西安工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料2

第二章復(fù)合材料的基體材料

2.1金屬材料2.2陶瓷材料2.3聚合物材料第二章復(fù)合材料的基體材料

復(fù)合材料原材料包括基體材料和增強(qiáng)體材料基體作用：固結(jié)、保護(hù)增強(qiáng)體，傳遞、承受荷載；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）粘結(jié)、連接力、熱、電等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總原則：充分發(fā)揮基體和增強(qiáng)體性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能，滿足材料的使用要求。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、航空領(lǐng)域：高比強(qiáng)度、比模量+尺寸穩(wěn)定性。如飛行器、衛(wèi)星構(gòu)件，宜選用密度較小的輕金屬合金—鋁合金和鎂合金，與高強(qiáng)度、高模量纖維—C和B，如C/Mg、C/Al、B/Al。高性能發(fā)動機(jī)：高比強(qiáng)度、比模量+耐高溫。如噴氣發(fā)動機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸，選擇鈦基合金、鎳基合金及金屬間化合物。如SiC/Ti、W/Ni。渦輪發(fā)動機(jī)汽車發(fā)動機(jī)：耐熱+耐磨、導(dǎo)熱，及低成本，如活塞、缸套，選擇Al2O3w/Al、SiCp/Al。電子領(lǐng)域：高導(dǎo)熱+低膨脹，如電子封裝材料，選擇高導(dǎo)熱的銀、銅、鋁等與高導(dǎo)熱、低膨脹的石墨纖維、金剛石、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)CRMMC：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。

非連續(xù)增強(qiáng)DRMMC

如：Cf/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。不同基體鋁基復(fù)合材料性能比較100MPa330MPa560MPa20%SiC/Al的性能和增強(qiáng)率非連續(xù)增強(qiáng)DRMMC：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。SiCp/Al增強(qiáng)體臨界體積分?jǐn)?shù)與基體強(qiáng)度之間關(guān)系木桶效應(yīng)斜木桶效應(yīng)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：①Cf/Al，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。纖維表面處理選擇合適的成型方法，（T↓t↓），cast/PM

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

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。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。CRMMC：一般選用純鋁或含合金元素少的單相鋁合金；DRMMC：則選用具有高強(qiáng)度的鋁合金。部分鋁合金和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。SiCf/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)。

部分鈦合金的成分和性能合金牌號密度g/cm3熱膨脹系數(shù)×10-6K-1導(dǎo)熱率W/（m·℃）抗拉強(qiáng)度MPa模量GPa工業(yè)純鈦TA14.518.016.3345～685100TC14.558.010.2411～753118TC34.458.48.4991118TC114.489.36.31030～1225123TB24.838.58.9912～961110ZTC44.408.98.69401141670/882℃（熔點(diǎn)/相轉(zhuǎn)變溫度）

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。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。鈮基、金屬間化合物基MMC可用于更高溫度，尚處于研究階段。3410/1364℃（熔點(diǎn)/再結(jié)晶溫度）

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MPa1100℃100h高溫比強(qiáng)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的基體

電子、信息、能源、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，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。例如：電子封裝：熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好，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、Sip/Al、C/Cu；集電和電觸頭：導(dǎo)電性好、抗電弧燒蝕，基體選鋁、銅、銀、鎢，增強(qiáng)體Cf、金屬絲、陶瓷顆粒耐磨零部件（摩擦、減摩）：要求耐磨、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)適當(dāng)。基體選Al、Mg、Cu、Zn、Pb，增強(qiáng)體SiC、Al2O3、Gr。隨堂作業(yè)：現(xiàn)用電子封裝基板選用Al2O3，通過計(jì)算說明為什么選用Al70SiC替代Al2O3基板如果用Si替代SiC是否可行，為什么？密度g/cm3導(dǎo)熱系數(shù)W/m?K熱膨脹系數(shù)×106Al2.723823.6Si2.31354.1SiC3.2703.8Al2O33.9206.52．2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(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（3Al2O3·2SiO2）和尖晶石（MgAl2O4）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(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2-5陶瓷的維氏硬度值材料HV/GPa材料HV/GPa金剛石90Si3N420MgO6.6ZrO214～16SiC33莫萊石16Al2O323.7B4C16SiO25.4C-BN70表2-6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(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)。PMC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。200～250℃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