復(fù)合材料概論課件王國榮第二章復(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：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） 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(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）MMC的使用要求的使用

2、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)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) ?

3、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)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

4、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

5、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鈦合金的成分和性能 表2-2 鈦合金的性能 合金牌號 密 度 g/c m3 熱膨脹 系數(shù) 10- 6K-1 導(dǎo)熱率 W/（ m） 抗拉強(qiáng) 度 MPa 模 量 GP a 工業(yè)純鈦 TA1 4.5 1 8.016.3 345 685 10 0 TC1 4.5 5 8.010.2 411 753 11 8 TC3 4.4 5 8.48.4991 11 8 TC11 4.4 8 9.36.3

6、 1030 1225 12 3 TB2 4.8 3 8.58.9 912 961 11 0 ZTC4 4.4 0 8.98.6940 11 4 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 表2-3 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/cm 3 持久

7、強(qiáng)度 MPa 1100100 h 高溫比強(qiáng)度 m103 1100100h Zh36 Ni-12.5-7W-4.8Mo-5Al-2.5Ti 12.5138112.5 EPD16 Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb 8.35163.5 Nimocast713C Ni-12.5Cr-2.5Fe/2Nb-4Mo-6Al- 1Ti 8.04861.3 Ni-35W-15Cr-2Al-2Ti9.152325.4 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

8、性能。 ? 如電子器件電子器件：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 2 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

9、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 1. 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，因為 Al2O3、 ZrO2的抗熱震性差、 SiO2高溫下容易發(fā)生蠕變 和相變。

10、 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、

11、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

12、-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1000Si3N4 220 320 WC 400 650 SiO294 SiC450ZrO2 160 241 Al2O3390莫萊石145 TiC379玻璃3545 AlN 310 350 Cf 310 450 表2-5 陶瓷的維氏硬度值 材料 HV/GPa材料HV/GPa 金剛石90Si3N420 MgO6.6ZrO21416 SiC33莫萊石16 Al2O323.7B4C16 Si

13、O25.4C-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 350 580 138 240 175 620 965 450 520 200 300 138 100 350 580 - 表2-7 一些陶瓷和一些金屬斷裂韌性比較 材料KIC/MPam1/2 Al2O3 ZrO2 Si3N4 SiC B4C 415 12 56 3.56 56 馬氏體時效鋼 Ni-Cr-Mo鋼 Ti6Al14V 7075鋁合金 100 45 4

14、0 50 2 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)。 ? 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 ? 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

15、? 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。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，