《复合材料力学》2复合材料的基体材料(标准版)

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。
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。
20
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。
21
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。
强材料与基体复合而成的复合材料。
4
复合材料性能的综合比较
使用温度 ℃
强度 耐老化
导热性 W/(mK)
耐化学 腐蚀
树脂基复 合材料
60~250
可设计
最差
0.35~0.45
最好
金属基复 合材料
400~600
可设计
一般
50~65
一般
陶瓷基复 1000~150
可设计
合材料
0
5
最好
0.7~3.5
最好
工艺 成熟 一般 复杂
氮化硅陶瓷(Si3N4)
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。
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。
39
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。
常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、 非氧化物陶瓷等。
40
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。
三次结构：就是通常所说的工程结构或产品结构。其力学 性能取决于层合体的力学性能和结构几何。
7
复合材料结构设计基础
同样，复合材料设计也可分为三个层次 单层材料设计：包括正确选用增强材料、基体材
料及其配比。该层次决定单层板的性能。 铺层设计：对铺层材料的铺层方案做出合理安排。
该层次决定层合板的性能。 结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸。 这三个层次，互为前提、互相影响、互相依赖。
常见的有：碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化 铝纤维增强微晶玻璃基复合材料。
43
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。
44
Al2O3（刚玉）—典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温 和高温强度。
45
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。
46
6
复合材料结构设计基础
复合材料不仅是材料，更确切的说是结构，是用纤维等增 强的层合结构。
一次结构：由基体和增强材料复合而成的单层材料。其力 学性能取决于，组份材料的力学性能、相几何（各种材料 的形状、分布、含量）和界面区的性能。
二次结构：由单层材料层合而成的层合体。其力学性能取 决于单层材料的力学性能和铺层几何（单层的厚度、铺设 方向、铺层序列）。
11
1
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
2
3
与树脂基复合材
与陶瓷材料相
料相比，金属基 比，金属基复合
复合材料具有优 材料具有高韧性
良的导电、导热 和高冲击性能、
性，高温性能好， 热膨胀系数小等
可焊接
优点
12
航空、复合材料
16
1
2
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
组成的特点
体的相容性
17
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。
3
3.复合材料的分类
按增强材料形态分类： ① 连续纤维复合材料：作为分散相的纤维，每根纤维的两
个端点都位于复合材料的边界处。 ② 短纤维复合材料：短纤维无规则的分布在基体材料中制
成的复合材料。 ③ 颗粒填料复合材料：微小颗粒无规则地分散在基体材料
中制成的复合材料。 ④ 编制复合材料：以平面二维或立体三维纤维编织物为增
关系：微观力学在解释机理、发掘材料本质，特别是在 提出设计和改进复合材料方案中十分重要。但微观力学 总是在某些假定的基础上建立起分析模型以模拟复合材 料，所以微观力学的分析结果必须用宏观试验来验证。
9
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
10
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。
4.复合材料的基本性能 复合材料是由多相材料复合而成，其共同性能特点是： 1. 可综合发挥各种组成材料的优点，是一种材料具有多种
性能（或者具有天然材料没有的性能）。 2. 可按照对材料性能的需要进行材料的设计和制造。 3. 可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。 影响复合材料性能的因素：（试说出5个影响因素？） 1. 增强材料的性能、含量和分布情况。（3个变量） 2. 基体材料的性能和含量。（2个变量） 3. 增强材料与基体材料之间的相界面。（1个变量） 4. 复合材料产品的成型工艺和结构设计。（2个变量）
32
钛合金的成分和性能
33
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
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。
34
高温金属基复合材料的基体合金成分和性能
35
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。
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。
37
2.2 陶瓷材料
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。
38
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。
在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体； 另一相为分散相，称为增强材料。
复合材料
2
基体材料（连续相）：黏结保护分散相和传递应力。 增强材料（分散相）：抵抗变形和破坏。
2.复合材料的命名
规范命名： 增强材料（在前）+基体材料（在后）+复合材料 例：玻璃纤维环氧树脂复合材料 简化命名： 增强材料（简写）/基体材料（简写）+复合材料 例：玻璃/环氧复合材料 强调命名： 为突出增强材料或者基体材料，视强调的组分不同可称为 “玻璃纤维复合材料”或“环氧树脂复合材料”
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。
典型代表：Li2O-Al2O3-SiO2
41
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。
42
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。
电子领域
低热膨胀系数、 高导热系数
13
高体份（60-70%）碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件
14
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
15
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。
设计人员必须把材料性能和结构性能同时考虑， 并将它们统一在同一个设计方案中。
8
复合材料结构设计基础
复合材料力学：主要在单层板和层合板这两个结构层次 上展开，研究内容可以分为微观力学和宏观力学两大部 分。
微观力学：主要研究纤维、基体组分性能与单层板性能 的关系。
宏观力学：主要研究层合板的刚度、强度和温室环境的 影响等。
22
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。
23
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。
28
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
用于450～700℃的复合材料的金属 （2） 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
29
1 用于450℃以下的轻金属基体——铝、镁合金
《复 合 材 料 力 学》
主讲教师：刘震磊
沈阳航空航天大学
第一章：复合材料
1.1复合材料概述 1.定义 复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质
不同的物质组合而成的一种多相固体材料。（国际标准
化组织International Organization for Standardization, ISO）
24
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
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
25
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。
26
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
27
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。
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。
36
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。
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。
30
各种牌号铝、镁合金的成分和性能
31
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。
18
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。
19
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