《先进复合材料及其应用》(全套课件97P).ppt

1、先进复合材料及其应用先进复合材料及其应用 1上海大学材料学院电子信息材料系上海大学材料学院电子信息材料系2目目 录录u陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料u金属基复合材料金属基复合材料u聚合物基复合材料聚合物基复合材料 u水泥基复合材料水泥基复合材料u混杂纤维复合材料混杂纤维复合材料2. 基体材料基体材料概述概述基体的作用基体的作用: 固结增强相，均衡载荷和传递应力固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。保持基本性质。选材原则：选材原则： 强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。 两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考

2、虑。 3上海大学材料学院电子信息材料系上海大学材料学院电子信息材料系相容性：相容性： 化学性质稳定，化学性质稳定，润湿性润湿性好，好，膨胀系数差膨胀系数差要要小，以确保两相界面具有小，以确保两相界面具有足够的结合力足够的结合力。环境适应性：环境适应性： 耐热耐热、耐蚀耐蚀、抗老化抗老化和适当的硬度。和适当的硬度。工艺性：工艺性： 制备是否方便，制备是否方便，成本成本是否合适、低廉等。是否合适、低廉等。4上海大学材料学院电子信息材料系上海大学材料学院电子信息材料系52.3 陶瓷材料陶瓷材料传统陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、传统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

3、属材料。主要由含二搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。主要由含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质制成。氧化硅的天然硅酸盐矿物质制成。现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等。硼化物、氮化物等。 目的：目的：增韧增韧 基体材料：基体材料：新型陶瓷新型陶瓷 Al2O3、ZrO2、MgO、SiO2、莫来石、莫来石 TiC、SiC Si3N4 TiB2、Be2B、Be4B MoSi26上海大学材料学院电子信息材料系上海大学材料学院电子信息材料系2.3 基体材料基体材料 陶瓷基材料陶瓷基材料72-3. 2-3. 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 一、增韧补强机

4、理一、增韧补强机理负载转移：负载转移：高弹纤维承受比基体更大的应力，强度、韧性提高。高弹纤维承受比基体更大的应力，强度、韧性提高。预应力效应：预应力效应：纤维热膨胀系数高于基体时，基体受预压应力而强化。纤维热膨胀系数高于基体时，基体受预压应力而强化。拔出效应：拔出效应：复合材料破断，纤维从基体中拔出要消耗部分能量。复合材料破断，纤维从基体中拔出要消耗部分能量。 裂纹扩展受阻：裂纹扩展受阻：纤维阻止裂纹扩展，消耗部分能量。纤维阻止裂纹扩展，消耗部分能量。 裂纹转向：裂纹转向：裂纹尖端受阻钝化而转向，要消耗更多的表面能。裂纹尖端受阻钝化而转向，要消耗更多的表面能。 纤维断裂：纤维断裂：高强度纤维断

5、裂，要消耗更大的能量。高强度纤维断裂，要消耗更大的能量。 8二、各种纤维增强陶瓷基二、各种纤维增强陶瓷基1 1金属纤维金属纤维 W W、MoMo、TaTa、NbNb、CrCr、FeFe、NiNi、CoCo、不锈钢丝。、不锈钢丝。 如：如：MoMo、Ta /AlTa /Al2 2O O3 3 ； W/TiCW/TiC、TaCTaC、HfCHfC、ZrCZrC W W、Mo/ZrOMo/ZrO2 2、ThOThO2 2 ； W W（涂（涂SiCSiC）/Si/Si3 3N N4 4 2 2陶瓷纤维陶瓷纤维 C C、SiCSiC(W)(W)、B B4 4C C(W)(W) 、BNBN、AlAl2 2

6、O O3 3(W)(W)纤维或晶须。纤维或晶须。 可与可与AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2、SiCSiC、SiSi3 3N N4 4陶瓷复合。陶瓷复合。(1)(1)性能特点性能特点 使用温度范围广，高温强度高，耐热冲击，抗儒变。使用温度范围广，高温强度高，耐热冲击，抗儒变。9(2)(2)、影响增强效果的因素、影响增强效果的因素 尺寸因素尺寸因素 纤维过细反应活性高，过粗相当于裂纹。纤维过细反应活性高，过粗相当于裂纹。20203030m好。长纤维增强效果好，晶须长好。长纤维增强效果好，晶须长/ /径径5 5为好。为好。 排列方向排列方向: : 与主应力平行。与主应力平行。 纤维（晶

7、须）含量及均匀性纤维（晶须）含量及均匀性 含量含量：断裂韧性：断裂韧性，但密度，强度，但密度，强度。 均匀性均匀性：强度：强度，断裂韧性影响不大。，断裂韧性影响不大。 10 相容性相容性 纤维热膨胀系数应略大于基体。纤维热膨胀系数应略大于基体。 纤维弹性模量应高于基体。纤维弹性模量应高于基体。 两相化学性质要稳定，陶瓷基以共价键两相化学性质要稳定，陶瓷基以共价键化合物为好。如化合物为好。如SiCSiC、SiSi3 3N N4 4、BNBN等。等。 界面性质界面性质 界面结合力应适中。界面结合力应适中。11单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因存在的裂纹、空

8、隙、杂质等缺陷而破碎。存在的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。12常见的陶瓷基体有：常见的陶瓷基体有： 微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等微晶玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优良的作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优良的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界耐高温性质、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。面相容性以及较好的工艺性能等。131 微晶玻璃微晶玻璃微晶玻璃是微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程

9、在通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共玻璃中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶材料，又称为玻璃陶瓷。存的均匀多晶材料，又称为玻璃陶瓷。微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中了玻璃与陶瓷的特点。决定的，集中了玻璃与陶瓷的特点。微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点，同微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点，同时还具有一定的机械强度。时还具有一定的机械强

10、度。典型代表：典型代表：Li2O-Al2O3-SiO214 为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应，化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应具有良好的惰性不被基体液相腐蚀。具有良好的惰性不被基体液相腐蚀。 常见的有：常见的有：碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化铝纤维铝纤维增强微晶玻璃基复合材料。增强微晶玻璃基复合材料。15应用较多的有：应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石，莫来石

11、（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高硬度、耐高温）等。具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆性大。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。2 氧化物陶瓷163 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 指不含氧的指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。等。自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定的金属键成分。的金属键成分。 共价

12、键结合能比较高共价键结合能比较高材料有高的耐火度、高的硬度材料有高的耐火度、高的硬度（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能力低。力低。 17氮化硅陶瓷(SI3N4) 共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高纯的纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反的固相烧结极为困难。因此，常用反应烧结和热压烧结。前者是将应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的粉以适当的方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约约1350）。后者是将加适当的助烧剂）。后者是将加适当的助

13、烧剂 (MgO,Al2O3,16001700) 烧结。烧结。18氮化硼和氮化钛陶瓷 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 BN有两种晶型：六方有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此结构，性能与石墨相似，因此有白石墨之称。有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的硬度不高，是唯一易于机械加工的陶瓷。高温（陶瓷。高温（15002000)高压（高压（69103MPa ）下可）下可转化为立方转化为立方BN(CBN）。）。CBN的硬度接近于金刚石，是极的硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。好的耐磨材料。19 氮化钛陶瓷氮化钛陶瓷 TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点（是一种新型的结构材料，硬度大、

14、高熔点（2950）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰材料。材料。 TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材料；料；TiN具有较高的超导临界温度，还是一种优良的具有较高的超导临界温度，还是一种优良的超导材料。超导材料。201 1瓷浆浇铸法瓷浆浇铸法 短纤维混合分散在陶瓷浆体中，浇铸，吸水，干燥，烧结。短纤维混合分散在陶瓷浆体中，浇铸，吸水，干燥，烧结。 工艺简单，成本低，增强效果有限。（致密度不够）工艺简单，成本低，增强效果

15、有限。（致密度不够）2 2热压烧结法热压烧结法 短纤维与陶瓷粉末混合，模压成型，热压烧结。短纤维与陶瓷粉末混合，模压成型，热压烧结。 结合力好，但纤维易受损。结合力好，但纤维易受损。成型工艺成型工艺3浸渍法浸渍法 长纤维编织或缠绕成型，浸渍陶瓷浆，干燥烧结。长纤维编织或缠绕成型，浸渍陶瓷浆，干燥烧结。 工艺简单，烧结密度低。工艺简单，烧结密度低。 21发展方向：发展方向： 1 1 高性能陶瓷纤维和晶须的制备技术。高性能陶瓷纤维和晶须的制备技术。 2 2 纤维和晶须的表面处理技术。纤维和晶须的表面处理技术。 3 3 长纤维陶瓷复合材料的制备技术。长纤维陶瓷复合材料的制备技术。 4 4 界面结合强

16、度与材料强度韧性的关系。界面结合强度与材料强度韧性的关系。 5 5 复合比与材料强度韧性的关系。复合比与材料强度韧性的关系。 6 6 重视纤维晶须和颗粒共复合的协同效应。重视纤维晶须和颗粒共复合的协同效应。 7. 7. 玻璃玻璃-陶瓷基体的研究。陶瓷基体的研究。四四 应用领域及发展方向应用领域及发展方向金属基体金属基体上海大学材料学院电子信息材料系上海大学材料学院电子信息材料系22232.1 金属材料 现代科学技术的发展对材料性能的要求越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、军事等尖端科学来越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的发展，使得技术的发展，使得单一材料单一材

17、料难以满足实际工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程的要求，这促进了金属基复合材料的迅猛发展。发展。241与传统金属材与传统金属材料相比，金属料相比，金属基复合材料具基复合材料具有较高的比强有较高的比强度、比刚度和度、比刚度和耐磨性耐磨性2与树脂基复合材与树脂基复合材料相比，金属基料相比，金属基复合材料具有优复合材料具有优良的导电、导热良的导电、导热性，高温性能好，性，高温性能好，可焊接可焊接3 与陶瓷材料相与陶瓷材料相比，金属基复合比，金属基复合材料具有高韧性材料具有高韧性和高冲击性能、和高冲击性能、热膨胀系数小等热膨胀系数小等优点优点25 航空、航天领域航空、航天领域轻质

18、、高强结构材轻质、高强结构材料：料：如如B/Al复合材料复合材料 电子领域电子领域低热膨胀系数、低热膨胀系数、高导热系数高导热系数262-2. 2-2. 金属基复合材料金属基复合材料 一、基本性能与种类一、基本性能与种类增强的形式包括增强的形式包括连续纤维连续纤维、短纤维短纤维、晶须和颗粒晶须和颗粒。1 1、性能、性能 与下列材料相比：与下列材料相比： 金属及合金金属及合金 高的比强度，比刚度。高的比强度，比刚度。 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 导电、导热、耐热性好。导电、导热、耐热性好。 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 高韧性和高冲击强度。高韧性和高冲击强度。 272 2、种类、种类(1)

19、(1)、按金属基体分、按金属基体分 铝基：铝基：d = 2.7 d = 2.7 f.c.cf.c.c. Tm = 660 . Tm = 660 塑性韧性好，塑性韧性好，易加工；熔点低，易加工；熔点低， 可避免与纤维过度反应；强化效可避免与纤维过度反应；强化效果好，价廉。果好，价廉。 镍基：镍基：d = 8.9 d = 8.9 f.c.cf.c.c. Tm = 1453 . Tm = 1453 高温性能好，高温性能好，可加工成薄膜，抗氧化性好。可加工成薄膜，抗氧化性好。 钛基：钛基：d = 4.51 d = 4.51 h.c.p.(b.c.ch.c.p.(b.c.c.) Tm = 1668 .)

20、 Tm = 1668 更高的比强度，比模量，耐腐蚀。更高的比强度，比模量，耐腐蚀。 (T(T/ /= 883= 883) )28(2)(2)、按增强剂形态分、按增强剂形态分 颗粒颗粒: :（体积比（体积比20% 20% 粒径粒径1 1m）增强效果较低。）增强效果较低。 层片：二维方向层片：二维方向 ，垂直片方向，垂直片方向（裂纹核心）。（裂纹核心）。 纤维：单向明显纤维：单向明显，横向影响不大。，横向影响不大。3 3、纤维选择要点、纤维选择要点 高强度、高模量。（明显高于金属基体）高强度、高模量。（明显高于金属基体） 耐热性高耐热性高 （如：（如：KFKF不宜选用）不宜选用） 价格低价格低 （

21、比较突出的制约因素）（比较突出的制约因素） 相容性好相容性好 （膨胀系数相近，高温惰性）（膨胀系数相近，高温惰性）292.1.1 选择基体的原则选择基体的原则金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。间化合物等。基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥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性能特点，获得预期的优异综基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异

22、综合性能十分重要。合性能十分重要。301金属基复合材料金属基复合材料的使用要求的使用要求 2金属基复合材料金属基复合材料组成的特点组成的特点3基体金属与增强基体金属与增强体的相容性体的相容性311 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不同领域、不同工况下对复合材料构件的性能要求不同。性能要求不同。航天航空领域：航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小定性、密度小如：如：镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维进行复合。模量的石墨纤维、硼纤维进行复合。32高性能发动机：高性能发动机：

23、高比强度、比模量、耐高温高比强度、比模量、耐高温性、抗氧化性、抗氧化如：如：钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体，如碳化硅基体，如碳化硅/ /钛、钨丝钛、钨丝/ /镍基超合金复合材镍基超合金复合材料用于喷气发动机叶片、涡轮叶片、转轴、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。火箭发动机箱体材料。33汽车发动机：汽车发动机：耐热、耐磨、导热、一定高温耐热、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉强度、成本低廉如：如：选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进行复合，如碳化硅维进行复合，如碳化硅/ /铝，碳纤维铝，

24、碳纤维/ /铝，氧化铝，氧化铝铝/ /铝等复合材料用作发动机活塞、缸套等零铝等复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。件。34工业集成电路：工业集成电路：高导热、低膨胀高导热、低膨胀如：如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热银、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。化硅颗粒复合，用作散热元件和基板。35 针对不同的增强体系，应充分分析和考虑增强物的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。特点来正确选择基体合金材料。2 金属基复合材料组成特点36对于对于连续纤维增

25、强连续纤维增强的金属基复合材料：的金属基复合材料： 基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性能基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而不，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而不要求基体本身有高强度，可选用要求基体本身有高强度，可选用铝、镁铝、镁作基体。作基体。37对于对于非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）的的金属基复合材料：金属基复合材料： 基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，可基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，可选用高强度的选用高强度的铝合金铝合金而不用铝作为基体。而不用铝作为基体。383 基体金属与增强

26、物的相容性基体金属与增强物的相容性金属基复合材金属基复合材料高温成型料高温成型纤维与金属发生化学反应，纤维与金属发生化学反应，在界面形成反应层在界面形成反应层脆性界面反应层受力产生的裂纹引起脆性界面反应层受力产生的裂纹引起复合材料结构破坏复合材料结构破坏界面破坏产生原因：界面破坏产生原因：39 在选择基体时，应充分注意与增强物在选择基体时，应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并考虑到的相容性（特别是化学相容性），并考虑到尽可能在金属基复合材料成型过程中，抑制尽可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界面反应。界面反应。40如何增强基体如何增强基体与增强物的相与增强物的相容性？容性？A

27、对增强纤维进行表面处理改性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在金属基体中添加其他成分C 选择适宜的成型方法选择适宜的成型方法41 注意注意：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）纤维作为增强物。纤维作为增强物。因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不，破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能提高复合材料的综合性能。能提高复合材料的综合性能。422.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体结构复合材料的基体大致可分为结构复合材

28、料的基体大致可分为轻金属基体轻金属基体和和耐热合金基体耐热合金基体两大类。两大类。（1）用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体铝、铝、镁合金镁合金（2）用于用于450700的复合材料的金属的复合材料的金属基体基体钛合金钛合金（3）用于用于1000以上的高温复合材料的以上的高温复合材料的金属基体金属基体镍基、铁基耐热合金镍基、铁基耐热合金和金属间化合物和金属间化合物431 用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体铝、镁合金铝、镁合金 铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件

29、、刹车盘等方面。刹车盘等方面。442 用于用于450700以下的复合材料基体以下的复合材料基体钛合金钛合金 钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、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材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航空发动机。空发动机。453 用于用于1000以上的高温复合材料的金属基体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镍基、铁基耐热合金和金属间化合物 镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中，镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中，用钨丝、钍钨丝

30、增强的镍基可用于高性能航空用钨丝、钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空发动机叶片。发动机叶片。46 目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复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。合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。 功能用金属基复合材料所

31、用的金属基体均具有良好的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。弧烧蚀性差等缺点。 2.1.3 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47用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合材料，高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼材料，高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝铝复合材料等。复合材料等。用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强的铝、镁、铜

32、、锌、铅等金属基复合须、纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料。材料。用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金材料。铜、银及合金材料。水泥基复合材料水泥基复合材料上海大学材料学院电子信息材料系上海大学材料学院电子信息材料系48492-4. 2-4. 水泥基复合材料水泥基复合材料 一、水泥的基本特性与增强方法一、水泥的基本特性与增强方法 刚刚/ /柔比高；抗压柔比高；抗压/ /抗拉比高；。抗拉比高；。 增强（韧）方法：增强（韧）方法： 加入高强度集料加入高强度集料 混凝土混凝土 纤维增韧纤维增韧 （要求纤维粗，较长）（要求纤

33、维粗，较长） 聚合物改性聚合物改性 浸渍填充、聚合物取代或部分取代水泥基体。浸渍填充、聚合物取代或部分取代水泥基体。501 1、混凝土、混凝土 以以水泥水泥为基，加入为基，加入砂、石，钢筋砂、石，钢筋。 骨料要求强度高，耐碱性好，与基体有良好骨料要求强度高，耐碱性好，与基体有良好的结合，价廉。的结合，价廉。 钢筋与水泥相容性好，耐碱。为提高钢筋强钢筋与水泥相容性好，耐碱。为提高钢筋强度和结合力，近年来要求冷拉、表面轧槽。度和结合力，近年来要求冷拉、表面轧槽。二、水泥基复合材料种类二、水泥基复合材料种类512 2、纤维增强水泥、纤维增强水泥可用纤维见下表：可用纤维见下表： 为防止为防止Ca(OH

34、)Ca(OH)2 2和水对纤维的不利影响，水泥中需和水对纤维的不利影响，水泥中需掺入矿渣、火山灰或粉煤灰等活性填料。掺入矿渣、火山灰或粉煤灰等活性填料。技术要点：技术要点：基体强度要高基体强度要高 强度取决于基体，选强度取决于基体，选高标号水泥高标号水泥。膨胀系数要适当膨胀系数要适当 af am ，产生预压应力。，产生预压应力。纤维足量纤维足量 纤维相互交错搭接，产生叠加效应。纤维相互交错搭接，产生叠加效应。弹性模量要匹配弹性模量要匹配 Ef Em52533 3、 聚合物改性聚合物改性 (1)(1)、聚合物浸渍、聚合物浸渍 将已干固的混凝土构件，浸入聚合物单体或预将已干固的混凝土构件，浸入聚合

35、物单体或预聚体溶液中使其渗入空隙，通过加热聚合、固化形聚体溶液中使其渗入空隙，通过加热聚合、固化形成聚合物填充。提高密度、强度和韧性。成聚合物填充。提高密度、强度和韧性。 (2)(2)、聚合物混凝土、聚合物混凝土 （可归入聚合物基复合材料）（可归入聚合物基复合材料） 聚合物完全取代水泥，作为集料的结合剂。聚合物完全取代水泥，作为集料的结合剂。 常用聚合物：环氧、脲醛、糠醛、聚酯树脂等。常用聚合物：环氧、脲醛、糠醛、聚酯树脂等。 性能好，价格较高。应用：如人造石性能好，价格较高。应用：如人造石54(3)(3)、聚合物水泥混凝土、聚合物水泥混凝土特点：特点：抗折强度明显抗折强度明显，抗压强度，抗压

36、强度。韧性韧性 ，刚度、脆性，刚度、脆性。抗渗透性、耐侵蚀性抗渗透性、耐侵蚀性。粘补性好。粘补性好。工艺简单，成本低。工艺简单，成本低。 聚合物部分取代水泥。要求聚合物具有亲水性，在聚合物部分取代水泥。要求聚合物具有亲水性，在水中或能溶解或能分散成乳液。水中或能溶解或能分散成乳液。 加入状态可以是单体、聚合物乳液、聚合物粉末。加入状态可以是单体、聚合物乳液、聚合物粉末。55三、三、 成型工艺成型工艺1 1、混凝土设计与施工混凝土设计与施工设计过程：设计过程： 原料选择原料选择 工程计算工程计算 实验校核调整实验校核调整初定配方：水初定配方：水 : : 灰灰 : : 砂砂 : : 石石 0.5

37、: 1 : 1.5 : 30.5 : 1 : 1.5 : 3实验校核：强度实验与和易性实验实验校核：强度实验与和易性实验调整：提高水泥标号或用量，可提高强度。调整：提高水泥标号或用量，可提高强度。 提高水量、降低石料用量，可提高和易性。提高水量、降低石料用量，可提高和易性。最终配方中水泥用量、最终配方中水泥用量、W/CW/C需满足耐久性要求。需满足耐久性要求。56最终配方满足耐久性要求最终配方满足耐久性要求聚合物基复合材料聚合物基复合材料上海大学材料学院电子信息材料系上海大学材料学院电子信息材料系57582.1.1 基体材料的组分及作用基体材料的组分及作用1. 聚合物基体：聚合物基体： 基体材

38、料主要成分，决定复合材料的性能、成型工基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工艺及价格。艺及价格。要求：要求：具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。2.1 聚合物材料592 辅助剂：辅助剂：（1）交联剂（引发剂、促进剂）交联剂（引发剂、促进剂） 交联剂交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合交联成网络结构的物质。键合交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键或促进或调节聚合物分子链

39、间共价键或离子键形成的物质。也称为固化剂。离子键形成的物质。也称为固化剂。 引发剂引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。酯的交联固化和高分子交联反应。 促进剂促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的一种：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的一种用量较少的物质。用量较少的物质。 60（2）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。非活性稀

40、非活性稀释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加入量为入量为1060%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯如：丙酮、乙醇、甲苯、苯活性活性稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为10%。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚 61（3） 增韧（增塑）剂增韧（增塑）剂降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺 等。等。（4）触变剂）触变剂提高树脂在静止状态下的粘度，在

41、外力作用下，树脂又变成提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入量为量为13%。如：活性如：活性SiO2(白炭黑白炭黑)、膨润土、聚氯乙烯粉。、膨润土、聚氯乙烯粉。62（5） 填料填料降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨性能、导电、导热等）。性能、导电、导热等）。如如：CaCO3、滑石粉、石英粉、金属粉。、滑石粉、石英粉、金属粉。（6） 颜料颜料用量用量约约0.55%要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好，

42、要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好，不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂固化。固化。633 基体的作用基体的作用 均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）；均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）； 保护纤维，防止纤维磨损；保护纤维，防止纤维磨损； 赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）；赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）； 决定复合材料生产工艺、成型方法。决定复合材料生产工艺、成型方法。644 基体材料的选用原则基体材料的选用原则产品性能产品性能工艺性能工艺性能成本及来源成本及来源

43、基体材料基体材料综合决定综合决定652.1.2 基体材料的结构和性能基体材料的结构和性能结构特点：结构特点：（1）分子链很大（）分子链很大（103105个结构单元）：线形的，支链的，个结构单元）：线形的，支链的，网状的网状的（2）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基（3）聚合物分子间的作用力：）聚合物分子间的作用力： 若分子链中化学键有一定的内旋转自由度，则柔性大，反之，若分子链中化学键有一定的内旋转自由度，则柔性大，反之，则呈刚性。则呈刚性。66一、力学性能一、力学性能1. 强度与模量强度与模量主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏主要因素

44、是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。纤维弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂；纤维弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂；纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强度高。度高。2. 树脂内聚强度树脂内聚强度固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变

45、能力减低，呈现脆性性能性能673. 树脂断裂延伸率树脂断裂延伸率聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变普弹形变：普弹形变：由聚合物分子的键长和键角改变引起，由聚合物分子的键长和键角改变引起， 变形较小（变形较小（1%）高弹形变：高弹形变：由大分子链的链段移动引起，是聚合物主由大分子链的链段移动引起，是聚合物主 要变形形式（要变形形式（Tg以上）以上）强迫高弹形变（强迫高弹形变（Tg以下）：以下）：在外力作用量够大，时间在外力作用量够大，时间 是够长条件下出现是够长条件下出现 决定因素：决定因素：大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度大分子链的柔韧性、大

46、分子链间的交联密度684. 树脂体积收缩率：树脂体积收缩率：物理收缩、化学收缩物理收缩、化学收缩固化收缩率：固化收缩率：环氧树脂环氧树脂12%；聚酯树脂；聚酯树脂46%；酚醛树脂；酚醛树脂810%影响因素：影响因素：固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度；固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度； 基体固化后的网络结构的紧密程度；基体固化后的网络结构的紧密程度； 固化过程中有无小分子释放。固化过程中有无小分子释放。降低收缩率方法：降低收缩率方法：调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子 间填充密实，固化后有紧密的空间网络。间填充密实，固化后有紧密的空间

47、网络。69 固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下，固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下，发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固态树脂的全过程。态树脂的全过程。凝胶：凝胶：定型：定型：熟化：熟化： 液态树脂液态树脂可溶线型小分子可溶线型小分子 固态树脂固态树脂不溶不熔体型结构大分子不溶不熔体型结构大分子固化固化粘流态树脂粘流态树脂半固态凝胶半固态凝胶失去流动性失去流动性凝胶时间手糊时间凝胶时间手糊时间凝胶凝胶硬度、形状硬度、形状表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学性能

48、性能固化阶段固化阶段70二、耐热性能二、耐热性能复合材料耐热性：复合材料耐热性：温度升高，性能变化温度升高，性能变化物理性能：模量、强度、变形物理性能：模量、强度、变形化学性能：失重、分解、氧化化学性能：失重、分解、氧化聚合物受热变化聚合物受热变化物理变化：变形、软化、流动、熔融物理变化：变形、软化、流动、熔融化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等71提高树脂耐热性方法：提高树脂耐热性方法：增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构；增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构；进行结晶：进行结晶：-C-O-C-, -OH, -NH2等；等；进行交联

49、：交联键增加，提高分子间作用力。进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。72三、耐腐蚀性能三、耐腐蚀性能树脂的腐蚀树脂的腐蚀物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降影响因素：影响因素：树脂结构树脂结构树脂含量树脂含量树脂固化交联密度树脂固化交联密度化学作用：化学键破坏或新的化学键化学作用：化学键破坏或新的化学键73四、介电性能四、介电性能 分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料.极性大的分子一般介电常数也大极性大的分子一般介电常数也大影响因素：影响因素： 树脂大分子的极性：极性增加，电绝缘性下树脂大分子的

50、极性：极性增加，电绝缘性下降；固化树脂杂质含量及种类降；固化树脂杂质含量及种类742.1.3 热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料 树脂加热后产生树脂加热后产生化学变化化学变化，逐渐硬化成型，再受，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解。热也不软化，也不能溶解。 热固性树脂其分子结构为体型，它包括大部分的热固性树脂其分子结构为体型，它包括大部分的缩合树脂，热固性树脂有酚醛、环氧、氨基、不饱和缩合树脂，热固性树脂有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。聚酯以及硅醚树脂等。 75聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。饱和聚酯：饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键没有非芳族