复合材料概论基体材料ppt课件.ppt

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1、2022-7-28上海大学1复合材料及其应用复合材料及其应用 Composite Materials and their ApplicationComposite Materials and their Application上海大学材料学院电子信息材料系2二、基体材料二、基体材料p 概述概述p 聚合物基聚合物基p 金属基金属基p 无机非金属基无机非金属基上海大学材料学院电子信息材料系32.1 基体材料基体材料概述概述o 基体的作用基体的作用: 固结增强相，均衡载荷和传递应力固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。保持基本性质。o 选材原则：选材原则： 强度、刚度等力学性能，只作一般性考

2、虑。强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。 两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。 上海大学材料学院电子信息材料系4o 相容性：相容性： 化学性质稳定，化学性质稳定，润湿性润湿性好，好，膨胀系数差膨胀系数差要要小，以确保两相界面具有小，以确保两相界面具有足够的结合力足够的结合力。o 环境适应性：环境适应性： 耐热耐热、耐蚀耐蚀、抗老化抗老化和适当的硬度。和适当的硬度。o 工艺性：工艺性： 制备是否方便，制备是否方便，成本成本是否合适、低廉等。是否合适、低廉等。上海大学材料学院电子信息材料系52.2 基体材料基体材料 聚合物基聚合物基1、 前前 言言

3、o特特 点：点： 一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；可选择可选择的增强材料的增强材料范围广泛范围广泛，成本最低成本最低。o研究与应用：研究与应用： 发展最发展最早早，品种最，品种最多多，应用最，应用最广广。o可选材料：可选材料： 几乎所有的几乎所有的热固性热固性、热塑性热塑性聚合物。包括橡胶、聚合物。包括橡胶、粘结剂等。粘结剂等。上海大学材料学院电子信息材料系6 (1) 按按树脂热行为树脂热行为: 热固性热固性及及热塑性热塑性。 2聚合物基体材料的分类聚合物基体材料的分类(2) 按按聚集态结构聚集态结构: 非晶非晶(或无定形或无定形)和和结晶结

4、晶(3) 按按树脂特性及用途树脂特性及用途： 一般用途树脂一般用途树脂、耐热性树脂耐热性树脂、耐候性树脂耐候性树脂、 阻燃树脂阻燃树脂等。等。 (4) 按按成型工艺成型工艺： 手糊树脂手糊树脂、喷射树脂喷射树脂、胶衣树脂胶衣树脂、 缠绕树脂缠绕树脂、拉挤树脂拉挤树脂等。等。上海大学材料学院电子信息材料系7 由由饱和二元酸饱和二元酸、不饱和二元酸不饱和二元酸与与二元醇二元醇经缩聚反应合经缩聚反应合 成的成的线型预聚体线型预聚体。COOHCHHOOCn)(2OHCHHOm)(2COOHCHCHHOOCmnCHOCOCHOCO)()(22OCOCHCHOCOp 热固性聚合物热固性聚合物 （-OH、-

5、NH2-、-OCNH-、-CH=CH-）A、结构特征：结构特征：不饱和二元酸结构不饱和二元酸结构+饱和二元酸结构饱和二元酸结构不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂上海大学材料学院电子信息材料系8HOCHCH2CH3OCOCHCHCOOCHCH2CH3OCOCOOHnHOCHCH2CH3O COCHCHCOOCHCH2CH3OCOCOOHnCCH3CH3OCH2OCHCH2CH3CHOOCH3CCCHOCHCCHOOOCHCHOOnB、不饱和聚酯树脂种类不饱和聚酯树脂种类上海大学材料学院电子信息材料系9物理性质：物理性质： 耐热性；耐热性； 力学性能；力学性能； 耐化学腐蚀性能；耐化学腐蚀性能； 介电性

6、能良好；介电性能良好； 固化时体积收缩率较大。固化时体积收缩率较大。化学性质化学性质 ： 共聚、交联反应；共聚、交联反应； 水解反应；水解反应； 耐碱性较差；耐碱性较差； 增粘特性。增粘特性。C、不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂性质性质上海大学材料学院电子信息材料系10D、不饱和聚酯的不饱和聚酯的固固 化化及其及其特点特点上海大学材料学院电子信息材料系11特特 点点 粘度低，工艺性好。粘度低，工艺性好。 综合性能好，价廉，用量约占综合性能好，价廉，用量约占80%80% 。 苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、 强度和模量较低。强度和模量较低。 一般不与高

7、强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复 合制作次受力件。合制作次受力件。上海大学材料学院电子信息材料系12 CH2CHCH2OCCH3CH3OO CH2CHCH2OHOCCH3CH3CH2CHOCH2Onn = 019双酚型环氧树脂：双酚型环氧树脂：CH2CH2OOOH2CHCCH2H2CHCCH2H2CHCCH2OOOn酚醛环氧树脂：酚醛环氧树脂：2、环氧树脂、环氧树脂上海大学材料学院电子信息材料系13CHCH2 2 - CH - CH - CH - CH2 2Cl + n(HO - - R - - OH)Cl + n(HO - - R - - OH) 环氧氯

8、丙烷环氧氯丙烷二酚基化合物二酚基化合物O O碱碱通式：通式：线性预聚体线性预聚体 CHCH2 2 - CH - CH- CH - CH2 2 O - - R - - O O - - R - - O n nO O上海大学材料学院电子信息材料系14 双酚型环氧双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差耐热性好，强度高，韧性差。固化特点：固化特点： 环氧活性基主要环氧活性基主要在链两端，固化在链两端，固化交联点不高交联点不高。上海大学材料学院电子信息材料系15 链内含有环氧基链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热

9、性，交联密度高，结合强度及耐热性 均提高。均提高。 三聚氰酸环氧三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。上海大学材料学院电子信息材料系16上海大学材料学院电子信息材料系17环氧树脂分子中都含有活泼的环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团环氧基团，可与多种固，可与多种固化剂交联，形成网状结构。化剂交联，形成网状结构。 常用固化剂：常用固化剂： 胺（胺（二元胺）二元胺）类固化剂类固化剂、酸酐（酸酐（二元酸酐）二元酸酐）类固类固化剂化剂、咪唑类固化剂咪唑类固化剂、潜伏性固化剂潜伏性固化剂。 潜伏性固化剂潜伏性固化剂/ /潜伏剂：潜伏剂： 单组份产品可加入潜伏剂，如

10、单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺双氰胺，室温下可，室温下可存放存放6 6个月，个月，145 145 165165下，下，80min80min可固化。可固化。（B）环氧树脂固化环氧树脂固化上海大学材料学院电子信息材料系18 粘附力好粘附力好，韧性较好，韧性较好，收缩率低收缩率低。复合材料。复合材料 强度高，尺寸稳定。强度高，尺寸稳定。 电性能好电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘。介电强度高，耐电弧优良的绝缘 材料。材料。 化学稳定性化学稳定性。 热稳定性良好。热稳定性良好。 固化方便固化方便。（C）环氧树脂特点环氧树脂特点上海大学材料学院电子信息材料系19（1 1）概）概 述述3、酚醛树脂、

11、酚醛树脂上海大学材料学院电子信息材料系20o大量大量用于用于粉状模压塑料粉状模压塑料、短纤维增强塑料短纤维增强塑料，o少量少量用于玻璃纤维用于玻璃纤维复合材料复合材料、耐烧蚀材料耐烧蚀材料等，很少使等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。用在碳纤维和有机纤维复合材料中。OHn+ nCHOHOHCH2n+ nH2O苯酚甲醛酚醛树脂上海大学材料学院电子信息材料系21（2）酚醛树脂种类）酚醛树脂种类 上海大学材料学院电子信息材料系22（3）酚醛树脂的改性）酚醛树脂的改性上海大学材料学院电子信息材料系23改性的酚醛树脂改性的酚醛树脂 上海大学材料学院电子信息材料系24（4）酚醛树脂的固化与固化剂）酚

12、醛树脂的固化与固化剂上海大学材料学院电子信息材料系25 耐热性高，可达耐热性高，可达315、价格最低。、价格最低。 粘附性较差，收缩率大粘附性较差，收缩率大,成型压力高、制品成型压力高、制品气孔气孔 率高，性脆。率高，性脆。 引入柔性链引入柔性链。如：。如：聚乙烯醇缩丁醛聚乙烯醇缩丁醛 降低树脂中降低树脂中 -OH 基的含量基的含量。如：以。如：以苯胺苯胺或或二甲二甲 苯苯取代部分苯酚。提高电性能。取代部分苯酚。提高电性能。 硼酸改性酚硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能。吸水性、耐热性、脆性和电学性能 均提高。均提高。 （5） 酚醛树脂的特点和应用酚醛树脂的特点和应用上海大学材料学院电

13、子信息材料系26应应 用：用： 一般一般酚醛树脂酚醛树脂不与不与碳纤维复合，与玻璃纤维复碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于合后，多用于电器绝缘材料电器绝缘材料。但是。但是经改性的酚醛树经改性的酚醛树脂脂可以可以与碳纤维与碳纤维进行较好的复合使用进行较好的复合使用。 由于酚醛树脂碳含量高由于酚醛树脂碳含量高7878，碳化收率达，碳化收率达6363，因此可用于制作因此可用于制作瞬时耐高温烧蚀材料瞬时耐高温烧蚀材料，用于导弹、，用于导弹、航天器载入大气层的防护层。航天器载入大气层的防护层。上海大学材料学院电子信息材料系27上海大学材料学院电子信息材料系28p 热塑性树脂热塑性树脂上海大学材料学院电

14、子信息材料系29 CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度强度高，耐磨性好。使用温度100，吸水率高。，吸水率高。 常用品种：尼龙常用品种：尼龙6、66、1010、610等。等。 （1） 聚丙烯聚丙烯（2） 聚酰胺（尼龙）聚酰胺（尼龙） 柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。 上海大学材料学院电子信息材料系30由由双酚双酚A的钠盐的钠

15、盐 与与 碳酸双酰氯碳酸双酰氯缩聚而成缩聚而成3） 聚碳酸酯聚碳酸酯 刚性苯环，刚性苯环，Tm = 225 250, Tg = 145； 变形小，抗蠕变，尺寸稳定变形小，抗蠕变，尺寸稳定。可与玻璃纤维和。可与玻璃纤维和碳纤维复合。碳纤维复合。上海大学材料学院电子信息材料系31（4） 聚聚 砜砜上海大学材料学院电子信息材料系32(5) 其它的高性能热塑性树脂其它的高性能热塑性树脂. .金属基体材料的选择原则金属基体材料的选择原则（1 1）根据金属基复合材料的使用要求）根据金属基复合材料的使用要求（2 2）根据金属基复合材料组成特点）根据金属基复合材料组成特点（3 3）基体金属与增强体的相容性）基

16、体金属与增强体的相容性2.3 基体材料基体材料 金属基材料金属基材料 金属基复合材料是金属基复合材料是，而制得的复合材料。而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可因此，对这种材料的分类既可来进行、来进行、也可也可来进行。来进行。这是在金属基复合材料中这是在金属基复合材料中的的一种。由于一种。由于为为结构，因此结构，因此具有具有良好的良好的，再加之它所具有的，再加之它所具有的、及及等优点，等优点，为其为其在工程上应用在工程上应用创造了有利的条件。创造了有利的条件。在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是使用时，通常并不是使用纯铝而是纯铝而是。这主要是由于这主要是由于与纯铝相比与纯铝

17、相比，。至于选择何种铝合金做基体，。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中则根据实际中对复合材料的性能需要对复合材料的性能需要来决定。来决定。这种复合材料是以这种复合材料是以制制造的。由于镍的造的。由于镍的，因此这种，因此这种复合材料主要是用于制造复合材料主要是用于制造高温下工作的零高温下工作的零部件部件。人们研制人们研制的一个重要目的，的一个重要目的，即是希望用它来制造即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片燃汽轮机的叶片，从而，从而进一步进一步提高燃汽轮机的工作温度提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于但目前由于及及等问题尚等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。未解决，所以还未能取得满意的结果。比

18、任何其它的结构材料具有比任何其它的结构材料具有。此外，钛此外，钛在中温时在中温时比铝合金比铝合金。 因此，对飞机结构来说，当速度因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速从亚音速提高到提高到超超音速音速时，时，。随着随着速度的进一步加快速度的进一步加快，还需要，还需要，采用，采用更细长的机冀更细长的机冀和和其其它冀型它冀型，为此需要，为此需要，而，而恰可满足这种对材料刚度的要求。恰可满足这种对材料刚度的要求。钛基复合材料中钛基复合材料中最常用的增强体是最常用的增强体是，这是由于这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近钛与硼的热膨胀系数比较接近，如，如下表所示。下表所示。这里的这里的颗粒增强复合材颗粒增强复

19、合材料料是指弥散的硬质是指弥散的硬质的复合材料，的复合材料，而不包括那种而不包括那种很低的弥散强化金属。很低的弥散强化金属。此外，此外，颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料的的一般大于一般大于1um。在这种复合材料中，在这种复合材料中，是主要的是主要的承承载相载相，而，而的作用则在于的作用则在于和和。这种复合材料是指这种复合材料是指，含有，含有重复排列的重复排列的、片层状增强物片层状增强物的复合材料。的复合材料。层状复合材料的层状复合材料的和和比较接近。比较接近。因为因为相当相当于结构件的大小于结构件的大小。 金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维可分为可分为、和和，它们均属于，它们均属于。

20、因此，因此，由纤维增强的复合材料由纤维增强的复合材料均表现出明显均表现出明显的的特征。特征。当当用用增增强时，强时，和和是复合材料是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料具有相当大的作用。具有相当大的作用。 1.1. 根据金属基复合材料的使用要求根据金属基复合材料的使用要求2.2. 根据金属基复合材料组成特点根据金属基复合材料组成特点3.3. 基体金属与增强体的相容性基体金属与增强体的相容性二二. .金属基体材料的选择原则金属基体材料的选择原则金属基复合材料构件的金属基复合材料构件的是选择金属基体材料最重要的是选择金属基体材料最重要的依据。依据。如在如在航天、

21、航空技术航天、航空技术中，高中，高和和以及以及是最重是最重要的性能要求；作为要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件飞行器和卫星的构件宜选用密度小的宜选用密度小的（如镁合金和铝合金）作为（如镁合金和铝合金）作为，与高强度、高模量的，与高强度、高模量的、等组成等组成/、/、/复合材料。复合材料。则要求复合材料不仅有则要求复合材料不仅有和和，还要具有，还要具有优良的优良的，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用，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，而应选择一般的铝、镁合金，而应选择、以及以及作为基作为基体材料。体材料。如如、复合材料可用于喷气复合材料可用于喷气发动机叶片

22、、转轴等重要零件。发动机叶片、转轴等重要零件。在在中要求其零件中要求其零件、一定的、一定的等，等，同时又要求同时又要求，适合于，适合于，因此选用，因此选用与与、组成颗粒（短纤维）组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。铝基复合材料。如如复合材料、复合材料、复合材料可制作复合材料可制作发动发动机活塞机活塞、缸套缸套等零件。等零件。需要需要、的金属基复合材料作为的金属基复合材料作为散热元件散热元件和和基板基板。因此，可以选用具有高导热率的因此，可以选用具有高导热率的银银、铜铜、铝铝等金属为等金属为基体基体与高导热与高导热性、低热膨胀的超高模量性、低热膨胀的超高模量石墨纤维石墨纤维、金刚石纤维金刚石纤维、

23、碳化硅颗粒碳化硅颗粒复合成具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。材料。选用不同类型的选用不同类型的如如连续纤维连续纤维、短纤维短纤维或或晶须晶须，对基体，对基体材料的选择材料的选择。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为主，基体本身应与纤维有为主，基体本身应与纤维有，而并不要求基体本身，而并不要求基体本身有很高的强度。有很高的强度。因此，考虑到要充分因此，考虑到要充分的作用，希望选用的作用，希望选用。实验证明，。实验证明，此时

24、如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。此时如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。如如复合材料中，复合材料中，或含有少量合金元素的或含有少量合金元素的作为作为比比要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。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在研究碳铝复合材料中发现，中发现，铝合金的强度越高，复合铝合金的强度越高，复合材料的性能越低材料的性能越低。这可能与基体和纤维的。这可能与基体和纤维的界面状态界面状态、脆性相的存在脆性相的存在、基体本身的基体本身的塑性塑性等有关。等有关。相反。对于相反。对于，对复合材料具有决定性的影响，因此，要选

25、用对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用来作为基体。来作为基体。所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用作为基作为基体，这与体，这与连续纤维增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。基体的选择完全不同。如如一般选用一般选用（如（如A365，6061，7075）为基体。）为基体。首先，由于首先，由于金属基复合材料金属基复合材料需要在需要在，制备过程中，制备过程中，处于处于高温热力学非平衡状态下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。应，在界面形成反应层。大多是脆性的

26、，当反应层达到一定厚度后，材料受大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因力时将会因界面层的断裂伸长小界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起容易引起纤维断裂纤维断裂，导致复合材料整体破坏。，导致复合材料整体破坏。其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些与与的的，反应后生成的，反应后生成的，需在选用需在选用基体合金成分基体合金成分时充分考虑，尽可能选择时充分考虑，尽可能选择既有利于既有利于，又有利于又有利于。如如复合材料中，在复合材料中，在少量的少量的TiTi，ZrZr等等

27、可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大提高复合材提高复合材料的性能料的性能。用用作为基体，作为基体，是不可取的。因为是不可取的。因为NiNi，FeFe元素在高温时能有效地元素在高温时能有效地，破坏了碳纤维的结构，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。使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化。 用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料一般均要求有材料一般均要求有和和，因此大多选用铝及，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铝合金、镁及镁合金作

28、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，用它们制成各种种、的轻型结构件，广泛的用于宇航、航的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车等领域。空、汽车等领域。复合材料一般只能用在复合材料一般只能用在450 左左右、而右、而基体复合材料可用到基体复合材料可用到650 、而而复合材料可在复合材料可在1200使用。使用。另外，还有最近正在研究的另外，还有最近正在研究的为为。 在这个温度范围内使用的金属基体主要是在这个温度范围内使用的金属基体主要是和和，而且而且主要是以合金的形式主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于被

29、广泛的应用。例如，用于航天飞机航天飞机、人人造卫星造卫星、空间站空间站、汽车发动机零件汽车发动机零件、刹车盘刹车盘等，并已形成工业规模等，并已形成工业规模生产。生产。 是一种是一种低密度低密度、较高强度较高强度和具有和具有耐腐蚀耐腐蚀性能的金属。性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入在实际使用中，纯铝中常加入、等元素形成等元素形成，由于加入的这些元素在铝中的，由于加入的这些元素在铝中的溶解度溶解度极为极为有限有限，因此，因此，这类合金通常称为这类合金通常称为，如，如A1-Cu-Mg和和A1-Zn-Mg-Cu等沉淀硬化合金。等沉淀硬化合金。是一种比铝更轻的金属，但镁的是一种比铝更轻的金属，但镁的

30、机械性能较差机械性能较差，因此，因此，通常是在镁中加入通常是在镁中加入铝铝、锌锌、锰锰、锆锆及及稀土稀土元素而形成元素而形成。目前目前主要包括主要包括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。等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。对于对于应选用合适的应选用合适的。例如，例如，复合材料一般选用复合材料一般选用或含合金元或含合金元素少的素少的；而而复合材料则选择具有高强度的复合材料则选择具有高强度的。通过各种研究表明，在这个温度范围内可以作为金属基通过各种研究表明，在这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是复合材料基体使

31、用的，目前主要是。有两种晶形，有两种晶形，具有具有排列结构，低于排列结构，低于885时稳定；时稳定； 是是结构，高于结构，高于885时稳定。时稳定。 金属金属能提高钛由能提高钛由 向向 相转变的温度，所以铝是相转变的温度，所以铝是。而大多数。而大多数(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由能降低钛由 向向 相转变的温度，所以是相转变的温度，所以是。 钛钛在较高的温度中在较高的温度中能保持高能保持高，优良的，优良的和和性能。它具有较高的性能。它具有较高的和和，是一，是一种理想的种理想的航空、宇航应用材料航空、宇航应用材料。具有具有比重轻比重轻、耐腐蚀耐腐蚀、耐氧化耐氧化、强度高等强度

32、高等特点，特点，是一种可在是一种可在450700 温度下使用的合金，主要用于航空发温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。动机等零件上。钛合金的成分和性能钛合金的成分和性能现在已用于现在已用于的钛合金的成分和性能如下的钛合金的成分和性能如下是在此温度范围内使用的金属基体。是在此温度范围内使用的金属基体。在在中使用的铁，主要是中使用的铁，主要是，按加工工艺分，按加工工艺分为为变形高温合金变形高温合金和和铸造高温合金铸造高温合金。 其中，铁基其中，铁基是奥氏体是奥氏体可塑性可塑性变形高温合金，主要变形高温合金，主要组成为组成为1560铁，铁，2555镍和镍和1123铬。铬。 此外，根据不同的

33、使用温度，分别此外，根据不同的使用温度，分别加入加入钨、钼、铌、钒、钛等钨、钼、铌、钒、钛等合金元素合金元素进行强化。进行强化。是以铁为基体，是以铁为基体，用铸造工艺用铸造工艺成型的高温合成型的高温合金，基体为面心立方体结构的奥氏体。金，基体为面心立方体结构的奥氏体。铁基铁基、分别用于制造燃气涡轮发分别用于制造燃气涡轮发动机的动机的燃烧室燃烧室和和涡轮轮盘涡轮轮盘、涡轮导向叶片涡轮导向叶片等。等。用于用于1000 以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是和和。其中，研究较为成熟的是其中，研究较为成熟的是，复合复合材料尚处于材料尚处于研究阶段研究阶段。在金

34、属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，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，可形成镍基可形成镍基和镍基和镍基。镍基镍基以镍为基体以镍为基体(含量一般大于含量一般大于50)，加入，加入钨钨、钼钼、钴钴、铬铬、铌铌等等，使用温度在，使用温度在6501000，具有较高，具有较高的的强度强度、良好的、良好的抗氧化抗氧化和和抗燃气腐蚀抗燃气腐蚀能力，用于制造能力，用于制造燃气涡轮发动燃气涡轮发动机机的的燃烧室燃烧室等。等。镍基镍基是以镍为基体，用是以镍为基体，用成型的高温合金，成型的高温合金，能在能在6001100的的氧化氧化和和燃气腐蚀气氛燃气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长

35、期中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制造可靠地工作，主要用于制造涡轮转子叶片涡轮转子叶片和和导向叶片导向叶片及其他在高温及其他在高温条件下工作的零件。条件下工作的零件。金属间化合物种类繁多，而金属间化合物种类繁多，而的金属间化合的金属间化合物通常是一些物通常是一些，如，如铝化镍铝化镍，铝化铁铝化铁、铝化钛铝化钛等，使用温度等，使用温度可达可达1600。是它们的是它们的，主要原因有两个：，主要原因有两个：（）结构组织中（）结构组织中导致滑移系不足导致滑移系不足（）晶体（）晶体。另外，金属另外，金属也可以作为也可以作为基体材料基体材料。铜是铜是，其导电率为银的，其导电率为银的94。铜的。

36、铜的塑性好塑性好，强度和强度和弹性模量不高弹性模量不高，热膨胀系数大热膨胀系数大，容易铸造和加工容易铸造和加工。铜在复合材料中的主要用途是作为铜在复合材料中的主要用途是作为的基体材料。的基体材料。功能用金属基复合材料功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车等工业技随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。高技术领域的发展要求高技术领域的发展要求具有具有，如同时具有如同时具有高力学性能高力学性能、高导热高导热、低热膨胀低热膨胀、高导电率高导电率、高抗电弧高抗电弧烧蚀性烧蚀性、高摩擦系

37、数高摩擦系数和和耐磨性耐磨性等。等。目前目前主要用于微电子技术的主要用于微电子技术的电子封电子封装装、用于、用于高导热高导热、耐电弧烧蚀耐电弧烧蚀的的集电材料集电材料和和触头材料触头材料、耐高、耐高温摩擦的温摩擦的耐磨材料耐磨材料、耐腐蚀的、耐腐蚀的电池极板电池极板材料等。材料等。主要选用的主要选用的是是、等金属。等金属。用于用于的的的基体主要是的基体主要是和和。 例如，高例如，高含量的含量的(SiCpAl)、(SiCpCu)复合材料；复合材料；高模、超高模高模、超高模增强增强(Cr/Al)、(Cr/Cu)复合材料；复合材料；或或增强增强复合材料；复合材料；复合材料等。复合材料等。用于用于的金

38、属基复合材料的的金属基复合材料的主要是常用的主要是常用的、等等。例如：例如：碳化硅碳化硅、氧化铝氧化铝、石墨颗粒石墨颗粒、晶须晶须、纤维纤维等增强等增强、等金属基复合材料。等金属基复合材料。传统的陶瓷传统的陶瓷是指是指陶器陶器和和瓷器瓷器，也包括，也包括玻璃玻璃、水泥水泥、搪瓷搪瓷、砖瓦等人造等人造无机非金属材料无机非金属材料。由于这些材料都是含二氧化硅的由于这些材料都是含二氧化硅的，如，如粘土粘土、石灰石石灰石、砂子砂子等为原料制成的，所以等为原料制成的，所以也是也是。2.4 基体材料基体材料 陶瓷基材料陶瓷基材料随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的随着现代科学技术的发展，出现了许多

39、性能优异的，它们不仅含有，它们不仅含有，还有，还有、和和等。等。 是是的固体化合物，其键合为的固体化合物，其键合为或或，与金属不同，它们，与金属不同，它们。一般而言，陶瓷具有比金属更一般而言，陶瓷具有比金属更和和，非常稳定，非常稳定，性、性、性皆好。性皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在通常的陶瓷是绝缘体，在下也可以下也可以，但比金属，但比金属导电性差得多。导电性差得多。虽然虽然的许多性能优于金属，但它也存在致命的的许多性能优于金属，但它也存在致命的，即，即，很容易因存在，很容易因存在裂纹裂纹、空隙空隙、杂质杂质等细微缺陷而破碎，等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为引起不

40、可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为的应用。的应用。主要以主要以两种形态的化合物存两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的在，它们一般应具有优异的性能，与纤维或晶须之间性能，与纤维或晶须之间有有以及以及等。等。常用的陶瓷基体主要包括：常用的陶瓷基体主要包括：、等。等。一些陶瓷材料的物理和机械性能一些陶瓷材料的物理和机械性能玻璃是通过玻璃是通过高温烧结高温烧结而成的一种而成的一种。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后而冷却成为坚硬而冷却成为坚硬的无机材料，即的无机材料，即是玻璃的特征之一。是玻璃的特征之一。许多许多可以通过适当的热处理使其可以通过适当的热处理使

41、其，这一过程称为这一过程称为。由于由于使玻璃成为使玻璃成为，透光性变差，而且因体积变，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。璃化过程。但对于某些玻璃，但对于某些玻璃，反玻璃化过程反玻璃化过程可以可以控制控制，最后能够得到，最后能够得到无残无残余应力余应力的的，这种材料称为，这种材料称为。为了为了实现反玻璃化实现反玻璃化，需要加入成核剂，需要加入成核剂(如如TiO2)。具有具有、和和等特点，玻璃陶瓷等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究在国内外都受到重视。基复合材料的研究在国内外都受到重视。

42、作为基体材料使用的作为基体材料使用的主要有主要有，莫来石莫来石(即富铝红柱石，化学式为即富铝红柱石，化学式为)等，它们的等，它们的溶点在溶点在2000 以上。以上。 氧化物陶瓷氧化物陶瓷的的随随升高而降低，但在升高而降低，但在1000 以下以下降低较小。降低较小。因此，因此，氧化物陶瓷基氧化物陶瓷基复合材料应避免复合材料应避免使使用。这是由于用。这是由于A12O3和和ZrO2的的抗热震性抗热震性较差，较差，SiO2在高温下容易发在高温下容易发生生蠕变和相变蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的虽然莫来石具有较好的和和，但使，但使用温度也不宜超过用温度也不宜超过1200 。以氧化铝以氧化铝()为主要成

43、分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力学仅有一种热动力学，即，即 -Al2O3 ，属六方晶系。属六方晶系。包括包括高纯氧化铝瓷高纯氧化铝瓷，99氧化铝瓷氧化铝瓷，95氧化铝瓷氧化铝瓷和和85氧化铝瓷氧化铝瓷等品种，其氧化铝含量等品种，其氧化铝含量(质量分数质量分数)依此为依此为999、99、95和和85，烧结温度依次为，烧结温度依次为1800、1700、1650和和1500。以氧化锆以氧化锆()为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度度5.65.9 g / cm3，熔点熔点2175 。 氧化锆在氧化锆在110

44、0时，从时，从迅速转变为迅速转变为，此可逆转变，此可逆转变伴随有伴随有79的体积变化。的体积变化。由于氧化锆具有由于氧化锆具有，故在氧化锆陶瓷的烧结过程，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量中加入适量、等与等与ZrO2结构近似的氧化物作为结构近似的氧化物作为，形成稳定的，形成稳定的结构。结构。稳定的氧化锆陶瓷的稳定的氧化锆陶瓷的和和小，小，良好，高温时具有良好，高温时具有。非氧化物陶瓷是指非氧化物陶瓷是指的的、和和。它们的特点是它们的特点是和和好，好，也很强。也很强。和和的的约约9001000 。略低些，略低些，的表面能形成的表面能形成，所以，所以达达13001700 。具有类似石墨的具有类似石

45、墨的，在，在(1360 )和和作用下可转变成作用下可转变成的的 氮化硼，耐热温度高达氮化硼，耐热温度高达2000 ，硬度极高，可作为金刚石的代用品。硬度极高，可作为金刚石的代用品。以氮化硅以氮化硅(为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有硅陶瓷有，即，即 和和 两种两种，由于氮化硅中，由于氮化硅中Si-N键结合强度高键结合强度高，属难烧结物质。，属难烧结物质。不同制备方法的氮化硅的一些物理性能不同制备方法的氮化硅的一些物理性能以以(BN)为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷。氮化为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷。氮化硼是硼是，有，有和和两种晶型结构。两种晶型结构。氮

46、化硼可以分为下面的三种：氮化硼可以分为下面的三种：，这是一种这是一种晶型，晶型，类似于石墨，理论密类似于石墨，理论密度为度为227gcm3。，它一种它一种晶型，结构和硬度都类似于钻石，理晶型，结构和硬度都类似于钻石，理论密度为论密度为348gcm3。，它也是一种它也是一种晶型，理论密度为晶型，理论密度为3.48g/cm3。 由于由于具有类似于石墨的结构，具有具有类似于石墨的结构，具有和和等特点，故称等特点，故称“”，在热压陶瓷过程中在热压陶瓷过程中主要主要被当作被当作使用。使用。与石墨不同，是与石墨不同，是，六方晶型，六方晶型BN的莫氏硬度为的莫氏硬度为2，无明显熔点，升华分解温度为无明显熔点

47、，升华分解温度为3000，理论密度，理论密度2.27g/cm3。BN的的优异，可在优异，可在900以下的以下的中和中和2800以下的以下的中使用。中使用。如果把如果把加入到加入到中，则混合物中，则混合物(20)为为15.0728.89W(mK)，且随温度变化不大；且随温度变化不大；热膨胀系数热膨胀系数约为约为(57)*106K，好。好。电阻率电阻率为为1011 .m（1000高温下为高温下为102104 .m)，介电常数介电常数为为3.05.3，介电损耗因子为，介电损耗因子为(28)*l04，击穿电击穿电压压为为950kVcm，高温下也能保持绝缘性，高温下也能保持绝缘性，耐耐碱碱、酸酸、金属金

48、属、砷化镓砷化镓和和玻璃熔渣玻璃熔渣侵蚀侵蚀，对大多数，对大多数金属和玻璃熔体金属和玻璃熔体不润湿不润湿，也也不反应不反应。以碳化硅以碳化硅()为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。SiC是一种是一种和和的材料，以热压法制造的的材料，以热压法制造的SiC可以用来作为可以用来作为的刀具。的刀具。SiC还具有优异的还具有优异的性能，性能，性能。性能。SiC并不在自然界中存在，主要通过并不在自然界中存在，主要通过、和和等制备技术获得。等制备技术获得。SiC一般有两种晶型，即一般有两种晶型，即 -SiC(六方六方晶型晶型)和和 -SiC(立方立方晶型晶型) ，Si-C键属于典型的共价键。键属于典型的共价键。不同方法制备的不同方法制备的的一些性能的一些性能以碳化硼以碳化硼(为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷。为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷。B4C是一种是一种、陶瓷。碳化硼粉体是陶瓷。碳化硼粉体是由由B2O3和和C在电弧炉中发生下列反应所得：在电弧炉中发生下列反应所得：COCBCOB672432游离碳含量可以用近似计量游离碳含量可以用近似计量w游离碳游离碳（128w总碳总碳-27.7) /100B4C粉末可以通过粉末可以通过、等制备技术形成致密的等制备技术形成致密的材料，其主要性能如下表所示：材料，其主要性能如下表所示：