金属基质复合材料及其制备方法

专利名称：金属基质复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及用于增强金属基质复合材料制品的含有金属的插入物及用插入物增强的金属基质复合材料制品。
相关技术说明用陶瓷增强金属基质在本领域中是公知的(请参见例如美国专利4,705,093(Ogino)，4,852,630(Hamajima等人)，4,932,099(Corwin等人)，5,199,481(Corwin等人)，5,234,080(Pantale)和5,394,930(Kennerknecht)；分别公开于1987年5月28日和1988年9月14日的英国专利2,182,970 A和B号；2002年4月4日公布的公布WO 02/26658、WO 02/27048和WO 02/27049的PCT申请。用于增强的陶瓷材料的实例包括颗粒、不连续的纤维(包括细丝)和连续的纤维及陶瓷预型件。
通常，陶瓷材料加到金属中，以提供金属基质复合材料(MMC)，其与没有加入陶瓷材料的金属制得的制品相比，机械性能有所提高。例如机动车辆的常规制动钳(例如小汽车和卡车)通常由铸铁制成。为降低车辆的总重，尤其是非弹簧负荷重量如制动钳，需要使用轻重的元件和/或材料。一种用于设计MMC的方法是有限元分析，包括为特定应用放置陶瓷氧化物材料及最小化陶瓷氧化物材料的所需量。
由铸铝制成的制动钳比由铸铁制成的相同(即相同尺寸和结构)制动钳轻约50wt.％。铸铝和铸铁的机械性能不相同(例如铸铁的杨氏模量约为100-170GPa，而铸铝的杨氏模量约为70-75GPa；铸铁的屈服强度为300-700MPa，而铸铝的屈服强度为200-3000MPa)。因此，对于给定尺寸和形状而言，由铸铝制成的制动钳其机械性能如弯曲硬度和屈服强度明显低于铸铁制动钳。通常，这种铝制动钳的机械性能与铸铁制动钳相比低至不可接受的程度。需要由铝金属基质复合材料(例如用陶瓷纤维增强的铝)制成的制动钳与铸铁制动钳相比结构相同，且机械性能如弯曲硬度和屈服强度至少相同(或更好)。
对于某些MMC制品的一种考虑是需要形成后加工(例如添加孔或螺纹，或切削材料以提供所需要的形状)或其他处理(例如将两个MMC制品焊接在一起，以制得复杂形状的零件)。许多常规MMC通常含有足量的陶瓷增强材料，因而使加工或焊接是不实际的或甚至是不可能的。然而需要制备″网形″制品，而要求较少的形后成加工或处理。制备″网形″制品的方法在本领域中是公知的(请参见例如美国专利5,234,045(Cisko)和5,887,684(Doll等人))。此外或可选择地，在某种实用程度上，可以减少陶瓷增强，或不放在会影响加工或其他处理如焊接的区域。
在设计和制备MMC的另一种考虑是陶瓷增强材料的成本。连续多晶α-氧化铝纤维(如由3M Company，St.Paul，MN以商品名″NEXTEL610″出售的那些)的机械性能高于低密度金属如铝。此外，陶瓷氧化物材料如多晶α-氧化铝纤维的成本上基本上高于金属如铝。因此，需要最小化陶瓷氧化物材料的所用量，并最优化陶瓷氧化物材料的放置，以最大化陶瓷氧化物材料产生的性能。
此外，需要在包装中提供陶瓷增强材料，或从陶瓷增强材料可相对容易地制备金属基质复合材料制品。
尽管2002年4月4日公布的公布WO 02/26658、WO 02/27048和WO 02/27049的PCT申请包括对解决需要在包装中提供陶瓷增强材料或从陶瓷增强材料可相对容易地制备金属基质复合材料制品的实施方案的说明，但是也需要提供金属基质复合材料制品的额外方案和/或可选择的其他新方法，优选其比常规金属基质复合材料制品具有更优越的性能。
发明概述在一个方面中，本发明提供用于增强金属基质复合材料制品的插入物及其制备方法。在另一个方面中，本发明提供用插入物(例如一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多个插入物)增强的金属基质复合材料制品及其制备方法。
用作用来增强本发明金属基质复合材料制品的插入物的本发明金属基质复合材料制品的实施方案包括至少为8微米(在某些实施方案中，优选至少为10微米，至少为12微米或甚至至少为15微米；更优选为12～15微米)的在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属(例如银、金、其合金及其组合)。这种实施方案通常可提供金属基质复合材料制品，在包括插入物的金属基质复合材料制品的插入物和金属间具有极需要的结合(例如在某些实施方案中，优选结合界面不含有氧和/或结合强度峰值至少为100MPa(在某些实施方案中，优选至少为125MPa，至少为150MPa，至少为175或甚至至少为180MPa))。尽管不希望限于理论，但可以认为在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属的存在有助于使包括插入物的金属基质复合材料制品的插入物和金属结合。此外，尽管不希望限于理论，但可以认为在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属的存在有助于使包括插入物的金属基质复合材料制品的插入物和金属间的界面不含有氧。
在一个实施方案中，本发明提供第一种金属基质复合材料制品(例如用于增强金属基质复合材料制品的插入物)包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选200系列)铝合金)及其组合的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该第一种金属包括外表面；及在该第一种金属外表面上的第二种金属，该第二种金属在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能(例如银、金、其合金及其组合)，该第二种金属其厚度至少为8微米(在某些实施方案中，优选至少为10微米，至少为12微米或甚至至少为15微米；更优选为12～15微米；在另一个方面中，通常小于20微米)。
可选择地，该第一种金属基质复合材料制品还包括在该第二种金属和该第一种金属的外表面间的第三种金属(例如Ni)。
在另一个方面中，本发明提供制备本发明的第一种金属基质复合材料制品的方法，该方法包括在选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选200系列)铝合金)及其组合的第一种金属中固定基本上连续的陶瓷氧化物纤维，使得该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该第一种金属包括外表面；及在该第一种金属的外表面上提供第二种金属以提供该金属基质复合材料制品，该第二种金属在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能(例如银、金、其合金及其组合)。
在本发明的第一种金属基质制品的一个优选的实施方案中，本发明提供第二种金属基质复合材料制品(例如用于增强金属基质复合材料制品的插入物)包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选200系列)铝合金)及其组合的金属，其中该金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该金属包括外表面；
Ni在该金属的外表面上，Ni包括外表面；及Ag在Ni的外表面上，Ag厚度至少为8微米(在某些实施方案中，优选为10微米、12微米或甚至15微米；更优选为12～15微米；在另一个方面中，通常小于20微米)。
在另一个方面中，本发明提供制备本发明的第二种金属基质复合材料制品的方法，该方法包括在选自铝、其合金及其组合的金属中固定基本上连续的陶瓷氧化物纤维，使得该金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该金属包括外表面；及在该金属的外表面上提供Ni，Ni包括外表面；及在Ni的外表面上提供Ag，以提供该金属基质复合材料制品。
在一个实施方案中，本发明提供第三种金属基质复合材料制品，其包括第一种金属及增强该第一种金属的插入物，其中该第一种金属选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选300或400系列)铝合金)及其组合，其中该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选200系列)铝合金)及其组合的第二种金属，其中该第二种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，其中该第二种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，其中在该第一种金属和该插入物间有界面层，及其中在该第一种金属和该插入物间的界面层结合强度峰值至少为100MPa(在某些实施方案中，优选至少为125MPa，至少为150MPa，至少为175或甚至至少为180MPa)。在某些实施方案中，优选地该界面层不含有氧。在另一个方面中，该界面层可以包括平均量的在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属(例如银、金、其合金及其组合)，及其中这种金属的平均量在该界面层中比在该第一种金属中高(例如至少为15、20、25、30、35、40、45或甚至50wt.％)。在另一个方面中，该界面层可以包括高于该第一种金属中的平均量的Ag和Ni(例如Ag和Ni中每一个至少为15、20、25、30、35、40、45或甚至50wt.％)。在另一个方面中，该第一种和该第二种金属每一种都具有熔点，其中该第二种金属的熔点至少为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃或甚至50℃且高于该第一种金属的熔点。在另一个方面中，该第一种金属和第二种金属可以不同(例如铝和铝合金或不同的铝合金)。
可选择地，该第三种金属基质复合材料制品包括两个、三个、四个、五个、六个或更多个插入物。可选择地，该插入物具有相同或不同的组成，或某些插入物具有相同组成，另一些具有不同组成。
在另一个方面中，本发明提供制备本发明的第三种金属基质复合材料制品的方法，该方法包括将插入物放入模具中，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选200系列)铝合金)及其组合的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该第一种金属包括外表面，及在该第一种金属外表面上的第二种金属，该第二种金属在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能(例如银、金、其合金及其组合)；将选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选300或400系列)铝合金)及其组合的熔融第三种金属放入模具中；及冷却该熔融第三种金属以提供金属基质复合材料制品。
在另一个方面中，本发明提供制备本发明优选实施方案的第三种金属基质复合材料制品的方法，该方法包括
将插入物放入模具中，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选200系列)铝合金)及其组合的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该第一种金属包括外表面，Ni在该第一种金属外表面上，Ni包括外表面，Ag在Ni的外表面上；将选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选300或400系列)铝合金)及其组合的熔融第二种金属放入模具中；及冷却该熔融第二种金属以提供该金属基质复合材料制品。
在另一个方面中，本发明提供制备金属基质复合材料插入物的方法，该插入物用于制备金属基质复合材料制品，该方法包括设计金属基质复合材料制品以包括金属基质复合材料增强插入物，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选200系列)铝合金)及其组合的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸；及按得到的设计制备金属基质复合材料增强插入物，其包括该基本上连续的陶瓷氧化物纤维和该选自铝、其合金及其组合的第一种金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该第一种金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该第一种金属包括外表面；及还包括在该第一种金属外表面上的第二种金属，该第二种金属在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能(例如银、金、其合金及其组合)，该第二种金属其厚度至少为8微米(在某些实施方案中，优选为10微米、12微米或甚至15微米；更优选为12～15微米；在另一个方面中，通常小于20微米)。
在另一个方面中，本发明提供制备金属基质复合材料插入物的方法，该插入物用于制备金属基质复合材料制品，该方法包括设计金属基质复合材料制品以包括金属基质复合材料增强插入物，该插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选200系列)铝合金)及其组合的金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸；及按得到的设计制备金属基质复合材料增强插入物，其包括该基本上连续的陶瓷氧化物纤维和该选自铝、其合金及其组合的金属，其中该第一种金属将该基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中该金属沿该基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度的至少一部分延伸，该第一种金属包括外表面；及还包括Ni在该金属的外表面上，Ni包括外表面；及Ag在Ni的外表面上，Ni厚度至少为8微米(在某些实施方案中，优选为10微米、12微米或甚至15微米；更优选为12～15微米；在另一个方面中，通常小于20微米)。
令人惊讶地是，本发明方法的实施方案可被用于制备金属基质复合材料制品，其中熔融金属在模具中处于熔融状态小于75秒(在某些实施方案中，优选小于60秒)。相比而言，常规方法要求熔融金属在模具中处于熔融状态200秒或更大。尽管不希望限于理论，但可以认为在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属的存在可使金属基质复合材料制品的插入物与金属(在某些实施方案中，优选地在界面处没有氧化物层)结合，因此不需要由熔融铝或铝合金较长时间地加热界面，以试图破坏氧化物层而形成金属结合。
在本申请中″正Gibbs氧化自由能高于至少200℃″指在温度大于200℃(473K)时仍保持正值的量ΔG°rxn＝ΔH°rxn-TΔS°rxn，其中ΔH°rxn是氧化反应的焓(kJ/mol)，T是温度(开氏度)，ΔS°rxn是氧化反应的熵(kJ/mol°K)；″结合强度峰值″指通过下面所述的″结合强度峰值″测试确定的结合强度峰值；″不含有氧″指在实施例3中用光学显微镜以250X放大倍率观察，在界面处没有可目测区分的连续氧化物层；及″基本上连续的陶瓷氧化物纤维″指长度至少为5cm的陶瓷氧化物纤维。
本发明的第一种和第二种金属基质复合材料制品例如可用于在金属基质复合材料制品中提供增强材料。本发明一个方面的优点在于由(原始)金属(例如铸铁)制成的现有制品可用基本上连续的纤维增强的另一种金属(例如铝)进行重新设计，使得后者(即制品的金属基质复合材料形式)具有某些所需要的性能(例如杨氏模量、屈服强度和延展性)，其性能至少等于使用由该原始金属制成的原始制品所需要的性能。可选择地，该制品可被重新设计成具有与原始制品相同的物理尺寸。
本发明第三种金属基质制品的实例包括工业设备中用的制动钳、高速旋转环和高速机械臂。
附图简要说明

图1是本发明的示例性金属基质复合材料制品的立体图。
图2是本发明的另一种示例性金属基质复合材料制品的立体图。
图3A和图3B是本发明的另一种示例性金属基质复合材料制品的立体图。
图4A和图4B是本发明的制动钳的立体图。
图4C和图4D是图4A和图4B中的制动钳的剖视图。
图5是本发明的另一种示例性金属基质复合材料制品的立体图。
图6是用图5所示的金属基质复合材料制品制成的金属基质复合材料制品的立体图。
图7是利用多层陶瓷氧化物纤维的本发明另一种示例性金属基质复合材料制品的立体图，其中各层的纵轴彼此相对角度大于0度。
图8是绕另一组基本上连续的陶瓷氧化物纤维螺旋缠绕的一组基本上连续的陶瓷氧化物纤维的立体图。
图9是本发明的另一种示例性金属基质复合材料制品的立体图。
图10A和图10B是本发明的另一种制动钳的平面图。
图11是本发明的另一种制动钳的立体图。
图12是实施例1的插入物的抛光横截面的光学显微照片。
图13是模腔的示意图，其用来使用实施例1所述的插入物制备实施例1的金属基质复合材料制品。
图9是压缩剪切测试装置的示意图，其用于确定使用本发明的插入物制得的本发明的金属基质复合材料制品的插入物和金属间的结合强度峰值。
图15是在实施例3和实施例7的负载作用下插入物位移的曲线图。
图16是实施例3的金属基质复合材料制品的抛光横截面的光学显微照片。
图17是比较例H的金属基质复合材料制品的抛光横截面的光学显微照片。
图18是实施例1所述的测试样品的显微照片。
图19是示例性插入物固持器的立体图。
图19A是图19一部分的剖面图。
详细说明本发明提供金属基质复合材料制品，其包括至少一种金属和基本上连续的陶瓷氧化物纤维。通常，本发明的金属基质复合材料制品被设计成适于特定应用，以使所需要的性能、低成本和容易制造之间达到最优化或至少可接受的平衡。
通常，本发明的金属基质复合材料制品如插入物被设计成适于特定应用和/或某些性能和/或特征。例如，选择由一种金属(例如铸铁)制成的现有制品用包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维的材料增强的另一种金属(例如铝)进行重新设计，使得后者(即制品的金属基质复合材料形式)具有某些所需要的性能(例如杨氏模量、屈服强度和延展性)，其性能至少等于使用由该第一种金属制成的原始制品所需要的性能。可选择地，该制品可被重新设计成具有与原始制品相同的物理尺寸。
综合所需要的金属基质复合材料制品的结构、所需要的性能、可能的金属和陶瓷氧化物材料(优选适于制造)及那些材料的相关性能，并用来提供可能的适合结构。在某些实施方案中，产生可能的结构的优选方法是使用有限元分析(FEA)，包括利用常规计算机系统(包括使用中央处理单元(CPU)、输入和输出装置)使用FEA软件。适合的FEA软件商业上可得到，包括由Ansys，Inc.，Canonsburg，PA以商品名″ANSYS″出售的FEA软件。FEA有助于精确地模拟制品，并可确定可提供所需性能水平的连续的陶瓷氧化物纤维、金属和可能的其他材料的放置区域。通常需要反复运行FEA几次，以得到更优选的设计。
参照图1，本发明的示例性第一种金属基质复合材料制品(在某些实施方案中其也是本发明的示例性第二种金属基质复合材料制品)10包括基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维12，铝或其合金14，外表面15，在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属16，可选择的额外金属(例如Ni)18和可选择的金属18的外表面17。金属基质复合材料制品10用于制备本发明的金属基质复合材料制品，其中制品的额外金属与铝或其合金14可相同或不同。
参照图2，本发明的示例性第一种金属基质复合材料制品(在某些实施方案中其也是本发明的示例性第二种金属基质复合材料制品)20包括基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维22，铝或其合金24，外表面25，在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属26，可选择的额外金属(例如Ni)28和可选择的金属28的外表面27。金属基质复合材料制品20用于制备本发明的金属基质复合材料制品，其中制品的额外金属与铝或其合金24可相同或不同。
在本发明的某些示例性实施方案中，连续的陶瓷氧化物纤维基本上纵向排列，从而它们通常彼此平行。尽管陶瓷氧化物纤维可以在本发明的第一种金属基质复合材料制品(或在某些实施方案中是第二种金属基质复合材料制品)中作为单根纤维，但它们更通常在第一种金属基质复合材料制品(或在某些实施方案中是第二种金属基质复合材料制品)中以捆或束的形式作为一组纤维。捆或束中的纤维可以保持在彼此纵向排列的关系(即通常是平行的)。当使用多捆或多束时，纤维捆或束也保持在彼此纵向排列的关系(即通常是平行的)。在某些实施方案中，优选的是所有连续的陶瓷氧化物纤维保持在基本上纵向排列的结构，其中单根纤维的排列保持在其平均纵轴的±10°、更优选为±5°、最优选为±3°之内。
对于本发明的某些金属基质复合材料制品而言，优选或需要陶瓷氧化物纤维弯曲，与直陶瓷氧化物纤维相对(即不在平面内延伸)。因此，例如陶瓷氧化物纤维在全部纤维长度内可以是平面的，在全部纤维长度内可以是非平面的(即弯曲的)，或它们可以在某些部分是平面的，在其他部分是非平面的(即弯曲的)。在某些实施方案中，基本上连续的陶瓷氧化物纤维在全部金属基质复合材料制品弯曲的部分中保持在基本上不交叉的曲线结构(即纵向排列的)。在某些实施方案中，基本上连续的陶瓷氧化物纤维在全部金属基质复合材料制品的弯曲部分中保持在基本上彼此等距的关系。
例如图3A和图3B是本发明的另一种第一种示例性金属基质复合材料制品(在某些实施方案中其也是本发明的示例性第二种金属基质复合材料制品)(插入物)30，其中金属基质复合材料制品(插入物)30包括基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维32，铝或其合金34，外表面35，在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属36，可选择的额外金属(例如Ni)38和可选择的金属38的外表面37。基本上连续的陶瓷氧化物纤维32在剖面线BB和CC间及剖面线DD和EE间基本上是平面的，在剖面线CC和DD间是弯曲的。可选择地，纵向排列的基本上连续的陶瓷氧化物纤维在其全部长度内可以是非平面的。
例如参照图5，本发明的另一种第一种示例性金属基质复合材料制品(在某些实施方案中其也是本发明的示例性第二种金属基质复合材料制品)(插入物)50包括基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维52，铝或其合金54，外表面55，在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属56，可选择的额外金属(例如Ni)58和可选择的金属58的外表面57，其中基本上连续的陶瓷氧化物纤维52在其全部长度内是弯曲的。可由后者插入物制成的金属基质复合材料制品的例子是如图6所示的金属基质复合材料环。环60包括铝或其合金54及陶瓷氧化物纤维52(请参见图5)。这种环例如用于高速旋转并产生较大离心力的设备。
在另一个方面中，对于本发明的某些金属基质复合材料制品而言，优选或需要具有两层、三层、四层或多层的基本上连续的陶瓷氧化物纤维(即一层是至少一层基本上连续的陶瓷氧化物纤维(在某些实施方案中，优选至少一层纤维束包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维))。各层可以任何方式彼此定向。各层彼此关系的例子表明在图7和图8中。参照图7，本发明的示例性第一种金属基质复合材料制品(在某些实施方案中其也是本发明的示例性第二种金属基质复合材料制品)(插入物)70包括第一层和第二层基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维71和72，铝或其合金74，外表面75，在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属76，可选择的额外金属(例如Ni)78和可选择的金属78的外表面77。第一层基本上连续的陶瓷氧化物纤维71相对于第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维72为45°，尽管取决于特定的应用，一层与另一层的位差可以为大于0°至90°。在某些实施方案中，对某些应用而言优选的是一层相对于另一层约为30°～60°，或甚至例如约为40°～50°。可选择地，本发明的金属基质复合材料制品可以包括两层或多层。
如图8所示用基本上连续的陶瓷氧化物纤维缠绕有益于一组纤维，其中金属基质复合材料制品(插入物)80包括绕基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维81螺旋缠绕的基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维82，铝或其合金84，外表面85，在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属86，可选择的额外金属(例如Ni)88和可选择的金属88的外表面87。通过基本上连续的陶瓷氧化物纤维层有益于性能的金属基质复合材料制品的例子包括在使用时在两个垂直轴周围受到弯折力的制品。
通常，基本上连续的陶瓷氧化物纤维其长度至少为10cm(经常至少为15cm、20cm、25cm或更大)。在本发明某些实施方案中中，基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纤维束的形式(即纤维束包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维)。通常，基本上连续的陶瓷氧化物纤维束其长度至少为10cm(经常至少为15cm、20cm、25cm或更大)。
陶瓷氧化物纤维可包括基本上连续的纵向排列的陶瓷氧化物纤维或甚至基本上由其组成，其中″纵向排列″指纤维相对于纤维长度通常是平行的排列。
在某些实施方案中，基本上连续增强陶瓷氧化物纤维被用于制备本发明的金属基质复合材料制品，优选其平均直径至少约5微米。在某些实施方案中，平均纤维直径不大于约200微米，更优选不大于约100微米。对于纤维束而言，在某些实施方案中，平均纤维直径优选不大于约50微米，更优选不大于约25微米。
在某些实施方案中，基本上连续的陶瓷氧化物纤维其杨氏模量大于约70GPa，更优选至少为100GPa，至少为150GPa，至少为200GPa，至少为250GPa，至少为300Gpa，或甚至至少为350GPa。
在某些实施方案中，尽管取决于特定的应用可以使用较低平均抗张强度的纤维，但是基本上连续的陶瓷氧化物纤维其平均抗张强度优选至少约为1.4GPa，更优选至少约为1.7GPa，甚至更优选至少约为2.1Gpa，最优选至少约为2.8GPa。
连续的陶瓷氧化物纤维商业上可以单根纤维或成组纤维(例如股或束)得到。股或束可以包括例如至少为420单根纤维/束，至少为760单根纤维/束，至少为2600单根纤维/束，或更大。在纤维领域中束是公知的，指以解开形式收集的多根(单根)纤维(通常至少为1 00根纤维，更通常至少为400根纤维)，而股指某种程度缠绕或绳状结构。可以得到各种长度过的包括陶瓷氧化物纤维束的陶瓷氧化物纤维。纤维的横截断面形状可以是圆形或椭圆形。
有用的陶瓷氧化物纤维实例包括α氧化铝纤维，铝硅酸盐纤维和铝硼硅酸盐纤维。在阅读说明书后，其他有用的陶瓷氧化物纤维对于本领域所属技术人员是清楚的。
制造氧化铝纤维的方法在本领域中是公知的，包括美国专利4,954,462(Wood等人)中所述的方法。在某些实施方案中，优选氧化铝纤维是多晶α氧化铝基纤维，按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2。在另一个方面中，在某些实施方案中，优选的多晶，α氧化铝基纤维包括平均粒度小于1微米(更优选小于0.5微米)的α氧化铝。在另一个方面中，在某些实施方案中，优选的多晶α氧化铝基纤维其平均抗张强度至少为1.6GPa(优选至少为2.1GPa，更优选至少为2.8GPa)。α氧化铝纤维商业上例如可从3M Company of St.Paul，MN以商品名″NEXTEL 610″得到。另一种α氧化铝纤维按纤维总重计包括约89wt.％的Al2O3，10wt.％ ZrO2和约1wt.％ Y2O3，商业上可从3M Company以商品名″NEXTEL 650″得到。
制备铝硅酸盐纤维的方法在本领域中是公知的，包括美国专利4,047,965(Karst等人)中所述的方法。在某些实施方案中，优选铝硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硅酸盐纤维总重约67～85wt.％的Al2O3和约33～15wt.％的SiO2。在某些实施方案中，优选的铝硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硅酸盐纤维总重约67～77wt.％的Al2O3和约33～23wt.％的SiO2。在某些实施方案中，优选的铝硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硅酸盐纤维总重约85wt.％的Al2O3和约15wt.％的SiO2。在某些实施方案中，优选的铝硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硅酸盐纤维总重约73wt.％的Al2O3和约27wt.％的SiO2。铝硅酸盐纤维商业上例如可从3M Company以商品名″NEXTEL 440″、″NEXTEL 720″和″NEXTEL 550″得到。
制备铝硼硅酸盐纤维的方法在本领域中是公知的，包括美国专利3,795,524(Sowman)中所述的方法。在某些实施方案中，优选铝硼硅酸盐纤维按理论氧化物计包括占铝硼硅酸盐纤维总重约35wt.％～75wt.％(甚至例如约55wt.％～75wt.％)的Al2O3；大于0wt.％(甚至例如至少约为15wt.％)并小于约50wt.％(或例如小于约45％、或甚至小于约44％)的SiO2；大于约5wt.％(或例如小于约25wt.％，小于约1wt.％～5wt.％或甚至小于约2wt.％～20wt.％)的B2O3。铝硼硅酸盐纤维商业上例如可从3M Company以商品名″NEXTEL 312″得到。
商业上可得到的基本上连续的陶瓷氧化物纤维经常包括在其制造中加到纤维中的有机胶料，以在处理中提供润滑性并保护纤维绳。可以认为胶料例如在转化成织物过程中易于降低纤维的破损，降低静电，降低灰尘量。例如可通过溶解或使其燃烧除去胶料。
在陶瓷氧化物纤维上带有涂层也在本发明范围内。涂层例如可用于增强纤维的可湿性，减小或防止纤维和熔融金属基材料之间的反应。这种涂层和提供这种涂层的技术在纤维和金属基质复合材料领域中是公知的。
对于本发明的第三种金属基质复合材料制品，插入物的铝或铝合金及第三种金属基质复合材料制品的铝或铝合金通常是不同的，但也可相同。尽管用于制造包括本发明的金属基质复合材料制品(包括插入物)的铝和铝合金可含有杂质，但在某些实施方案中优选是使用相对较纯的金属(即金属包括小于0.1wt.％或甚至小于0.05wt.％的杂质(即Fe、Si和/或Mg中的每一种小于0.25wt.％、0.1wt.％或甚至小于0.05wt.％))。尽管较高纯度金属对于制造较高抗张强度的材料是优选的，但也可使用纯度较低的金属。
适合的铝和铝合金在商业上可得到。例如铝可从Pittsburgh，PA的Alcoa以商品名″SUPER PURE ALUMINUM；99.99％ Al″得到。铝合金(例如Al-2wt.％的Cu(0.03wt.％杂质)可从Belmont Metals，NewYork，NY得到。在某些实施方案中，优选的铝合金例子包括含有至少98wt.％的Al的合金，含有至少1.5wt.％的Cu的铝合金(例如按合金总重计，Cu的重量百分比为1.5～2.5、优选为1.8～2.2的铝合金)，200(例如A201.1铝合金、201.2铝合金、A206.0铝合金和224.2铝合金)，300(例如A319.1铝合金、354.1铝合金、355.2铝合金和A356.1铝合金)，和/或400(例如443.2铝合金和444.2铝合金)，700(例如713铝合金)，6000(例如6061铝合金)系列铝合金。
尽管在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属其厚度在预定值之外也是可用的，但是如果厚度过低，那么插入物被预热时，涂层扩散，因而不能防止界面被氧化或有助于降低界面处的氧化，而过大厚度易于影响插入物的金属和金属基质复合材料制品的金属之间所需的粘结强度。用于沉积在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属的方法在本领域中是公知的，包括电镀。
通常，可选择的Ni的厚度大于约1微米，更通常大于2微米，或甚至大于3微米。在另一个方面中，通常这种金属的厚度小于约10微米，更通常小于约5微米。尽管厚度在这些值之外也是可用的，但是如果厚度过低，那么涂层不能有助于在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属与插入物粘合，而过大厚度易于影响插入物的金属和金属基质复合材料的金属之间所需的粘结强度。在某些实施方案中，通过无电镀沉积沉积Ni。
本发明的第一种或第二种金属基质复合材料制品(插入物)例如可通过将多根连续的陶瓷氧化物纤维(在某些实施方案中，优选是成组纤维(例如股或束))缠绕在用于金属插入物设计并具有所需要的尺寸和形状的心轴上来进行制造。在某些实施方案中，优选地被缠绕的纤维经胶料处理。示例性的胶料包括水(在某些实施方案中，优选去离子水)，蜡(例如石蜡)，聚乙烯醇(PVA)。如果胶料是水，那么纤维通常缠绕在心轴上。缠绕完成后，从缠绕机上取下心轴，然后置于冷却器中，直到缠绕的纤维冻结。根据需要可切割冻结的缠绕纤维。例如如果纤维绕由四个相邻板组成的心轴缠绕，那么可取下矩形板，从而提供冻结的纤维预型件。预型件可被切成片，以提供较小的预型件。通常在形成金属基质复合材料制品(插入物)之前除去胶料。可通过例如将形成的纤维置于模具中(在某些实施方案中，优选是石墨)，然后加热模具来除去胶料。模具被用于制造金属基质复合材料制品(例如插入物)。
为形成金属基质复合材料制品(例如插入物)，如果有胶料，那么在除去胶料后，将模具置于罐中，通常是不锈钢罐，优选仅有一端开口。在某些实施方案中，罐的内部优选用氮化硼或相似的材料涂覆，以在随后的浇铸过程中最小化铝/铝合金和罐之间的反应，和/或加快金属基质复合材料制品从模具释放。罐和模具置于压力浇铸机的压力容器内。随后，铝和/或铝合金(例如从铸锭上切下来的多片铝和/或铝合金)置于罐的上部。然后抽空压力容器，并加热到高于铝/铝合金的熔点(通常高于液相线温度约80℃～120℃)。一旦达到所需要的温度，就关掉加热器，然后通常用氩气(或相似的惰性气体)将压力容器加压到压力约为8.5～9.5MPa，从而使熔融铝/铝合金渗入预型件。随着温度下降，压力容器内的压力也缓慢下降。当制品固化时(即其温度降到低于约500℃)，通过气体，从模具中取出浇铸的金属基质复合材料制品(例如插入物)，然后在空气中进一步冷却。
通过例如在本领域中公知的其他技术也可制造金属基质复合材料制品(例如插入物)，包括模压铸造。对于模压铸造而言，例如形成的陶瓷氧化物纤维可置于模具中(例如钢模)，烧掉任何存在的胶料，将熔融铝/铝合金加到模腔中，施加压力，直到浇铸制品固化完成。冷却后，从模具中取出制得的金属基质复合材料制品(例如插入物)。
制成的插入物可进一步处理(例如喷砂和/或表面研磨(例如使用垂直轴金刚石研磨机)，例如消除或降低插入物表面上的氧化。根据需要也可切割插入物，以提供所需要的形状(包括用喷水机切割)。接下来，优选用在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属涂覆金属基质复合材料制品(例如插入物)。可选择地，在涂覆在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属之前，将金属如Ni涂覆到金属基质复合材料制品(例如插入物)上。使用Ni有助于金属如Ag与插入物的粘合。
选择特定的基本上连续的陶瓷氧化物纤维、基质材料、固持器等及制备金属基质复合材料制品的方法步骤，以提供具有所需要的性能的金属基质复合材料制品。例如为制备所需要的制品，选择彼此及与制品制作方法充分相容的基本上连续的陶瓷氧化物纤维和金属基材料。在某些实施方案中，优选选择包括本发明的金属基质复合材料区域的金属，使得金属基质与基本上连续的陶瓷氧化物纤维没有明显的化学反应(即相对于熔融材料是相对化学惰性的)，从而例如不需要在纤维外部提供保护性涂层。
可使用本发明的插入物根据本领域中公知的方法来制备本发明的第三种金属基质复合材料制品(例如模压铸造和永久工具重力浇注)。可以使用有限元分析(FEA)模型，例如确定陶瓷氧化物纤维的最佳位置和量，以满足所需要的性能规格。这种分析也可被用于例如选择插入物所用的尺寸、数量和位置。通常，在浇铸前预热插入物和/或模具。尽管不希望限于理论，但可以认为预热插入物有助于在插入物与第三种金属基质复合材料制品的铝和/或铝合金间形成金属粘结。在某些实施方案中，优选地插入物被预热到500℃-600℃。在某些实施方案中，优选地模具被预热到200℃-500℃。尽管浇铸通常在空气中进行，但在其他气氛中(例如氩气)进行浇铸也在本发明范围内。
也可以使用FEA，以例如用于选择浇铸本发明的插入物和/或金属基质复合材料制品的浇铸方法、浇铸条件和/或模具设计。适合的FEA软件可在商业得到，包括由UES，Annapolis，MD以商品名″PROCAST″出售的软件。
如上所述，通常根据某些应用来设计金属基质复合材料制品(包括插入物)，因而其需要具有某些性能、具有某些结构并由某些材料制成等。通常，选择模具或制造模具，以提供所需要形状的金属基质复合材料制品，从而提供网形或接近网形制品。网形或接近网形制品例如可最小化或取消对浇铸的金属基质复合材料制品随后加工或其他浇铸后处理的需要。通常，制造模具或用来使插入物处于所需要的位置，使得基本上连续的陶瓷氧化物纤维在制得的金属基质复合材料制品中处于适当位置。制备适合腔体的方法和材料对本领域所属技术人员是公知的。用于制备特定模具的材料取决于例如用于制备金属基质复合材料制品的金属。通常所用的模具材料包括石墨或钢。
可选择地，插入物固持器用于固持本发明的插入物。这种插入物固持器有助于在模具中放置插入物，从而有助于在制得的金属基质复合材料制品中放置插入物。在一个示例性实施方案，该插入物固持器包括至少一个用于固定至少一个插入物的部分，其中该插入物固持器包括选自铝、其合金(例如200、300、400、700和/或6000系列(在某些实施方案中，优选6000系列)铝合金)及其组合的第一种金属。在某些实施方案中，该插入物固持器包括外表面及在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的第一种金属的外表面上的第二种金属，其中该第二种金属其厚度至少为8微米(在某些实施方案中，优选为10微米、12微米或甚至15微米；更优选为12～15微米；在另一个方面中，通常小于20微米)。
其中带有插入物的示例性固持器如图19和图19A所示。参照图19，制品10包括固持器191及用于固定本发明的插入物193A、193B和193C的部分192A、192B、192C和192D。参照图19A，固持器191包括铝和/或其合金194、外表面195、在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的可选择的金属197、可选择的额外金属(例如Ni)196及可选择的金属196的外表面198。
对于示例性插入物固持器的额外细节，请参见2002年8月20日提交的共同未决的申请U.S.60/404,729。
此外，令人惊讶的是，本发明的第一种或第二种金属基质复合材料制品(插入物)的实施方案可用于制备金属基质复合材料制品，其中模具中的熔融金属在熔融态小于75秒(在某些实施方案中，优选小于60秒)。尽管在模具中保持熔融金属在熔融态较长时间也是可用的，但优选较短时间(即小于75秒)，尽管不希望限于理论，但是可以认为较长时间会使插入物变形。在某些实施方案中，优选在浇铸本发明的第三种金属基质复合材料制品过程中插入物没有明显变形(即插入物在浇铸前具有第一种外部尺寸结构(即尺寸和形状)，浇铸后具有第二种外部尺寸形状，其中第一种和第二种外部尺寸结构相同，且其中可以理解的是在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属和可选择的金属如Ni易于扩散进浇铸金属的金属中(及可能的插入物的金属中))。
对于在插入物和插入物周围的金属铸件界面处的氧化高于所需水平的金属基质复合材料制品而言，可以使用热等静压(HIPing)进一步处理制品，以降低或避免不需要的氧化。HIPing也可用于降低金属基质复合材料制品中的多孔性。HIPing技术在本领域中是公知的。可用于本发明实施方案的HIPing温度、压力和时间的实例分别包括500℃～600℃，25Mpa～50Mpa，4～6小时。也可以使用这些范围之外的温度、压力和时间。较低温度易于例如提供较小的压实性和/或提高HIPing时间，而较高温度使金属基质复合材料制品变形。较低压力易于例如提供较小的压实性和/或提高HIPing时间，而较高压力可能是不需要的，或在某些情况下甚至会损坏金属基质制品。较短时间易于例如提供较小的压实性，而较长时间可能是不需要的。
对于制备金属基质复合材料制品的示例性插入物和方法的其他细节，请参见2002年8月20日提交的共同未决的申请U.S.60/404,704。
在阅读说明书后，制备金属基质复合材料制品的其他方法对本领域所属技术人员是清楚的。
本发明的金属基质复合材料制品可以包括多于一组(例如两组、三组等)的基本上连续的陶瓷氧化物纤维，其中一组基本上连续的陶瓷氧化物纤维与另一组用其间将基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置的金属隔开。例如参照图9，本发明的第一种金属基质复合材料制品(在某些实施方案中其也是本发明的示例性第二种金属基质复合材料制品)(插入物)90包括基本上连续的(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维92的组93A，93B和93C，铝或其合金94，外表面95，在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属96，可选择的额外金属(例如Ni)98和可选择的金属98的外表面97。
根据下面至少为100MPa(在某些实施方案中，优选至少为125MPa，至少为150MPa，至少为175或甚至至少为180MPa)的″结合强度峰值测试″，本发明某些金属基质复合材料制品的实施方案在使用的插入物或固持器(即取决于测试哪一种)与插入物周围的铝或铝合金铸件间具有″结合强度峰值″。压缩剪切测试装置的示意图如图9所示，其中压缩剪切测试装置140包括推出工具141、测试样品142、支撑块143和100,000牛顿(22,482磅)的压缩负载元件147。待测试的金属基质复合材料其横截面垂直于所使用的插入物或固持器的纵轴；插入物的横截面厚度为1.16cm(0.46英寸)，固持器的横截面厚度为0.4cm，直径均为2.5cm(1英寸)。
推出工具141包括接触所用插入物或固持器144及测试样品142的相应横截面，但是推出工具141的横截面积小10％(即推出工具141与所用插入物或固持器144的横截面形状相同，推出工具144的横截面尺寸更小)。推出工具141夹在液压卡盘的上夹爪145中，液压为10.34MPa(1500磅/平方英寸)。支撑块143直径为2.54cm(1.0英寸)，沉孔深0.15cm(0.06英寸)。1.1cm(0.435英寸)直径的通孔设在液压卡盘146底部的张开夹爪145的上部。
待测试样品142放在支撑块143上，并套在沉孔、所用插入物或固持器、通孔中心。升高液压卡盘146的底部148，直到在待推动的上部推出工具141和所用插入物或固持器间的空隙(即待测试样品144)为0.025cm(0.01英寸)。然后利用推出工具141的匹配尖端手动水平和旋转地滑动支撑块143，以目测定位在测试样品中露出的所用插入物或固持器，直到两个元件的横截面匹配。
然后通过朝向固定的推出工具141以0.05cm(0.020英寸)/分钟的速率向上移动较低的液压卡盘进行测试，同时监测负载和偏转。从而所用插入物或固持器与固定的推出工具表面接触，将其间的接触力记录成位移的函数。在到达峰值力之后立即停止测试，总偏转约为0.05cm(0.020英寸)。
测试完成后，用光学显微镜以100X的放大倍率检测样品，以验证所用的测试插入物或固持器和推出尖端完全对齐，使得其横截面重叠。
使用下式计算平均剪切应力平均剪切应力＝(第一滑程时的负载，N lbs.)/(插入物和铝合金间的接触面积，m2(in2))。
负载被绘制成插入物位移的函数。推出曲线不连续处的负载是结合强度峰值(即在插入物或固持器与所用插入物或固持器周围的铝或铝合金铸件的界面处的是原始滑程)。
使用有限元分析(FEA)计算结合强度峰值。有限元分析(FEA)软件(从Ansys Inc.，Canonsburg，PA以商品名″ANSYS″得到)被用来模拟所用插入物或固持器，表明结合强度峰值与测得的平均剪切应力比值约为3.0。
FEA的计算如下。创建测试样品的有限元几何模型。所用插入物或固持器与尺寸为0.02cm×0.02cm×0.05cm(0.01英寸×0.01英寸×0.02英寸)的立方体元件组成网，除了所用插入物或固持器的上部，在所有方向上网格大小为0.02cm。所用插入物或固持器周围的铝/铝合金铸件与立方体组成网，在模拟的测试样品中该立方体接近所用插入物或固持器的侧面为0.05cm(0.02英寸)，其他处为0.10cm(0.04英寸)。FEA软件计算沿着所用插入物或固持器表面各点处的剪切应力，施加的压力为533.3MPa(相应于推出测试负载为2900磅)。计算确定穿过所用插入物或固持器表面各点的剪切应力峰值和穿过所用插入物表面或固持器表面的剪切应力平均值。结合强度峰值与平均剪切应力的比值约为3∶1。
本发明的金属基质复合材料制品(包括第一种和第二种金属基质复合材料制品)可以是各种形状，包括杆状(包括圆形、矩形或正方形横截面的杆状)、I-条状、L-形状或管状。本发明的金属基质复合材料制品(包括第一种和第二种金属基质复合材料制品)可拉长，并具有基本上恒定的横截面积。
本发明的第一种和/或第二种金属基质复合材料制品的某些实施方案的优选用途是在铝或其合金基质复合材料制品中作为增强物。这种金属基质复合材料制品的实例表明在图4A、图4B、图4C和图4D。机动车辆(例如小汽车、运动型多用途车、货车或卡车)用的制动钳40包括铝或其合金42和本发明的金属基质复合材料制品(插入物)30(请参见图3)，该制品混合有基本上连续(如图所示，纵向排列的)陶瓷氧化物纤维48。图4C和图4D分别是图4B沿线FF和GG的剖视图。在图4C和图4D中，制动钳40包括铝或其合金42和本发明的金属基质复合材料制品(插入物)30。
带有本发明第一种和/或金属基质复合材料制品的制动钳的另一种示例性结构及使用该制动钳的机动车辆(例如小汽车、运动型多用途车、货车或卡车)用制动系统表明在图10A和图10B。机动车辆用的盘式制动器的例子包括转子；置于转子的相对侧并可移动而与其配合制动的内制动片和外制动片；用于使内制动片靠近转子的活塞；及制动钳，其包括在转子一侧上具有用于容纳该活塞的圆柱体的主体元件，位于转子另一侧并用于支撑外制动片的臂状元件，及在该主体元件和该臂状元件间延伸穿过该转子平面的桥。
参照图10A和图10B，盘式制动器组件100包括制动钳壳体101，其由主体元件102、臂状元件104及连接主体元件102一端与臂状元件104另一端的桥106组成。主体元件102其中包括通常为圆柱形的凹部103，其可滑动地接收活塞105，以压缩内制动片107。臂状元件104的内表面195支撑与内制动片107相对的外制动片109。制动转子196与汽车的轮子相连(图未示)，并分别位于内制动片107和外制动片109之间。插入物200包括铝或其合金204。界面209在插入物200和铝或其合金208之间，其中在高于至少200℃时为正Gibbs氧化自由能的金属(可选择地额外金属(例如Ni))在界面209中的平均量高于在铝或其合金208中的。
液压活塞105或施以其他动力使内制动片107靠近转子196的一侧，而反作用力使制动钳壳体101漂浮，从而使外制动片109与转子196的另一侧配合，这在本领域中是公知的。
本发明另一种示例性的制动钳表明在图11中，其中制动钳110包括铝和/或其合金111和插入物10。
使用本发明的金属基质复合材料制动钳的盘式制动器实例包括本发明的第一种金属基质复合材料制品，包括固定、浮动和滑动型。关于制动钳和制动系统的额外细节例如公开于美国专利4,705,093(Ogino)和5,234,080(Pantale)中。
本发明的金属基质复合材料制品的其他实例可由本发明的第一种和/或第二种金属基质复合材料制品制成，其包括自动元件(例如自动控制臂和自动活塞销)和枪用元件(如步枪钢衬用的枪筒)。
在某些实施方案中，本发明的金属基质复合材料制品(即本发明的第一种和/或第二种金属基质复合材料制品，及由本发明的第一种和/或第二种金属基质复合材料制品制成的本发明的第三种金属基质复合材料制品)在包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维的区域中包括按区域总体积计约70～30％(在某些实施方案中，优选约60～35％或甚至约45～35％)体积的金属及约30～70％(在某些实施方案中，优选约40～65％或甚至约55～65％)体积的基本上连续的陶瓷氧化物纤维。在某些实施方案中，优选本发明的金属基质复合材料制品(即本发明的第一种和/或第二种金属基质复合材料制品，及由本发明的第一种和/或第二种金属基质复合材料制品制成的本发明的第三种金属基质复合材料制品)在包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维的区域中包括按区域总体积计约50％体积的基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
在某些实施方案中，插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维，包括按插入物总体积计约30～70％(在某些实施方案中，优选约35～60％或甚至约35～45％)体积的金属及约70～30％(在某些实施方案中，优选约65～40％或甚至约65～55％)体积的基本上连续的陶瓷氧化物纤维。在某些实施方案中，优选插入物包括按插入物总体积计至少为50％体积的基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
本发明可由下面的实施例进一步阐明，但在实施例中所述的特定材料、其量及其他条件和细节不应被解释为不适当地限制本发明。本发明的各种修改和变化对于本领域所属技术人员是显然的。除非另有所指，所有的份数和百分比是以重量计的。
实施例实施例1本发明两个铝基质复合材料插入物的制备如下。使用去离子水胶料缠绕连续α氧化铝纤维束(从3M Company，St.Paul，MN以商品名“NEXTEL 610”得到；3,000denier；杨氏模量约为370GPa；平均抗张强度约为3GPa；平均直径为11微米)，其中在缠绕到四面的20.3cm(8-英寸)正方形心轴上之前立即在水浴中浸渍纤维束，以制备纤维体积装填为65％的纤维预型件。施加张力(约75克，用张力仪(从Tensitron，Boulder CO以商品名″CERTEN″得到)测定)缠绕纤维，从而形成四个矩形的预型板(10.2cm(4英寸)×20.3cm(8英寸)×0.29cm(0.115英寸)厚)。然后将心轴置于-40℃(-40F)冷却器中，使水冷冻，并稳定制得的预型件。当冻结时，将预型板切成7.6cm×15.2cm(3英寸×6英寸)的预型件。
使用石墨模具组件(从Schunk Graphite Technology，Inc.，Menomonie Falls，WI得到)浇铸铝基质复合材料板。石墨模具的宽度为9.64cm，长度为15.24cm，高度为4.90cm。模具包括四个插入物狭槽，狭槽的中心间距为0.89cm。用石墨颗粒的水性分散体(从AchesonColloids Company，Port Huron，MI以商品名″AQUADAG″得到)涂覆石墨模具组件。将四个冻结的7.6cm×15.2cm预型件置于石墨模具组件中，四个腔体的每个腔体中一个预型件。然后将其中装有预型件的模具组件置于120℃(250°F)的烘箱中约16小时，直到预型件中的水蒸发完。
然后将模具组件置于不锈钢罐中(长度102mm，宽度53mm，高度500mm)，其一端开口，内部用氮化硼悬浮液(从ZYP Coatings Inc.，Oak Ridge，TN以商品名″RS 1000″得到)涂覆。尽管不希望限于理论，但可以认为氮化硼涂层可抑制在后面的浇铸过程中不锈钢和熔融铝间的反应。
涂层干燥后，然后将2500克铝-2％铜合金锭(切成两块，每块5.1cm×2.5cm×30.5cm(1英寸×2英寸×12英寸))(从Belmont Metal，NewYork，NY以商品名″1980-A″得到)置于组件上部的不锈钢罐中。将K型热电偶(从Omega Engineering Inc.，Stamford，CT得到)置于模具组件上部，以监测浇铸过程中铝-2％铜熔融体的温度。固定杆固定在石墨组件上部，以防止在浇铸过程中组件在熔融铝中漂动。然后将不锈钢罐置于压力浇铸机(从Process Engineering Technologies，Plaistow，NH得到)的压力容器内部，并闭压力容器。压力浇铸容器的尺寸约为16.9cm(内径)×88.9cm(长度)。
然后用真空泵抽空关闭的浇铸容器，直到压力小于1torr。然后打开压力浇铸机的电炉电源，将石墨模具组件和Al-2％的Cu合金锭加热到温度为710℃(高于合金熔点约100℃)。平均加热速率约为340℃/小时。到达熔融温度710℃后，关闭电炉电源，关闭容器真空阀，从而将容器与真空泵隔开。
然后打开与加压的瓶装氩气槽连接的低压力阀，从而用氩气回填容器，至初始低压力为1.79MPa(260psi)。当到达此压力时，关闭低压力阀，打开高压力氩气阀，直到压力为8.96MPa(1300psi)。将压力保持在8.96MPa±1％(1300psi±15psi)达15-20分钟，从而使熔融铝-2％铜合金完全渗入预型件中。
接下来，降低压力，温度降至500℃。当温度低于500℃时，打开容器排气阀，将氩气通到大气中。然后打开容器，取出不锈钢罐。将模具组件与罐分开，从石墨模具中取出四个铸铝基质复合材料板。
用垂直轴金刚石研磨机(#11 Blanchard研磨机，从PrecisionInstruments，Minneapolis，MN得到)对铸板进行表面研磨至厚度为0.25cm(0.1英寸)。然后沿纵向切割铸板至宽度为0.94cm(0.37英寸)，从而得到15.2cm(6英寸)×0.95cm(0.375英寸)×0.25cm(0.1英寸)的铸板。
然后两个铸板的表面处理/涂覆如下。两个铸板用100粒度的研磨轮(从Norton Company，Worcester，MA以商品名″DIAMDONDWHEEL，ASD100″得到)研磨，并用标准漆冲淡剂(从HCI，St.Paul，MN以Grade 401得到)清洗，用毛巾纸涂擦，直到没有可看到的残渣被从表面除去。
将两个制得的铸板经无电镀沉积涂覆约3微米的镍(通过Co-Operative Plating Co.，St.Paul，MN)，然后电镀约12微米的银。
实施例1的插入物在550x放大倍率时的抛光横截面的光学显微照片表明在图12中。插入物120包括铝-2％铜基质124，氧化铝(″NEXTEL 610″；直径约11微米)纤维122，镍涂层128和银涂层126。
每个带镀层的插入物在空气中预热15分钟至温度约为750℃。然后将加热的插入物放入钢模腔中。参照图13，模具130包括基座132(9.8cm×9.8cm×14cm(3.9英寸×3.9英寸×5.5英寸))，其带有插入物用的矩形狭槽134(1.3cm×0.25cm(0.5英寸×0.1英寸))，及上部元件136(7.3cm×7.3cm×12.7cm(29英寸×2.9英寸×5.0英寸))。上部元件136包括腔体138，其直径为2.54cm(1英寸)，深度为10.2cm(4英寸)。用氮化硼隔离剂(从The Carborundum Corp.，Amherst，NY以商品名″COMBAT BORON NITRIDE AEROSOL SPRAY CC-18″得到)涂覆上部元件136，然后预热至约300℃。在4秒内，将温度约为735℃的熔融铝合金(从Alcan Inc.，Montreal，Quebec以商品名″A356″得到)沿插入物倒入钢模腔中，进行固化。当温度冷却到约500℃时，从模腔中取出插入物和浇铸组件。
实施例1a和实施例1b中制得的两个铝基质复合材料分成1.16cm(0.46英寸)×2.5cm(1英寸)直径的测试样品。各部分沿垂直于插入物纵轴的方向切割。
进行压缩剪切测试，以测定插入物与插入物周围的铝铸件间的″结合强度″。压缩剪切测试装置的示意图如图14所示，其中压缩剪切测试装置140包括推出工具141、测试样品142、支撑块143和100,000牛顿(22,482磅)的压缩负载元件147。
推出工具141包括接触插入物144及测试样品142的横截面2.36mm×9.37mm(0.0930英寸×0.3690英寸)。推出工具141夹在液压卡盘的上夹爪145中，液压为10.34MPa(1500磅/平方英寸)。支撑块143直径为2.54cm(1.0英寸)，沉孔深0.15cm(0.06英寸)。1.1cm(0.435英寸)直径的通孔设在液压卡盘146底部的张开夹爪145的上部。
待测试样品142放在支撑块143上，并套在沉孔、插入物、通孔中心。升高液压卡盘146的底部148，直到在待推动的上部推出工具141和插入物间的空隙(即待测试样品144)为0.025cm(0.01英寸)。然后利用推出工具141的匹配尖端手动水平和旋转地滑动支撑块143，以目测定位在测试样品中露出的插入物，直到两个元件的横截面匹配。
然后通过朝向固定的推出工具141以0.05cm(0.020英寸)/分钟的速率向上移动较低的液压卡盘进行测试，同时监测负载和偏转。从而插入物与固定的推出工具表面接触，将其间的接触力记录成位移的函数。在达到峰值力及总偏转约为0.05cm(0.020英寸)之后立即停止测试。
测试完成后，用光学显微镜以100X的放大倍率检测样品，以验证测试插入物和推出尖端完全对齐，使得其横截面重叠。
使用下式计算平均剪切应力平均剪切应力＝(第一滑程时的负载，N(lbs.))/(插入物和铝合金间的接触面积，m2(in2))。
负载被绘制成插入物的位移的函数。推出曲线中断处的负载记于下表中，实施例1a中13046N(2933磅)和实施例1b中6112N(1374磅)，在插入物与插入物周围的铝铸件的界面处的负载是原始滑程。
表
″结合强度峰值″也记录于上表中。使用有限元分析(FEA)计算结合强度峰值。有限元分析(FEA)软件(从Ansys Inc.，Canonsburg，PA以商品名″ANSYS″得到)被用来模拟所用插入物，表明结合强度峰值与测得的平均剪切应力比值约为3.0。
FEA的计算如下。创建测试样品的有限元几何模型。插入物与尺寸为0.02cm×0.02cm×0.05cm(0.01英寸×0.01英寸×0.02英寸)的立方体元件组成网，除了插入物的上部，在所有方向上网格大小为0.02cm。铝与立方体组成网，在模拟的测试样品中该立方体接近插入物的侧面为0.05cm(0.02英寸)，其他处为0.10cm(0.04英寸)。FEA软件计算沿着所用插入物或固持器表面各点处的剪切应力，施加的压力为533.3MPa(相应于推出测试负载为2900磅)。计算确定穿过插入物表面各点的剪切应力峰值为140Mpa，穿过插入物表面的剪切应力平均值为45.8MPa。结合强度峰值与平均剪切应力的比值约为3∶1。
原始滑程时的负载、相应的平均剪切应力和结合强度峰值也记录于上表中(其中对每个实施例是定量样品的平均值)。
实施例2按实施例1所述的制备并测试两个实施例2(即实施例2a和2b)的铝基质复合材料，除了在涂覆前使用400粒度研磨轮(从NortonCompany以商品名″DIAMOND WHEEL，ASD400″得到)研磨插入物，及插入物和模具被分别预热至550℃和250℃。
实施例2a和2b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例3按实施例1所述的制备并测试两个实施例3(即实施例3a和3b)的铝基质复合材料，除了在涂覆前使用50-微米直径玻璃珠(从AbrasiveSystems，Inc.，Maple Grove，MN得到)通过喷砂研磨样品，带镀层的插入物和模具被分别预热至550℃和250℃，熔融铝合金被加热至760℃。
实施例3的压缩剪切强度是在负载时插入物位移的函数，曲线图表明在图15中。推出曲线中断处的负载记作标号151。在插入物与插入物周围的铝铸件的界面处的中断是原始滑程。实施例3a和3b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
然后用半自动金相研磨/抛光装置(从Struers，Inc，Cleveland，OH以商品名″ABRAMIN″得到)抛光实施例3的一个样品。抛光速度为150rpm。按下面连续的6个步骤进行抛光。抛光力是 150N，除了步骤6是250N-步骤1使用120粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies，Northbrook，IL得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤2使用220粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤3使用600粒度的碳化硅纸(从Pace Technologies得到)将样品抛光45秒，同时在抛光过程中连续自动地将水滴到研磨衬垫上。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤4使用抛光衬垫(从Struers，Inc.以商品名″DP-MOL″得到)将样品抛光4.5分钟，其用周期性滴下的润滑剂(从Struers以商品名″PURON，DP-LUBRICANT″得到)轻微润湿并用6微米的金刚石粗砂(从Struers以商品名″DP-SPRAY，P-6μm″得到)喷射1秒。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤5使用抛光衬垫(″DP-MOL″)将样品抛光4.5分钟，其用周期性滴下的润滑剂(从Struers以商品名″PURON，DP-LUBRICANT″得到)轻微润湿并用3微米的金刚石粗砂(从Struers以商品名″DP-SPRAY，P-3μm″得到)喷射1秒。抛光后，用水彻底清洗样品。
-步骤6使用多孔合成抛光布(从Struers以商品名″OP-CHEM″得到)将样品抛光4.5分钟，通过用手将水和硅胶悬浮液(从Struers以商品名″OP-SSUSPENSION″得到)倒在布上来润湿。在抛光的最后5秒中用水洗涤样品。抛光后，干燥样品。
检测实施例3的抛光横截面(请参见图16)，在插入物基质166和浇铸合金163间的界面162处没有明显的边界，在镍或银中没有不连续层，两种铝合金(即插入物的铝合金166和包括插入物的铝基质复合材料的铝合金163)有限度地混合，混合深度为几个纤维直径。
实施例4按实施例1所述的制备并测试两个实施例4(即实施例4a和4b)的铝基质复合材料，除了模具被预热至250℃，该插入物被预热至550℃，熔融铝合金被加热至760℃。
实施例4a和4b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例5按实施例1所述的制备并测试两个实施例5(即实施例5a和5B)的铝基质复合材料，除了在涂覆前使用400粒度研磨轮(″DIAMONDWHEEL，ASD400″)研磨该插入物，模具被预热至250℃，熔融铝合金被加热至760℃。
实施例5的两个样品的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例6
按实施例1所述的制备并测试两个实施例6(即实施例6a和6b)的铝基质复合材料，除了按实施例3所述的在涂覆前通过喷砂研磨插入物，模具被预热至250℃，熔融铝合金被加热至760℃。
实施例6a和6b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例7按实施例1所述的制备并测试两个实施例7(即实施例7a和7b)的铝基质复合材料，除了模具被预热至250℃，熔融铝合金被加热至760℃。
实施例7的压缩剪切强度是在负载时插入物位移的函数，测试的两个样品中一个样品的曲线图表明在图15中。推出曲线中断处的负载记作标号153，其是两个样品的平均值。在插入物与插入物周围的铝铸件的界面处的中断是原始滑程。实施例7a和7b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例8按实施例1所述的制备并测试两个实施例8(即实施例8a和8B)的铝基质复合材料，除了按实施例3所述的在涂覆前通过喷砂研磨插入物，模具被预热至550℃，熔融铝合金被加热至760℃。
实施例8a和8b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例9按实施例1所述的制备并测试两个实施例9(即实施例9a和9b)的铝基质复合材料，除了在涂覆前使用400粒度研磨轮(“DIAMONDWHEEL，ASD400”)研磨该插入物，模具被预热至500℃，熔融铝合金被加热至760℃。
实施例9a和9b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例10按实施例1所述的制备并测试两个实施例10(即实施例10a和10b)的铝基质复合材料，除了模具被预热至500℃，熔融铝合金被加热至760℃。
实施例10的铝基质复合材料分成1.16cm(0.46英寸)×2.5cm(1英寸)直径的测试样品。其中一片的横截面表明在图18，其中铝基质复合材料制品180包括铝181和插入物182，该插入物包括铝-2％铜合金及α氧化铝(″NEXTEL 610″)纤维。
实施例10a和10b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例11按实施例1所述的制备并测试两个实施例11(即实施例11a和11b)的铝基质复合材料，除了在涂覆前平行于插入物长度的槽通过金刚石研磨切成表面，模具被预热至500℃，熔融铝被加热至760℃。各槽约0.17mm深×0.3mm宽，间距为0.62mm。
实施例11a和11b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
实施例12
按实施例1所述的制备并测试两个实施例12(即实施例12a和12b)的铝基质复合材料，除了在涂覆前垂直于插入物长度的槽通过金刚石研磨切成表面，模具被预热至500℃，熔融铝合金被加热至760℃。各槽约0.17mm深×0.3mm宽，间距为0.62mm。
实施例12a和12b的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例A按实施例1所述的制备并测试两个比较例A(即比较例A1和A2)的铝基质复合材料，除了插入物未被涂覆，模具被预热至500℃。
比较例A1和A2的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例B按实施例1所述的制备并测试三个比较例B(即比较例B1、B2和B3)的铝基质复合材料，除了插入物未被涂覆，模具被预热至400℃。
比较例B1、B2和B3的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例C按实施例1所述的制备并测试两个比较例C(即比较例C1和C2)的铝基质复合材料，除了插入物未被涂覆，插入物表面用400粒度研磨轮(″DIAMOND WHEEL，ASD400″)研磨，该插入物被预热至193℃。
比较例C1和C2的第一滑程时的平均负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例D按实施例1所述的制备并测试两个比较例D(即比较例D1和D2)的铝基质复合材料，除了插入物未被涂覆，插入物被预热至193℃。
比较例D1和D2的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例E按实施例1所述的制备并测试比较例E的铝基质复合材料，除了插入物未被涂覆。
比较例E的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例F按实施例1所述的制备并测试三个比较例F(即比较例F1、F2和F3)的铝基质复合材料，除了插入物未被涂覆，使用400粒度研磨轮(″DIAMOND WHEEL，ASD400″)研磨插入物。
比较例F1、F2和F3的三个样品的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例G按实施例1所述的制备并测试三个比较例G(即比较例G1、G2和G3)的铝基质复合材料，除了插入物未被涂覆，按实施例3所述的喷砂插入物表面。
比较例G1、G2和G3的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例H按实施例1所述的制备并测试两个比较例H(即比较例H1和H2)的铝基质复合材料，除了插入物未被涂覆，按实施例3所述的喷砂插入物表面，模具被预热至400℃。
按实施例3所述的抛光比较例H的一个样品。检测比较例H的抛光横截面(请参见图17)，在插入物基质186和浇铸合金183的界面182处表现出明显的边界，被认为是氧化物层。
比较例H1和H2的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例I按实施例1所述的制备并测试比较例I的铝基质复合材料，除了用约12微米的镍涂覆插入物，插入物未预热。
比较例I的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例J按实施例1所述的制备并测试两个比较例J(即比较例J1和J2)的铝基质复合材料，除了用比较例I中所述的镍涂覆插入物，模具被预热至400℃。
比较例J的两个样品的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例K
按实施例1所述的制备并测试比较例K的铝基质复合材料，除了用约12微米的铜涂覆插入物，插入物未预热。
比较例K的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例L按实施例1所述的制备并测试三个比较例L(即比较例L1、L2和L3)的铝基质复合材料，除了用比较例K中所述的铜涂覆插入物，模具被预热至400℃。
比较例L的三个样品的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例M按实施例1所述的制备并测试两个比较例M(即比较例M1和M2)的铝基质复合材料，除了插入物包括按实施例12切出的槽，该插入物未被涂覆，模具被预热至500℃，熔融铝合金的温度为760℃。
比较例M1和M2的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例N按实施例1所述的制备并测试两个比较例N(即比较例N1和N2)的铝基质复合材料，除了包括按实施例13切出的槽，但该插入物未被涂覆，模具被预热至500℃，熔融铝合金的温度为760℃。
比较例N1和N2的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
比较例O按实施例1所述的制备并测试比较例O的铝基质复合材料，除了用约12微米的锌涂覆插入物，模具被预热至500℃，该插入物被预热至291℃。
比较例O的第一滑程时的负载、平均剪切应力和结合强度峰值记录于上表中。
本发明的各种变化和修改对于本领域所属技术人员是显然的，这不会脱离本发明的范围和精神，也应该理解本发明不限于其中所述的实施方案。
权利要求
1.一种金属基质复合材料制品，其包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合物的第一种金属，其中所述第一种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述第一种金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，所述第一种金属具有外表面；及在所述第一种金属外表面上的第二种金属，所述第二种金属在高于至少200℃时具有正的Gibbs氧化自由能，所述第二种金属的厚度至少为8微米。
2.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
3.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，还包括在所述第二种金属和所述第一种金属的外表面之间的第三种金属。
4.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述第二种金属的厚度至少为10微米。
5.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述第二种金属的厚度约为10～约15微米。
6.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述第二种金属是金或银中的至少一种。
7.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述第一种金属是一种铝合金。
8.如权利要求7所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金是200系列铝合金。
9.如权利要求8所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金是选自A201.1铝合金、201.2铝合金、A206.0铝合金和224.2铝合金的200系列铝合金。
10.如权利要求8所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计至少为1.5wt.％的Cu。
11.如权利要求10所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计小于0.25wt.％的杂质。
12.如权利要求11所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计至少为1.5wt.％的Cu。
13.如权利要求11所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％的Cu。
14.如权利要求11所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.8～2.2wt.％的Cu。
15.如权利要求7所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％的Cu。
16.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
17.如权利要求16所述的金属基质复合材料制品，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝的平均粒度小于1微米。
18.如权利要求16所述的金属基质复合材料制品，其中所述α氧化铝纤维占所述金属基质制品总体积的至少为50％体积。
19.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维占所述金属基质制品总体积的至少为50％体积。
20.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，其中所述金属基质复合材料制品可拉长，并具有基本上恒定的横截面积。
21.如权利要求1所述的金属基质复合材料制品，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
22.如权利要求21所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
23.一种金属基质复合材料制品，其包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合物的金属，其中所述金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，所述金属具有外表面；Ni在所述金属的外表面上，Ni具有外表面；及Ag在Ni的外表面上，Ag的厚度至少为8微米。
24.如权利要求23所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
25.如权利要求23所述的金属基质复合材料制品，其中Ag的厚度至少为10微米。
26.如权利要求23所述的金属基质复合材料制品，其中Ag的厚度约为10～约15微米。
27.如权利要求23所述的金属基质复合材料制品，其中所述金属是一种铝合金。
28.如权利要求27所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金是200系列铝合金。
29.如权利要求28所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金是选自A201.1铝合金、201.2铝合金、A206.0铝合金和224.2铝合金的200系列铝合金。
30.如权利要求28所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％的Cu。
31.如权利要求28所述的金属基质复合材料制品，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.8～2.2wt.％的Cu。
32.如权利要求23所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
33.如权利要求32所述的金属基质复合材料制品，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝其平均粒度小于1微米。
34.如权利要求32所述的金属基质复合材料制品，其中所述α氧化铝纤维占所述金属基质制品总体积的至少为50％体积。
35.如权利要求23所述的金属基质复合材料制品，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
36.如权利要求35所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
37.一种制备金属基质复合材料制品的方法，所述方法包括在选自铝、其合金及其组合物的第一种金属中固定基本上连续的陶瓷氧化物纤维，以使所述第一种金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度至少一部分延伸，所述第一种金属具有外表面；及在所述第一种金属的外表面上提供第二种金属以提供金属基质复合材料制品，其包括所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维和所述第一种金属，其中所述第一种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，其中所述第一种金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，其中所述第二种金属位于所述第一种金属的外表面上，所述第二种金属在高于至少200℃时具有正Gibbs氧化自由能，及其中所述第二种金属的厚度至少为8微米。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
39.如权利要求37所述的方法，其中所述第二种金属是金或银中的至少一种。
40.如权利要求37所述的方法，其中所述第一种金属是一种铝合金。
41.如权利要求40所述的方法，其中所述铝合金是选自A201.1铝合金、201.2铝合金、A206.0铝合金和224.2铝合金的200系列铝合金。
42.如权利要求40所述的方法，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％的Cu。
43.如权利要求40所述的方法，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.8～2.2wt.％的Cu。
44.如权利要求37所述的方法，其中所述纤维占所述金属基质制品总体积的至少为50％体积。
45.如权利要求37所述的方法，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
46.如权利要求45所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
47.一种制备金属基质复合材料制品的方法，所述方法包括在选自铝、其合金及其组合物的金属中固定基本上连续的陶瓷氧化物纤维，使得所述金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，所述金属具有外表面；及在所述金属的外表面上提供Ni，Ni具有外表面；及在Ni的外表面上提供Ag，Ag的厚度至少为8微米，以提供金属基质复合材料制品，其包括所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维和所述金属，其中所述金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维的长度至少一部分延伸，所述金属具有外表面；Ni在所述金属的外表面上；及Ag在Ni的外表面上，其中Ag的厚度至少为8微米。
48.如权利要求47所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
49.如权利要求47所述的方法，其中所述第一种金属是一种铝合金。
50.如权利要求49所述的方法，其中所述铝合金是选自A201.1铝合金、201.2铝合金、A206.0铝合金和224.2铝合金的200系列铝合金。
51.如权利要求49所述的方法，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％的Cu。
52.如权利要求49所述的方法，其中所述铝合金包括按所述铝合金总重计1.8～2.2wt.％的Cu。
53.如权利要求47所述的方法，其中所述纤维占所述金属基质制品总体积的至少为50％体积。
54.如权利要求47所述的方法，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
55.如权利要求54所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
56.一种金属基质复合材料制品，其包括第一种金属和增强所述第一种金属的插入物，其中所述第一种金属选自铝、其合金及其组合物，其中所述插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合物的第二种金属，其中所述第二种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，其中所述第二种金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，其中在所述第一种金属和所述插入物之间有界面层，其中在所述第一种金属和所述插入物之间的界面层的结合强度峰值至少为100MPa，及其中所述金属基质复合材料制品是制动钳。
57.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
58.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述第一种金属是300或400系列铝合金之一，及其中所述第二种金属是一种200系列铝合金。
59.如权利要求58所述的金属基质复合材料制品，其中所述200系列铝合金选自A201.1铝合金、201.2铝合金、A206.0铝合金和224.2铝合金，及其中所述第一种金属是选自A319.1铝合金、354.1铝合金、355.2铝合金和A356.1铝合金的300系列铝合金。
60.如权利要求58所述的金属基质复合材料制品，其中所述200系列铝合金选自A201.1铝合金、201.2铝合金、A206.0铝合金和224.2铝合金，及其中所述第一种金属是选自443.2铝合金和444.2铝合金的400系列铝合金。
61.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述第一种金属和所述插入物之间的界面层结合强度峰值至少为125MPa。
62.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述第一种金属和所述插入物之间的界面层的结合强度峰值至少为150MPa。
63.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述第一种金属和所述插入物之间界面层的结合强度峰值至少为175MPa。
64.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述第一种金属和所述插入物之间界面层的结合强度峰值至少为180MPa。
65.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，所述界面层不含有氧。
66.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述界面层包括平均量的在高于至少200℃时具有正的Gibbs氧化自由能的第二种金属，及其中所述第二种金属的平均量在所述界面层中比在所述第一种金属中高。
67.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述界面层包括高于所述第一种金属中存在的平均量的Ag和Ni。
68.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
69.如权利要求68所述的金属基质复合材料制品，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重的大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝的平均粒度小于1微米。
70.如权利要求68所述的金属基质复合材料制品，其中所述α氧化铝纤维占所述金属基质制品总体积的至少为50％体积。
71.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维占所述金属基质制品总体积的至少为50％体积。
72.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，还包括至少两个所述插入物。
73.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，包括至少四个所述插入物。
74.一种机动车辆用的盘式制动器，其包括转子；置于转子的相对侧并可移动而与其配合制动的内制动片和外制动片；用于使内制动片靠近转子的活塞；及如权利要求57所述的制动钳，其包括在转子一侧上具有用于容纳所述活塞的圆柱体的主体元件，位于转子另一侧并用于支撑外制动片的臂状元件，及在所述主体元件和所述臂状元件之间的桥梁延伸穿过所述转子平面。
75.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中第一种和第二种金属每一种都具有熔点，及其中所述第二种金属的熔点至少高于所述第一种金属的熔点20℃。
76.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述第二种金属是一种包括按所述铝合金总重计至少1.5wt.％的Cu的铝合金。
77.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述第二种金属是一种包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％的Cu的铝合金。
78.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，其中所述第二种金属是一种包括按所述铝合金总重计1.8～2.2wt.％的Cu的铝合金。
79.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，所述界面层不含有氧。
80.如权利要求56所述的金属基质复合材料制品，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
81.如权利要求80所述的金属基质复合材料制品，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
82.一种制备金属基质复合材料制品的方法，所述方法包括将插入物放入模具中，所述插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合的第一种金属，其中所述第一种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述第一种金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，所述第一种金属具有外表面，及在所述第一种金属外表面上的第二种金属，所述第二种金属在高于至少200℃时具有正的Gibbs氧化自由能，所述第二种金属的厚度至少为8微米；将选自铝、其合金及其组合的熔融第三种金属放入模具中；及冷却所述熔融第三种金属以提供金属基质复合材料制品。
83.如权利要求81所述的方法，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
84.如权利要求82所述的方法，其中所述第一种金属是一种200系列铝合金，及其中所述第三种金属是一种300或400系列铝合金。
85.如权利要求82所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
86.如权利要求85所述的方法，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝的平均粒度小于1微米。
87.如权利要求85所述的方法，其中所述α氧化铝纤维占所述插入物总体积的至少为50％体积。
88.如权利要求85所述的方法，其中所述熔融第三种金属在模具中处于熔融状态小于75秒。
89.如权利要求85所述的方法，其中所述熔融第三种金属在模具中处于熔融状态小于60秒。
90.如权利要求82所述的方法，其中在将熔融第三种金属放入模具中之前，所述插入物具有第一种外部尺寸形状，及其中在冷却所述熔融第三种金属以提供金属基质复合材料之后所述插入物具有第二种尺寸形状，其中所述第一种和所述第二种尺寸形状基本上相同。
91.如权利要求82所述的方法，在所述熔融第三种金属即将放入模具中之前，所述插入物的温度至少为500℃。
92.如权利要求82所述的方法，其中所述第二种金属是金或银中的至少一种，及其中所述第一种和第三种金属是铝合金。
93.如权利要求82所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维占所述插入物总体积的至少为50％体积。
94.如权利要求82所述的方法，其中所述第一种金属是一种包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％的Cu的铝合金。
95.如权利要求82所述的方法，其中所述第一种金属是一种包括按所述铝合金总重计1.8～2.2wt.％的Cu的铝合金。
96.如权利要求82所述的方法，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
97.如权利要求96所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
98.如权利要求82所述的方法，其中所述熔融第三种金属在模具中处于熔融状态小于75秒。
99.一种制备金属基质复合材料制品的方法，所述方法包括将插入物放入模具中，所述插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合的第一种金属，其中所述第一种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述第一种金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，所述第一种金属具有外表面，Ni在所述第一种金属外表面上，Ni具有外表面，Ag在Ni的外表面上，Ag的厚度至少为8微米；将选自铝、其合金及其组合的熔融第二种金属放入模具中；及冷却所述熔融第二种金属以提供金属基质复合材料制品。
100.如权利要求99所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
101.如权利要求99所述的方法，其中所述第一种金属是一种200系列铝合金，及其中所述第二种金属是300或400系列铝合金之一。
102.如权利要求99所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
103.如权利要求102所述的方法，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝的平均粒度小于1微米。
104.如权利要求102所述的方法，其中所述α氧化铝纤维占所述插入物总体积的至少为50％体积。
105.如权利要求99所述的方法，其中所述第一种金属是一种包括按所述铝合金总重计1.5～2.5wt.％的Cu的铝合金。
106.如权利要求99所述的方法，其中所述第一种金属是一种包括按所述铝合金总重计1.8～2.2wt.％的Cu的铝合金。
107.如权利要求99所述的方法，其中所述熔融第二种金属在模具中处于熔融状态小于75秒。
108.如权利要求99所述的方法，其中所述熔融第二种金属在模具中处于熔融状态小于60秒。
109.如权利要求99所述的方法，其中在熔融第二种金属放入模具中之前所述插入物具有第一种外部尺寸形状，及其中在冷却所述熔融第二种金属以提供金属基质复合材料之后所述插入物具有第二种尺寸形状，其中所述第一种和所述第二种尺寸形状基本上相同。
110.如权利要求99所述的方法，在将所述熔融第二种金属即将放入模具中之前，所述插入物的温度至少为500℃。
111.如权利要求99所述的方法，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
112.如权利要求111所述的方法，其中所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维是纵向排列的。
113.如权利要求99所述的方法，其中所述熔融第二种金属在模具中处于熔融状态小于75秒。
114.一种制备金属基质复合材料插入物的方法，所述插入物用于制备金属基质复合材料制品，所述方法包括设计金属基质复合材料制品以包括金属基质复合材料增强插入物，所述插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合的第一种金属，其中所述第一种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述第一种金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸；及按形成的设计制备金属基质复合材料增强插入物，其包括所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维和所述选自铝、其合金及其组合的第一种金属，其中所述第一种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述第一种金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，所述第一种金属具有外表面；及还包括在所述第一种金属外表面上的第二种金属，所述第二种金属在高于至少200℃时具有正的Gibbs氧化自由能，所述第二种金属的厚度至少为8微米。
115.如权利要求114所述的方法，其中所述连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
116.如权利要求114所述的方法，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝的平均粒度小于1微米。
117.如权利要求114所述的方法，其中所述α氧化铝纤维占所述插入物总体积的至少为50％体积。
118.如权利要求114所述的方法，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
119.一种制备金属基质复合材料插入物的方法，所述插入物用于制备金属基质复合材料制品，所述方法包括设计金属基质复合材料制品以包括金属基质复合材料增强插入物，所述插入物包括基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合物的金属，其中所述第一种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸；及按形成的设计制备金属基质复合材料增强插入物，其包括所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维和选自铝、其合金及其组合物的金属，其中所述第一种金属将所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维固定在适当位置，及其中所述金属沿所述基本上连续的陶瓷氧化物纤维长度的至少一部分延伸，所述第一种金属具有外表面；及还包括Ni在所述金属的外表面上，Ni具有外表面；及Ag在Ni的外表面上，Ag的厚度至少为8微米。
120.如权利要求119所述的方法，其中所述连续的陶瓷氧化物纤维是多晶α氧化铝纤维。
121.如权利要求119所述的方法，其中所述多晶α氧化铝纤维的平均抗张强度至少为2.8GPa，其中所述多晶α氧化铝纤维按理论氧化物计包括占氧化铝纤维总重大于约99wt.％的Al2O3和约0.2-0.5wt.％的SiO2，及其中所述多晶α氧化铝纤维中的α氧化铝的平均粒度小于1微米。
122.如权利要求119所述的方法，其中所述α氧化铝纤维占所述插入物总体积的至少为50％体积。
123.如权利要求119所述的方法，包括第一层和第二层基本上连续的陶瓷氧化物纤维。
全文摘要
本发明公开用于增强金属基质复合材料制品的含有金属的插入物及其制备方法。在另一个方面中，本发明提供用插入物增强的金属基质复合材料制品及其制备方法。包括插入物的有用的金属基质复合材料制品包括制动钳。
文档编号F16D55/224GK1675388SQ03819758
公开日2005年9月28日 申请日期2003年7月8日 优先权日2002年8月20日
发明者卡玛尔·E·阿明, 迈克尔·F·格雷瑟, 阿兰·R·霍尔茨, 小威廉·J·赛特泽尔, 约瑟夫·J·施米特, 保罗·S·沃纳 申请人:3M创新有限公司