树脂基、金属基、陶瓷基复合材料.docx

树脂基、金属基、陶瓷基复合材料之间的相互比较汪涛 1091900209摘 要：本文主要介绍了树脂基复合材料（玻璃纤维增强环氧树脂），金属基复合材 料（TiB2 /铝基复合材料）以及陶瓷基复合材料（碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材 料）之间组织性能及应用方面的相互比较正文（1）玻璃纤维增强环氧树脂与TiB2 /铝基复合材料之间比较玻璃纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、比模量，而且耐疲劳、耐腐 蚀，最早用于飞机、火箭等，近年来在民用方面发展也很迅猛，在舰船、建筑和体 育器械等领域得到应用，并且用量不断增加其中，环氧树脂是先进复合材料中应 用最广泛的树脂体系，它适用于多种成型工艺，可配制成不同配方，调节粘度范围 大，以便适应不同的生产工艺它的贮存寿命长，固化时不释放挥发物，固化收缩 率低，固化后的制品具有极佳的尺寸稳定性、良好的耐热、耐湿性能和高的绝缘性, 因此，环氧树脂?？统治??着高性能复合材料的市场值得指出的是，环氧树脂耐有 机溶剂、耐碱性能比常用的酚醛与不饱和聚酯树脂好，但其耐水性、耐酸性差；固 化后一般较脆，韧性较差先进的金属基复合材料（MMC）是目前材料领域的研究热点之一，原位合成颗 粒增强铝基复合材料由于具有密度低、颗粒细小、颗粒/基体界面洁净、制备工艺 简单、微观结构均匀、成本低廉、应用范围广和工业化生产潜力大等许多优点而受 到重视，同时它还具备较好的减振降噪性能，所以对航空航天、汽车工业等来说，是 最具发展前途的新型结构功能材料之一。

力学性能：拉伸强匿杨氏模壘膨胀系数比重玻璃纤樂 増强环氧4PGPa1.1-3.52.0TnE2 / 铝 墓复合村 料3.5GPa63GPa25 9TiB2 /铝基复合材料的疲劳破坏通常是没有明显预兆的突然性破坏，而玻璃纤 维增强环氧树脂中的纤维与基体的界面能阻止材料受力所致的裂纹的扩展，因此其 疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆大多数金属的疲劳强度极限是其抗张强度的20%—50%,而碳纤维/聚酯复合材料的 疲劳强度极限可为其抗张强度的70%—80%2） TiB2 /铝基复合材料与碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料间的比较陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料这些先进陶 瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱 点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效而采用高 强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法 纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷基 复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品其最高使用温度主要 取决于基体特征。

陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、 发动机制件、能源构件等C/ SiC陶瓷基复合材料是利用C来降低SiC陶瓷的硬 度，实现结构陶瓷的可加工性能，同时具有良好的抗氧化性、耐腐蚀、自润滑等 C/ SiC陶瓷基复合材料而言，界面的材料和结构是影响其性能的关键陶瓷基复合 材料的性能包括物理化学性能和力学性能，物化性能主要有密度、孔隙率、线膨胀 系数、热扩散系数、热导率、比热容、抗氧化等，力学性能主要有强度、模量、断 裂韧性、疲劳、高温蠕变、抗热震性、耐烧蚀等性能TiB2 /铝基复合材料具有许多优良的性能：1、低密度2、良好的尺寸稳定性 3、强度、模量与塑性：增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时，降低 了塑性4耐磨性：高的耐磨性是铝基复合材料的特点之一5疲劳与断裂韧性：铝 基复合材料的疲劳强度一般比基体金属高，而断裂韧性却下降6热性能：增强体 和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中都难以避免，为了有效降低复合材料的 热膨胀系数,使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配，常选用低膨胀的3） 玻璃纤维增强环氧树脂与碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料间的比较碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下 抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度小，这些优异的性能是树 脂基复合材料所不具备的，但其抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材 料的使用。

而玻璃纤维增强环氧树脂轻质高强：相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的 1/4~1/5,可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比 因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用 中,都具有卓越成效某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上 耐腐蚀性能好：FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及 多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳 钢、不锈钢、木材、有色金属等电性能好：是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体 高频下仍能保护良好介电性微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩热性能良 好：热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/ （m・h・K），只有金属的1/100~1 /1000,是优良的绝缘材料在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护 宇宙飞行器在2000r以上承受高速气流的冲刷总结在使用温度和材料硬度方面，三类复合材料有着明显的区别树脂基复合材料 的的使用温度一般为60—250摄氏度；金属基复合材料一般为400—600摄氏度；陶 瓷基复合材料为1000—1500摄氏度。

复合材料的硬度一般取决于基体的材料性能， 一般陶瓷基复合材料硬度大于金属基复合材料，金属基复合材料硬度大于树脂基复 合材料就力学性能而言，复合材料力学性能取决于增强材料的性能、含量和分布，取 决于机体材料的性能和含量三类材料都可以获得较高的强度复合材料的耐自然 老化性能，取决于基体材料的性能和增强材料的界面粘接，一般优劣次序为：陶瓷 基复合材料大于金属基复合材料，金属基复合材料大于树脂基复合材料三类复合材料的导热性能优劣为：金属基复合材料，50—65W/ (m・K)；陶瓷基 复合材料，0.7—3.5W/ (m・K)；树脂基复合材料，0.35—0.45W/ (m・K)。