复合材料概论课件王国荣 第二章 复合材料的基体材料课件

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1、第二章复合材料的基体材料基体作用：传递荷载、保护增强体；基体类型：塑料（热固性、热塑性）、金属、无机非金属（陶瓷、C、水泥等）2．1金属材料用于MMC的主要品种：铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物。合理选择品种的重要性：正确选择基体对能否充分组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十分重要。2.1.1选择基体的基本原则在选择基体金属时应考虑因素：MMC的使用要求MMC的组成特点基体金属与增强物的相容性1）MMC的使用要求不同应用领域、不同工况条件对复合材料构件的性能要求有很大差异。航天、航空器元件：高比强

2、度、比模量+尺寸稳定性。宜选用密度较小的轻金属合金—镁合金和铝合金，如C/Mg、C/Al、B/Al。高性能发动机叶片、转轴：高比强度、比模量+耐高温。选择钛基合金、镍基合金及金属间化合物。如SiC/Ti、W/Ni。汽车发动机活塞、缸套：耐高温+耐磨、导热，选择C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al。高集成电子器件：要求高导热+低膨胀，选择高导热率的银、铜、铝等与高导热性、低膨胀的石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合。2）金属基复合材料的组成特点连续纤维增强MMC：基体的主要作用是以充分发挥增强材料性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性。如：连续C/Al中

3、，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好得多。且铝合金强度越高，其MMC的性能越低。非连续增强MMC：基体是主要承载物，基体强度对MMC具有决定性的影响。因此需选用高性能金属基体。3）基体金属与增强物的相容性基体与纤维的相容性：良好的浸润性、稳定的界面。例：在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素，可明显改善MMC的界面结构和性质，大大提高MMC的性能。Fe、Ni高温时会破坏CF的结构，使其丧失原有强度，因此不能直接用作CF的基体。2.1.2结构复合材料的基体按制品使用温度要求分为：用于450℃以下的MMC轻金属基体用于450-700℃的MMC金属基体用

4、于1000℃以上的高温MMC的金属基体1）用于450℃以下MMC的轻金属基体目前研究发展最成熟、应用最广泛的MMC是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并以形成工业化规模生产。对于不同类型的复合材料应选用合适的铝或镁合金基体。连续纤维增强MMC：一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金；颗粒、晶须增强MMC：则选用具有高强度的铝合金。表2-1各种牌号铝、镁合金的成分和性能2） 用于450-700℃的MMC金属基体钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450-700℃使用。SiC/Ti制成的叶片和传动轴等零件

5、可用于高性能航空发动机。表2-2钛合金的成分和性能表2-2钛合金的性能合金牌号密度g/cm3热膨胀系数×10-6K-1导热率W/（m·℃）抗拉强度MPa模量GPa工业纯钛TA14.518.016.3345～685100TC14.558.010.2411～753118TC34.458.48.4991118TC114.489.36.31030～1225123TB24.838.58.9912～961110ZTC44.408.98.69401143）用于1000℃以上的高温MMC金属基体用于1000℃以上的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、铁

6、基高温合金。金属间化合物基MMC尚处于研究阶段。W/Ni合金，可以大幅度提高其高温性能——高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1-3倍，主要用于高性能发动机叶片等重要零件。表2-3高温MMC的基体合金成分和性能表2-3高温金属基复合材料的基体合金成分和性能基体合金及成分密度g/cm3持久强度MPa1100℃100h高温比强度m×1031100℃100hZh36Ni-12.5-7W-4.8Mo-5Al-2.5Ti12.5138112.5EPD16Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb8.35163.5Nimocast713CNi-12.5Cr-2.5Fe

7、/2Nb-4Mo-6Al-1Ti8.04861.3Ni-35W-15Cr-2Al-2Ti9.152325.42.1.3功能用MMC的基体电子、信息能源等高技术领域的发展，要求材料和器件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、高磨擦系数和耐磨性等综合物理性能。如电子器件：集成度越来越高，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材料，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，提高器件可靠性。SiCp/Al、SiCp/Cu；又如汽车发动机零件：要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当。采用SiC、Al2O3、Gr等增强材料增强Al、M

8、g、Cu、