复合材料概论复合材料的基体材料
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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
1
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。
2
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
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。
10
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。
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。
30
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。
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。
14
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。
15
3 基体金属与增强物的相容性
5
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
6
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。
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
3
航空、航天领域
轻质、高强结构材 料：如B/Al复合材料
电子领域
低热膨胀系数、 高导热系数
4
高体份（60-70%）碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件
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
16
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。
17
如何增强基体 与增强物的相
容性？
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 金属基体百度文库—镍基、铁基耐热合金 和金属间化合物
20
1 用于450℃以下的轻金属基体——铝、镁合金
7
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
8
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。
9
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。
21
各种牌号铝、镁合金的成分和性能
22
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。
23
钛合金的成分和性能
24
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。
25
高温金属基复合材料的基体合金成分和性能
26
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。
27
➢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。
28
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。
29
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。
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
18
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。
19
2.1.2 结构复合材料的基体
11
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。
12
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
金属材料 陶瓷材料 聚合物材料
1
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。
2
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
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。
10
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。
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。
30
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。
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。
14
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。
15
3 基体金属与增强物的相容性
5
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
6
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。
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
3
航空、航天领域
轻质、高强结构材 料：如B/Al复合材料
电子领域
低热膨胀系数、 高导热系数
4
高体份（60-70%）碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件
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
16
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？
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 金属基体百度文库—镍基、铁基耐热合金 和金属间化合物
20
1 用于450℃以下的轻金属基体——铝、镁合金
7
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
8
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。
9
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。
21
各种牌号铝、镁合金的成分和性能
22
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。
23
钛合金的成分和性能
24
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。
25
高温金属基复合材料的基体合金成分和性能
26
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
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。
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
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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
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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