第3章_復(fù)合材料基體

1、2022-2-151第三章第三章 復(fù)合材料的基體復(fù)合材料的基體2022-2-152基體基體(matrix)的概念的概念基體是復(fù)合材料中固結(jié)增強(qiáng)物、傳遞和承受各種載基體是復(fù)合材料中固結(jié)增強(qiáng)物、傳遞和承受各種載荷（力、熱、電）的作用的部分。荷（力、熱、電）的作用的部分。一般的，基體材料在復(fù)合材料中占較大比重，以金屬基復(fù)合材料為例:連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 基體占5070 vol.%，最佳60 vol.顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 基體占9025 vol.%晶須、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 基體占8090 vol.%2022-2-153基體材料成分的正確選擇，對(duì)能否基體材料成分的正確選擇，對(duì)能否充分組合和發(fā)揮基體和充分組合

2、和發(fā)揮基體和增強(qiáng)物的性能特點(diǎn)增強(qiáng)物的性能特點(diǎn)、獲得預(yù)期的、獲得預(yù)期的十分重要。十分重要。所以，在所以，在時(shí)應(yīng)遵循一定的時(shí)應(yīng)遵循一定的選擇原則選擇原則。2022-2-154的選擇原則的選擇原則 根據(jù)復(fù)合材料的使用要求根據(jù)復(fù)合材料的使用要求 根據(jù)復(fù)合材料組成特點(diǎn)根據(jù)復(fù)合材料組成特點(diǎn) 基體與增強(qiáng)物的相容性基體與增強(qiáng)物的相容性2022-2-155 如在如在航天、航空技術(shù)航天、航空技術(shù)中，高中，高和和以及以及是最重要的性能要求；作為是最重要的性能要求；作為飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密宜選用密度小的度小的（如鎂合金和鋁合金）作為（如鎂合金和鋁合金）作為，與高強(qiáng)，與高強(qiáng)度、高模量的度、高模量

3、的、等組成等組成復(fù)合材料。復(fù)合材料。2022-2-156則要求復(fù)合材料不僅有則要求復(fù)合材料不僅有和和，還要具有優(yōu)良的，還要具有優(yōu)良的，能在高溫、氧化性氣氛，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時(shí)不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇中正常工作。此時(shí)不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇以及以及作為基體材料。作為基體材料。如復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。2022-2-157在在中要求其零件中要求其零件、一定、一定的的等，同時(shí)又要求等，同時(shí)又要求，適合于，適合于，因此選用與組成顆粒（短纖維）/鋁基復(fù)合材料。如如復(fù)合材料、復(fù)合材料、復(fù)合復(fù)合材料可制作材料可制作發(fā)動(dòng)機(jī)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸套缸套等零

4、件。等零件。2022-2-158需要需要的金屬基復(fù)合材料的金屬基復(fù)合材料作為作為散熱元件散熱元件和和基板基板。因此，可以選用具有高導(dǎo)熱率的等金屬為基體與高導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、高比模量等性能的金屬基復(fù)合材料。2022-2-159選用不同類型的選用不同類型的如如連續(xù)纖維連續(xù)纖維、短纖維短纖維或或晶須晶須，對(duì)基體材料的選擇，對(duì)基體材料的選擇。2022-2-1510例如在連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中，基體的主要作用應(yīng)例如在連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中，基體的主要作用應(yīng)是以是以為主，基體本身應(yīng)與纖維有為主，基體本身應(yīng)與纖維有，而并

5、不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。因此，考慮到要充分因此，考慮到要充分的作用，希望選用的作用，希望選用。實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)如果采用較高強(qiáng)度的合金材料，。實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)如果采用較高強(qiáng)度的合金材料，復(fù)合材料的性能將有所降低。復(fù)合材料的性能將有所降低。2022-2-1511如如復(fù)合材料中，復(fù)合材料中，或含有少或含有少量合金元素的量合金元素的作為作為比比要好要好得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。在研究碳鋁復(fù)合材料在研究碳鋁復(fù)合材料中發(fā)中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)，鋁合金的強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的性能越低鋁合金的強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的性能越低。這。這可能

6、與基體和纖維的可能與基體和纖維的界面狀態(tài)界面狀態(tài)、脆性相的存在脆性相的存在、基基體本身的塑性體本身的塑性等有關(guān)。等有關(guān)。2022-2-1512相反。對(duì)于相反。對(duì)于，對(duì)復(fù)合材料具有決定性的影響，對(duì)復(fù)合材料具有決定性的影響，因此，要選用因此，要選用來作為基體。這與來作為基體。這與連續(xù)纖維連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體的選擇完全不同?；w的選擇完全不同。如如一般選用一般選用（如（如A365，6061，7075）為基體。）為基體。2022-2-1513首先，由于金屬基復(fù)合材料需要在，制備過程中，處于高溫?zé)崃W(xué)非平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成反應(yīng)層。大多是脆性

7、的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚度后，大多是脆性的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚度后，材料受力時(shí)將會(huì)因材料受力時(shí)將會(huì)因界面層的斷裂伸長小界面層的斷裂伸長小而產(chǎn)生裂紋，并向周而產(chǎn)生裂紋，并向周圍纖維擴(kuò)展，容易引起圍纖維擴(kuò)展，容易引起纖維斷裂纖維斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。2022-2-1514其次，由于基體金屬中往往含有不同類型的合金元素，這些與的，反應(yīng)后生成的，需在選用基體合金成分時(shí)充分考慮，盡可能選擇盡可能選擇，又有利于，又有利于。2022-2-1515如如復(fù)合材料中，在復(fù)合材料中，在少量的少量的TiTi，ZrZr等等可明顯改善復(fù)合材料的界可明顯改善復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大大提高復(fù)合

8、材料的性能。面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，大大提高復(fù)合材料的性能。用用作為基體，作為基體，是不可是不可取的。因?yàn)槿〉?。因?yàn)镹iNi，F(xiàn)eFe元素在高溫時(shí)能有效地元素在高溫時(shí)能有效地，破壞了碳纖維的結(jié)構(gòu)，使其喪失了原有，破壞了碳纖維的結(jié)構(gòu)，使其喪失了原有的強(qiáng)度，使復(fù)合材料性能惡化。的強(qiáng)度，使復(fù)合材料性能惡化。2022-2-1516因此，選擇基體材料時(shí)，應(yīng)充分注意與增強(qiáng)因此，選擇基體材料時(shí)，應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物的物的（特別是化學(xué)相容性），并盡可能（特別是化學(xué)相容性），并盡可能。例如：。例如：對(duì)增強(qiáng)對(duì)增強(qiáng)進(jìn)行表面處理；進(jìn)行表面處理；在金屬在金屬中添加其他成分；中添加其他成分；選擇適宜的選擇適宜的方法；方法；縮短材料在

9、高溫下的停留縮短材料在高溫下的停留等。等。2022-2-15171 1、常見的金屬基體簡介、常見的金屬基體簡介2022-2-1518結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體在這個(gè)溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體主要是在這個(gè)溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體主要是和和，而且主要是以合金的，而且主要是以合金的形式被廣泛的應(yīng)用。例如，用于形式被廣泛的應(yīng)用。例如，用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、剎航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、剎車盤車盤等，并已形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。等，并已形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。 鈦及鈦合金具有鈦及鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是一種可

10、在特點(diǎn)，是一種可在450700 溫溫度下使用的合金，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等零件上。用高性能碳化硅纖維、碳化鈦顆粒、度下使用的合金，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等零件上。用高性能碳化硅纖維、碳化鈦顆粒、硼化鈦顆粒增強(qiáng)鈦合金，可以獲得更高的高溫性能。美國己成功地試制成碳化硅纖維硼化鈦顆粒增強(qiáng)鈦合金，可以獲得更高的高溫性能。美國己成功地試制成碳化硅纖維增強(qiáng)鈦復(fù)合材料，制成的葉片和傳動(dòng)軸等零件可用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)增強(qiáng)鈦復(fù)合材料，制成的葉片和傳動(dòng)軸等零件可用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī).鐵和鐵合金鐵和鐵合金是在此溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體。是在此溫度范圍內(nèi)使用的金屬基體。用于用于1000 以上的基體材料主要是以上的基體材料主

11、要是和和。其中，研究。其中，研究較為成熟的是較為成熟的是，復(fù)合材料尚處于研究階段。復(fù)合材料尚處于研究階段。2022-2-1519功能用金屬基復(fù)合材料的基體功能用金屬基復(fù)合材料的基體功能金屬基復(fù)合材料主要選用的金屬基體是功能金屬基復(fù)合材料主要選用的金屬基體是純鋁及鋁合金純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅鋅等金屬。等金屬。用于用于的的的基體主要是的基體主要是和和。 例如，高例如，高含量的含量的(SiCpAl)、(SiCpCu)復(fù)合材料；復(fù)合材料；高模、超高模高模、超高模增強(qiáng)增強(qiáng)(Cf/Al)、(Cf/Cu)復(fù)合材料；復(fù)合材料；或或增強(qiáng)增強(qiáng)復(fù)合材料；復(fù)合材料；復(fù)合材料等。復(fù)

12、合材料等。用于用于耐磨零部件耐磨零部件的金屬基復(fù)合材料的基體主要是常用的的金屬基復(fù)合材料的基體主要是常用的鋁、鎂、鋅、銅、鉛鋁、鎂、鋅、銅、鉛等金屬等金屬及合金。及合金。例如：例如：碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)增強(qiáng)鋁、鎂、銅、鋅、鉛鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金等金屬基復(fù)合材料。屬基復(fù)合材料。2022-2-15202 2、常見的陶瓷基體簡介、常見的陶瓷基體簡介2022-2-1521陶瓷基體包括：陶瓷基體包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。等。玻璃是通過玻璃是通過無機(jī)材料無機(jī)材料高溫?zé)Y(jié)而成的一種高

13、溫?zé)Y(jié)而成的一種陶瓷材料陶瓷材料。與其它陶瓷材料不同，玻璃在熔。與其它陶瓷材料不同，玻璃在熔體后體后不經(jīng)結(jié)晶不經(jīng)結(jié)晶而冷卻成為堅(jiān)硬的無機(jī)材料，即而冷卻成為堅(jiān)硬的無機(jī)材料，即具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是玻璃的特征之一。是玻璃的特征之一。許多許多可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊淇梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊?，這一過程稱為，這一過程稱為。由于。由于反玻璃化反玻璃化使玻璃成為使玻璃成為，透光性變差，因體積變化還會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影，透光性變差，因體積變化還會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響材料強(qiáng)度。通常應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生反玻璃化過程。但對(duì)于某些玻璃，可以通過加入形核響材料強(qiáng)度。通常應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生反玻璃化過程。但對(duì)于某些玻璃，可以通過加入形核

14、劑得到劑得到無殘余應(yīng)力的微晶玻璃，這種材料稱為玻璃陶瓷無殘余應(yīng)力的微晶玻璃，這種材料稱為玻璃陶瓷。玻璃陶瓷具有。玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小、力學(xué)性能好和導(dǎo)熱系數(shù)較大力學(xué)性能好和導(dǎo)熱系數(shù)較大等特點(diǎn)。等特點(diǎn)。作為基體材料使用的作為基體材料使用的氧化物陶瓷氧化物陶瓷主要有主要有A12O3、MgO、SiO2、ZrO2，莫來石莫來石(即富鋁即富鋁紅柱石，化學(xué)式為紅柱石，化學(xué)式為3A12O32SiO2)等，它們的溶點(diǎn)在等，它們的溶點(diǎn)在2000 以上。以上。 非氧化構(gòu)陶瓷是指非氧化構(gòu)陶瓷是指的的、和和。它們的特點(diǎn)是。它們的特點(diǎn)是和和好，好，但，但也很強(qiáng)。也很強(qiáng)。2022-2-15223 3、常見

15、的無機(jī)凝膠基體簡介、常見的無機(jī)凝膠基體簡介2022-2-1523無機(jī)膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。無機(jī)膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。在無機(jī)膠凝材料基增強(qiáng)塑料中，研究和應(yīng)用最多的是在無機(jī)膠凝材料基增強(qiáng)塑料中，研究和應(yīng)用最多的是纖維增強(qiáng)水泥基增強(qiáng)纖維增強(qiáng)水泥基增強(qiáng)材料材料。它是以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基體，以短切纖維或連續(xù)纖維為。它是以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基體，以短切纖維或連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料組成的。增強(qiáng)材料組成的。水泥基體材料具有以下水泥基體材料具有以下水泥基體為水泥基體為，其孔隙尺寸可由數(shù)，其孔隙尺寸可由數(shù)“埃?！钡綌?shù)百到數(shù)百“埃埃。孔隙存在不僅會(huì)?？紫洞嬖?/p>

16、不僅會(huì)影響影響的性能，也會(huì)影響纖維與基體的的性能，也會(huì)影響纖維與基體的。 纖維與水泥的纖維與水泥的彈性模量比彈性模量比小，對(duì)多數(shù)有機(jī)纖維而言，纖維與水泥的小，對(duì)多數(shù)有機(jī)纖維而言，纖維與水泥的彈性模量比彈性模量比甚至甚至小于小于1，這意昧著在纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料中，這意昧著在纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料中應(yīng)力的傳遞效應(yīng)應(yīng)力的傳遞效應(yīng)遠(yuǎn)不如遠(yuǎn)不如纖維增強(qiáng)樹脂纖維增強(qiáng)樹脂。 水泥基材的水泥基材的斷裂延伸率斷裂延伸率較低，纖維尚未從水泥基材中拔出拉斷前，較低，纖維尚未從水泥基材中拔出拉斷前，水泥基材水泥基材即行開即行開裂。裂。水泥基材水泥基材中含有中含有粉末粉末或或顆粒狀顆粒狀的物料的物料,與纖維成與纖維成點(diǎn)

17、接觸點(diǎn)接觸，故，故纖維的摻量纖維的摻量受到很大受到很大限制。而限制。而樹脂基體樹脂基體在未固化前是在未固化前是粘稠液體粘稠液體，可較好地浸透纖維中。故，可較好地浸透纖維中。故纖維的摻量纖維的摻量可高可高些。些。 呈呈堿性堿性，對(duì)，對(duì)金屬纖維金屬纖維可起保護(hù)作用，但對(duì)大多數(shù)可起保護(hù)作用，但對(duì)大多數(shù)礦物纖維礦物纖維是不利的。是不利的。2022-2-15244 4、常見的聚合物基體簡介、常見的聚合物基體簡介2022-2-1525按按可分為可分為及及兩類。兩類。熱塑性基體熱塑性基體如如、等，它們是一類等，它們是一類或或的固態(tài)高的固態(tài)高分子，可溶可熔，可反復(fù)加工成型而無任何化學(xué)變化。分子，可溶可熔，可反

18、復(fù)加工成型而無任何化學(xué)變化。熱塑性聚合物的形態(tài)特征熱塑性聚合物的形態(tài)特征熱固性基體熱固性基體如如、等，它們?cè)谥瞥勺罱K產(chǎn)等，它們?cè)谥瞥勺罱K產(chǎn)品前，通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)品前，通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)，經(jīng)，經(jīng)或或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化后，形成不溶不熔的化后，形成不溶不熔的，這類基體通常是，這類基體通常是的。的。熱固性聚合物的形態(tài)特征熱固性聚合物的形態(tài)特征2022-2-1526傳統(tǒng)的聚合物基體是熱固性的傳統(tǒng)的聚合物基體是熱固性的，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的工藝性良好的工藝性。由于。由于固化前，熱固性樹脂粘度很低，因而宜于在常溫常壓下浸漬纖維，并在較固化前，熱固性樹脂粘度很低，因而宜于在常溫常壓下浸漬纖維，并在較低的溫度和壓力下固化成型；低的溫度和壓力下固化成型；固化后具有良好的耐藥品性和抗蠕變性固化后具有良好的耐藥品性和抗蠕變性；熱固性樹脂熱固性樹脂的缺點(diǎn)是的缺點(diǎn)是預(yù)浸料預(yù)浸料需需低溫冷藏低溫冷藏且且貯存期有限，成型周期長貯存期有限，成型周期長和和材料材料韌性差韌性差。熱塑性基體的最重要優(yōu)點(diǎn)是其高斷裂韌性熱塑性基體的最重要優(yōu)點(diǎn)是其高斷裂韌性(高斷裂應(yīng)變和高沖擊強(qiáng)度高斷裂應(yīng)變和高沖擊強(qiáng)度)，這使這使得得FRP具有更高的損傷容限。此外，還具有具有