復(fù)合材料概論王國榮第二章復(fù)合材料的基體材料課件

第二章復(fù)合材料的基體材料

基體作用：傳遞荷載、保護增強體；基體類型：塑料（熱固性、熱塑性）、金屬、無機非金屬（陶瓷、C、2．1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)揮基體金屬和增強物的性能特點，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的組成特點基體金屬與增強物的相容性2）金屬基復(fù)合材料的組成特點連續(xù)纖維增強MMC：基體的主要作用是以充分發(fā)揮增強材料性能為主，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度鋁合金好得多。且鋁合金強度越高，其MMC的性能越低。非連續(xù)增強MMC：基體是主要承載物，基體強度對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MMC的性能。

Fe、Ni高溫時會破壞CF的結(jié)構(gòu)，使其喪失原有強度，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的金屬基體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、強度高等特點，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。

表2-2鈦合金的成分和性能表2-2鈦合金的性能合金牌號密度g/cm3熱膨脹系數(shù)×10-6K-1導(dǎo)熱率W/（m·℃）抗拉強度MPa模量GPa工業(yè)純鈦TA14.518.016.3345～685100TC14.558.010.2411～753118TC34.458.48.4991118TC114.489.36.31030～1225123TB24.838.58.9912～961110ZTC44.408.98.69401143）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)熱嚴重，需用熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好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等增強材料增強Al、Mg、Cu、Zn、Pb等MMC2．2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（3Al2O3·3SiO4）和尖晶石（MgAl2O3）等，這類CMC避免在高溫、高應(yīng)力環(huán)境下使用，因為Al2O3、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。最常用的是SiC、WC、B4C、TiC，制備過程應(yīng)有氣氛保護；耐熱溫度約為900—1000℃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1300—1700℃，BN可達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。2.2.3陶瓷材料的特點陶瓷材料的性能特點優(yōu)點：1）高硬度：決定了優(yōu)異的耐磨性；2）高熔點：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：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陶瓷材料的硬度強度：表2-6陶瓷材料的室溫強度斷裂韌性：表2-7陶瓷材料與金屬斷裂韌性的比較表2-4陶瓷的彈性模量材料E/GPa材料E/GPa金剛石1000Si3N4220～320WC400～650SiO294SiC450ZrO2160～241Al2O3390莫萊石145TiC379玻璃35～45AlN310～350Cf310～450表2-6陶瓷的室溫強度材料彎曲強度/MPa拉伸強度/MPa燒結(jié)Al2O3（<5%氣孔率）燒結(jié)ZrO2（<5%氣孔率）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）350～580138～240175620～965450～520790～825275～450200～300138100350～580--240～275表2-7一些陶瓷和一些金屬斷裂韌性比較材料KIC/MPa·m1/2Al2O3ZrO2Si3N4SiCB4C4～151～25～63.5～65～6馬氏體時效鋼Ni-Cr-Mo鋼Ti6Al14V7075鋁合金1004540502．3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、高強度、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。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：工藝性好、固化物的綜合性能好、價格低廉、品種多。主要缺點：固化收縮率大，耐熱性、強度和模量較低，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)氧基團的聚合物。主要優(yōu)點：形式多樣、粘附力強、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：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：良好的機械強度、耐熱性能、突出的耐高溫?zé)g性能。主要缺點：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。2.3.2熱塑性樹脂熱塑性樹脂定義：指線型或支鏈型聚合物。特點：遇熱軟化或