复合材料的基体材料课件

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1、1,第二章复合材料的基体材料 复合材料的原材料包括基体材料和增强材料。,基体材料主要包括以下三部分： 金属基体材料、陶瓷基体材料和聚合物基体材料,2,一、金属基体材料,、金属基体材料的选择原则 2、结构用金属基复合材料的基体 3 功能用金属基复合材料的基体,3,金属基复合材料学科主要涉及材料表面、界面、相变、凝固、塑性形变、断裂力学等。 金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属合金。,4,、金属基体材料的选择原则 金属与合金的品种繁多，目前用作金属基体材料的主要有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、钢与铜合金、锌合金、铅、钛铝金属间化合物等。,5,基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和发挥

2、基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综合性能满足使用要求十分重要。所以，在选择基体金属时应考虑以下几方面：,6, 根据金属基复合材料的使用要求 金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。 如在航天、航空技术中，高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金）作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。,7,高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、

3、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。 如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。,8,在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。 如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。,9,工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。 因此，可以选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比

4、强度、高比模量等性能的金属基复合材料。,10, 根据金属基复合材料组成特点 选用不同类型的增强材料如连续纤维、短纤维或晶须，对基体材料的选择有较大影响。,11,例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。 因此，考虑到要充分发挥纤维的作用，希望选用塑性较好的基体。实验证明，此时如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。,12,如碳纤维增强铝基复合材料中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。 在研究碳铝复合材料基体合金

5、的优化过程中发现，铝合金的强度越高，复合材料的性能越低。这可能与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性等有关。,13,相反。对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体的强度对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用较高强度的合金来作为基体。 所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。 如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体。,14, 基体金属与增强物的相容性 首先，由于金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容

6、易发生化学反应，在界面形成反应层。 界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。,15,其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些合金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面合金元素。,16,如碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量的Ti，Zr等合金元素可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大提高复合材料的性能。 用铁、镍作为基体，碳纤维作为增强物是不可取的。因

7、为Ni，Fe元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化。,17,因此，选择基体材料时，应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。例如： 对增强纤维进行表面处理； 在金属基体中添加其他成分； 选择适宜的成型方法； 缩短材料在高温下的停留时间等。,18,2、结构用金属基复合材料的基体 用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料一般均要求有高的比强度和比刚度，因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各种高比强度

8、、高比模量的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车等领域。,19,在发动机，特别是燃气轮机中所需要的结构材料是热结构材料，要求复合材料零件在高温下连续安全工作，工作温度在6501200 左右，同时要求复合材料有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性质。,20,铝、镁复合材料一般只能用在450 左右、而钛合金基体复合材料可用到650 、而镍、钴基复合材料可在1200使用。 另外，还有最近正在研究的金属间化合物为热结构复合材料的基体。,21,结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。,22,下表列出了一些基体金属和合金的主要特性,23,用作高温金属基复合材料的基体合金的成

9、分和性能列于下表中。,24,高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能,25,、用于450 以下的轻金属基体 在这个温度范围内使用的金属基体主要是铝、镁和它们的合金，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并已形成工业规模生产。,26,(1) 铝和铝合金 铝是一种低密度、较高强度和具有耐腐蚀性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素形成合金，由于加入的这些元素在铝中的溶解度极为有限，因此，这类合金通常称为沉淀硬化合金，如A1-Cu-Mg和A1-Zn-Mg-Cu等沉淀硬化合金。,27,近年来，为航空和航天工业开发出的A1-

10、Li系列合金，进一步提高了铝的弹性模量，降低了材料的密度。,28,(2)镁和镁合金 镁是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差，因此，通常是在镁中加入铝、锌、锰、锆及稀土元素而形成镁合金。 目前常用的镁合金主要包括Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。,29,对于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁合金基体。 例如，连续纤维增强金属基复合材料一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金； 而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的铝合金。,30,、用于450-700 的复合材料的金属基体 通过各种研究表明，存这个温度范围内可以作为金属基复合材

11、料基体使用的，目前主要是钛及其合金。,31,钛有两种晶形，-钛具有六方密堆积排列结构，低于885时稳定； -钛是体心立方结构，高于885时稳定。,32,金属铝能提高钛由向相转变的温度，所以铝是相钛的稳定剂。而大多数其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由向相转变的温度，所以是相钛的稳定剂。,33,钛在较高的温度中能保持高强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性能。它具有较高的强度质量比和模量质量比，是一种理想的航空、宇航应用材料。,34,钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，是一种可在450700 温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。,35,用高性能碳化硅纤维、

12、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒增强钛合金，可以获得更高的高温性能。 美国己成功地试制成碳化硅纤维增强钛复合材料，用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。,36,钛合金的成分和性能,现在已用于钛基复合材料的钛合金的成分和性能如下,37,C、用于600-900 的复合材料的金属基体 铁和铁合金是在此温度范围内使用的金属基体。,38,在金属基复合材料中使用的铁，主要是铁合金，按加工工艺分为变形高温合金和铸造高温合金。,39,其中，铁基变形高温合金是奥氏体可塑性变形高温合金，主要组成为1560铁，2555镍和1123铬。 此外，根据不同的使用温度，分别加入钨、钼、铌、钒、钛等合金元素进行强化。,4

13、0,铁基铸造高温合金是以铁为基体，用铸造工艺成型的高温合金，基体为面心立方体结构的奥氏体。,41,铁基变形高温合金、铸造高温合金分别用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室和涡轮轮盘、涡轮导向叶片等。,42,D、用于1000 以上的金属基体 用于1000 以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基耐热合金和金属间化合物。 其中，研究较为成熟的是镍基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。,43,() 镍和镍合金 在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，可形成镍基变形高温合金和镍基铸造高温合金。,44,镍基变形高温合金以镍为基体(含量一般大于50)，加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素

14、，使用温度在6501000，具有较高的强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室等。,45,镍基铸造高温合金是以镍为基体，用铸造工艺成型的高温合金，能在6001100的氧化和燃气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制造涡轮转子叶片和导向叶片及其他在高温条件下工作的零件。,46,另外，用钨丝、钍钨丝增强镍基合金还可以大幅度提高其高温性能。如高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1.3倍，主要用于高性能航空发动机叶片等重要零件。,47,()金属间化合物 金属间化合物种类繁多，而用于金属基复合材料的金属间化合物通常是一些高温合金，如铝化镍，铝化铁、铝化钛等，使

15、用温度可达1600。,48,在这些高温合金的晶体结构中，原子主要以长程有序方式排列。由于这种有序在金属间化合物中发生位错要比在无序合金中受到更大的约束，因此能使化合物在高温下保持强度。,49,金属间化合物的缺点是它们的韧性非常低，主要原因有两个： （）结构组织中低的对称性导致滑移系不足 （）晶体界面结合较弱。,50,改进金属间化合物韧性方面的例子： 在冶金过程中，采用快速凝固法以及向Ni3Al一类金属间化合物中添加硼，由于硼可以迁移到晶面，使其增强，故金属间化合物的韧性有所改善。,51,研究表明，只要添加极少量的硼0.06(质量分数)便可使其韧性从20增加到50左右。,52,一些金属间化合物的

16、性能,下表列出了一些金属间化合物的主要性能,53,另外，金属铜也可以作为基体材料。 铜是优良的导体，其导电率为银的94。铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系数大，容易铸造和加工。 铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体的基体材料。,54,3 功能用金属基复合材料的基体 功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。,55,高技术领域的发展要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。,56,单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合材料来满足需求。,57,例如，电子领域的集成电路，由于电子器件的集成度越来越高，单位体积中的元件数不断增多，功率增大，发热严重，需用热膨胀系数小、导热性好的材料做基板和封装零件，以便将热最迅速传走，避免产生热应力，来提高器件的可靠性。,58,又如，汽车发动机零件要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当等，这些均可通过材料的组合设计来