复合材料学(第二章复合材料的基体材料)ppt课件.ppt

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1、复合材料学专业：无机非金属材料教师：孙彦彬第二章复合材料的基体材料2.1金属材料金属基复合材料学科是一门相对较新的材料学科，涉及材料表面、界面、相变、凝固、塑性形变，断裂力学等，仅有30余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特别是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展，对材料提出了更高的性能要求。除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速发展的性能的要求。为

2、了克服单一材料性能上的局限性，充分发挥各种材料特性，弥补其不足，人们已越来越多地使用复合材料，以满足各种特殊和综合性能需求。如用高强度、高模量的硼纤维、碳(石墨)纤维增强铝基、镁基复合材料，既保留了铝、镁合金的轻质、导热、导电性，又充分发挥增强纤维的高强度、高模量，获得高比强度、高比模量、导热、导电、热膨胀系数小的金属基复合材料。这种材料在航天飞机和人造卫星构件上应用，取得了巨大的成功。基体材料是金属基复合材料的主要组成，起着固结增强物、传递和承受各种载荷(力、热、电)的作用。基体在复合材料中占有很大的体积百

3、分数。在连续纤维增强金属基复合材料中基体约占50%-70%的体积，一般占60%左右最佳。颗粒增强金属基复合材料中根据不同的性能要求，基体含量可在90%～25%范围内变化。多数颗粒增强金属基复合材料的基体约占80%～90%。而晶须、短纤维增强金属基复合材料基体含量在70%以上，一般在80%～90%。金属基体的选择对复合材料的性能有决定性的作用，金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、耐热性、抗腐蚀性等均将影响复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能。因此在设计和制备复合材料时，需充分了解和考虑金属基

4、体的化学、物理特性以及与增强物的相容性等，以便于正确合理地选择基体材料和制备方法。一、选择基体的原则金属与合金的品种繁多，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满足使用要求十分重要。在选择基体金属时应考虑以下几个方面：1、金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构(零)件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。不同的应用领域和不同的工业条件

5、对复合材料构件的性能要求有很大的差异。在航天、航空技术中高比强度、比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求。作为飞行器和卫星构件宜选用密度小的轻金属合金—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、石墨/铝、硼/铝复合材料，可用于航天飞行器、卫星的结构件。高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度、比模量性能外，还要求复合材料具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。一般的铝、镁合金就不宜选用，而需选择钛基合金、镍基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

6、超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。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，则选用铝合金作为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、氧化铝/铝复合材料，可制作发动机活塞、缸套等零件。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。选用具有高导热率的银、铜、铝等金属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、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强

7、度、比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。2、金属基复合材料组成特点由于增强物的性质和增强机理的不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维的性能，因此，在连续纤维增强金属基复合材料中基体的重要作用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，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

8、铝合金要好得多，高强度铝合金做基体组成的复合材料性能反而低。铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，这与基体与纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。但对于非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)金属基复合材料，基体是主要承载物，基体是主要承载物，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选