第二章 复合材料的基体

第二章

复合材料的基体材料

2013-4-21

Outline 金属材料 陶瓷材料 无机胶凝材料 聚合物材料

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基体(matrix)的概念？基体是复合材料中固结增强物、传递和承受各种载 荷(力、热、电)的作用的部分。基体材料在复合材料中占很大比重，以金属基复合材料为例: 连续纤维增强复合材料 基体占50~70 vol.%,最佳60 vol.%

颗粒增强复合材料

基体占90~25 vol.%

晶须、短纤维增强复合材料 基体占80~90 vol.%

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1.金属材料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。金属基复合材料中，基体主要是各种金 属或金属合金。2013-4-214

金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、

耐热性、抗腐蚀性等均将影响金属基复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能。

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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、 钛铝金属间化合物等。

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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，在选择基体金属时应考虑以下几方面：

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① 根据金属基复合材料的使用要求如在航天、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。

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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。2013-4-219

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。2013-4-2110

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。2013-4-2111

② 根据金属基复合材料组成特点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。

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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，考虑到要充分发挥纤维的作用，希望选

用塑性较好的基体。实验证明，此时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。2013-4-2113

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。

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。2013-4-2114

相反。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。

所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体 的选择完全不同。 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。2013-4-2115

③ 基体金属与增强物的相容性首先，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。2013-4-2116

其次，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。

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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。2013-4-2118

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。2013-4-2119