复合材料第三章复合材料的基体材料.ppt

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1、第三章复合材料的基体材料第三章复合材料的基体材料复合材料的复合材料的原材料原材料原材料原材料包括包括基体材料基体材料基体材料基体材料和和增强材料增强材料增强材料增强材料。基体材料基体材料基体材料基体材料主要包括以下三部分：主要包括以下三部分：金属基体材料金属基体材料金属基体材料金属基体材料、陶瓷基体材料陶瓷基体材料陶瓷基体材料陶瓷基体材料和和聚合物基体材料聚合物基体材料聚合物基体材料聚合物基体材料1一、一、金属基体材料金属基体材料、金属基体材料的、金属基体材料的选择原则选择原则2、结构用结构用金属基复合材料的基体金属基复合材料的基体3 3 功能用功能用金属基复合材料的基体金属基复合材料的基体2

2、金属基复合材料学科主要涉及金属基复合材料学科主要涉及材料表面材料表面、界面界面、相变相变、凝固凝固、塑性形变塑性形变、断裂力学断裂力学等。等。金属基复合材料中，基体主要是各种金属基复合材料中，基体主要是各种金金属属或或金属合金金属合金。3 、金属基体材料的选择原则、金属基体材料的选择原则 金属与合金金属与合金的品种繁多，目前用作金属的品种繁多，目前用作金属基体材料的主要有基体材料的主要有铝铝及及铝合金铝合金、镁合金镁合金、钛钛合金合金、镍合金镍合金、钢与铜合金钢与铜合金、锌合金锌合金、铅铅、钛铝金属间化合物钛铝金属间化合物等。等。4基体材料成分的正确选择，对能否基体材料成分的正确选择，对能否充

3、分组充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得，获得预期的预期的优异综合性能优异综合性能优异综合性能优异综合性能满足使用要求十分重要。满足使用要求十分重要。所以，在所以，在选择基体金属选择基体金属选择基体金属选择基体金属时应考虑以下几方面：时应考虑以下几方面：5 根据金属基复合材料的使用要求根据金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构件的金属基复合材料构件的使用性能要求使用性能要求使用性能要求使用性能要求是选择金属基体材是选择金属基体材料最重要的依据。料最重要的依据。如在如在航天、航空技术航天、航空技术中，高中，高比强度比强度比强度比强度和和比模量比模量比

4、模量比模量以及以及尺寸稳尺寸稳尺寸稳尺寸稳定性定性定性定性是最重要的性能要求；作为是最重要的性能要求；作为飞行器和卫星的构件飞行器和卫星的构件宜选用宜选用密度小的密度小的轻金属合金轻金属合金轻金属合金轻金属合金（如镁合金和铝合金）作为（如镁合金和铝合金）作为基体基体基体基体，与高，与高强度、高模量的强度、高模量的石墨纤维石墨纤维石墨纤维石墨纤维、硼纤维硼纤维硼纤维硼纤维等组成等组成石墨石墨石墨石墨/镁镁镁镁、石墨石墨石墨石墨/铝铝铝铝、硼硼硼硼/铝铝铝铝复合材料。复合材料。6高性能发动机高性能发动机高性能发动机高性能发动机则要求复合材料不仅有则要求复合材料不仅有高比强度高比强度高比强度高比强度

5、和和比模比模比模比模量量量量，还要具有优良的，还要具有优良的耐高温性能耐高温性能耐高温性能耐高温性能，能在高温、氧化性气氛，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，而应选择钛合金钛合金钛合金钛合金、镍合金镍合金镍合金镍合金以及以及金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物作为基体材料。作为基体材料。如如碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅/钛钛钛钛、钨丝钨丝钨丝钨丝/镍基超合金镍基超合金镍基超合金镍基超合金复合材料可用于喷气发复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。动机叶片、转轴等重要零件。7在在汽车发动机汽车发动机汽车发

6、动机汽车发动机中要求其零件中要求其零件耐热耐热耐热耐热、耐磨耐磨耐磨耐磨、导热导热导热导热、一、一定的定的高温强度高温强度高温强度高温强度等，同时又要求等，同时又要求成本低廉成本低廉成本低廉成本低廉，适合于，适合于批量生批量生批量生批量生产产产产，因此选用，因此选用铝合金作基体材料铝合金作基体材料铝合金作基体材料铝合金作基体材料与与陶瓷颗粒陶瓷颗粒陶瓷颗粒陶瓷颗粒、短纤维短纤维短纤维短纤维组组成颗粒（短纤维）成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。铝基复合材料。如如碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅/铝铝铝铝复合材料、复合材料、碳纤维或氧化铝纤维碳纤维或氧化铝纤维碳纤维或氧化铝纤维碳纤维或氧化铝纤维/铝铝铝铝复

7、复合材料可制作合材料可制作发动机活塞发动机活塞、缸套缸套等零件。等零件。8工业集成电路工业集成电路工业集成电路工业集成电路需要需要高导热高导热高导热高导热、低膨胀低膨胀低膨胀低膨胀的金属基复合材料的金属基复合材料作为作为散热元件散热元件和和基板基板。因此，可以选用具有高导热率的因此，可以选用具有高导热率的银银、铜铜、铝铝等金属为等金属为基体基体与高导热性、低热膨胀的超高模量与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维石墨纤维、金刚石金刚石纤维纤维、碳化硅颗粒碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、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。高比强度、高比模量等性能

8、的金属基复合材料。9 根据金属基复合材料组成特点根据金属基复合材料组成特点选用不同类型的选用不同类型的增强材料增强材料增强材料增强材料如如连续纤维连续纤维、短纤维短纤维或或晶须晶须，对基体材料的选择，对基体材料的选择有较大影响有较大影响有较大影响有较大影响。10例如在连续纤维增强的复合材料中，基体的主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要作用应是以充分发挥增强纤维的性能充分发挥增强纤维的性能充分发挥增强纤维的性能充分发挥增强纤维的性能为主，基体为主，基体本身应与纤维有本身应与纤维有良好的相容性和塑性良好的相容性和塑性良好的相容性和塑性良好的相容性和塑性，而并不要求，而并不要求基

9、体本身有很高的强度。基体本身有很高的强度。因此，考虑到要充分因此，考虑到要充分发挥纤维发挥纤维发挥纤维发挥纤维的作用，希望选的作用，希望选用用塑性较好的基体塑性较好的基体塑性较好的基体塑性较好的基体。实验证明，此时如果采用较高。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。强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。11如如碳纤维增强铝基碳纤维增强铝基碳纤维增强铝基碳纤维增强铝基复合材料中，复合材料中，纯铝纯铝纯铝纯铝或含有少或含有少量合金元素的量合金元素的铝合金铝合金铝合金铝合金作为作为基体基体基体基体比比高强度铝合金高强度铝合金高强度铝合金高强度铝合金要好要好得多，使用

10、后者制成的复合材料的性能反而低。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在研究碳铝复合材料基体合金的优化过程基体合金的优化过程基体合金的优化过程基体合金的优化过程中发中发现，现，铝合金的强度越高，复合材料的性能越低铝合金的强度越高，复合材料的性能越低。这。这可能与基体和纤维的可能与基体和纤维的界面状态界面状态、脆性相的存在脆性相的存在、基基体本身的塑性体本身的塑性等有关。等有关。12相反。对于相反。对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料基复合材料基复合材料

11、基复合材料，基体的强度基体的强度基体的强度基体的强度对复合材料具有决定性的影响，对复合材料具有决定性的影响，因此，要选用因此，要选用较高强度的合金较高强度的合金较高强度的合金较高强度的合金来作为基体。来作为基体。所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用所以，要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度高强度高强度高强度铝合金铝合金铝合金铝合金作为基体，这与作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料基体基体的选择完全不同。的选择完全不同。如如颗粒增强铝基复合材料颗粒增强铝基复合材料颗粒增强铝基复合材料颗粒增强铝基复合材料一般选用一般选用高强度铝合金高强度铝合金高强度铝合金高强

12、度铝合金（如（如A365，6061，7075）为基体。）为基体。13 基体金属与增强物的相容性基体金属与增强物的相容性首先，由于首先，由于金属基复合材料金属基复合材料需要在需要在高温下成型高温下成型高温下成型高温下成型，制备过，制备过程中，处于程中，处于高温热力学非平衡状态下高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容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。易发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层界面反应层界面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，大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因材料受力时将会因界面层的断裂伸长小界面层的断裂伸长小而产生裂纹

13、，并向周而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起围纤维扩展，容易引起纤维断裂纤维断裂，导致复合材料整体破坏。，导致复合材料整体破坏。14其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金其次，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些元素，这些合金元素合金元素合金元素合金元素与与增强物增强物增强物增强物的的反应程度不同反应程度不同反应程度不同反应程度不同，反应，反应后生成的后生成的反应产物也不同反应产物也不同反应产物也不同反应产物也不同，需在选用，需在选用基体合金成分基体合金成分时时充分考虑，尽可能选择充分考虑，尽可能选择既有利于既有利于金属与增强物浸润复金属与增强物浸润复金属与增强物浸润复金属与增

14、强物浸润复合合合合，又有利于又有利于形成合适稳定的界面合金元素形成合适稳定的界面合金元素形成合适稳定的界面合金元素形成合适稳定的界面合金元素。15如如碳纤维增强铝基碳纤维增强铝基碳纤维增强铝基碳纤维增强铝基复合材料中，在复合材料中，在纯铝中加入纯铝中加入纯铝中加入纯铝中加入少量的少量的TiTi，ZrZr等等合金元素合金元素合金元素合金元素可明显改善复合材料的界可明显改善复合材料的界面结构和性质，大大面结构和性质，大大提高复合材料的性能提高复合材料的性能。用用铁、镍铁、镍铁、镍铁、镍作为基体，作为基体，碳纤维作为增强物碳纤维作为增强物碳纤维作为增强物碳纤维作为增强物是不可是不可取的。因为取的。因

15、为NiNi，FeFe元素在高温时能有效地元素在高温时能有效地促使碳纤促使碳纤促使碳纤促使碳纤维石墨化维石墨化维石墨化维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有，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。的强度，使复合材料性能恶化。16因此，选择基体材料时，应充分注意与增强因此，选择基体材料时，应充分注意与增强物的物的相容性相容性相容性相容性（特别是化学相容性），并尽可能（特别是化学相容性），并尽可能在在在在复合材料成型过程中抑制界面反应复合材料成型过程中抑制界面反应复合材料成型过程中抑制界面反应复合材料成型过程中抑制界面反应。例如：。例如：对增强对增强纤维纤维纤维纤维进行

16、表面处理；进行表面处理；在金属在金属基体基体基体基体中添加其他成分；中添加其他成分；选择适宜的选择适宜的成型成型成型成型方法；方法；缩短材料在高温下的停留缩短材料在高温下的停留时间时间时间时间等。等。172、结构用金属基复合材料的基体、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件的复合材料一般均要求有高的比强度高的比强度高的比强度高的比强度和和比刚度比刚度比刚度比刚度，因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金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属。目

17、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，用它们制成各种铝基、镁基复合材料，用它们制成各种高比强度高比强度高比强度高比强度、高比模量高比模量高比模量高比模量的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、的轻型结构件，广泛的用于宇航、航空、汽车等领域。汽车等领域。18在在发动机发动机，特别是，特别是燃气轮机燃气轮机中所需要的结中所需要的结构材料是构材料是热结构材料热结构材料，要求复合材料零件，要求复合材料零件在高在高温下连续安全工作温下连续安全工作，工作温度在，工作温度在6501200 左右，同时要求复合材料有左右，同时要求复合材料有良好的良好的抗氧化抗氧化、抗抗蠕变蠕变、耐疲劳耐疲劳和良

18、好的和良好的高温力学性质高温力学性质。19铝、镁铝、镁复合材料一般只能用在复合材料一般只能用在450 左左右、而右、而钛合金钛合金基体复合材料可用到基体复合材料可用到650、而而镍、钴基镍、钴基复合材料可在复合材料可在1200使用。使用。另外，还有最近正在研究的另外，还有最近正在研究的金属间化合金属间化合物物为为热结构复合材料的基体热结构复合材料的基体。20结构复合材料的基体结构复合材料的基体大致可分为大致可分为轻轻金属金属基体和基体和耐热合金耐热合金基体两大类。基体两大类。21下表列出了一些基体下表列出了一些基体下表列出了一些基体下表列出了一些基体金属和合金金属和合金金属和合金金属和合金的主

19、要特性的主要特性的主要特性的主要特性22用作用作高温金属基高温金属基复合材料的复合材料的基基体合金体合金的成分和性能列于下表中。的成分和性能列于下表中。23高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能高温金属基复合材料的基体合金的成分和性能24、用于、用于450 以下的轻金属基体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在这个温度范围内使用的金属基体主要是铝、镁铝、镁铝、镁铝、镁和和它们的合金它们的合金它们的合金它们的合金，而且，而且主要是以合金的形主要是以合金的形式式被广泛的应用。例如，用于被广泛的应用。例如，用于航天飞机航天飞机、人造人造卫星卫星、空间站空间站、汽车发动机零件汽车发动

20、机零件、刹车盘刹车盘等，等，并已形成工业规模生产。并已形成工业规模生产。25(1)铝和铝合金铝和铝合金铝铝铝铝是一种是一种低密度低密度、较高强度较高强度和具有和具有耐腐蚀耐腐蚀性能的性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入金属。在实际使用中，纯铝中常加入锌锌锌锌、铜铜铜铜、镁镁镁镁、锰锰锰锰等元素形成等元素形成合金合金合金合金，由于加入的这些元素在铝中的，由于加入的这些元素在铝中的溶解溶解度度极为极为有限有限，因此，这类合金通常称为，因此，这类合金通常称为沉淀硬化合金沉淀硬化合金沉淀硬化合金沉淀硬化合金，如如A1-Cu-Mg和和A1-Zn-Mg-Cu等沉淀硬化合金。等沉淀硬化合金。26 近年来，

21、为航空和航天工业开发出的近年来，为航空和航天工业开发出的A1-Li系列合金，进一步提高了铝的系列合金，进一步提高了铝的弹性模弹性模量量，降低了材料的，降低了材料的密度密度。27(2)镁和镁合金镁和镁合金镁镁镁镁是一种比铝更轻的金属，但镁的是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差机械性能较差，因此，通常是在镁中加入因此，通常是在镁中加入铝铝、锌锌、锰锰、锆锆及及稀土稀土元素元素而形成而形成镁合金镁合金镁合金镁合金。目前目前常用的镁合金常用的镁合金常用的镁合金常用的镁合金主要包括主要包括Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合

22、材料的基体。复合材料的基体。28对于对于不同类型的复合材料不同类型的复合材料不同类型的复合材料不同类型的复合材料应选用合适的应选用合适的铝、镁铝、镁铝、镁铝、镁合金基体合金基体合金基体合金基体。例如，例如，连续纤维增强金属基连续纤维增强金属基连续纤维增强金属基连续纤维增强金属基复合材料一般选用复合材料一般选用纯铝纯铝纯铝纯铝或含合金元素少的或含合金元素少的单相铝合金单相铝合金单相铝合金单相铝合金；而而颗粒、晶须增强金属基颗粒、晶须增强金属基颗粒、晶须增强金属基颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具复合材料则选择具有高强度的有高强度的铝合金铝合金铝合金铝合金。29、用于、用于450-700 的复合

23、材料的金属基体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，目前主要是作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是钛钛钛钛及其合金及其合金及其合金及其合金。30钛钛钛钛有两种晶形，有两种晶形，-钛钛钛钛具有具有六方密堆积六方密堆积六方密堆积六方密堆积排列排列结构，低于结构，低于885时稳定；时稳定；-钛钛钛钛是是体心立方体心立方体心立方体心立方结结构，高于构，高于885时稳定。时稳定。31 金属金属铝铝铝铝能提高钛由能提高钛由 向向 相转变的温度，所以铝相转变的温度，所以铝是是 相钛的稳定剂相钛的稳定剂相钛的稳定剂相钛

24、的稳定剂。而大多数。而大多数其他合金元素其他合金元素其他合金元素其他合金元素(Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta)能降低钛由能降低钛由 向向 相转相转变的温度，所以是变的温度，所以是 相钛的稳定剂相钛的稳定剂相钛的稳定剂相钛的稳定剂。32 钛钛在较高的温度中在较高的温度中能保持高能保持高强度强度强度强度，优良的，优良的抗氧化抗氧化抗氧化抗氧化和和抗腐蚀抗腐蚀抗腐蚀抗腐蚀性能。它具有较高的性能。它具有较高的强度质强度质强度质强度质量比量比量比量比和和模量质量比模量质量比模量质量比模量质量比，是一种理想的，是一种理想的航空、宇航空、宇航应用材料航应用材料。33钛合金钛合金钛合金钛合金具有具有比

25、重轻比重轻、耐腐蚀耐腐蚀、耐氧化耐氧化、强度强度高等高等特点，是一种可在特点，是一种可在450700 温度下使用的温度下使用的合金，主要用于航空发动机等零件上。合金，主要用于航空发动机等零件上。34 用高性能用高性能碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维、碳化钛颗粒碳化钛颗粒碳化钛颗粒碳化钛颗粒、硼化钛硼化钛硼化钛硼化钛颗粒颗粒颗粒颗粒增强增强钛合金钛合金钛合金钛合金，可以获得，可以获得更高的高温性能更高的高温性能更高的高温性能更高的高温性能。美国己成功地试制成美国己成功地试制成碳化硅纤维增强钛复合碳化硅纤维增强钛复合材料材料，用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高，用它制成的叶片和传动轴等零

26、件可用于高性能航空发动机。性能航空发动机。35钛合金的成分和性能钛合金的成分和性能现在已用于现在已用于钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料的钛合金的成分和性能如下的钛合金的成分和性能如下36C、用于用于600-900 的复合材料的金属基体的复合材料的金属基体铁和铁合金铁和铁合金是在此温度范围内使用的金是在此温度范围内使用的金属基体。属基体。37在在金属基复合材料金属基复合材料中使用的铁，主要是中使用的铁，主要是铁合金铁合金，按加工工艺分为，按加工工艺分为变形高温合金变形高温合金和和铸铸造高温合金造高温合金。38 其中，铁基其中，铁基变形高温合金变形高温合金是奥氏体是奥氏体可塑可塑性

27、性变形高温合金，主要组成为变形高温合金，主要组成为1560铁，铁，2555镍和镍和1123铬。铬。此外，根据不同的使用温度，分别此外，根据不同的使用温度，分别加入加入钨、钼、铌、钒、钛等钨、钼、铌、钒、钛等合金元素合金元素进行强化。进行强化。39铁基铁基铸造高温合金铸造高温合金是以铁为基体，是以铁为基体，用铸用铸造工艺造工艺成型的高温合金，基体为面心立方体成型的高温合金，基体为面心立方体结构的奥氏体。结构的奥氏体。40 铁基铁基变形高温合金变形高温合金、铸造高温合金铸造高温合金分别用分别用于制造燃气涡轮发动机的于制造燃气涡轮发动机的燃烧室燃烧室和和涡轮轮盘涡轮轮盘、涡轮导向叶片涡轮导向叶片等。

28、等。41D、用于用于1000 以上的金属基体以上的金属基体用于用于1000 以上的高温金属基复合材料的基以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是体材料主要是镍基耐热合金镍基耐热合金镍基耐热合金镍基耐热合金和和金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物。其中，研究较为成熟的是其中，研究较为成熟的是镍基高温合金镍基高温合金镍基高温合金镍基高温合金，金金金金属间化合物基属间化合物基属间化合物基属间化合物基复合材料尚处于复合材料尚处于研究阶段研究阶段。42()镍和镍合金镍和镍合金在金属基复合材料中使用的镍与铁相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，可形成镍基同，按照加工工艺不同，

29、可形成镍基变形变形高温合金高温合金和镍基和镍基铸造高温合金铸造高温合金。43镍基镍基变形高温合金变形高温合金变形高温合金变形高温合金以镍为基体以镍为基体(含量一般大于含量一般大于50)，加入，加入钨钨、钼钼、钴钴、铬铬、铌铌等等合金元素合金元素合金元素合金元素，使用温，使用温度在度在6501000，具有较高的，具有较高的强度强度、良好的、良好的抗氧化抗氧化和和抗燃气腐蚀抗燃气腐蚀能力，用于制造能力，用于制造燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机的的燃燃烧室烧室等。等。44镍基镍基铸造高温合金铸造高温合金铸造高温合金铸造高温合金是以镍为基体，用是以镍为基体，用铸造工铸造工铸造工铸造工艺艺艺艺成型的高温合金

30、，能在成型的高温合金，能在6001100的的氧化氧化和和燃燃气腐蚀气氛气腐蚀气氛中承受复杂压力，并能长期可靠地工中承受复杂压力，并能长期可靠地工作，主要用于制造作，主要用于制造涡轮转子叶片涡轮转子叶片和和导向叶片导向叶片及其及其他在高温条件下工作的零件。他在高温条件下工作的零件。45另外，用另外，用钨丝钨丝钨丝钨丝、钍钨丝钍钨丝钍钨丝钍钨丝增强增强镍基合金镍基合金镍基合金镍基合金还可以还可以大幅度提高其大幅度提高其高温性能高温性能。如。如高温持久高温持久性能和性能和高温高温蠕变蠕变性能，一般可提高性能，一般可提高1.3倍，主要用于高性能倍，主要用于高性能航航空发动机叶片空发动机叶片等重要零件。

31、等重要零件。46()金属间化合物金属间化合物金属间化合物种类繁多，而金属间化合物种类繁多，而用于金属基复用于金属基复合材料合材料的金属间化合物通常是一些的金属间化合物通常是一些高温合金高温合金，如如铝化镍铝化镍，铝化铁铝化铁、铝化钛铝化钛等，使用温度可等，使用温度可达达1600。47在这些高温合金的在这些高温合金的晶体结构晶体结构中，原子主中，原子主要以要以长程有序方式长程有序方式排列。由于这种有序排列。由于这种有序在金在金属间化合物中属间化合物中发生位错发生位错要比要比在无序合金中在无序合金中受受到更大的约束，因此能使化合物到更大的约束，因此能使化合物在高温下保在高温下保持强度持强度。48金

32、属间化合物的缺点金属间化合物的缺点金属间化合物的缺点金属间化合物的缺点是它们的是它们的韧性非常低韧性非常低韧性非常低韧性非常低，主，主要原因有两个：要原因有两个：（）结构组织中（）结构组织中低的对称性低的对称性低的对称性低的对称性导致滑移系不足导致滑移系不足（）晶体（）晶体界面结合较弱界面结合较弱界面结合较弱界面结合较弱。49改进金属间化合物韧性方面改进金属间化合物韧性方面的例子：的例子：在冶金过程中，采用在冶金过程中，采用快速凝固法快速凝固法以及向以及向Ni3Al一类金属间化合物中一类金属间化合物中添加硼添加硼，由于硼，由于硼可以迁移到晶面，使其增强，故金属间化合可以迁移到晶面，使其增强，故

33、金属间化合物的韧性有所改善。物的韧性有所改善。50研究表明，只要添加研究表明，只要添加极少量极少量的硼的硼0.06(质量分数质量分数)便可使其韧性从便可使其韧性从20增加到增加到50左右。左右。51一些金属间化合物的性能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下表列出了一些金属间化合物的主要性能52另外，金属另外，金属铜铜铜铜也可以作为也可以作为基体材料基体材料。铜是铜是优良的导体优良的导体优良的导体优良的导体，其导电率为银的，其导电率为银的94。铜的。铜的塑性好塑性好，强度和弹性模量不高强度和弹性模量不高，热膨胀系数大热膨胀系数大，容容易铸造和加工易铸造和加工。铜在复合材料

34、中的主要用途是作为铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体铌基超导体铌基超导体铌基超导体的基体材料。的基体材料。533 3 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料功能用金属基复合材料随着电子、信息、随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受能源、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。到各方面的重视，面临广阔的发展前景。54高技术领域的发展要求高技术领域的发展要求材料和器件材料和器件具有具有优良的综合物理性能优良的综合物理性能，如同时具有，如同时具有高力学性高力学性能能、高导热高导热、低热膨胀低热膨胀、高导电率高导电

35、率、高抗电高抗电弧烧蚀性弧烧蚀性、高摩擦系数高摩擦系数和和耐磨性耐磨性等。等。55单靠单靠金属与合金金属与合金难以具有优良的综合物难以具有优良的综合物理性能，而要靠理性能，而要靠优化设计优化设计和和先进制造技术先进制造技术将将金属与增强物金属与增强物做成复合材料来满足需求。做成复合材料来满足需求。56例如，电子领域的例如，电子领域的集成电路集成电路，由于电子，由于电子器件的集成度越来越高，单位体积中的元件器件的集成度越来越高，单位体积中的元件数不断增多，功率增大，发热严重，需用数不断增多，功率增大，发热严重，需用热热膨胀系数小膨胀系数小、导热性好的导热性好的材料做材料做基板基板和和封装封装零件

36、零件，以便将热最迅速传走，避免产生热应，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。力，来提高器件的可靠性。57又如，汽车又如，汽车发动机零件发动机零件要求要求耐磨耐磨、导热导热性好性好、热膨胀系数适当热膨胀系数适当等，这些均可通过等，这些均可通过材材料的组合设计料的组合设计来达到。来达到。58目前目前功能金属基复合材料功能金属基复合材料主要用于微电主要用于微电子技术的子技术的电子封装电子封装、用于、用于高导热高导热、耐电弧烧耐电弧烧蚀蚀的的集电材料集电材料和和触头材料触头材料、耐高温摩擦的、耐高温摩擦的耐耐磨材料磨材料、耐腐蚀的、耐腐蚀的电池极板电池极板材料等。材料等。59功能金

37、属基复合材料功能金属基复合材料主要选用的主要选用的金金属基体属基体是是纯铝及铝合金纯铝及铝合金、纯铜及铜合金纯铜及铜合金、银银、铅铅、锌锌等金属。等金属。60用于用于电子封装电子封装电子封装电子封装的的金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料的基体主要是的基体主要是纯铝纯铝纯铝纯铝和和纯铜纯铜纯铜纯铜。例如，高例如，高碳化硅颗粒碳化硅颗粒碳化硅颗粒碳化硅颗粒含量的含量的铝基铝基铝基铝基(SiCpAl)、铜基铜基铜基铜基(SiCpCu)复合材料；复合材料；高模、超高模高模、超高模石墨纤维石墨纤维石墨纤维石墨纤维增强增强铝基铝基铝基铝基(Cr/Al)、铜基铜基铜基铜基(Cr/Cu)

38、复合材料；复合材料；金刚石颗粒金刚石颗粒金刚石颗粒金刚石颗粒或或多晶金刚石纤维多晶金刚石纤维多晶金刚石纤维多晶金刚石纤维增强增强铝、铜铝、铜铝、铜铝、铜复合复合材料；材料；硼铝硼铝硼铝硼铝复合材料等。复合材料等。61用于用于耐磨零部件耐磨零部件的金属基复合材料的的金属基复合材料的基体基体主要是常用的主要是常用的铝铝、镁镁、锌锌、铜铜、铅铅等等金属及合金金属及合金。例如：例如：碳化硅碳化硅、氧化铝氧化铝、石墨颗粒石墨颗粒、晶须晶须、纤维纤维等增强等增强铝铝、镁镁、铜铜、锌锌、铅铅等等金属基复合材料。金属基复合材料。62用于用于集电集电和和电触头电触头的金属基复合材料的金属基复合材料有：有：碳碳(

39、石墨石墨)纤维纤维、金属丝金属丝、陶瓷颗粒陶瓷颗粒增增强强铝铝、铜铜、银银及及合金合金等。等。63 功能用金属基复合材料所用功能用金属基复合材料所用金属基体金属基体金属基体金属基体均具有良均具有良好的好的导热导热导热导热、导电导电导电导电性和良好的性和良好的力学力学力学力学性能，但有性能，但有热膨胀热膨胀热膨胀热膨胀系数大系数大系数大系数大、耐电弧烧蚀性差耐电弧烧蚀性差耐电弧烧蚀性差耐电弧烧蚀性差等缺点。等缺点。通过在这些基体中通过在这些基体中加入合适的增强物加入合适的增强物加入合适的增强物加入合适的增强物就可以得就可以得到优异的综合物理性能，满足各种特殊需要。到优异的综合物理性能，满足各种特

40、殊需要。64例如，在例如，在纯铝纯铝纯铝纯铝中加入中加入导热性好导热性好、弹性模量大弹性模量大、热膨胀系数小热膨胀系数小的的石墨纤维石墨纤维石墨纤维石墨纤维、碳化硅颗粒碳化硅颗粒碳化硅颗粒碳化硅颗粒就可使这就可使这类复合材料具有类复合材料具有很高的导热系数很高的导热系数很高的导热系数很高的导热系数(与纯铝、铜相比与纯铝、铜相比)和和很小的热膨胀系数很小的热膨胀系数很小的热膨胀系数很小的热膨胀系数，满足了集成电路封装散热，满足了集成电路封装散热的需要。的需要。随着材料科学的发展，还会出现更多品种的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。功能金属基复合材料。65三、陶瓷基体三、陶

41、瓷基体传统的陶瓷传统的陶瓷是指是指陶器陶器陶器陶器和和瓷器瓷器瓷器瓷器，也包括，也包括玻璃玻璃玻璃玻璃、水水水水泥泥泥泥、搪瓷搪瓷搪瓷搪瓷、砖瓦砖瓦砖瓦砖瓦等人造等人造无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料。由于这些材料都是含二氧化硅的由于这些材料都是含二氧化硅的天然硅酸盐矿天然硅酸盐矿天然硅酸盐矿天然硅酸盐矿物质物质物质物质，如，如粘土粘土、石灰石石灰石、砂子砂子等为原料制成的，所等为原料制成的，所以以陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料也是也是硅酸盐材料硅酸盐材料硅酸盐材料硅酸盐材料。66随着现代科学技术的发展，出现了许多随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的性能优异的

42、新型陶瓷新型陶瓷，它们不仅含有，它们不仅含有氧化物氧化物，还有还有碳化物碳化物、硼化物硼化物和和氮化物氮化物等。等。67陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷是是金属和非金属元素金属和非金属元素金属和非金属元素金属和非金属元素的固体化合物，的固体化合物，其键合为其键合为共价键共价键共价键共价键或或离子键离子键离子键离子键，与金属不同，它们，与金属不同，它们不含有大量电子不含有大量电子不含有大量电子不含有大量电子。一般而言，陶瓷具有比金属更一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点高的熔点高的熔点高的熔点和和硬度硬度硬度硬度，化学性质化学性质化学性质化学性质非常稳定，非常稳定，耐热耐热耐热耐热性、性、抗老化抗老化抗老化抗老化

43、性性皆好。皆好。通常的陶瓷是绝缘体，在通常的陶瓷是绝缘体，在高温高温高温高温下也可以下也可以导导导导电电电电，但比金属导电性差得多。，但比金属导电性差得多。68虽然虽然陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷的许多性能优于金属，但它也存的许多性能优于金属，但它也存在致命的在致命的弱点弱点弱点弱点，即，即脆性强脆性强脆性强脆性强，韧性差韧性差韧性差韧性差，很容易因，很容易因存在存在裂纹裂纹、空隙空隙、杂质杂质等细微缺陷而破碎，引等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为瓷作为承载结构材料承载结构材料承载结构材料承载结构材料的应用。的应用。69近年来的研究结

44、果表明，在近年来的研究结果表明，在陶瓷基体中添加陶瓷基体中添加陶瓷基体中添加陶瓷基体中添加其它成分其它成分其它成分其它成分，如，如陶瓷粒子陶瓷粒子陶瓷粒子陶瓷粒子、纤维或晶须纤维或晶须纤维或晶须纤维或晶须，可提高陶，可提高陶瓷的瓷的韧性韧性韧性韧性。粒子增强粒子增强粒子增强粒子增强虽能使虽能使陶瓷的韧性陶瓷的韧性陶瓷的韧性陶瓷的韧性有所提高，但效有所提高，但效果并不显著。果并不显著。7040年代，美国电话系统常常发生短路故障，检年代，美国电话系统常常发生短路故障，检查发现在查发现在蓄电池极板表面蓄电池极板表面蓄电池极板表面蓄电池极板表面出现一种出现一种针状结晶物质针状结晶物质。进一步的研究结果

45、表明，这种结晶与进一步的研究结果表明，这种结晶与基体极板基体极板基体极板基体极板金属金属结晶相似，但结晶相似，但强度和模量强度和模量都很都很高高，并呈，并呈胡须状胡须状，故，故命名命名晶须晶须晶须晶须。最常用的晶须最常用的晶须是是碳化物碳化物碳化物碳化物晶须。其强度大，容易晶须。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。掺混在陶瓷基体中，已成功地用于增强多种陶瓷。71陶瓷基体材料陶瓷基体材料陶瓷基体材料陶瓷基体材料主要以主要以结晶和非结晶结晶和非结晶结晶和非结晶结晶和非结晶两种形态两种形态的化合物存在，它们一般应具有优异的的化合物存在，它们一般应具有优异的耐高温耐高温耐高温耐高

46、温性性能，与纤维或晶须之间有能，与纤维或晶须之间有良好的界面相容性良好的界面相容性良好的界面相容性良好的界面相容性以及以及较好的工艺性能较好的工艺性能较好的工艺性能较好的工艺性能等。等。常用的陶瓷基体主要包括：常用的陶瓷基体主要包括：玻璃玻璃玻璃玻璃、玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷、氧化物陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷等。等。下表是一些陶瓷材料的下表是一些陶瓷材料的物理和机械性能物理和机械性能。72一些陶瓷材料的物理和机械性能一些陶瓷材料的物理和机械性能73 玻玻 璃璃玻璃是通过玻璃是通过无机材料无机材料高温烧结高温烧结而成的一而成的一种

47、种陶瓷材料陶瓷材料。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不不经结晶经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即而冷却成为坚硬的无机材料，即具有具有非晶态结构非晶态结构是玻璃的特征之一。是玻璃的特征之一。74在在玻璃坯体玻璃坯体玻璃坯体玻璃坯体的的烧结过程烧结过程中，由于复杂的物理化中，由于复杂的物理化学反应产生不平衡的学反应产生不平衡的酸性和碱性氧化物酸性和碱性氧化物的熔融液相，的熔融液相，其其粘度较大粘度较大粘度较大粘度较大，并在冷却过程中进一步迅速增大。，并在冷却过程中进一步迅速增大。一般当一般当粘度增大到一定程度粘度增大到一定程度粘度增大到一定程度粘度增大到一定程度(约

48、约10 12Pa s)时，时，熔熔熔熔体硬化体硬化体硬化体硬化并转变为具有固体性质的并转变为具有固体性质的无定形物体无定形物体无定形物体无定形物体即玻璃。即玻璃。此时相应的温度称为此时相应的温度称为玻璃化转变温度玻璃化转变温度玻璃化转变温度玻璃化转变温度(Tg)。75当当温度低于温度低于温度低于温度低于TgTg时，玻璃表现出时，玻璃表现出脆性脆性脆性脆性。加热时加热时加热时加热时玻璃熔体的玻璃熔体的粘度降低粘度降低，在达到某一粘，在达到某一粘度度(约约10 8 Pa.s)所对应的温度时，所对应的温度时，玻璃显著软化玻璃显著软化，这一温度称为这一温度称为软化温度软化温度软化温度软化温度(f)。T

49、g和和Tf的高低主要取决于的高低主要取决于玻璃的成分玻璃的成分。76 2 玻璃陶瓷玻璃陶瓷许多许多无机玻璃无机玻璃无机玻璃无机玻璃可以通过适当的热处理使其可以通过适当的热处理使其由由由由非非非非晶态晶态晶态晶态转变为转变为转变为转变为晶态晶态晶态晶态，这一过程称为，这一过程称为反玻璃化反玻璃化反玻璃化反玻璃化。由于由于反玻璃化反玻璃化反玻璃化反玻璃化使玻璃成为使玻璃成为多晶体多晶体多晶体多晶体，透光性变差，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。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。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。77但对于某些玻璃

50、，但对于某些玻璃，反玻璃化过程反玻璃化过程可以可以控制控制，最后能够得到最后能够得到无残余应力无残余应力的的微晶玻璃微晶玻璃微晶玻璃微晶玻璃，这种材料，这种材料称为称为玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷。为了为了实现反玻璃化实现反玻璃化，需要加入成核剂，需要加入成核剂(如如TiO2)。玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷具有具有热膨胀系数小热膨胀系数小热膨胀系数小热膨胀系数小、力学性能好力学性能好力学性能好力学性能好和和导热导热导热导热系数较大系数较大系数较大系数较大等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究公等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究公国内外都受到重视。国内外都受到重视。783氧化物陶瓷基体氧化物陶瓷