复合材料课件-1

高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要 靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合 材料来满足需求。
例如，电子领域的集成电路，由于电子器件的集成度越来 越高，单位体积中的元件数不断增多，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零
颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的
铝合金。
(2)用于450-700 ℃的复合材料的金属基体
目前主要是钛及其合金。
这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，
钛丝
钛有两种晶形，--钛具有六方密堆积排列结构，低于
885℃时稳定； --钛是体心立方结构，高于885℃时 稳定。 金属铝能提高钛由向相转变的温度，所以铝是相钛 的稳定剂。而大多数其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、
钛合金的成分和性能
(3) 用于600-900 ℃的复合材料的金属基体
铁和铁合金是在600-900 ℃范围内使用的金属基体。
在金属基复合材料中使用的铁，主要是铁合金，按加工工
艺分为变形高温合金和铸造高温合金。
铁基变形高温合金是奥氏体可塑性变形高温合金，主要组 成为15％～60％铁，25％～55％镍和11％～23％铬。 根据不同的使用温度，分别加入钨、钼、铌、钒、钛等合 金元素进行强化。
基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综
合性能满足使用要求十分重要。所以，在选择基体
金属时应遵循以下3个原则：
① 根据金属基复合材料的使用要求
金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材 料最重要的依据。
a. 如在航天、航空技术中，高比强度和比模量以及尺寸
稳定性是最重要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件宜
相变、凝固、塑性形变、断裂力学等。
金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属
合金。
１、金属基体材料的选择原则
金属与合金的品种繁多，目前用作金属基体材料的
主要有: 铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、钢
与铜合金、锌合金、铅、钛铝金属间化合物、铜等。
一些基体金属和合金的主要特性
基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和发挥
中国只是汽车消费大国，没掌握核心技术！！！
c. 工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料
作为散热元件和基板。因此，可以选用具有高导热率的
银、铜、铝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。
一些金属间化合物的性能
（c）金属铜作为基体材料
铜是优良的导体，其导电率为银的94％。铜的塑性 好，强度和弹性模量不高，热膨胀系数大，容易铸 造和加工。
铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体的基
体材料。
3 功能用金属基复合材料的基体
功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车
等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视， 面临广阔的发展前景。 高技术领域的发展要求材料和器件具有优良的综合物 理性能，如同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、
实例1:如碳纤维增强铝基复合材料中，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要好得多，使用 后者制成的复合材料的性能反而低。
实例2:在研究碳铝复合材料基体合金的优化过程中发现，铝
合金的强度越高，复合材料的性能越低。这可能与基体和 纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性等有关。
b.对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，
镍合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨 丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重 要零件。 与世界航空强国相比，航空发动 机是我国航空工业的软肋！！！
b. 在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的
高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因 此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒 （短纤维）/铝基复合材料。如碳化硅/铝复合材料、碳纤 维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等
复合材料
第二章 复合材料基体
Southwest University
Contents
1
金属基体材料
2
陶瓷基体材料
无机胶凝材料 聚合物基体材料
本教材
3
4
一、金属基体材料
１、金属基体材料的选择原则 2、结构用金属基复合材料的基体
3、 功能用金属基复合材料的基体
金属基复合材料学科主要涉及材料表面、界面、
(a) 铝和铝合金
铝
铝合金
铝是一种低密度、较高强度和具有耐腐蚀性能的金属。在实际 使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素形成合金，由于 加入的这些元素在铝中的溶解度极为有限，因此，这类合金通 常称为沉淀硬化合金，如A1--Cu--Mg和A1--Zn--Mg--Cu等沉淀 硬化合金。
近年来，为航空和航天工业开发出的A1--Li系列合金，进一步
基体的强度对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用 较高强度的合金来作为基体。
实例1:如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金 （如A365，6061，7075）为基体。
③ 基体金属与增强物的相容性
a. 由于金属基复合材料需要在高温下成型，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。 界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时 将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易 引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。
用铁、镍作为基体，碳纤维作为增强物是不可取的。因 为Ni，Fe元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化， 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。
因此，选择基体材料时，应充分注意与增强物的相容性
（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中 抑制界面反应。例如： 对增强纤维进行表面处理； 在金属基体中添加其他成分； 选择适宜的成型方法； 缩短材料在高温下的停留时间等。
b.由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些合
金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物
也不同，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择
既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定 的界面合金元素。
实例1:如碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量
的Ti，Zr等合金元素可明显改善复合材料的界面结构 和性质，大大提高复合材料的性能
持强度
金属间化合物的缺点:韧性非常低 主要原因：结构组织中低的对称性导致滑移系不足; 体界面结合较弱。 改进方法: 在冶金过程中，采用快速凝固法以及向Ni3Al一类金属间化合物 中添加硼，由于硼可以迁移到晶面，使其增强，故金属间化合物 的韧性有所改善。加入0.06％(质量分数)的硼可使韧性从20％ 增加到50％左右。
提高了铝的弹性模量，降低了材料的密度。
(b)
镁和镁合金
镁
镁合金
镁是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差，因
此，通常是在镁中加入铝、锌、锰、锆及稀土元素而
形成镁合金。 目前常用的镁合金主要包括Mg--Mn，Mg--Al--Zn， Mg---Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合 材料的基体。
对于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁合金基体: 连续纤维增强金属基复合材料一般选用纯铝或含合金 元素少的单相铝合金；
零件。
美 国 权 威 汽 车 杂 志 《Ward’s Auto World》 2010年世界十大汽车发动机排名
1、宝马3.0L DOHC L6 Turbodiesel 使用涡轮增压技术 2、奥迪2.0L TFSI Turbocharged DOHC L4 使用汽油直喷技 术(FSI) 3、丰田1.8L DOHC L4 Hybrid 4、斯巴鲁2.5L Turbocharged DOHC H4 Boxer 使用水平对 置发动机 5、大众2.0L Turbocharged DOHC L4 Diesel 使用TDI柴油 发动机 6、现代 4.6L DOHC V8 使用可变气门正时技术 7、福特 2.5L DOHC L4 HEV 8、奥迪 3.0L TFSI Supercharged DOHC V6 使用汽油直喷 技术(FSI)知识 9、福特 3.5L Twin-Turbocharged DOHC V6 10、通用2.4L DOHC L4
选用密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金）作为基体， 与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、 石墨/铝、硼/铝复合材料。
F18战斗机
波音767
高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度和比模量，
还要具有优良的耐高温性能，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，而应选择钛合金、
2、结构用金属基复合材料的基体
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
在这个温度范围内使用的金属基体主要是铝、镁和它们 的合金，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。例如， 用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、
刹车盘等，并已形成工业规模生产。
能。如高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1.3倍， 主要用于高性能航空发动机叶片等重要零件
高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能
(b)
金属间化合物
金属间化合物种类繁多，用于金属基复合材料的金属间化
合物通常是一些高温合金，如铝化镍，铝化铁、铝化钛等， 使用温度可达1600℃。
在这些高温合金的晶体结构中，原子主要以长程有序方式 排列。由于这种有序在金属间化合物中发生位错 要 比在 无序合金中受到更大的约束，因此能使化合物在高温下保