第二章__复合材料的基体材料

强物就可以得到优异的物理性能，可以满
足特殊需要。
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电子封装： ➢ 集成度越来越高，功率增大，发热严重，
需用热膨胀系数小、导热性好的材料做基 板和封装材料，以便将热量迅速传走，避 免产生热应力，提高器件可靠性。 ➢ 电子封装金属复合材料的基体主要是纯铝 和纯铜 ➢ SiCp/Al 、SiCp/Cu；Gr/Al、Gr/Cu、 B/Al等。
② 功能陶瓷：作为功能材料用来制造功能器件， 主要使用其物理性能。如电磁性能、热性能、 光性能、生物性能等。例如铁电陶瓷用其电 磁性能制造电磁元件，介电陶瓷用于制造电 容器，压电陶瓷用于制造位移或压力传感器， 生物陶瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。 41
2.2和离子键键合。性能特点如下：
形成反应层
脆性界面反应层受力产生裂纹并向周 围纤维扩散，引起复合材料结构破坏
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➢基体与纤维的相容性：良好的浸润性、
稳定的界面。 例：在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素，
可明显改善MMC的界面结构和性质，大大 提高MMC的性能。
Fe、Ni高温时会破坏碳纤维的结构， 使其丧失原有强度，因此不能直接用作碳 纤维的基体。
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工业集成电路： 要求高导热、低膨胀。选用高导热率的银、铜、
铝作为基体，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，用作 散热元件和基板。
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（2） 金属基复合材料组成特点
针对不同的增强体系，应充分分析和考虑 增强物的特点来正确选择基体合金材料。
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连续纤维增强的金属基复合材料：
① 目前研究发展最成熟、应用最广泛的 MMC是铝基和镁基复合材料， 用于航天飞机、 人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等。
对于不同类型的复合材料应选用合适的铝 或镁合金基体。
连续纤维增强MMC：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MMC：则选用具有高强度
的铝合金。 表2-1 各种牌号铝、镁合金的成分和性能
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电子、信息能源等高技术领域的发展， 要求材料和器件同时具有高力学性能、高 导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧 蚀性、高磨擦系数和耐磨性等综合物理性 能。
功能用金属基复合材料所用的金属基
体均具有良好的导热、导电性和良好的力
学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀
性差等缺点。 在这些基体中加入合适的增
用碳化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒 增强钛合金。
表2-2钛合金的成分和性能
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钛合金的成分和性能
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（3 ） 用于1000℃以上的高温复合材料的 金属基体——镍基、铁基耐热合金和金属 间化合物
用于1000℃以上的基体材料中，镍基、铁 基耐热合金已经较成熟；金属间化合物、铌 合金等可在更高的温度下使用，尚处于研究 阶段。
30年代发现，室温时延性为零，一拉就断。 80年代，在金属间化合物中加入少量硼，可使其 室温延性提高到50%，与铝相当。目前，可用的 金属间化合物已有300多种。
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2.1.3 功能用金属基复合材料的基体
功能材料是指在电磁、声、光、热等
方面具有特殊性质，或在其作用下表现出 特殊性能的材料。
功能复合材料是由功能组元和基体组
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在选择基体时，应充分注意基体 与增强物的相容性（特别是化学相容 性），并在金属基复合材料成型过程 中，尽可能抑制界面反应。
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如何增强基体 与增强物的相
容性？
A 对增强纤维进行表面处理改性
B 在金属基体中添加其他成分
C 选择适宜的成型方法或条件
D 缩短材料在高温下停留的时间
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2.1.2 结构复合材料的基体
第二章 复合材料的基体材料
基体作用：传递荷载、保护增强体； 基体类型：
金属 无机非金属（陶瓷、C、水泥等） 聚合物（塑料:热固性、热塑性）
1
各种基体的性质
2
2.1 金属材料
现代科学技术的发展对材料性能的要求越来 越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的 发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求， 这促进了金属基复合材料的迅猛发展。
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
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2.2.2 陶瓷的分类
1. 按化学成分分类
① 氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、 CeO2、CaO、Cr2O3及莫莱石 （3Al2O3·2SiO4）和尖晶石（MgAl2O3） 等，这类CMC避免在高温、高应力环境下
④ 硼化物陶瓷：主要用作添加剂或第二 相加入其它陶瓷中以改善性能，常用TiB2、 ZrB2。
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2. 按性能和用途分类
① 结构陶瓷：作为结构材料用于制作结构零件， 主要使用其力学性能。如强度、韧性、硬度、 模量、耐磨性、耐高温性等，上述按化学组 成 Si3分N4类、的Zr四O大2都陶是瓷力大学多性数能为优此异类的，代如表A性l2O结3、 构陶瓷。
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1
2
3
金属基复合材料 金属基复合材料 基体金属与增强
的使用要求
组成的特点
体的相容性
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（1 ）金属基复合材料的使用要求
不同领域、不同工况下对复合材料构件的性 能要求不同。
航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳 定性。宜选用密度小的轻金属合金——镁合金、 铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、 硼纤维进行复合。
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高性能发动机：高比强度、比模量、耐高温性、 抗氧化。选择钛基合金、镍基合金以及金属间化 合物作基体，如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合 材料。
用于喷气发动机叶片、涡轮叶片、转轴、火箭发 动机箱体材料。
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汽车发动机： 耐高温、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉。
选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进行 复合，如碳化硅/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等复 合材料，用作发动机活塞、缸套等零件。
电子领域 封装材料
轻质、高强结构材 料：如B/Al复合材料
强度、刚度∞尺寸的平方 重量∞尺寸的立方
低热膨胀系数、 高导热系数
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高体份（60-70%）碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件
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国产太行战机用涡轮风扇航空发动机——高温高性能高铌钛铝合金材料
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基体在复合材料中所占的比例
连续纤维增强金属基复合材料中，基 体约占50%~70%的体积，一般60%左右；
元组成。基体不仅起到构成整体的作用， 而且产生协同或加强的作用。可通过组元
的体积分数、连接方式和对称性来大幅度
调整复合材料的性能。
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2.1.3 功能用金属基复合材料的基体
目前已有应用的功能金属基复合材料 （不含双金属复合材料）主要有用于微电 子技术的电子封装和热沉材料，高导热、 耐电弧烧蚀的集电材料，耐高温摩擦的耐 磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等等。主 要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜 及铜合金、银、铅、锌等金属。
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(2) 用于450~700℃以下的复合材料基体 ——钛合金
钛有两种晶型：
a钛为六方密堆排列结构，低于885℃时稳
定；b钛是体心立方结构，高于885℃时稳定。
铝能使钛由a向b的转变温度提高，铝是a
相钛的稳定剂；
Fe、Mn、Cr、Mo等能使b 向a的转变温
度降低，它们是b钛的稳定剂。
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钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、 强度高等特点，用碳化硅纤维增强的钛基复合 材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航 空发动机。
W/Ni合金，可以大幅度提高其高温持久性 能和高温蠕变性能，一般可提高1-3倍，主 要用于高性能发动机叶片等重要零件。
表2-3 高温MMC的基体合金成分和性能
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高温金属基复合材料的基体合金成分和性能
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金属间化合物
是金属与金属、金属与准金属之间以共价键 形式结合形成的化合物。由原子半径小的一种原 子构成密堆层，其中镶嵌有原子半径大的一种原 子，这是一种高度密堆结构。当它以微粒形式存 在于金属合金的组织中时，将会使金属的整体强 度得到提高，特别是在一定温度范围内，金属的 强度随温度升高而增强。
金属基体起固结增强物、传递和承受各种载 荷的作用。
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1
与传统金属材 料相比，金属 基复合材料具 有较高的比强 度、比刚度和 耐磨性
2
3
与树脂基复合材
与陶瓷材料相
料相比，金属基 比，金属基复合
复合材料具有优 材料具有高韧性
良的导电、导热 和高冲击性能、
性，高温性能好， 热膨胀系数小等
可焊接
优点
4
航空、航天领域 构件
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耐磨零部件： ➢ 汽车发动机零件要求耐磨、导热性好、热
膨胀系数适当。 ➢ 耐磨部件的基体常用的是铝、镁、锌、铜、
铅等金属及合金。 ➢ 例如：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、
纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属 基复合材料。
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集成电路： ➢ 金属基体具有良好的导热、导电性和良好
的力学性能，但膨胀系数大、耐电弧烧蚀 性能差等缺点。 ➢ 用碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、 银及合金材料。 ➢ 例如，在纯铝中加入导热性好、弹性模量 大、热膨胀系数小的石墨纤维、碳化硅颗 粒即可满足集成电路封装、散热的需要。
优点： 1）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； 3）高化学稳定性：决定了良好的耐腐蚀性
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2.2 陶瓷材料
2.2.1 陶瓷材料发展历史及概念内涵
传统陶瓷：是采用粘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，所用原材料不局限于天然 矿物，而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工 材料。