西安工业大学复合材料2

第二章复合材料的基体材料

2.1金属材料2.2陶瓷材料2.3聚合物材料第二章复合材料的基体材料

复合材料原材料包括基体材料和增强体材料基体作用：固结、保护增强体，传递、承受荷载；基体类型：塑料（热固性、热塑性）、金属、无机非金属（陶瓷、C、水泥等）粘结、连接力、热、电等2．1金属材料

用于MMC的主要品种：铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物。合理选择品种的重要性：正确选择基体对能否充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综合性能十分重要。

2.1.1

选择基体的基本原则总原则：充分发挥基体和增强体性能特点，获得预期的优异综合性能，满足材料的使用要求。在选择基体金属时应考虑因素：

MMC的使用要求

MMC的组成特点基体金属与增强物的相容性1）MMC的使用要求

不同应用领域、不同工况条件对复合材料构件的性能要求有很大差异。航天、航空领域：高比强度、比模量+尺寸稳定性。如飞行器、卫星构件，宜选用密度较小的轻金属合金—铝合金和镁合金，与高强度、高模量纤维—C和B，如C/Mg、C/Al、B/Al。高性能发动机：高比强度、比模量+耐高温。如喷气发动机叶片、转轴，选择钛基合金、镍基合金及金属间化合物。如SiC/Ti、W/Ni。涡轮发动机汽车发动机：耐热+耐磨、导热，及低成本，如活塞、缸套，选择Al2O3w/Al、SiCp/Al。电子领域：高导热+低膨胀，如电子封装材料，选择高导热的银、铜、铝等与高导热、低膨胀的石墨纤维、金刚石、碳化硅颗粒复合。2）金属基复合材料的组成特点连续纤维增强CRMMC：基体的主要作用是以充分发挥增强材料性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性。

非连续增强DRMMC

如：Cf/Al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好得多。且铝合金强度越高，其MMC的性能越低。不同基体铝基复合材料性能比较100MPa330MPa560MPa20%SiC/Al的性能和增强率非连续增强DRMMC：基体是主要承载物，基体强度对MMC具有决定性的影响。因此需选用高性能金属基体。SiCp/Al增强体临界体积分数与基体强度之间关系木桶效应斜木桶效应3）基体金属与增强物的相容性基体与纤维的相容性：良好的浸润性、稳定的界面。例：①Cf/Al，在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素，可明显改善MMC的界面结构和性质，大大提高MMC的性能。

Fe、Ni高温时会破坏Cf的结构，使其丧失原有强度，因此不能直接用作Cf的基体。纤维表面处理选择合适的成型方法，（T↓t↓），cast/PM

2.1.2结构复合材料的基体按制品使用温度要求分为：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究发展最成熟、应用最广泛的MMC是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等。对于不同类型的复合材料应选用合适的铝或镁合金基体。CRMMC：一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金；DRMMC：则选用具有高强度的铝合金。部分铝合金和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℃使用。SiCf/Ti制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。

部分钛合金的成分和性能合金牌号密度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TA14.518.016.3345～685100TC14.558.010.2411～753118TC34.458.48.4991118TC114.489.36.31030～1225123TB24.838.58.9912～961110ZTC44.408.98.69401141670/882℃（熔点/相转变温度）

3）用于1000℃以上的高温MMC金属基体用于1000℃以上的基体材料主要是镍基、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。W/Ni合金，可以大幅度提高其高温性能——高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1-3倍，主要用于高性能发动机叶片等重要零件。铌基、金属间化合物基MMC可用于更高温度，尚处于研究阶段。3410/1364℃（熔点/再结晶温度）

高温金属基复合材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MPa1100℃100h高温比强度m×1031100℃100hZh36Ni-12.5-7W-4.8Mo-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MMC的基体

电子、信息、能源、汽车工业等领域，要求材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。例如：电子封装：热膨胀系数小、导热性好，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，提高器件可靠性。SiCp/Al、Sip/Al、C/Cu；集电和电触头：导电性好、抗电弧烧蚀，基体选铝、铜、银、钨，增强体Cf、金属丝、陶瓷颗粒耐磨零部件（摩擦、减摩）：要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当。基体选Al、Mg、Cu、Zn、Pb，增强体SiC、Al2O3、Gr。随堂作业：现用电子封装基板选用Al2O3，通过计算说明为什么选用Al70SiC替代Al2O3基板如果用Si替代SiC是否可行，为什么？密度g/cm3导热系数W/m•K热膨胀系数×106Al2.723823.6Si2.31354.1SiC3.2703.8Al2O33.9206.52．2陶瓷材料2.2.1陶瓷材料发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，所以归属于硅酸盐类材料。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，所用材料不局限于天然矿物，而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工材料。现代陶瓷：是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发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念和范畴，是高新技术的产物2.2.2陶瓷的分类按化学成分分类氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO、Cr2O3及莫莱石（3Al2O3·2SiO2）和尖晶石（MgAl2O4）等，这类CMC避免在高温、高应力环境下使用，因为Al2O3、ZrO2的抗热震性差、SiO2高温下容易发生蠕变和相变。碳化物陶瓷：一般具有比氧化物陶瓷更高的熔点。最常用的是SiC、WC、B4C、TiC，制备过程应有气氛保护；耐热温度约为900—1000℃氮化物陶瓷：具有优良的综合力学性能和耐高温性能。应用最广泛的是Si3N4，还有TiN、BN、AlN、C3N4；耐热温度约为1300—1700℃，BN可达2000℃硼化物陶瓷：主要用作添加剂或第二相加入其它陶瓷中以改善性能，常用TiB2、ZrB2。2.按性能和用途分类结构陶瓷：作为结构材料用于制作结构零件，主要使用其力学性能。如强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性等，上述按化学组成分类的四大陶瓷大多数为此类，如Al2O3、Si3N4、ZrO2都是力学性能优异的代表性结构陶瓷功能陶瓷：作为功能材料用来制造功能器件，主要使用期物理性能。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，生物陶瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。2.2.3陶瓷材料的特点陶瓷材料的性能特点优点：

1）高硬度：决定了优异的耐磨性；

2）高熔点：决定了杰出的耐热性；

3）高化学稳定性：决定了良好的耐腐蚀性缺点：脆性，需要增韧—复合材料

2.2.4陶瓷的力学性能弹性性能：陶瓷是脆性材料，满足胡克定律。表2-4陶瓷的弹性模量硬度：表2-5陶瓷材料的硬度强度：表2-6陶瓷材料的室温强度断裂韧性：表2-7陶瓷材料与金属断裂韧性的比较表2-4陶瓷的弹性模量材料E/GPa材料E/GPa金刚石1000Si3N4220～320WC400～650SiO294SiC450ZrO2160～241Al2O3390莫莱石145TiC379玻璃35～45AlN310～350Cf310～450表2-5陶瓷的维氏硬度值材料HV/GPa材料HV/GPa金刚石90Si3N420MgO6.6ZrO214～16SiC33莫莱石16Al2O323.7B4C16SiO25.4C-BN70表2-6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）350～580138～240175620～965450～520790～825275～450200～300138100350～580--240～275表2-7一些陶瓷和一些金属断裂韧性比较材料KIC/MPa·m1/2Al2O3ZrO2Si3N4SiCB4C4～151～25～63.5～65～6马氏体时效钢Ni-Cr-Mo钢Ti6Al14V7075铝合金1004540502．3聚合物材料

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，因而具有与低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、其溶液和熔体具有高粘度等性质。PMC中聚合物的主要作用是：把纤维粘接在一起；分配纤维间的荷载；保护纤维不受环境影响。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结构聚合物。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：主链上同时具有重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、价格低廉、品种多。主要缺点：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。使用方法：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：形式多样、粘附力强、收缩率低、力学性能好、尺寸稳定、化学稳定性好。主要缺点：工艺性差，价格高。使用方法：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。主要缺点：吸附性不好、收缩率高、脆性大、制品空隙含量高。使用方法：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。200～250℃下可长时间使用，仍保持优良的电性能，憎水防潮性。呋喃树脂：含有呋喃结构的聚合物。热稳定性、高耐腐蚀性