复合材料概论第2章--复合材料的基体材料

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国产太行战机用涡轮风扇航空发动机——高温高性能高铌钛铝合金材料
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2.1.1 选择基体的原则
金属与合金品种繁多，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，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属 间化合物等。 基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥
基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综 合性能十分重要。
第二章 复合材料的基体材料

金属材料 陶瓷材料 聚合物材料
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2.1 金属材料
现代科学技术的发展对材料性能的要求越来
越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的
发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，
这促进了金属基复合材料的迅猛发展。
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1
2
3 与陶瓷材料相 比，金属基复合 材料具有高韧性 和高冲击性能、 热膨胀系数小等 优点
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高
纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反
应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的
方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约
1350℃）。后者是将加适当的助烧剂
(MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
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氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷
BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此
化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的表：Li2O-Al2O3-SiO2
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微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数 较大等特点，同时还具有一定的机械强度。
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为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤 维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，
化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应具
有良好的惰性不被基体液相腐蚀。
常见的有：碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化
（2）
用于450～700℃的复合材料的金属 基体——钛合金
（3）
用于1000℃以上的高温复合材料的 金属基体——镍基、铁基耐热合金 和金属间化合物
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1 用于450℃以下的轻金属基体——铝、镁合金
铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天 飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、 刹车盘等方面。
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各种牌号铝、镁合金的成分和性能
铝纤维增强微晶玻璃基复合材料。
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2 氧化物陶瓷

应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，
莫来石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高
硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆
性大。

主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。
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Al2O3（刚玉）—典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温
和高温强度。
TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材 料；TiN具有较高的超导临界温度，还是一种优良 的超导材料。
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碳化硅陶瓷
材 料 制备温 度（℃） 抗弯强度
（室温三点）Mpa
密度 /g· cm-3 3.09~3.12 3.19~3.2 2.95~3.21 2.6 3.11 3.1
弹性模量 /MPa 380~420×103 440×103 480×103 206×103 －
TiO+2C=TiC+CO
TiC陶瓷的烧结方法主要有热压法。透明的TiC陶瓷是 较好的光学功能材料。
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二硅化钼陶瓷
MoSi2是介于无机非金属与金属间化合物之
间的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点 2030℃，800 ℃以上发生氧化反应形成SiO2保 护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温 连接材料。
纤维与金属发生化学反应， 在界面形成反应层
脆性界面反应层受力产生的裂纹引起 复合材料结构破坏
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在选择基体时，应充分注意与增强物的 相容性（特别是化学相容性），并考虑到尽 可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界
面反应。
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如何增强基体 与增强物的相 容性？
A 对增强纤维进行表面处理改性 B 在金属基体中添加其他成分 C 选择适宜的成型方法
镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中， 用钨丝、钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空
发动机叶片。
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高温金属基复合材料的基体合金成分和性能
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2.1.3 功能用金属基复合材料的基体
目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合
材料）主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导
热、耐电弧烧蚀的集电材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐 蚀的电池极板材料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合 金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。 功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导 热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧 烧蚀性差等缺点。
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用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合
材料，高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝 复合材料等。 用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶 须、纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合 材料。 用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、
铜、银及合金材料。
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2.2 陶瓷材料
与传统金属材 料相比，金属 基复合材料具 有较高的比强 度、比刚度和 耐磨性
与树脂基复合材 料相比，金属基 复合材料具有优 良的导电、导热 性，高温性能好， 可焊接
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轻质、高强结构材 料：如B/Al复合材料
航空、航天领域
电子领域
低热膨胀系数、 高导热系数
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高体份（60-70%）碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件
ZrO2—使用温度达2000～2200℃，主要用作耐火坩锅， 反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型：
立方结构（C相）、四方结构（t相）和单斜结构（m相）， 加入适量的稳定剂后，t相可以亚稳定状态存在于室温， 称部分稳定ZrO2。在压力作用下发生t-m马氏体转变，称 应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力 场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用的稳定 剂有MgO、Y2O3等。
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3 非氧化物陶瓷
指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。
自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶
瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定 的金属键成分。
共价键结合能比较高—材料有高的耐火度、高的硬度
（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能 力低。
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氮化硅陶瓷(Si3N4)
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2 用于450~700℃以下的复合材料基体——钛合金
钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、 强度高等特点，用碳化硅纤维增强的钛基复合 材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航 空发动机。
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钛合金的成分和性能
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3 用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体—— 镍基、铁基耐热合金和金属间化合物
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注意：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）
纤维作为增强物。

因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化， 破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能 提高复合材料的综合性能。
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2.1.2 结构复合材料的基体
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——铝、 镁合金
有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的 陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6~9×103MPa ）下可 转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金刚石，是 极好的耐磨材料。
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氮化钛陶瓷
TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点 （2950℃）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。 是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰 材料。
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高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温性、
抗氧化
如：钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体， 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、火箭发动机箱体
材料。
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汽车发动机：耐热、耐磨、导热、一定高温强度、
成本低廉
如：选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进 行复合，如碳化硅/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等 复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。
传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的
天然硅酸盐矿物质制成。 现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、 硼化物、氮化物等。
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单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因存在
的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。

在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维 或晶须，可提高陶瓷的韧性。
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作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优 良的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的 界面相容性以及较好的工艺性能等。
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碳化硼和碳化钛陶瓷 —碳化钛陶瓷
碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型)。晶格常数为 0.4319nm，密度为4.93～4.9 g· cm-3 ，熔点为3160～ 3250℃，1.15K时TiC呈现超导特性，TiC莫氏硬度9～ 10，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。 TiC粉末制 取方法： 2TiO2+C=Ti2O3+CO Ti2O3+C=2TiO+CO
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2.3 聚合物材料
2.3.1 基体材料的组分及作用
1. 聚合物基体：
基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工 艺及价格。（几乎不是单一的，还包括辅助材料）辅助 材料的加入可以改变材料的使用性能，工艺性，成本，
应用范围等等。因此辅助材料的研究也极为重要。
要求：具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老 化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。
1600～ 1700 1950～ 2100 1950～ 2100
－
4.9×10-6 41
烧结SiC （掺B）
碳化硼和碳化钛陶瓷 —碳化硼陶瓷
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。耐 碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻 型装甲陶瓷等。 B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得： B2O3+C→B4C B4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度 过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。
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2 辅助剂：
（1）交联剂（引发剂、促进剂）
交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合
交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形 成的物质。也称为固化剂。(为什么要用交联剂？常用的交联剂，p25) 引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、 双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固
常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、 非氧化物陶瓷等。
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1 微晶玻璃

微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中
形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶
材料，又称为玻璃陶瓷。

微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相 的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中 了玻璃与陶瓷的特点。
线膨胀系数 /(20~1000℃)
反应烧结SiC 热压SiC CVD SiC涂层 重结晶SiC 烧结SiC
（掺SiC－B4C ）
1600～ 1700 1800～ 2000
159~424 718~760 731~993 ~170 ~280 ~540
5.2~4.4×10-6 4.8×10-6 － －
1200～ 1800
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工业集成电路：高导热、低膨胀
如：银、铜、铝作为基体，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，用作散热元件和基板。
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2 金属基复合材料组成特点
针对不同的增强体系，应充分分析和考虑
增强物的特点来正确选择基体合金材料。
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对于连续纤维增强的金属基复合材料：
基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性 能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而
不要求基体本身有高强度，可选用铝、镁作基体。
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对于非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）的 金属基复合材料： 基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，
可选用高强度的铝合金（如，A365，6061，
7075）而不用铝作为基体。
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3 基体金属与增强物的相容性
界面破坏产生原因：
金属基复合材 料高温成型
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3
金属基复合材料 金属基复合材料 基体金属与增强 的使用要求 体的相容性 组成的特点
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1 金属基复合材料的使用要求
不同领域、不同工况下对复合材料构件的性
能要求不同。

航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性、 密度小
如：镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量 的石墨纤维、硼纤维进行复合。