復(fù)合材料概論課件王國(guó)榮_第二章_復(fù)合材料的基體材料

1、第二章第二章 復(fù)合材料的基體材料復(fù)合材料的基體材料 基體作用基體作用：傳遞荷載、保護(hù)增強(qiáng)體； 基體類型基體類型：塑料（熱固性、熱塑性）、金屬、無(wú)機(jī)非金屬（陶瓷、C、水泥等）21 金屬材料金屬材料 用于用于MMC的主要品種的主要品種：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：合理選擇品種的重要性：正確選擇基體對(duì)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選擇基體的基本原則在選擇基體金屬時(shí)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 1）MM

2、C的使用要求的使用要求 不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同工況條件對(duì)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)度、比模量比強(qiáng)度、比模量+尺寸穩(wěn)定性尺寸穩(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(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸：高比強(qiáng)度、比模量高比強(qiáng)度、比模量+耐高溫耐高溫。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(dòng)機(jī)活塞、缸套：耐高溫耐高溫+耐磨、導(dǎo)熱耐磨、導(dǎo)熱，選擇C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al。 高集成電子器件：要求高導(dǎo)熱高導(dǎo)熱+低膨脹低膨脹，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

3、硅顆粒復(fù)合。 2 2）金屬基復(fù)合材料的組成特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料的組成特點(diǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)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)非連續(xù)增強(qiáng)MMC：基體是主要承載物，基體強(qiáng)度對(duì)MMC具有決定性的影響。因此需選用高性能金屬基體。 3 3）基體金屬與增強(qiáng)物的相容性）基體金屬與增強(qiáng)物的相容性：良好的浸潤(rùn)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。 F

4、e、Ni高溫時(shí)會(huì)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(dòng)機(jī)零件、剎車盤(pán)等，并以形成工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)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)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)顆粒、晶須增強(qiáng)MMC

5、：則選用具有高強(qiáng)度的鋁合金。表2-1 各種牌號(hào)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(duì)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(dòng)軸等零件可用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)。 表2-2鈦合金的成分和性能表表2-2 鈦合金的性能鈦合金的性能合金牌號(hào)密度g/cm3熱膨脹系數(shù)10-6K-1導(dǎo)熱率W/（m）抗拉強(qiáng)度MPa模量GPa工業(yè)純鈦TA14.518.016.3345685100TC14.558.010.2411753118TC34.458.48.4991118TC114.489.36.310301225123TB24.83

6、8.58.9912961110ZTC44.408.98.6940114 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(dòng)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表表2-3 高溫金屬基復(fù)合材料的基體合金成分和性能高溫金屬基復(fù)合材料的基體合金成分和性能基體合金及成分密度g/cm3持久強(qiáng)度MPa1100100h高溫比強(qiáng)度m1031100100hZh36

7、Ni-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 功能用功能用MMC的基體的基體 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(shí)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。 如電子器件電子器件：集成度越來(lái)越高，功率增大，發(fā)熱嚴(yán)重，需用熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好的材料做基

8、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(dòng)機(jī)零件汽車發(fā)動(dòng)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MMC22 陶瓷材料陶瓷材料2.2.1 陶瓷材料發(fā)展歷史及概念內(nèi)涵陶瓷材料發(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(guò)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(guò)人工提純加

9、工或合成的化工材料。 現(xiàn)代陶瓷：是以特種陶瓷為基礎(chǔ)由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展起來(lái)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 陶瓷的分類陶瓷的分類1.按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類氧化物陶瓷氧化物陶瓷：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(guò)

10、程應(yīng)有氣氛保護(hù)；耐熱溫度約為9001000氮化物陶瓷氮化物陶瓷：具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和耐高溫性能。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 功能陶瓷功能陶瓷：作為功能材料用來(lái)制造功能器

11、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

12、材料與金屬斷裂韌性的比較表表2-4 陶瓷的彈性模量陶瓷的彈性模量材料E/GPa材料E/GPa金剛石1000Si3N4220320WC400650SiO294SiC450ZrO2160241Al2O3390莫萊石145TiC379玻璃3545AlN310350Cf310450表表2-5 陶瓷的維氏硬度值陶瓷的維氏硬度值材料HV/GPa材料HV/GPa金剛石90Si3N420MgO6.6ZrO21416SiC33莫萊石16Al2O323.7B4C16SiO25.4C-BN70表表2-6 陶瓷的室溫強(qiáng)度陶瓷的室溫強(qiáng)度材料彎曲強(qiáng)度/MPa拉伸強(qiáng)度/MPa燒結(jié)Al2O3（5%氣孔率）燒結(jié)ZrO2（5%氣

13、孔率）燒結(jié)莫萊石（5%氣孔率）熱壓Si3N4（1%氣孔率燒結(jié)SiC（2%氣孔率）燒結(jié)WC（2%氣孔率）熱壓TiC（2%氣孔率）350580138240175620965450520790825275450200300138100350580-240275表表2-7 一些陶瓷和一些金屬斷裂韌性比較一些陶瓷和一些金屬斷裂韌性比較材料KIC/MPam1/2Al2O3ZrO2Si3N4SiCB4C41512563.5656馬氏體時(shí)效鋼Ni-Cr-Mo鋼Ti6Al14V7075鋁合金10045405023 聚合物材料聚合物材料 聚合物（高分子化合物）：聚合物（高分子化合物）：是指那些眾多原子或原子團(tuán)主要

14、以共價(jià)鍵結(jié)合而成的相對(duì)分子質(zhì)量在一萬(wàn)以上的化合物。 特性：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)。 RMCRMC中聚合物的主要作用是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：分類：熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂兩大類。 2.3.1 熱固性樹(shù)脂熱固性樹(shù)脂 熱固性樹(shù)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(shù)脂 環(huán)氧樹(shù)脂 酚醛樹(shù)脂 其它熱固性樹(shù)脂1）不飽和聚酯樹(shù)脂 定義：主鏈上同時(shí)具有重復(fù)酯鍵和不

15、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(jià)格低廉、品種多。 主要缺點(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(shù)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(shù)脂 定義：分子主鏈上含有兩個(gè)或兩個(gè)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(jià)格高。 使用方法：3）酚醛樹(shù)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(shù)脂+固化劑加熱固化，酚醛樹(shù)脂改性。4）其它熱固性樹(shù)脂 有機(jī)硅樹(shù)脂：分子主鏈上含有硅氧鍵的聚合物。200250下可長(zhǎng)時(shí)間使用，仍保持優(yōu)良的電性能，憎水防潮性。 呋喃樹(shù)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