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1第二章复合材料的基体材料金属材料陶瓷材料聚合物材料22.1金属材料现代科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。31与传统金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度和耐磨性2与树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有优良的导电、导热性，高温性能好，可焊接3与陶瓷材料相比，金属基复合材料具有高韧性和高冲击性能、热膨胀系数小等优点4航空、航天领域轻质、高强结构材料：如B/Al复合材料电子领域低热膨胀系数、高导热系数5高体份（60-70%）碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件6国产太行战机用涡轮风扇航空发动机——高温高性能高铌钛铝合金材料72.1.1选择基体的原则金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能十分重要。81金属基复合材料的使用要求2金属基复合材料组成的特点3基体金属与增强体的相容性91金属基复合材料的使用要求不同领域、不同工况下对复合材料构件的性能要求不同。航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小如：镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维进行复合。10高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温性、抗氧化如：钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体，如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合材料用于喷气发动机叶片、涡轮叶片、转轴、火箭发动机箱体材料。11汽车发动机：耐热、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉如：选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进行复合，如碳化硅/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。12工业集成电路：高导热、低膨胀如：银、铜、铝作为基体，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，用作散热元件和基板。13针对不同的增强体系，应充分分析和考虑增强物的特点来正确选择基体合金材料。2金属基复合材料组成特点14对于连续纤维增强的金属基复合材料：基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而不要求基体本身有高强度，可选用铝、镁作基体。15对于非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）的金属基复合材料：基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，可选用高强度的铝合金（如，A365，6061，7075）而不用铝作为基体。163基体金属与增强物的相容性金属基复合材料高温成型纤维与金属发生化学反应，在界面形成反应层脆性界面反应层受力产生的裂纹引起复合材料结构破坏界面破坏产生原因：17在选择基体时，应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界面反应。18如何增强基体与增强物的相容性？A对增强纤维进行表面处理改性B在金属基体中添加其他成分C选择适宜的成型方法19注意：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）纤维作为增强物。因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能提高复合材料的综合性能。202.1.2结构复合材料的基体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。（1）用于450℃以下的轻金属基体——铝、镁合金（2）用于450～700℃的复合材料的金属基体——钛合金（3）用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体——镍基、铁基耐热合金和金属间化合物211用于450℃以下的轻金属基体——铝、镁合金铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等方面。22各种牌号铝、镁合金的成分和性能232用于450~700℃以下的复合材料基体——钛合金钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，用碳化硅纤维增强的钛基复合材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航空发动机。24钛合金的成分和性能253用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体——镍基、铁基耐热合金和金属间化合物镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中，用钨丝、钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空发动机叶片。26高温金属基复合材料的基体合金成分和性能27目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合材料）主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导热、耐电弧烧蚀的集电材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。2.1.3功能用金属基复合材料的基体28用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合材料，高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝复合材料等。用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金材料。292.2陶瓷材料传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质制成。现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。30单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因存在的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。31作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优良的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。321微晶玻璃微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶材料，又称为玻璃陶瓷。微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中了玻璃与陶瓷的特点。典型代表：Li2O-Al2O3-SiO233微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点，同时还具有一定的机械强度。34为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应具有良好的惰性不被基体液相腐蚀。常见的有：碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化铝纤维增强微晶玻璃基复合材料。35应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。2氧化物陶瓷36Al2O3（刚玉）—典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温和高温强度。ZrO2—使用温度达2000～2200℃，主要用作耐火坩锅，反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型：立方结构（C相）、四方结构（t相）和单斜结构（m相），加入适量的稳定剂后，t相可以亚稳定状态存在于室温，称部分稳定ZrO2。在压力作用下发生t-m马氏体转变，称应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用的稳定剂有MgO、Y2O3等。373非氧化物陶瓷指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定的金属键成分。共价键结合能比较高—材料有高的耐火度、高的硬度（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能力低。38氮化硅陶瓷(Si3N4)共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高纯的Si3N4的固相烧结极为困难。因此，常用反应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约1350℃）。后者是将加适当的助烧剂(MgO,Al2O3,1600~1700℃)烧结。39氮化硼和氮化钛陶瓷氮化硼陶瓷BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6~9×103MPa）下可转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。40氮化钛陶瓷TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点（2950℃）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰材料。TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材料；TiN具有较高的超导临界温度，还是一种优良的超导材料。41碳化硅陶瓷材料制备温度（℃）抗弯强度（室温三点）Mpa密度/g·cm-3弹性模量/MPa线膨胀系数/(20~1000℃)反应烧结SiC1600～1700159~4243.09~3.12380~420×1035.2~4.4×10-6热压SiC1800～2000718~7603.19~3.2440×1034.8×10-6CVDSiC涂层1200～1800731~9932.95~3.21480×103－重结晶SiC1600～1700~1702.6206×103－烧结SiC（掺SiC－B4C）1950～2100~2803.11－－烧结SiC（掺B）1950～2100~5403.14.9×10-642碳化硼和碳化钛陶瓷—碳化硼陶瓷碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa，仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻型装甲陶瓷等。B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得：B2O3+C→B4CB4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。43碳化硼和碳化钛陶瓷—碳化钛陶瓷碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型)。晶格常数为0.4319nm，密度为4.93～4.9g·cm-3，熔点为3160～3250℃，1.15K时TiC呈现超导特性，TiC莫氏硬度9～10，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。TiC粉末制取方法：2TiO2+C=Ti2O3+COTi2O3+C=2TiO+COTiO+2C=TiC+COTiC陶瓷的烧结方法主要有热压法。透明的TiC陶瓷是较好的光学功能材料。44二硅化钼陶瓷MoSi2是介于无机非金属与金属间化合物之间的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点2030℃，800℃以上发生氧化反应形成SiO2保护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温连接材料。452.3.1基体材料的组分及作用1.聚合物基体：基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工艺及价格。（几乎不是单一的，还包括辅助材料）辅助材料的加入可以改变材料的使用性能，工艺性，成本，应用范围等等。因此辅助材料的研究也极为重要。要求：具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。2.3聚合物材料462辅助剂：（1）交联剂（引发剂、促进剂）交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合交联成网络结构的物质。促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形成的物质。也称为固化剂。(为什么要用交联剂？常用的交联剂，p25)引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。（临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的一种用量较少的物质。（作用？）47（2）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。非活性稀释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加入量为10~60%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯活性稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为10%。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚48（3）增韧（增塑）剂降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺等。（4）触变剂提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使