材料科学与工程导论 第7章 复合材料(Ⅱ)

7.3.4 原位复合材料 7.3.5 功能复合材料 7.3.6 层状复合材料
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§7.3 常用复合材料
7.3.1 金属基复合材料（MMC） 金属基复合材料：
以金属及其合金为基体，用一种或几种金属或非金属 增强的复合材料。
特点： 金属基复合材料除具有与树脂基复合材料相同的高 强度、高弹性模量和低线膨胀系数。
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7.3.1 金属基复合材料（MMC）
③ 氧化铝/镍复合材料
晶须与基体的线膨胀系数相差较大，复合时遇到困
难，又晶须价格昂贵，使之发展缓慢，应用有限。
3. 颗粒增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料是由一种或多种陶瓷或金 属颗粒作为增强材料与金属基体组成的先进复合材料。
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7.3.1 金属基复合材料（MMC） ① 碳化硅/铝复合材料 这种复合材料的强度与钛合金相近，弹性模量高于
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7.3.2 陶瓷基复合材料(CMC) 1. 长纤维增强陶瓷基复合材料
① 碳/陶瓷基复合材料
这种复合材料具有很高的高温强度、弹性模量和较高
的韧性。
碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400℃以上的高温下长 期工作；碳纤维增强的石英陶瓷复合材料，冲击韧性比烧 结石英陶瓷高40倍、抗弯强度大5～12倍，可承受1200～ 1500 ℃高温气流的冲击。 这类材料主要用来 制造喷气飞机的涡轮叶 片。
晶须
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颗粒
7.3.3 聚合物基复合材料（PMC）
●按树脂的性质分：
热固性树脂基复合材料 根据树脂的性质 热塑性树脂基复合材料
碳纤维增强聚合物
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7.3.3 聚合物基复合材料（PMC） 1. 纤维增强的树脂基复合材料 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。 纤维在基体中的不同分布方式：
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7.3.2 陶瓷基复合材料(CMC) 陶瓷材料具有很高的抗氧化性、耐热性、耐磨性和耐蚀 性，但脆性大、韧性差使它的应用受到了极大的限制。 直到近代，碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅
晶须、碳化硅颗粒的加入，使得陶瓷的强度和韧性得到 很大的改善，应用领域也取得突破性进展。
目前用这些纤维、晶须、颗粒增强的陶瓷基复合材料主 要用来制造人造卫星、航天飞机、星际探测器、大型运 载火箭和飞机上要求耐高温、耐冲刷、密度低和强度高 的构件。
张立同院士—西北工业大学教授 连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料
2004国家技术发明一等奖
《耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术》
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7.3.2 陶瓷基复合材料(CMC)
③ 碳/碳复合材料
由碳纤维及其制品(碳毡、碳布等)增强的碳基复合材料。
由碳纤维及其制品作为预制体，通过化学气相沉积法 (CVD)或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得C/C的基体碳来制 备。
铝合金
镁合金 金属基体 钛合金 铜及铜合金 金属间化合物
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7.3.1 金属基复合材料（MMC） 1.长纤维增强金属基复合材料 这类复合材料具有各向异性特征，其程度取决于纤维 在基体中的数量、分布和排列情况。 ① 硼/铝复合材料 硼纤维高温强度高，1500℃时蠕变速率低。但高温氧化 后强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或B4C，
2. 短纤维/晶须增强金属基复合材料
这类复合材料具有比强度、比模量高，耐高温，耐
磨，线膨胀系数小，且可用常规设备进行制备和二次加 工。
① 氧化铝/铝复合材料 其高温强度、弹性模量明显优于基体的高温强度和
弹性模量，且膨胀系数较低、耐磨性较高。用于汽车发 动机零件等。
② 碳化硅/铝复合材料 这类复合材料具有良好的综合性能，比强度、比模 量高，线膨胀系数低。主要应用于航空航天领域。
突出特点： 密度低：1.6～2.0g/cm3； 比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍； 耐烧蚀 耐腐蚀 应 用：
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航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。 火箭：发动机壳体、喷管。 汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、内部装饰件等。 石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等。
工作温度高、高韧性、导电、导热、不易燃烧、 抗电磁干扰、抗辐射。 可进行热处理和其它加工来进一步提高性能。
缺点： 密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间 易发生化学反应等缺点。
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7.3.1 金属基复合材料（MMC）
金属基复合材料
长纤维增强 短纤维或晶须增强 颗粒增强 原位复合增强 ……
长纤维增强 短纤维或晶须 增强 颗粒增强 原位复合增强
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硬质合金铣刀
7.3.1 金属基复合材料（MMC） 硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，
YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。
硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀 片，镶在刀体上使用。
硬质合金刀片 13
7.3.1 金属基复合材料（MMC）
4. 金属基复合材料的应用
制成纤维，就具有一定的柔韧性，可纺织成纱或各种形 式的玻璃布。
玻璃纤维的性能特点：
抗拉强度很高。纤维越细，强度越高。
耐热性低。 化学稳定性高。 脆性较大。
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7.3.3 聚合物基复合材料（PMC）
◆玻璃纤维增强树脂基复合材料
玻璃钢
玻璃纤维增强
聚酰胺、聚丙烯、ABS、尼龙等热塑性树 脂基体—热塑性玻璃钢。 酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等热固性 树脂基体—热固性玻璃钢；
细小的高强度、高韧性复合陶瓷。
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§7.3 常用复合材料
7.3.3 聚合物基复合材料（PMC） 聚合物基复合材料又称树脂基复合材料，是目前应用最
广、消耗量最大的一类复合材料。
■ 聚合物基复合材料分类： ●按增强体的类型分：
玻璃纤维 碳纤维 硼纤维 增强体的类型 碳化硅纤维 芳纶纤维 增强 树脂基复合材料
高温、低温力学性能好。 具有高的耐蚀性、导电性以及低的摩擦系数。 它的主要缺点是脆性大，表面光滑，与树脂结合力比 玻璃纤维的还差，常需要表面处理来改善与基体的结 合力。
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7.3.3 聚合物基复合材料（PMC）
◆碳纤维增强的树脂基复合材料（CFRP）
突出特点： 密度更低 更高的比强度和比模量 化学稳定性高 高、低温力学性能好
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7.3.1 金属基复合材料（MMC） ④金属陶瓷 是金属基体（通常为钛、镍、钴、铬等及其合金）和 陶瓷（通常为氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等)组成 的颗粒增强复合材料。 碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬 质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等 作为强化相。 硬质合金
③ 石墨/镁复合材料 这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性
好，是金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量 的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤 维的润湿性。
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7.3.1 金属基复合材料（MMC） ④ 碳化硅/钛复合材料 碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、 耐氧化，与金属的反应小，润湿性好。 主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动
耐烧蚀性 导弹弹头和固体火箭发动机喷管航天飞机的鼻锥、
机翼前缘 摩擦磨损性能 飞机的刹车盘；赛车、高速列车的刹车制动材料
与人体的生物相容性 生物医学领域：人工心脏瓣膜、骨骼、
牙根、髋关节等 耐高温和低密度 航空发动机理想轻质材料
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7.3.2 陶瓷基复合材料(CMC)
黄伯云院士—中南大学教授
2004年度 国家技术发明一等奖
比玻璃钢的性能普遍优越
应 用： 航天工业：如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主 起落架门、内部压力容器等；空间站大型结构 桁架及太阳能电池支架。
汽车工业：F－1方程式赛车车身
体育用品：网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆。
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7.3.3 聚合物基复合材料（PMC）
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7.3.3 聚合物基复合材料（PMC）
机箱体材料。
飞机发动机涡 7
飞机发动机
7.3.1 金属基复合材料（MMC）
⑤ 氧化铝/铝复合材料
氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强 度、刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强 度和高刚度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。
汽车发动机部 汽车发动机活塞 8
7.3.1 金属基复合材料（MMC）
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§7.3 常用复合材料
7.3.2 陶瓷基复合材料(CMC) 什么是陶瓷基复合材料？
在陶瓷基体中添加碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、 碳化硅晶须、氧化铝晶须、碳化硅颗粒和碳化钛颗粒，所形 成的复合材料称为陶瓷基复合材料。
SiC(纤维)/Si3N4
SiCp/ZrB2
陶瓷基复合材料: 以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合 材料。
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SiC晶须
7.3.2 陶瓷基复合材料(CMC) 3. 颗粒增强陶瓷基复合材料
① 氧化锆/陶瓷基复合材料 利用ZrO2相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧性。利 用ZrO2增韧的Al2O3陶瓷，其断裂韧性可提高1～1.4倍。
② 氧化钇/陶瓷基复合材料 在ZrO2 陶瓷中加入Y2O3微粒，可获得晶粒组织非常
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7.3.2 陶瓷基复合材料(CMC)
② 晶须/陶瓷基复合材料 增强晶须是陶瓷晶须，这种晶须是位错很少的陶瓷小 单晶，具有很高的强度，是一种非常理想的陶瓷基复合材 料中的增强增韧材料，近年来晶须增强陶瓷基复合材料发 展很快并取得很好的韧化效果。
晶须：SiC晶须、Si3N4晶须和Al2O3晶须。
基体：Al2O3、ZrO2、SiO2、Si3N4和莫来石等。
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7.3.2 陶瓷基复合材料(CMC)
② 碳化硅/陶瓷基复合材料
碳化硅纤维可与多种陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶 瓷、氧化锆陶瓷等复合。 利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高