复合材料概论王国荣复合材料的基体材料ppt课件

1、第二章第二章 复合资料的基体资料复合资料的基体资料 基体作用：传送荷载、维护加强体；基体作用：传送荷载、维护加强体； 基体类型：塑料热固性、热塑性、基体类型：塑料热固性、热塑性、金属、无机非金属陶瓷、金属、无机非金属陶瓷、C C、水泥等、水泥等21 金属资料金属资料 用于MMC的主要种类：铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物。 合理选择种类的重要性：正确选择基体对能否充分组合和发扬基体金属和加强物的性能特点，获得预期的优良综合性能非常重要。 2.1.1 选择基体的根本原那么选择基体的根本原那么在选择基体金属时应思索要素： MMC的运用要求 MMC的组成特点

2、 基体金属与加强物的相容性 1 1MMCMMC的运用要求的运用要求 不同运用领域、不同工况条件对复合资料构件的性能要求有很大差别。 航天、航空器元件：高比强度、比模量+尺寸稳定性。宜选用密度较小的轻金属合金镁合金和铝合金，如C/Mg、C/Al、B/Al。高性能发动机叶片、转轴：高比强度、比模量+耐高温。选择钛基合金、镍基合金及金属间化合物。如SiC/Ti、W/Ni。汽车发动机活塞、缸套：耐高温+耐磨、导热，选择C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al。高集成电子器件：要求高导热+低膨胀，选择高导热率的银、铜、铝等与高导热性、低膨胀的石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合。 2 2金属基复合资料的

3、组成特点金属基复合资料的组成特点延续纤维加强延续纤维加强MMC：基体的主要作用是：基体的主要作用是以充分发扬加强资料性能为主，基体本身以充分发扬加强资料性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性。应与纤维有良好的相容性和塑性。 如：延续如：延续C/Al中，纯铝或含有少量合中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金好得多。且铝合金强度越高，其好得多。且铝合金强度越高，其MMC的的性能越低。性能越低。非延续加强非延续加强MMC：基体是主要承载物，：基体是主要承载物，基体强度对基体强度对MMC具有决议性的影响。因具有决议性的影响。因此需选用高性能

4、金属基体。此需选用高性能金属基体。 3 3基体金属与加强物的相容性基体金属与加强物的相容性 2.1.2 构造复合资料的基体构造复合资料的基体按制品运用温度要求分为：用于450以下的MMC轻金属基体用于450-700的MMC金属基体用于1000以上的高温MMC的金属基体 1用于450以下MMC的轻金属基体目前研讨开展最成熟、运用最广泛的MMC是铝基和镁基复合资料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并以构成工业化规模消费。对于不同类型的 复合资料应选用适宜的铝或镁合金基体。延续纤维加强MMC：普通选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金；颗粒、晶须加强MMC：那么选器具有高强度的

5、铝合金。表2-1 各种牌号铝、镁合金的成分和性能 2 用于450-700的MMC金属基体钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450-700 运用。SiC/Ti制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。 表2-2钛合金的成分和性能表表2-2 钛合金的性能钛合金的性能合金牌号密度g/cm3热膨胀系数10-6K-1导热率W/（m）抗拉强度MPa模量GPa工业纯钛TA14.518.016.3345685100TC14.558.010.2411753118TC34.458.48.4991118TC114.489.36.310301225123TB24.838.58.991296

6、1110ZTC44.408.98.6940114 3用于1000以上的高温MMC金属基体 用于1000以上的基体资料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、铁基高温合金。金属间化合物基MMC尚处于研讨阶段。 W/Ni合金，可以大幅度提高其高温性能高温耐久性能和高温蠕变性能，普通可提高1-3倍，主要用于高性能发动机叶片等重要零件。 表2-3 高温MMC的基体合金成分和性能表表2-3 高温金属基复合资料的基体合金成分和性能高温金属基复合资料的基体合金成分和性能基体合金及成分密度g/cm3持久强度MPa1100100h高温比强度m1031100100hZh36Ni-12.5-7W-4

7、.8Mo-5Al-2.5Ti12.5138112.5EPD16Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb8.35163.5Nimocast713CNi-12.5Cr-2.5Fe/2Nb-4Mo-6Al-1Ti8.04861.3Ni-35W-15Cr-2Al-2Ti9.152325.4 2.1.3 功能用功能用MMC的基体的基体 电子、信息能源等高技术领域的开展，要求资料和器件同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高磨擦系数和耐磨性等综合物理性能。 如电子器件：集成度越来越高，功率增大，发热严重，需用热膨胀系数小、导热性好的资料做基板和封装资料，以便将热量迅速传走

8、，防止产生热应力，提高器件可靠性。SiCp/Al 、SiCp/Cu； 又如汽车发动机零件：要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当。采用SiC、Al2O3、Gr等加强资料加强Al、Mg、Cu、Zn、Pb等MMC22 陶瓷资料陶瓷资料2.2.1 陶瓷资料开展历史及概念内涵陶瓷资料开展历史及概念内涵 传统陶瓷：是采用粘土及其天然矿物质经粉碎传统陶瓷：是采用粘土及其天然矿物质经粉碎加工、成型、烧结等过程制得，如日用陶瓷、加工、成型、烧结等过程制得，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷，其主要原料是硅酸盐矿物，建筑陶瓷、电瓷，其主要原料是硅酸盐矿物，所以归属于硅酸盐类资料。所以归属于硅酸盐类资料。 特种陶瓷：高温陶瓷

9、、介电陶瓷、压电陶瓷、特种陶瓷：高温陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、高导热陶瓷、高耐腐蚀陶瓷，所用资料不局高导热陶瓷、高耐腐蚀陶瓷，所用资料不局限于天然矿物，而是扩展到经过人工提纯加限于天然矿物，而是扩展到经过人工提纯加工或合成的化工资料。工或合成的化工资料。 现代陶瓷：是以特种陶瓷为根底由传统陶瓷开现代陶瓷：是以特种陶瓷为根底由传统陶瓷开展起来的又具有与传统陶瓷不同的鲜明特点展起来的又具有与传统陶瓷不同的鲜明特点的一类新型陶瓷。它早已超出传统陶瓷的概的一类新型陶瓷。它早已超出传统陶瓷的概念和范畴，是高新技术的产物念和范畴，是高新技术的产物 2.2.2 陶瓷的分类陶瓷的分类按化学成分分类按化学成分分

10、类氧化物陶瓷：氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO、Cr2O3及莫莱石及莫莱石3Al2O33SiO4和尖晶石和尖晶石MgAl2O3等，这类等，这类CMC防止在高温、高应力环防止在高温、高应力环境下运用，由于境下运用，由于Al2O3、 ZrO2的抗热震性差、的抗热震性差、 SiO2高温下容易发生蠕变和相变。高温下容易发生蠕变和相变。碳化物陶瓷：普通具有比氧化物陶瓷更高的熔点。最碳化物陶瓷：普通具有比氧化物陶瓷更高的熔点。最常用的是常用的是SiC、WC、B4C、TiC，制备过程应有气氛，制备过程应有气氛维护；耐热温度约为维护；耐热温度约为9001000氮化物陶瓷：具

11、有优良的综合力学性能和耐高温性能。氮化物陶瓷：具有优良的综合力学性能和耐高温性能。运用最广泛的是运用最广泛的是Si3N4，还有，还有TiN、BN、AlN、C3N4；耐热温度约为耐热温度约为13001700， BN可达可达2000 硼化物陶瓷：主要用作添加剂或第二相参与其它陶瓷硼化物陶瓷：主要用作添加剂或第二相参与其它陶瓷中以改善性能，常用中以改善性能，常用TiB2、ZrB2。 2. 按性能和用途分类n构造陶瓷：作为构造资料用于制造构造零件，构造陶瓷：作为构造资料用于制造构造零件，主要运用其力学性能。如强度、韧性、硬度、主要运用其力学性能。如强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性等，上述按化学

12、组成模量、耐磨性、耐高温性等，上述按化学组成分类的四大陶瓷大多数为此类，如分类的四大陶瓷大多数为此类，如Al2O3、Si3N4、ZrO2都是力学性能优良的代表性构造都是力学性能优良的代表性构造陶瓷陶瓷n功能陶瓷：作为功能资料用来制造功能器件，功能陶瓷：作为功能资料用来制造功能器件，主要运用期物理性能。如电磁性能、热性能、主要运用期物理性能。如电磁性能、热性能、光性能、生物性能等。例如铁电陶瓷用其电磁光性能、生物性能等。例如铁电陶瓷用其电磁性能制造电磁元件，介电陶瓷用于制造电容器，性能制造电磁元件，介电陶瓷用于制造电容器，压电陶瓷用于制造位移或压力传感器，生物陶压电陶瓷用于制造位移或压力传感器，

13、生物陶瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。 2.2.3 陶瓷资料的特点陶瓷资料的特点 陶瓷资料的性能特点 优点： 1高硬度：决议了优良的耐磨性； 2高熔点：决议了出色的耐热性； 3高化学稳定性：决议了良好的耐腐蚀性 缺陷：脆性，需求增韧复合资料 2.2.4 陶瓷的力学性能 弹性性能：陶瓷是脆性资料，满足胡克定律。表2-4陶瓷的弹性模量 硬度：表2-5陶瓷资料的硬度 强度：表2-6陶瓷资料的室温强度 断裂韧性：表2-7 陶瓷资料与金属断裂韧性的比较表表2-4 陶瓷的弹性模量陶瓷的弹性模量材料E/GPa材料E/GPa金刚石1000Si3N4220320WC400650SiO

14、294SiC450ZrO2160241Al2O3390莫莱石145TiC379玻璃3545AlN310350Cf310450表表2-5 陶瓷的维氏硬度值陶瓷的维氏硬度值材料HV/GPa材料HV/GPa金刚石90Si3N420MgO6.6ZrO21416SiC33莫莱石16Al2O323.7B4C16SiO25.4C-BN70表表2-6 陶瓷的室温强度陶瓷的室温强度材料弯曲强度/MPa拉伸强度/MPa烧结Al2O3（5%气孔率）烧结ZrO2（5%气孔率）烧结莫莱石（5%气孔率）热压Si3N4（1%气孔率烧结SiC（2%气孔率）烧结WC（2%气孔率）热压TiC（2%气孔率）350580138240

15、175620965450520790825275450200300138100350580-240275表表2-7 一些陶瓷和一些金属断裂韧性比较一些陶瓷和一些金属断裂韧性比较材料KIC/MPam1/2Al2O3ZrO2Si3N4SiCB4C41512563.5656马氏体时效钢Ni-Cr-Mo钢Ti6Al14V7075铝合金10045405023 聚合物资料聚合物资料 聚合物高分子化合物：是指那些众多聚合物高分子化合物：是指那些众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子质量在一万以上的化合物。对分子质量在一万以上的化合物。 特性：聚合物分子量很大，因此

16、具有与低特性：聚合物分子量很大，因此具有与低分子同系物完全不同的物理性能。如高分分子同系物完全不同的物理性能。如高分子化合物具有高软化点、高强度、高弹性、子化合物具有高软化点、高强度、高弹性、其溶液和熔体具有高粘度等性质。其溶液和熔体具有高粘度等性质。 RMCRMC中聚合物的主要作用是：把纤维粘接在中聚合物的主要作用是：把纤维粘接在一同；分配纤维间的荷载；维护纤维不受一同；分配纤维间的荷载；维护纤维不受环境影响。环境影响。 分类：热固性树脂和热塑性树脂两大类。分类：热固性树脂和热塑性树脂两大类。 2.3.1 热固性树脂热固性树脂 热固性树脂定义：低分子物在引发剂、促进剂作用下生成的三维体形网状

17、构造聚合物。固化物加热不软化，不溶不融。 不饱和聚酯树脂 环氧树脂 酚醛树脂 其它热固性树脂1不饱和聚酯树脂 定义：主链上同时具有反复酯键和不饱和双键的一类聚合物。 主要优点：工艺性好、固化物的综合性能好、价钱低廉、种类多。 主要缺陷：固化收缩率大，耐热性、强度和模量较低，因此很少用于受力很大的制品中。 运用方法：树脂、引发剂、促进剂按配比配制，并按固化制度固化。2环氧树脂 定义：分子主链上含有两个或两个以上环氧基团的聚合物。 主要优点：方式多样、粘附力强、收缩率低、力学性能好、尺寸稳定、化学稳定性好。 主要缺陷：工艺性差，价钱高。 运用方法：3酚醛树脂 定义：酚类和醛类的聚合物。 主要优点：良好的机械强度、耐热性能、突出的耐高温烧蚀性能。 主要缺陷：吸附性不好、收缩率高、脆性大、制品空隙含量高。 运用方法：树脂+固化剂加热固化，酚醛树脂改性。4其它热固性树脂 有机硅树脂：分子主链上含有硅氧键的聚合物。200250下可长时间运用，仍坚持优良的电性能，憎