第1章 基體材料

基體材料Contents金屬基體1陶瓷基體2聚合物基體3復(fù)合材料的原材料包括基體材料和增強(qiáng)材料。

基體材料主要包括以下三部分：

金屬基體材料、陶瓷基體材料和聚合物基體材料１.金屬基體材料的選擇原則（1）根據(jù)金屬基復(fù)合材料的使用要求（2）根據(jù)金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)（3）基體金屬與增強(qiáng)體的相容性一、金屬基體①根據(jù)金屬基復(fù)合材料的使用要求金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。如在航天、航空技術(shù)中，高比強(qiáng)度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求；作為飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合金（如鎂合金和鋁合金）作為基體，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復(fù)合材料。

高性能發(fā)動機(jī)則要求復(fù)合材料不僅有高比強(qiáng)度和比模量，還要具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金（高溫合金）復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。在汽車發(fā)動機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、一定的高溫強(qiáng)度等，同時又要求成本低廉，適合于批量生產(chǎn)，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基復(fù)合材料。如碳化硅/鋁復(fù)合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動機(jī)活塞、缸套等零件。

工業(yè)集成電路需要高導(dǎo)熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。因此，可以選用具有高導(dǎo)熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、高比模量等性能的金屬基復(fù)合材料。②根據(jù)金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)選用不同類型的增強(qiáng)材料如連續(xù)纖維、短纖維或晶須，對基體材料的選擇有較大影響。例如在連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中，基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。因此，考慮到要充分發(fā)揮纖維的作用，希望選用塑性較好的基體。實(shí)驗證明，此時如果采用較高強(qiáng)度的合金材料，復(fù)合材料的性能將有所降低。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強(qiáng)度鋁合金要好得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。在研究碳鋁復(fù)合材料基體合金的優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，鋁合金的強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的性能越低。這可能與基體和纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性等有關(guān)。相反。對于非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料，基體的強(qiáng)度對復(fù)合材料具有決定性的影響，因此，要選用較高強(qiáng)度的合金來作為基體。所以，要獲得高性能金屬基復(fù)合材料必須選用高強(qiáng)度鋁合金作為基體，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料一般選用高強(qiáng)度鋁合金（如A365，6061，7075）為基體。③基體金屬與增強(qiáng)物的相容性首先，由于金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，制備過程中，處于高溫?zé)崃W(xué)非平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成反應(yīng)層。

界面反應(yīng)層大多是脆性的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚度后，材料受力時將會因界面層的斷裂伸長小而產(chǎn)生裂紋，并向周圍纖維擴(kuò)展，容易引起纖維斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。其次，由于基體金屬中往往含有不同類型的合金元素，這些合金元素與增強(qiáng)物的反應(yīng)程度不同，反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同，需在選用基體合金成分時充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)物浸潤復(fù)合，又有利于形成合適穩(wěn)定的界面合金元素。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，在純鋁中加入少量的Ti，Zr等合金元素可明顯改善復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大大提高復(fù)合材料的性能。用鐵、鎳作為基體，碳纖維作為增強(qiáng)物是不可取的。因為Ni，F(xiàn)e元素在高溫時能有效地促使碳纖維石墨化，破壞了碳纖維的結(jié)構(gòu)，使其喪失了原有的強(qiáng)度，使復(fù)合材料性能惡化。2、結(jié)構(gòu)用金屬基復(fù)合材料的基體用于各種航天、航空、汽車、先進(jìn)武器等結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料一般均要求有高的比強(qiáng)度和比剛度，因此大多選用鋁及鋁合金、鎂及鎂合金作為基體金屬。目前研究發(fā)展較成熟的金屬基復(fù)合材料主要是鋁基、鎂基復(fù)合材料，用它們制成各種高比強(qiáng)度、高比模量的輕型結(jié)構(gòu)件，廣泛的用于宇航、航空、汽車等領(lǐng)域。

鋁、鎂復(fù)合材料一般只能用在450℃左右、而鈦合金基體復(fù)合材料可用到650℃、而鎳、鈷基復(fù)合材料可在1200℃使用。另外，還有最近正在研究的金屬間化合物為熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體。

下表列出了一些基體金屬和合金的主要特性

Ａ、用于450℃以下的輕金屬基體在這個溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體主要是鋁、鎂和它們的合金，而且主要是以合金的形式被廣泛的應(yīng)用。例如，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，并已形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。

(1)鋁和鋁合金

鋁是一種低密度、較高強(qiáng)度和具有耐腐蝕性能的金屬。在實(shí)際使用中，純鋁中常加入鋅、銅、鎂、錳等元素形成合金，由于加入的這些元素在鋁中的溶解度極為有限，因此，這類合金通常稱為沉淀硬化合金，如A1--Cu--Mg和A1--Zn--Mg--Cu等沉淀硬化合金。(2)鎂和鎂合金

鎂是一種比鋁更輕的金屬，但鎂的機(jī)械性能較差，因此，通常是在鎂中加入鋁、鋅、錳、鋯及稀土元素而形成鎂合金。目前常用的鎂合金主要包括Mg--Mn，Mg--Al--Zn，Mg---Cr等耐熱合金，可作為連續(xù)或不連續(xù)纖維復(fù)合材料的基體。對于不同類型的復(fù)合材料應(yīng)選用合適的鋁、鎂合金基體。例如，連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料一般選用純鋁或含合金元素少的單相鋁合金；

而顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料則選擇具有高強(qiáng)度的鋁合金。Ｂ、用于450-700℃的復(fù)合材料的金屬基體通過各種研究表明，在這個溫度范圍內(nèi)可以作為金屬基復(fù)合材料基體使用的，目前主要是鈦及其合金。

鈦有兩種晶形，

--鈦具有六方密堆積排列結(jié)構(gòu)，低于885℃時穩(wěn)定；

--鈦是體心立方結(jié)構(gòu)，高于885℃時穩(wěn)定。金屬鋁能提高鈦由

向

相轉(zhuǎn)變的溫度，所以鋁是

相鈦的穩(wěn)定劑。而大多數(shù)其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低鈦由

向

相轉(zhuǎn)變的溫度，所以是

相鈦的穩(wěn)定劑。鈦在較高的溫度中能保持高強(qiáng)度，優(yōu)良的抗氧化和抗腐蝕性能。它具有較高的強(qiáng)度／質(zhì)量比和模量／質(zhì)量比，是一種理想的航空、宇航應(yīng)用材料。

鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是一種可在450～700℃溫度下使用的合金，主要用于航空發(fā)動機(jī)等零件上。鈦合金的成分和性能現(xiàn)在已用于鈦基復(fù)合材料的鈦合金的成分和性能如下C、用于600-900℃的復(fù)合材料的金屬基體

鐵和鐵合金是在此溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體。在金屬基復(fù)合材料中使用的鐵，主要是鐵合金，按加工工藝分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。其中，鐵基變形高溫合金是奧氏體可塑性變形高溫合金，主要組成為15％～60％鐵，25％～55％鎳和11％～23％鉻。此外，根據(jù)不同的使用溫度，分別加入鎢、鉬、鈮、釩、鈦等合金元素進(jìn)行強(qiáng)化。鐵基鑄造高溫合金是以鐵為基體，用鑄造工藝成型的高溫合金，基體為面心立方體結(jié)構(gòu)的奧氏體。鐵基變形高溫合金、鑄造高溫合金分別用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒室和渦輪輪盤、渦輪導(dǎo)向葉片等。D、用于1000℃以上的金屬基體用于1000℃以上的高溫金屬基復(fù)合材料的基體材料主要是鎳基耐熱合金和金屬間化合物。其中，研究較為成熟的是鎳基高溫合金，金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階段。(１)鎳和鎳合金在金屬基復(fù)合材料中使用的鎳與鐵相同，按照加工工藝不同，可形成鎳基變形高溫合金和鎳基鑄造高溫合金。鎳基變形高溫合金以鎳為基體(含量一般大于50％)，加入鎢、鉬、鈷、鉻、鈮等合金元素，使用溫度在650～1000℃，具有較高的強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力，用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒室等。鎳基鑄造高溫合金是以鎳為基體，用鑄造工藝成型的高溫合金，能在600~1100℃的氧化和燃?xì)飧g氣氛中承受復(fù)雜壓力，并能長期可靠地工作，主要用于制造渦輪轉(zhuǎn)子葉片和導(dǎo)向葉片及其他在高溫條件下工作的零件。

(２)金屬間化合物金屬間化合物種類繁多，而用于金屬基復(fù)合材料的金屬間化合物通常是一些高溫合金，如鋁化鎳，鋁化鐵、鋁化鈦等，使用溫度可達(dá)1600℃。

金屬間化合物的缺點(diǎn)是它們的韌性非常低，主要原因有兩個：（１）結(jié)構(gòu)組織中低的對稱性導(dǎo)致滑移系不足（２）晶體界面結(jié)合較弱。另外，金屬銅也可以作為基體材料。銅是優(yōu)良的導(dǎo)體，其導(dǎo)電率為銀的94％。銅的塑性好，強(qiáng)度和彈性模量不高，熱膨脹系數(shù)大，容易鑄造和加工。銅在復(fù)合材料中的主要用途是作為鈮基超導(dǎo)體的基體材料。3功能用金屬基復(fù)合材料的基體

功能用金屬基復(fù)合材料隨著電子、信息、能源、汽車等工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越受到各方面的重視，面臨廣闊的發(fā)展前景。高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能，如同時具有高力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。目前功能金屬基復(fù)合材料主要用于微電子技術(shù)的電子封裝、用于高導(dǎo)熱、耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料、耐高溫摩擦的耐磨材料、耐腐蝕的電池極板材料等。

功能金屬基復(fù)合材料主要選用的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。用于電子封裝的金屬基復(fù)合材料的基體主要是純鋁和純銅。

例如，高碳化硅顆粒含量的鋁基(SiCp／Al)、銅基(SiCp／Cu)復(fù)合材料；

高模、超高模石墨纖維增強(qiáng)鋁基(Cr/Al)、銅基(Cr/Cu)復(fù)合材料；

金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維增強(qiáng)鋁、銅復(fù)合材料；

硼／鋁復(fù)合材料等。

用于耐磨零部件的金屬基復(fù)合材料的基體主要是常用的鋁、鎂、鋅、銅、鉛等金屬及合金。

例如：碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬基復(fù)合材料。

傳統(tǒng)的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、磚瓦等人造無機(jī)非金屬材料。由于這些材料都是含二氧化硅的天然硅酸鹽礦物質(zhì)，如粘土、石灰石、砂子等為原料制成的，所以陶瓷材料也是硅酸鹽材料。二、陶瓷基體隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的新型陶瓷，它們不僅含有氧化物，還有碳化物、硼化物和氮化物等。

陶瓷是金屬和非金屬元素的固體化合物，其鍵合為共價鍵或離子鍵，與金屬不同，它們不含有大量電子。一般而言，陶瓷具有比金屬更高的熔點(diǎn)和硬度，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，耐熱性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是絕緣體，在高溫下也可以導(dǎo)電，但比金屬導(dǎo)電性差得多。雖然陶瓷的許多性能優(yōu)于金屬，但它也存在致命的弱點(diǎn)，即脆性強(qiáng)，韌性差，很容易因存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等細(xì)微缺陷而破碎，引起不可預(yù)測的災(zāi)難性后果，因而大大限制了陶瓷作為承載結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。

陶瓷基體材料主要以結(jié)晶和非結(jié)晶兩種形態(tài)的化合物存在，它們一般應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性能，與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。一些陶瓷材料的物理和機(jī)械性能１玻璃

玻璃是通過無機(jī)材料高溫?zé)Y(jié)而成的一種陶瓷材料。與其它陶瓷材料不同，玻璃在熔體后不經(jīng)結(jié)晶而冷卻成為堅硬的無機(jī)材料，即具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是玻璃的特征之一。

2玻璃陶瓷

許多無機(jī)玻璃可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊溆煞蔷B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這一過程稱為反玻璃化。由于反玻璃化使玻璃成為多晶體，透光性變差，而且因體積變化還會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響材料強(qiáng)度。所以，通常應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生反玻璃化過程。

但對于某些玻璃，反玻璃化過程可以控制，最后能夠得到無殘余應(yīng)力的微晶玻璃，這種材料稱為玻璃陶瓷。為了實(shí)現(xiàn)反玻璃化，需要加入成核劑(如TiO2)。玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)小、力學(xué)性能好和導(dǎo)熱系數(shù)較大等特點(diǎn)，玻璃陶瓷基復(fù)合材料的研究在國內(nèi)外都受到重視。3氧化物陶瓷基體作為基體材料使用的氧化物陶瓷主要有A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫來石(即富鋁紅柱石，化學(xué)式為3A12O3·２SiO2)等，它們的溶點(diǎn)在2000℃以上。

氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高而降低，但在1000℃以下降低較小。因此，氧化物陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)避免在高應(yīng)力和高溫環(huán)境下使用。這是由于A12O3和ZrO2的抗熱震性較差，SiO2在高溫下容易發(fā)生蠕變和相變。雖然莫來石具有較好的抗蠕變性能和較低的熱膨脹系數(shù)，但使用溫度也不宜超過1200℃。

(1)氧化鋁陶瓷基體

以氧化鋁(Al2O3)為主要成分的陶瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)，即--Al2O3，屬六方晶系。

氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁瓷，95氧化鋁瓷和85氧化鋁瓷等品種，其氧化鋁含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))依此為99．9％、99％、95％和85％，燒結(jié)溫度依次為1800℃、1700℃、1650℃和1500℃。(2)氧化鋯陶瓷基體

以氧化鋯(ZrO2)為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.6~5.9g/cm3，熔點(diǎn)2175℃。

氧化鋯在1100℃時，從單斜相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，此可逆轉(zhuǎn)變伴隨有7％～9％的體積變化。由于氧化鋯具有可逆相變，故在氧化鋯陶瓷的燒結(jié)過程中加入適量CaO、MgO等與ZrO2結(jié)構(gòu)近似的氧化物作為穩(wěn)定劑，形成穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小，韌性好，化學(xué)穩(wěn)定性良好，高溫時具有抗酸性和抗堿性。4非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它們的特點(diǎn)是耐火性和耐磨性好，硬度高，脆性也很強(qiáng)。

碳化物和硼化物的抗熱氧化溫度約900~1000℃。氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度達(dá)1300~1700℃。

氮化硼具有類似石墨的六方結(jié)構(gòu)，在高溫(1360℃)和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方結(jié)構(gòu)的

~氮化硼，耐熱溫度高達(dá)2000℃，硬度極高，可作為金剛石的代用品。(1)氮化硅陶瓷基體以氮化硅(Si3N4)為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)，即

和

兩種六方晶型，由于氮化硅中Si-N鍵結(jié)合強(qiáng)度高，屬難燒結(jié)物質(zhì)。不同制備方法的氮化硅的一些物理性能

(2)氮化硼陶瓷基體以氮化硼(BN)為主要成分的陶瓷稱為氮化硼陶瓷。氮化硼是共價鍵化合物，有立方和六方兩種晶型結(jié)構(gòu)。氮化硼可以分為下面的三種：①

--BN，這是一種六方晶型，層狀結(jié)構(gòu)類似于石墨，理論密度為2．27g／cm3。②

--BN，它一種立方晶型，結(jié)構(gòu)和硬度都類似于鉆石，理論密度為3．48g／cm3。③

--BN，它也是一種六方晶型，理論密度為3.48g/cm3。由于六方晶型BN具有類似于石墨的結(jié)構(gòu)，具有潤滑性好和硬度低等特點(diǎn)，故稱“白石墨”，在熱壓陶瓷過程中主要被當(dāng)作脫模劑使用。

BN與石墨不同，是絕緣體，六方晶型BN的莫氏硬度為2，無明顯熔點(diǎn)，升華分解溫度為3000℃，理論