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第九章 金属基复合材料
2
第一节 金属基复合材料的种类和基本性能
随着现代科学技术的飞速发展，人们 对
材科的要求 越来越高。
在 结构材料 方面，不但要求 强度高,还
要求其 重量要轻,尤其是在航空航天领域。
金属基复合材料 正是为了满足上述要求
而诞生的。
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金属基复合材料 相对于 传统的金属材
料 来说，具有 较高的 比强度 与 比刚度 ；
而与 树脂基复合材料 相比，它又具有
优良的 导电性 与 耐热性 ；
与 陶瓷基材料 相比，它又具有 高韧性
和 高冲击性能 。
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金属基复合材料 的这些 优良的性能 决
定了它已 从诞生之日起 就成了新材料家族
中的重要一员，它已经在一些领域里得到
应用并且其应用领域正在逐步扩大。
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一、金属基复合材料的种类
金属基复合材料是 以金属为基体, 以
高强度的第二相为增强体 而制得的复合材
料。因此，对这种材料的分类既可 按基体
来进行、也可 按增强体 来进行。
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1．按基体分类
(1)铝基复合材料
(2)镍基复合树树
(3)钛基复合材料
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(1)铝基复合材料
这是在金属基复合材料中 应用得最广 的
一种。由于 铝的基体 为 面心立方 结构，因此
具有 良好的 塑性和韧性,再加之它所具有的
易加工性, 工程可靠性 及 价格低廉 等优点，
为其 在工程上应用 创造了有利的条件。
8
在 制造铝基复合材料 时，通常并不是使用
纯铝而是 用各种铝合金 。
这主要是由于 与纯铝相比, 铝合金具有更
好的综合性能 。至于选择何种铝合金做基体，
则根据实际中 对复合材料的性能需要 来决定。
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(2)镍基复合材料
这种复合材料是以 镍及镍合金为基体
制造的。由于镍的 高温性能优良,因此这
种复合材料主要是用于制造 高温下工作的
零部件 。
10
人们研制 镍基复合材料 的一个重要目
的，即是希望用它来制造 燃汽轮机的叶片,
从而进一步 提高燃汽轮机的工作温度 。
但目前由于 制造工艺 及 可靠性 等问题
尚未解决，所以还未能取得满意的结果。
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(3)钛基复合材料
钛 比任何其它的结构材料具有 更高的
比强度 。
此外，钛 在中温时 比铝合金 能更好地
保持其强度 。
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因此，对飞机结构来说，当速度
从亚音速 提高到 超音速 时,钛比铝合
金显示出了更大的优越性 。
13
随着 速度的进一步加快,还需要 改变
飞机的结构设计,采用 更细长的机冀 和 其
它冀型,为此需要 高刚度的材料,而 纤维
增强钛 恰可满足这种对材料刚度的要求。
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基体和增强体的热膨胀系数
钛基复合材料中 最常用的增强体是 硼纤
维,这是由于 钛与硼的热膨胀系数比较接近,
如下表所示。
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2,按增强体分类
(1)颗粒增强复合材料
(2)层状复合材料
(3)纤维增强复合材料
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(1)颗粒增强复合材料
这里的 颗粒增强复合材料 是指弥散的
硬质 增强相的体积超过 20％ 的复合材料，
而不包括那种 弥散质点体积比 很低的弥散
强化金属。
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此外,颗粒增强复合材料 的 颗粒直径
和颗粒间距很大,一般大于 1um。
在这种复合材料中,增强相 是主要的
承载相,而 基体 的作用则在于 传递载荷 和
便于加工 。
18
虽然 颗粒复合材料 的 强度 通常取决于
颗粒的直径, 间距 和 体积比,但是基体性
能也很重要。
除此以外，这种材料的性能还对 界面
性能 及 颗粒排列的几何形状 十分敏感。
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(2)层状复合材料
这种复合材料是指 在韧性和成型性较
好的金属基体材料中,含有 重复排列的 高
强度, 高模量 片层状增强物 的复合材料。
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层状复合材料的 强度 和 大尺寸增强物的
性能 比较接近，而与 晶须或纤维类 小尺寸增
强物的性能 差别较大。
因为 增强薄片在二维方向上的尺寸 相当
于结构件的大小,因此 增强物中的缺陷 可以
成为 长度和构件相同的 裂纹的核心 。
21
由于 薄片增强的强度 不如 纤维增强相
高,因此 层状结构复合材料的强度 受到了
限制。
然而，在 增强平面的各个方向 上,薄
片增强物 对强度和模量都有增强效果,这
与 纤维单向增强的复合材料相比 具有明显
的优越性。
22
(3)纤维增强复合材料
金属基复合材料中的纤维 根据其长度
的不同 可分为 长纤维, 短纤维 和 晶须,它
们均属于 一维增强体 。
因此,由纤维增强的复合材料 均表现
出明显的 各向异性 特征。
23
当 韧性金属基体 用 高强度脆性纤维 增
强时,基体的屈服 和 塑性流动 是复合材料
性能的主要特征，但纤维对复合材料 弹性
模量的增强 具有相当大的作用。
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2、金属基复合材料中增强体的性质
虽然各种复合材料中的增强体不同，
但它们都具有 许多共性 。
由于 纤维状增强物 能够 最有效地增强
金属基体,因此这里将对此进行重点讨论。
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对 纤维状增强体性能 的要求如下：
(A)高强度 。纤维的高强度首先是为
了 满足复合材料强度的需要,其次还可
使整个加工制造过程简单 。
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(B)高模量 。对于金属基复合材料而言，
这种性能是非常重要的，这是为了 使纤维
承载时, 基体不会发生大的塑性流动 。
(C)容易制造和价格低廉 。如果 在重要
结构上 应用，这个条件对工业生产的要求
是十分必要的。
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(D)化学稳定性好 。
对所有纤维来说,在空气中的稳定性
和 对基体材料的稳定性 是很重要的。
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(E)纤维的尺寸和形状 。对于采用 固相
制造法的金属基复合材料, 大直径的圆纤
维 更加合适。
由于 纤维的表面积小, 化学反应也比
较小,故借助 金属基体的塑性流动,这些
纤维很容易和基体结合,
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(F)性能的再现性与一致性 。
对于 脆性材料 或 高强度材料,这种要求
是非常重要的。
由于 复合材料的强度 取决于 纤维的束强
度,这种 束强度与每个纤维的强度 有关。因
此，需使 各个纤维的强度驱于一致 。
30
(G)抗损伤或抗磨损性能 。
脆性纤维 对 湿暴露 或 表而磨损 特别敏感，
这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。
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一些增强纤维的典型性能
下表列出了一些 重要的增强纤维及其性能
32
从表中可以看到，像,火箭丝, (钢丝 )
和 钨丝 等 高强度丝,就是 由于具有高强度
才成为特别有用的增强材料。
33
Ｅ --玻璃纤维 和 Ｓ玻璃纤维 具有优良的
比强度和低成本,因此可以说是树脂基的
最重要的增强纤维。
但由于这些纤维 模量低 且 化学性质活
泼,所以很少用来增强金属。
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氧化铝纤维 是用从熔体中 提拉子晶的
方法 生产的，这种单晶纤维的典型直径为
250um,具有很高的强度 。但 氧化铝纤维
对磨损很敏感,而且 很贵 。
35
用 硼纤维增强 铝合金和镁合金 时，具
有 很好的综合性能 。
用 三氯化硼气体 通过化学气相沉积法
可获得硼纤维,将硼沉积在 1200 ℃ 的钨底
丝上 。
36
用 钨作底丝,主要是由于它的 再
现性好, 强度高, 价格低 且 化学纯度
高,但有时也用 碳单丝 及 其它金属丝
作底丝。
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硼纤维 具有一系列很突出的优点，
它的 比模量和比强度高,与固态铝和液
态镁的 化学相容性好, 直径大, 再现性
好 且 价格适宜 。
38
B4C纤维和 SiC纤维已有实验室规模的
生产。这种纤维的 生产方法与硼纤维十分相
似,也是 在钨或碳的底丝上用化学气相沉积
法生产 的。这些沉积物都是 结晶体,对 表面
磨损 十分敏感。
39
B4C和 SiC纤维的 结晶形结构 比
硼纤维 具有更好的抗蠕变性能,因
此这些纤维主要作为 高温增强材料 。
40
石墨纤维 或 丝束 有 优良的比模量和比强
度 。其 弹性模量 通常与 高温石墨化程度 有关，
一般可达 240~250GPa。
但由于这种纤维 和熔融金属有反应,使
复合材料加工因维，从而 使其作为金属基体
的增强体的应用 受到限制。
41
3、金属基复合材料的强度
由于大多数 金属基复合材料 均表现出
各向异性,所以 在各个方向上的强度 也不
尽相同。
以 纤维增强金属基复合材料 为例，则
表现为 纵向强度 与 横向强度 的差异。
42
(1)纵向强度
材料强度 与弹性性能不同，不代表整
个测试段上的平均性能，而 主要代表局部
区的性能 。
43
材料强度 可以定义为 材料发生破坏的
最弱横截面上的平均应力 。
一般情况下,材料强度 是指 原始横截
面积上的应力,而不是瞬断面积上的应力。
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在 静态拉伸应力条件下,判别抗拉强度
时，是 按原始截面 计算的 材料试样能够承受
的最大张应力或极限张应力 。
对于 高模量的金属基复合材料的断裂,
则是由于 载荷不断增加, 纤维不断断裂, 承
载能力相继下降 从而导致了材料的破坏。
45
复合材料 强度 同 组分性能 间的关系
可用如下的公式表示：
MMFFC VV,.
* ??? ??
式中,?C*表示复合材料的抗拉强度，即复合
材料 原始面积上的 应力； ?F为 所有纤维上的 平均
应力； ?M是 基体在断裂时 的平均应力； VF和 VM
是纤维和基体的体积分数。
46
如果 没有孔隙及第三相 存在，则应有
1?? MF VV
如果 所有纤维的强度相近,剩下的基体
在纤维断裂时又不能承受载荷，这时 ?F就等
于 纤维的平均强度,而 ?M可以认为是 在基体
应变等于纤维断裂应变时 的 基体应力 。
47
McDaniels等人对此曾用 钨丝铜基复合
系 进行了研究，并将 复合材料的强度绘成纤
维体积比的函数,如下图所示。
48
高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则
纤维体积比 VF
应
力?
49
从图中可以看出，仅在 纤维体积比大于
临界纤维体积比 VF*时，下列公式才可适用
MMFFC VV,.
* ??? ??
如果 纤维体积比比较低, 基体在全部纤维
断裂后仍能承受载荷,这与上面的假设不符。
50
上述公式应该采用 纤维的有效强度,
由于脆性纤维的 拉伸强度范围相当大,故
有效强度值却不能简单测定 。
MMFFC VV,.
* ??? ??
51
尽管 当纤维强度相近时 可以采用 纤维
的平均强度,但对硼这样的 脆性纤维,用
纤维 平均强度 并不能很好地预测复合材料
的 抗拉强度。
52
当 弱纤维断裂 时，引起 三种重要的变化 。
(A)由于 破断纤维失去强度,而使 该处截
面上的强度降低 。
(B)破断纤维裂纹周围的 静应力集中 会降
低材料的有效强度。
(C)破断纤维失去载荷时产生的 动应力波
会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上
的瞬时承载能力。
53
第一种变化也与基体内的 纤维临界载
荷传递长度 有关。
在纤维破断位臵上，由于 破断纤维失
去载荷能力 而使材料强度有相应的损失。
54
在 临界载荷传递长度 以下的纤维段
上,纤维承载能力的减少量 等于 基体剪
切应力回传给破断纤维段上的 载荷之差 。
55
如果 载荷传递长度 是无限长，则确定
这种纤维强度时，或者测试 一束纤维的抗
拉强度,或者测试 每根纤维,然后算出 该
组纤维所能承受的最大载荷 。
56
破断纤维端周围的 应力集中效应 也会 降
低复合材料的有效强度 。
复合材料的一项重要性能 即是 当裂纹在
垂直于外张力载荷的方向上扩展时, 会受到
纤维基体界面的阻滞 。
因为基体中 裂纹顶端的最大应力值 接近
于 基体的抗拉强度 而 低于纤维的断裂应力 。
57
例如，在 硼铝复合材料 中，在铝中扩展
的 裂纹顶端应力 可以达到 350MPa,而纤维
的 局部强度 接近 4.2GPa。
因此在这种复合系统中,裂纹顶端周围
的应力集中 不会导致不稳定的裂纹生长。
这种 裂纹钝化形式 示于下图。
58
负荷
裂纹
纤维 基体
负荷
裂纹
复合材料中的裂纹钝化
(a)界面开裂 (b)基体剪切变形和开裂
(a) (b)
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而在 氧化铝 --钛合金 系统中，纤维和基体
的强度比更接近于 2:1，这时 裂纹顶端的应力
集中 会使复合材料 严重脆化 和 降低强度 。
虽然 裂纹顶端本身 并没有严重削弱硼 --铝
复合材料，但 局部应力集中 是严重的。
60
在纤维破断位臵上,由于受到束缚,破
断纤维的两端会在基体中产生剪切应力 。因
基体不能承担 破断纤维原来承受的高载荷,
这些剪切力主要由 最邻近的纤维承担 。
如果 最邻近的纤维 没有破坏，则 不会有
局部应力传到更远的纤维上 。
61
附加 在未破断纤维上的局部张应力 会
导致 不稳定的裂纹扩展,因为 次邻近纤维
的破断 甚至会产生 更大的剪切阻滞力 ；
下图给出了 二维阻滞力 的示意图。
62
二维裂纹的扩展
箭头表示纤维上的剪切应力
负荷
63
如果这些力 平均分配在最近邻的六根纤
维上 及平均纤维应力是 2.8GPa时，则在纤维
断裂时,加给邻近纤维的局部附加张应力 就
是 2.8GPa,或者说每邻近纤维上的附加张应
力是 0.45GPa。
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纤维断裂处的附加应力值最大，而在离
开断头端的距离等于 临界剪切传递长度 处，
附加应力减小到零。
65
当弱纤维断裂时,复合材料应力状态的
第三种变化 与由此产生的 冲击波 有关。金属
基复合材料中的断裂通常用 声发射 检查。
动载断裂能 主要被试样所吸收，但关于
它 对复合材料抗拉强度的影响 还没有定量的
研究。
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总之,组分性能 和 复合材料强度 之间的
关系比弹性模量 更为复杂,因为 强度和局部
材料 有关，而不是整个材料的平均常数。
虽然对纤维有效强度能预测的复合材料，
可以采用 混合定则 计算复合材料强度。但对
含脆性增强纤维的复合材料,这种计算就不
很精确了。
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2．横向强度
金属基复合材料的 横向性能的预测
比纵向性能复杂。它通常采用一些假设。
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在 预测横向模量值 时，所采用的假设如下：
(1)两组元 在达到断裂应力前 都是 线弹性 的；
(2)界面结合是完好的；
(3)纤维排列是规则的。
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由这些假设可以推导出 材料的横
向刚度 E22和复合材料 横向平面泊松
比如下：
1
)/( 11222 ?? EE?
70
下图为 纤维正方排列的 复合材料横向
模量同基体模量之比 是 纤维体积比 的函数，
也是 纤维模量对基体模量之比 的函数。
71
复
合
材
料
归
一
化
横
向
刚
度E
F /F
M
成分刚度比 EF/FM
圆纤维正方排列的复合材料的归一化横向刚度
72
上图表明，金属基体内的 增强纤维 对 横
向模量 有很大影响。
例如,60％的硼 --铝复合材料的 横向模
量接近于基体的三倍 。
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这种 横向模量的增强作用 并不能代表 复
合材料的横向强度,因为复合材料都 在最弱
的横截面上破坏 。
此外，由于 基体受到纤维的严重束缚,
复合材料的断裂应变 比 非束缚基体材料的相
应值 要小得多。
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４、复合材料组分的相容性
由于复合材料包含有 两种或两种以
上的相,要使组分间具有良好的配合，
则这两相间必须具备 物理相容性 和 化学
相容性 。
75
对 金属基复合材料 而言，用 薄片或纤维
增强 金属基复合材料的 物理相容性问题 一般
都和 压力变化,或 热变化时反映材料伸缩性
能的 材料常数 有关。
化学相容性问题 主要与复合材料加工过
程中的 界面结合, 界面化学反应 以及 环境的
化学反应 等因素有关。
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所谓 物理相容性问题,是指 基体应
有足够的韧性和强度,从而能够 将外部
结构载荷均匀地传递到增强物上,而不
会有明显的不连续现象。
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基体和增强体之间 的一个非常重要的
物理关系 是 热膨胀系数,因为 基体通常是
韧性较好的材料,因此最好是基体有较高
的热膨胀系数。这是因为膨胀系数较高的
相 从较高的加工温度冷却时 将受到张应力。
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对于 脆性材料的增强物,一般都是 抗
压强度大于抗拉强度, 处于压缩状态比较
有利 。而对于像钛这类 高屈服强度的基体,
一般却要求避免 高的残余热应力,因此 热
膨胀系数不应相差太大 。
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化学相容性 是一个更加复杂的问题。
对于 原生复合材料,在制造过程中是 热力
学平衡的 。
例如，在平衡状态下 凝固的共晶复合
材料,对于这类晶体，其 两相化学势相等,
而 比表面能效应 也最小。
80
如果这种复合材料 在偏离制造温度时
有明显的 相变或浓度变化,就会产生 不稳
定问题 ；
在 人造复合材料 中，两相间发生 有害
反应的化学动力学过程 也相当缓慢，一般
可以满足相容性要求。
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对于 非平衡态复合材料,化学相容性
问题要严重得多。如采用 石墨增强纤维时,
纤维的浸润和结合 都非常困难，在使两相
结合方面就会产生问题。
还有 纤维和环境的化学反应 也是加工
过程中遇到酌一个严重问题。高强度脆性
纤维的有害反应包括 应力腐蚀 和 氧化 。 热
冲击 也会使纤维损伤。
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纤维和基体间的直接反应 则是 更重要的
相容性问题 。
对于像硼 --铝这样的 低温金属基复合材
料,可以靠 尽量降低制造温度 来避免两相间
的化学反应。
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对 蠕变强度低的基体,采用 高压低温
工艺 也能获得良好的固结和粘合。
像 硼 --镁 或 钨 --铜等 复合系，因为 两
相间不反应，不互 镕,因此可以采用 熔液
渗透法 制造。
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但对于 高温复合材料 而言，以下的 与化学
相容性有关的问题 则十分重要。
(1)?F--两相反应的自由能 ；
(2)U--化学势 ；
(3)T--表面能 ；
(4)D--晶界挡散系数 ；
85
第一个问题 ?F,不仅对 制造过程,而
且对 高温应用过程 都是很重要的。
纤维和基体反应的自由能变化 代表 该反
应的驱动力,在高温下该值的大小变得更加
重要。设计高温复合材料的材料工作者应该
确定 所选系统 可能发生的反应的自由能变化。
86
化学相容性的第二个问题是 关于 每个组
元中每个元素的化学势 。
如果 各组分相间的化学势不等,常常会
导致 界面不稳定 而使纤维性能下降。
例如，欲用 氧化铝和镍合金 组成复合材
料,为防止铝扩散,铝 (和氧等 )在两相中的
化学势必须相等。
87
两相混合物的表面能 可能非常高，因
而 使界面很不稳定 。这个问题对 晶须增强
复合材料 是很重要的。而对 碳化钨加钴复
合系 来说，其 表面能关系则是有利的 。
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由 晶界或表面扩散系数控制的 二次扩散
效应 常使复合系中 两组分相的关系 发生很大
变化。
例如，钨丝增强镍合金中碰到的一个重
要问题即是镍向钨晶界扩散，从而导致钨丝
再结晶温度下降。
89
另外，还有一些 二次扩散效应,如
液态金属脆化 和 氢脆 。
在复合材料中，如果 某一相的间隙
氢浓度偏高,便会危及另一相 从而会发
生氢脆 。
90
第二节 铝基复合材料
一、铝基复合材料的特点
航空航天工业中需要大型的、重量轻的结
构材料，例如波音 747大型运输机、远距离
通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设
计这些结构时，问题之一就涉及到平方 — 立
方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸
的平方增加．而重量却随其线尺寸的立方增
加。所以，假若要保证大型结构的机动性和
高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。
91
复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样
极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造
和应用的基体来克服这些限制。而铝则是被
选用最广的基体材料。
目前关于硼 — 铝复合材料的研究主要包括
以下几个方面的内容：
(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，
这在航空航天领域中显得尤为重要。
(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐
用的材料及构件。
(3)改进硼 — 铝复合材料的制造应用技术，
促使其成本尽可能降低。
92
与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量更
接近各向同性，而且其非轴向强度也较高。
硼 — 铝复合材料的横向抗拉强度和剪切强度
大约与铝合金基体的强度相等．这就比树脂
基材料可能达到的强度要高得多。
93
除上述特点外，硼 — 铝复合材料的其它重
要物理性能与机械性能有，高的导电件和
导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、
连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。
高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久
性也常常是重要的。而硼 — 铝复合材料的
优越性能则为其应用提供了有利的保障。
94
二、硼铝复合材料
作为结构应用来说，选择复合材料组元的主
要目标是高比模量和高比强度，硼 --铝复
合材料因此在研究与发展上受到了很大的重
视。
95
1,增强纤维
对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度
高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复
合材料。与这些要求有关的纤维主要性能已列
于表 6— 2中，在表中的每一种纤维与硼纤维相
比都各有缺点。
96
玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易
与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较
低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，
并已作为硼纤维的涂层使用．但其密度比硼高
30％、且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有
吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺
点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数
一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤
维起剧烈反应。 ?--?钛合金 Ti-6Al-4V的冷拉
丝材和沉淀硬化钢“火箭”丝 NS— 355,内于
密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。
冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其
应用。
97
硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原
三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到 1100—
1300℃ 并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉
积层．这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。
目前大量供应的纤维有 100um和 140um两种直径，
有的纤维带有 2um厚的碳化硅涂层，其目的是为
了改进纤维的抗氧化性能。 140um硼纤维的室温
密度为 2,55g／ cm3。 由于硼纤维的表面具有高
的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表
面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意
义的特性。
98
此外，硼纤维还具有良好的高温性能，
它在 600℃ 时仍保持 75％强度，在
600℃ 和 700℃ 时的蠕变性能比钨还好。
但在 500℃ 以上暴露于氧气中短时间纤
维的强度就会严重受损，在表面涂一
层碳化硅正是为了防止这种破坏作用。
99
2．基 体
硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金
具有良好的综合性能。所谓良好的综合性能
是指良好的结合性能，较高的断裂韧性．较
强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能
力；较强的抗腐蚀性，较高的强度等。对于
高温下使用的复合材料．还要求基体具有较
好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能
熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能
采用复合蠕变成型技术。
100
目前普遍使用的铝台金有变形铝、铸造铝、
焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全
符合硼纤维对金属基体的要求．但某些合
金已得到了成功的使用，这其中最普遍的
是采用变形铝为基体用固态热压法制得的
复合材料。
101
三、铝基复合材料的制造
复合材料的制造包括将复合材料的
组分组装并压合成适于制造复合材料
零件的形状。常用的工艺有两种，第
一种是纤维与基体的组装压合和零件
成型同时进行；第二种是先加工成复
合材料的预制品，然后再将预制品制
成最终形状的零件。前一种工艺类似
于铸件，后一种则类似于先铸锭然后
再锻成零件的形状。
102
制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材
料组分的组装压合和零件层压。大多数硼 — 铝
复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。
前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这
就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预
制品再经过热压扩散结合。
103
1．挥发性粘合剂工艺
这种工艺是一种直接的方法，几乎
不需要什么重要设备或专门技术。制
造预制品的材料包括成卷的硼纤维、
铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发
树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应
结合适当的纤维间距来选择，通常为
50~75um。
104
所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕
和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带：前
一种工艺因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕
可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。
由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与
滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足
张力控制。
105
第二种纤维排列法是制造连续多丝条带，它
要求更完善的设备条件。目前的设备可同时
输出 600根脆性丝。
等离子喷涂的硼 — 铝带用同样的方法制造，
只是不喷挥发性粘合剂．而在纤维一箔片上
喷一层基体铝合金，将纤维和箔片粘在一起。
因为选择的等离子喷涂合金与箔基体相同，
所以这两种材料都变成基体的一部分。铝合
金粉注入到灼热的等离子气流中并在放热区
内被熔化。熔融质点打在纤维 — 箔片上并急
冷到纤维的反应温度以下。由于纤维周围充
满了等离子焰射流中含有的惰性气体，因而
能防止纤维氧化。
106
这种工艺的优点是，纤维在缠绕筒上就被基
体同定住，因而纤维间距好控制，喷涂条带
的耐久性和强度好，以及易于复合粘结 。
用挥发性粘合剂和等离子喷涂工艺生产的
“毛料”预制带还必须经叠片和压合才能做
成复合材料：采用挥发性粘合剂方法时，粘
合剂必需在热压结之前排除。这一步骤直接
在高压焊合之前进行．因为在树脂粘合剂挥
发之后必须依靠机械作用使纤维和铝箔保持
原位。
107
叠片过程包括先把顶制品剪切成一定形状，
然后将其铺放在热压模或平压板上。剪切时
一般采用比较简单的单片剪切。剪切机可以
类似于板金剪切机、剪刀或糕点扣模。
假若使用平板热压，通常要将叠层封装在套
内，因为控制气氛对防止铝或硼在高温下氧
化是很重要的。在平板之间压制的典型封装
复合材料的基体均硼纤维各占 50％ (体积比 )。
108
若要制造复杂形状的零件，则使用成型
模具热压叠层．这种叠层可以含有许多
复杂形状的单片。层片用滚压剪切的方
法切割，其方法与扣制糕点类似，随后
将这些层片叠好并在叶形模具中压制。
这两种工艺都能用来热压长零件。
109
控制热压条件 —— 温度、压力、时间和气
氛是非常重要的。否则．恶劣的条件会使
复合材料强度减低并使铝的扩散结合不好。
在使用未涂复的硼纤维时可用的时间 — 温
度条件范围很小。然而．用促进大范围塑
性变形的方法．如像疏松的等离子喷涂的
压实或像挤压的情况，则热压时间可以大
大缩短。若采用的时间相当短，就可选用
较高的温度。压力一般要求超过 70MPa，
为了防止硼的氧化，要在更长的时间内保
持氧的分压很低。
110
在硼 — 铝的压合中有下
述一些重要的限制：
(1)纤维损伤问题限制
了时间 — 温度参数。
(2)为保证铝的结合和
消除孔隙度、时间 — 温
度 --压力参数必须高于门
限值，因为这是一个受
蠕变和扩散限制的过程。
111
(3)高压力会增加纤维的断裂 c
(4)为防止硼氧化要求仔细控制气氛。
若硼纤维用碳化硅涂覆，这些限制大多
可以放宽或不予考虑，因为在制造过程中
可以使用高得多的温度而不会使纤维损伤。
112
在制造复合材料时，在硼和铝合金中还可加
入第三种组元以改进一些性能．如高温横向
性能、抗腐蚀性和韧性等。目前两种最有效
的附加物是钛箔和高强度“火箭丝”。因为
铝基体同这些第三组元的结合条件与铝本身
自结合的参数相同，所以把钛箔或“火箭”
丝加到预制品中并结合成复合材料还是比较
容易的。这种丝的典型性能是 20℃ 时抗拉强
度为 3,8GPa,500℃ 时为 2,8GPa,丝材
在 500℃ 或 550℃ 的热压过程中不会明显退火。
113
除了上述制造工艺以外，硼 — 铝复合材料的
制造还包括电成型、金属粉末成型、铸造和
纤维缠绕配合等离子喷涂及烧结等工艺。电
成型工艺是先将纤维绕在芯轴上，然后在盛
有锂 — 铝氢化物和氯化铝的乙醚槽中电镀铝。
此时铝并不在硼纤维上沉积，而是优先在绕
线的间隙生长。解决这个问题的一种方法是
在沉积基体之前先将纤维镀镍，但这种工艺
成本相当高，因此应用受到了限制。
114
在含有硼纤维的金属粉末制造工艺中．要
求在热压模中放人和模具等长的纤维，并
在纤维周围填充一层铝粉。使用这种工艺
时遇到的问题有，须保持精确的纤维间距，
防止在高纤维体积比时纤维被压碎，以及
由于纤维的存在而要求的压力条件下达到
良好的基体控制性能。由于存在这些问题，
也限制了粉末冶金在这方面的应用。
115
用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样
的工艺来制造平板和大直径团环。
这种工艺形成的疏松基体很不结实，
但可以用随后的烧结或热压加以改
善。用这种工艺制造的复合材料的
早期试验结果表明，此种硼 — 铝材
料具有权好的高温强度和耐疲劳性
能。
116
四、铝基复合材料的二次加工
二次加工是指对基本的复合材料型件
如平板、梁和管等所进行的加工、包括
成型、连接机械加工和热处理等工艺过
程。
117
1．成 型
硼 — 铝复合材料的成型涉及到它的组分 ——
强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。
纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的应力 —
应变特性，而在高温下具有很高的抗蠕变能力。
因为复合材料系列的最高成型温度尚不到 600Y，
所以如果没有纤维断裂和很高的残余应力，则
纤维不会有什么塑性延伸。
118
另一方面，在 400Y下很低的应力便可使
铝其体产生很大的蠕变变形。纤维对成型
工序造成的严重束缚，致使零件的加工制
造在很多情况下是在复合材料热压过程中
用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。
实施成型制造法在树脂基复合材料的制造
时也常使用。由于纤维对复合材料的束缚，
使得材料的最大轴向断裂延伸率小于 1％，
而蠕变时横向断裂延伸率甚至更小．只有
高的剪切韧性和高的蠕变延伸率才能使只
要求基体剪切的蠕变成型过程顺利进行。
119
2．连 接
硼铝复台材料与承载结构的附件的连接
是复合材料应用中最重要的工程领域之一。
硼 — 铝复合材料的连接技术是基于铝的连
接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要
得到高剪切强度的基体连接而不使复合材
料的机械性能降低。因为铝的连接是一种
很成熟的工艺，而且纤维损伤的热力学条
件也已知、所以解决这个问题的途径是很
明确的。
120
连结工艺包括固态扩散结合、使用钎料的钎
焊、不用焊料的铝的熔焊技术和低温钎焊。
硼 — 铝与硼 — 铝，或者硼铝与铝板或钛的固
态扩散结合工艺，其所要求的技术和设备同
前述的复合材料制造上艺基本相同。所获得
的高连接强度相当于基体合金的剪切强度。
硼 — 铝复合材料的无焊剂炉中钎焊，如果
不会使纤维损伤，则可按标准的铝焊工艺进
行。标准的工艺是把钎焊箔放入需要连接的
零件之间并在接触压力下进行炉中钎焊。
121
铝合金的熔焊用于获得高强度的、抗蚀
的韧性连接。在硼 — 铝的熔焊中，须考
虑的最主要的问题是纤维的损伤。这就
必须把热影响区尽可能限制在最小的范
围。标准的技术措施是急速的加热和冷
却．并使始池的几何形状具有大的深宽
比。硼 — 铝熔焊第二个需要考虑的因素
是组分之间的残余应力状态。这些连接
部位可以进行退火，们对应力引起的变
形也应考虑。
122
除了各种焊接方法以外．机械固定和胶
接也是复合材料的有效连接力法。由于
胶合剂的强度比钎焊料低得多，因此连
接部位所容许的剪切应力也低得多。机
械固定方法的使用要考虑两条主要的限
制，承载能力与拔出应力必须按各向异
性复合材料确定；为安装固紧件而对复
合材料进行机械加工时必须小心，保证
不产生明显的损伤。
123
3．机械加工
由于硼纤维硬度高 (莫氏硬度为 9)。
硼 — 铝复合材料的机械加工比较困难。然
而对单层件来说，板金剪切技术就可以胜
任。拉伸试样的加工问题通常采用砂轮切
割或电加工的方法来解决。用标准的浸有
全刚石的黄铜切割轮可得到良好的切割表
而，出于硼冰身的清洁作用，铝不会沾污
或损伤具有合适粒度的砂轮。
124
研究表明，剪切和冷冲仅对极薄板材有用，而
砂轮切割和磨削则是可用的方法；金刚石切割
和金刚石钻孔也是可用的，但刀具磨损过多。
使用超声波加工很好，旋转式超声波机床使用
浸有金刚石钻芯的钻头在硼 — 铝复合材料上打
孔是最有效的钻削方法。对于每种工艺来
说．其切割表面质量，特别是关系到纤维的压
碎或开裂，必须结合切割速率和工具寿命这些
价格因素加以权衡比较。
125
4．热处理
在硼 — 铝系中，所选择的有些基体合金
可进行时效强化。这些合金包括铝铜镁合金
2024，铝镁硅台金 6061和铝锌合金 7178等。
因为基体与纤维有强烈的相互作用．基体合
金的时效硬化对复合材料性能的影响是复杂
的，这影响到材料的残余应力状态。但这些
合金的标准热处理方法还是可用的。
126
五、机械性能
1．弹性模量
几乎所有的通用工程机械和结构的设计均
使其工作载荷不超过所用材料的弹性范围。
弹性模量决定了结构在载荷下的尺寸，在
这些用途中，它是相当重要的。用硼一铝
复合材料来增强或加固金属结构也取决于
对其弹性模量的了解，因为正是组元材料
模量的比值决定了结构内部的载荷分配。
127
单向增强硼 — 铝复合材料可以看作是
一种正交材料，它在横向上各向同性
并具有五个独立的弹件常数。然而，
硼 — 铝复合材料经常作薄片使用，这
种薄片也是复杂叠层的纳构单元。于
是可以把它作为一个处于平面应力状
态的正交薄片来对待，因而只需四个
独立的弹性常数。这些常数是轴向弹
性模量 E11,横向弹模量 E22,主泊松比
?12和平面剪切模量 G12。 组元硼纤维和
铝基体的弹性常数见表 6— 5。
128
表 6-5 硼纤维与铝基体的弹性常数
129
硼铝复合材料的纵向弹性模量 E11,可用混合
定则公式相当精确地计算即
E11=EF.VF+EM.VM
式中角注 F和 M表示纤维和基体，而 V表示体积
百分比。
130
横向弹性模量的关系较为复杂，但理论计
算与实验值符合，图 6— 6示出了这两个模
量的理论值与实验值的符合情况。弹性模
量的各向异性并不大，对于通常使用的 50
％纤维体积比的复合材料来说，纵向与横
向模量的比值约为 3,2，它们的纵向与横
向的比弹性模量大约为最普通用的工程合
金的 300％和 200％。
131
纵向与横向模量均随温度的增加而下降。
复合材料模量的下降主要是由于基体模量
的下降所致。如果试样轴相对纤维轴转动，
四个独立的弹性常数也将发生相应的变化。
132
纤维体积比，％
杨
氏
模
量*1
0 10
N/
m
2
图 6-6 硼 --6061铝复合材料的纵向和横向弹性模量
133
2．强度及应力 — 应变特性
非均质的正交材料，如硼 — 铝复合材料，
其强度和全部应力 — 应变特性必然是复杂
的；像单 — 的工程材料一样，结构复合材
料的最终性能是原材料的性能、成分以及
加工和制造过程的结果。然而、由于纤维
与基体分布的独立性和各相之间反应热力
学的可观察性，使得复合材料这种冶金和
结构的体系比以往大多数的工程材料更适
于作定量分析的描述。
134
(1)轴向拉伸
硼 — 铝复合材料的轴向拉伸特性取决于
增强纤维的性能和复合材料的纤维含量。
复合材料轴向强度和断裂应变受纤维性能
制约。
135
图 6-7为硼 — 铝复合材料的应力 — 应变典型曲线。图
中结出了制造状态的 (F状态 )和热处理状态的两种特
性。这两种曲线都有一个初始的直线区域、然后在另
一个直线区域之前有 — 个过渡的非线性区域，最后在
断裂之前有 — 个非线性区域。这种应力 — 应变曲线不
仅反映了硼铝复合构料的特性，而且其它金属基复合
材料也有类似的特征。
136
应变 *10-3 m/m
应
力*1
0 7
N/
m
2
图 6-7 典型硼 — 铝复合材料的应力 — 应变曲线
137
图 6— 8为复合材料的特性与残余应力的作用
示意图，它包括含 50％硼纤维的复合材料的
应力 — 应变特性和纤维与基体组元的应力 —
应变特件。在冷却时，基体发生塑性和弹性
收缩，而纤维只发生弹性收缩、基体中留下
的平均净拉伸残余应力的大小等于纤维中的
净压缩残余应力。前述的复合材料应力 — 应
变曲线的三个变形阶段分别对应着基体 — 纤
维的弹性 — 弹性、塑性屈服 — 弹性和塑性 —
弹性特性。
138
图 6-8 基体纤维及复合材料应力 — 应变曲线图
139
硼铝复合材料具有很高的抗拉强度，这主
要是由于增强纤维的抗拉强度高。其它一
些因素如基体成分和残余应力则是次要原
因。图 6-9为复合材料强度与纤维含量的关
系。对于一定的纤维类型，复合材料的强
度一般随纤维含量的增加而增加。
140图 6-9 复合材料轴向抗拉强度随纤维合量
的变化
轴
向
抗
拉
强
度
＊10
7N/m
2 纤维体积比％
141
如果纤维强度的重复性好，发现复合材
料的轴向抗拉强度随纤维含量的变化实
质上呈线性关系。与线性有较大的偏离
通常是由于不同试样之间纤维强度的变
化所致。由于复合材料轴向强度与纤维
体积比至线性关系，因而可以用混合定
则来表尔复合材料强度与纤维强度及基
体强度之间的关系．其结果与前面类似，
这里不再重复。
142
硼 — 铝复合材料轴向抗拉强度还随温度的变
化而变化。其结果如图 6— 10所示。这种变化
主要取决于纤维强度随试验温度的升高而降
低，并且也取决于纤维 — 基体发生反应所引
起的纤维强度衰退；后一点在温度超过 430Ｙ
和时间长于图中数据所用的拉伸试验时间的
情况下更为重要。高温轴向强度主要取决于
纤维强度这一事实表明，复合材料高温强度
的改进主要是靠改进纤维的性能。基体强度
的变化和残余应力的松弛也会影响复合材料
强度对试验温度的依赖。
143
图 6-10 复合材料轴抗拉强度随试验温度的变化
试验温度，Ｙ
轴
向
抗
拉
强
度
＊10
7N
/m
2
144
(2)横向拉伸
在构件中所用的硼 — 铝复合材料的横向拉
伸性能是重要的考虑因素。在多数情况下 50
％纤维增强复合材料的横向抗拉强度只有轴
向抗拉强度的 10％ — 15％，而横向弹性模量
约为轴向模量的 60％。这样大的各向异性是
采用多向复合增强的大要原因。复合材料的
横向性能对基体和纤维两者的性能都是敏感
的。
145
所有硼 — 铝复合材料的横向拉伸特性可以
根据断口的形貌分为三种常见的类型。
第 — 类复合材料断裂的特征是断口全为基
体破裂，第二类断口则同时合有基体破裂
和纵向纤维劈裂，第三类断口的典型情况
是基体破裂和纤维 — 基体界面破裂。
146
对于第三类断裂这里不作进一步讨论，
因为对于结合良好的硼 — 铝材料而言并不
典型。当复合材料承受横向拉伸载荷时是
发生第一类还是第二类复合材料断裂．主
要取决于基体和纤维的相对强度。
两类复合材料特性的典型应力应变曲线示
于图 6— 11。 150um硼增强铝的断裂主要
是由于基体的破裂，代表着第一种类型的
特性。 100um硼增强铝复合材料则代表着
第二种断型类型的特征。
147图 6-11 25Y下硼增强铝横面拉伸应力应变曲线
应
力
＊10
7N
/m
2
应变,m/m
148
复合材料横向抗拉强度与基体强
度和纤维种类的关系示于图 6— 12
中。含有 150um硼纤维的复合材
料的强度随基体强度的增加而连
续增加。复合材料强度与基体强
度接近相等。应当说明的是．为
提高基体强度而进行的复合材料
热处理对于提高复合材料横向强
度非常有效。所有的 150um硼增
强铝复合材料，其断口主要呈基
体破裂。
149图 6— 12 横向抗拉强度与基体强度和纤维种类的关系
复
合
材
料
横
向
抗
拉
强
度
＊10
7N
/m
2
基体抗拉强度＊ 107N/m2
第九章 金属基复合材料
2
第一节 金属基复合材料的种类和基本性能
随着现代科学技术的飞速发展，人们 对
材科的要求 越来越高。
在 结构材料 方面，不但要求 强度高,还
要求其 重量要轻,尤其是在航空航天领域。
金属基复合材料 正是为了满足上述要求
而诞生的。
3
金属基复合材料 相对于 传统的金属材
料 来说，具有 较高的 比强度 与 比刚度 ；
而与 树脂基复合材料 相比，它又具有
优良的 导电性 与 耐热性 ；
与 陶瓷基材料 相比，它又具有 高韧性
和 高冲击性能 。
4
金属基复合材料 的这些 优良的性能 决
定了它已 从诞生之日起 就成了新材料家族
中的重要一员，它已经在一些领域里得到
应用并且其应用领域正在逐步扩大。
5
一、金属基复合材料的种类
金属基复合材料是 以金属为基体, 以
高强度的第二相为增强体 而制得的复合材
料。因此，对这种材料的分类既可 按基体
来进行、也可 按增强体 来进行。
6
1．按基体分类
(1)铝基复合材料
(2)镍基复合树树
(3)钛基复合材料
7
(1)铝基复合材料
这是在金属基复合材料中 应用得最广 的
一种。由于 铝的基体 为 面心立方 结构，因此
具有 良好的 塑性和韧性,再加之它所具有的
易加工性, 工程可靠性 及 价格低廉 等优点，
为其 在工程上应用 创造了有利的条件。
8
在 制造铝基复合材料 时，通常并不是使用
纯铝而是 用各种铝合金 。
这主要是由于 与纯铝相比, 铝合金具有更
好的综合性能 。至于选择何种铝合金做基体，
则根据实际中 对复合材料的性能需要 来决定。
9
(2)镍基复合材料
这种复合材料是以 镍及镍合金为基体
制造的。由于镍的 高温性能优良,因此这
种复合材料主要是用于制造 高温下工作的
零部件 。
10
人们研制 镍基复合材料 的一个重要目
的，即是希望用它来制造 燃汽轮机的叶片,
从而进一步 提高燃汽轮机的工作温度 。
但目前由于 制造工艺 及 可靠性 等问题
尚未解决，所以还未能取得满意的结果。
11
(3)钛基复合材料
钛 比任何其它的结构材料具有 更高的
比强度 。
此外，钛 在中温时 比铝合金 能更好地
保持其强度 。
12
因此，对飞机结构来说，当速度
从亚音速 提高到 超音速 时,钛比铝合
金显示出了更大的优越性 。
13
随着 速度的进一步加快,还需要 改变
飞机的结构设计,采用 更细长的机冀 和 其
它冀型,为此需要 高刚度的材料,而 纤维
增强钛 恰可满足这种对材料刚度的要求。
14
基体和增强体的热膨胀系数
钛基复合材料中 最常用的增强体是 硼纤
维,这是由于 钛与硼的热膨胀系数比较接近,
如下表所示。
15
2,按增强体分类
(1)颗粒增强复合材料
(2)层状复合材料
(3)纤维增强复合材料
16
(1)颗粒增强复合材料
这里的 颗粒增强复合材料 是指弥散的
硬质 增强相的体积超过 20％ 的复合材料，
而不包括那种 弥散质点体积比 很低的弥散
强化金属。
17
此外,颗粒增强复合材料 的 颗粒直径
和颗粒间距很大,一般大于 1um。
在这种复合材料中,增强相 是主要的
承载相,而 基体 的作用则在于 传递载荷 和
便于加工 。
18
虽然 颗粒复合材料 的 强度 通常取决于
颗粒的直径, 间距 和 体积比,但是基体性
能也很重要。
除此以外，这种材料的性能还对 界面
性能 及 颗粒排列的几何形状 十分敏感。
19
(2)层状复合材料
这种复合材料是指 在韧性和成型性较
好的金属基体材料中,含有 重复排列的 高
强度, 高模量 片层状增强物 的复合材料。
20
层状复合材料的 强度 和 大尺寸增强物的
性能 比较接近，而与 晶须或纤维类 小尺寸增
强物的性能 差别较大。
因为 增强薄片在二维方向上的尺寸 相当
于结构件的大小,因此 增强物中的缺陷 可以
成为 长度和构件相同的 裂纹的核心 。
21
由于 薄片增强的强度 不如 纤维增强相
高,因此 层状结构复合材料的强度 受到了
限制。
然而，在 增强平面的各个方向 上,薄
片增强物 对强度和模量都有增强效果,这
与 纤维单向增强的复合材料相比 具有明显
的优越性。
22
(3)纤维增强复合材料
金属基复合材料中的纤维 根据其长度
的不同 可分为 长纤维, 短纤维 和 晶须,它
们均属于 一维增强体 。
因此,由纤维增强的复合材料 均表现
出明显的 各向异性 特征。
23
当 韧性金属基体 用 高强度脆性纤维 增
强时,基体的屈服 和 塑性流动 是复合材料
性能的主要特征，但纤维对复合材料 弹性
模量的增强 具有相当大的作用。
24
2、金属基复合材料中增强体的性质
虽然各种复合材料中的增强体不同，
但它们都具有 许多共性 。
由于 纤维状增强物 能够 最有效地增强
金属基体,因此这里将对此进行重点讨论。
25
对 纤维状增强体性能 的要求如下：
(A)高强度 。纤维的高强度首先是为
了 满足复合材料强度的需要,其次还可
使整个加工制造过程简单 。
26
(B)高模量 。对于金属基复合材料而言，
这种性能是非常重要的，这是为了 使纤维
承载时, 基体不会发生大的塑性流动 。
(C)容易制造和价格低廉 。如果 在重要
结构上 应用，这个条件对工业生产的要求
是十分必要的。
27
(D)化学稳定性好 。
对所有纤维来说,在空气中的稳定性
和 对基体材料的稳定性 是很重要的。
28
(E)纤维的尺寸和形状 。对于采用 固相
制造法的金属基复合材料, 大直径的圆纤
维 更加合适。
由于 纤维的表面积小, 化学反应也比
较小,故借助 金属基体的塑性流动,这些
纤维很容易和基体结合,
29
(F)性能的再现性与一致性 。
对于 脆性材料 或 高强度材料,这种要求
是非常重要的。
由于 复合材料的强度 取决于 纤维的束强
度,这种 束强度与每个纤维的强度 有关。因
此，需使 各个纤维的强度驱于一致 。
30
(G)抗损伤或抗磨损性能 。
脆性纤维 对 湿暴露 或 表而磨损 特别敏感，
这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。
31
一些增强纤维的典型性能
下表列出了一些 重要的增强纤维及其性能
32
从表中可以看到，像,火箭丝, (钢丝 )
和 钨丝 等 高强度丝,就是 由于具有高强度
才成为特别有用的增强材料。
33
Ｅ --玻璃纤维 和 Ｓ玻璃纤维 具有优良的
比强度和低成本,因此可以说是树脂基的
最重要的增强纤维。
但由于这些纤维 模量低 且 化学性质活
泼,所以很少用来增强金属。
34
氧化铝纤维 是用从熔体中 提拉子晶的
方法 生产的，这种单晶纤维的典型直径为
250um,具有很高的强度 。但 氧化铝纤维
对磨损很敏感,而且 很贵 。
35
用 硼纤维增强 铝合金和镁合金 时，具
有 很好的综合性能 。
用 三氯化硼气体 通过化学气相沉积法
可获得硼纤维,将硼沉积在 1200 ℃ 的钨底
丝上 。
36
用 钨作底丝,主要是由于它的 再
现性好, 强度高, 价格低 且 化学纯度
高,但有时也用 碳单丝 及 其它金属丝
作底丝。
37
硼纤维 具有一系列很突出的优点，
它的 比模量和比强度高,与固态铝和液
态镁的 化学相容性好, 直径大, 再现性
好 且 价格适宜 。
38
B4C纤维和 SiC纤维已有实验室规模的
生产。这种纤维的 生产方法与硼纤维十分相
似,也是 在钨或碳的底丝上用化学气相沉积
法生产 的。这些沉积物都是 结晶体,对 表面
磨损 十分敏感。
39
B4C和 SiC纤维的 结晶形结构 比
硼纤维 具有更好的抗蠕变性能,因
此这些纤维主要作为 高温增强材料 。
40
石墨纤维 或 丝束 有 优良的比模量和比强
度 。其 弹性模量 通常与 高温石墨化程度 有关，
一般可达 240~250GPa。
但由于这种纤维 和熔融金属有反应,使
复合材料加工因维，从而 使其作为金属基体
的增强体的应用 受到限制。
41
3、金属基复合材料的强度
由于大多数 金属基复合材料 均表现出
各向异性,所以 在各个方向上的强度 也不
尽相同。
以 纤维增强金属基复合材料 为例，则
表现为 纵向强度 与 横向强度 的差异。
42
(1)纵向强度
材料强度 与弹性性能不同，不代表整
个测试段上的平均性能，而 主要代表局部
区的性能 。
43
材料强度 可以定义为 材料发生破坏的
最弱横截面上的平均应力 。
一般情况下,材料强度 是指 原始横截
面积上的应力,而不是瞬断面积上的应力。
44
在 静态拉伸应力条件下,判别抗拉强度
时，是 按原始截面 计算的 材料试样能够承受
的最大张应力或极限张应力 。
对于 高模量的金属基复合材料的断裂,
则是由于 载荷不断增加, 纤维不断断裂, 承
载能力相继下降 从而导致了材料的破坏。
45
复合材料 强度 同 组分性能 间的关系
可用如下的公式表示：
MMFFC VV,.
* ??? ??
式中,?C*表示复合材料的抗拉强度，即复合
材料 原始面积上的 应力； ?F为 所有纤维上的 平均
应力； ?M是 基体在断裂时 的平均应力； VF和 VM
是纤维和基体的体积分数。
46
如果 没有孔隙及第三相 存在，则应有
1?? MF VV
如果 所有纤维的强度相近,剩下的基体
在纤维断裂时又不能承受载荷，这时 ?F就等
于 纤维的平均强度,而 ?M可以认为是 在基体
应变等于纤维断裂应变时 的 基体应力 。
47
McDaniels等人对此曾用 钨丝铜基复合
系 进行了研究，并将 复合材料的强度绘成纤
维体积比的函数,如下图所示。
48
高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则
纤维体积比 VF
应
力?
49
从图中可以看出，仅在 纤维体积比大于
临界纤维体积比 VF*时，下列公式才可适用
MMFFC VV,.
* ??? ??
如果 纤维体积比比较低, 基体在全部纤维
断裂后仍能承受载荷,这与上面的假设不符。
50
上述公式应该采用 纤维的有效强度,
由于脆性纤维的 拉伸强度范围相当大,故
有效强度值却不能简单测定 。
MMFFC VV,.
* ??? ??
51
尽管 当纤维强度相近时 可以采用 纤维
的平均强度,但对硼这样的 脆性纤维,用
纤维 平均强度 并不能很好地预测复合材料
的 抗拉强度。
52
当 弱纤维断裂 时，引起 三种重要的变化 。
(A)由于 破断纤维失去强度,而使 该处截
面上的强度降低 。
(B)破断纤维裂纹周围的 静应力集中 会降
低材料的有效强度。
(C)破断纤维失去载荷时产生的 动应力波
会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上
的瞬时承载能力。
53
第一种变化也与基体内的 纤维临界载
荷传递长度 有关。
在纤维破断位臵上，由于 破断纤维失
去载荷能力 而使材料强度有相应的损失。
54
在 临界载荷传递长度 以下的纤维段
上,纤维承载能力的减少量 等于 基体剪
切应力回传给破断纤维段上的 载荷之差 。
55
如果 载荷传递长度 是无限长，则确定
这种纤维强度时，或者测试 一束纤维的抗
拉强度,或者测试 每根纤维,然后算出 该
组纤维所能承受的最大载荷 。
56
破断纤维端周围的 应力集中效应 也会 降
低复合材料的有效强度 。
复合材料的一项重要性能 即是 当裂纹在
垂直于外张力载荷的方向上扩展时, 会受到
纤维基体界面的阻滞 。
因为基体中 裂纹顶端的最大应力值 接近
于 基体的抗拉强度 而 低于纤维的断裂应力 。
57
例如，在 硼铝复合材料 中，在铝中扩展
的 裂纹顶端应力 可以达到 350MPa,而纤维
的 局部强度 接近 4.2GPa。
因此在这种复合系统中,裂纹顶端周围
的应力集中 不会导致不稳定的裂纹生长。
这种 裂纹钝化形式 示于下图。
58
负荷
裂纹
纤维 基体
负荷
裂纹
复合材料中的裂纹钝化
(a)界面开裂 (b)基体剪切变形和开裂
(a) (b)
59
而在 氧化铝 --钛合金 系统中，纤维和基体
的强度比更接近于 2:1，这时 裂纹顶端的应力
集中 会使复合材料 严重脆化 和 降低强度 。
虽然 裂纹顶端本身 并没有严重削弱硼 --铝
复合材料，但 局部应力集中 是严重的。
60
在纤维破断位臵上,由于受到束缚,破
断纤维的两端会在基体中产生剪切应力 。因
基体不能承担 破断纤维原来承受的高载荷,
这些剪切力主要由 最邻近的纤维承担 。
如果 最邻近的纤维 没有破坏，则 不会有
局部应力传到更远的纤维上 。
61
附加 在未破断纤维上的局部张应力 会
导致 不稳定的裂纹扩展,因为 次邻近纤维
的破断 甚至会产生 更大的剪切阻滞力 ；
下图给出了 二维阻滞力 的示意图。
62
二维裂纹的扩展
箭头表示纤维上的剪切应力
负荷
63
如果这些力 平均分配在最近邻的六根纤
维上 及平均纤维应力是 2.8GPa时，则在纤维
断裂时,加给邻近纤维的局部附加张应力 就
是 2.8GPa,或者说每邻近纤维上的附加张应
力是 0.45GPa。
64
纤维断裂处的附加应力值最大，而在离
开断头端的距离等于 临界剪切传递长度 处，
附加应力减小到零。
65
当弱纤维断裂时,复合材料应力状态的
第三种变化 与由此产生的 冲击波 有关。金属
基复合材料中的断裂通常用 声发射 检查。
动载断裂能 主要被试样所吸收，但关于
它 对复合材料抗拉强度的影响 还没有定量的
研究。
66
总之,组分性能 和 复合材料强度 之间的
关系比弹性模量 更为复杂,因为 强度和局部
材料 有关，而不是整个材料的平均常数。
虽然对纤维有效强度能预测的复合材料，
可以采用 混合定则 计算复合材料强度。但对
含脆性增强纤维的复合材料,这种计算就不
很精确了。
67
2．横向强度
金属基复合材料的 横向性能的预测
比纵向性能复杂。它通常采用一些假设。
68
在 预测横向模量值 时，所采用的假设如下：
(1)两组元 在达到断裂应力前 都是 线弹性 的；
(2)界面结合是完好的；
(3)纤维排列是规则的。
69
由这些假设可以推导出 材料的横
向刚度 E22和复合材料 横向平面泊松
比如下：
1
)/( 11222 ?? EE?
70
下图为 纤维正方排列的 复合材料横向
模量同基体模量之比 是 纤维体积比 的函数，
也是 纤维模量对基体模量之比 的函数。
71
复
合
材
料
归
一
化
横
向
刚
度E
F /F
M
成分刚度比 EF/FM
圆纤维正方排列的复合材料的归一化横向刚度
72
上图表明，金属基体内的 增强纤维 对 横
向模量 有很大影响。
例如,60％的硼 --铝复合材料的 横向模
量接近于基体的三倍 。
73
这种 横向模量的增强作用 并不能代表 复
合材料的横向强度,因为复合材料都 在最弱
的横截面上破坏 。
此外，由于 基体受到纤维的严重束缚,
复合材料的断裂应变 比 非束缚基体材料的相
应值 要小得多。
74
４、复合材料组分的相容性
由于复合材料包含有 两种或两种以
上的相,要使组分间具有良好的配合，
则这两相间必须具备 物理相容性 和 化学
相容性 。
75
对 金属基复合材料 而言，用 薄片或纤维
增强 金属基复合材料的 物理相容性问题 一般
都和 压力变化,或 热变化时反映材料伸缩性
能的 材料常数 有关。
化学相容性问题 主要与复合材料加工过
程中的 界面结合, 界面化学反应 以及 环境的
化学反应 等因素有关。
76
所谓 物理相容性问题,是指 基体应
有足够的韧性和强度,从而能够 将外部
结构载荷均匀地传递到增强物上,而不
会有明显的不连续现象。
77
基体和增强体之间 的一个非常重要的
物理关系 是 热膨胀系数,因为 基体通常是
韧性较好的材料,因此最好是基体有较高
的热膨胀系数。这是因为膨胀系数较高的
相 从较高的加工温度冷却时 将受到张应力。
78
对于 脆性材料的增强物,一般都是 抗
压强度大于抗拉强度, 处于压缩状态比较
有利 。而对于像钛这类 高屈服强度的基体,
一般却要求避免 高的残余热应力,因此 热
膨胀系数不应相差太大 。
79
化学相容性 是一个更加复杂的问题。
对于 原生复合材料,在制造过程中是 热力
学平衡的 。
例如，在平衡状态下 凝固的共晶复合
材料,对于这类晶体，其 两相化学势相等,
而 比表面能效应 也最小。
80
如果这种复合材料 在偏离制造温度时
有明显的 相变或浓度变化,就会产生 不稳
定问题 ；
在 人造复合材料 中，两相间发生 有害
反应的化学动力学过程 也相当缓慢，一般
可以满足相容性要求。
81
对于 非平衡态复合材料,化学相容性
问题要严重得多。如采用 石墨增强纤维时,
纤维的浸润和结合 都非常困难，在使两相
结合方面就会产生问题。
还有 纤维和环境的化学反应 也是加工
过程中遇到酌一个严重问题。高强度脆性
纤维的有害反应包括 应力腐蚀 和 氧化 。 热
冲击 也会使纤维损伤。
82
纤维和基体间的直接反应 则是 更重要的
相容性问题 。
对于像硼 --铝这样的 低温金属基复合材
料,可以靠 尽量降低制造温度 来避免两相间
的化学反应。
83
对 蠕变强度低的基体,采用 高压低温
工艺 也能获得良好的固结和粘合。
像 硼 --镁 或 钨 --铜等 复合系，因为 两
相间不反应，不互 镕,因此可以采用 熔液
渗透法 制造。
84
但对于 高温复合材料 而言，以下的 与化学
相容性有关的问题 则十分重要。
(1)?F--两相反应的自由能 ；
(2)U--化学势 ；
(3)T--表面能 ；
(4)D--晶界挡散系数 ；
85
第一个问题 ?F,不仅对 制造过程,而
且对 高温应用过程 都是很重要的。
纤维和基体反应的自由能变化 代表 该反
应的驱动力,在高温下该值的大小变得更加
重要。设计高温复合材料的材料工作者应该
确定 所选系统 可能发生的反应的自由能变化。
86
化学相容性的第二个问题是 关于 每个组
元中每个元素的化学势 。
如果 各组分相间的化学势不等,常常会
导致 界面不稳定 而使纤维性能下降。
例如，欲用 氧化铝和镍合金 组成复合材
料,为防止铝扩散,铝 (和氧等 )在两相中的
化学势必须相等。
87
两相混合物的表面能 可能非常高，因
而 使界面很不稳定 。这个问题对 晶须增强
复合材料 是很重要的。而对 碳化钨加钴复
合系 来说，其 表面能关系则是有利的 。
88
由 晶界或表面扩散系数控制的 二次扩散
效应 常使复合系中 两组分相的关系 发生很大
变化。
例如，钨丝增强镍合金中碰到的一个重
要问题即是镍向钨晶界扩散，从而导致钨丝
再结晶温度下降。
89
另外，还有一些 二次扩散效应,如
液态金属脆化 和 氢脆 。
在复合材料中，如果 某一相的间隙
氢浓度偏高,便会危及另一相 从而会发
生氢脆 。
90
第二节 铝基复合材料
一、铝基复合材料的特点
航空航天工业中需要大型的、重量轻的结
构材料，例如波音 747大型运输机、远距离
通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设
计这些结构时，问题之一就涉及到平方 — 立
方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸
的平方增加．而重量却随其线尺寸的立方增
加。所以，假若要保证大型结构的机动性和
高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。
91
复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样
极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造
和应用的基体来克服这些限制。而铝则是被
选用最广的基体材料。
目前关于硼 — 铝复合材料的研究主要包括
以下几个方面的内容：
(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，
这在航空航天领域中显得尤为重要。
(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐
用的材料及构件。
(3)改进硼 — 铝复合材料的制造应用技术，
促使其成本尽可能降低。
92
与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量更
接近各向同性，而且其非轴向强度也较高。
硼 — 铝复合材料的横向抗拉强度和剪切强度
大约与铝合金基体的强度相等．这就比树脂
基材料可能达到的强度要高得多。
93
除上述特点外，硼 — 铝复合材料的其它重
要物理性能与机械性能有，高的导电件和
导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、
连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。
高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久
性也常常是重要的。而硼 — 铝复合材料的
优越性能则为其应用提供了有利的保障。
94
二、硼铝复合材料
作为结构应用来说，选择复合材料组元的主
要目标是高比模量和高比强度，硼 --铝复
合材料因此在研究与发展上受到了很大的重
视。
95
1,增强纤维
对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度
高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复
合材料。与这些要求有关的纤维主要性能已列
于表 6— 2中，在表中的每一种纤维与硼纤维相
比都各有缺点。
96
玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易
与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较
低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，
并已作为硼纤维的涂层使用．但其密度比硼高
30％、且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有
吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺
点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数
一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤
维起剧烈反应。 ?--?钛合金 Ti-6Al-4V的冷拉
丝材和沉淀硬化钢“火箭”丝 NS— 355,内于
密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。
冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其
应用。
97
硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原
三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到 1100—
1300℃ 并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉
积层．这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。
目前大量供应的纤维有 100um和 140um两种直径，
有的纤维带有 2um厚的碳化硅涂层，其目的是为
了改进纤维的抗氧化性能。 140um硼纤维的室温
密度为 2,55g／ cm3。 由于硼纤维的表面具有高
的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表
面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意
义的特性。
98
此外，硼纤维还具有良好的高温性能，
它在 600℃ 时仍保持 75％强度，在
600℃ 和 700℃ 时的蠕变性能比钨还好。
但在 500℃ 以上暴露于氧气中短时间纤
维的强度就会严重受损，在表面涂一
层碳化硅正是为了防止这种破坏作用。
99
2．基 体
硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金
具有良好的综合性能。所谓良好的综合性能
是指良好的结合性能，较高的断裂韧性．较
强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能
力；较强的抗腐蚀性，较高的强度等。对于
高温下使用的复合材料．还要求基体具有较
好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能
熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能
采用复合蠕变成型技术。
100
目前普遍使用的铝台金有变形铝、铸造铝、
焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全
符合硼纤维对金属基体的要求．但某些合
金已得到了成功的使用，这其中最普遍的
是采用变形铝为基体用固态热压法制得的
复合材料。
101
三、铝基复合材料的制造
复合材料的制造包括将复合材料的
组分组装并压合成适于制造复合材料
零件的形状。常用的工艺有两种，第
一种是纤维与基体的组装压合和零件
成型同时进行；第二种是先加工成复
合材料的预制品，然后再将预制品制
成最终形状的零件。前一种工艺类似
于铸件，后一种则类似于先铸锭然后
再锻成零件的形状。
102
制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材
料组分的组装压合和零件层压。大多数硼 — 铝
复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。
前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这
就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预
制品再经过热压扩散结合。
103
1．挥发性粘合剂工艺
这种工艺是一种直接的方法，几乎
不需要什么重要设备或专门技术。制
造预制品的材料包括成卷的硼纤维、
铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发
树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应
结合适当的纤维间距来选择，通常为
50~75um。
104
所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕
和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带：前
一种工艺因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕
可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。
由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与
滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足
张力控制。
105
第二种纤维排列法是制造连续多丝条带，它
要求更完善的设备条件。目前的设备可同时
输出 600根脆性丝。
等离子喷涂的硼 — 铝带用同样的方法制造，
只是不喷挥发性粘合剂．而在纤维一箔片上
喷一层基体铝合金，将纤维和箔片粘在一起。
因为选择的等离子喷涂合金与箔基体相同，
所以这两种材料都变成基体的一部分。铝合
金粉注入到灼热的等离子气流中并在放热区
内被熔化。熔融质点打在纤维 — 箔片上并急
冷到纤维的反应温度以下。由于纤维周围充
满了等离子焰射流中含有的惰性气体，因而
能防止纤维氧化。
106
这种工艺的优点是，纤维在缠绕筒上就被基
体同定住，因而纤维间距好控制，喷涂条带
的耐久性和强度好，以及易于复合粘结 。
用挥发性粘合剂和等离子喷涂工艺生产的
“毛料”预制带还必须经叠片和压合才能做
成复合材料：采用挥发性粘合剂方法时，粘
合剂必需在热压结之前排除。这一步骤直接
在高压焊合之前进行．因为在树脂粘合剂挥
发之后必须依靠机械作用使纤维和铝箔保持
原位。
107
叠片过程包括先把顶制品剪切成一定形状，
然后将其铺放在热压模或平压板上。剪切时
一般采用比较简单的单片剪切。剪切机可以
类似于板金剪切机、剪刀或糕点扣模。
假若使用平板热压，通常要将叠层封装在套
内，因为控制气氛对防止铝或硼在高温下氧
化是很重要的。在平板之间压制的典型封装
复合材料的基体均硼纤维各占 50％ (体积比 )。
108
若要制造复杂形状的零件，则使用成型
模具热压叠层．这种叠层可以含有许多
复杂形状的单片。层片用滚压剪切的方
法切割，其方法与扣制糕点类似，随后
将这些层片叠好并在叶形模具中压制。
这两种工艺都能用来热压长零件。
109
控制热压条件 —— 温度、压力、时间和气
氛是非常重要的。否则．恶劣的条件会使
复合材料强度减低并使铝的扩散结合不好。
在使用未涂复的硼纤维时可用的时间 — 温
度条件范围很小。然而．用促进大范围塑
性变形的方法．如像疏松的等离子喷涂的
压实或像挤压的情况，则热压时间可以大
大缩短。若采用的时间相当短，就可选用
较高的温度。压力一般要求超过 70MPa，
为了防止硼的氧化，要在更长的时间内保
持氧的分压很低。
110
在硼 — 铝的压合中有下
述一些重要的限制：
(1)纤维损伤问题限制
了时间 — 温度参数。
(2)为保证铝的结合和
消除孔隙度、时间 — 温
度 --压力参数必须高于门
限值，因为这是一个受
蠕变和扩散限制的过程。
111
(3)高压力会增加纤维的断裂 c
(4)为防止硼氧化要求仔细控制气氛。
若硼纤维用碳化硅涂覆，这些限制大多
可以放宽或不予考虑，因为在制造过程中
可以使用高得多的温度而不会使纤维损伤。
112
在制造复合材料时，在硼和铝合金中还可加
入第三种组元以改进一些性能．如高温横向
性能、抗腐蚀性和韧性等。目前两种最有效
的附加物是钛箔和高强度“火箭丝”。因为
铝基体同这些第三组元的结合条件与铝本身
自结合的参数相同，所以把钛箔或“火箭”
丝加到预制品中并结合成复合材料还是比较
容易的。这种丝的典型性能是 20℃ 时抗拉强
度为 3,8GPa,500℃ 时为 2,8GPa,丝材
在 500℃ 或 550℃ 的热压过程中不会明显退火。
113
除了上述制造工艺以外，硼 — 铝复合材料的
制造还包括电成型、金属粉末成型、铸造和
纤维缠绕配合等离子喷涂及烧结等工艺。电
成型工艺是先将纤维绕在芯轴上，然后在盛
有锂 — 铝氢化物和氯化铝的乙醚槽中电镀铝。
此时铝并不在硼纤维上沉积，而是优先在绕
线的间隙生长。解决这个问题的一种方法是
在沉积基体之前先将纤维镀镍，但这种工艺
成本相当高，因此应用受到了限制。
114
在含有硼纤维的金属粉末制造工艺中．要
求在热压模中放人和模具等长的纤维，并
在纤维周围填充一层铝粉。使用这种工艺
时遇到的问题有，须保持精确的纤维间距，
防止在高纤维体积比时纤维被压碎，以及
由于纤维的存在而要求的压力条件下达到
良好的基体控制性能。由于存在这些问题，
也限制了粉末冶金在这方面的应用。
115
用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样
的工艺来制造平板和大直径团环。
这种工艺形成的疏松基体很不结实，
但可以用随后的烧结或热压加以改
善。用这种工艺制造的复合材料的
早期试验结果表明，此种硼 — 铝材
料具有权好的高温强度和耐疲劳性
能。
116
四、铝基复合材料的二次加工
二次加工是指对基本的复合材料型件
如平板、梁和管等所进行的加工、包括
成型、连接机械加工和热处理等工艺过
程。
117
1．成 型
硼 — 铝复合材料的成型涉及到它的组分 ——
强而近于脆性的纤维和软而延性的铝。
纤维在室温拉伸实验时具有完全弹性的应力 —
应变特性，而在高温下具有很高的抗蠕变能力。
因为复合材料系列的最高成型温度尚不到 600Y，
所以如果没有纤维断裂和很高的残余应力，则
纤维不会有什么塑性延伸。
118
另一方面，在 400Y下很低的应力便可使
铝其体产生很大的蠕变变形。纤维对成型
工序造成的严重束缚，致使零件的加工制
造在很多情况下是在复合材料热压过程中
用易于弯曲的预制板加工成最终形状的。
实施成型制造法在树脂基复合材料的制造
时也常使用。由于纤维对复合材料的束缚，
使得材料的最大轴向断裂延伸率小于 1％，
而蠕变时横向断裂延伸率甚至更小．只有
高的剪切韧性和高的蠕变延伸率才能使只
要求基体剪切的蠕变成型过程顺利进行。
119
2．连 接
硼铝复台材料与承载结构的附件的连接
是复合材料应用中最重要的工程领域之一。
硼 — 铝复合材料的连接技术是基于铝的连
接而并不考虑硼同硼连接。其目的是想要
得到高剪切强度的基体连接而不使复合材
料的机械性能降低。因为铝的连接是一种
很成熟的工艺，而且纤维损伤的热力学条
件也已知、所以解决这个问题的途径是很
明确的。
120
连结工艺包括固态扩散结合、使用钎料的钎
焊、不用焊料的铝的熔焊技术和低温钎焊。
硼 — 铝与硼 — 铝，或者硼铝与铝板或钛的固
态扩散结合工艺，其所要求的技术和设备同
前述的复合材料制造上艺基本相同。所获得
的高连接强度相当于基体合金的剪切强度。
硼 — 铝复合材料的无焊剂炉中钎焊，如果
不会使纤维损伤，则可按标准的铝焊工艺进
行。标准的工艺是把钎焊箔放入需要连接的
零件之间并在接触压力下进行炉中钎焊。
121
铝合金的熔焊用于获得高强度的、抗蚀
的韧性连接。在硼 — 铝的熔焊中，须考
虑的最主要的问题是纤维的损伤。这就
必须把热影响区尽可能限制在最小的范
围。标准的技术措施是急速的加热和冷
却．并使始池的几何形状具有大的深宽
比。硼 — 铝熔焊第二个需要考虑的因素
是组分之间的残余应力状态。这些连接
部位可以进行退火，们对应力引起的变
形也应考虑。
122
除了各种焊接方法以外．机械固定和胶
接也是复合材料的有效连接力法。由于
胶合剂的强度比钎焊料低得多，因此连
接部位所容许的剪切应力也低得多。机
械固定方法的使用要考虑两条主要的限
制，承载能力与拔出应力必须按各向异
性复合材料确定；为安装固紧件而对复
合材料进行机械加工时必须小心，保证
不产生明显的损伤。
123
3．机械加工
由于硼纤维硬度高 (莫氏硬度为 9)。
硼 — 铝复合材料的机械加工比较困难。然
而对单层件来说，板金剪切技术就可以胜
任。拉伸试样的加工问题通常采用砂轮切
割或电加工的方法来解决。用标准的浸有
全刚石的黄铜切割轮可得到良好的切割表
而，出于硼冰身的清洁作用，铝不会沾污
或损伤具有合适粒度的砂轮。
124
研究表明，剪切和冷冲仅对极薄板材有用，而
砂轮切割和磨削则是可用的方法；金刚石切割
和金刚石钻孔也是可用的，但刀具磨损过多。
使用超声波加工很好，旋转式超声波机床使用
浸有金刚石钻芯的钻头在硼 — 铝复合材料上打
孔是最有效的钻削方法。对于每种工艺来
说．其切割表面质量，特别是关系到纤维的压
碎或开裂，必须结合切割速率和工具寿命这些
价格因素加以权衡比较。
125
4．热处理
在硼 — 铝系中，所选择的有些基体合金
可进行时效强化。这些合金包括铝铜镁合金
2024，铝镁硅台金 6061和铝锌合金 7178等。
因为基体与纤维有强烈的相互作用．基体合
金的时效硬化对复合材料性能的影响是复杂
的，这影响到材料的残余应力状态。但这些
合金的标准热处理方法还是可用的。
126
五、机械性能
1．弹性模量
几乎所有的通用工程机械和结构的设计均
使其工作载荷不超过所用材料的弹性范围。
弹性模量决定了结构在载荷下的尺寸，在
这些用途中，它是相当重要的。用硼一铝
复合材料来增强或加固金属结构也取决于
对其弹性模量的了解，因为正是组元材料
模量的比值决定了结构内部的载荷分配。
127
单向增强硼 — 铝复合材料可以看作是
一种正交材料，它在横向上各向同性
并具有五个独立的弹件常数。然而，
硼 — 铝复合材料经常作薄片使用，这
种薄片也是复杂叠层的纳构单元。于
是可以把它作为一个处于平面应力状
态的正交薄片来对待，因而只需四个
独立的弹性常数。这些常数是轴向弹
性模量 E11,横向弹模量 E22,主泊松比
?12和平面剪切模量 G12。 组元硼纤维和
铝基体的弹性常数见表 6— 5。
128
表 6-5 硼纤维与铝基体的弹性常数
129
硼铝复合材料的纵向弹性模量 E11,可用混合
定则公式相当精确地计算即
E11=EF.VF+EM.VM
式中角注 F和 M表示纤维和基体，而 V表示体积
百分比。
130
横向弹性模量的关系较为复杂，但理论计
算与实验值符合，图 6— 6示出了这两个模
量的理论值与实验值的符合情况。弹性模
量的各向异性并不大，对于通常使用的 50
％纤维体积比的复合材料来说，纵向与横
向模量的比值约为 3,2，它们的纵向与横
向的比弹性模量大约为最普通用的工程合
金的 300％和 200％。
131
纵向与横向模量均随温度的增加而下降。
复合材料模量的下降主要是由于基体模量
的下降所致。如果试样轴相对纤维轴转动，
四个独立的弹性常数也将发生相应的变化。
132
纤维体积比，％
杨
氏
模
量*1
0 10
N/
m
2
图 6-6 硼 --6061铝复合材料的纵向和横向弹性模量
133
2．强度及应力 — 应变特性
非均质的正交材料，如硼 — 铝复合材料，
其强度和全部应力 — 应变特性必然是复杂
的；像单 — 的工程材料一样，结构复合材
料的最终性能是原材料的性能、成分以及
加工和制造过程的结果。然而、由于纤维
与基体分布的独立性和各相之间反应热力
学的可观察性，使得复合材料这种冶金和
结构的体系比以往大多数的工程材料更适
于作定量分析的描述。
134
(1)轴向拉伸
硼 — 铝复合材料的轴向拉伸特性取决于
增强纤维的性能和复合材料的纤维含量。
复合材料轴向强度和断裂应变受纤维性能
制约。
135
图 6-7为硼 — 铝复合材料的应力 — 应变典型曲线。图
中结出了制造状态的 (F状态 )和热处理状态的两种特
性。这两种曲线都有一个初始的直线区域、然后在另
一个直线区域之前有 — 个过渡的非线性区域，最后在
断裂之前有 — 个非线性区域。这种应力 — 应变曲线不
仅反映了硼铝复合构料的特性，而且其它金属基复合
材料也有类似的特征。
136
应变 *10-3 m/m
应
力*1
0 7
N/
m
2
图 6-7 典型硼 — 铝复合材料的应力 — 应变曲线
137
图 6— 8为复合材料的特性与残余应力的作用
示意图，它包括含 50％硼纤维的复合材料的
应力 — 应变特性和纤维与基体组元的应力 —
应变特件。在冷却时，基体发生塑性和弹性
收缩，而纤维只发生弹性收缩、基体中留下
的平均净拉伸残余应力的大小等于纤维中的
净压缩残余应力。前述的复合材料应力 — 应
变曲线的三个变形阶段分别对应着基体 — 纤
维的弹性 — 弹性、塑性屈服 — 弹性和塑性 —
弹性特性。
138
图 6-8 基体纤维及复合材料应力 — 应变曲线图
139
硼铝复合材料具有很高的抗拉强度，这主
要是由于增强纤维的抗拉强度高。其它一
些因素如基体成分和残余应力则是次要原
因。图 6-9为复合材料强度与纤维含量的关
系。对于一定的纤维类型，复合材料的强
度一般随纤维含量的增加而增加。
140图 6-9 复合材料轴向抗拉强度随纤维合量
的变化
轴
向
抗
拉
强
度
＊10
7N/m
2 纤维体积比％
141
如果纤维强度的重复性好，发现复合材
料的轴向抗拉强度随纤维含量的变化实
质上呈线性关系。与线性有较大的偏离
通常是由于不同试样之间纤维强度的变
化所致。由于复合材料轴向强度与纤维
体积比至线性关系，因而可以用混合定
则来表尔复合材料强度与纤维强度及基
体强度之间的关系．其结果与前面类似，
这里不再重复。
142
硼 — 铝复合材料轴向抗拉强度还随温度的变
化而变化。其结果如图 6— 10所示。这种变化
主要取决于纤维强度随试验温度的升高而降
低，并且也取决于纤维 — 基体发生反应所引
起的纤维强度衰退；后一点在温度超过 430Ｙ
和时间长于图中数据所用的拉伸试验时间的
情况下更为重要。高温轴向强度主要取决于
纤维强度这一事实表明，复合材料高温强度
的改进主要是靠改进纤维的性能。基体强度
的变化和残余应力的松弛也会影响复合材料
强度对试验温度的依赖。
143
图 6-10 复合材料轴抗拉强度随试验温度的变化
试验温度，Ｙ
轴
向
抗
拉
强
度
＊10
7N
/m
2
144
(2)横向拉伸
在构件中所用的硼 — 铝复合材料的横向拉
伸性能是重要的考虑因素。在多数情况下 50
％纤维增强复合材料的横向抗拉强度只有轴
向抗拉强度的 10％ — 15％，而横向弹性模量
约为轴向模量的 60％。这样大的各向异性是
采用多向复合增强的大要原因。复合材料的
横向性能对基体和纤维两者的性能都是敏感
的。
145
所有硼 — 铝复合材料的横向拉伸特性可以
根据断口的形貌分为三种常见的类型。
第 — 类复合材料断裂的特征是断口全为基
体破裂，第二类断口则同时合有基体破裂
和纵向纤维劈裂，第三类断口的典型情况
是基体破裂和纤维 — 基体界面破裂。
146
对于第三类断裂这里不作进一步讨论，
因为对于结合良好的硼 — 铝材料而言并不
典型。当复合材料承受横向拉伸载荷时是
发生第一类还是第二类复合材料断裂．主
要取决于基体和纤维的相对强度。
两类复合材料特性的典型应力应变曲线示
于图 6— 11。 150um硼增强铝的断裂主要
是由于基体的破裂，代表着第一种类型的
特性。 100um硼增强铝复合材料则代表着
第二种断型类型的特征。
147图 6-11 25Y下硼增强铝横面拉伸应力应变曲线
应
力
＊10
7N
/m
2
应变,m/m
148
复合材料横向抗拉强度与基体强
度和纤维种类的关系示于图 6— 12
中。含有 150um硼纤维的复合材
料的强度随基体强度的增加而连
续增加。复合材料强度与基体强
度接近相等。应当说明的是．为
提高基体强度而进行的复合材料
热处理对于提高复合材料横向强
度非常有效。所有的 150um硼增
强铝复合材料，其断口主要呈基
体破裂。
149图 6— 12 横向抗拉强度与基体强度和纤维种类的关系
复
合
材
料
横
向
抗
拉
强
度
＊10
7N
/m
2
基体抗拉强度＊ 107N/m2
