第二章_复合材料的基体材料

第二章复合材料的基体材料基体作用：传递荷载、保护增强体；基体类型：塑料（热固性、热塑性）、金属、无机非金属（陶瓷、C、水泥等）2．1金属材料用于MMC的主要品种：铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物。合理选择品种的重要性：正确选择基体对能否充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综合性能十分重要。2.1.1选择基体的基本原则在选择基体金属时应考虑因素：MMC的使用要求MMC的组成特点基体金属与增强物的相容性1）MMC的使用要求不同应用领域、不同工况条件对复合材料构件的性能要求有很大差异。航天、航空器元件：高比强度、比模量+尺寸稳定性。宜选用密度较小的轻金属合金—镁合金和铝合金，如C/Mg、C/Al、B/Al。高性能发动机叶片、转轴：高比强度、比模量+耐高温。选择钛基合金、镍基合金及金属间化合物。如SiC/Ti、W/Ni。汽车发动机活塞、缸套：耐高温+耐磨、导热，选择C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al。高集成电子器件：要求高导热+低膨胀，选择高导热率的银、铜、铝等与高导热性、低膨胀的石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合。2）金属基复合材料的组成特点连续纤维增强MMC：基体的主要作用是以充分发挥增强材料性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性。如：连续C/Al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好得多。且铝合金强度越高，其MMC的性能越低。非连续增强MMC：基体是主要承载物，基体强度对MMC具有决定性的影响。因此需选用高性能金属基体。3）基体金属与增强物的相容性基体与纤维的相容性：良好的浸润性、稳定的界面。例：在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素，可明显改善MMC的界面结构和性质，大大提高MMC的性能。Fe、Ni高温时会破坏CF的结构，使其丧失原有强度，因此不能直接用作CF的基体。2.1.2结构复合材料的基体按制品使用温度要求分为：用于450℃以下的MMC轻金属基体用于450-700℃的MMC金属基体用于1000℃以上的高温MMC的金属基体1）用于450℃以下MMC的轻金属基体目前研究发展最成熟、应用最广泛的MMC是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并以形成工业化规模生产。对于不同类型的复合材料应选用合适的铝或镁合金基体。连续纤维增强MMC：一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金；颗粒、晶须增强MMC：则选用具有高强度的铝合金。表2-1各种牌号铝、镁合金的成分和性能2）用于450-700℃的MMC金属基体钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450-700℃使用。SiC/Ti制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。表2-2钛合金的成分和性能3）用于1000℃以上的高温MMC金属基体用于1000℃以上的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、铁基高温合金。金属间化合物基MMC尚处于研究阶段。W/Ni合金，可以大幅度提高其高温性能——高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1-3倍，主要用于高性能发动机叶片等重要零件。表2-3高温MMC的基体合金成分和性能2.1.3功能用MMC的基体电子、信息能源等高技术领域的发展，要求材料和器件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、高磨擦系数和耐磨性等综合物理性能。如电子器件：集成度越来越高，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材料，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，提高器件可靠性。SiCp/Al、SiCp/Cu；又如汽车发动机零件：要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当。采用SiC、Al2O3、Gr等增强材料增强Al、Mg、Cu、Zn、Pb等MMC2．2陶瓷材料2.2.1陶瓷材料发展历史及概念内涵传统陶瓷：是采用粘土及其天然矿物质经粉碎加工、成型、烧结等过程制得，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷，其主要原料是硅酸盐矿物，所以归属于硅酸盐类材料。特种陶瓷：高温陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、高导热陶瓷、高耐腐蚀陶瓷，所用材料不局限于天然矿物，而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工材料。现代陶瓷：是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来的又具有与传统陶瓷不同的鲜明特点的一类新型陶瓷。它早已超出传统陶瓷的概念和范畴，是高新技术的产物2.2.2陶瓷的分类1.按化学成分分类①氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO、Cr2O3及莫莱石（3Al2O3·3SiO4）和尖晶石（MgAl2O3）等，这类CMC避免在高温、高应力环境下使用，因为Al2O3、ZrO2的抗热震性差、SiO2高温下容易发生蠕变和相变。②碳化物陶瓷：一般具有比氧化物陶瓷更高的熔点。最常用的是SiC、WC、B4C、TiC，制备过程应有气氛保护；耐热温度约为900—1000℃③氮化物陶瓷：具有优良的综合力学性能和耐高温性能。应用最广泛的是Si3N4，还有TiN、BN、AlN、C3N4；耐热温度约为1300—1700℃，BN可达2000℃④硼化物陶瓷：主要用作添加剂或第二相加入其它陶瓷中以改善性能，常用TiB2、ZrB2。2.按性能和用途分类①结构陶瓷：作为结构材料用于制作结构零件，主要使用其力学性能。如强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性等，上述按化学组成分类的四大陶瓷大多数为此类，如Al2O3、Si3N4、ZrO2都是力学性能优异的代表性结构陶瓷②功能陶瓷：作为功能材料用来制造功能器件，主要使用期物理性能。如电磁性能、热性能、光性能、生物性能等。例如铁电陶瓷用其电磁性能制造电磁元件，介电陶瓷用于制造电容器，压电陶瓷用于制造位移或压力传感器，生物陶瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。2.2.3陶瓷材料的特点陶瓷材料的性能特点优点：1）高硬度：决定了优异的耐磨性；2）高熔点：决定了杰出的耐热性；3）高化学稳定性：决定了良好的耐腐蚀性缺点：脆性，需要增韧—复合材料2.2.4陶瓷的力学性能弹性性能：陶瓷是脆性材料，满足胡克定律。表2-4陶瓷的弹性模量硬度：表2-5陶瓷材料的硬度强度：表2-6陶瓷材料的室温强度断裂韧性：表2-7陶瓷材料与金属断裂韧性的比较2．3聚合物材料聚合物（高分子化合物）：是指那些众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子质量在一万以上的化合物。特性：聚合物分子量很大，因而具有与低分子同系物完全不同的物理性能。如高分子化合物具有高软化点、高强度、高弹性、其溶液和熔体具有高粘度等性质。RMC中聚合物的主要作用是：把纤维粘接在一起；分配纤维间的荷载；保护纤维不受环境影响。分类：热固性树脂和热塑性树脂两大类。2.3.1热固性树脂热固性树脂定义：低分子物在引发剂、促进剂作用下生成的三维体形网状结构聚合物。固化物加热不软化，不溶不融。不饱和聚酯树脂环氧树脂酚醛树脂其它热固性树脂1）不饱和聚酯树脂定义：主链上同时具有重复酯键和不饱和双键的一类聚合物。主要优点：工艺性好、固化物的综合性能好、价格低廉、品种多。主要缺点：固化收缩率大，耐热性、强度和模量较低，因此很少用于受力很大的制品中。使用方法：树脂、引发剂、促进剂按配比配制，并按固化制度固化。2）环氧树脂定义：分子主链上含有两个或两个以上环氧基团的聚合物。主要优点：形式多样、粘附力强、收缩率低、力学性能好、尺寸稳定、化学稳定性好。主要缺点：工艺性差，价格高。使用方法：3）酚醛树脂定义：酚类和醛类的聚合物。主要优点：良好的机械强度、耐热性能、突出的耐高温烧蚀性能。主要缺点：吸附性不好、收缩率高、脆性大、制品空隙含量高。使用方法：树脂+固化剂加热固化，酚醛树脂改性。4）其它热固性树脂有机硅树脂：分子主链上含有硅氧键的聚合物。200～250℃下可长时间使用，仍保持优良的电性能，憎水防潮性。呋喃树脂：含有呋喃结构的聚合物。热稳定性、高耐腐蚀性、脆性。聚酰亚胺、双马来酰亚胺：耐热性好，可在200～230℃下长期使用。2.3.2热塑性树脂热塑性树脂定义：指线型或支链型聚合物。特点：遇热软化或熔融，冷却后又变坚硬，可反复回收利用。RMC用高性能热塑性树脂优点：耐热性好聚苯硫醚：300℃短期荷载、240℃长期；聚砜和聚醚砜：200℃下长期使用；聚醚醚酮：160℃长期使用。高性能热塑性树脂缺点：成型难、成本高。小结复合材料用基体主要类型；选择MMC的基体基本原则；陶瓷材料的基本特点；RMC的基体类型及其特点。