的界面结构（原位自生）
其他类型
界面反应
弱界面反应：它有利于金属基体与增强体的浸润、复合和形成最佳界面结合
由于这类界面反应轻微，所以无纤维等增强体损伤和无性能下降，无大量界面反应产物。界面结合强度适中，能有效传递载荷和阻止裂纹向纤维内部扩散。界面能起到调节复合材料内部应力分布的重要作用，因此希望发生这类界面反应。
中等程度界面反应：它会产生界面反应产物，但没有损伤纤维等增强体的作用，同时增强体的性能无明显下降，而界面结合则明显增加
由于界面结合较强，使界面失去调节应力分布、阻止裂纹扩展的作用，在载荷作用下裂纹尖端的应力使纤维断裂，造成脆性破坏。界面反应的结果会造成纤维增强金属的低应力破坏。应控制制备过程工艺参数，避免这类界面反应。
强界面反应：有大量界面反应产物，形成聚集的脆性相和界面反应产物脆性层，造成纤维等增强体的损伤，强度下降，同时形成强界面结合
MMCS的界面表征
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