2.2　基体材料简述

纤维增强复合材料的基体主要起四个作用：①固定纤维；②传递力；③保护纤维不受外部环境影响；④保护纤维表面不受机械磨损。基体在复合材料抗拉强度上贡献很小，相反纤维的选择对复合材料的抗拉强度、层间抗剪强度影响很大。层间抗剪强度是表征材料弯曲时的一个重要参量，面内抗剪强度是评价在扭矩作用下复合材料的一个参量。纤维与基体的界面结合也是设计复合材料不可忽略的。复合材料基体可以分为聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料，下面就这3种基体做简单介绍。

2.2.1　热固性树脂

热固性树脂（thermoset polymer），分子链是通过化学交联在一起，形成一个刚性的三维网络结构，在聚合过程中这种交联结构不能重复加工成型。常用的热固性树脂有环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯、双马来酰胺、热固性聚酰亚胺、氰酸酯等。热固性树脂示意图如图2-13所示。

图2-13　热固性树脂

2.2.2　热塑性树脂

热塑性树脂（thermoplastic polymer），分子链之间不是通过化学键结合，而是通过分子间作用力连接的，如分子间力、氢键。通过加热施加一定的压力，热塑性树脂可以熔融，重新加工成型。常用的热塑性树脂有聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚砜、热塑性聚酰亚胺等。热塑性树脂示意图如图2-14所示。

图2-14　热塑性树脂

2.2.3　金属基体

金属基体与聚合物基相比，在长期恶劣环境中使用时更具有优势，例如在高温状态。大多数的金属屈服强度和模量要比聚合物基体高，这在要求高的横向强度和模量时更适合用金属基体。金属基体的另外一个优势就是可塑性好，但是金属基体也有一些缺点，例如密度比较大，熔点高（需要更高的加工温度），在纤维与基体表面容易产生腐蚀。

两种比较常用的金属基体有铝和钛。两者都具有相对较低的密度，并且可以做成各种合金。铍是所有金属材料中最轻的，并且抗拉模量比钢要高。但是铍极其易碎，所以作为金属基体并不合适。镍基和钴基超级合金也常用来作为基体，但是这些合金要求在高温下加工，纤维容易氧化。

铝和铝合金在金属基复合材料中广泛使用。商业纯铝具有很好的耐腐蚀性。铝合金，如201、6061和1100都具有很高的抗张强度。当碳纤维增强铝合金时，碳容易与铝反应生成Al4C3，严重影响复合后的力学性能。在这种情况下可以采用TiB2或者Na保护碳纤维减少纤维的降解，从而提高与基体间的结合强度。

钛合金是金属基复合材料最常用的，具有高的抗张强度，同时在400～500℃时要比铝合金的强度高。钛合金的热膨胀系数与纤维增强体接近，从而界面热失配很小。不过钛合金基体也存在一个问题，钛合金会与硼纤维和Al2O3纤维反应，但是硅硼丝和碳化硅与钛反应活性很小，因此可以选用碳化硅这些富碳层纤维增强钛合金，使复合后能最大限度地提高抗拉强度。

2.2.4　陶瓷基体

传统的陶瓷指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷等无机非金属材料。由于这些材料都是以含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质，如黏土、石英、长石等，所以陶瓷也称为硅酸盐材料。随着现代科技的发展，发现了许多性能优异的新型陶瓷，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。

陶瓷是金属和非金属的化合物，其键合方式为共价键和离子键，与金属和聚合物基体不同，陶瓷基体不含有大量电子。陶瓷基体通常状态下是绝缘体，具有高熔点、高强度的特点，化学性质稳定，耐高温，抗老化。但是，陶瓷基体存在一个致命的缺点，就是韧性差，脆性强，容易发生脆断，这个缺点大大限制了陶瓷基体的应用。因此，有必要对其进行增强，提高其韧性。研究表明，在陶瓷基体中添加纤维或者晶须可以大大改善陶瓷的韧性。最常用的晶须是碳化物晶须，如碳化硅晶须。经过晶须增强后的陶瓷不仅具有原来高强度、高熔点、高硬度的特点，还大大提高了其韧性，从而广泛应用于航空航天、发动机部件等。