復(fù)合材料的基體材料課件.ppt

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1、復(fù)合材料學(xué)授課人：楊妹娟蘭州交通大學(xué)2012.2第二章復(fù)合材料的基體材料一、金屬材料1.選擇金屬基體材料的原則（1）根據(jù)金屬基復(fù)合材料的使用要求來選擇（2）根據(jù)金屬基復(fù)合材料的組成特點(diǎn)選擇對于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，選塑性好相容性好的；對于非連續(xù)性增強(qiáng)復(fù)合材料，選高強(qiáng)度合金為基體。（3）根據(jù)基體金屬與增強(qiáng)物的相容性選擇2.1.2結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體大致可分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類。（1）用于450℃以下的輕金屬基體——鋁、鎂合金（2）用于450～700℃的復(fù)合材料的金屬基體——

2、鈦合金（3）用于1000℃以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體——鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物功能復(fù)合材料的基體金屬同時(shí)要求高力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低的熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性。如：繼承電路中，基板和封裝材料，集電材料，電池極板等。二、無機(jī)膠凝材料水泥，石膏，菱苦土，水玻璃等。2.2陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的天然硅酸鹽礦物質(zhì)制成?，F(xiàn)代陶瓷：高純度、高性能的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。單一的陶瓷存在脆性大，韌性差，很容易因存在的裂紋、空隙、雜質(zhì)等缺

3、陷而破碎。在陶瓷基體中添加其他成分，如陶瓷粒子，纖維或晶須，可提高陶瓷的韌性。單一的陶瓷存在脆性大，韌性差，很容易因存在的裂紋、空隙、雜質(zhì)等缺陷而破碎。在陶瓷基體中添加其他成分，如陶瓷粒子，纖維或晶須，可提高陶瓷的韌性。作為基體材料使用的陶瓷，應(yīng)具有：優(yōu)良的耐高溫性質(zhì)、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常見的陶瓷基體有：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。應(yīng)用較多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫來石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐

4、蝕等性能，但脆性大。主要的增強(qiáng)物為：陶瓷顆?；蚓ы?。2氧化物陶瓷Al2O3（剛玉）—典型的純氧化物陶瓷。有較高室溫和高溫強(qiáng)度。ZrO2—使用溫度達(dá)2000～2200℃，主要用作耐火坩鍋，反應(yīng)堆的絕緣材料，金屬表面的防護(hù)涂層等。有三種晶型：立方結(jié)構(gòu)（C相）、四方結(jié)構(gòu)（t相）和單斜結(jié)構(gòu)（m相），加入適量的穩(wěn)定劑后，t相可以亞穩(wěn)定狀態(tài)存在于室溫，稱部分穩(wěn)定ZrO2。在壓力作用下發(fā)生t-m馬氏體轉(zhuǎn)變，稱應(yīng)力誘導(dǎo)相變。這種相變將吸收能量，使裂紋尖端的應(yīng)力場松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而實(shí)現(xiàn)增韌，常用的穩(wěn)定劑有M

5、gO、Y2O3等。3非氧化物陶瓷指不含氧的金屬碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。自然界比較少，需要人工合成，是先進(jìn)陶瓷特別是金屬陶瓷的主要成分和晶相，主要由共價(jià)鍵結(jié)合而成，也有一定的金屬鍵成分。共價(jià)鍵結(jié)合能比較高—材料有高的耐火度、高的硬度（有的接近金剛石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能力低。氮化硅陶瓷(Si3N4)?共價(jià)鍵化合物的原子自擴(kuò)散系數(shù)非常高，高純的Si3N4的固相燒結(jié)極為困難。因此，常用反應(yīng)燒結(jié)和熱壓燒結(jié)。前者是將Si3N4粉以適當(dāng)?shù)姆绞匠尚魏?，在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行氮化合成(約1350℃）。

6、后者是將加適當(dāng)?shù)闹鸁齽?MgO,Al2O3,1600~1700℃)燒結(jié)。氮化硼和氮化鈦陶瓷?氮化硼陶瓷BN有兩種晶型：六方BN結(jié)構(gòu)，性能與石墨相似，因此有白石墨之稱。HBN硬度不高，是唯一易于機(jī)械加工的陶瓷。高溫（1500～2000℃)高壓（6~9×103MPa）下可轉(zhuǎn)化為立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金剛石，是極好的耐磨材料。?氮化鈦陶瓷TiN是一種新型的結(jié)構(gòu)材料，硬度大、高熔點(diǎn)（2950℃）、化學(xué)穩(wěn)定性好，而且金黃色金屬光澤。是一種很好的耐火耐磨材料及受人歡迎的代金裝飾材料。TiN還有導(dǎo)

7、電性，可用作熔鹽電極以及電觸頭等材料；TiN具有較高的超導(dǎo)臨界溫度，還是一種優(yōu)良的超導(dǎo)材料。四、聚合物材料1.復(fù)合材料中常用的聚合物種類（1）不飽和聚酯樹脂。用于玻璃纖維復(fù)合材料（2）環(huán)氧樹脂。性能優(yōu)異，用于碳纖維復(fù)合材料和優(yōu)質(zhì)玻璃纖維復(fù)合材料。（3）酚醛樹脂。性能較差，且需高壓成形，用于短纖維增強(qiáng)。（4）各種熱塑性聚合物。用于碳纖維復(fù)合材料。耐高溫聚酰亞胺最具實(shí)際意義。2聚合物基體的作用三個(gè)主要作用：（1）粘結(jié)作用；（2）分配纖維間的載荷；（3）保護(hù)纖維不受環(huán)境影響?；w強(qiáng)度高，基體與纖維膠合強(qiáng)，

8、則材料脆性。膠合強(qiáng)度過低，像纖維束，總強(qiáng)度低?？偟饶z合強(qiáng)度，橫跨樹脂或纖維擴(kuò)展的裂紋會(huì)轉(zhuǎn)向，并且沿纖維方向擴(kuò)展，導(dǎo)致吸收能量，韌性好。基體與纖維間的相互作用能明顯地影響裂紋在復(fù)合材料中的擴(kuò)展。基體的強(qiáng)度也對裂紋擴(kuò)展有影響?；w強(qiáng)度高基體/纖維膠合強(qiáng)材料表面脆性斷面整齊膠合強(qiáng)度低像纖維束一樣，總強(qiáng)度低中等膠合強(qiáng)度橫跨樹脂或纖維擴(kuò)展裂紋會(huì)轉(zhuǎn)向，并且沿纖維方向擴(kuò)展，導(dǎo)致吸收能量這種形式破壞的復(fù)合材料是韌性的在應(yīng)力水平不確定的情況下使用在纖維排列精度較低的情況下選軟的基體在明