第1章 基体材料

1、基体材料基体材料Contents金属基体1陶瓷基体2聚合物基体3复合材料复合材料的的包括包括和和。主要包括以下三部分：主要包括以下三部分：、和和.金属基体材料的选择原则（1）根据金属基复合材料的使用要求（2）根据金属基复合材料组成特点（3）基体金属与增强体的相容性一、金属基体金属基复合材料构件的金属基复合材料构件的是选择金属基体材料最重要的是选择金属基体材料最重要的依据。依据。如在如在航天、航空技术航天、航空技术中，高中，高和和以及以及是最重是最重要的性能要求；作为要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件飞行器和卫星的构件宜选用密度小的宜选用密度小的（如镁合金和铝合金）作为（如镁合金和铝合金）作为

2、，与高强度、高模量的，与高强度、高模量的、等组成等组成/、/、/复合材料。复合材料。则要求复合材料不仅有则要求复合材料不仅有和和，还要具有，还要具有优良的优良的，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择一般的铝、镁合金，而应选择、以及以及作为基作为基体材料。体材料。如如、复合材料可用于喷气复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。发动机叶片、转轴等重要零件。在在中要求其零件中要求其零件、一定的、一定的等，等，同时又要求同时又要求，适合于，适合于，因此选用，因此选用与与、组成颗粒（短纤维）组成颗粒（短纤维）/铝基复合

3、材料。铝基复合材料。如如复合材料、复合材料、复合材料可制作复合材料可制作发动发动机活塞机活塞、缸套缸套等零件。等零件。需要需要、的金属基复合材料作为的金属基复合材料作为散热元件散热元件和和基板基板。因此，可以选用具有高导热率的因此，可以选用具有高导热率的银银、铜铜、铝铝等金属为等金属为基体基体与高导热与高导热性、低热膨胀的超高模量性、低热膨胀的超高模量石墨纤维石墨纤维、金刚石纤维金刚石纤维、碳化硅颗粒碳化硅颗粒复合成具复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料。材料。选用不同类型的选用不同类型的如如连

4、续纤维连续纤维、短纤维短纤维或或晶须晶须，对基体，对基体材料的选择材料的选择。例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主要作用应是以例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主要作用应是以为主，基体本身应与纤维有为主，基体本身应与纤维有，而并不要求基体本身，而并不要求基体本身有很高的强度。有很高的强度。因此，考虑到要充分因此，考虑到要充分的作用，希望选用的作用，希望选用。实验证明，。实验证明，此时如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低此时如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。如如复合材料中，复合材料中，或含有少量合金元素的或含有少量合金元素的作为作为比比要好得多，使用后

5、者制成的复合材料的性能反而低。要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料在研究碳铝复合材料中发现，中发现，铝合金的强度越高，复合铝合金的强度越高，复合材料的性能越低材料的性能越低。这可能与基体和纤维的。这可能与基体和纤维的界面状态界面状态、脆性相的存在脆性相的存在、基体本身的基体本身的塑性塑性等有关。等有关。相反。对于相反。对于，对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用来作为基体。来作为基体。所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用作为基作为基体，这与体，这与连续纤维增强金属基复合材料连续纤维

6、增强金属基复合材料基体的选择完全不同。基体的选择完全不同。如如一般选用一般选用（如（如A365，6061，7075）为基体。）为基体。首先，由于首先，由于金属基复合材料金属基复合材料需要在需要在，制备过程中，制备过程中，处于处于高温热力学非平衡状态下高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。应，在界面形成反应层。大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因力时将会因界面层的断裂伸长小界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起容易引起

7、纤维断裂纤维断裂，导致复合材料整体破坏。，导致复合材料整体破坏。其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些与与的的，反应后生成的，反应后生成的，需在选用需在选用基体合金成分基体合金成分时充分考虑，尽可能选择时充分考虑，尽可能选择既有利于既有利于，又有利于又有利于。如如复合材料中，在复合材料中，在少量的少量的TiTi，ZrZr等等可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大提高复合材提高复合材料的性能料的性能。用用作为基体，作为基体，是不可取的。因为是不可取的。因为NiNi，FeFe元素在高温时能有

8、效地元素在高温时能有效地，破坏了碳纤维的结构，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化。使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化。 用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料一般均要求有材料一般均要求有和和，因此大多选用铝及，因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各种种、的轻型结构件，广泛的用于宇航、航的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空

9、、汽车等领域。空、汽车等领域。复合材料一般只能用在复合材料一般只能用在450 左左右、而右、而基体复合材料可用到基体复合材料可用到650 、而而复合材料可在复合材料可在1200使用。使用。另外，还有最近正在研究的另外，还有最近正在研究的为为。 在这个温度范围内使用的金属基体主要是在这个温度范围内使用的金属基体主要是和和，而且而且主要是以合金的形式主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于被广泛的应用。例如，用于航天飞机航天飞机、人人造卫星造卫星、空间站空间站、汽车发动机零件汽车发动机零件、刹车盘刹车盘等，并已形成工业规模等，并已形成工业规模生产。生产。 是一种是一种低密度低密度、较高强度较高强

10、度和具有和具有耐腐蚀耐腐蚀性能的金属。性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入在实际使用中，纯铝中常加入、等元素形成等元素形成，由于加入的这些元素在铝中的，由于加入的这些元素在铝中的溶解度溶解度极为极为有限有限，因此，因此，这类合金通常称为这类合金通常称为，如，如A1-Cu-Mg和和A1-Zn-Mg-Cu等沉淀硬化合金。等沉淀硬化合金。是一种比铝更轻的金属，但镁的是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差机械性能较差，因此，因此，通常是在镁中加入通常是在镁中加入铝铝、锌锌、锰锰、锆锆及及稀土稀土元素而形成元素而形成。目前目前主要包括主要包括Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Cr等耐热合金，可作为

11、连续或不连续纤维复合材料的基体。等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。对于对于应选用合适的应选用合适的。例如，例如，复合材料一般选用复合材料一般选用或含合金元或含合金元素少的素少的；而而复合材料则选择具有高强度的复合材料则选择具有高强度的。通过各种研究表明，在这个温度范围内可以作为金属基通过各种研究表明，在这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是复合材料基体使用的，目前主要是。有两种晶形，有两种晶形，具有具有排列结构，低于排列结构，低于885时稳定；时稳定； 是是结构，高于结构，高于885时稳定。时稳定。 金属金属能提高钛由能提高钛由 向向 相转变的温度，所以铝是

12、相转变的温度，所以铝是。而大多数。而大多数(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由能降低钛由 向向 相转变的温度，所以是相转变的温度，所以是。 钛钛在较高的温度中在较高的温度中能保持高能保持高，优良的，优良的和和性能。它具有较高的性能。它具有较高的和和，是一，是一种理想的种理想的航空、宇航应用材料航空、宇航应用材料。具有具有比重轻比重轻、耐腐蚀耐腐蚀、耐氧化耐氧化、强度高等强度高等特点，特点，是一种可在是一种可在450700 温度下使用的合金，主要用于航空发温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。动机等零件上。钛合金的成分和性能钛合金的成分和性能现在已用于现在已用于的钛合金的

13、成分和性能如下的钛合金的成分和性能如下是在此温度范围内使用的金属基体。是在此温度范围内使用的金属基体。在在中使用的铁，主要是中使用的铁，主要是，按加工工艺分，按加工工艺分为为变形高温合金变形高温合金和和铸造高温合金铸造高温合金。 其中其中，铁基，铁基是奥氏体是奥氏体可塑性可塑性变形高温合金，主要变形高温合金，主要组成为组成为1560铁，铁，2555镍和镍和1123铬。铬。 此外，根据不同的使用温度，分别此外，根据不同的使用温度，分别加入加入钨、钼、铌、钒、钛等钨、钼、铌、钒、钛等合金元素合金元素进行强化。进行强化。是以铁为基体，是以铁为基体，用铸造工艺用铸造工艺成型的高温合成型的高温合金，基体

14、为面心立方体结构的奥氏体金，基体为面心立方体结构的奥氏体。铁铁基基、分别用于制造燃气涡轮发分别用于制造燃气涡轮发动机的动机的燃烧室燃烧室和和涡轮轮盘涡轮轮盘、涡轮导向叶片涡轮导向叶片等。等。用于用于1000 以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是和和。其中，研究较为成熟的是其中，研究较为成熟的是，复合复合材料尚处于材料尚处于研究阶段研究阶段。在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，可形成镍基可形成镍基和镍基和镍基。镍基镍基以镍为基体以镍为基体(含量一般大于含量一般大于50)，加入，加入

15、钨钨、钼钼、钴钴、铬铬、铌铌等等，使用温度在，使用温度在6501000，具有较高，具有较高的的强度强度、良好的、良好的抗氧化抗氧化和和抗燃气腐蚀抗燃气腐蚀能力，用于制造能力，用于制造燃气涡轮发动燃气涡轮发动机机的的燃烧室燃烧室等。等。镍基镍基是以镍为基体，用是以镍为基体，用成型的高温合金，成型的高温合金，能在能在6001100的的氧化氧化和和燃气腐蚀气氛燃气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长期中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制造可靠地工作，主要用于制造涡轮转子叶片涡轮转子叶片和和导向叶片导向叶片及其他在高温及其他在高温条件下工作的零件。条件下工作的零件。金属间化合物种类繁多，而金属间化

16、合物种类繁多，而的金属间化合的金属间化合物通常是一些物通常是一些，如，如铝化镍铝化镍，铝化铁铝化铁、铝化钛铝化钛等，使用温度等，使用温度可达可达1600。是它们的是它们的，主要原因有两个：，主要原因有两个：（）结构组织中（）结构组织中导致滑移系不足导致滑移系不足（）晶体（）晶体。另外，金属另外，金属也可以作为也可以作为基体材料基体材料。铜是铜是，其导电率为银的，其导电率为银的94。铜的。铜的塑性好塑性好，强度和强度和弹性模量不高弹性模量不高，热膨胀系数大热膨胀系数大，容易铸造和加工容易铸造和加工。铜在复合材料中的主要用途是作为铜在复合材料中的主要用途是作为的基体材料。的基体材料。功能用金属基复

17、合材料功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车等工业技随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。高技术领域的发展要求高技术领域的发展要求具有具有，如同时具有如同时具有高力学性能高力学性能、高导热高导热、低热膨胀低热膨胀、高导电率高导电率、高抗电弧高抗电弧烧蚀性烧蚀性、高摩擦系数高摩擦系数和和耐磨性耐磨性等。等。目前目前主要用于微电子技术的主要用于微电子技术的电子封电子封装装、用于、用于高导热高导热、耐电弧烧蚀耐电弧烧蚀的的集电材料集电材料和和触头材料触头材料、耐高、耐高温摩擦的温摩

18、擦的耐磨材料耐磨材料、耐腐蚀的、耐腐蚀的电池极板电池极板材料等。材料等。主要选用的主要选用的是是、等金属。等金属。用于用于的的的基体主要是的基体主要是和和。 例如例如，高，高含量的含量的(SiCpAl)、(SiCpCu)复合材料；复合材料；高高模、超高模模、超高模增强增强(Cr/Al)、(Cr/Cu)复合材料；复合材料；或或增强增强复合材料；复合材料；复合材料等。复合材料等。用于用于的金属基复合材料的的金属基复合材料的主要是常用的主要是常用的、等等。例如例如：碳化硅碳化硅、氧化铝氧化铝、石墨颗粒石墨颗粒、晶须晶须、纤维纤维等增强等增强、等金属基复合材料。等金属基复合材料。传统的陶瓷传统的陶瓷是

19、指是指和和，也包括，也包括、等人造等人造。由于这些材料都是含二氧化硅的由于这些材料都是含二氧化硅的，如，如粘土粘土、石灰石石灰石、砂子砂子等为原料制成的，所以等为原料制成的，所以也是也是。二、陶瓷基体二、陶瓷基体随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的，它们不仅含有，它们不仅含有，还有，还有、和和等。等。 是是的固体化合物，其键合为的固体化合物，其键合为或或，与金属不同，它们，与金属不同，它们。一般而言，陶瓷具有比金属更一般而言，陶瓷具有比金属更和和，非常稳定，非常稳定，性、性、性皆好。性皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在通常的陶瓷是绝缘体，在下也可以

20、下也可以，但比金属，但比金属导电性差得多。导电性差得多。虽然虽然的许多性能优于金属，但它也存在致命的的许多性能优于金属，但它也存在致命的，即，即，很容易因存在，很容易因存在裂纹裂纹、空隙空隙、杂质杂质等细微缺陷而破碎，等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为的应用。的应用。主要以主要以两种形态的化合物存两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的在，它们一般应具有优异的性能，与纤维或晶须之间性能，与纤维或晶须之间有有以及以及等。等。常用的陶瓷基体主要包括：常用的陶瓷基体主要包括：、等等。一些陶瓷材料的物理和机械性能一些陶瓷

21、材料的物理和机械性能玻璃是通过玻璃是通过高温烧结高温烧结而成的一种而成的一种。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后而冷却成为坚硬而冷却成为坚硬的无机材料，即的无机材料，即是玻璃的特征之一。是玻璃的特征之一。许多许多可以通过适当的热处理使其可以通过适当的热处理使其，这一过程称为这一过程称为。由于由于使玻璃成为使玻璃成为，透光性变差，而且因体积变，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。璃化过程。但对于某些玻璃，但对于某些玻璃，反玻璃化过程反玻璃化过程可以可以控

22、制控制，最后能够得到，最后能够得到无残无残余应力余应力的的，这种材料称为，这种材料称为。为了为了实现反玻璃化实现反玻璃化，需要加入成核剂，需要加入成核剂(如如TiO2)。具有具有、和和等特点，玻璃陶瓷等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究在国内外都受到重视。基复合材料的研究在国内外都受到重视。作为基体材料使用的作为基体材料使用的主要有主要有，莫来石莫来石(即富铝红柱石，化学式为即富铝红柱石，化学式为)等，它们的等，它们的溶点在溶点在2000 以上。以上。 氧化物陶瓷氧化物陶瓷的的随随升高而降低，但在升高而降低，但在1000 以下降以下降低较小。低较小。因此，因此，氧化物陶瓷基氧化物陶瓷基复合材料应避

23、免复合材料应避免使使用。这是由于用。这是由于A12O3和和ZrO2的的抗热震性抗热震性较差，较差，SiO2在高温下容易发在高温下容易发生生蠕变和相变蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的虽然莫来石具有较好的和和，但使，但使用温度也不宜超过用温度也不宜超过1200 。以氧化铝以氧化铝()为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学仅有一种热动力学，即，即 -Al2O3 ，属六方晶系。属六方晶系。包括包括高纯氧化铝瓷高纯氧化铝瓷，99氧化铝瓷氧化铝瓷，95氧化铝瓷氧化铝瓷和和85氧化铝瓷氧化铝瓷等品种，其氧化铝含量等品种，其氧化铝含量(质量分数质量分数)依

24、此为依此为999、99、95和和85，烧结温度依次为，烧结温度依次为1800、1700、1650和和1500。以氧化锆以氧化锆()为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度度5.65.9 g / cm3，熔点熔点2175 。 氧化锆氧化锆在在1100时，从时，从迅速转变为迅速转变为，此可逆转变，此可逆转变伴随有伴随有79的体积变化。的体积变化。由于氧化锆具有由于氧化锆具有，故在氧化锆陶瓷的烧结过程，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量中加入适量、等与等与ZrO2结构近似的氧化物作为结构近似的氧化物作为，形成稳定的，形成稳定的结构。结构。稳定的氧化锆陶瓷的稳

25、定的氧化锆陶瓷的和和小，小，良好，高温时具有良好，高温时具有。非氧化物陶瓷是指非氧化物陶瓷是指的的、和和。它们的特点是它们的特点是和和好，好，也很强。也很强。和和的的约约9001000 。略低些，略低些，的表面能形成的表面能形成，所以，所以达达13001700 。具有类似石墨的具有类似石墨的，在，在(1360 )和和作用下可转变成作用下可转变成的的 氮化硼，耐热温度高达氮化硼，耐热温度高达2000 ，硬度极高，可作为金刚石的代用品。硬度极高，可作为金刚石的代用品。以氮化硅以氮化硅(为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有硅陶瓷有，即，即 和和 两种两种，由于

26、氮化硅中，由于氮化硅中Si-N键结合强度高键结合强度高，属难烧结物质。，属难烧结物质。不同制备方法的氮化硅的一些物理性能不同制备方法的氮化硅的一些物理性能以以(BN)为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷。氮化为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷。氮化硼是硼是，有，有和和两种晶型结构。两种晶型结构。氮化硼可以分为下面的三种：氮化硼可以分为下面的三种：，这是一种这是一种晶型，晶型，类似于石墨，理论密类似于石墨，理论密度为度为227gcm3。，它一种它一种晶型，结构和硬度都类似于钻石，理晶型，结构和硬度都类似于钻石，理论密度为论密度为348gcm3。，它也是一种它也是一种晶型，理论密度为晶型，理论密度为3.48g/cm3。 由于由于具有类似于石墨的结构，具有具有类似于石墨的结构，具有和和等特点，故称等特点，故称“”，在热压陶瓷过程中在热压陶瓷过程中主要主要被当作被当作使用。使用。与石墨不同，是与石墨不同，是，六方晶型，六方晶型BN的莫氏硬度为的莫氏硬度为2，无明显熔点，升华分解温