金屬基體的案例
硬質涂層-金屬基體的疲勞裂紋萌生
然而，大量的實驗表明，硬質涂層在不同程度上降低了金屬基體的疲勞壽命，極大地限制了涂層的應用。一般來說，疲勞裂紋萌生階段占整個疲勞壽命的
90%
以上，是承載結構疲勞破壞的主要階段。因此，研究硬質涂層如何影響韌性金屬基體的疲勞裂紋萌生機制，進而建立理論來緩解甚至消除這種現象是非常必要的。
目前，硬質涂層對金屬基體疲勞性能不利影響的機理主要基于“缺口效應”模型。涂層一旦斷裂會在基體界面附近引起附加應力集中，不可避免地加速疲勞裂紋的萌生過程。根據該模型，涂層斷裂不會改變疲勞裂紋源的位置，只是促進了疲勞裂紋萌生過程，沒有改變疲勞裂紋萌生機制。
然而，基于該模型的一些實驗現象卻難以解釋。
首先，
涂層開裂引起基體疲勞斷口形貌的變化。例如，對于從基體內部萌生的疲勞裂紋萌生源，涂層開裂導致疲勞裂紋萌生源位置由內部向表面轉變，這被認為是加速基體疲勞失效的關鍵。這表明涂層開裂改變了疲勞裂紋萌生機制。
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基本分類
結構復合材料由基體材料和增強材料兩部分組成：
基體材料，主要起到連接、固定、傳遞、保護等作用，通常由樹脂、金屬和非金屬；
增強材料，核心作用，提供材料的剛度和強度。
復合材料相比金屬材料，復雜得多，具有很多特點，并且可設計。
復合材料按照增強材料的形式，大致分為3類：
顆粒增強復合材料，包括非金屬顆粒+非金屬基體（如混凝土）、金屬顆粒+非金屬基體（如固體火箭劑）和非金屬顆粒+金屬基體（金屬陶瓷）；
纖維增強復合材料，由于纖維比塊狀同樣材料的強度大得多，通過纖維增強，可極大提升比剛度和比強度；其中纖維通常有碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、芳綸纖維等；基體通常有樹脂基體、金屬基體陶瓷基體和碳基體等；此外，纖維增強復合材料按纖維形狀、尺寸可分為連續纖維、短纖維和纖維布等；
層合復合材料，通過兩層或多層不同的復合材料形成。
其中，纖維增強復合材料和層合復合材料是該系列討論的重點。
最后
本文簡要介紹了復合材料的基本概念和分類，下文將主要介紹常用的纖維、基體，及其應用。
下載地址：復合材料力學
展開 復合材料的發展歷程
復合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。
復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。
復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又分為：①纖維復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層復合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內／層間混雜和超混雜復合材料。
展開 『轉貼』復合材料
復合材料的組成包括基體和增強材料兩個部分。非金屬基體主要有合成樹脂、碳、石墨、橡膠、陶瓷；金屬基體主要有鋁、鎂、銅和它們的合金；增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等有機纖維和碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲及硬質細粒等。
復合材料的歷史可追溯很遠，如從古沿用迄今的稻草增強粘土，和已使用上百年的鋼筋混凝土，就是由兩種不同材料復合而成。
20世紀20年代以后發展起來的銅-鎢和銀-鎢電觸頭材料，碳化鎢-鈷基硬質合金，和其他粉末燒結材料，其實質也是復合材料。40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼)的雷達罩，從此出現了復合材料這一名稱。
50年代以后陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度、高模量纖維；70年代又出現了芳香族聚酰胺纖維(簡稱芳綸纖維)，如聚對苯甲酰胺纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體，或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合而成各具特點的材料，為了區別于一般玻璃纖維增強材料，這種材料稱為高級復合材料。
復合材料根據其組成可分為金屬與金屬復合材料；金屬與非金屬復合材料；非金屬與非金屬復合材料三種。根據結構特點又可分為纖維復合材料、層疊復合材料、細粒復合材料和骨架復合材料。
纖維復合材料通常是置纖維狀材料于基體內組成，如纖維增強塑料、纖維增強金屬等；層疊復合材料是由兩種或兩種以上不同材料疊合而成，如用兩種具有不同膨脹系數的金屬，復合而成的能指示溫度變化的熱工儀表材料等；細粒復合材料是將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷；骨架復合材料是在連續多孔的結構材料中填充其他材料，或由面板和芯子組成的夾層結構材料等。
展開 
天大《Nature Commun》：實現高強高塑性氧化物彌散強化合金！
更重要的是，納米沉淀物與基體之間的共格界面關系，在提高材料強度的同時，不會破壞材料的延展性。例如，在體心立方(BCC)馬氏體基體中析出共格B2納米顆粒(3-5 nm)，可以得到Fe-17Ni-6.2Al-2.3Mo-0.48Nb-0.37C-0.05B鋼，其屈服強度為1.9 GPa，總伸長率為8.2%。因此，超細共格納米分散體已成為許多合金材料的新寵。
然而，對于一些原位法難以引入第二相彌散體的合金體系，必須普遍采用非原位法
。通過粉末冶金和各種鑄造技術，納米陶瓷或金屬間化合物顆粒，如氧化物和碳化物，引入金屬基體，生產許多具有誘人的物理和機械性能的材料。然而，由于其物理化學性質與基體完全不同，這些非原位納米陶瓷或金屬間化合物顆粒傾向于在金屬基體的晶界處聚集和結合，與基體形成半共格或非共格界面，與上述原位共格超細納米沉淀物相比，它們的強化效果明顯減弱。此外，由于變形不相容，這些非原位第二相顆粒與基體之間的半共格或非共格界面容易誘發嚴重的應力集中，導致材料開裂，進而導致材料延性的降低。因此，對于非原位第二相粒子增強合金體系，如何通過與基體完全晶格相干、超細尺寸、完全晶內分布的原位方法引入這些粒子，已成為進一步開發高性能第二相顆粒強化合金的關鍵。
此文中，研究者成功地將陶瓷氧化物納米顆粒均勻分散在金屬基體晶粒內，晶間氧化物顆粒完全消失，制備出了高性能氧化物彌散強化合金，即W基ODS合金。經低溫燒結和高能鍛造后，高密度的氧化物納米顆粒均勻地分散在W晶粒內，晶間氧化物顆粒完全消失。結果表明，在室溫條件下，合金的強度和塑性得到了很大的提高。研究者所采用核殼粉末作為前驅體制備高性能ODS合金的策略，有望應用于其他彌散強化合金體系。
圖1 cWY合金的力學性能。
展開 帶你來了解，無油軸承
無油軸承(SF-1)是一種兼有金屬軸承特點和無油潤滑軸承特點的新穎潤滑軸承，由金屬基體承受載荷，特殊配方的固體潤滑材料起潤滑作用。
廣泛應用在冶金連鑄機、軋剛設備、礦山機械、船舶、汽輪機、水輪機、注塑機及設備生產流水線中。
優點
無油軸承優點眾所周知，所有的機械的順暢運轉都必須使用某種軸承。
無油軸承是一種兼有金屬軸承特點和無油潤滑軸承特點的新穎潤滑軸承，由金屬基體承受載荷，特殊配方的固體潤滑材料起潤滑作用。
它具有承載能力高，耐沖擊，耐高溫，自潤滑能力強等特點，特別適用于重載，低速，往復或擺動等難以潤滑和形成油膜的場合，也不怕水沖和其它酸液的浸蝕和沖刷。廣大用戶普遍反映鑲嵌軸承不僅節油，節能，而且其工作壽命也比普通滑動軸承長。
無油軸承該產品是以鋼板為基體，中間層燒結球形青銅粉，表層軋制聚四氟乙烯和鉛的混合物而制成。它具有摩擦系數小、耐磨耐腐蝕.無油自潤滑和使用壽命長的特點，使用它可以降低成本、降低噪聲、防止粘、滑。
分類
金屬基固體鑲嵌無油軸承
在金屬基體上，鑲嵌石墨與MoS2復合型固體潤滑劑的一種高性能固體潤滑產品。它突破了一般軸承依靠油膜潤滑的局限性。在使用過程中，通過摩擦熱使固體潤滑劑與軸摩擦，形成油、粉末并存潤滑地優異條件，既保存護軸不磨損，又使固體潤滑特性永恒。
它的硬度比一般銅套高一倍，耐磨性能也高一倍。
展開 鋁基體超疏水微柱陣列的掩膜電解加工研究
但目前超疏水微柱陣列多局限于硅片及高分子聚合物等實驗性基材，而在常用的工程金屬材料基體上的加工技術研究還有待深入。工程金屬材料應用廣泛，在金屬表面上構建超疏水微柱陣列更具重要意義，論文提出采用掩膜電解加工技術在鋁金屬基體上加工超疏水微柱陣列，并通過仿真和試驗研究得出了加工電流密度、加工時間、掩膜尺寸等工藝參數對微柱陣列尺寸和水潤濕性的影響規律。
引用本文
Sun J., Cheng W., Song JL. et al. Fabrication of Superhydrophobic Micro Post Array on Aluminum Substrates Using Mask Electrochemical Machining[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2018, 31: 72. https://doi.org/10.1186/s10033-018-0270-1
試驗方法
（1）采用ANSYS建立了掩膜電解加工過程的仿真模型，分析了加工過程中微柱陣列尺寸變化與場強分布的相互影響規律，通過對工件-電解液接觸線上各節點坐標進行迭代，揭示了掩膜電解加工過程中基體結構隨加工電流密度、加工時間的變化規律。
（2）根據仿真結果，對微柱陣列高度和柱頂直徑隨加工參數的變化進行擬合，得出通過調整掩膜尺寸、加工電流密度和加工時間來控制微柱陣列尺寸的方法。
（3）通過鋁基體上超疏水微柱陣列的加工試驗，將不同加工參數下得到的微柱陣列尺寸與仿真結果進行對比，驗證了仿真結果的準確性。
展開 復合材料由哪些材料制成
復合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體汽摩模具主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。
展開 金屬復合材料是怎樣“貼”到一起的
粉末冶金法
粉末冶金法是將混合均勻的金屬粉末平鋪在基體金屬表面進行壓制，然后在保護性氣氛下高溫燒結，最后經切削加工制成復合材料成品。
擴散復合法
擴散復合法是將兩種金屬緊密貼合，在一定溫度和壓力下保持一段時間，使接觸面之間的原子相互擴散形成冶金結合。
離心鑄造法
離心鑄造法是將熔融的合金熔液澆入旋轉的基體金屬鑄型中，在離心力的作用下，合金熔液附著于鑄型內壁，快速冷卻凝固后，與基體金屬緊密結合在一起。
澆鑄復合法
澆鑄復合法是將基體金屬進行表面預處理并預熱到一定溫度，然后將其浸入裝滿復層金屬液的鑄模型腔中，或是將基體金屬放入鑄模型腔中，然后向鑄模型腔澆鑄復層金屬液，液態金屬凝固冷卻后形成復合材料。
連鑄連軋復合法
連鑄連軋復合法結合了傳統的鑄造法與軋制法，將高溫金屬液連續澆鑄在基體鋼板表面，使液態金屬在半凝固狀態與固態基體金屬同時在軋機上連續軋制，利用軋機的軋制力和液態金屬的高溫擴散使兩種金屬形成冶金結合。
展開 表面處理知識分享（第一講：金屬的表面處理需要兼顧保護惰性與結合活性）
第一講：金屬的表面處理需要兼顧保護惰性與結合活性
金屬于惰性金屬，化學穩定性和耐腐蝕性都較強，直接用做表面處理保護層是不是就可以了呢？答案是否定的，因為表面處理效果是一個對綜合技術的評價結果，需要考慮兩面性:不能只單純考慮抵抗外界的能力—反應惰性，還需考慮其與基材的結合能力—結合活性。這就是為什么鍍金前還要先鍍一層鎳的原因。
鍍金前預鍍鎳層的主要目的是利用鎳的特性，顯著提升鍍金層的綜合性能、增強結合力，并延長產品壽命。
所有表面處理技術都是類似的，需綜合保護惰性與結合活性才能達到最佳效果，本文以預鍍鎳鍍金處理原理為例說明如何平衡達到最佳效果：
一、強化鍍金層結合力(提升活性)
1、多數基體材料（如鐵、銅、鋁及其合金）與金的化學親和力較低，直接鍍金易導致金層結合不牢而脫落。
2、鎳與金屬基體的結合力優異，同時與金具有良好的相容性（原子結構匹配度高），能形成穩定的過渡層，確保金層牢固附著。
二、阻隔基體金屬擴散(提升惰性)
1、金雖為惰性金屬，但基體中的金屬原子（如銅、鐵）在溫度變化或長期使用中可能擴散至內部（鐵、銅、金原子尺寸相近，易發生固相濃度擴散），導致金層純度下降、導電性及耐腐蝕性降低（如銅擴散引起金層變色）。
2、鎳層具備高密度和優異的化學穩定性，能有效阻擋基體金屬原子的擴散，保護金層的純度與性能（鎳的擴散激活能高，擴散傾向低）。
三、提升整體耐腐蝕性(提升惰性)
1、金層雖耐腐蝕，但其厚度通常僅微米級。若存在針孔或缺陷，基體金屬可能通過缺陷被腐蝕，最終導致金層剝落。
展開 西南交大樊小強研究員團隊CEJ：原位制備Ti3C2Tx/LDH異質結及其在防腐耐磨涂層中的應用
此外，具有高導電性的Ti3C2Tx MXene在與金屬基體發生直接接觸或者電接觸時能與金屬基體構成腐蝕微電池，反而加速金屬基體的局部電化學腐蝕。因此，如何抑制Ti3C2Tx MXene納米片層的團聚、提高其與環氧樹脂的相容性、利用其獨特的二維結構特性，對提升Ti3C2Tx MXene/環氧體系的防腐耐磨性能起著至關重要的作用。
近日，西南交通大學材料服役行為團隊通過原位組裝的方法成功制備了Ti3C2Tx/MgAl-LDH異質結材料，并成功引入到水性環氧樹脂中，制備了復合環氧涂料并將其應用于低碳鋼表面的腐蝕、磨損防護。理論計算表明，Ti3C2Tx/MgAl-LDH異質結具有穩定的界面相互作用。實驗結果表明，Ti3C2Tx/MgAl-LDH異質結材料在環氧樹脂中具有良好的分散穩定性，Ti3C2Tx/MgAl-LDH環氧復合涂層具有優異的防腐耐磨性能。該文章近日以題為“In situ assemble Ti3C2Tx MXene@MgAl-LDH heterostructure towards anticorrosion and antiwear application”發表在知名期刊Chemical Engineering Journal上。論文的第一作者為西南交通大學博士生蔡猛，通訊作者為樊小強研究員。
圖1. Ti3C2Tx/MgAl-LDH異質結復合環氧涂層的防腐蝕和抗磨損機理圖
圖2. Ti3C2Tx MXene及Ti3C2Tx/MgAl-LDH異質結納米片形貌。
圖3.
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金屬復合材料是怎樣“貼”到一起的？
澆鑄復合法
澆鑄復合法是將基體金屬進行表面預處理并預熱到一定溫度，然后將其浸入裝滿復層金屬液的鑄模型腔中，或是將基體金屬放入鑄模型腔中，然后向鑄模型腔澆鑄復層金屬液，液態金屬凝固冷卻后形成復合材料。
連鑄連軋復合法
連鑄連軋復合法結合了傳統的鑄造法與軋制法，將高溫金屬液連續澆鑄在基體鋼板表面，使液態金屬在半凝固狀態與固態基體金屬同時在軋機上連續軋制，利用軋機的軋制力和液態金屬的高溫擴散使兩種金屬形成冶金結合。
來源：金屬材料的世界(微信號：ijinshu)
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展開 哈工大張洪濤何鵬教授|一種新型金剛石增強銅基復合材料增材制造工藝
該鍍層同時可以有效改善金剛石與金屬基體材料的界面結合，抑制金剛石與金屬基體之間的不利反應，進而達到優化材料導熱性能和力學性能的目的。本文采用熔鹽法對金剛石進行表面鍍鉻處理，最終在金剛石顆粒表面形成了均勻、完整的鉻鍍層。
其次，通過設計三維柵格結構實現了金剛石強化相顆粒在復合材料層間的空間約束和固定。銅網呈現均勻、規則的編織結構，每個柵格空間均為獨立的正方形結構，在預制帶制備過程中通過手工鋪粉的方式，形成了每個柵格內只填充一顆金剛石顆粒的理想結構。
隨后，團隊利用電阻焊工藝構建“三明治”結構金剛石增強銅基復合材料預制帶，鍍鉻金剛石顆粒與銅箔基體形成了一定強度的連接。
最后，以預制帶作為復合材料疊層制備的原材料結構單元，實現了鍍鉻金剛石/銅復合材料的超聲波固結制備，該復合材料實現了金剛石與銅之間的優異結合，且熱導率達到428.07 W/m·K。
總之，隨著電子器件發展的需求，熱管理材料的研究和制備技術的發展變得尤為重要。金剛石增強銅基復合材料以其獨特的性能在高端技術領域得到廣泛應用。超聲波增材制造方法作為一種低溫制造方法，能夠有效解決制備過程中的一些問題，為金剛石增強銅基復合材料的制備提供了新的途徑，
團隊提出的金剛石增強銅基復合材料快速短流程超聲固相增材制造工藝為顆粒增強金屬基復合材料制備提供了新的工藝思路，對熱管理類材料的發展和我國核心技術產業的進步具有重要意義。
內容作者：杜榮茂
來源：天天老師說科研，編輯：張維官，審核：王穎
展開 上交《AFM》：一種無粘結劑方法構建鋁基MOF，優異吸水性能！
金屬有機骨架(MOFs)作為一種新型的吸附劑，因其大的比表面積、豐富的不飽和中心、可調的拓撲結構和孔徑而在許多領域引起了廣泛的關注，特別是它對水蒸氣的逐級吸收和適中的再生溫度使其在吸水應用如散熱、吸附式熱泵和冷水機組、大氣集水和濕度控制等方面具有很好的應用前景。在金屬基體上涂覆金屬有機骨架是金屬有機骨架應用的一個重要研究方向。然而，現有的粘結劑包覆方法需要重復操作，不可避免地會堵塞MOF的孔隙，導致吸附容量降低。
來自上海交通大學的學者提出了一種無粘結劑的方法來構建MOF-on-Metal結構。以鋁基體溶解后的鋁離子為原料，通過原位合成Al基金屬氧化物薄膜(MIL-96和MIL-100)，在鋁基體上制備了生長良好的多晶Al-MOF層。本文對MOF涂層的形貌和化學成分進行了系統的表征，并提出了一種pH控制策略來調節復合MOF的相對比例。重要的是，金屬氧化物-非金屬結構表現出超高的吸水量(192.5 g m?2)，這是所有已報道的干燥劑涂層金屬結構中最高的，并且具有優異的循環穩定性。在此基礎上，對采用金屬-金屬復合結構的除濕熱泵系統的性能進行了預測，結果表明，該系統的運行周期比采用粘結劑硅膠涂層的系統長80%，平均除濕量可達8.36g kg-1。
綜上所述，該方法能夠形成無粘結劑、低成本、高性能的MOF涂層，在高效節能吸附領域具有廣闊的應用前景。
展開 經驗總結！鋁壓鑄10大缺陷解決方案與預防措施
由拼接或活動部分引起
鑲拼部分松動；活動部分松動或磨損；鑄件的側壁表面，由動、定模互相穿插的鑲件所形成；
解決和防止的方法為：
頂桿長短要調整到適當位置；緊固鑲塊或其他活動部分；設計時消除尖角，配合間隙調整適合；改善鑄件結構使壓鑄模消除穿插的鑲嵌形式，改進壓鑄模結構；
粘附物痕跡
外觀檢查：小片狀及金屬或非金屬與金屬的基體部分熔接，在外力的作用下剝落小片狀物，剝落后的鑄件表面有的發亮、有的為暗灰色。
產生的原因如下：在壓鑄模型腔表面有金屬或非金屬殘留物；澆注時先帶進雜質附在型腔表面上；
解決和防止的方法為：在壓鑄前對型腔壓室及澆注系統要清理干凈，去除金屬或非金屬粘附物；對澆注的合金也要清理干凈；選擇合適的涂料，涂層要均勻；
分層（夾皮及剝落）
外觀檢查或破壞檢查：在鑄件局部有金屬的明顯層次。
產生的原因如下：
1.模具剛性不夠在金屬液填充過程中，模板產生抖動
2.在壓射過程中沖頭出現爬行現象
3.澆道系統設計不當
解決和防止的方法為：
1.加強模具剛度，緊固模具部件，使之穩定
2.調整壓射沖頭與壓室的配合，消除爬行現象
3.合理設計內澆道
摩擦燒蝕
外觀檢查：壓鑄件表面在某些位置上產生粗糙面。
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