复合材料概论第2章--复合材料的基体材料

1、第二章复合材料的基体材料，高分子材料，1。2.1金属材料。现代科学技术的发展对材料性能提出了越来越高的要求，特别是航空航天、军事等尖端科学技术的发展，使得单一的材料难以满足实际工程的要求，从而推动了金属基复合材料的快速发展。2，PPT研究与交流，3，PPT研究与交流，航空航天领域，轻质高强度结构材料，如B/Al复合材料，电子领域，低热膨胀系数和高热导率，4，PPT研究与交流，大体积(60-70%)碳化硅颗粒/铝基复合电子封装零件，5，PPT研究与交流，国产。2.1.1选择基体的原则，有多种金属和合金，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、铜及铜合金、锌合金、铅、钛

2、铝、镍铝金属间化合物等。基体材料成分的正确选择对于充分结合和发挥基体金属和增强体的性能特点，获得预期的优异综合性能至关重要。7，PPT学习与交流，8，PPT学习与交流，1。金属基复合材料的使用要求对不同领域、不同工作条件下的复合材料构件有不同的性能要求。航空航天领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性和低密度，如以镁合金和铝合金为基体，配以高强度、高模量的石墨纤维和硼纤维。9、PPT学习与交流、高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温和抗氧化，如以钛基合金、镍基合金和金属间化合物为基体，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、转轴和火箭发动机壳体材料。汽车发动机：耐热、耐磨

3、、导热，具有一定的高温强度和低成本。例如，铝合金被用作与陶瓷颗粒和短纤维复合的基体材料，例如碳化硅/铝、碳纤维/铝、氧化铝/铝和用作发动机活塞、气缸套和其他部件的其他复合材料。11、PPT学习与通信、工业集成电路：高导热低膨胀，以银、铜、铝为基体，复合超高模量石墨纤维、金刚石纤维和碳化硅颗粒，具有高导热低膨胀，用作散热元件和基板。12、PPT的研究和交流，针对不同的增强体系，应充分分析和考虑增强体的特性，以正确选择基体合金材料。2金属基复合材料的成分特征，13，PPT学习与交流，对于连续纤维增强金属基复合材料：基体的主要功能是充分发挥增强纤维的性能，而基体本身具有与纤维良好的相容性和可塑性，但

4、不要求基体本身的高强度，因此可以选择铝和镁作为基体。14，PPT研究和交换，对于不连续纤维增强(颗粒、晶须、短纤维)金属基复合材料：基体是主要载体，要求基体具有高强度，并且可以选择高强度铝合金(如A365、6061、7075)代替铝作为基体。15、PPT研究与交流、3基体金属与增强体的相容性、界面损伤的原因、16、PPT研究与交流，在选择基体时，应充分注意与增强体的相容性(尤其是化学相容性)，并考虑在金属基复合材料的成型过程中尽可能抑制界面反应。17，PPT学习与交流，如何增强矩阵与强化之间的兼容性？18，PPT研究和交换，注意：当使用铁和镍作为基体时，不适合使用碳(石墨)纤维作为增强材料。因

5、为铁和镍能有效地促进碳纤维在高温下的石墨化，破坏碳纤维的结构，使其失去原有的强度，但不能提高复合材料的综合性能。，21，PPT研究和交换，各种等级铝和镁合金的成分和性能，22，PPT研究和交换，2。用于450，700以下的复合基体钛合金。钛合金具有低相对密度、耐腐蚀、抗氧化和高强度的特点。碳化硅纤维增强的钛基复合材料可制成高性能航空发动机的叶片和传动轴。23，PPT研究和通信，钛合金的成分和性能，24，PPT研究和通信，3金属基镍基和铁基耐热合金和1000以上高温复合材料的金属间化合物。镍基高温合金广泛用于各种燃气轮机，钨丝和钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空发动机叶片。25、PPT研究与通讯、

6、高温金属基复合材料的基体合金成分与性能、26、PPT研究与通讯、目前已应用的功能性金属基复合材料(不包括双金属复合材料)主要包括微电子技术用电子封装和散热材料、高导热抗电弧烧蚀的集流体材料、抗高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀电池板材料等。金属基体主要选用纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。功能金属基复合材料中使用的金属基体具有良好的导热性、导电性和力学性能，但也存在热膨胀系数大、抗电弧烧蚀性能差的缺点。2.1.3功能金属基复合材料基体，27，PPT学习与交流，用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基和铜基复合材料，高模量石墨纤维增强铝基和铜基复合材料，硼/铝复合材料等。用于耐磨零件：铝、镁、铜、

7、锌、铅和其他由碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须和纤维增强的金属基复合材料。用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银和合金材料。28，PPT研究与交流，2.2陶瓷材料，传统陶瓷是指陶器和瓷器，它们主要由含有二氧化硅的天然硅酸盐矿物制成。现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。29，PPT学习与交流，单一陶瓷脆性大，韧性差，容易因裂纹、空洞和杂质等缺陷而断裂。在陶瓷基体中加入其他成分，如陶瓷颗粒、纤维或晶须，可以提高陶瓷的韧性。30，PPT。用作基体材料的陶瓷应具有优异的耐高温性能、与纤维或晶须的良好界面相容性以及良好的工艺性能。常见的陶瓷基板有：微晶玻璃、氧化物陶瓷

8、、非氧化物陶瓷等。玻璃陶瓷是一种均匀的多晶材料，其中玻璃和晶体通过加入成核剂等方法共存，在玻璃中热处理后形成晶核，然后生长出晶核。微晶玻璃的结构和性能不同于陶瓷和玻璃，其性能取决于晶相的矿物组成和玻璃相的化学组成及其数量，重点是玻璃和陶瓷的特性。典型代表：Li2O-Al2O3-SiO2，32，PPT学习与交流，微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数大和一定机械强度的特点。为了获得具有优异机械性能的复合材料，所添加的纤维或晶须应该与基体的热膨胀系数和弹性模量相匹配，并且在化学上是相容的，并且用于增强的纤维或晶须应该具有良好的惯性并且不会被基体液相腐蚀。常见的有碳纤维、碳化硅纤维(晶须)和氧化铝纤维增

9、强玻璃陶瓷基复合材料。34，PPT研究和交换，其中广泛使用的有：Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2、莫来石(3al 2 O3-2so 2)等。它具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨和耐腐蚀，但它是脆性的。主要增强材料是陶瓷颗粒或晶须。2氧化物陶瓷，35，PPT学习交流，Al2O3(刚玉)典型纯氧化物陶瓷。哈晶体有三种形式：立方结构(碳相)、四方结构(碳相)和单斜结构(碳相)。加入适量稳定剂后，室温下T相可以处于亚稳态，称为部分稳定氧化锆。T-m马氏体相变发生在压力下，这被称为应力诱导相变。这种相变将吸收能量，松弛裂纹尖端的应力场，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧。常用的稳定剂有氧化镁、Y2O3等

10、。36，PPT学习与交流，3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。它在自然界很罕见，需要人工合成。它是高级陶瓷，尤其是金属陶瓷的主要成分和晶相。它主要由共价键和某些金属键组成。与结合能较高的材料相比，共价键具有较高的耐火性、较高的硬度(有些接近金刚石)和较高的耐磨性，但脆性较高，抗氧化性较低。37、PPT学习交换、氮化硅陶瓷(Si3N4)、共价键化合物具有很高的原子自扩散系数，因此很难固态烧结高纯度Si3N4。因此，通常使用反应烧结和热压烧结。在前者中，Si3N4粉末以适当的方式形成，然后在氮气氛(约1350)中氮化。后者通过添加适当的烧结助剂(氧化镁、氧化铝、16001

11、700)来烧结。38，PPT学习交流，氮化硼和氮化钛陶瓷，氮化硼陶瓷氮化硼有两种晶体形式：六方氮化硼结构，性能类似石墨，所以被称为白石墨。HBN是唯一一种因为硬度低而易于加工的陶瓷。它可以在高温(15002000)和高压(69103兆帕)下转化为立方氮化硼。立方氮化硼的硬度接近金刚石，是一种优良的耐磨材料。39，PPT学习交流，氮化钛陶瓷TiN是一种新的结构材料，具有高硬度，高熔点(2950)，良好的化学稳定性和金色光泽。它是一种很好的耐火耐磨材料，也是一种流行的装饰材料。TiN也是导电的，可用作熔盐电极和电触点等材料；TiN具有很高的超导临界温度，也是一种优秀的超导材料。40，PPT学习交流

12、，碳化硅陶瓷，41，PPT学习交流，碳化硼和碳化钛陶瓷，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，耐酸性好。耐碱性。可用作喷砂嘴、切割工具、高温热交换器、轻型装甲陶瓷等。B4C粉末通常通过用适量的碳还原氧化硼来制备。B2O3 CB4C B4C陶瓷由于烧成温度范围窄、温度过低、烧结欠压实、温度过高而难以烧结，容易导致B4C分解。42，PPT学习交流，碳化硼和碳化钛陶瓷，碳化钛晶体是面心立方晶格(氯化钠型)。晶格常数为0.4319nm，密度为4.934.9 gcm-3，熔点为31603250。碳化钛在1.15千赫时表现出超导电性，莫氏硬度为910，弹性模

13、量为322兆帕，可用作耐磨材料。TiC粉末的制备方法：2tio 2c=ti2o 3 coti 2 o 3 c=2tio 2c=ticco TiC陶瓷主要通过热压烧结。透明TiC陶瓷是较好的光学功能材料。43，PPT学习交换，二硅化钼陶瓷，二硫化钼是一种介于无机非金属和金属间化合物之间的材料，其结合方式是共价键和金属键。氧化反应发生在熔点2030和800以上，形成二氧化硅保护层，防止氧化继续进行。可用作高温连接材料。44，PPT研究与交流，2.3.1基体材料的组成和功能，聚合物基体：基体材料的主要成分，它决定了复合材料的性能、成型工艺和价格。(几乎不是单一的，包括辅助材料)辅助材料的添加会改变材

14、料的性能、可制造性、成本和应用范围。因此，辅料的研究也是极其重要的。要求：机械性能、介电性能、耐热老化性能高，施工简单，工艺性能好。2.3高分子材料，45，PPT学习与交流，2种助剂，(1)交联剂(引发剂(为什么使用交联剂？常用的交联剂，p25)引发剂：指一类通过加热容易分解成自由基的化合物，可用于引发自由基聚合和烯属及二烯类单体的共聚，以及不饱和聚酯的交联固化和聚合物的交联反应。(临界温度和半衰期，普通引发剂，p26)促进剂：当与催化剂或交联剂一起使用时，少量的物质可以提高反应速率。(行动？)、46、PPT学习与交流，(2)稀释剂：降低聚合物基体的粘度，便于施工。非活性稀释剂：不参与树脂固化

15、反应，但在树脂成型过程中挥发，添加量为1060%。如丙酮、乙醇、甲苯、苯、活性稀释剂：不与树脂固化反应，成为物料组分，添加量为10%。例如，苯乙烯(不饱和)、环氧丙烷丁醚、47、PPT学习交换、(3)增韧剂(增塑)会降低树脂的刚性并提高其塑性，会导致强度和耐热性的降低。如邻甲酚酯、聚酰胺等。(4)触变剂，改善静态下树脂的粘度。在外力的作用下，树脂又变成了流动的液体。适用于大型产品，特别是垂直使用，添加量为13%。例如活性二氧化硅(白炭黑)、膨润土和聚氯乙烯粉末。48，PPT学习与交流，(5)填料，降低成本，提高性能(减少收缩，提高表面硬度和耐磨性，导电导热等。)。如碳酸钙、滑石粉、石英粉和金属

16、粉。(6)颜料，用量约为0.55%。要求：色泽鲜艳、耐热、耐光；在树脂中分散性好，不影响树脂固化。通常，使用无机颜料，有机颜料影响树脂的固化。49、PPT学习与交流、3矩阵功能、平衡负载、转移负载(将单根光纤粘合成一体)；保护纤维，防止其磨损；赋予复合材料各种特性(耐热性、耐腐蚀性、阻燃性和耐辐射性)；确定复合材料的生产工艺和成型方法。P21，总结了三个功能。基体材料和纤维之间的粘合强度，基体材料本身的剪切强度和模量。(p21/22)，50，PPT研究与交换，4基质材料的选择原则，产品性能，工艺性能成本与来源，基质材料，综合决策，51，PPT研究与交换，2.3.2基质材料的结构与性能，结构特征：(1)大分子链(103，105个结构单元):线性，支化，支化(2)链长有限的聚合物分子含有官能团或端基。(端基反应)(3)聚合物分子之间的相互作用：如果分子链中的化学键具有一定程度的内部旋转自由度，则它们是柔性的，否则它们是刚性的。52，PPT学习与交流，1。机械性能，1。强度和模量，主要因素是分子内力和分子间力。基质材料的破坏是主链上化学键的断裂或分子间相互作用力的破坏。基体弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维为单束或单束断裂；基体的弹性模量高，并且由于纤维处于拉伸状态时的粘合力，纤维表面的整体强