復(fù)合材料概論個(gè)人整理版(考試專(zhuān)用)

1、第一章 總論1.2 復(fù)合材料的定義什么是復(fù)合材料 ? (Composition Materials , Composite)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料基體(連續(xù)相)增強(qiáng)材料(分散相)1.3 復(fù)合材料的命名復(fù)合材料在世界各國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一的名稱(chēng)和命名方法，比較共同的趨勢(shì)是根據(jù)增強(qiáng)體和基體的名稱(chēng)來(lái)命名，通常有以下三種情況：（1）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)以基體材料的名稱(chēng)為主如樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)以增強(qiáng)體材料的名稱(chēng)為主如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。（3）基體材料名稱(chēng)與增強(qiáng)體材

2、料并用。這種命名方法常用來(lái)表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱(chēng)放在前面，基體材料的名稱(chēng)放在后面。例如：“玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”，或簡(jiǎn)稱(chēng)為“玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料”，也可寫(xiě)為“碳/金屬?gòu)?fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳/碳復(fù)合材料”。國(guó)外還常用英文編號(hào)來(lái)表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（Fiber Reinforced Plastics）表示纖維增強(qiáng)塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep)1.4 復(fù)合材料的分類(lèi)按增強(qiáng)材料形態(tài)分類(lèi)：連續(xù)纖

3、維復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料、粒狀填料復(fù)合材料、編織復(fù)合材料、其他: 層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體按增強(qiáng)纖維種類(lèi)分類(lèi)：玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料、金屬纖維復(fù)合材料、陶瓷纖維復(fù)合材料、混雜復(fù)合材料。按基體材料分類(lèi)：聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料按材料作用分類(lèi)：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、基體材料和增強(qiáng)體材料、功能復(fù)合材料同質(zhì)復(fù)合材料：增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料。異質(zhì)復(fù)合材料：前面提及的復(fù)合材料多屬此類(lèi)。1.5 復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的特點(diǎn)：1.可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒(méi)有的性能；2.可按對(duì)

4、材料性能的需要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和制造；3.可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品。復(fù)合材料性能的影響因素：取決于增強(qiáng)相的性能、含量及分布狀況，基體相的性能、含量，以及它們之間的的界面結(jié)合、成型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。聚合物基復(fù)合材料的主要性能（）比強(qiáng)度大、比模量大；（）耐疲勞性能好；（）減震性好；（）過(guò)載時(shí)安全性好；（）具有多種功能性；（）有很好的加工工藝性。燒蝕是指材料在高溫時(shí)，表面發(fā)生分解，引起氣化，與此同時(shí)吸收熱量，達(dá)到冷卻的目的，隨著材料的逐漸消耗，表面出現(xiàn)很高的吸熱率。耐燒蝕性好；有良好的耐磨性能；高度的電絕緣性能；優(yōu)良的耐磨蝕性能；有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)特性。金屬基復(fù)合材料的主要性能（）高比強(qiáng)度、高比

5、模量；（）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能；（）熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好；（）良好的高溫性能；（）耐磨性好；（）良好的疲勞性能和斷裂性能；（）不吸潮、不老化、氣密性好。陶瓷基復(fù)合材料的主要性能高溫強(qiáng)度和韌性高、耐輻射效率高、抗氧化、抗開(kāi)裂等。例如：碳纖維增強(qiáng)碳化硅、碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅分別在1700ºC和1200ºC下保持20ºC時(shí)的抗拉強(qiáng)度。復(fù)合材料的性能是根據(jù)使用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。（1）使用溫度和材料硬度： 樹(shù)脂基： 60250ºC； 金屬基： 400 600ºC； 陶瓷基： 10001500ºC。 硬度：陶瓷基 > 金屬基 > 樹(shù)脂基

6、。 （2）力學(xué)性能：從強(qiáng)度方面來(lái)講，三類(lèi)復(fù)合材料都可獲得較高的強(qiáng)度。（3）耐老化性能：陶瓷基 > 金屬基 > 樹(shù)脂基。（4）導(dǎo)熱性能： 金屬基： 50 65W/(m·K)； 陶瓷基： 0.7 3.5W/(m·K)； 樹(shù)脂基： 0.35 0.45W/(m·K)。（5）耐化學(xué)腐蝕性能：一般來(lái)講陶瓷基和樹(shù)脂基復(fù)合材料優(yōu)于金屬基復(fù)合材料。（6）生產(chǎn)工藝和成本高低： 陶瓷基 > 金屬基 > 樹(shù)脂基。1.6 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1、復(fù)合材料的三個(gè)結(jié)構(gòu)層次： 一次結(jié)構(gòu)單層材料微觀力學(xué) 二次結(jié)構(gòu)層 合 體宏觀力學(xué) 三次結(jié)構(gòu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)（）一次結(jié)構(gòu)由基體

7、和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)性能、相幾何（各相材料的形狀、分布、含量）和界面區(qū)的性能。微觀力學(xué)：研究各相材料之間的相互作用。（）二次結(jié)構(gòu)由單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)性能和鋪層幾何（各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列）。宏觀力學(xué)：將各相材料的影響僅作為復(fù)合材料的平均表現(xiàn)性能來(lái)考慮。（）三次結(jié)構(gòu)指通常所說(shuō)的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。結(jié)構(gòu)力學(xué)：以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。2、復(fù)合材料設(shè)計(jì)的三個(gè)層次：一次結(jié)構(gòu)單層材料設(shè)計(jì) 二次結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)三次結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單層材料設(shè)計(jì)：正確選擇增強(qiáng)材料、基體材料及

8、配比； 鋪層設(shè)計(jì)：對(duì)鋪層材料的鋪層方案作出合理安排；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：確定產(chǎn)品及其結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸。第二章復(fù)合材料的基體材料復(fù)合材料 = 基體材料 + 增強(qiáng)材料?；w材料主要包括三部分：金屬基體材料、陶瓷基體材料、聚合物基體材料2.1 金屬基體材料金屬基復(fù)合材料學(xué)科主要涉及材料表面、界面、相變、凝固、塑性形變、斷裂力學(xué)等。 金屬基復(fù)合材料中，基體主要是各種金屬或金屬合金。2.1.1 選擇基體的原則Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Zn、Pb及其合金，金屬間化合物（TiAl、NiAl等）。1、金屬基復(fù)合材料的使用要求金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。（1）航天航空： 高比

9、強(qiáng)度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性 選輕金屬，Al、Mg及其合金（2）高性能發(fā)動(dòng)機(jī)： 高比強(qiáng)度和比模量，耐高溫性能 選Ti、Ni及其合金（3）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)： 耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、成本低廉 選Al合金（4）集成電路： 高導(dǎo)熱、低膨脹 選Ag、Cu、Al 2、金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)（1）連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料 基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。選用塑性較好的基體。（2）非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短纖維）的復(fù)合材料 基體是主要承載物，基體的強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料具有決定性的影響。 選用高強(qiáng)度合金作為基體。3、基體金屬與增強(qiáng)物的相容性化學(xué)性

10、質(zhì)穩(wěn)定，潤(rùn)濕性好，膨脹系數(shù)差要小，以確保兩相界面具有足夠的結(jié)合力。抑制界面反應(yīng)。 2.1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體大致可分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類(lèi)。1. 用于450以下的輕金屬基體：鋁、鎂及其合金2. 用于450-700的復(fù)合材料的金屬基體：鈦及其合金3. 用于1000以上的高溫復(fù)合材料的的金屬基體：鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物2.1.3 功能復(fù)合材料的基體主要的金屬基體是Al及其合金、Cu及其合金、Ag、Pb、Zn等。電子封裝：Al和Cu。 耐磨零部件：Al、Mg、Zn、Cu、Pb等金屬 及合金。集電和電觸頭：Al、Cu、Ag及合金。2.2 陶瓷材料用作基體材料用

11、的陶瓷一般應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性質(zhì)、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。氧化物陶瓷：A1203，MgO，SiO2，ZrO2， 莫來(lái)石(3A12O3·2SiO2)等。非氧化物陶瓷：氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。2.3 聚合物材料2.3.1 聚合物基體的種類(lèi)、組分和作用1聚合物基體的種類(lèi) 不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂及各種熱塑性聚合物等。 2聚合物基體的組分 聚合物是聚合物基體的主要組分，除此還包括其他輔助材料，如固化劑、增韌劑、稀釋劑、催化劑等。3聚合物基體的作用 復(fù)合材料中的基體有三種主要作

12、用： （1）把纖維粘在一起；（2）分配纖維間的載荷；（3）保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。4. 聚合物基體的選擇聚合物基體的選擇應(yīng)遵循下列原則：（1）能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用需要；（2）對(duì)纖維具有良好的浸潤(rùn)性和粘接力；（3）容易操作；（4）低毒性、低刺激性。（5）價(jià)格合理。2.3.2 聚合物的結(jié)構(gòu)與性能1聚合物的結(jié)構(gòu) 聚合物結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：（1）聚合物的分子鏈由很大數(shù)目（103105）的結(jié)構(gòu)單元組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)于一個(gè)小分子。（2）鏈長(zhǎng)有限的聚合物分子含有官能團(tuán)或端基。（3）聚合物分子間的作用力對(duì)于聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有密切關(guān)系。2聚合物的性能（1）聚合物的力學(xué)性能熱固性樹(shù)脂：固化后的

13、力學(xué)性能不高，決定聚合物強(qiáng)度的主要因素是分子內(nèi)及分子間的作用力。熱塑性樹(shù)脂：1）具有明顯的力學(xué)松弛現(xiàn)象；2）在外力作用下，形變較大，當(dāng)應(yīng)變速度不太大時(shí)，可具有相當(dāng)大的斷裂延伸率；3）抗沖擊性能較好。（2）聚合物的耐熱性能a）聚合物的結(jié)構(gòu)與耐熱性 為改善材料耐熱性能，聚合物需具有剛性分子鏈、結(jié)晶性或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。b） 聚合物的熱穩(wěn)定性 提高聚合物熱穩(wěn)定性的途徑：提高聚合物分子鏈的鍵能，避免弱鍵存在；在聚合物鏈中引入較大比例的芳環(huán)和雜環(huán)。（3）聚合物的耐蝕性能復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性能與樹(shù)脂的類(lèi)別、性能、含量（尤其是表面）有很大的關(guān)系。（4）聚合物的介電性能聚合物具有良好的電絕緣性能。一般而言，樹(shù)脂大分

14、子的極性越大，則介電常數(shù)越大、電阻率越小、擊穿電壓越小、介質(zhì)損耗角越大，材料的介電性能越差。（5）聚合物的其他物理性能2.3.3 熱固性樹(shù)脂1不飽和聚酯樹(shù)脂 由飽和二元酸、不飽和二元酸與二元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的線型預(yù)聚體。a.結(jié)構(gòu)特征飽和二元酸結(jié)構(gòu)不飽和二元酸結(jié)構(gòu)b.固化交聯(lián)劑 乙烯、苯乙烯、丁二烯等單體。引發(fā)劑 過(guò)氧化物。促進(jìn)劑 苯胺類(lèi)和有機(jī)鈷。c.固化特點(diǎn)固化是一放熱反應(yīng)，其過(guò)程可分為三個(gè)階段：（1） 膠凝階段（2）硬化階段（3）完全固化階段d.特點(diǎn)（1）粘度低，工藝性好。（2）綜合性能好，價(jià)廉，用量約占80% （3）苯乙烯等揮發(fā)大有毒，體積收縮大，耐熱性、強(qiáng)度和模量較低。（4）一般不與高強(qiáng)

15、度的碳纖維復(fù)合，與玻璃纖維復(fù)合制作次受力件。2環(huán)氧樹(shù)脂a. 雙酚型通式：線性預(yù)聚體通式：線性預(yù)聚體 雙酚型環(huán)氧含硬性苯環(huán), 鏈剛性較高, 只能用聚合度低的樹(shù)脂。耐熱性好, 強(qiáng)度高, 韌性差。固化特點(diǎn)：環(huán)氧活性基都在鏈兩端，固化交聯(lián)度不高。b. 非雙酚型鏈內(nèi)含有環(huán)氧基,交聯(lián)密度高,結(jié)合強(qiáng)度及耐熱性均提高。三聚氰酸環(huán)氧含三氮雜環(huán)，有自熄性，耐電弧性好。c. 胺基環(huán)氧 結(jié)構(gòu)中含高極性的酰胺鍵（-NHCO-），粘結(jié)性好，力學(xué)性能較高；但耐水性差，電性能有所下降。d. 脂環(huán)族環(huán)氧 結(jié)構(gòu)中不含苯環(huán)，含脂環(huán) ，穩(wěn)定性更高，熱學(xué)性能好，耐紫外線，不易老化。粘度低，工藝性好。e. 脂肪族環(huán)氧 高韌性環(huán)氧 無(wú)六環(huán)

16、狀硬性結(jié)構(gòu)，沖擊韌性好，但與纖維結(jié)合力較差。 環(huán)氧樹(shù)脂固化：環(huán)氧樹(shù)脂分子中都含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，可與多種固化劑交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。常用固化劑：二元胺類(lèi)、二元酸酐類(lèi)。若選用芳香族胺或咪唑類(lèi)固化劑，強(qiáng)度及耐熱性可進(jìn)一步提高，但沖擊韌性會(huì)有一定的影響。環(huán)氧樹(shù)脂特點(diǎn)：（1）粘附力好，韌性較好，收縮率低。復(fù)合材料強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定。（2）電性能好。介電強(qiáng)度高，耐電弧優(yōu)良的絕緣材料。（3）耐酸堿耐溶劑性強(qiáng)。（4）熱穩(wěn)定性良好。3酚醛樹(shù)脂 酚/醛 < 0.9，堿催化可得體型熱固性樹(shù)脂。固化：（1）加熱固化（2）加固化劑，如六次甲基四胺或有機(jī)酸。 堿性固化劑仍需加熱，酸性固化劑可室溫固化。特點(diǎn)：耐熱性高，

17、可達(dá)315。價(jià)格最低。粘附性較差，收縮率大，氣孔率高，性脆。改性：（1）引入柔性鏈。如：聚乙烯醇縮丁醛（2）降低樹(shù)脂中 -OH 基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高電性能。（3）硼酸改性酚。吸水性、耐熱性、脆性和電學(xué)性能均提高。 2.3.4 熱塑性樹(shù)脂與熱固性聚合物相比：（1）力學(xué)性能、耐熱性、抗老化性等較差。（2）工藝簡(jiǎn)單、周期短、成本低、密度小、應(yīng)用廣。 柔性無(wú)極性鏈。與纖維浸潤(rùn)性、結(jié)合力較差。復(fù)合增強(qiáng)效果有限。原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低，普通民用。2. 聚酰胺（尼龍） 鏈中含大量酰胺基，鏈間以氫鍵連接。結(jié)合力強(qiáng)，強(qiáng)度高，耐磨性好，化學(xué)穩(wěn)定性好。使用溫度<100，吸水率高。 常用

18、品種：尼龍6、66、1010、610等。 3. 聚碳酸酯 剛性苯環(huán)，Tm = 225250, Tg = 145；變形小，抗蠕變，尺寸穩(wěn)定?？膳c玻璃纖維和碳纖維復(fù)合。4. 聚砜 以砜和苯環(huán)連結(jié)成硬性鏈，可在100150下長(zhǎng)期使用，Tg>200；S+6處于最高價(jià)，抗氧化，耐輻射；抗蠕變，尺寸穩(wěn)定。成型溫度太高，達(dá)300?？膳c碳纖維復(fù)合。用于宇航和汽車(chē)工業(yè)。第三章 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)，均稱(chēng)為增強(qiáng)材料。3.1 玻璃纖維（ Glass Fibre）3.1.1 概述3.1.2 玻璃纖維的分類(lèi)以玻璃原料成分分類(lèi)：有堿玻璃纖維 A Na-Ca-Si系普通玻璃

19、（Na2O>15%）中堿玻璃纖維 Na2O (10.512.5%) 用量少無(wú)堿玻璃纖維 E Ca-Al-B-Si系 用量大高強(qiáng)玻璃纖維 S Mg-Al-Si系 或B2O3系高彈玻璃纖維 M S系中加入BeO以單絲直徑分類(lèi)：粗纖維 30m 無(wú)捻粗紗、無(wú)紡布初級(jí)纖維 20m 短切纖維、纖維氈中級(jí)纖維 1020m 高級(jí)纖維 310m 紡織超細(xì)纖維 < 4m以纖維外觀分類(lèi)：無(wú)捻粗砂、有捻粗砂、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉、磨細(xì)纖維等以纖維特性分類(lèi)：高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維3.1.2 玻璃纖維的性能1. 力學(xué)性能a. 抗拉強(qiáng)度：

20、比塊玻璃高一個(gè)數(shù)量級(jí)；直徑d，強(qiáng)度；長(zhǎng)度，強(qiáng)度。b. 彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的1/3倍。因密度低2.5，比模量高。c. 斷裂延伸率：低 3% 2. 熱學(xué)性能a. 導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱系數(shù)比塊玻璃低12個(gè)數(shù)量級(jí)。b. 耐熱性：普通Na-Ca-Si玻纖 < 500;耐熱玻纖(石英，高硅氧) 可達(dá)2000以上。 3. 電性能堿玻璃電絕緣性差，隨溫度、濕度，絕緣性。無(wú)堿玻璃電絕緣性好。4. 耐蝕性纖維比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性差。加入網(wǎng)絡(luò)形成體可改善耐蝕性。a. 無(wú)堿玻璃耐水性好。b. 中堿玻璃耐酸性好。c. 無(wú)堿和中堿玻纖耐堿性相近。3.1.3 玻璃纖維的制備制玻璃球鉑金坩堝熔融小漏孔拉絲（1

21、02、204、408孔）涂浸潤(rùn)劑并股成紗紡織成布、氈或帶。 浸潤(rùn)劑作用：使纖維柔順，防止磨損。常用的有：石蠟乳液 復(fù)合前須清除聚醋酸乙烯酯 不必清除改性有機(jī)硅類(lèi) 不必清除3.2 碳纖維（ Carbon Fibre ）3.2.1 概述v 由有機(jī)纖維經(jīng)高溫固相反應(yīng)（脫氫、交聯(lián)、環(huán)化、石墨化）而得，主要成分為碳的無(wú)機(jī)纖維。v 具有重量輕、強(qiáng)度高、模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小、自潤(rùn)滑、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。v 由于價(jià)格高，一般用于要求高強(qiáng)、耐高溫的重要結(jié)構(gòu)件，如航天航空、高檔體育器材中。3.2.2 碳纖維的分類(lèi)根據(jù)碳纖維的性能分類(lèi)：分高強(qiáng)、高模、中模和低性能碳纖維聚丙烯腈基纖維 高、中性能碳纖

22、維人造絲基(粘膠)纖維瀝青基纖維 低性能碳纖維； 其它(多環(huán)結(jié)構(gòu)的天然纖維)根據(jù)原絲類(lèi)型分類(lèi)：（1）聚丙烯腈基纖維；（2）粘膠基碳纖維；（3）瀝青基碳纖維；（4）木質(zhì)素纖維基碳纖維；（5）其他有機(jī)纖維基(各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)碳纖維。根據(jù)碳纖維功能分類(lèi)：（1）受力結(jié)構(gòu)用碳纖維（2）耐焰碳纖維（3）活性碳纖維(吸附活性)（4）導(dǎo)電用碳纖維（5）潤(rùn)滑用碳纖維（6）耐磨用碳纖維3.2.3 碳纖維的制造（1）碳化法 生產(chǎn)長(zhǎng)纖維拉絲：濕法、干法或熔融狀態(tài)；牽伸：100300；穩(wěn)定：400加熱氧化；碳化：10002000；石墨化：20003000（2）氣相法 生產(chǎn)短纖維 在惰性氣

23、氛中小分子有機(jī)物（如烴或芳烴等）在高溫下沉積成纖維。3.2.4 碳纖維的性能1. 力學(xué)性能（1）強(qiáng)度約為GF的2倍。（2）模量約為GF的35倍。（3）密度低1.72，所以比強(qiáng)度、比模量高。（4）斷裂延伸率0.52%。2. 熱學(xué)性能：升華溫度高達(dá)3800，耐高溫性好。熱膨脹系數(shù)小，縱向?yàn)樨?fù)。 3. 物理性能：導(dǎo)熱、導(dǎo)電、自潤(rùn)滑。4. 化學(xué)性能：耐酸堿性強(qiáng)，高溫抗氧化性差。C纖維電極電位為正,與金屬?gòu)?fù)合易引起電化學(xué)腐蝕。3.3 芳綸纖維（ Kevlar, KF ）高強(qiáng)度有機(jī)纖維，由對(duì)苯二酰與對(duì)苯二胺縮聚而成。結(jié)構(gòu)與尼龍相似，含大量的高極性酰胺鍵，但含苯環(huán)硬性鏈。3.3.1 芳綸纖維的性能1. 力學(xué)

24、性能（1）拉伸強(qiáng)度高。（2）沖擊性能好，GF > KF > CF。（3）彈性模量高，CF > KF > GF。（4）斷裂延伸率在3%左右。（5）密度小1.44 1.45，比強(qiáng)度和比模量高。 2. 熱學(xué)性能：長(zhǎng)期使用 < 200，熱膨脹系數(shù)縱向?yàn)樨?fù)。3. 化學(xué)性能：耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。3.3.2 應(yīng)用航天航空：溫度不高的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)受力件；軍事：防彈器件；民用：如造船業(yè)、汽車(chē)、體育用品繩索。3.4 其他纖維3.4.1 碳化硅纖維（Silicon Carbide Fibre，SF）v SF的制造主要有化學(xué)氣相沉積法和燒結(jié)法。v 高強(qiáng)度、高模量,耐高溫、耐腐蝕、耐

25、輻射。v 可用于要求耐熱的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，主要與金屬基和陶瓷基復(fù)合。3.4.2 硼纖維（ Boron Fibre，BF）v 氣相法將B沉積在W絲或C纖維表面而得。v 高強(qiáng)度、高模量、密度小，相容性好。v 主要用于金屬和樹(shù)脂增強(qiáng)。3.4.3 氧化鋁纖維（Aluminia Fibre，AF）v 熔融垂直拉單晶的方法制備，價(jià)貴。v 具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性。v 不足之處是密度大3.20g/cm3。v 主要用于金屬基增強(qiáng)。3.4.4 晶須：陶瓷晶須、金屬晶須v 是目前強(qiáng)度最高的品種，接近理論強(qiáng)度，比相應(yīng)的長(zhǎng)纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)。v 復(fù)合增強(qiáng)效果不及長(zhǎng)纖維，只能作為補(bǔ)強(qiáng)劑使用。v 價(jià)貴，用量有限。 纖維的柔

26、韌性及斷裂各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈服碳纖維和玻璃纖維幾乎就是理想的脆性斷裂，斷裂時(shí)不發(fā)生截面積的縮小。 比性能比強(qiáng)度和比模量是纖維性能的一個(gè)重要指標(biāo)。 熱穩(wěn)定性纖維的熱穩(wěn)定性與熔點(diǎn)有關(guān)。一般來(lái)講，材料的熔點(diǎn)越高，熱穩(wěn)定性就越好。在沒(méi)有空氣和氧氣的條件下，碳纖維具有非常好的耐高溫性能。第四章 復(fù)合材料的界面4.1 概述復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)。（1）傳遞效應(yīng) （2）阻斷效應(yīng)（3）不連續(xù)效應(yīng)（4）散射和吸收效應(yīng)（5）誘導(dǎo)效應(yīng)4.2 典型界面結(jié)合4.2.1 物理結(jié)

27、合（機(jī)械咬合 + 次價(jià)鍵結(jié)合）v 液態(tài)基體滲入纖維表面微孔，固化后形成咬合界面。v 粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理結(jié)合。v 極性樹(shù)脂如：酚醛、聚酰胺、環(huán)氧等，與極性纖維具有良好的潤(rùn)濕性，并可形成次價(jià)鍵結(jié)合。v 非極性樹(shù)脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，結(jié)合力弱，復(fù)合效果差。v CF表面極性差，經(jīng)氧化后可提高結(jié)合力?？傊簐 物理結(jié)合是一種比較弱的結(jié)合方式。v 樹(shù)脂基復(fù)合材料若不經(jīng)特殊處理，多為物理結(jié)合。v 金屬基部分以物理方式結(jié)合。v 陶瓷基幾乎不以這種方式結(jié)合。4.2.2 擴(kuò)散融合v 兩相成分不同，經(jīng)擴(kuò)散或熔融形成過(guò)渡層，性質(zhì)介于兩相之間，結(jié)合力較強(qiáng)。v 金屬與陶瓷基復(fù)合溫度較高

28、，小分子和原子易于擴(kuò)散，較常見(jiàn)。4.2.3 化學(xué)結(jié)合v 化學(xué)鍵結(jié)合力強(qiáng)。但當(dāng)兩相親合力過(guò)強(qiáng)，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，界面形成較厚的脆性化合物時(shí)，性能反而下降。v 樹(shù)脂基復(fù)合材料：為提高兩相的潤(rùn)濕性和結(jié)合力，通常采用偶聯(lián)劑處理纖維表面，或?qū)⑴悸?lián)劑直接加到液態(tài)樹(shù)脂中，以便形成化學(xué)鍵結(jié)合。v 金屬與陶瓷基復(fù)合材料：化學(xué)鍵結(jié)合常見(jiàn)。多數(shù)情況在界面上形成化合物層，脆性大，對(duì)力學(xué)性能不利。尤其是高溫使用的材料，應(yīng)防止界面反應(yīng)。4.3 增強(qiáng)材料的表面處理v 為改善纖維表面的浸潤(rùn)性，提高界面結(jié)合力，對(duì)纖維進(jìn)行的預(yù)處理 表面改性。v 要點(diǎn)：不同的復(fù)合體系應(yīng)采用不同的處理方法。 樹(shù)脂基 提高化學(xué)結(jié)合 金屬及陶瓷基 抑制

29、界面反應(yīng)4.3.1 玻璃纖維v GF成分為SiO2，表面吸水后成-OH，可與含-OH、COOH、-Cl的偶聯(lián)劑反應(yīng)成醚鍵結(jié)合。v 偶聯(lián)劑通式： R - M X M 中心離子Cr3+、 Si4+、 Ti3+等高價(jià)金屬離子。 R 可與聚合物交聯(lián)的基團(tuán)。如不飽和雙鍵、氨基、環(huán)氧、巰基等。 X 可與玻纖表面醚化的活性基團(tuán)。如：-Cl、-OH、-COOH、-OCH3、-OC2H5。 v 表面處理劑處理玻璃纖維的方法： 前處理法增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑 后處理法國(guó)內(nèi)外普遍采用的處理方法。 遷移法 4.3.2 碳纖維v 氧化法 提高表面粗糙度和極性。v 沉積法 CVD沉積碳晶須。v 電聚合法 接枝高分子支鏈。4.3.3

30、 芳綸等有機(jī)纖維等離子處理，使苯環(huán)氧化成 -COOH、 -OH、OOH等；或接枝聚合生成高分子支鏈。4.3.4 與金屬基復(fù)合的纖維v 目的： 提高浸潤(rùn)性，抑制界面反應(yīng)。 CF、BF與金屬反應(yīng)活性高，化學(xué)相容性 差；氮化物、碳化物纖維反應(yīng)活性較低；Al2O3反應(yīng)活性最低。v 措施： （1）降低復(fù)合溫度，減少高溫停留時(shí)間。 （2）涂覆隔離層。如CF、BF表面涂SiC。 （3）鍍覆金屬層，改善浸潤(rùn)性。如Al2O3纖維鍍Cu、Ni等。第五章 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料是以有機(jī)聚合物為基體，連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料組合而成。聚合物基復(fù)合材料的性能：1.具有較高的比強(qiáng)度和比模量2.抗疲勞性能好3.減震性能

31、好4.高溫性能好5.安全性好6.可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)單5.1.1 玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料（GFRP）GFRP俗稱(chēng)玻璃鋼。根據(jù)基體種類(lèi)不同，GFRP分成三類(lèi)：（1）環(huán)氧玻璃鋼（2）酚醛玻璃鋼（3）聚酯玻璃鋼GFRP的特點(diǎn)：（1）比重小(1.62.0)、比強(qiáng)度高；（2）良好的耐蝕性；（3）良好的絕緣性；（4）不受電磁作用的影響；（5）保溫、隔熱、隔音、減震等。 其缺點(diǎn)是剛性差、耐熱性差、導(dǎo)熱性差、易老化。（1）環(huán)氧玻璃鋼綜合力學(xué)性能最好，耐蝕性好；粘度大，加工困難。（2）酚醛玻璃鋼耐熱性最好，< 350長(zhǎng)期使用，短期可達(dá)1000，耐電弧；較脆，收縮大，有刺激作用。 （3）聚酯玻璃鋼加工性能

32、最好，低粘度，可室溫固化，價(jià)低，用量占80%；固化收縮大，耐酸堿性差。5.1.2 玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（FR-TP）FR-TP的特點(diǎn)：（1）比重最輕1.11.6；（2）抗蠕變性明顯提高；（3）熱學(xué)性能大大改善>50%；（4）尺寸穩(wěn)定性提高。5.1.3 高強(qiáng)度、高模量纖維增強(qiáng)塑料高強(qiáng)度、高模量纖維增強(qiáng)塑料的特點(diǎn)：（1）比重輕、強(qiáng)度高、模量高和低的熱膨脹系數(shù)；（2）加工工藝簡(jiǎn)單；（3）價(jià)格昂貴。1. 碳纖維增強(qiáng)塑料強(qiáng)度、剛度、耐熱性均好；粘結(jié)性差，且各向異性，價(jià)貴。2. 芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料有壓延性、與金屬相似；耐沖擊、耐疲勞、抗震。3. 硼纖維增強(qiáng)塑料突出優(yōu)點(diǎn)是剛度好，高強(qiáng)高模纖維增

33、強(qiáng)塑料中性能最好；價(jià)貴。4. 碳化硅纖維增強(qiáng)塑料：突出優(yōu)點(diǎn)是與樹(shù)脂相容性好。5.2 聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.2.1 概述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件：（1）結(jié)構(gòu)性能要求 結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽 命內(nèi)的安全； 提供裝置各種配件、儀器等附件的空間； 隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護(hù)內(nèi)部物體。（2）載荷情況靜載荷 強(qiáng)度，剛度沖擊載荷 抗沖擊強(qiáng)度交變載荷 疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命（3）環(huán)境條件 力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動(dòng)、聲音等； 物理?xiàng)l件：壓力、溫度、濕度等； 氣象條件：風(fēng)雨、冰雪、日光等； 大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等。條件和主要影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，條件和主要影響結(jié)構(gòu)的腐蝕、磨損、老化等。

34、（4）結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性 結(jié)構(gòu)可靠性分析可分為結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度可靠性和結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠性。 總成本最低時(shí)（即經(jīng)濟(jì)性最好）的可靠性為最合理。5.2.2 材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)，指選用幾種原材料（基體材料和增強(qiáng)材料）組合制成具有所要求性能的材料的過(guò)程。 材料設(shè)計(jì)包括原料選擇、單層設(shè)計(jì)和層合板設(shè)計(jì)。1. 原料選擇（1）原材料選擇原則 比強(qiáng)度、比剛度高； 材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)； 滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)特殊性要求； 滿(mǎn)足工藝性要求； 成本低、效益高。（2）纖維選擇 選擇纖維時(shí)，首先要確定纖維的類(lèi)別，其次要確定纖維的品種規(guī)格。高強(qiáng)度，高剛度 高性能CF、BF高抗沖擊 GF、KF 低溫性能 CF尺寸穩(wěn)定 KF、CF透波，吸波

35、 GF、KF、Al2O3（3）樹(shù)脂選擇 目前可供選擇的樹(shù)脂主要有兩類(lèi)：一類(lèi)為熱固性樹(shù)脂，另一類(lèi)為熱塑性樹(shù)脂。樹(shù)脂的選擇按如下要求選?。耗茉诮Y(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作；具有一定的力學(xué)性能；斷裂伸長(zhǎng)率大于或接近纖維斷裂伸長(zhǎng)率；具有滿(mǎn)足使用要求的物理、化學(xué)性能；具有一定的工藝性。受力結(jié)構(gòu)件首選熱固性樹(shù)脂，大量使用、連續(xù)擠壓次受力件可選熱塑性樹(shù)脂（如建筑裝飾）；<150，聚酯或環(huán)氧；150400,聚酰亞胺或雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂；內(nèi)裝飾件，酚醛樹(shù)脂（阻燃性好）。2. 單層設(shè)計(jì)目的：為層合板設(shè)計(jì)提供依據(jù) 強(qiáng)度、剛度。一般過(guò)程：確定復(fù)合比 性能預(yù)測(cè) 實(shí)驗(yàn)校核（1）確定復(fù)合比 復(fù)合比一般是根據(jù)單層的承力性質(zhì)

36、或單層的使用性能選取的。（2）剛度預(yù)測(cè)與核定 理論推測(cè)，實(shí)驗(yàn)核定。（3）強(qiáng)度預(yù)測(cè)與核定 橫向強(qiáng)度預(yù)測(cè)困難，以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)。 縱向拉伸強(qiáng)度(纖維延伸率小，首先斷裂)4. 層合板設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定鋪層取向，鋪層順序，層合厚度。鋪設(shè)技術(shù)要點(diǎn)：對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)：與主應(yīng)力方向、厚度中心對(duì)稱(chēng)。均勻鋪設(shè)：相鄰層間角盡可能小，以防內(nèi)應(yīng)力過(guò)大。最小鋪設(shè)比例>610%。邊緣包層。沖擊載荷區(qū)以0º層承載，±45º層分散應(yīng)力均衡負(fù)荷。厚度變化區(qū)以階梯過(guò)渡。5.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則（1）按使用載荷設(shè)計(jì)、按設(shè)計(jì)載荷校核；（2）使用載荷使用許用值，設(shè)計(jì)載荷設(shè)計(jì)許用值；（3）復(fù)合材料失效

37、準(zhǔn)則只適用于單層；（4）無(wú)剛度要求，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和平均值；有剛度要求則需要選取B基準(zhǔn)值。2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的工藝性要求 工藝性包括構(gòu)件的制造工藝性和裝配工藝性。3. 許用值與安全系數(shù)的確定 許用值包括使用許用值和設(shè)計(jì)許用值。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在保證安全的條件下，應(yīng)盡可能降低安全系數(shù)。設(shè)計(jì)值 = 安全系數(shù)×使用值 安全系數(shù)選?。?玻璃纖維 23 高強(qiáng)度纖維 1.52 民用取上限，軍事用途可取低些。 4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的其他因素 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除要考慮強(qiáng)度和剛度、穩(wěn)定性、連接接頭設(shè)計(jì)等以外，還需考慮熱應(yīng)力、防腐蝕、防雷擊、抗沖擊等因素。5.4 聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用

38、5.4.1 GFRP的應(yīng)用GFPR在石油化工工業(yè)、建筑業(yè)、造船業(yè)、鐵路運(yùn)輸、汽車(chē)制造業(yè)、冶金工業(yè)、宇航工業(yè)等都有廣泛應(yīng)用。第六章 金屬基復(fù)合材料6.1 金屬基復(fù)合材料的種類(lèi)和基本性能與下列材料相比： 金屬及合金 高的比強(qiáng)度，比剛度 聚合物基復(fù)合材料 導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐熱性好 陶瓷材料 高韌性和高沖擊強(qiáng)度 6.1.1 金屬基復(fù)合材料的種類(lèi)1. 按基體分類(lèi) 鋁基復(fù)合材料 = 2.7 f.c.c. Tm = 660，塑性韌性好，易加工；熔點(diǎn)低，可避免與纖維過(guò)度反應(yīng)；強(qiáng)化效果好，價(jià)廉。鎳基復(fù)合材料 = 8.9 f.c.c. Tm = 1453，高溫性能好，抗氧化性好。鈦基復(fù)合材料 = 4.5 h.c.p.

39、(b.c.c.) Tm = 1668，更高的比強(qiáng)度，比模量，耐腐蝕。 (T/= 883)鎂基復(fù)合材料 = 1.7 h.c.p Tm = 649，具有較好的阻尼性能。2. 按增強(qiáng)體分類(lèi) 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 體積比>20%，粒徑、粒間距>1µm。層狀增強(qiáng)復(fù)合材料 與大尺寸增強(qiáng)物的性能接近，增強(qiáng)物缺陷成為裂紋核心。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 各向異性?；w性能對(duì)橫向影響大。6.1.2 金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的性質(zhì)對(duì)纖維狀增強(qiáng)體性能的要求如下： 高強(qiáng)度； 高模量； 容易制造和價(jià)格低廉； 化學(xué)穩(wěn)定性好； 纖維的尺寸和形狀； 性能的再現(xiàn)性與一致性； 抗損傷或抗磨損性能。以上各種纖維各有不足：W、

40、Mo絲：密度高 Be絲：價(jià)很高 GF：與金屬相容性不好Al2O3：提拉子晶，價(jià)高，對(duì)磨損敏感 C纖維：細(xì)紗難浸潤(rùn)，與多數(shù)金屬反應(yīng)，抗折性差 B纖維：以W或C絲作底，CVD沉積，價(jià)高SiC和B4C：以W或C絲作底，CVD沉積，價(jià)高，對(duì)表面磨損敏感6.1.3 金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度1. 縱向強(qiáng)度 復(fù)合材料強(qiáng)度同組分性能間的關(guān)系可用如下的公式表示：當(dāng)弱纖維斷裂時(shí)，引起三種重要的變化： 由于破斷纖維失去強(qiáng)度，而使該處截面上的強(qiáng)度降低。 破斷纖維裂紋周?chē)撵o應(yīng)力集中會(huì)降低材料的有效強(qiáng)度。 破斷纖維失去載荷時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力波會(huì)使復(fù)合材料受到?jīng)_擊，從而降低該處橫面上的瞬時(shí)承載能力。2. 橫向強(qiáng)度 在預(yù)測(cè)橫向模量

41、值時(shí)，所采用的假設(shè)如下： 兩組元在達(dá)到斷裂應(yīng)力前都是線彈性的； 界面結(jié)合是完好的； 纖維排列是規(guī)則的。由此可以推導(dǎo)出材料的橫向剛度E22和復(fù)合材料橫向平面泊松比如下：6.1.4 復(fù)合材料組分的相容性物理相容性問(wèn)題一般都和壓力變化，或熱變化時(shí)反映材料伸縮性能的材料常數(shù)有關(guān)?；瘜W(xué)相容性問(wèn)題主要與復(fù)合材料加工過(guò)程中的界面結(jié)合、界面化學(xué)反應(yīng)以及環(huán)境的化學(xué)反應(yīng)等因素有關(guān)。6.3 鋁基復(fù)合材料6.3.1 鋁基復(fù)合材料的特點(diǎn) 大型運(yùn)載工具的首選材料。如波音747、757、767常用：B/Al、C/Al、SiC/Al6.3.2 硼鋁復(fù)合材料 1.增強(qiáng)纖維 對(duì)增強(qiáng)纖維的主要要求是比模量高、比強(qiáng)度高、性能重復(fù)性好

42、、價(jià)格低以及易于制造成復(fù)合材料。硼纖維是用化學(xué)氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制成的。 由于硼纖維的表面具有高的殘余壓縮應(yīng)力，因此纖維易操作處理，并對(duì)表面磨損和腐蝕不敏感，這是硼纖維的一項(xiàng)很有意義的特性。 此外，硼纖維還具有良好的高溫性能。2.基體 鋁合金具有良好的綜合性能。 目前普遍使用的鋁合金有變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結(jié)鋁等。其中最普遍的是采用變形鋁為基體用固態(tài)熱壓法制得的復(fù)合材料。6.3.3 機(jī)械性能 1.彈性模量硼鋁復(fù)合材料的縱向彈性模量E11，可用混合定則公式相當(dāng)精確地計(jì)算即E11=EF·VF+EM·VM式中F和M表示纖維和基體，V表示體積百分比。 橫向彈性

43、模量的關(guān)系較為復(fù)雜，但理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值符合。2.強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變特性 （1）軸向拉伸 硼-鋁復(fù)合材料的軸向拉伸特性取決于增強(qiáng)纖維的性能和復(fù)合材料的纖維含量。復(fù)合材料軸向強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變受纖維性能制約。硼鋁復(fù)合材料具有很高的抗拉強(qiáng)度，這主要是由于增強(qiáng)纖維的抗拉強(qiáng)度高。硼鋁復(fù)合材料軸向抗拉強(qiáng)度還隨溫度的變化而變化。（2）橫向拉伸 在構(gòu)件中所用的硼-鋁復(fù)合材料的橫向拉伸性能是重要的考慮因素。復(fù)合材料的橫向性能對(duì)基體和纖維兩者的性能都是敏感的。所有硼-鋁復(fù)合材料的橫向拉伸特性可以根據(jù)斷口的形貌分為三種常見(jiàn)的類(lèi)型。 基體破裂 基體破裂和縱向纖維劈裂； 基體破裂和纖維-基體界面破裂。3.蠕變及持久強(qiáng)度在50

44、0ºC以下，單向增強(qiáng)硼鋁復(fù)合材料的軸向蠕變和持久強(qiáng)度超過(guò)目前所有的工程合金。這是由于硼纖維特殊的抗蠕變性能所致。硼纖維直到650ºC測(cè)不到蠕變，其815ºC的蠕變率仍大大低于冷拉鎢絲。4.缺口拉伸強(qiáng)度及斷裂韌性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的斷裂過(guò)程比單一材料復(fù)雜，它是各向異性和不均勻性復(fù)雜作用的結(jié)果。 硼鋁復(fù)合材料的缺口不敏感性和斷裂韌性是突出的，研究中觀察到兩種缺口鈍化機(jī)理。6.4 鎳基復(fù)合材料 熔點(diǎn)高，耐氧化性好，使用溫度可達(dá)1000。 BF、CF耐氧化性差，多選用-Al2O3晶須。 制備方法：熱壓法、液態(tài)滲透法、粉末冶金法。 為提高潤(rùn)濕性，可使晶須表面金屬化。如濺射或

45、電鍍。 6.5 鈦基復(fù)合材料鈦及其合金是比強(qiáng)度、比剛度最好的基材，耐蝕性和耐高溫性也很好，易做耐熱件。（低于相變溫度） 但鈦薄難制，化學(xué)活性高，與C纖維和B纖維反應(yīng)生成TiC和TiB2白亮層。解決辦法： 高速工藝 縮短高溫停留時(shí)間 低溫工藝 830熱壓15分鐘 表面包覆 涂SiC 合金化 提高基體穩(wěn)定性6.6 石墨纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料C纖維具有很好的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和自潤(rùn)滑性能，價(jià)格也較B纖維有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景光明。1.存在問(wèn)題 浸潤(rùn)性差，難滲透。 易曲折，熱壓難。 相容性差。 電偶腐蝕。2.解決方法 電鍍Ta、Ni、Ag包覆。 涂覆SiC、TiC、B4C等。 壓滲法。 復(fù)合纖維制備。6.7

46、自增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料原位生長(zhǎng)晶須。采用控制熔體冷凝速度，在金屬基體內(nèi)生長(zhǎng)出晶須。 如：Al基：Al2O3、AlN；Ti基：TiN、TiC優(yōu)點(diǎn)： 增強(qiáng)纖維分布均勻 基體與纖維結(jié)合力強(qiáng) 熱穩(wěn)定性好 易于加工，直接鑄造成型6.8 金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用1.纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用 n 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要性能特點(diǎn)是比強(qiáng)度、比模量和高溫性能好等。特別適用于航空航天工業(yè)中應(yīng)用，如航天飛機(jī)主艙骨架支柱、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、尾翼、空間站結(jié)構(gòu)材料。在汽車(chē)結(jié)構(gòu)、保險(xiǎn)杠、活塞連桿，自行車(chē)(賽車(chē))車(chē)架以及體育運(yùn)動(dòng)其它器械上也得到了應(yīng)用。n 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，如硼纖維增強(qiáng)鋁、碳化硅纖維增強(qiáng)鈦、鎢絲增強(qiáng)

47、高溫合金以及高溫定向凝固共晶復(fù)合材料，常作為航空航天動(dòng)力結(jié)構(gòu)材料，像發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，一般需要在高溫下能長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受應(yīng)力作用，因此FRMMc的蠕變與疲勞性能是其重要性能。 2.顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用n 顆粒及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是目前應(yīng)用范圍最廣，開(kāi)發(fā)前景最大的一種金屬基復(fù)合材料。n 這類(lèi)復(fù)合材料的金屬基大多數(shù)是采用密度較低的鋁、鎂和鐵合金，以便提高復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，其中較為成熟、應(yīng)用較多的是鋁基復(fù)合材料。n 這類(lèi)復(fù)合材料所采用的增強(qiáng)材料為碳化硅、碳化硼、氧化鋁顆?；蚓ы殻渲幸許iC為主。n 顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料除了用于軍事工業(yè)，如制造輕質(zhì)裝甲、導(dǎo)彈飛翼和直升機(jī)部件外

48、，主要用于汽車(chē)工業(yè)，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸活塞、噴油咀部件、制動(dòng)裝置等。第七章 陶瓷基復(fù)合材料7.1 陶瓷基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體1陶瓷基復(fù)合材料的基體常用的陶瓷基體主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。 目前研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。u 氧化物主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價(jià)鍵。其結(jié)構(gòu)取決于結(jié)合鍵類(lèi)型、各種離子的大小以及在極小空間保持電中性的要求。u 陶瓷最重要的氧化物是幾種簡(jiǎn)單類(lèi)型的氧化物AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等（A，B表示陽(yáng)離子）。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：氧離子（一般比陽(yáng)離子大）進(jìn)行緊密排列、金屬陽(yáng)離子位于

49、一定的間隙中，最重要的是四面體和八面體間隙。u Al2O3（剛玉）典型的純氧化物陶瓷。有較高室溫和高溫強(qiáng)度。u ZrO2使用溫度達(dá)20002200，主要用作耐火坩鍋，反應(yīng)堆的絕緣材料，金屬表面的防護(hù)涂層等。有三種晶型：立方結(jié)構(gòu)（C相）、四方結(jié)構(gòu)（t相）和單斜結(jié)構(gòu)（m相）。u 莫來(lái)石（3Al2O3·2SiO22Al2O3·SiO2)，一般15501600燒成，純的莫來(lái)石要在1750 左右才能燒成。u 尖晶石（AR2O4，A代表二價(jià)元素離子，R代表三價(jià)元素），典型的有鎂鋁尖晶石。u 非氧化物主要由共價(jià)鍵結(jié)合而成，也有一定的金屬鍵成分。l Si3N4為共價(jià)鍵化合物。l BN有兩種

50、晶型：六方BN結(jié)構(gòu)，性能與石墨相似，因此有白石墨之稱(chēng)。HBN硬度不高，是唯一易于機(jī)械加工的陶瓷。高溫（15002000)高壓（69×103MPa ）下可轉(zhuǎn)化為立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金剛石，是極好的耐磨材料。l B4C屬于六方晶系。重量輕，硬度高（50GPa，僅次于金剛石），耐磨性好，熱穩(wěn)定性好，耐酸，耐堿性。l TiC結(jié)晶為面心立方晶格（NaCl型)。晶格常數(shù)為0.4319nm，密度為4.934.9 g·cm-3，熔點(diǎn)為31603250，1.15K時(shí)TiC呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，TiC莫氏硬度910，彈性模量322MPa，可用作耐磨材料。l TiN硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)

51、穩(wěn)定性好，具有金黃色光澤，是一種很好的耐火耐磨材料及代金裝飾材料。另具有導(dǎo)電性，及較高的超導(dǎo)臨界溫度，是一種優(yōu)良的超導(dǎo)材料。l MoSi2是介于無(wú)機(jī)非金屬與金屬間化合物之間的材料，結(jié)合方式為共價(jià)鍵與金屬鍵。熔點(diǎn)2030，800 以上發(fā)生氧化反應(yīng)形成SiO2保護(hù)層，能阻止氧化的繼續(xù)發(fā)生?？梢宰鳛楦邷剡B接材料。2陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱(chēng)為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長(zhǎng)、短纖維)、晶須和顆粒三類(lèi)。纖維增強(qiáng)體：常用的有碳纖維、玻璃纖維、硼纖維等。晶須增強(qiáng)體：常用的有SiC、Al2O3及Si3N4等。顆粒增強(qiáng)體：常用的有SiC、Si3N4等。7.2 陶瓷基復(fù)合材料

52、的成型加工技術(shù)陶瓷基復(fù)合材料的制造方法分傳統(tǒng)的制備技術(shù)和新的制備技術(shù)。傳統(tǒng)技術(shù)包括冷壓-燒結(jié)法、反應(yīng)燒結(jié)法、熱壓法等。新技術(shù)如滲透、直接氧化、以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的CVD、CVI、溶膠-凝膠、聚合物熱解、自蔓延高溫合成（SHS）等。7.3 陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì)1. 界面的特點(diǎn) 陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。2. 界面的作用 陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。3. 界面性能的改善 為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度，希望完全避免界面反應(yīng)或盡量降低界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。因此，經(jīng)常采用涂層的方法限制界面反應(yīng)的發(fā)生，防止界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)和脆性界面層的形成。4. 增韌機(jī)理u 顆粒增韌非相變第二相顆粒增韌 假設(shè)第二相顆粒與基體不存在化學(xué)反應(yīng)，熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周?chē)w內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)是陶瓷得到增韌的主要根源之一。l 延性顆粒增韌 在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷裂韌性，其增韌機(jī)理包括由于