第二章 复合材料的基体

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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。
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(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℃。
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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
合金，主要用于航空发动机等零件上。
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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。 美国己成功地试制成碳化硅纤维增强钛复合 材料，用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高 性能航空发动机。
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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。
到更大的约束，因此能使化合物在高温下保 持强度。
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金属间化合物的缺点是它们的韧性非常低，主 要原因有两个： （１）结构组织中低的对称性导致滑移系不足 （２）晶体界面结合较弱。
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功能用金属基复合材料的基体
功能用金属基复合材料随着电子、信息、
能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受
ZL10 ×铝硅合金 ZL20 ×铝铜合金 ZL30 ×铝镁合金 ZL40 ×铝锌合金 LY 硬铝合金 LC 超硬铝合金 LF 防锈铝合金 LD 锻造铝合金
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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。
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(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。
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变的温度，所以是相钛的稳定剂。
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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。
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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
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
用塑性较好的基体。实验证明，此时如果采用较高
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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。
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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。
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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。 其中，研究较为成熟的是镍基高温合金，金 属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。
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。
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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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。
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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。
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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 它在高温条件下工作的零件。
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另外，用钨丝、增强镍基合金还可以大幅度 提高其高温性能。如高温持久性能和高温蠕变性 能，一般可提高1.3倍，主要用于高性能航空发动 机叶片等重要零件。
到各方面的重视，面临广阔的发展前景。
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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。
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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。
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钛有两种晶形，-钛具有六方密堆积排列
结构，低于885℃时稳定； -钛是体心立方结构， 高于885℃时稳定。
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金属铝能提高钛由向相转变的温度，所以 铝是相钛的稳定剂。而大多数其他合金元素(Fe、
Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由向相转
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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。
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② 根据金属基复合材料组成特点
颗粒增强复合材料
基体占90～25 vol.%
晶须、短纤维增强复合材料 基体占80～90 vol.%
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1.金属材料
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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金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、
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(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。
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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。
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：
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① 根据金属基复合材料的使用要求
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
第二章
复合材料的基体材料
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Outline
• • • • 金属材料 陶瓷材料 无机胶凝材料 聚合物材料
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基体(matrix)的概念？
基体是复合材料中固结增强物、传递和承受各种载 荷（力、热、电）的作用的部分。
基体材料在复合材料中占很大比重，以金属基复合材料为例: 连续纤维增强复合材料 基体占50～70 vol.%，最佳60 vol.％
墨/铝、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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例如，电子领域的集成电路，由于电子 器件的集成度越来越高，单位体积中的元件 数不断增多，功率增大，发热严重，需用热 膨胀系数小、导热性好的材料做基板和封装
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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。
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中、美常见铝合金对照表
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1××× 工业纯铝 2 ××× Al-Cu、Al-Cu-Mn 3 ××× Al-Mn 4 ××× Al-Si 5 ××× Al-Mg 6 ××× Al-Mg-Si 7 ××× Al-Mg-Si-Cu 8 ××× 其他铝合金
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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/铝复合 材料可制作发动机活塞、缸套等零件。
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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。
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
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；
耐热性、抗腐蚀性等均将影响金属基复合材料的比
强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能。
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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
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。