西安工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料2

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 2.1 2.1 金屬材料金屬材料 2.2 2.2 陶瓷材料陶瓷材料 2.3 2.3 聚合物材料聚合物材料第二章第二章 復(fù)合材料的基體材料復(fù)合材料的基體材料 復(fù)合材料原材料包括基體材料和增強(qiáng)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、承受基體作用：固結(jié)、保護(hù)增強(qiáng)體，傳遞、承受荷載；荷載； 基體類型：塑料（熱固性、熱塑性）、金屬、基體類型：塑料（熱固性、熱塑性）、金屬、無機(jī)非金屬（陶瓷、無機(jī)非金屬（陶瓷、C C、水泥等）、水泥等）粘結(jié)、連接力、熱、電力、熱、電等等21 金屬材料金屬材料 用于用于MMC的主要品種

2、：鋁及鋁合金、的主要品種：鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅合金、鉛、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物。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)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)異綜合性物的性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能十分重要。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總原則：充分發(fā)揮基體和增強(qiáng)體性能特點(diǎn)，獲得總原則：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。預(yù)期的優(yōu)異綜合性能，滿足材料的使用要求

3、。在選擇基體金屬時應(yīng)考慮因素：在選擇基體金屬時應(yīng)考慮因素： 1 1）MMC的使用要求的使用要求 不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同工況條件對復(fù)合材料構(gòu)件不同應(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。的性能要求有很大差異。 航天、航空領(lǐng)域：航天、航空領(lǐng)域：。如飛行器、衛(wèi)星構(gòu)件，宜選用密度較小。如飛行器、衛(wèi)星構(gòu)件，宜選用密度較小的輕金屬合金的輕金屬合金鋁合金和鋁合金和鎂合金鎂合金，與高強(qiáng)度、，與高強(qiáng)度、高模量纖維高模量纖維C和和B，如，如C/Mg、C/Al、B/Al。 高性能發(fā)動機(jī)：高性能發(fā)動機(jī)：。如噴氣發(fā)動機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸，選擇鈦基合金、鎳如噴氣發(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

4、。如基合金及金屬間化合物。如SiC/Ti、W/Ni。 汽車發(fā)動機(jī)：汽車發(fā)動機(jī)：，及及，如，如活塞、缸套，選擇活塞、缸套，選擇Al2O3w/Al、SiCp/Al。 電子領(lǐng)域：高導(dǎo)熱電子領(lǐng)域：高導(dǎo)熱+低膨脹，如電子封裝材料，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。的石墨纖維、金剛石、碳化硅顆粒復(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)：基體的主要作用是以充：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。

5、有良好的相容性和塑性。 如：如：Cf/Al中，純鋁或含有少量合金元素的鋁合中，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)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，其度越高，其MMC的性能越低。的性能越低。不同基體鋁基復(fù)合材料性能比較不同基體鋁基復(fù)合材料性能比較100MPa330MPa560MPa20%SiC/Al的性能和增強(qiáng)率的性能和增強(qiáng)率：基體是主要承載物，基：基體是主要承載物，基體強(qiáng)度對體強(qiáng)度對MMC具有決定性的影響。因此需選用具有決定性的影響。因此需選用高性能金屬基體。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)系增強(qiáng)體臨界體積分?jǐn)?shù)

6、與基體強(qiáng)度之間關(guān)系 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：良好的浸潤性、穩(wěn)定的界面。：良好的浸潤性、穩(wěn)定的界面。例：例：Cf/Al，在純鋁中加入少量的在純鋁中加入少量的Ti、Zr等元素，可明顯改等元素，可明顯改善善MMC的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大大提高的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大大提高M(jìn)MC的性能。的性能。 Fe、Ni高溫時會破壞高溫時會破壞Cf的結(jié)構(gòu)，使其喪失原有強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，使其喪失原有強(qiáng)度，因此不能直接用作度，因此不能直接用作Cf的基體。的基體。 纖維表面處理纖維表面處理 選擇合適的成型方法，（選擇合適的成型方法，（Tt），），cast/PM 2.1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材

7、料的基體按制品使用溫度要求分為：按制品使用溫度要求分為： 1）用于）用于450以下以下MMC的輕金屬基體的輕金屬基體目前研究發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的目前研究發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的MMC是鋁是鋁基和鎂基復(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。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。合金基體。CRMMC：一般選用純鋁或含合金元素少的單相：一般選用純鋁或含合金元素少的單相鋁合金；鋁合金；DRMMC：則選用具有高強(qiáng)度的鋁合金。：則選用具有高強(qiáng)度的鋁

8、合金。部分鋁合金和鎂合金的成分和性能部分鋁合金和鎂合金的成分和性能 2） 用于用于450-700的的MMC金屬基體金屬基體鈦合金具有相對密度小、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)鈦合金具有相對密度小、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可在度高等特點(diǎn)，可在450-700 使用。使用。SiCf/Ti制成的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)。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部分鈦合金的成分和性能合金牌號合金牌號密度密度g/cm3熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)10-6K-1導(dǎo)熱率導(dǎo)熱率W/（m）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度MPa模量模量GPa工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦TA14.518.016.3345685

9、100TC14.558.010.2411753118TC34.458.48.4991118TC114.489.36.310301225123TB24.838.58.9912961110ZTC44.408.98.6940114 3）用于）用于1000以上的高溫以上的高溫MMC金屬基體金屬基體 用于用于1000以上的基體材料主要是鎳基、鐵基耐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、鐵基熱合金和金屬間化合物，較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金。高溫合金。 W/Ni合金，可以大幅度提高其高溫性能合金，可以大幅度提高其高溫性能高溫高溫持久性能和高溫蠕變性能，一般可提高持久性能和高

10、溫蠕變性能，一般可提高1-3倍，主倍，主要用于高性能發(fā)動機(jī)葉片等重要零件。要用于高性能發(fā)動機(jī)葉片等重要零件。 鈮基、金屬間化合物基鈮基、金屬間化合物基MMC可用于更高溫度，尚可用于更高溫度，尚處于研究階段。處于研究階段。 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基體合金及成分密度密度g/cm3持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度MPa1100100h高溫比強(qiáng)度高溫比強(qiáng)度m1031100100hZh36Ni-12.5-7W-4.8Mo-5Al-2.5Ti12.5138112.5EPD16Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb8.35163.5Nimocas

11、t713CNi-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、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，要求材電子、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：耐磨性等綜合物理性能。例如： 電子封裝：電子封裝：，以便將熱，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。量迅速傳走，避免

12、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：集電和電觸頭：，基體選，基體選鋁、銅、銀、鎢，增強(qiáng)體鋁、銅、銀、鎢，增強(qiáng)體Cf、金屬絲、陶瓷顆粒、金屬絲、陶瓷顆粒 耐磨零部件（摩擦、減摩）：要求耐磨零部件（摩擦、減摩）：要求適當(dāng)?；w選適當(dāng)?；w選Al、Mg、Cu、Zn、 Pb，增強(qiáng)體，增強(qiáng)體 SiC、Al2O3、Gr。 隨堂作業(yè)：隨堂作業(yè)：現(xiàn)用電子封裝基板選用Al2O3，通過計算 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？密度密度g/cm3導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)W/mK熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)106Al2.723823.

13、6Si2.31354.1SiC3.2703.8Al2O33.9206.522 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

14、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（及莫萊石（3Al2O32SiO2）和尖晶石（）和尖晶石（MgAl2O4）等，）等，這類這類CMC避免在高溫、高應(yīng)力環(huán)境下使用，因?yàn)楸苊庠诟邷亍⒏邞?yīng)力環(huán)境下使用，因?yàn)锳l2O3、 ZrO2的抗熱震性差、的抗熱震性差、 SiO2高溫下容易發(fā)生蠕變和相變。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)。最常用的是的是SiC、WC、B4C、TiC，制備過程應(yīng)有氣氛保護(hù)；耐，制備過

15、程應(yīng)有氣氛保護(hù)；耐熱溫度約為熱溫度約為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)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)用最廣泛的是用最廣泛的是Si3N4，還有，還有TiN、BN、AlN、C3N4；耐熱溫；耐熱溫度約為度約為13001700， BN可達(dá)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，常用改善性能，常用TiB2、ZrB2。 2. 按性能和用途分類：作為結(jié)構(gòu)材料用于制作結(jié)構(gòu)零件，：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、主要使用其力學(xué)性能。如強(qiáng)度

16、、韌性、硬度、模量、耐磨性、耐高溫性等，上述按化學(xué)組成模量、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)陶都是力學(xué)性能優(yōu)異的代表性結(jié)構(gòu)陶瓷瓷：作為功能材料用來制造功能器件，：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、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，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，生物陶壓

17、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。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)陶瓷材料的性能特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1）高硬度：決定了優(yōu)異的耐磨性；）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；）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）高化學(xué)穩(wěn)定性：決定了良好的耐腐蝕性 缺點(diǎn)：脆性，需要增韌缺點(diǎn)：脆性，需要增韌復(fù)合材料復(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，滿足胡克定彈性性能：陶瓷是脆性材料，滿足胡克定律。律。表表2-4陶瓷的彈性模

18、量陶瓷的彈性模量 硬度：硬度：表表2-5陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度 強(qiáng)度：強(qiáng)度：表表2-6陶瓷材料的室溫強(qiáng)度陶瓷材料的室溫強(qiáng)度 斷裂韌性：斷裂韌性：表表2-7 陶瓷材料與金屬斷裂韌性陶瓷材料與金屬斷裂韌性的比較的比較表表2-4 陶瓷的彈性模量陶瓷的彈性模量材料材料E/GPa材料材料E/GPa金剛石金剛石1000Si3N4220 0320320WC400 0650650SiO294SiC450ZrO2160 0241241Al2O3390莫萊石莫萊石145TiC379玻璃玻璃35 54545AlN310 0350350Cf310 0450450表表2-5 陶瓷的維氏硬度值陶瓷的維氏硬度值材料材

19、料HV/GPa材料材料HV/GPa金剛石金剛石90Si3N420MgO6.6ZrO21416SiC33莫萊石莫萊石16Al2O323.7B4C16SiO25.4C-BN70表表2-6 陶瓷的室溫強(qiáng)度陶瓷的室溫強(qiáng)度材料材料彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度/MPa拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度/MPa燒結(jié)燒結(jié)Al2O3（5%氣孔率）氣孔率）燒結(jié)燒結(jié)ZrO2（5%氣孔率）氣孔率）燒結(jié)莫萊石（燒結(jié)莫萊石（5%氣孔率）氣孔率）熱壓熱壓Si3N4（1%氣孔率氣孔率燒結(jié)燒結(jié)SiC（2%氣孔率）氣孔率）燒結(jié)燒結(jié)WC（2%氣孔率）氣孔率）熱壓熱壓TiC（2%氣孔率）氣孔率）3505801382401756209654505207908252

20、75450200300138100350580-240275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材料KIC/MPam1/2Al2O3ZrO2Si3N4SiCB4C41512563.5656馬氏體時效鋼馬氏體時效鋼Ni-Cr-Mo鋼鋼Ti6Al14V7075鋁合金鋁合金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）：是指那些是指那些眾多眾多原子或原子團(tuán)原子或原子團(tuán)主要以主要以共價鍵共價鍵結(jié)合而成的結(jié)合而成的相相對分子質(zhì)量在一萬以上對分子質(zhì)量在一萬以上的化合物。的化合物。 特性：聚合物分子量很大，因而具有與低特性

21、：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、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)。其溶液和熔體具有高粘度等性質(zhì)。 PMCPMC中聚合物的主要作用是：把纖維粘接在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)纖維不受一起；分配纖維間的荷載；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。環(huán)境影響。 分類：熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類。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、熱固性樹脂定義：低分子物在引發(fā)劑、促進(jìn)劑作用

22、下生成的三維體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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。聚合物。固化物加熱不軟化，不溶不融。 不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 酚醛樹脂酚醛樹脂 其它熱固性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。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。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和模量較低，因此很

23、少用于受力很大的制品中。品中。 使用方法：樹脂、引發(fā)劑、促進(jìn)劑按配比使用方法：樹脂、引發(fā)劑、促進(jìn)劑按配比配制，并按固化制度固化。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)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。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)定性低、力學(xué)性能好、尺寸穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好。好。 主要缺點(diǎn)：工藝性差，價格高。主要缺點(diǎn)：工藝性差，價格高。 使用方法：使用方法：3）酚醛樹脂 定義：酚類和醛類的聚合物。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、主要優(yōu)點(diǎn)：良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性能、突出的耐高