第3章_复合材料基体

1、2022-2-151第三章第三章 复合材料的基体复合材料的基体2022-2-152基体基体(matrix)的概念的概念基体是复合材料中固结增强物、传递和承受各种载基体是复合材料中固结增强物、传递和承受各种载荷（力、热、电）的作用的部分。荷（力、热、电）的作用的部分。一般的，基体材料在复合材料中占较大比重，以金属基复合材料为例:连续纤维增强复合材料 基体占5070 vol.%，最佳60 vol.颗粒增强复合材料 基体占9025 vol.%晶须、短纤维增强复合材料 基体占8090 vol.%2022-2-153基体材料成分的正确选择，对能否基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和发挥基体和充分组合

2、和发挥基体和增强物的性能特点增强物的性能特点、获得预期的、获得预期的十分重要。十分重要。所以，在所以，在时应遵循一定的时应遵循一定的选择原则选择原则。2022-2-154的选择原则的选择原则 根据复合材料的使用要求根据复合材料的使用要求 根据复合材料组成特点根据复合材料组成特点 基体与增强物的相容性基体与增强物的相容性2022-2-155 如在如在航天、航空技术航天、航空技术中，高中，高和和以及以及是最重要的性能要求；作为是最重要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件飞行器和卫星的构件宜选用密宜选用密度小的度小的（如镁合金和铝合金）作为（如镁合金和铝合金）作为，与高强，与高强度、高模量的度、高模量

3、的、等组成等组成复合材料。复合材料。2022-2-156则要求复合材料不仅有则要求复合材料不仅有和和，还要具有优良的，还要具有优良的，能在高温、氧化性气氛，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，而应选择中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择以及以及作为基体材料。作为基体材料。如复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。2022-2-157在在中要求其零件中要求其零件、一定、一定的的等，同时又要求等，同时又要求，适合于，适合于，因此选用与组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。如如复合材料、复合材料、复合复合材料可制作材料可制作发动机活塞发动机活塞、缸套缸套等零

4、件。等零件。2022-2-158需要需要的金属基复合材料的金属基复合材料作为作为散热元件散热元件和和基板基板。因此，可以选用具有高导热率的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、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料。2022-2-159选用不同类型的选用不同类型的如如连续纤维连续纤维、短纤维短纤维或或晶须晶须，对基体材料的选择，对基体材料的选择。2022-2-1510例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主要作用应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是以为主，基体本身应与纤维有为主，基体本身应与纤维有，而并

5、不要求基体本身有很高的强度。，而并不要求基体本身有很高的强度。因此，考虑到要充分因此，考虑到要充分的作用，希望选用的作用，希望选用。实验证明，此时如果采用较高强度的合金材料，。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。复合材料的性能将有所降低。2022-2-1511如如复合材料中，复合材料中，或含有少或含有少量合金元素的量合金元素的作为作为比比要好要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。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在研究碳铝复合材料中发中发现，现，铝合金的强度越高，复合材料的性能越低铝合金的强度越高，复合材料的性能越低。这。这可能

6、与基体和纤维的可能与基体和纤维的界面状态界面状态、脆性相的存在脆性相的存在、基基体本身的塑性体本身的塑性等有关。等有关。2022-2-1512相反。对于相反。对于，对复合材料具有决定性的影响，对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用因此，要选用来作为基体。这与来作为基体。这与连续纤维连续纤维增强金属基复合材料增强金属基复合材料基体的选择完全不同。基体的选择完全不同。如如一般选用一般选用（如（如A365，6061，7075）为基体。）为基体。2022-2-1513首先，由于金属基复合材料需要在，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易发生化学反应，在界面形成反应层。大多是脆性

7、的，当反应层达到一定厚度后，大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因材料受力时将会因界面层的断裂伸长小界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起围纤维扩展，容易引起纤维断裂纤维断裂，导致复合材料整体破坏。，导致复合材料整体破坏。2022-2-1514其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些与的，反应后生成的，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择尽可能选择，又有利于，又有利于。2022-2-1515如如复合材料中，在复合材料中，在少量的少量的TiTi，ZrZr等等可明显改善复合材料的界可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大提高复合

8、材料的性能。面结构和性质，大大提高复合材料的性能。用用作为基体，作为基体，是不可是不可取的。因为取的。因为NiNi，FeFe元素在高温时能有效地元素在高温时能有效地，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有，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。的强度，使复合材料性能恶化。2022-2-1516因此，选择基体材料时，应充分注意与增强因此，选择基体材料时，应充分注意与增强物的物的（特别是化学相容性），并尽可能（特别是化学相容性），并尽可能。例如：。例如：对增强对增强进行表面处理；进行表面处理；在金属在金属中添加其他成分；中添加其他成分；选择适宜的选择适宜的方法；方法；缩短材料在

9、高温下的停留缩短材料在高温下的停留等。等。2022-2-15171 1、常见的金属基体简介、常见的金属基体简介2022-2-1518结构复合材料的基体结构复合材料的基体在这个温度范围内使用的金属基体主要是在这个温度范围内使用的金属基体主要是和和，而且主要是以合金的，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于形式被广泛的应用。例如，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘车盘等，并已形成工业规模生产。等，并已形成工业规模生产。 钛及钛合金具有钛及钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，是一种可

10、在特点，是一种可在450700 温温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。用高性能碳化硅纤维、碳化钛颗粒、度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。用高性能碳化硅纤维、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，制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机增强钛复合材料，制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机.铁和铁合金铁和铁合金是在此温度范围内使用的金属基体。是在此温度范围内使用的金属基体。用于用于1000 以上的基体材料主要是以上的基体材料主

11、要是和和。其中，研究。其中，研究较为成熟的是较为成熟的是，复合材料尚处于研究阶段。复合材料尚处于研究阶段。2022-2-1519功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体功能金属基复合材料主要选用的金属基体是功能金属基复合材料主要选用的金属基体是纯铝及铝合金纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、纯铜及铜合金、银、铅、锌锌等金属。等金属。用于用于的的的基体主要是的基体主要是和和。 例如，高例如，高含量的含量的(SiCpAl)、(SiCpCu)复合材料；复合材料；高模、超高模高模、超高模增强增强(Cf/Al)、(Cf/Cu)复合材料；复合材料；或或增强增强复合材料；复合材料；复合材料等。复

12、合材料等。用于用于耐磨零部件耐磨零部件的金属基复合材料的基体主要是常用的的金属基复合材料的基体主要是常用的铝、镁、锌、铜、铅铝、镁、锌、铜、铅等金属等金属及合金。及合金。例如：例如：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强增强铝、镁、铜、锌、铅铝、镁、铜、锌、铅等金等金属基复合材料。属基复合材料。2022-2-15202 2、常见的陶瓷基体简介、常见的陶瓷基体简介2022-2-1521陶瓷基体包括：陶瓷基体包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。等。玻璃是通过玻璃是通过无机材料无机材料高温烧结而成的一种高

13、温烧结而成的一种陶瓷材料陶瓷材料。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后体后不经结晶不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即而冷却成为坚硬的无机材料，即具有非晶态结构具有非晶态结构是玻璃的特征之一。是玻璃的特征之一。许多许多可以通过适当的热处理使其可以通过适当的热处理使其，这一过程称为，这一过程称为。由于。由于反玻璃化反玻璃化使玻璃成为使玻璃成为，透光性变差，因体积变化还会产生内应力，影，透光性变差，因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。通常应当避免发生反玻璃化过程。但对于某些玻璃，可以通过加入形核响材料强度。通常应当避免发生反玻璃化过程。但对于某些玻璃，可以通过加入形核

14、剂得到剂得到无残余应力的微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷无残余应力的微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷。玻璃陶瓷具有。玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、热膨胀系数小、力学性能好和导热系数较大力学性能好和导热系数较大等特点。等特点。作为基体材料使用的作为基体材料使用的氧化物陶瓷氧化物陶瓷主要有主要有A12O3、MgO、SiO2、ZrO2，莫来石莫来石(即富铝即富铝红柱石，化学式为红柱石，化学式为3A12O32SiO2)等，它们的溶点在等，它们的溶点在2000 以上。以上。 非氧化构陶瓷是指非氧化构陶瓷是指的的、和和。它们的特点是。它们的特点是和和好，好，但，但也很强。也很强。2022-2-15223 3、常见

15、的无机凝胶基体简介、常见的无机凝胶基体简介2022-2-1523无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。在无机胶凝材料基增强塑料中，研究和应用最多的是在无机胶凝材料基增强塑料中，研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强纤维增强水泥基增强材料材料。它是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体，以短切纤维或连续纤维为。它是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体，以短切纤维或连续纤维为增强材料组成的。增强材料组成的。水泥基体材料具有以下水泥基体材料具有以下水泥基体为水泥基体为，其孔隙尺寸可由数，其孔隙尺寸可由数“埃埃”到数百到数百“埃埃。孔隙存在不仅会。孔隙存在

16、不仅会影响影响的性能，也会影响纤维与基体的的性能，也会影响纤维与基体的。 纤维与水泥的纤维与水泥的弹性模量比弹性模量比小，对多数有机纤维而言，纤维与水泥的小，对多数有机纤维而言，纤维与水泥的弹性模量比弹性模量比甚至甚至小于小于1，这意昧着在纤维增强水泥复合材料中，这意昧着在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应应力的传递效应远不如远不如纤维增强树脂纤维增强树脂。 水泥基材的水泥基材的断裂延伸率断裂延伸率较低，纤维尚未从水泥基材中拔出拉断前，较低，纤维尚未从水泥基材中拔出拉断前，水泥基材水泥基材即行开即行开裂。裂。水泥基材水泥基材中含有中含有粉末粉末或或颗粒状颗粒状的物料的物料,与纤维成与纤维成点

17、接触点接触，故，故纤维的掺量纤维的掺量受到很大受到很大限制。而限制。而树脂基体树脂基体在未固化前是在未固化前是粘稠液体粘稠液体，可较好地浸透纤维中。故，可较好地浸透纤维中。故纤维的掺量纤维的掺量可高可高些。些。 呈呈碱性碱性，对，对金属纤维金属纤维可起保护作用，但对大多数可起保护作用，但对大多数矿物纤维矿物纤维是不利的。是不利的。2022-2-15244 4、常见的聚合物基体简介、常见的聚合物基体简介2022-2-1525按按可分为可分为及及两类。两类。热塑性基体热塑性基体如如、等，它们是一类等，它们是一类或或的固态高的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。分子，可溶可熔，可反

18、复加工成型而无任何化学变化。热塑性聚合物的形态特征热塑性聚合物的形态特征热固性基体热固性基体如如、等，它们在制成最终产等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态品前，通常为分子量较小的液态或固态，经，经或或发生化学反应固发生化学反应固化后，形成不溶不熔的化后，形成不溶不熔的，这类基体通常是，这类基体通常是的。的。热固性聚合物的形态特征热固性聚合物的形态特征2022-2-1526传统的聚合物基体是热固性的传统的聚合物基体是热固性的，其最大的优点是具有，其最大的优点是具有良好的工艺性良好的工艺性。由于。由于固化前，热固性树脂粘度很低，因而宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较固化前，热固性树脂粘度很低，因而宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的温度和压力下固化成型；低的温度和压力下固化成型；固化后具有良好的耐药品性和抗蠕变性固化后具有良好的耐药品性和抗蠕变性；热固性树脂热固性树脂的缺点是的缺点是预浸料预浸料需需低温冷藏低温冷藏且且贮存期有限，成型周期长贮存期有限，成型周期长和和材料材料韧性差韧性差。热塑性基体的最重要优点是其高断裂韧性热塑性基体的最重要优点是其高断裂韧性(高断裂应变和高冲击强度高断裂应变和高冲击强度)，这使这使得得FRP具有更高的损伤容限。此外，还具有具有