復(fù)合材料的基體匯報(bào)材料

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1、1第四章　復(fù)合材料的基體材料復(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2一、金屬基體材料１、金屬基體材料的選擇原則2、結(jié)構(gòu)用金屬基復(fù)合材料的基體3功能用金屬基復(fù)合材料的基體3金屬基復(fù)合材料學(xué)科主要涉及材料表面、界面、相變、凝固、塑性形變、斷裂力學(xué)等。金屬基復(fù)合材料中，基體主要是各種金屬或金屬合金。4１、金屬基體材料的選擇原則金屬與合金的品種繁多，目前用作金屬基體材料的主要有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、鋼與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁金屬間化合物等。5基體材料成分

2、的正確選擇，對(duì)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)異綜合性能滿足使用要求十分重要。所以，在選擇基體金屬時(shí)應(yīng)考慮以下幾方面：6①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。7高性能發(fā)動(dòng)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

3、能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時(shí)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/鎳基超合金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。8在汽車發(fā)動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)活塞、缸套等零件。9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

4、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。10②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(duì)基體材料的選擇有較大影響。11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(yàn)證明，此時(shí)如果采用較高強(qiáng)度的合金材料，復(fù)合材料

5、的性能將有所降低。12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)。13相反。對(duì)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(duì)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

6、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。14③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(shí)將會(huì)因界面層的斷裂伸長(zhǎng)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。15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

7、金成分時(shí)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。16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?yàn)镹i，F(xiàn)e元素在高溫時(shí)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。17因此，選擇基體材料時(shí)，應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物的相容性（特別是化學(xué)相容性），并盡可能在復(fù)合材料成型過程中抑制界面反應(yīng)。例如：對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理；在金屬基

8、體中添加其他成分；選擇適宜的成型方法；縮短材料在高溫下的停留時(shí)間等。182、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。