复合材料的基体材料(2)

用塑性较好的基体。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。
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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。 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。
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② 根据金属基复合材料组成特点
选用不同类型的增强材料如连续纤维、短纤维
或晶须，对基体材料的选择有较大影响。
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例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主 要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体 本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求 基体本身有很高的强度。 因此，考虑到要充分发挥纤维的作用，希望选
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相反。对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属 基复合材料，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。
所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度
铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体
的选择完全不同。 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。
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高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能
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Ａ、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
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③ 基体金属与增强物的相容性
首先，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。
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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。
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、
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其次，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。
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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。 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
第三章
复合材料的基体材料
复合材料的原材料包括基体材料和增强材料。
基体材料主要包括以下三部分：
金属基体材料、陶瓷基体材料和聚合物基体材料
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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
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金属基复合材料学科主要涉及材料表面、 界面、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。
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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、
钛铝金属间化合物等。
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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考虑以下几方面：
硼/铝复合材料。
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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、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。
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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
高比模量的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、
汽车等领域。
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在发动机，特别是燃气轮机中所需要的结
构材料是热结构材料，要求复合材料零件在高
温下连续安全工作，工作温度在650～1200 ℃ 左右，同时要求复合材料有良好的抗氧化、抗
蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性质。
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铝、镁复合材料一般只能用在450 ℃左
的强度，使复合材料性能恶化。
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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。
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2、结构用金属基复合材料的基体
用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构 件的复合材料一般均要求有高的比强度和比刚度， 因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金 属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是 铝基、镁基复合材料，用它们制成各种高比强度、
合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。
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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。
右、而钛合金基体复合材料可用到650℃ 、
而镍、钴基复合材料可在1200℃使用。 另外，还有最近正在研究的金属间化合
物为热结构复合材料的基体。
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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。
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下表列出了一些基体金属和合金的主要特性
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用作高温金属基复合材料的基
体合金的成分和性能列于下表中。