复合材料的研究及应用

复合材料的研究及应用

摘要：复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒

关键词：基体，增强材料，成型工艺，应用

一. 基体

复合材料的基体是将增强体或功能体连接在一起形成复合材料整体的组分。起传递外力载荷与保护增强体和功能体的作用。基体材料可以包括金属基体材料，陶瓷基体材料和聚合物基体材料三个部分。

1.金属基体材料

金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属合金。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。

根据复合材料的不同用处，基体的选择也不同。

1.1.1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、高比模量的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车等领域。

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。

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。

(1) 铝和铝合金

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，进一步提高了铝的弹性模量，降低了材料的密度。

(2)镁和镁合金

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。

例如，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；而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的铝合金。

Ｂ、用于450-700 ℃的复合材料的金属基体

通过各种研究表明，存这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是钛及其合金。

钛有两种晶形，α--钛具有六方密堆积排列结构，低于885℃时稳定；β--钛是体心立方结构，高于885℃时稳定

金属铝能提高钛由α向β相转变的温度，所以铝是α相钛的稳定剂。而大多数其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由α向β相转变的温度，所以是β相钛的稳定剂。

钛在较高的温度中能保持高强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性能。它具有较高的强度／质量比和模量／质量比，是一种理想的航空、宇航应用材料。

钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，是一种可在450～700 ℃温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。

用高性能碳化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒增强钛合金，可以获得更高的高温性能。

C、用于600-900 ℃的复合材料的金属基体

铁和铁合金是在此温度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。

其中，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。

此外，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。

铁基铸造高温合金是以铁为基体，用铸造工艺成型的高温合金，基体为面心立方体结构的奥氏体。

铁基变形高温合金、铸造高温合金分别用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室和涡轮轮盘、涡轮导向叶片等。

D、用于1000 ℃以上的金属基体

用于1000 ℃以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基耐热合金和金属间化合物。

(１) 镍和镍合金

在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，可形成镍基变形高温合金和镍基铸造高温合金。

镍基变形高温合金以镍为基体(含量一般大于50％)，加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度在650～1000℃，具有较高的强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室等。

镍基铸造高温合金是以镍为基体，用铸造工艺成型的高温合金，能在600~1100℃的氧化和燃气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制造涡轮转子叶片和导向叶片及其他在高温条件下工作的零件。

(２)金属间化合物

金属间化合物种类繁多，而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持强度。

另外，金属铜也可以作为基体材料。

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。

1.1.2功能用金属基复合材料的基体。

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、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。

目前功能金属基复合材料主要用于微电子技术的电子封装、用于高导热、耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等。

功能金属基复合材料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。

通过在这些基体中加入合适的增强物就可以得到优异的综合物理性能，满足各种特殊需要。

1.2陶瓷基体材料

陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的耐高温性能，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。

常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。