第二章_復(fù)合材料的基體材料.ppt

1、第二章 復(fù)合材料的基體材料,基體作用：傳遞荷載、保護(hù)增強(qiáng)體； 基體類型：塑料（熱固性、熱塑性）、金屬、無機(jī)非金屬（陶瓷、C、水泥等）,21 金屬材料,用于MMC的主要品種：鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅與銅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物。 合理選擇品種的重要性：正確選擇基體對能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物的性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能十分重要。,2.1.1 選擇基體的基本原則,在選擇基體金屬時應(yīng)考慮因素： MMC的使用要求 MMC的組成特點(diǎn) 基體金屬與增強(qiáng)物的相容性,1）MMC的使用要求,不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同工況條件對復(fù)合材料構(gòu)件的性能要求有很大差異。 航天、航空器元件：高比強(qiáng)

2、度、比模量+尺寸穩(wěn)定性。宜選用密度較小的輕金屬合金鎂合金和鋁合金，如C/Mg、C/Al、B/Al。 高性能發(fā)動機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸：高比強(qiáng)度、比模量+耐高溫。選擇鈦基合金、鎳基合金及金屬間化合物。如SiC/Ti、W/Ni。 汽車發(fā)動機(jī)活塞、缸套：耐高溫+耐磨、導(dǎo)熱，選擇C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al。 高集成電子器件：要求高導(dǎo)熱+低膨脹，選擇高導(dǎo)熱率的銀、銅、鋁等與高導(dǎo)熱性、低膨脹的石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合。,2）金屬基復(fù)合材料的組成特點(diǎn),連續(xù)纖維增強(qiáng)MMC：基體的主要作用是以充分發(fā)揮增強(qiáng)材料性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性。 如：連續(xù)C/Al中，純鋁或含有少量合金

3、元素的鋁合金作為基體比高強(qiáng)度鋁合金好得多。且鋁合金強(qiáng)度越高，其MMC的性能越低。 非連續(xù)增強(qiáng)MMC：基體是主要承載物，基體強(qiáng)度對MMC具有決定性的影響。因此需選用高性能金屬基體。,3）基體金屬與增強(qiáng)物的相容性,基體與纖維的相容性：良好的浸潤性、穩(wěn)定的界面。 例：在純鋁中加入少量的Ti、Zr等元素，可明顯改善MMC的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大大提高M(jìn)MC的性能。 Fe、Ni高溫時會破壞CF的結(jié)構(gòu)，使其喪失原有強(qiáng)度，因此不能直接用作CF的基體。,2.1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體,按制品使用溫度要求分為： 用于450以下的MMC輕金屬基體 用于450-700的MMC金屬基體 用于1000以上的高溫MMC的金屬

4、基體,1）用于450以下MMC的輕金屬基體,目前研究發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的MMC是鋁基和鎂基復(fù)合材料，用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動機(jī)零件、剎車盤等，并以形成工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。 對于不同類型的 復(fù)合材料應(yīng)選用合適的鋁或鎂合金基體。 連續(xù)纖維增強(qiáng)MMC：一般選用純鋁或含合金元素少的單相鋁合金； 顆粒、晶須增強(qiáng)MMC：則選用具有高強(qiáng)度的鋁合金。 表2-1 各種牌號鋁、鎂合金的成分和性能,2）用于450-700的MMC金屬基體,鈦合金具有相對密度小、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可在450-700 使用。SiC/Ti制成的葉片和傳動軸等零件可用于高性能航空發(fā)動機(jī)。 表2-2鈦合金的成分和性

5、能,3）用于1000以上的高溫MMC金屬基體,用于1000以上的基體材料主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物，較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金。金屬間化合物基MMC尚處于研究階段。 W/Ni合金，可以大幅度提高其高溫性能高溫持久性能和高溫蠕變性能，一般可提高1-3倍，主要用于高性能發(fā)動機(jī)葉片等重要零件。 表2-3 高溫MMC的基體合金成分和性能,2.1.3 功能用MMC的基體,電子、信息能源等高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，要求材料和器件同時具有高力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗電弧燒蝕性、高磨擦系數(shù)和耐磨性等綜合物理性能。 如電子器件：集成度越來越高，功率增大，發(fā)熱嚴(yán)重，需用熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好

6、的材料做基板和封裝材料，以便將熱量迅速傳走，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，提高器件可靠性。SiCp/Al 、SiCp/Cu； 又如汽車發(fā)動機(jī)零件：要求耐磨、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)適當(dāng)。采用SiC、Al2O3、Gr等增強(qiáng)材料增強(qiáng)Al、Mg、Cu、Zn、Pb等MMC,22 陶瓷材料,2.2.1 陶瓷材料發(fā)展歷史及概念內(nèi)涵 傳統(tǒng)陶瓷：是采用粘土及其天然礦物質(zhì)經(jīng)粉碎加工、成型、燒結(jié)等過程制得，如日用陶瓷、建筑陶瓷、電瓷，其主要原料是硅酸鹽礦物，所以歸屬于硅酸鹽類材料。 特種陶瓷：高溫陶瓷、介電陶瓷、壓電陶瓷、高導(dǎo)熱陶瓷、高耐腐蝕陶瓷，所用材料不局限于天然礦物，而是擴(kuò)大到經(jīng)過人工提純加工或合成的化工材料。 現(xiàn)代陶瓷：是

7、以特種陶瓷為基礎(chǔ)由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展起來的又具有與傳統(tǒng)陶瓷不同的鮮明特點(diǎn)的一類新型陶瓷。它早已超出傳統(tǒng)陶瓷的概念和范疇，是高新技術(shù)的產(chǎn)物,2.2.2 陶瓷的分類,按化學(xué)成分分類 氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO、Cr2O3及莫萊石（3Al2O33SiO4）和尖晶石（MgAl2O3）等，這類CMC避免在高溫、高應(yīng)力環(huán)境下使用，因?yàn)锳l2O3、 ZrO2的抗熱震性差、 SiO2高溫下容易發(fā)生蠕變和相變。 碳化物陶瓷：一般具有比氧化物陶瓷更高的熔點(diǎn)。最常用的是SiC、WC、B4C、TiC，制備過程應(yīng)有氣氛保護(hù)；耐熱溫度約為9001000 氮化物陶瓷：具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性

8、能和耐高溫性能。應(yīng)用最廣泛的是Si3N4，還有TiN、BN、AlN、C3N4；耐熱溫度約為13001700， BN可達(dá)2000 硼化物陶瓷：主要用作添加劑或第二相加入其它陶瓷中以改善性能，常用TiB2、ZrB2。,2. 按性能和用途分類,結(jié)構(gòu)陶瓷：作為結(jié)構(gòu)材料用于制作結(jié)構(gòu)零件，主要使用其力學(xué)性能。如強(qiáng)度、韌性、硬度、模量、耐磨性、耐高溫性等，上述按化學(xué)組成分類的四大陶瓷大多數(shù)為此類，如Al2O3、Si3N4、ZrO2都是力學(xué)性能優(yōu)異的代表性結(jié)構(gòu)陶瓷 功能陶瓷：作為功能材料用來制造功能器件，主要使用期物理性能。如電磁性能、熱性能、光性能、生物性能等。例如鐵電陶瓷用其電磁性能制造電磁元件，介電陶瓷

9、用于制造電容器，壓電陶瓷用于制造位移或壓力傳感器，生物陶瓷用于制造人工骨骼和人工牙齒。,2.2.3 陶瓷材料的特點(diǎn),陶瓷材料的性能特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 1）高硬度：決定了優(yōu)異的耐磨性； 2）高熔點(diǎn)：決定了杰出的耐熱性； 3）高化學(xué)穩(wěn)定性：決定了良好的耐腐蝕性 缺點(diǎn)：脆性，需要增韌復(fù)合材料,2.2.4 陶瓷的力學(xué)性能,彈性性能：陶瓷是脆性材料，滿足胡克定律。表2-4陶瓷的彈性模量 硬度：表2-5陶瓷材料的硬度 強(qiáng)度：表2-6陶瓷材料的室溫強(qiáng)度 斷裂韌性：表2-7 陶瓷材料與金屬斷裂韌性的比較,23 聚合物材料,聚合物（高分子化合物）：是指那些眾多原子或原子團(tuán)主要以共價鍵結(jié)合而成的相對分子質(zhì)量在一萬以上的

10、化合物。 特性：聚合物分子量很大，因而具有與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軟化點(diǎn)、高強(qiáng)度、高彈性、其溶液和熔體具有高粘度等性質(zhì)。 RMC中聚合物的主要作用是：把纖維粘接在一起；分配纖維間的荷載；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。 分類：熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類。,2.3.1 熱固性樹脂,熱固性樹脂定義：低分子物在引發(fā)劑、促進(jìn)劑作用下生成的三維體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物。固化物加熱不軟化，不溶不融。 不飽和聚酯樹脂 環(huán)氧樹脂 酚醛樹脂 其它熱固性樹脂,1）不飽和聚酯樹脂,定義：主鏈上同時具有重復(fù)酯鍵和不飽和雙鍵的一類聚合物。 主要優(yōu)點(diǎn)：工藝性好、固化物的綜合性能好、價格低廉、品種多。 主要

11、缺點(diǎn)：固化收縮率大，耐熱性、強(qiáng)度和模量較低，因此很少用于受力很大的制品中。 使用方法：樹脂、引發(fā)劑、促進(jìn)劑按配比配制，并按固化制度固化。,2）環(huán)氧樹脂,定義：分子主鏈上含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團(tuán)的聚合物。 主要優(yōu)點(diǎn)：形式多樣、粘附力強(qiáng)、收縮率低、力學(xué)性能好、尺寸穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好。 主要缺點(diǎn)：工藝性差，價格高。 使用方法：,3）酚醛樹脂,定義：酚類和醛類的聚合物。 主要優(yōu)點(diǎn)：良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性能、突出的耐高溫?zé)g性能。 主要缺點(diǎn)：吸附性不好、收縮率高、脆性大、制品空隙含量高。 使用方法：樹脂+固化劑加熱固化，酚醛樹脂改性。,4）其它熱固性樹脂,有機(jī)硅樹脂：分子主鏈上含有硅氧鍵的聚合物。200250下可長時間使用，仍保持優(yōu)良的電性能，憎水防潮性。 呋喃樹脂：含有呋喃結(jié)構(gòu)的聚合物。熱穩(wěn)定性、高耐腐蝕性、脆性。 聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺：耐熱性好，可在200230下長期使用。,2.3.2 熱塑性樹脂,熱塑性樹脂定義：指線型或支鏈型聚合