复合材料第二章1

实例1: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铝合金要好得多，使用 后者制成的复合材料的性能反而低。
实例2:在研究碳铝复合材料基体合金的优化过程中发现， 铝合金的强度越高，复合材料的性能越低。这可能与基体 和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性等有
关。
❖ 金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属 合金。
１、金属基体材料的选择原则
金属与合金的品种繁多，目前用作金属基体材料的 主要有: 铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、钢 与铜合金、锌合金、铅、钛铝金属间化合物、铜等。
一些基体金属和合金的主要特性
基体材料成分的正确选择，对能否充分组合和发挥 基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综 合性能满足使用要求十分重要。所以，在选择基体
(1)用于450 ℃以下的轻金属基体
在这个温度范围内使用的金属基体主要是铝、镁和它们 的合金，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。例如， 用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、 刹车盘等，并已形成工业规模生产。
(a) 铝和铝合金
铝是一种低密度、较高强度和具有耐腐蚀性能的金属。在实际 使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素形成合金，由于 加入的这些元素在铝中的溶解度极为有限，因此，这类合金通 常称为沉淀硬化合金，如A1--Cu--Mg和A1--Zn--Mg--Cu等沉淀 硬化合金。
b.对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料， 基体的强度对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用 较高强度的合金来作为基体。
实例1:如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金 （如A365，6061，7075）为基体。
③ 基体金属与增强物的相容性
a. 由于金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温 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应，在界 面形成反应层。
界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时 将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易 引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。
b.由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些合 金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物 也不同，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择 既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定 的界面合金元素。
高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度和比模量， 还要具有优良的耐高温性能，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，而应选择钛合金、 镍合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨 丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重 要零件。
b. 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，因此 选用铝合金作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、碳纤维或 氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。
对于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁合金基体: ❖ 连续纤维增强金属基复合材料一般选用纯铝或含合金
元素少的单相铝合金； ❖ 颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的
近年来，为航空和航天工业开发出的A1--Li系列合金，进一步 提高了铝的弹性模量，降低了材料的密度。
(b) 镁和镁合金
镁是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差，因 此，通常是在镁中加入铝、锌、锰、锆及稀土元素而 形成镁合金。
目前常用的镁合金主要包括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。
复合材料
第二章 复合材料基体
Southwest University
Contents
1
金属基体材料
2பைடு நூலகம்
陶瓷基体材料
3
无机胶凝材料
4 聚合物基体材料
一、金属基体材料
１、金属基体材料的选择原则 2、结构用金属基复合材料的基体 3、 功能用金属基复合材料的基体
❖ 金属基复合材料学科主要涉及材料表面、界面、 相变、凝固、塑性形变、断裂力学等。
因此，选择基体材料时，应充分注意与增强物的相容性 （特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中
抑制界面反应。例如： 对增强纤维进行表面处理； 在金属基体中添加其他成分； 选择适宜的成型方法； 缩短材料在高温下的停留时间等。
2、结构用金属基复合材料的基体
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。
实例1:如碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量 的Ti，Zr等合金元素可明显改善复合材料的界面结构 和性质，大大提高复合材料的性能
用铁、镍作为基体，碳纤维作为增强物是不可取的。因 为Ni，Fe元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化， 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。
c. 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。因此，可以选用具有高导热率的银、 铜、铝等金属为基体与高导热性、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、高比强度、高比模量等性能的金属 基复合材料。
② 根据金属基复合材料组成特点
金属时应遵循以下3个原则：
① 根据金属基复合材料的使用要求
金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料 最重要的依据。
a. 如在航天、航空技术中，高比强度和比模量以及尺寸稳 定性是最重要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件宜选 用密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金）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。
选用不同类型的增强材料如连续纤维、短纤维或晶须，对 基体材料的选择有较大影响。
a. 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。 因此，为了充分发挥纤维的作用，应选用塑性较好的基体。 实验证明，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。