1、2022/7/25上海大學(shn hi d xu)1復合材料(f h ci lio)及其應用 Composite Materials and their Application馮鶴Office：材料大樓 361室Tel-mail: 共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系2二、基體(j t)材料 概述 聚合物基 金屬基 無機非金屬基共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系32.1 基體材料(cilio)概述基體的作用: 固結增強相，均衡載荷和傳遞應力,保持基本性質。選材原則： 強度、剛度等力學性能，只作一

2、般性考慮。 兩者相容性，環境適應性，工藝性，重點考慮。 共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系4相容性： 化學性質穩定，潤濕性好，膨脹系數差要小，以確保兩相界面具有足夠的結合力。環境適應性： 耐熱、耐蝕、抗老化和適當的硬度。工藝性： 制備是否方便，成本是否合適(hsh)、低廉等。共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系52.2 基體(j t)材料 聚合物基1、 前 言特 點： 一般在室溫或低溫下進行復合成型，工藝性好；可選擇的增強材料范圍廣泛，成本最低。研究與應用： 發展最早，品種最多，應用最廣。可選材料： 幾乎所有的熱固性、熱塑

3、性聚合物。包括橡膠、粘結劑等。共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系6 (1) 按樹脂(shzh)熱行為: 熱固性及熱塑性。 2聚合物基體材料的分類(2) 按聚集態結構: 非晶(或無定形)和結晶(3) 按樹脂特性及用途： 一般用途樹脂、耐熱性樹脂、耐候性樹脂、 阻燃樹脂等。 (4) 按成型工藝： 手糊樹脂、噴射樹脂、膠衣樹脂、 纏繞樹脂、拉擠樹脂等。共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系7 由飽和(boh)二元酸、不飽和二元酸與二元醇經縮聚反應合 成的線型預聚體。 熱固性聚合物 （-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-

4、）A、結構特征：不飽和二元酸結構+飽和二元酸結構1、不飽和聚酯樹脂共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系8鄰苯型不飽和聚酯：間苯型不飽和聚酯：雙酚型不飽和聚酯：B、不飽和聚酯樹脂(j zh sh zh)種類共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系9物理性質： 耐熱性； 力學性能； 耐化學腐蝕性能； 介電性能良好(lingho)； 固化時體積收縮率較大。化學性質 ： 共聚、交聯反應； 水解反應； 耐堿性較差； 增粘特性。C、不飽和聚酯樹脂性質共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系10 引發(yn f

5、)劑D、不飽和聚酯的固 化及其特點- 苯胺類和有機鈷。室溫固化 促進劑 固化劑- 乙烯、苯乙烯、丁二烯等烯類單體。- 過氧化物（加熱固化）共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系11特 點 粘度低，工藝性好。 綜合性能好，價廉，用量約占80% 。 苯乙烯等揮發大有毒，體積收縮大，耐熱性、 強度和模量較低。 一般不與高強度的碳纖維復合，與玻璃纖維(b lixinwi)復 合制作次受力件。共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系12 雙酚型環氧樹脂(hun yn sh zh)：酚醛環氧樹脂：2、環氧樹脂共一百一十九頁上海大學材料(cil

6、io)學院電子信息材料(cilio)系13CH2 - CH - CH2Cl + n(HO - - R - - OH) 環氧氯丙烷二酚基化合物O堿通式：線性預聚體 CH2 - CH - CH2 O - - R - - O nO a、雙酚型（A）結構(jigu)與種類共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系14其中(qzhng)R: CH3- C -CH3A 丙基- CH2 - F 亞甲基O- S -OS 砜 雙酚型環氧含硬性苯環，鏈剛性較高，只能用聚合度低的樹脂。耐熱性好，強度高，韌性差。固化特點： 環氧活性基主要在鏈兩端，固化交聯點不高。共一百一十九頁上海大學材

7、料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系15b、非雙酚型 酚醛環氧樹脂(hun yn sh zh) 鏈內含有環氧基，交聯密度高，結合強度及耐熱性 均提高。 三聚氰酸環氧含三氮雜環，有自熄性，耐電弧性好。共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系16c、有機硅環氧樹脂d、 胺基環氧樹脂 : 四官能團胺基環氧樹脂 對氨基(nj)苯酚環氧樹脂 e、 脂環族環氧樹脂f、 脂肪族環氧樹脂共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系17環氧樹脂分子中都含有活潑的環氧基團，可與多種固化劑交聯，形成(xngchng)網狀結構。 常用固化劑： 胺（二

8、元胺）類固化劑、酸酐（二元酸酐）類固化劑、咪唑類固化劑、潛伏性固化劑。 潛伏性固化劑/潛伏劑： 單組份產品可加入潛伏劑，如雙氰胺，室溫下可存放6個月，145 165下，80min可固化。（B）環氧樹脂固化共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系18 粘附力好，韌性較好，收縮率低。復合材料 強度高，尺寸穩定。 電性能好。介電強度高，耐電弧(dinh)優良的絕緣 材料。 化學穩定性。 熱穩定性良好。 固化方便。（C）環氧樹脂特點共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系19 酚類和醛類的縮聚產物通稱(tngchng)為酚醛樹脂，一般常指

9、由苯酚和甲醛經縮聚反應而得的合成樹脂，它是最早合成的一類熱固性樹脂。 由酚 和醛 縮合而成。酚/醛 0.9，堿催化可得體型熱固性樹脂。OR C - HOH153（1）概 述3、酚醛樹脂共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系20大量用于粉狀模壓塑料、短纖維增強塑料(zn qin s lio)，少量用于玻璃纖維復合材料、耐燒蝕材料等，很少使用在碳纖維和有機纖維復合材料中。共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系21（2）酚醛樹脂(fn qun sh zh)種類 (a) 氨酚醛樹脂： 2124酚醛樹脂、 1184酚醛樹脂、 616酚醛樹

10、脂。 (b) 鎂酚醛樹脂： 351酚醛樹脂； (c) 鋇酚醛樹脂；(d) 鈉酚醛樹脂：2180酚醛樹脂。(e) 改性酚醛樹脂。共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系22（3）酚醛樹脂(fn qun sh zh)的改性改性一般通過下列途徑： 封鎖酚羥基 在酚醛樹脂制造過程中留下的酚羥基易吸水，使固化制品的電性能、耐堿性和力學性能下降。在熱或紫外光作用下生成醌或其它結構，造成顏色的不均勻變化。 引進其它組分 引進與酚醛樹脂發生化學反應或與它相容性較好的組分，分隔或包圍羥基，從而達到改變固化速度，降低吸水性的目的。共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學

11、院電子信息材料系23改性的酚醛樹脂(fn qun sh zh) 聚乙烯醇縮醛改性酚醛樹脂聚酰胺改性酚醛樹脂 環氧改性酚醛樹脂 有機硅改性酚醛樹脂 硼改性酚醛樹脂* 二甲苯改性酚醛樹脂 二苯醚甲醛樹脂 苯胺改性酚醛樹脂共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系24（4）酚醛樹脂(fn qun sh zh)的固化與固化劑酚醛樹脂固化方法有兩種： (1) 加熱固化； (2) 通過加入固化劑使樹脂發生固化。常用的固化劑有兩類： （a）六次甲基四胺，用量1015 （b）有機酸：苯磺酸、甲基苯磺酸、苯磺酰氯、石油磺酸、硫酸硫酸乙酯等。用量810。共一百一十九頁上海大學(shn

12、hi d xu)材料學院電子信息材料系25特 點： 耐熱性高，可達315、價格最低。 粘附性較差，收縮率大,成型壓力高、制品氣孔 率高，性脆。改 性： 引入柔性鏈。如：聚乙烯醇縮丁醛 降低樹脂中 -OH 基的含量。如：以苯胺或二甲 苯取代部分苯酚。提高電性能。 硼酸改性酚。吸水性、耐熱性、脆性(cuxng)和電學性能 均提高。 （5） 酚醛樹脂的特點和應用共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系26應 用： 一般酚醛樹脂不與碳纖維復合，與玻璃纖維復合后，多用于電器絕緣材料。但是經改性的酚醛樹脂可以與碳纖維進行較好的復合使用。 由于酚醛樹脂碳含量高78，碳化收率達6

13、3，因此可用于制作(zhzu)瞬時耐高溫燒蝕材料，用于導彈、航天器載入大氣層的防護層。共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系27（6） 其它(qt)熱固性樹脂三聚氰胺甲醛樹脂 呋喃樹脂 聚丁二烯樹脂有機硅樹脂聚氨酯樹脂共一百一十九頁上海大學材料(cilio)學院電子信息材料(cilio)系28 熱塑性樹脂(shzh)1、何為熱塑性樹脂？2、熱塑性熱固性樹脂比較： 力學性能、耐熱性、抗老化性等都較差。 工藝簡單、周期短、成本低、密度小、應用廣。3、熱塑性樹脂種類： 聚烯烴、氟樹脂、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、聚甲醛、聚丙烯-十二烯-苯乙烯（ABS樹脂）、聚苯乙烯

14、-丙烯腈（SAN或AS樹脂） 共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系29 CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH鏈中含大量酰胺鍵，鏈間以氫鍵(qn jin)連接。結合力強，強度高，耐磨性好。使用溫度 200； S+6處于最高價，抗氧化，耐輻射；抗蠕變，尺寸穩定。成型(chngxng)溫度太高，達300。 可與碳纖維復合。用于宇航和汽車工業。（4） 聚 砜共一百一十九頁上海大學(shn hi d xu)材料學院電子信息材料系32 此外(cwi)：耐高溫的聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺等雜環結構的聚合物，耐溫可達300400，也常作為復合材料的基材。 聚苯硫醚被認

15、為是目前耐熱性最佳的聚合物之一 ；聚芳醚酮對碳纖維有較好的粘結性，具有高強度、耐高溫、耐化學腐蝕、耐輻射、良好阻燃性和易加工的綜合性能等。(5) 其它的高性能熱塑性樹脂共一百一十九頁.金屬基體材料的選擇原則（1）根據金屬基復合材料的使用(shyng)要求（2）根據金屬基復合材料組成特點（3）基體金屬與增強體的相容性2.3 基體(j t)材料 金屬基材料共一百一十九頁 金屬基復合材料是以金屬為基體，以高強度的第二相為增強體而制得的復合材料(cilio)。因此，對這種材料(cilio)的分類既可按基體來進行、也可按增強體來進行。一、金屬基復合材料(f h ci lio)的種類共一百一十九頁 1按基

16、體(j t)分類(1)鋁基復合材料(2)鎳基復合樹樹(3)鈦基復合材料共一百一十九頁這是在金屬基復合材料中應用得最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方(lfng)結構，因此具有良好的塑性和韌性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價格低廉等優點，為其在工程上應用創造了有利的條件。(1)鋁基復合材料(f h ci lio)共一百一十九頁在制造鋁基復合材料時，通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金。這主要是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。至于選擇何種鋁合金做基體，則根據實際中對復合材料的性能需要(xyo)來決定。共一百一十九頁這種復合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優良(yul

17、ing)，因此這種復合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件。(2)鎳基復合材料(f h ci lio)共一百一十九頁人們研制鎳基復合材料的一個重要目的，即是希望(xwng)用它來制造燃汽輪機的葉片，從而進一步提高燃汽輪機的工作溫度。但目前由于制造工藝及可靠性等問題尚未解決，所以還未能取得滿意的結果。共一百一十九頁鈦比任何其它的結構材料(cilio)具有更高的比強度。此外，鈦在中溫時比鋁合金能更好地保持其強度。 因此，對飛機結構來說，當速度從亞音速提高到超音速時，鈦比鋁合金顯示出了更大的優越性。(3)鈦基復合材料(f h ci lio)共一百一十九頁隨著速度的進一步加快，還需要改變飛機的結構設計

18、，采用(ciyng)更細長的機冀和其它冀型，為此需要高剛度的材料，而纖維增強鈦恰可滿足這種對材料剛度的要求。共一百一十九頁基體(j t)和增強體的熱膨脹系數鈦基復合材料中最常用的增強體是硼纖維(xinwi)，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數比較接近，如下表所示。共一百一十九頁 2. 按增強體分類(1)顆粒(kl)增強復合材料(2)層狀復合材料(3)纖維增強復合材料共一百一十九頁(1)顆粒增強復合材料這里的顆粒增強復合材料是指彌散(msn)的硬質增強相的體積超過20的復合材料，而不包括那種彌散質點體積比很低的彌散強化金屬。共一百一十九頁此外，顆粒增強復合材料的顆粒直徑和顆粒間距(jin j)很大，一般

19、大于1um。在這種復合材料中，增強相是主要的承載相，而基體的作用則在于傳遞載荷和便于加工。共一百一十九頁(2)層狀復合材料這種復合材料是指在韌性和成型性較好的金屬基體(j t)材料中，含有重復排列的高強度、高模量片層狀增強物的復合材料。共一百一十九頁層狀復合材料的強度和大尺寸增強物的性能(xngnng)比較接近。因為增強薄片在二維方向上的尺寸相當于結構件的大小。共一百一十九頁(3)纖維增強(zngqing)復合材料共一百一十九頁 金屬基復合材料中的纖維(xinwi)根據其長度的不同可分為長纖維、短纖維和晶須，它們均屬于一維增強體。因此，由纖維增強的復合材料均表現出明顯的各向異性特征。共一百一十

20、九頁當韌性金屬(jnsh)基體用高強度脆性纖維增強時，基體的屈服和塑性流動是復合材料性能的主要特征，但纖維對復合材料彈性模量的增強具有相當大的作用。 共一百一十九頁根據金屬基復合材料的使用要求根據金屬基復合材料組成(z chn)特點基體金屬與增強體的相容性二.金屬基體(j t)材料的選擇原則共一百一十九頁1. 根據金屬基復合材料的使用要求金屬基復合材料構件的使用性能要求是選擇(xunz)金屬基體材料最重要的依據。如在航天、航空技術中，高比強度和比模量以及尺寸穩定性是最重要的性能要求；作為飛行器和衛星的構件宜選用密度小的輕金屬合金（如鎂合金和鋁合金）作為基體，與高強度、高模量的石墨纖維、硼纖維等

21、組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復合材料。共一百一十九頁高性能發動機則要求復合材料不僅有高比強度和比模量，還要具有優良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應選擇鈦合金、鎳合金以及(yj)金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金（高溫合金）復合材料可用于噴氣發動機葉片、轉軸等重要零件。共一百一十九頁在汽車發動機中要求其零件耐熱、耐磨、導熱、一定的高溫強度等，同時又要求成本(chngbn)低廉，適合于批量生產，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基復合材料。如碳化硅/鋁復合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復合材料可制作

22、發動機活塞、缸套等零件。共一百一十九頁工業集成電路需要高導熱、低膨脹的金屬基復合材料作為散熱元件和基板。因此，可以選用具有高導熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復合成具有低熱膨脹系數和高導熱率、高比(o b)強度、高比(o b)模量等性能的金屬基復合材料。共一百一十九頁2. 根據金屬基復合材料(f h ci lio)組成特點選用不同類型的增強材料如連續纖維、短纖維或晶須，對基體材料的選擇有較大影響。共一百一十九頁例如在連續纖維增強的復合材料(f h ci lio)中，基體的主要作用應是以充分發揮增強纖維的性能為主，基體本身應與纖維有良好的

23、相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強度。因此，考慮到要充分發揮纖維的作用，希望選用塑性較好的基體。實驗證明，此時如果采用較高強度的合金材料，復合材料的性能將有所降低。如碳纖維增強鋁基復合材料中，純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強度鋁合金要好得多，使用后者制成的復合材料的性能反而低。在研究碳鋁復合材料基體合金的優化過程中發現，鋁合金的強度越高，復合材料的性能越低。這可能與基體和纖維的界面狀態、脆性相的存在、基體本身的塑性等有關。共一百一十九頁相反。對于(duy)非連續增強（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復合材料，基體的強度對復合材料具有決定性的影響，因此，要選用較高強度的合金來作為基

24、體。所以，要獲得高性能金屬基復合材料必須選用高強度鋁合金作為基體，這與連續纖維增強金屬基復合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強鋁基復合材料一般選用高強度鋁合金（如A365，6061，7075）為基體。共一百一十九頁3. 基體金屬與增強(zngqing)物的相容性首先，由于金屬基復合材料需要在高溫下成型，制備過程中，處于高溫熱力學非平衡狀態下的纖維與金屬之間很容易發生化學反應，在界面形成反應層。界面反應層大多是脆性的，當反應層達到一定厚度后，材料受力時將會因界面層的斷裂伸長小而產生裂紋，并向周圍纖維擴展，容易引起纖維斷裂，導致復合材料整體破壞。共一百一十九頁其次，由于基體金屬中往往含有不同類型的

25、合金元素，這些合金元素與增強物的反應程度不同，反應后生成的反應產物也不同，需在選用基體合金成分時充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強物浸潤復合，又有利于形成合適穩定(wndng)的界面合金元素。共一百一十九頁如碳纖維增強鋁基復合材料(f h ci lio)中，在純鋁中加入少量的Ti，Zr等合金元素可明顯改善復合材料的界面結構和性質，大大提高復合材料的性能。用鐵、鎳作為基體，碳纖維作為增強物是不可取的。因為Ni，Fe元素在高溫時能有效地促使碳纖維石墨化，破壞了碳纖維的結構，使其喪失了原有的強度，使復合材料性能惡化。共一百一十九頁結構用金屬基復合材料的基體 用于各種航天、航空、汽車、先進武器等結

26、構件的復合材料一般均要求有高的比強度和比剛度(n d)，因此大多選用鋁及鋁合金、鎂及鎂合金作為基體金屬。目前研究發展較成熟的金屬基復合材料主要是鋁基、鎂基復合材料，用它們制成各種高比強度、高比模量的輕型結構件，廣泛的用于宇航、航空、汽車等領域。共一百一十九頁鋁、鎂復合材料一般只能用在450 左右、而鈦合金基體復合材料可用到650 、而鎳、鈷基復合材料可在1200使用。另外(ln wi)，還有最近正在研究的金屬間化合物為熱結構復合材料的基體。 共一百一十九頁下表列出了一些基體金屬和合金的主要(zhyo)特性共一百一十九頁、用于450 以下(yxi)的輕金屬基體在這個溫度范圍內使用的金屬基體主要是

27、鋁、鎂和它們的合金，而且主要是以合金的形式被廣泛的應用。例如，用于航天飛機、人造衛星、空間站、汽車發動機零件、剎車盤等，并已形成工業規模生產。 共一百一十九頁(1) 鋁和鋁合金鋁是一種低密度、較高強度和具有耐腐蝕性能的金屬。在實際使用中，純鋁中常加入鋅、銅、鎂、錳等元素形成合金，由于(yuy)加入的這些元素在鋁中的溶解度極為有限，因此，這類合金通常稱為沉淀硬化合金，如A1-Cu-Mg和A1-Zn-Mg-Cu等沉淀硬化合金。共一百一十九頁(2)鎂和鎂合金鎂是一種比鋁更輕的金屬，但鎂的機械性能較差，因此，通常是在鎂中加入(jir)鋁、鋅、錳、鋯及稀土元素而形成鎂合金。目前常用的鎂合金主要包括Mg-

28、Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Cr等耐熱合金，可作為連續或不連續纖維復合材料的基體。共一百一十九頁對于不同(b tn)類型的復合材料應選用合適的鋁、鎂合金基體。例如，連續纖維增強金屬基復合材料一般選用純鋁或含合金元素少的單相鋁合金；而顆粒、晶須增強金屬基復合材料則選擇具有高強度的鋁合金。共一百一十九頁、用于450-700 的復合材料的金屬基體通過各種研究表明，在這個溫度范圍內可以作為金屬基復合材料基體使用(shyng)的，目前主要是鈦及其合金。共一百一十九頁鈦有兩種晶形，-鈦具有六方密堆積排列結構，低于885時穩定(wndng)； -鈦是體心立方結構，高于885時穩定。 共一百一十九頁 金屬鋁

29、能提高鈦由向相轉變(zhunbin)的溫度，所以鋁是相鈦的穩定劑。而大多數其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低鈦由向相轉變的溫度，所以是相鈦的穩定劑。共一百一十九頁 鈦在較高的溫度中能保持高強度，優良的抗氧化和抗腐蝕性能。它具有(jyu)較高的強度質量比和模量質量比，是一種理想的航空、宇航應用材料。共一百一十九頁鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強度高等特點，是一種可在450700 溫度下使用的合金(hjn)，主要用于航空發動機等零件上。共一百一十九頁鈦合金的成分(chng fn)和性能現在已用于鈦基復合材料(f h ci lio)的鈦合金的成分和性能如下共一百一十九頁

30、C、用于600-900 的復合材料的金屬基體鐵和鐵合金是在此溫度范圍(fnwi)內使用的金屬基體。共一百一十九頁在金屬基復合材料中使用的鐵，主要是鐵合金，按加工工藝分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。 其中，鐵基變形高溫合金是奧氏體可塑性變形高溫合金，主要組成為1560鐵，2555鎳和1123鉻。 此外，根據(gnj)不同的使用溫度，分別加入鎢、鉬、鈮、釩、鈦等合金元素進行強化。共一百一十九頁鐵基鑄造高溫合金是以鐵為基體(j t)，用鑄造工藝成型的高溫合金，基體為面心立方體結構的奧氏體。鐵基變形高溫合金、鑄造高溫合金分別用于制造燃氣渦輪發動機的燃燒室和渦輪輪盤、渦輪導向葉片等。共一百一十九頁D、用

31、于1000 以上的金屬基體用于1000 以上的高溫金屬基復合材料的基體材料主要是鎳基耐熱合金和金屬間化合物。其中，研究較為成熟的是鎳基高溫合金，金屬間化合物基復合材料尚處于(chy)研究階段。共一百一十九頁 () 鎳和鎳合金在金屬基復合材料中使用的鎳與鐵相同，按照加工工藝不同(b tn)，可形成鎳基變形高溫合金和鎳基鑄造高溫合金。共一百一十九頁鎳基變形高溫(gown)合金以鎳為基體(含量一般大于50)，加入鎢、鉬、鈷、鉻、鈮等合金元素，使用溫度在6501000，具有較高的強度、良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力，用于制造燃氣渦輪發動機的燃燒室等。共一百一十九頁鎳基鑄造高溫合金是以鎳為基體，用鑄造工藝

32、成型的高溫合金，能在6001100的氧化和燃氣腐蝕氣氛中承受復雜壓力，并能長期可靠地工作，主要用于制造渦輪轉子葉片(ypin)和導向葉片及其他在高溫條件下工作的零件。共一百一十九頁 ()金屬間化合物金屬間化合物種類繁多，而用于金屬基復合材料的金屬間化合物通常是一些高溫(gown)合金，如鋁化鎳，鋁化鐵、鋁化鈦等，使用溫度可達1600。共一百一十九頁金屬間化合物的缺點是它們的韌性非常低，主要原因有兩個：（）結構組織中低的對稱性導致滑移系不足(bz)（）晶體界面結合較弱。共一百一十九頁另外，金屬銅也可以作為基體材料。銅是優良的導體，其導電率為銀的94。銅的塑性好，強度和彈性模量不高，熱膨脹系數大，

33、容易(rngy)鑄造和加工。銅在復合材料中的主要用途是作為鈮基超導體的基體材料。共一百一十九頁3 功能用金屬(jnsh)基復合材料的基體功能用金屬基復合材料隨著電子、信息、能源、汽車等工業技術的不斷發展，越來越受到各方面的重視，面臨廣闊的發展前景。共一百一十九頁高技術領域的發展要求材料和器件具有優良的綜合物理性能，如同時(tngsh)具有高力學性能、高導熱、低熱膨脹、高導電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數和耐磨性等。共一百一十九頁目前功能金屬基復合材料主要用于微電子技術的電子(dinz)封裝、用于高導熱、耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料、耐高溫摩擦的耐磨材料、耐腐蝕的電池極板材料等。共一百一十九頁

34、功能金屬基復合材料主要選用(xunyng)的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。共一百一十九頁用于電子封裝的金屬基復合材料的基體主要(zhyo)是純鋁和純銅。 例如，高碳化硅顆粒含量的鋁基(SiCpAl)、銅基(SiCpCu)復合材料；高模、超高模石墨纖維增強鋁基(Cr/Al)、銅基(Cr/Cu)復合材料；金剛石顆粒或多晶金剛石纖維增強鋁、銅復合材料；硼鋁復合材料等。用于耐磨零部件的金屬基復合材料(f h ci lio)的基體主要是常用的鋁、鎂、鋅、銅、鉛等金屬及合金。例如：碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬基復合材料。共一百一十九頁傳統的陶

35、瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃(b l)、水泥、搪瓷、磚瓦等人造無機非金屬材料。由于這些材料都是含二氧化硅的天然硅酸鹽礦物質，如粘土、石灰石、砂子等為原料制成的，所以陶瓷材料也是硅酸鹽材料。2.4 基體材料(cilio) 陶瓷基材料共一百一十九頁隨著現代科學技術的發展，出現了許多(xdu)性能優異的新型陶瓷，它們不僅含有氧化物，還有碳化物、硼化物和氮化物等。 共一百一十九頁陶瓷是金屬和非金屬元素的固體化合物，其鍵合為共價鍵或離子鍵，與金屬不同，它們不含有大量電子。一般而言，陶瓷具有比金屬更高的熔點和硬度，化學性質非常穩定，耐熱性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是絕緣體，在高溫下也可以(ky)導電，但比

36、金屬導電性差得多。共一百一十九頁雖然(surn)陶瓷的許多性能優于金屬，但它也存在致命的弱點，即脆性強，韌性差，很容易因存在裂紋、空隙、雜質等細微缺陷而破碎，引起不可預測的災難性后果，因而大大限制了陶瓷作為承載結構材料的應用。共一百一十九頁陶瓷基體材料主要以結晶和非結晶兩種形態的化合物存在，它們一般應具有優異的耐高溫性能，與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體主要包括(boku)：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。共一百一十九頁一些(yxi)陶瓷材料的物理和機械性能共一百一十九頁 玻 璃玻璃是通過無機材料高溫燒結(shoji)而成的一種材料。與其它陶瓷

37、材料不同，玻璃在熔體后不經結晶而冷卻成為堅硬的無機材料，即具有非晶態結構是玻璃的特征之一。共一百一十九頁 2 玻璃陶瓷許多無機玻璃可以通過適當的熱處理使其由非晶態轉變為晶態，這一過程稱為反玻璃化。由于反玻璃化使玻璃成為多晶體，透光性變差，而且因體積變化還會產生內應力，影響材料強度。所以，通常應當(yngdng)避免發生反玻璃化過程。共一百一十九頁但對于某些玻璃，反玻璃化過程可以(ky)控制，最后能夠得到無殘余應力的微晶玻璃，這種材料稱為玻璃陶瓷。為了實現反玻璃化，需要加入成核劑(如TiO2)。玻璃陶瓷具有熱膨脹系數小、力學性能好和導熱系數較大等特點，玻璃陶瓷基復合材料的研究在國內外都受到重視。

38、共一百一十九頁3氧化物陶瓷基體作為基體材料(cilio)使用的氧化物陶瓷主要有A12O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫來石(即富鋁紅柱石，化學式為3A12O3SiO2)等，它們的溶點在2000 以上。 共一百一十九頁氧化物陶瓷的強度隨環境溫度升高而降低，但在1000 以下降低較小。因此，氧化物陶瓷基復合材料應避免在高應力(yngl)和高溫環境下使用。這是由于A12O3和ZrO2的抗熱震性較差，SiO2在高溫下容易發生蠕變和相變。雖然莫來石具有較好的抗蠕變性能和較低的熱膨脹系數，但使用溫度也不宜超過1200 。共一百一十九頁 (1)氧化鋁陶瓷基體以氧化鋁(Al2O3)為主要(zhyo)成分的陶

39、瓷稱為氧化鋁陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學穩定的相態，即-Al2O3 ，屬六方晶系。共一百一十九頁氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁瓷，99氧化鋁瓷，95氧化鋁瓷和85氧化鋁瓷等品種，其氧化鋁含量(hnling)(質量分數)依此為999、99、95和85，燒結溫度依次為1800、1700、1650和1500。共一百一十九頁 (2)氧化鋯陶瓷基體以氧化鋯(ZrO2)為主要成分的陶瓷稱為氧化鋯陶瓷。氧化鋯密度5.65.9 g / cm3，熔點2175 。 氧化鋯在1100時，從單斜相迅速轉變為四方相，此可逆轉變伴隨有79的體積(tj)變化。共一百一十九頁由于氧化鋯具有可逆相變，故在氧化鋯陶瓷的燒結過程中加入適

40、量CaO、MgO等與ZrO2結構近似的氧化物作為(zuwi)穩定劑，形成穩定的立方相結構。穩定的氧化鋯陶瓷的比熱容和導熱系數小，韌性好，化學穩定性良好，高溫時具有抗酸性和抗堿性。共一百一十九頁4 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它們的特點(tdin)是耐火性和耐磨性好，硬度高，脆性也很強。共一百一十九頁碳化物和硼化物的抗熱氧化溫度約9001000 。氮化物略低些，硅化物的表面(biomin)能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度達13001700 。氮化硼具有類似石墨的六方結構，在高溫(1360 )和高壓作用下可轉變成立方結構的氮化硼，耐熱溫度高達2000 ，硬度極高，可作為金剛石的代用品。共一百一十九頁(1) 氮化硅陶瓷基體以氮化硅(Si3N4)為主要成分的陶瓷稱氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有兩種形態，即和 兩種六方晶型，由于氮化硅中Si-N鍵結合強度高，屬難燒結(shoji)物質。共一百一十九頁不同制備(zhbi)方法的氮化硅的