复合材料的基体材料课件.ppt

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1、复合材料学授课人：杨妹娟兰州交通大学2012.2第二章复合材料的基体材料一、金属材料1.选择金属基体材料的原则（1）根据金属基复合材料的使用要求来选择（2）根据金属基复合材料的组成特点选择对于连续纤维增强复合材料，选塑性好相容性好的；对于非连续性增强复合材料，选高强度合金为基体。（3）根据基体金属与增强物的相容性选择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（2）用于450～700℃的复合材料的金属基体——

2、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功能复合材料的基体金属同时要求高力学性能、高导热、低的热膨胀系数、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性。如：继承电路中，基板和封装材料，集电材料，电池极板等。二、无机胶凝材料水泥，石膏，菱苦土，水玻璃等。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。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

3、陷而破碎。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。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。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：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。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

4、蚀等性能，但脆性大。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。2氧化物陶瓷Al2O3（刚玉）—典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温和高温强度。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M

5、gO、Y2O3等。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。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℃）。

6、后者是将加适当的助烧剂(MgO,Al2O3,1600~1700℃)烧结。氮化硼和氮化钛陶瓷氮化硼陶瓷BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的陶瓷。高温（1500～2000℃)高压（6~9×103MPa）下可转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。氮化钛陶瓷TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点（2950℃）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰材料。TiN还有导

7、电性，可用作熔盐电极以及电触头等材料；TiN具有较高的超导临界温度，还是一种优良的超导材料。四、聚合物材料1.复合材料中常用的聚合物种类（1）不饱和聚酯树脂。用于玻璃纤维复合材料（2）环氧树脂。性能优异，用于碳纤维复合材料和优质玻璃纤维复合材料。（3）酚醛树脂。性能较差，且需高压成形，用于短纤维增强。（4）各种热塑性聚合物。用于碳纤维复合材料。耐高温聚酰亚胺最具实际意义。2聚合物基体的作用三个主要作用：（1）粘结作用；（2）分配纤维间的载荷；（3）保护纤维不受环境影响。基体强度高，基体与纤维胶合强，

8、则材料脆性。胶合强度过低，像纤维束，总强度低。总等胶合强度，横跨树脂或纤维扩展的裂纹会转向，并且沿纤维方向扩展，导致吸收能量，韧性好。基体与纤维间的相互作用能明显地影响裂纹在复合材料中的扩展。基体的强度也对裂纹扩展有影响。基体强度高基体/纤维胶合强材料表面脆性断面整齐胶合强度低像纤维束一样，总强度低中等胶合强度横跨树脂或纤维扩展裂纹会转向，并且沿纤维方向扩展，导致吸收能量这种形式破坏的复合材料是韧性的在应力水平不确定的情况下使用在纤维排列精度较低的情况下选软的基体在明