1、2022-2-151第三章第三章 復合材料的基體復合材料的基體2022-2-152基體基體(matrix)的概念的概念基體是復合材料中固結增強物、傳遞和承受各種載基體是復合材料中固結增強物、傳遞和承受各種載荷（力、熱、電）的作用的部分。荷（力、熱、電）的作用的部分。一般的，基體材料在復合材料中占較大比重，以金屬基復合材料為例:連續纖維增強復合材料 基體占5070 vol.%，最佳60 vol.顆粒增強復合材料 基體占9025 vol.%晶須、短纖維增強復合材料 基體占8090 vol.%2022-2-153基體材料成分的正確選擇，對能否基體材料成分的正確選擇，對能否充分組合和發揮基體和充分組合

2、和發揮基體和增強物的性能特點增強物的性能特點、獲得預期的、獲得預期的十分重要。十分重要。所以，在所以，在時應遵循一定的時應遵循一定的選擇原則選擇原則。2022-2-154的選擇原則的選擇原則 根據復合材料的使用要求根據復合材料的使用要求 根據復合材料組成特點根據復合材料組成特點 基體與增強物的相容性基體與增強物的相容性2022-2-155 如在如在航天、航空技術航天、航空技術中，高中，高和和以及以及是最重要的性能要求；作為是最重要的性能要求；作為飛行器和衛星的構件飛行器和衛星的構件宜選用密宜選用密度小的度小的（如鎂合金和鋁合金）作為（如鎂合金和鋁合金）作為，與高強，與高強度、高模量的度、高模量

3、的、等組成等組成復合材料。復合材料。2022-2-156則要求復合材料不僅有則要求復合材料不僅有和和，還要具有優良的，還要具有優良的，能在高溫、氧化性氣氛，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，而應選擇中正常工作。此時不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應選擇以及以及作為基體材料。作為基體材料。如復合材料可用于噴氣發動機葉片、轉軸等重要零件。2022-2-157在在中要求其零件中要求其零件、一定、一定的的等，同時又要求等，同時又要求，適合于，適合于，因此選用與組成顆粒（短纖維）/鋁基復合材料。如如復合材料、復合材料、復合復合材料可制作材料可制作發動機活塞發動機活塞、缸套缸套等零

4、件。等零件。2022-2-158需要需要的金屬基復合材料的金屬基復合材料作為作為散熱元件散熱元件和和基板基板。因此，可以選用具有高導熱率的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、高比強度、高比模量等性能的金屬基復合材料。2022-2-159選用不同類型的選用不同類型的如如連續纖維連續纖維、短纖維短纖維或或晶須晶須，對基體材料的選擇，對基體材料的選擇。2022-2-1510例如在連續纖維增強的復合材料中，基體的主要作用應例如在連續纖維增強的復合材料中，基體的主要作用應是以是以為主，基體本身應與纖維有為主，基體本身應與纖維有，而并

5、不要求基體本身有很高的強度。，而并不要求基體本身有很高的強度。因此，考慮到要充分因此，考慮到要充分的作用，希望選用的作用，希望選用。實驗證明，此時如果采用較高強度的合金材料，。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。復合材料的性能將有所降低。2022-2-1511如如復合材料中，復合材料中，或含有少或含有少量合金元素的量合金元素的作為作為比比要好要好得多，使用后者制成的復合材料的性能反而低。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在研究碳鋁復合材料中發中發現，現，鋁合金的強度越高，復合材料的性能越低鋁合金的強度越高，復合材料的性能越低。這。這可能

6、與基體和纖維的可能與基體和纖維的界面狀態界面狀態、脆性相的存在脆性相的存在、基基體本身的塑性體本身的塑性等有關。等有關。2022-2-1512相反。對于相反。對于，對復合材料具有決定性的影響，對復合材料具有決定性的影響，因此，要選用因此，要選用來作為基體。這與來作為基體。這與連續纖維連續纖維增強金屬基復合材料增強金屬基復合材料基體的選擇完全不同。基體的選擇完全不同。如如一般選用一般選用（如（如A365，6061，7075）為基體。）為基體。2022-2-1513首先，由于金屬基復合材料需要在，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。大多是脆性

7、的，當反應層達到一定厚度后，大多是脆性的，當反應層達到一定厚度后，材料受力時將會因材料受力時將會因界面層的斷裂伸長小界面層的斷裂伸長小而產生裂紋，并向周而產生裂紋，并向周圍纖維擴展，容易引起圍纖維擴展，容易引起纖維斷裂纖維斷裂，導致復合材料整體破壞。，導致復合材料整體破壞。2022-2-1514其次，由于基體金屬中往往含有不同類型的合金元素，這些與的，反應后生成的，需在選用基體合金成分時充分考慮，盡可能選擇盡可能選擇，又有利于，又有利于。2022-2-1515如如復合材料中，在復合材料中，在少量的少量的TiTi，ZrZr等等可明顯改善復合材料的界可明顯改善復合材料的界面結構和性質，大大提高復合

8、材料的性能。面結構和性質，大大提高復合材料的性能。用用作為基體，作為基體，是不可是不可取的。因為取的。因為NiNi，FeFe元素在高溫時能有效地元素在高溫時能有效地，破壞了碳纖維的結構，使其喪失了原有，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。的強度，使復合材料性能惡化。2022-2-1516因此，選擇基體材料時，應充分注意與增強因此，選擇基體材料時，應充分注意與增強物的物的（特別是化學相容性），并盡可能（特別是化學相容性），并盡可能。例如：。例如：對增強對增強進行表面處理；進行表面處理；在金屬在金屬中添加其他成分；中添加其他成分；選擇適宜的選擇適宜的方法；方法；縮短材料在

9、高溫下的停留縮短材料在高溫下的停留等。等。2022-2-15171 1、常見的金屬基體簡介、常見的金屬基體簡介2022-2-1518結構復合材料的基體結構復合材料的基體在這個溫度范圍內使用的金屬基體主要是在這個溫度范圍內使用的金屬基體主要是和和，而且主要是以合金的，而且主要是以合金的形式被廣泛的應用。例如，用于形式被廣泛的應用。例如，用于航天飛機、人造衛星、空間站、汽車發動機零件、剎航天飛機、人造衛星、空間站、汽車發動機零件、剎車盤車盤等，并已形成工業規模生產。等，并已形成工業規模生產。 鈦及鈦合金具有鈦及鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強度高等比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強度高等特點，是一種可

10、在特點，是一種可在450700 溫溫度下使用的合金，主要用于航空發動機等零件上。用高性能碳化硅纖維、碳化鈦顆粒、度下使用的合金，主要用于航空發動機等零件上。用高性能碳化硅纖維、碳化鈦顆粒、硼化鈦顆粒增強鈦合金，可以獲得更高的高溫性能。美國己成功地試制成碳化硅纖維硼化鈦顆粒增強鈦合金，可以獲得更高的高溫性能。美國己成功地試制成碳化硅纖維增強鈦復合材料，制成的葉片和傳動軸等零件可用于高性能航空發動機增強鈦復合材料，制成的葉片和傳動軸等零件可用于高性能航空發動機.鐵和鐵合金鐵和鐵合金是在此溫度范圍內使用的金屬基體。是在此溫度范圍內使用的金屬基體。用于用于1000 以上的基體材料主要是以上的基體材料主

11、要是和和。其中，研究。其中，研究較為成熟的是較為成熟的是，復合材料尚處于研究階段。復合材料尚處于研究階段。2022-2-1519功能用金屬基復合材料的基體功能用金屬基復合材料的基體功能金屬基復合材料主要選用的金屬基體是功能金屬基復合材料主要選用的金屬基體是純鋁及鋁合金純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅鋅等金屬。等金屬。用于用于的的的基體主要是的基體主要是和和。 例如，高例如，高含量的含量的(SiCpAl)、(SiCpCu)復合材料；復合材料；高模、超高模高模、超高模增強增強(Cf/Al)、(Cf/Cu)復合材料；復合材料；或或增強增強復合材料；復合材料；復合材料等。復

12、合材料等。用于用于耐磨零部件耐磨零部件的金屬基復合材料的基體主要是常用的的金屬基復合材料的基體主要是常用的鋁、鎂、鋅、銅、鉛鋁、鎂、鋅、銅、鉛等金屬等金屬及合金。及合金。例如：例如：碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強增強鋁、鎂、銅、鋅、鉛鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金等金屬基復合材料。屬基復合材料。2022-2-15202 2、常見的陶瓷基體簡介、常見的陶瓷基體簡介2022-2-1521陶瓷基體包括：陶瓷基體包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。等。玻璃是通過玻璃是通過無機材料無機材料高溫燒結而成的一種高

13、溫燒結而成的一種陶瓷材料陶瓷材料。與其它陶瓷材料不同，玻璃在熔。與其它陶瓷材料不同，玻璃在熔體后體后不經結晶不經結晶而冷卻成為堅硬的無機材料，即而冷卻成為堅硬的無機材料，即具有非晶態結構具有非晶態結構是玻璃的特征之一。是玻璃的特征之一。許多許多可以通過適當的熱處理使其可以通過適當的熱處理使其，這一過程稱為，這一過程稱為。由于。由于反玻璃化反玻璃化使玻璃成為使玻璃成為，透光性變差，因體積變化還會產生內應力，影，透光性變差，因體積變化還會產生內應力，影響材料強度。通常應當避免發生反玻璃化過程。但對于某些玻璃，可以通過加入形核響材料強度。通常應當避免發生反玻璃化過程。但對于某些玻璃，可以通過加入形核

14、劑得到劑得到無殘余應力的微晶玻璃，這種材料稱為玻璃陶瓷無殘余應力的微晶玻璃，這種材料稱為玻璃陶瓷。玻璃陶瓷具有。玻璃陶瓷具有熱膨脹系數小、熱膨脹系數小、力學性能好和導熱系數較大力學性能好和導熱系數較大等特點。等特點。作為基體材料使用的作為基體材料使用的氧化物陶瓷氧化物陶瓷主要有主要有A12O3、MgO、SiO2、ZrO2，莫來石莫來石(即富鋁即富鋁紅柱石，化學式為紅柱石，化學式為3A12O32SiO2)等，它們的溶點在等，它們的溶點在2000 以上。以上。 非氧化構陶瓷是指非氧化構陶瓷是指的的、和和。它們的特點是。它們的特點是和和好，好，但，但也很強。也很強。2022-2-15223 3、常見

15、的無機凝膠基體簡介、常見的無機凝膠基體簡介2022-2-1523無機膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。無機膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。在無機膠凝材料基增強塑料中，研究和應用最多的是在無機膠凝材料基增強塑料中，研究和應用最多的是纖維增強水泥基增強纖維增強水泥基增強材料材料。它是以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基體，以短切纖維或連續纖維為。它是以水泥凈漿、砂漿或混凝土為基體，以短切纖維或連續纖維為增強材料組成的。增強材料組成的。水泥基體材料具有以下水泥基體材料具有以下水泥基體為水泥基體為，其孔隙尺寸可由數，其孔隙尺寸可由數“埃埃”到數百到數百“埃埃。孔隙存在不僅會。孔隙存在

16、不僅會影響影響的性能，也會影響纖維與基體的的性能，也會影響纖維與基體的。 纖維與水泥的纖維與水泥的彈性模量比彈性模量比小，對多數有機纖維而言，纖維與水泥的小，對多數有機纖維而言，纖維與水泥的彈性模量比彈性模量比甚至甚至小于小于1，這意昧著在纖維增強水泥復合材料中，這意昧著在纖維增強水泥復合材料中應力的傳遞效應應力的傳遞效應遠不如遠不如纖維增強樹脂纖維增強樹脂。 水泥基材的水泥基材的斷裂延伸率斷裂延伸率較低，纖維尚未從水泥基材中拔出拉斷前，較低，纖維尚未從水泥基材中拔出拉斷前，水泥基材水泥基材即行開即行開裂。裂。水泥基材水泥基材中含有中含有粉末粉末或或顆粒狀顆粒狀的物料的物料,與纖維成與纖維成點

17、接觸點接觸，故，故纖維的摻量纖維的摻量受到很大受到很大限制。而限制。而樹脂基體樹脂基體在未固化前是在未固化前是粘稠液體粘稠液體，可較好地浸透纖維中。故，可較好地浸透纖維中。故纖維的摻量纖維的摻量可高可高些。些。 呈呈堿性堿性，對，對金屬纖維金屬纖維可起保護作用，但對大多數可起保護作用，但對大多數礦物纖維礦物纖維是不利的。是不利的。2022-2-15244 4、常見的聚合物基體簡介、常見的聚合物基體簡介2022-2-1525按按可分為可分為及及兩類。兩類。熱塑性基體熱塑性基體如如、等，它們是一類等，它們是一類或或的固態高的固態高分子，可溶可熔，可反復加工成型而無任何化學變化。分子，可溶可熔，可反

18、復加工成型而無任何化學變化。熱塑性聚合物的形態特征熱塑性聚合物的形態特征熱固性基體熱固性基體如如、等，它們在制成最終產等，它們在制成最終產品前，通常為分子量較小的液態或固態品前，通常為分子量較小的液態或固態，經，經或或發生化學反應固發生化學反應固化后，形成不溶不熔的化后，形成不溶不熔的，這類基體通常是，這類基體通常是的。的。熱固性聚合物的形態特征熱固性聚合物的形態特征2022-2-1526傳統的聚合物基體是熱固性的傳統的聚合物基體是熱固性的，其最大的優點是具有，其最大的優點是具有良好的工藝性良好的工藝性。由于。由于固化前，熱固性樹脂粘度很低，因而宜于在常溫常壓下浸漬纖維，并在較固化前，熱固性樹脂粘度很低，因而宜于在常溫常壓下浸漬纖維，并在較低的溫度和壓力下固化成型；低的溫度和壓力下固化成型；固化后具有良好的耐藥品性和抗蠕變性固化后具有良好的耐藥品性和抗蠕變性；熱固性樹脂熱固性樹脂的缺點是的缺點是預浸料預浸料需需低溫冷藏低溫冷藏且且貯存期有限，成型周期長貯存期有限，成型周期長和和材料材料韌性差韌性差。熱塑性基體的最重要優點是其高斷裂韌性熱塑性基體的最重要優點是其高斷裂韌性(高斷裂應變和高沖擊強度高斷裂應變和高沖擊強度)，這使這使得得FRP具有更高的損傷容限。此外，還具有具有