复合材料的基体材.ppt

《复合材料的基体材.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料的基体材.ppt（246页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1,第三章复合材料的基体材料复合材料的原材料包括基体材料和增强材料。,基体材料主要包括以下三部分：金属基体材料、陶瓷基体材料和聚合物基体材料,2,一、金属基体材料,、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,3,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。,4,、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。,5,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

2、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：,6,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。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。,7,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

3、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。,8,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。,9,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

4、金属基复合材料。,10,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。,11,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。,12,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

5、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。,13,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。,14,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

6、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。,15,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。,16,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

7、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。,17,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。,18,2、结构用金属基复合材料的基体 用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料一般均要求有高的比强度和比刚度，因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料，用它们制成各种高比强度、高比模量的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车

8、等领域。,19,在发动机，特别是燃气轮机中所需要的结构材料是热结构材料，要求复合材料零件在高温下连续安全工作，工作温度在6501200 左右，同时要求复合材料有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性质。,20,铝、镁复合材料一般只能用在450 左右、而钛合金基体复合材料可用到650、而镍、钴基复合材料可在1200使用。另外，还有最近正在研究的金属间化合物为热结构复合材料的基体。,21,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。,22,下表列出了一些基体金属和合金的主要特性,23,用作高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能列于下表中。,24,高温金属基复合材料的基体合

9、金的成分和性能,25,、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。,26,(1)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。,27,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。,

10、28,(2)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。,29,对于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁合金基体。例如，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；而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的铝合金。,30,、用于450-700 的复合材料的金属基体通过各种研究表明，存这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是钛及其合金。,31,钛有两种晶形，-钛具有六方

11、密堆积排列结构，低于885时稳定；-钛是体心立方结构，高于885时稳定。,32,金属铝能提高钛由向相转变的温度，所以铝是相钛的稳定剂。而大多数其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由向相转变的温度，所以是相钛的稳定剂。,33,钛在较高的温度中能保持高强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性能。它具有较高的强度质量比和模量质量比，是一种理想的航空、宇航应用材料。,34,钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，是一种可在450700 温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。,35,用高性能碳化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒增强钛合金，可以获得更高的高温性能。美国己成功地试

12、制成碳化硅纤维增强钛复合材料，用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。,36,钛合金的成分和性能,现在已用于钛基复合材料的钛合金的成分和性能如下,37,C、用于600-900 的复合材料的金属基体铁和铁合金是在此温度范围内使用的金属基体。,38,在金属基复合材料中使用的铁，主要是铁合金，按加工工艺分为变形高温合金和铸造高温合金。,39,其中，铁基变形高温合金是奥氏体可塑性变形高温合金，主要组成为1560铁，2555镍和1123铬。此外，根据不同的使用温度，分别加入钨、钼、铌、钒、钛等合金元素进行强化。,40,铁基铸造高温合金是以铁为基体，用铸造工艺成型的高温合金，基体为面心立方体结

13、构的奥氏体。,41,铁基变形高温合金、铸造高温合金分别用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室和涡轮轮盘、涡轮导向叶片等。,42,D、用于1000 以上的金属基体用于1000 以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基耐热合金和金属间化合物。其中，研究较为成熟的是镍基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。,43,()镍和镍合金在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，按照加工工艺不同，可形成镍基变形高温合金和镍基铸造高温合金。,44,镍基变形高温合金以镍为基体(含量一般大于50)，加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度在6501000，具有较高的强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气

14、涡轮发动机的燃烧室等。,45,镍基铸造高温合金是以镍为基体，用铸造工艺成型的高温合金，能在6001100的氧化和燃气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制造涡轮转子叶片和导向叶片及其他在高温条件下工作的零件。,46,另外，用钨丝、钍钨丝增强镍基合金还可以大幅度提高其高温性能。如高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1.3倍，主要用于高性能航空发动机叶片等重要零件。,47,()金属间化合物金属间化合物种类繁多，而用于金属基复合材料的金属间化合物通常是一些高温合金，如铝化镍，铝化铁、铝化钛等，使用温度可达1600。,48,在这些高温合金的晶体结构中，原子主要以长程有序方式排列。由于

15、这种有序在金属间化合物中发生位错要比在无序合金中受到更大的约束，因此能使化合物在高温下保持强度。,49,金属间化合物的缺点是它们的韧性非常低，主要原因有两个：（）结构组织中低的对称性导致滑移系不足（）晶体界面结合较弱。,50,改进金属间化合物韧性方面的例子：在冶金过程中，采用快速凝固法以及向Ni3Al一类金属间化合物中添加硼，由于硼可以迁移到晶面，使其增强，故金属间化合物的韧性有所改善。,51,研究表明，只要添加极少量的硼0.06(质量分数)便可使其韧性从20增加到50左右。,52,一些金属间化合物的性能,下表列出了一些金属间化合物的主要性能,53,另外，金属铜也可以作为基体材料。铜是优良的导

16、体，其导电率为银的94。铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系数大，容易铸造和加工。铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体的基体材料。,54,3 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。,55,高技术领域的发展要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如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、高摩擦系数和耐磨性等。,56,单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合材料来满足需求。,57,例如，电子领域的集成电路，由于电子器件

17、的集成度越来越高，单位体积中的元件数不断增多，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零件，以便将热最迅速传走，避免产生热应力，来提高器件的可靠性。,58,又如，汽车发动机零件要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当等，这些均可通过材料的组合设计来达到。,59,目前功能金属基复合材料主要用于微电子技术的电子封装、用于高导热、耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料、耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐蚀的电池极板材料等。,60,功能金属基复合材料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。,61,用于电子封装的金属基复合材料的基体主要是纯铝和纯铜。例如，高碳化硅颗粒含量的铝

18、基(SiCpAl)、铜基(SiCpCu)复合材料；高模、超高模石墨纤维增强铝基(Cr/Al)、铜基(Cr/Cu)复合材料；金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝、铜复合材料；硼铝复合材料等。,62,用于耐磨零部件的金属基复合材料的基体主要是常用的铝、镁、锌、铜、铅等金属及合金。例如：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。,63,用于集电和电触头的金属基复合材料有：碳(石墨)纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等。,64,功能用金属基复合材料所用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。通过在这些基体中加入合

19、适的增强物就可以得到优异的综合物理性能，满足各种特殊需要。,65,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、碳化硅颗粒就可使这类复合材料具有很高的导热系数(与纯铝、铜相比)和很小的热膨胀系数，满足了集成电路封装散热的需要。随着材料科学的发展，还会出现更多品种的功能金属基复合材料。,66,三、陶瓷基体传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。由于这些材料都是含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质，如粘土、石灰石、砂子等为原料制成的，所以陶瓷材料也是硅酸盐材料。,67,随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的新型陶瓷，它们不仅含有氧化物，还有碳化物

20、、硼化物和氮化物等。,68,陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，它们不含有大量电子。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。,69,虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点，即脆性强，韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。,70,近年来的研究结果表明，在陶瓷基体中添加其它成分，如陶瓷粒子、纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著

21、。,71,40年代，美国电话系统常常发生短路故障，检查发现在蓄电池极板表面出现一种针状结晶物质。进一步的研究结果表明，这种结晶与基体极板金属结晶相似，但强度和模量都很高，并呈胡须状，故命名晶须。最常用的晶须是碳化物晶须。其强度大，容易掺混在陶瓷基体中，已成功地用于增强多种陶瓷。,72,陶瓷基体材料主要以结晶和非结晶两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的耐高温性能，与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。下表是一些陶瓷材料的物理和机械性能。,73,一些陶瓷材料的物理和机械性能,74,玻 璃玻璃是通过无机材料高

22、温烧结而成的一种陶瓷材料。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即具有非晶态结构是玻璃的特征之一。,75,在玻璃坯体的烧结过程中，由于复杂的物理化学反应产生不平衡的酸性和碱性氧化物的熔融液相，其粘度较大，并在冷却过程中进一步迅速增大。一般当粘度增大到一定程度(约10 12Pa s)时，熔体硬化并转变为具有固体性质的无定形物体即玻璃。此时相应的温度称为玻璃化转变温度(Tg)。,76,当温度低于Tg时，玻璃表现出脆性。加热时玻璃熔体的粘度降低，在达到某一粘度(约10 8 Pa.s)所对应的温度时，玻璃显著软化，这一温度称为软化温度(f)。Tg和Tf的高低主要取决于玻璃的

23、成分。,77,2 玻璃陶瓷许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。由于反玻璃化使玻璃成为多晶体，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。,78,但对于某些玻璃，反玻璃化过程可以控制，最后能够得到无残余应力的微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷。为了实现反玻璃化，需要加入成核剂(如TiO2)。玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、力学性能好和导热系数较大等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究公国内外都受到重视。,79,3氧化物陶瓷基体作为基体材料使用的氧化物陶瓷主要有A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(即富铝红柱石，化

24、学式为3A12O3SiO2)等，它们的溶点在2000 以上。,80,氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，除晶相外，可能还含有少量气相(气孔)。微晶氧化物的强度较高，粗晶结构时，晶界面上的残余应力较大，对强度不利。,81,氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000 以下降低较小。因此，氧化物陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用。这是由于A12O3和ZrO2的抗热震性较差，SiO2在高温下容易发生蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的抗蠕变性能和较低的热膨胀系数，但使用温度也不宜超过1200。,82,(1)氧化铝陶瓷基体以氧化铝(Al2O3)为主要成分的陶瓷称为氧化铝陶瓷，氧化铝仅有一种热动力

25、学稳定的相态，即-Al2O3，属六方晶系。,83,氧化铝陶瓷包括高纯氧化铝瓷，99氧化铝瓷，95氧化铝瓷和85氧化铝瓷等品种，其氧化铝含量(质量分数)依此为999、99、95和85，烧结温度依次为1800、1700、1650和1500。,84,以-Al2O3和3Al2O3.2SiO2为主晶相的称为刚玉-莫来石瓷，主要原料为高岭土、氧化铝和少量膨润土，烧结温度为1350左右，主要性能见下表所示。,85,一些陶瓷材料的物理和机械性能,86,-Al2O3被氧化锆粉体增韧近年来发展较为普遍，其原理是：氧化锆有四方相和单斜相两种形态，当氧化锆和氧化铝的粉体混合并加热至1500左右，氧化锆粒子从四方相向单

26、斜相形态转变，从而导致体积改变，吸收能量，减缓微观裂纹尖端的应力集中，从而起到增韧氧化铝的作用。,87,(2)氧化锆陶瓷基体以氧化锆(ZrO2)为主要成分的陶瓷称为氧化锆陶瓷。氧化锆密度5.65.9 g/cm3，熔点2175。氧化锆在1100时，从单斜相迅速转变为四方相，此可逆转变伴随有79的体积变化。,88,由于氧化锆具有可逆相变，故在氧化锆陶瓷的烧结过程中加入适量CaO、MgO等与ZrO2结构近似的氧化物作为稳定剂，形成稳定的立方相结构。稳定的氧化锆陶瓷的比热容和导热系数小，韧性好，化学稳定性良好，高温时具有抗酸性和抗碱性。,89,4 非氧化物陶瓷非氧化构陶瓷是指不合氧的氮化物、碳化物、硼

27、化物和硅化物。它们的特点是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。,90,碳化物和硼化物的抗热氧化温度约9001000。氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达13001700。氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温(1360)和高压作用下可转变成立方结构的氮化硼，耐热温度高达2000，硬度极高，可作为金刚石的代用品。,91,(1)氮化硅陶瓷基体以氮化硅(Si3N4)为主要成分的陶瓷称氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有两种形态，即和 两种六方晶型，由于氮化硅中Si-N键结合强度高，属难烧结物质。,92,氮化硅陶瓷主要制备技术有烧结氮化硅，热压氮化硅(HPSN)，反应化合氮化硅(RBSN

28、)，化学气相沉积(CVD)氮化硅等。各种制备技术所需的工艺条件各不相同，所得氮化硅的性能也有所差异。如反应化合氮化硅比热压氮化硅有较低的抗氧化性，,93,另外，在HPSN制备技术中，MgO作为通常的烧结助剂加入后与-Si3N4表面含有的SiO2形成液相的硅化镁，这些硅化镁渗透在Si3N4颗粒中间，成为-Si3N4渗析的通道。从微观结构的HPSN颗粒中可以看到，少量硅化镁表层的存在是导致1200以上氮化硅强度降低的主要原因。,94,在HPSN制备技术中，除了加入MgO外，还可以加人Y2O3、CeO2和ZrO2等作为烧结助剂。下表中列出了不同制备方法的氮化硅的一些物理性能。,95,不同制备方法的氮

29、化硅的一些物理性能,96,氮化硅还具有热膨胀系数低，优异的抗冷热聚变能力，能耐除氢氟酸外的各种无机酸和碱溶液，此外，还可耐熔融的铅、锡、镍、黄钢、铝等有色金属及合金的侵蚀且不黏留这些金属液。,97,(2)氮化硼陶瓷基体以氮化硼(BN)为主要成分的陶瓷称为氮化硼陶瓷。氮化硼是共价键化合物，有立方和六方两种晶型结构。,98,氮化硼可以分为下面的三种：-BN，这是一种六方晶型，层状结构类似于石墨，理论密度为227gcm3。-BN，它一种立方晶型，结构和硬度都类似于钻石，理论密度为348gcm3。-BN，它也是一种六方晶型，理论密度为3.48g/cm3。,99,由于六方晶型BN具有类似于石墨的结构，具

30、有润滑性好和硬度低等特点，故称“白石墨”，在热压陶瓷过程中主要被当作脱模剂使用。BN与石墨不同，是绝缘体，六方晶型BN的莫氏硬度为2，无明显熔点，升华分解温度为3000，理论密度2.27g/cm3。,100,BN的抗氧化性能优异，可在900以下的氧化气氛中和2800以下的氮气和惰性气氛中使用。如果把BN粉末加入到氮化硅和氧化铝中，则混合物热导率(20)为15.0728.89W(mK)，且随温度变化不大；热膨胀系数约为(57)*106K，热稳定性好。,101,高纯BN电阻率为1011.m（1000高温下为102104.m)，介电常数为3.05.3，介电损耗因子为(28)*l04，击穿电压为950

31、kVcm，高温下也能保持绝缘性，耐碱、酸、金属、砷化镓和玻璃熔渣侵蚀，对大多数金属和玻璃熔体不润湿，也不反应。,102,(3)碳化硅陶瓷基体以碳化硅(SiC)为主要成分的陶瓷称为碳化硅陶瓷。SiC是一种非常硬和抗磨蚀的材料，以热压法制造的SiC可以用来作为切割钻石的刀具。SiC还具有优异的抗腐蚀性能，抗氧化性能。,103,SiC并不在自然界中存在，主要通过热压、烧结、反应烧结和化学气相沉积等制备技术获得。SiC一般有两种晶型，即-SiC(六方晶型)和-SiC(立方晶型)，Si-C键属于典型的共价键。,104,为了提高陶瓷的致密程度，常添加MgO、Y2O3、B、C、Al等能够降低晶界能的粉末以促

32、进烧结。不同方法制备的SiC的一些性能如下表所示。,105,不同方法制备的碳化硅的一些性能,106,()碳化硼陶瓷基体以碳化硼(B4C)为主要成分的陶瓷称为碳化硼陶瓷。B4C是一种低密度、高熔点、高硬度陶瓷。碳化硼粉体是由B2O3和C在电弧炉中发生下列反应所得：,107,游离碳含量可以用近似计量w游离碳（128w总碳-27.7)/100,B4C粉末可以通过无压烧结、热压等制备技术形成致密的材料，其主要性能如下表所示：,108,四、无机胶凝材料无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。在无机胶凝材料基增强塑料中，研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。它是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体

33、，以短切纤维或连续纤维为增强材料组成的。,109,用无机胶凝材料作基体来生产纤维增强塑料尚是一种处于发展阶段的新型结构材料，其长期耐久性尚待进一步提高，其成型工艺尚待进一步完善，其应用领域有待进一步地开发。,110,1、水泥基体材料(1)水泥基体材料具有以下五个特征水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由数“埃”到数百“埃。孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，也会影响纤维与基体的界面粘接。,111,纤维与水泥的弹性模量比小，因水泥的弹性模量比树脂的高，对多数有机纤维而言，纤维与水泥的弹性模量比甚至小于1，这意昧着在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应远不如纤维增强树脂。,112,水泥基材的断裂延伸率较

34、低，在纤维尚未从水泥基材中拔出拉断前，水泥基材即行开裂。,113,水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料,与纤维成点接触，故纤维的掺量受到很大限制。而树脂基体在未固化前是粘稠液体，可较好地浸透纤维中。故纤维的掺量可高些。水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维是不利的。,114,几种增强水泥基体用纤维和水泥性能比较见下表所示：,115,116,(2)水泥基体的水化机理水泥水化过程是相当复杂的，其物理化学变化是多种多样的。,117,在硅酸盐熟料中，硅酸盐矿物硅酸三钙(简写C3S)、硅酸二钙(简写C2S)约占75；铝酸三钙(简写C3A)和铁铝酸四钙(简写C4AF)的固溶体约占20。硅酸

35、三钙和硅酸二钙的主要水化反应产物是水化硅酸钙与Ca(OH)2的晶体。,118,两种硅酸盐的水化反应可大致用下式表示：,简称CSH1式,简称CSH2式,119,在早期的水泥石中，主要是CSH(1)式型，系由熟料粒子向外辐射的针、刺、柱、管状的晶体（长约0.52um，宽一般小于0.2um）在末端变细，常在尖端有分叉。,120,CSH(2)式型与CSH(1)式型往往同时出现，粒子相互啮合成网络状。CSH()式型以集合体出现，粒径小于0.3um，是不规则的等径粒子。,121,Ca(OH)2在早期大量生成，初生成时，为六角形的薄片，宽度由几十微米到100多微米，以后逐渐增厚并失去六角形轮廓。Ca(OH)

36、2晶体与水化硅酸钙交叉在一起，对水泥石的强度及其与集料颗粒、纤维的胶结起着主要作用。,122,CSH纤维状晶体，在水泥石长期水化中，仍继续存在，并且还可发育生长，有的可达几十微米。长纤维网络起着改善水泥石本身强度和变形的作用。,123,水泥中的铁铝酸盐相在水化时，可生成形态与结晶完全不同的三种水化产物：“钙矾石”、“单硫相”和“水化石榴石”的固溶体。由于硅酸盐水泥水化过程中产生大量Ca(OH)2，故其水泥石孔隙液相的pH值很高，一般在12.513.0。,124,硫铝酸盐熟料的主要矿物成分为无水硫铝酸钙3CaO.3Al2O3.CaSO4，简写C4A3(SO3)与-C2S。当8590%的硫铝酸盐熟

37、料与1015%的二水石膏粉磨可得硫铝酸盐型早强水泥。,125,在水化时，无水硫酸钙与二水石膏反应生成钙矾石与铝胶(AH3)，其反应式如下：,126,另外，Ca(OH)2与铝胶、二水石膏反应生成钙矾石、其反应式如下：,127,由于硫铝酸盐早强水泥中的石膏含量不足，故全部Ca(OH)2被结合生产钙矾石。因此，这种水泥硬化体孔隙中液相的pH值为11.5左右。,128,硫铝酸盐型低碱水泥是由30 40的硫铝酸盐熟料与3070的硬石膏制成的。由于此种水泥的石膏含量较高，故-2CaO.SiO2水化生产的Ca(OH)2，几乎皆可与铝胶、石膏反应生成钙矾石，故使硬化体孔隙中液相pH值只有10.5左右。,129

38、,在各种水泥水化生成物中，只有钙矾石的孔隙液相的pH值是最低的。因此，到目前为止，硫铝酸盐型低碱水泥是水硬性胶凝材料中碱度最低的一种。,130,2、氯氧镁水泥氯氧镁水泥基复合材料是以氯氧镁水泥为基体，以各种类型的纤维增强材料及不同外加剂所组成，用一定的加工方法复合而成的一种多相固体材料，属于无机胶凝材料基复合材料。它具有质量轻、强度高、不燃烧、成本低和生产工艺简单等优点。,131,氯氧镁水泥、也称镁水泥，至今已有120多年的历史。它是MgOMgCl2H20三元体系。多年来因其水化物的耐水性较差，限制了它的开发和应用。近年来，人们通过研究，在配方中引入不同类型的抗水性外加剂，改进生产工艺，使其抗

39、水性大幅度提高。使得氯氧镁水泥复合材料从单一轻型屋面材料，发展列复合地板、玻璃瓦、浴缸和风管等多种制品。,132,氯氧镁水泥中的主要成分分为菱苦土(MgO)，它是菱镁矿石经800850煅烧而成的一种气硬性胶凝材料。,133,我国菱镁矿资源蕴藏丰富，截止1986年底统计，我国菱镁矿勘查储量达28亿吨，占世界储量的30。主要分布在辽宁、山东、四川、河北、新疆等地，其中辽宁约占全国贮量的35。开发利用这一巨大的资源优势，对于推动GR复合材料的发展将起到不可估量的作用。,134,目前，镁水泥复合材料广泛采用的是玻璃纤维、石棉纤维和木质纤维增强材料，为改善制品性能还填加各种粉状填料(如滑石粉、二氧化硅粉

40、等)及抗水性外加剂。,135,镁水泥复合材料生产方法，根据所用纤维材料的形式不同而异，有铺网法(即用玻璃纤维网格布增强水泥砂浆)、喷射法(即用连续纤维切短后与水泥砂浆同时喷射到模具中)、顶拌法(即短切纤维与水泥砂浆通过机械搅拌混合后，浇铸注到模具中)。,136,五、聚合物基体材料,137,1聚合物基体的作用 聚合物基体是FRP的一个必需组分。在复合材料成型过程中，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体，因而整体性能直接影响复合材料性能。,138,基体的作用主要包括以下四个部分将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；基体决定复合材料的一些性

41、能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能)等；,139,基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选择等。基体保护纤维免受各种损伤。此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。,140,2聚合物基体材料的分类 用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。,141,热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。,热塑性聚合物的形态特征,142,按聚集态结构不同，这类固态

42、高分子有非晶(或无定形)和结晶两类，而后者的结晶也是不完全的，通常的结晶度在20一85范围。,143,热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。,热固性聚合物的形态特征,144,聚合物基体按树脂特性及用途分为：一般用途树脂、耐热性树脂、耐候性树脂、阻燃树脂等。按成型工艺分为：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕用树脂、拉挤用树脂等。,145,由于不同的成型工艺对树脂的要求不同，如粘度、适用期、凝胶时间、固化温度、增粘等，因而不同工

43、艺应选用不同型号树脂。,146,3固态高聚物的性能 固态高聚物的力学性能强烈依赖于温度和加载速率(时间)，下图为典型高聚物的模量与温度关系。,典型高聚物的模量随温度变化,热塑性非晶高聚物,热塑性结晶半晶高聚物,热固性高聚物,147,高聚物存在三个特征温度：玻璃化转变温度Tg，熔点Tm和粘流温度Tf。,148,在Tg以下，高聚物为硬而韧或硬而脆的团体(玻璃态)，模量随温度变化很小；,热塑性非晶高聚物,热塑性结晶半晶高聚物,热固性高聚物,149,温度达到Tg附近时，非晶高聚物转变成软而有弹性的橡胶态而半晶高聚物转变为软而韧的皮革态；,热塑性非晶高聚物,热塑性结晶半晶高聚物,150,温度继续升高，高

44、聚物达到流动温度Tf(非晶)或Tm（结晶)而成为高粘度的流体(粘流态)；,热塑性非晶高聚物,热塑性结晶半晶高聚物,151,热固性高聚物则由于不能熔融而在比较高的温度下发生分解。,热固性高聚物,152,热塑性高聚物的玻璃化温度基本是固定的，而热固性高聚物的玻璃化温度随交联度增加而增加，当交联度很高时，热固性高聚物达到Tg后可能无明显的软化现象。,153,4聚合物基体的选择 对聚合物基体的选择应遵循下列原则：（）能够满足产品的使用需要；如使用温度、强度、刚度、耐药品性、耐腐蚀性等。高拉伸(或剪切)模量、高拉伸强度、高断裂韧性的基体有利于提高FRP力学性能。,154,(2)对纤维具有良好的浸润性和粘

45、接力；(3)容易操作，如要求胶液具有足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮存期、固化收缩小等。(4)低毒性、低刺激性。(5)价格合理。,155,传统的聚合物基体是热固性的，其最大的优点是具有良好的工艺性。由于固化前，热固性树脂粘度很低，因而宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的温度和压力下固化成型；固化后具有良好的耐药品性和抗蠕变性；,156,热固性树脂的缺点是预浸料需低温冷藏且贮存期有限，成型周期长和材料韧性差。,157,热塑性基体的最重要优点是其高断裂韧性(高断裂应变和高冲击强度)，这使得FRP具有更高的损伤容限。,158,此外，热塑性树脂基体复合村料，还具有预浸料不需冷藏且贮存期无限、成型周

46、期短、可再成型、易于修补、废品及边角料可再生利用等优点。,159,热塑性基体的缺点：、是热塑性基体的熔体或溶液粘度很高，纤维浸渍困难，预浸料制备及制品成型需要在高温高压下进行，、聚碳酸酯或尼龙这样一些工程塑料，因耐热性、抗蠕变性或耐药品性等方面问题而使应用受到限制。,160,二、热固性基体热固性基体(主要是不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂)一直在连续纤维增强树脂基复合材料中占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的80，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。,161,（一）热固性树脂,下表为一些常用的热固性树脂其它物理性能,162,1

47、不饱和聚酯树脂(1)不饱和聚酯树脂及其特点不饱和聚酯树脂是指有线型结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。不饱和聚酯的种类很多，按化学结构分类可分为顺酐型、丙烯酸型、和丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。,163,不饱和聚酯树脂在热固性树指中是工业化较早，产量较多的一类，它主要应用于玻璃纤维复合材料。由于树脂的收缩率高且力学性能较低，因此很少用它与碳纤维制造复合材料。但近年来由于汽车工业发展的需耍，用玻璃纤维部分取代碳纤维的混杂复合材料得以发展，价格低廉的聚酯树脂可能扩大应用。,164,不饱和聚酯的主要优点是：、工艺性能良好，如室温下粘度低，可以在室温下固化，在常压下成型，颜色浅，可以制作

48、彩色制品，有多种措施来调节其工艺性能等；、固化后树脂的综合性能良好，并有多种专用树脂适应不同用途的需要；、价格低廉，其价格远低于环氧树脂，略高于酚醛树脂。,165,不饱和聚酯的主要缺点是：固化时体积收缩率较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形，因此很少用于受力较强的制品中。,166,(2)交联剂、引发剂和促进剂(a)交联剂 不饱和聚酯分子链中含有不饱和双键，因而在热的作用下通过这些双键，大分子链之间可以交联起来，变成体型结构。但是这种交联产物很脆，没有什么优点，无实用价值。,167,因此，在实际中经常把线型不饱和聚酯溶于烯类单体中，使聚酯中的双键间发生共聚合反应，得到体型

49、产物，以改善固化后树脂的性能。烯类单体在这里既是溶剂，又是交联剂。,168,已固化树脂的性能，不仅与聚酯树脂本身的化学结构有关，而且与所选用的交联剂结构及用量有关。同时，交联剂的选择和用量还直接影响着树脂的工艺性能。,169,应用最广泛的交联剂是苯乙烯，其它还有甲基丙烯甲酯、邻苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯、三聚氰酸三丙酯等。,170,(b)引发剂 引发剂一般为有机过氧化物，它的特性通常用临界温度和半衰期来表示。,171,临界温度是指有机过氧化物具有引发活性的最低温度。在此温度下，过氧化物开始以可察觉的速度分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂以可以观察的速度进行固化。半衰期是指在给定的温度条件

50、下，有机过氧化物分解一半所需要的时间。,172,一些常见的过氧化物特性如下表所示。,几种有机过氧化物的特性,173,(c)促进剂 促进剂的作用是把引发剂的分解温度降到室温以下。促进剂种类很多，各有其适用性。对过氧化物有效的促进剂有，二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等。,174,对氢过氧化物有效的促进剂大都是具有变价的金属钻，如环烷酸钻、萘酸钴等。为了操作方便，配制准确，常用苯乙烯将促进剂配成较稀的溶液。,175,(3)不饱和聚酯树脂的固化特点 不饱和聚酯树脂的固化是一个放热反应，其过程可分为三个阶段：(a)胶凝阶段(b)硬化阶段(c)完全固化阶段,176,(a)胶凝阶段 从加入促进剂后到树