复合材料期末复习资料.ppt

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1、第二章第二章 复合材料的基体材料复合材料的基体材料 复合材料原材料包括基体材料和增强体材料复合材料原材料包括基体材料和增强体材料基基体体作作用用：固固结结、保保护护增增强强体体，传传递递、承承受受荷载（力、热、电等）；荷载（力、热、电等）；基基体体类类型型：塑塑料料（热热固固性性、热热塑塑性性）、金金属属、无机非金属（陶瓷、无机非金属（陶瓷、C C、水泥等）水泥等）21 金属材料金属材料 用用于于MMC的的主主要要品品种种：铝铝及及铝铝合合金金、镁镁合合金金、钛钛合合金金、镍镍合合金金、铜铜与与铜铜合合金金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物。铅、钛铝、镍铝金属间化合物。合合理理选选择择品品种种的的重

2、重要要性性：正正确确选选择择基基体体对对能能否否充充分分组组合合和和发发挥挥基基体体金金属属和和增增强强物物的的性性能能特特点点，获获得得预预期期的的优优异异综综合合性性能十分重要。能十分重要。选择基体的基本原则选择基体的基本原则总总原原则则：充充分分发发挥挥基基体体和和增增强强体体性性能能特特点点，获获得得预期的优异综合性能，满足材料的使用要求。预期的优异综合性能，满足材料的使用要求。在选择基体金属时应考虑因素：在选择基体金属时应考虑因素：MMCMMC的使用要求的使用要求的使用要求的使用要求 MMCMMC的组成特点的组成特点的组成特点的组成特点 基体金属与增强物的相容性基体金属与增强物的相容

3、性基体金属与增强物的相容性基体金属与增强物的相容性1 1）MMC的使用要求的使用要求 不不同同应应用用领领域域、不不同同工工况况条条件件对对复复合合材材料料构构件件的性能要求有很大差异。的性能要求有很大差异。航航天天、航航空空领领域域：高高高高比比比比强强强强度度度度、比比比比模模模模量量量量+尺尺尺尺寸寸寸寸稳稳稳稳定定定定性性性性。如如飞飞行行器器、卫卫星星构构件件，宜宜选选用用密密度度较较小小的的轻轻金金属属合合金金镁镁合合金金和和铝铝合合金金，与与高高强强度度、高模量纤维高模量纤维C和和B，如，如C/Mg、C/Al、B/Al。高高性性能能发发动动机机：高高高高比比比比强强强强度度度度、

4、比比比比模模模模量量量量+耐耐耐耐高高高高温温温温。如如喷喷气气发发动动机机叶叶片片、转转轴轴，选选择择钛钛基基合合金金、镍镍基合金及金属间化合物。如基合金及金属间化合物。如SiC/Ti、W/Ni。汽汽车车发发动动机机：耐耐耐耐热热热热+耐耐耐耐磨磨磨磨、导导导导热热热热，及及低低低低成成成成本本本本，如如活塞、缸套，选择活塞、缸套，选择C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al。电电子子领领域域：高高高高导导导导热热热热+低低低低膨膨膨膨胀胀胀胀，如如电电子子封封装装材材料料，选选择择高高导导热热的的银银、铜铜、铝铝等等与与高高导导热热、低低膨膨胀胀的石墨纤维、金刚石、碳化硅颗粒复合。的石墨纤

5、维、金刚石、碳化硅颗粒复合。2 2）金属基复合材料的组成特点金属基复合材料的组成特点连续纤维增强连续纤维增强连续纤维增强连续纤维增强CRMMCCRMMC：基体的主要作用是以充：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。良好的相容性和塑性。如：如：Cf/Al中，纯铝或含有少量合金元素的铝中，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好得多。且铝合金合金作为基体比高强度铝合金好得多。且铝合金强度越高，其强度越高，其MMC的性能越低。的性能越低。非连续增强非连续增强非连续增强非连续增强DRMMCDRMMC：基

6、体是主要承载物，基体：基体是主要承载物，基体强度对强度对MMC具有决定性的影响。因此需选用高性具有决定性的影响。因此需选用高性能金属基体。能金属基体。不同基体铝基复合材料性能比较不同基体铝基复合材料性能比较SiCp/Al增强体临界体积分数与基体强度之间关系增强体临界体积分数与基体强度之间关系20%SiC/Al的性能和增强率的性能和增强率 3 3）基体金属与增强物的相容性）基体金属与增强物的相容性基体与纤维的相容性基体与纤维的相容性基体与纤维的相容性基体与纤维的相容性：良好的浸润性、稳定的界面。：良好的浸润性、稳定的界面。例例：Cf/Al，在在纯纯铝铝中中加加入入少少量量的的Ti、Zr等等元元素

7、素，可可明明显显改改善善MMC的界面结构和性质，大大提高的界面结构和性质，大大提高MMC的性能。的性能。Fe、Ni高高温温时时会会破破坏坏Cf的的结结构构，使使其其丧丧失失原原有有强强度，因此不能直接用作度，因此不能直接用作Cf的基体。的基体。纤维表面处理纤维表面处理选择合适的成型方法，（选择合适的成型方法，（Tt），），cast/PM 2.1.2 结结构复合材料的基体构复合材料的基体按制品使用温度要求分按制品使用温度要求分为为：用于用于450以下的以下的MMC轻轻金属基体金属基体用于用于450-700的的MMC金属基体金属基体用用于于1000以以上上的的高高温温MMC的的金金属基体属基体 1

8、）用于）用于450以下以下MMC的的轻轻金属基体金属基体目目前前研研究究发发展展最最成成熟熟、应应用用最最广广泛泛的的MMC是是铝铝基基和和镁镁基基复复合合材材料料，用用于于航航天天飞飞机机、人人造造卫卫星星、空空间间站站、汽汽车车发发动动机机零零件件、刹刹车车盘盘等等，部部分分已已形形成成工工业业化化规模生产。规模生产。对对于于不不同同类类型型的的复复合合材材料料应应选选用用合合适适的的铝铝或或镁镁合合金基体。金基体。CRMMC：一一般般选选用用纯纯铝铝或或含含合合金金元元素素少少的的单单相相铝合金；铝合金；DRMMC：则选用具有高强度的铝合金。：则选用具有高强度的铝合金。部分铝合金和镁合金

9、的成分和性能部分铝合金和镁合金的成分和性能 2）用于用于450-700的的MMC金属基体金属基体钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在度高等特点，可在450-700使用。使用。SiC/Ti制成的制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。部分钛合金的成分和性能部分钛合金的成分和性能合金牌号合金牌号密度密度g/cm3热热膨膨胀胀系数系数10-6K-1导热导热率率W/（m）抗拉抗拉强强度度MPa模量模量GPa工工业纯钛业纯钛TA14.518.016.3345685100TC14.558.010.

10、2411753118TC34.458.48.4991118TC114.489.36.310301225123TB24.838.58.9912961110ZTC44.408.98.6940114 3）用于）用于1000以上的高温以上的高温MMC金属基体金属基体用于用于1000以上的基体材料主要是镍基、铁基耐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、铁基热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、铁基高温合金。高温合金。W/Ni合金，可以大幅度提高其高温性能合金，可以大幅度提高其高温性能高温高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1-3倍，主倍

11、，主要用于高性能发动机叶片等重要零件。要用于高性能发动机叶片等重要零件。铌基、金属间化合物基铌基、金属间化合物基MMC可用于更高温度，尚可用于更高温度，尚处于研究阶段。处于研究阶段。高温金属基复合材料的基体合金成分和性能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基体合金及成分密度密度g/cm3持久持久强强度度MPa1100100h高温比高温比强强度度m1031100100hZh36Ni-12.5-7W-4.8Mo-5Al-2.5Ti12.5138112.5EPD16Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb8.35163.5Nimocast713CNi-12.5Cr-2.5Fe

12、/2Nb-4Mo-6Al-1Ti8.04861.3Ni-35W-15Cr-2Al-2Ti9.152325.4 2.1.3 功能用功能用MMC的基体的基体 电电子子、信信息息、能能源源、汽汽车车工工业业等等领领域域，要要求求材材料料和和器器件件同同时时具具有有高高力力学学性性能能、高高导导热热、低低热热膨膨胀胀、高高导导电电率率、高高抗抗电电弧弧烧烧蚀蚀性性、高高磨磨擦擦系系数数和和耐磨性等综合物理性能。例如：耐磨性等综合物理性能。例如：电电子子封封装装：热热热热膨膨膨膨胀胀胀胀系系系系数数数数小小小小、导导导导热热热热性性性性好好好好，以以便便将将热热量量迅迅速速传传走走，避避免免产产生生热热

13、应应力力，提提高高器器件件可可靠靠性性。SiCp/Al、C/Cu；集集电电和和电电触触头头：导导导导电电电电性性性性好好好好、抗抗抗抗电电电电弧弧弧弧烧烧烧烧蚀蚀蚀蚀，基基体体选选铝、铜、银，增强体铝、铜、银，增强体Cf、金属丝、陶瓷颗粒、金属丝、陶瓷颗粒耐耐磨磨零零部部件件（汽汽车车发发动动机机）：要要求求耐耐耐耐磨磨磨磨、导导导导热热热热性性性性好好好好、热热热热膨膨膨膨胀胀胀胀系系系系数数数数适适当当。基基体体选选Al、Mg、Cu、Zn、Pb，增强体，增强体SiC、Al2O3、Gr。22 陶瓷材料陶瓷材料2.2.1 陶瓷材料发展历史及概念内涵陶瓷材料发展历史及概念内涵 传统陶瓷：是采用粘

14、土及其天然矿物质经粉碎加工、成型、烧结等过程制得，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷，其主要原料是硅酸盐矿物，所以归属于硅酸盐类材料。特种陶瓷：高温陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、高导热陶瓷、高耐腐蚀陶瓷，所用材料不局限于天然矿物，而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工材料。现代陶瓷：是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来的又具有与传统陶瓷不同的鲜明特点的一类新型陶瓷。它早已超出传统陶瓷的概念和范畴，是高新技术的产物 2.2.2 陶瓷的分类陶瓷的分类1.按化学成分分类按化学成分分类氧氧化化物物陶陶瓷瓷：Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO、Cr2O3及及莫莫莱莱石石（3Al2O32SiO2

15、）和和尖尖晶晶石石（MgAl2O4）等等，这这类类CMC避避免免在在高高温温、高高应应力力环环境境下下使使用用，因因为为Al2O3、ZrO2的的抗抗热热震震性性差差、SiO2高高温温下下容容易易发发生生蠕蠕变变和和相变。相变。碳碳化化物物陶陶瓷瓷：一一般般具具有有比比氧氧化化物物陶陶瓷瓷更更高高的的熔熔点点。最最常常用用的的是是SiC、WC、B4C、TiC，制制备备过过程程应应有有气气氛氛保保护护；耐耐热温度约为热温度约为9001000氮氮化化物物陶陶瓷瓷：具具有有优优良良的的综综合合力力学学性性能能和和耐耐高高温温性性能能。应应用用最最广广泛泛的的是是Si3N4，还还有有TiN、BN、AlN

16、、C3N4；耐耐热热温温度约为度约为13001700，BN可达可达2000 硼硼化化物物陶陶瓷瓷：主主要要用用作作添添加加剂剂或或第第二二相相加加入入其其它它陶陶瓷瓷中中以以改善性能，常用改善性能，常用TiB2、ZrB2。2.按性能和用途分类结结结结构构构构陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷：作作为为结结构构材材料料用用于于制制作作结结构构零零件件，主主要要使使用用其其力力学学性性能能。如如强强度度、韧韧性性、硬硬度度、模模量量、耐耐磨磨性性、耐耐高高温温性性等等，上上述述按按化化学学组组成成分分类类的的四四大大陶陶瓷瓷大大多多数数为为此此类类，如如Al2O3、Si3N4、ZrO2都都是是力力学学性性能能优优异

17、异的的代代表表性性结结构构陶陶瓷瓷功功功功能能能能陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷：作作为为功功能能材材料料用用来来制制造造功功能能器器件件，主主要要使使用用期期物物理理性性能能。如如电电磁磁性性能能、热热性性能能、光光性性能能、生生物物性性能能等等。例例如如铁铁电电陶陶瓷瓷用用其其电电磁磁性性能能制制造造电电磁磁元元件件，介介电电陶陶瓷瓷用用于于制制造造电电容容器器，压压电电陶陶瓷瓷用用于于制制造造位位移移或或压压力力传传感感器器，生生物物陶陶瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。2.2.3 陶瓷材料的特点陶瓷材料的特点陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点优点：优点：1）高硬度：决定了

18、优异的耐磨性；）高硬度：决定了优异的耐磨性；2）高熔点：决定了杰出的耐热性；）高熔点：决定了杰出的耐热性；3）高化学稳定性：决定了良好的耐腐蚀性）高化学稳定性：决定了良好的耐腐蚀性缺点：脆性，需要增韧缺点：脆性，需要增韧复合材料复合材料 2.2.4 陶瓷的力学性能陶瓷的力学性能弹性性能：陶瓷是脆性材料，满足胡克定弹性性能：陶瓷是脆性材料，满足胡克定律。律。表表2-4陶瓷的弹性模量陶瓷的弹性模量硬度：硬度：表表2-5陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度强度：强度：表表2-6陶瓷材料的室温强度陶瓷材料的室温强度断裂韧性：断裂韧性：表表2-7陶瓷材料与金属断裂韧性陶瓷材料与金属断裂韧性的比较的比较表表2-4

19、 陶瓷的陶瓷的弹弹性模量性模量材料材料E/GPa材料材料E/GPa金金刚刚石石1000Si3N4220 0320320WC400 0650650SiO294SiC450ZrO2160 0241241Al2O3390莫莱石莫莱石145TiC379玻璃玻璃35 54545AlN310 0350350Cf310 0450450表表2-5 陶瓷的陶瓷的维维氏硬度氏硬度值值材料材料HV/GPa材料材料HV/GPa金金刚刚石石90Si3N420MgO6.6ZrO21416SiC33莫莱石莫莱石16Al2O323.7B4C16SiO25.4C-BN70表表2-6 陶瓷的室温陶瓷的室温强强度度材料材料弯曲弯曲

20、强强度度/MPa拉伸拉伸强强度度/MPa烧结烧结Al2O3（5%气孔率）气孔率）烧结烧结ZrO2（5%气孔率）气孔率）烧结烧结莫莱石（莫莱石（5%气孔率）气孔率）热压热压Si3N4（1%气孔率气孔率烧结烧结SiC（2%气孔率）气孔率）烧结烧结WC（2%气孔率）气孔率）热压热压TiC（2%气孔率）气孔率）350580138240175620965450520790825275450200300138100350580-240275表表2-7 一些陶瓷和一些金属断裂一些陶瓷和一些金属断裂韧韧性比性比较较材料材料KIC/MPam1/2Al2O3ZrO2Si3N4SiCB4C41512563.5656

21、马马氏体氏体时时效效钢钢Ni-Cr-Mo钢钢Ti6Al14V7075铝铝合金合金10045405023 聚合物材料聚合物材料 聚合物（高分子化合物）：聚合物（高分子化合物）：是指那些是指那些众多众多原子或原子团原子或原子团主要以主要以共价键共价键结合而成的结合而成的相相对分子质量在一万以上对分子质量在一万以上的化合物。的化合物。特性：聚合物分子量很大，因而具有与低特性：聚合物分子量很大，因而具有与低分子同系物完全不同的物理性能。如高分分子同系物完全不同的物理性能。如高分子化合物具有高软化点、高强度、高弹性、子化合物具有高软化点、高强度、高弹性、其溶液和熔体具有高粘度等性质。其溶液和熔体具有高粘

22、度等性质。PMCPMC中聚合物的主要作用是：把纤维粘接在中聚合物的主要作用是：把纤维粘接在一起；分配纤维间的荷载；保护纤维不受一起；分配纤维间的荷载；保护纤维不受环境影响。环境影响。分类：热固性树脂和热塑性树脂两大类。分类：热固性树脂和热塑性树脂两大类。2.3.1 热固性树脂热固性树脂热固性树脂定义：低分子物在引发剂、促热固性树脂定义：低分子物在引发剂、促进剂作用下生成的三维体形网状结构聚合进剂作用下生成的三维体形网状结构聚合物。固化物加热不软化，不溶不融。物。固化物加热不软化，不溶不融。不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂环氧树脂环氧树脂酚醛树脂酚醛树脂其它热固性树脂其它热固性树脂1）不饱和聚酯树脂

23、定义：主链上同时具有重复酯键和不饱和定义：主链上同时具有重复酯键和不饱和双键的一类聚合物。双键的一类聚合物。主要优点：工艺性好、固化物的综合性能主要优点：工艺性好、固化物的综合性能好、价格低廉、品种多。好、价格低廉、品种多。主要缺点：固化收缩率大，耐热性、强度主要缺点：固化收缩率大，耐热性、强度和模量较低，因此很少用于受力很大的制和模量较低，因此很少用于受力很大的制品中。品中。使用方法：树脂、引发剂、促进剂按配比使用方法：树脂、引发剂、促进剂按配比配制，并按固化制度固化。配制，并按固化制度固化。2）环氧树脂定义：分子主链上含有两个或两个以上环定义：分子主链上含有两个或两个以上环氧基团的聚合物。

24、氧基团的聚合物。主要优点：形式多样、粘附力强、收缩率主要优点：形式多样、粘附力强、收缩率低、力学性能好、尺寸稳定、化学稳定性低、力学性能好、尺寸稳定、化学稳定性好。好。主要缺点：工艺性差，价格高。主要缺点：工艺性差，价格高。使用方法：使用方法：3）酚醛树脂定义：酚类和醛类的聚合物。定义：酚类和醛类的聚合物。主要优点：良好的机械强度、耐热性能、主要优点：良好的机械强度、耐热性能、突出的耐高温烧蚀性能。突出的耐高温烧蚀性能。主要缺点：吸附性不好、收缩率高、脆性主要缺点：吸附性不好、收缩率高、脆性大、制品空隙含量高。大、制品空隙含量高。使用方法：树脂使用方法：树脂+固化剂加热固化，酚醛树固化剂加热固

25、化，酚醛树脂改性。脂改性。4）其它热固性树脂有机硅树脂：分子主链上含有硅氧键的聚有机硅树脂：分子主链上含有硅氧键的聚合物。合物。200250下可长时间使用，仍保下可长时间使用，仍保持优良的电性能，憎水防潮性。持优良的电性能，憎水防潮性。呋喃树脂：含有呋喃结构的聚合物。热稳呋喃树脂：含有呋喃结构的聚合物。热稳定性、高耐腐蚀性、脆性。定性、高耐腐蚀性、脆性。聚酰亚胺、双马来酰亚胺：耐热性好，可聚酰亚胺、双马来酰亚胺：耐热性好，可在在200200230下长期使用。下长期使用。2.3.2 热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂定义：指线型或支链型聚合物。热塑性树脂定义：指线型或支链型聚合物。特特点点：遇遇热热

26、软软化化或或熔熔融融，冷冷却却后后又又变变坚坚硬硬，可反复回收利用。可反复回收利用。PMCPMC用高性能热塑性树脂优点：耐热性好用高性能热塑性树脂优点：耐热性好聚苯硫醚：聚苯硫醚：300300短期荷载、短期荷载、240 240 长期；长期；聚砜和聚醚砜：聚砜和聚醚砜：200 200 下长期使用；下长期使用；聚醚醚酮：聚醚醚酮：160 160 长期使用。长期使用。高性能热塑性树脂缺点：成型难、成本高。高性能热塑性树脂缺点：成型难、成本高。复习题1.复合材料用基体主要类型；复合材料用基体主要类型；2.选择选择MMC基体的基本原则；基体的基本原则；3.举例说明如何选择结构复合材料的金属基举例说明如何选择结构复合材料的金属基体材料；体材料；4.陶瓷材料的基本特点；陶瓷材料的基本特点；5.PMC的基体类型及其特点。的基体类型及其特点。