第七章 無機非金屬基復(fù)合材料13

1、 所謂的復(fù)合材料是指把兩所謂的復(fù)合材料是指把兩種以上在宏觀上不同的材料，種以上在宏觀上不同的材料，合理的進行復(fù)合，在新制得的合理的進行復(fù)合，在新制得的材料中，原來各材料的特性得材料中，原來各材料的特性得到充分的應(yīng)用，并且得到了單到充分的應(yīng)用，并且得到了單一材料所不具有的新特性，一材料所不具有的新特性，如如果從微觀上看，我們所使用的果從微觀上看，我們所使用的材料很少不是復(fù)合的，我們在材料很少不是復(fù)合的，我們在這里所說的復(fù)合材料則是按上這里所說的復(fù)合材料則是按上述定義復(fù)合得到的材料。述定義復(fù)合得到的材料。 復(fù)合材料船復(fù)合材料船體體7.1 概述概述復(fù)合材料的起源可追溯到古埃及人在復(fù)合材料的起源可追溯

2、到古埃及人在粘土中加入植物纖維所制成的土坯。粘土中加入植物纖維所制成的土坯。大約大約100萬年以前，人們開始使用以沙萬年以前，人們開始使用以沙做骨料，用水或水泥固結(jié)的混凝土，做骨料，用水或水泥固結(jié)的混凝土，它是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域不可缺少的材料。它是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域不可缺少的材料?；炷辆哂幸欢ǖ目箟簭姸龋容^混凝土具有一定的抗壓強度，但比較脆，在張力作用下容易產(chǎn)生裂紋而破脆，在張力作用下容易產(chǎn)生裂紋而破裂。裂。在混凝土中加入鋼筋，大大提高了材在混凝土中加入鋼筋，大大提高了材料的拉伸抗力，成為廣泛應(yīng)用的鋼筋料的拉伸抗力，成為廣泛應(yīng)用的鋼筋混凝土。在橡膠中加入纖維混凝土。在橡膠中加入纖維/鋼絲，既鋼絲，既

3、保持了橡膠的柔軟性，又提高了材料保持了橡膠的柔軟性，又提高了材料的強度和耐磨性能。的強度和耐磨性能。7.1 概述概述現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展起源于現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展起源于1942年美國空軍用于制造飛機構(gòu)件的年美國空軍用于制造飛機構(gòu)件的玻璃纖維增強和聚脂玻璃纖維增強和聚脂，即玻璃鋼，以后提高玻璃纖維性能的工作，即玻璃鋼，以后提高玻璃纖維性能的工作有了很大的發(fā)展，硼纖維有了很大的發(fā)展，硼纖維/碳纖維碳纖維/碳化硅纖維碳化硅纖維/各種耐熱氧化物纖各種耐熱氧化物纖維與晶須的相繼出現(xiàn)，推動著復(fù)合材料的研究與開發(fā)工作。維與晶須的相繼出現(xiàn)，推動著復(fù)合材料的研究與開發(fā)工作。 復(fù)合材料的復(fù)合目的復(fù)合材料的復(fù)合目的:提

4、高材料強度提高材料強度得到熱性能得到熱性能/電性能電性能/磁性能和其他各種性能的最優(yōu)化磁性能和其他各種性能的最優(yōu)化.7.1 概述概述根據(jù)復(fù)合材料的基體的不同及發(fā)展歷史根據(jù)復(fù)合材料的基體的不同及發(fā)展歷史:玻璃纖維增強塑料（玻璃纖維增強塑料（GFRP）稱作第一代復(fù)合材料）稱作第一代復(fù)合材料硼纖維和碳纖維增強的塑料（硼纖維和碳纖維增強的塑料（BFRP,GFRP）稱作第二代復(fù)合材料。）稱作第二代復(fù)合材料。高性能纖維增強金屬與陶瓷成為第三代復(fù)合材料。高性能纖維增強金屬與陶瓷成為第三代復(fù)合材料。 硼纖維硼纖維玻璃纖維玻璃纖維碳纖維碳纖維7.1 概述概述 7.1.1 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類1、按基體材

5、料分類、按基體材料分類，可分為聚合物，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料?；?、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。 2、按增強相形狀分類、按增強相形狀分類，可分為纖，可分為纖維增強復(fù)合材料、粒子增強復(fù)合材維增強復(fù)合材料、粒子增強復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料。料和層狀復(fù)合材料。 3、按復(fù)合材料的性能分類、按復(fù)合材料的性能分類，可分，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。SiC顆粒顆粒Al2O3片片Al2O3纖維纖維增強相三種類型增強相三種類型無機非金屬材料基復(fù)合材料主要無機非金屬材料基復(fù)合材料主要包括陶瓷基復(fù)合材料（包括陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、）、碳基復(fù)合材料、玻璃基復(fù)合材料碳基復(fù)

6、合材料、玻璃基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料等。和水泥基復(fù)合材料等。 7.1 概述概述無機非金屬材料基復(fù)合材料無機非金屬材料基復(fù)合材料還可以按其使用溫度分還可以按其使用溫度分: :高溫陶瓷基復(fù)合材料高溫陶瓷基復(fù)合材料（它以多晶陶瓷為基體，耐受溫度為（它以多晶陶瓷為基體，耐受溫度為1000100014001400）; ;低溫陶瓷基復(fù)合材料低溫陶瓷基復(fù)合材料（它以玻璃及玻璃陶瓷為基體，耐受（它以玻璃及玻璃陶瓷為基體，耐受溫度在溫度在10001000以下）。以下）。盡管相對而言，無機非金屬材料基復(fù)合材料目前產(chǎn)量還不盡管相對而言，無機非金屬材料基復(fù)合材料目前產(chǎn)量還不大，但陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料是耐高溫

7、及高力學(xué)大，但陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料是耐高溫及高力學(xué)性能的首選材料，例如碳碳復(fù)合材料是目前耐溫最高的材性能的首選材料，例如碳碳復(fù)合材料是目前耐溫最高的材料。水泥基復(fù)合材料則在建筑材料中越來越顯示其重要性。料。水泥基復(fù)合材料則在建筑材料中越來越顯示其重要性。下面簡要介紹幾類常見的無機非金屬復(fù)合材料。下面簡要介紹幾類常見的無機非金屬復(fù)合材料。7.1 概述概述7.1.2 無機非金屬材料基復(fù)合材料無機非金屬材料基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料 碳碳復(fù)合材料的碳碳復(fù)合材料的基體是碳基體是碳，用，用碳碳纖維增強纖維增強的復(fù)合材料。從光學(xué)顯微的復(fù)合材料。從光學(xué)顯微鏡尺度來看，碳碳復(fù)合材料由碳纖鏡尺度

8、來看，碳碳復(fù)合材料由碳纖維、基體碳、碳纖維維、基體碳、碳纖維/基體碳界面層、基體碳界面層、纖維裂紋和孔隙四部分構(gòu)成。纖維裂紋和孔隙四部分構(gòu)成。優(yōu)點：優(yōu)點：熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱好、耐熱沖擊、抗蠕變優(yōu)異等優(yōu)異特性。熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱好、耐熱沖擊、抗蠕變優(yōu)異等優(yōu)異特性。缺點：缺點：碳碳復(fù)合材料中的孔隙與顯微裂紋可明顯降低其力學(xué)強度和碳碳復(fù)合材料中的孔隙與顯微裂紋可明顯降低其力學(xué)強度和抗氧化性能?？寡趸阅??？紫逗土鸭y的數(shù)量要根據(jù)碳碳復(fù)合材料的使用性能要求加以控制?？紫逗土鸭y的數(shù)量要根據(jù)碳碳復(fù)合材料的使用性能要求加以控制。7.1 概述概述用途：用途：已發(fā)展成為核能和航空航天飛行器中不可缺少的關(guān)鍵已發(fā)展成

9、為核能和航空航天飛行器中不可缺少的關(guān)鍵材料，如飛機剎車片。利用它的生物相容性和低維性，可以材料，如飛機剎車片。利用它的生物相容性和低維性，可以制造人造肢體。制造人造肢體。飛機用剎車片飛機用剎車片汽車用剎車片汽車用剎車片7.1 概述概述重返溫度高達重返溫度高達1650，碳尖錐在服役期間不僅毫無損傷，而且使用，碳尖錐在服役期間不僅毫無損傷，而且使用一次相當(dāng)于熱解一次，強度會逐漸提高。尖錐是用兩層的一次相當(dāng)于熱解一次，強度會逐漸提高。尖錐是用兩層的預(yù)浸布預(yù)浸布制制造的。先用造的。先用石墨纖維布石墨纖維布浸泡酚醛樹脂，進行高溫浸泡酚醛樹脂，進行高溫?zé)峤鉄峤猓?qū)除氣體和，驅(qū)除氣體和水分后酚醛樹脂轉(zhuǎn)化為水

10、分后酚醛樹脂轉(zhuǎn)化為石墨石墨。這一階段的復(fù)合材料是軟膠。將此材。這一階段的復(fù)合材料是軟膠。將此材料浸漬糠醇后再熱解，浸漬三次，熱解三次，使其密度、強度和模料浸漬糠醇后再熱解，浸漬三次，熱解三次，使其密度、強度和模量逐次提高。再在表面涂以二氧化硅和三氧化二鋁，燒結(jié)后就在表量逐次提高。再在表面涂以二氧化硅和三氧化二鋁，燒結(jié)后就在表面形成一層面形成一層碳化硅涂層碳化硅涂層。最后，再用硅酸四乙氧脂浸漬表面，水解、。最后，再用硅酸四乙氧脂浸漬表面，水解、干燥后又使涂層含有一定量的二氧化硅。干燥后又使涂層含有一定量的二氧化硅。碳碳復(fù)合材料碳碳復(fù)合材料1986年首次用于年首次用于發(fā)動機的燃燒噴管發(fā)動機的燃燒噴

11、管,其最顯赫的其最顯赫的應(yīng)用是宇宙飛船重返大氣層的應(yīng)用是宇宙飛船重返大氣層的尖錐。尖錐。7.1 概述概述 碳碳復(fù)合材料密度只有碳碳復(fù)合材料密度只有1.3g/cm3,1.3g/cm3,具有很高的比強度。具有很高的比強度。其強度與模量可依據(jù)用途在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。普通碳碳復(fù)其強度與模量可依據(jù)用途在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。普通碳碳復(fù)合材料的強度可以高達合材料的強度可以高達450MPa,450MPa,連續(xù)纖維材料的強度為連續(xù)纖維材料的強度為600MPa600MPa，“先進先進”碳碳復(fù)合材料的強度可以高達碳碳復(fù)合材料的強度可以高達2100MPa2100MPa。典型的模量值在典型的模量值在125125175GPa1

12、75GPa的范圍內(nèi)。就高溫強度而言，的范圍內(nèi)。就高溫強度而言，碳碳復(fù)合材料是碳碳復(fù)合材料是20002000以上最強的材料，更可貴的是，溫以上最強的材料，更可貴的是，溫度越高，碳材料的強度越高。度越高，碳材料的強度越高。但高溫氧化是其弱點，基體但高溫氧化是其弱點，基體與纖維界面的氧化更甚。與纖維界面的氧化更甚。 7.1 概述概述金屬陶瓷家族中最著名的成員是鈷黏合的碳化物。碳化物與金屬陶瓷家族中最著名的成員是鈷黏合的碳化物。碳化物與鈷等金屬一起球磨，一方面減少碳化物的粒度，一方面將金鈷等金屬一起球磨，一方面減少碳化物的粒度，一方面將金屬涂到陶瓷表面。涂飾好的粉末按粒度分級，取所需粒度壓屬涂到陶瓷表

13、面。涂飾好的粉末按粒度分級，取所需粒度壓成型坯。型坯在真空下或氫氣氛中燒結(jié)。所謂燒結(jié)實質(zhì)是將成型坯。型坯在真空下或氫氣氛中燒結(jié)。所謂燒結(jié)實質(zhì)是將金屬熔融，把陶瓷粒子徹底金屬熔融，把陶瓷粒子徹底“焊焊”在一起。在一起。金屬陶瓷金屬陶瓷金屬陶瓷是金屬與陶瓷的結(jié)合體。金屬陶瓷是金屬與陶瓷的結(jié)合體。其其分散相是陶瓷顆粒分散相是陶瓷顆粒，多為碳化物，如，多為碳化物，如碳化鈦、碳化物等?；w是一種金屬碳化鈦、碳化物等?；w是一種金屬或幾種金屬的混合物，如鎳、鈷、鉻、或幾種金屬的混合物，如鎳、鈷、鉻、鉬等。實際上金屬起到黏合劑的作用，鉬等。實際上金屬起到黏合劑的作用，將堅硬的陶瓷粒子粘合在一起。將堅硬的陶瓷

14、粒子粘合在一起。7.1 概述概述金屬陶瓷比任何工具鋼都硬，壓縮強度高于大多數(shù)工程材料，金屬陶瓷比任何工具鋼都硬，壓縮強度高于大多數(shù)工程材料，耐磨性能極佳?？勺髑邢鞴ぞ?，可作任何軟、硬表面的摩擦耐磨性能極佳?？勺髑邢鞴ぞ撸勺魅魏诬?、硬表面的摩擦件。如果單純使用陶瓷，因為其脆性，不能用作切削工具、件。如果單純使用陶瓷，因為其脆性，不能用作切削工具、模具或振動強烈的機器部件。而金屬陶瓷中的模具或振動強烈的機器部件。而金屬陶瓷中的金屬提供了韌金屬提供了韌性性，陶瓷提供了硬度與強度陶瓷提供了硬度與強度，這種復(fù)合產(chǎn)生了性能上的協(xié)同，這種復(fù)合產(chǎn)生了性能上的協(xié)同效應(yīng)。效應(yīng)。金屬含量越低，陶瓷粒度越細（金屬含

15、量越低，陶瓷粒度越細（1um）,耐磨性能越好。所有耐磨性能越好。所有金屬陶瓷都具有室內(nèi)耐腐蝕性，含有鎳和鉻的金屬陶瓷可耐金屬陶瓷都具有室內(nèi)耐腐蝕性，含有鎳和鉻的金屬陶瓷可耐化學(xué)環(huán)境的腐蝕。化學(xué)環(huán)境的腐蝕。7.1 概述概述無機膠凝復(fù)合材料無機膠凝復(fù)合材料解決的方法：加入粗、細骨料（如沙和卵石等）制成混凝土解決的方法：加入粗、細骨料（如沙和卵石等）制成混凝土以提高水泥的強度和韌性。但隨著混凝土強度的提高，它的以提高水泥的強度和韌性。但隨著混凝土強度的提高，它的脆性也表現(xiàn)的更為明顯。脆性也表現(xiàn)的更為明顯。7.1 概述概述以水泥為代表的無機膠凝復(fù)合以水泥為代表的無機膠凝復(fù)合材料脆性特點：材料脆性特點：

16、抗拉強度低（只有抗壓強度的抗拉強度低（只有抗壓強度的1/201/10）；）；其制品及構(gòu)件在受拉應(yīng)力系統(tǒng)或其制品及構(gòu)件在受拉應(yīng)力系統(tǒng)或沖擊載荷情況下，極易脆性破壞。沖擊載荷情況下，極易脆性破壞。新型的無機膠凝復(fù)合材料：以混凝土或水泥砂漿為基體，在新型的無機膠凝復(fù)合材料：以混凝土或水泥砂漿為基體，在其中摻入纖維形成的復(fù)合材料，稱為纖維水泥與纖維混凝土。其中摻入纖維形成的復(fù)合材料，稱為纖維水泥與纖維混凝土。纖維種類：包括金屬纖維（如不銹鋼纖維、低碳鋼纖維）、纖維種類：包括金屬纖維（如不銹鋼纖維、低碳鋼纖維）、無機纖維（如玻璃纖維、硼纖維、碳纖維）、合成纖維（如無機纖維（如玻璃纖維、硼纖維、碳纖維）、

17、合成纖維（如尼龍、聚酯、聚丙烯等纖維）、植物纖維（如竹、麻纖維）。尼龍、聚酯、聚丙烯等纖維）、植物纖維（如竹、麻纖維）。由于鋼纖維能有效提高混凝土的韌性與強度，能成批生產(chǎn)，由于鋼纖維能有效提高混凝土的韌性與強度，能成批生產(chǎn)，價格便宜，施工方便，一直是研究和應(yīng)用的重點。價格便宜，施工方便，一直是研究和應(yīng)用的重點。7.1 概述概述7.1.3 復(fù)合材料特點：復(fù)合材料特點：復(fù)合材料的組分和它們的相對含量是經(jīng)人工選擇和設(shè)復(fù)合材料的組分和它們的相對含量是經(jīng)人工選擇和設(shè)計的計的;復(fù)合材料是經(jīng)人工制造而非天然形成的復(fù)合材料是經(jīng)人工制造而非天然形成的;組成復(fù)合材料的某些組分在復(fù)合后仍保持其固有的物組成復(fù)合材料的

18、某些組分在復(fù)合后仍保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）;復(fù)合材料的性能取決于各組成的協(xié)同。復(fù)合材料具有復(fù)合材料的性能取決于各組成的協(xié)同。復(fù)合材料具有新的、獨特的和可用的性能，這種性能是單個組分材新的、獨特的和可用的性能，這種性能是單個組分材料性能所不及或不同的。料性能所不及或不同的。復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。復(fù)合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材料。7.1 概述概述7.2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由兩種以上以及它們之間的界面構(gòu)成。組分材料復(fù)合材料由兩種以上以及它們之間的界面構(gòu)成。組分材料主要指增強體和基體，它

19、們也被稱為復(fù)合材料的主要指增強體和基體，它們也被稱為復(fù)合材料的增強相增強相和和基體相基體相。增強相與基體相之間的界面區(qū)域因為其特殊的結(jié)。增強相與基體相之間的界面區(qū)域因為其特殊的結(jié)構(gòu)與組成也被視為復(fù)合材料的構(gòu)與組成也被視為復(fù)合材料的“相相”，即，即界面相。界面相。7.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)增強相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學(xué)性質(zhì)和在最增強相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學(xué)性質(zhì)和在最終復(fù)合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。終復(fù)合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。增強相或增強體：增強相或增強體：復(fù)合材料承受外加載荷時是主要承載相，復(fù)合材料承受外加載荷時是主要承載相，組分是細絲（連續(xù)的或短切的）、薄片或顆粒狀、具

20、有較組分是細絲（連續(xù)的或短切的）、薄片或顆粒狀、具有較高的強度、模量、硬度和脆性。它們在復(fù)合材料中呈分散高的強度、模量、硬度和脆性。它們在復(fù)合材料中呈分散形式，被基體相隔離包圍，因此也稱為形式，被基體相隔離包圍，因此也稱為分散相分散相；基體相：基體相：是包圍增強相并相對較軟和韌的關(guān)聯(lián)材料。按增是包圍增強相并相對較軟和韌的關(guān)聯(lián)材料。按增強體的幾何形態(tài)可把復(fù)合材料分為三類，即纖維增強復(fù)合強體的幾何形態(tài)可把復(fù)合材料分為三類，即纖維增強復(fù)合材料、顆粒增強復(fù)合材料、層片增強復(fù)合材料，材料、顆粒增強復(fù)合材料、層片增強復(fù)合材料，7.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)7.2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)纖維復(fù)合

21、材料纖維復(fù)合材料又分為連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維（包括晶又分為連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維（包括晶須和短切纖維）增強復(fù)合材料。連續(xù)纖維復(fù)合材料又分須和短切纖維）增強復(fù)合材料。連續(xù)纖維復(fù)合材料又分為單向纖維、無緯布疊層（正交、斜交）、二維織物層為單向纖維、無緯布疊層（正交、斜交）、二維織物層合、多相編織復(fù)合材料和混雜纖維復(fù)合材料。合、多相編織復(fù)合材料和混雜纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料機蓋碳纖維復(fù)合材料機蓋7.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)7.2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)顆粒增強復(fù)合材料顆粒增強復(fù)合材料的增強體是不同尺寸的顆粒（球形的增強體是不同尺寸的顆粒（球形或者非球形）。按照分散相的尺寸大小和間距又可

22、分或者非球形）。按照分散相的尺寸大小和間距又可分為彌散增強復(fù)合材料（顆粒等效直徑為為彌散增強復(fù)合材料（顆粒等效直徑為0.010.1um，顆粒間距為顆粒間距為0.010.3um）和粒子增強復(fù)合材料（顆粒）和粒子增強復(fù)合材料（顆粒等效直徑為等效直徑為150um，顆粒間距為，顆粒間距為125um）。）。高體份（高體份（60-70%）碳化硅顆粒）碳化硅顆粒,鋁基復(fù)合材料電子封裝件鋁基復(fù)合材料電子封裝件 7.3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層狀增強復(fù)合材料層狀增強復(fù)合材料的增強體是長與寬尺寸相近的薄片。薄片增的增強體是長與寬尺寸相近的薄片。薄片增強體由天然、人造和在復(fù)合材料工藝過程中自身生長三種途徑強體由天

23、然、人造和在復(fù)合材料工藝過程中自身生長三種途徑獲得。天然片狀增強體的典型代表是云母，人造片狀增強體如獲得。天然片狀增強體的典型代表是云母，人造片狀增強體如有機玻璃（又稱玻璃鱗片）、鋁、銀二硼化鋁等。有機玻璃（又稱玻璃鱗片）、鋁、銀二硼化鋁等。層狀復(fù)合材料隔熱的隔熱層狀復(fù)合材料隔熱的隔熱 7.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)7.2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 石墨片石墨片疊層復(fù)合材料疊層復(fù)合材料指復(fù)合材料中的增強相是分層鋪疊的，即按相指復(fù)合材料中的增強相是分層鋪疊的，即按相互平行的層面配置增強相，而各層之間通過基體材料連接。互平行的層面配置增強相，而各層之間通過基體材料連接。疊層復(fù)合材料中的疊

24、層復(fù)合材料中的“層層”，可以是前述的單向無緯布、浸膠，可以是前述的單向無緯布、浸膠纖維布，如玻璃纖維布、碳纖維布或棉布、合成纖維布、石纖維布，如玻璃纖維布、碳纖維布或棉布、合成纖維布、石棉布等。也可以是片狀材料，如紙張、木材以及前述的鋁箔棉布等。也可以是片狀材料，如紙張、木材以及前述的鋁箔（在混雜疊層復(fù)合材料中）。疊層復(fù)合材料在其層面方向可（在混雜疊層復(fù)合材料中）。疊層復(fù)合材料在其層面方向可以提供優(yōu)良的性能。以提供優(yōu)良的性能。7.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)7.2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 、增強劑增強劑或者或者基體基體是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都不高，

25、且都不是完全致密的；不高，且都不是完全致密的；、增強劑多是強度很高的纖維。、增強劑多是強度很高的纖維。（指（指強度強度與與密度密度的比值）和的比值）和是各類是各類材料中最高的。材料中最高的。7.3 復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料是由多種組復(fù)合材料是由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。于單一組分的材料。 復(fù)合材料可以復(fù)合材料可以，靈活地進行產(chǎn)品設(shè)，靈活地進行產(chǎn)品設(shè)計，具有很好的可設(shè)計性。計，具有很好的可設(shè)計性。 聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的的、耐海水性能耐海水性能、也能也能、和和。因此它是一。因此它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其

26、制造的種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的化工管道化工管道、貯罐貯罐、塔器塔器等具有較長等具有較長的使用壽命、極低的維修費用。的使用壽命、極低的維修費用。復(fù)合材料具有優(yōu)良的電性復(fù)合材料具有優(yōu)良的電性能，通過能，通過、和和，可以將，可以將其制成其制成絕緣材料絕緣材料或或?qū)щ姴牧蠈?dǎo)電材料。7.3 復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料基本特性不飽和聚脂樹脂玻璃纖維增強模塑料不飽和聚脂樹脂玻璃纖維增強模塑料 7.3 復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料基本特性玻璃纖維增強的聚玻璃纖維增強的聚合物基復(fù)合材料具有合物基復(fù)合材料具有，是一種是一種優(yōu)良的絕熱材料。優(yōu)良的絕熱材料。纖維增強的聚合物基復(fù)合材料具有纖維增強的聚合物基復(fù)合材料具有

27、，能，能滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復(fù)雜、數(shù)量少制品的制造，復(fù)雜、數(shù)量少制品的制造，金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能在較高的溫度下長期使用，金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能在較高的溫度下長期使用，但是聚合物基復(fù)合材料不能在高溫下長期使用，即使耐高溫但是聚合物基復(fù)合材料不能在高溫下長期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長期工作溫度也只能在的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長期工作溫度也只能在300 左左右。右。在白然條件下，由于紫外光、濕熱、機械應(yīng)力、化學(xué)侵蝕在白然條件下，由于紫外光、濕熱、機械應(yīng)力、化學(xué)侵蝕的作用，會導(dǎo)致的作用，會導(dǎo)致，即

28、發(fā)生所謂的老化現(xiàn)象。即發(fā)生所謂的老化現(xiàn)象。7.3 復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料基本特性 由于復(fù)合材料的由于復(fù)合材料的持性，使其在航空航天領(lǐng)域得持性，使其在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機的機冀蒙皮、到廣泛的應(yīng)用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機的機冀蒙皮、機身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼機身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強筋等主承力構(gòu)件。肋和加強筋等主承力構(gòu)件。A400MA400M、波音、波音787787飛機，復(fù)合材飛機，復(fù)合材料分別占飛機結(jié)構(gòu)重量的料分別占飛機結(jié)構(gòu)重量的36%36%和和50%50%， 氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷

29、被用作航天飛機的防熱瓦天飛機的防熱瓦硼纖維金屬基復(fù)合材料制成的硼纖維金屬基復(fù)合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件火箭履軸的管道輸送部件7.4.1 、復(fù)合材料的應(yīng)用、復(fù)合材料的應(yīng)用美國美國B-2B-2隱形轟炸機表面為具隱形轟炸機表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料合材料由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜賽車賽車由復(fù)合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量由復(fù)合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的只有鋼制汽車的14，而且在受到撞擊時復(fù)合材料能大幅度吸，而且在受到撞擊時復(fù)合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護人員的安全。收沖擊能量，保護人員的安全。

30、 在化學(xué)工業(yè)方面，復(fù)合材料主要被用于制造防腐蝕制品。在化學(xué)工業(yè)方面，復(fù)合材料主要被用于制造防腐蝕制品。聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復(fù)合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。質(zhì)中，聚合物基復(fù)合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。聚合物基復(fù)合材料是一種優(yōu)異聚合物基復(fù)合材料是一種優(yōu)異的電絕緣材料，被廣泛地用于電機、的電絕緣材料，被廣泛地用于電機、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機護環(huán)、槽楔、管、印刷線路板、電機護環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。高壓絕緣子、帶電操作工

31、具等。玻璃纖維增強的聚合物基復(fù)合材料玻璃纖維增強的聚合物基復(fù)合材料(玻璃鋼玻璃鋼)具有力學(xué)性能具有力學(xué)性能優(yōu)異，隔熱、隔聲性能良好，吸水率低，耐腐蝕性能好和裝飾優(yōu)異，隔熱、隔聲性能良好，吸水率低，耐腐蝕性能好和裝飾性能好的特點，因此，它是一種理想的建筑材料。性能好的特點，因此，它是一種理想的建筑材料。 復(fù)合材料在機械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風(fēng)機、復(fù)合材料在機械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風(fēng)機、各種機械部件如齒輪、皮帶輪和防護罩等。各種機械部件如齒輪、皮帶輪和防護罩等。在體育用品方面，復(fù)合材料被用于制造賽車、賽艇、在體育用品方面，復(fù)合材料被用于制造賽車、賽艇、皮艇、劃槳、撐桿、球拍、弓箭

32、、雪橇等。皮艇、劃槳、撐桿、球拍、弓箭、雪橇等。由于復(fù)合材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，如能降低復(fù)合材由于復(fù)合材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，如能降低復(fù)合材料的成本，其應(yīng)用前景將是非常廣闊的。料的成本，其應(yīng)用前景將是非常廣闊的。 高性能復(fù)合材料是指具有高性能復(fù)合材料是指具有、等特性等特性的復(fù)合材料。的復(fù)合材料。 功能復(fù)合材料是指具有功能復(fù)合材料是指具有、等功能的復(fù)合材料。等功能的復(fù)合材料。 智能復(fù)合材料是指具有智能復(fù)合材料是指具有、及及的復(fù)合材料。的復(fù)合材料。在技術(shù)上是通過在技術(shù)上是通過、來實現(xiàn)復(fù)合材料的來實現(xiàn)復(fù)合材料的上述能力。上述能力。仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點，仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由

33、密排到疏松的特點，成功地制備出具有明顯成功地制備出具有明顯與與的新型梯度的新型梯度復(fù)合材料。復(fù)合材料。 從環(huán)境保護的角度看，目前的復(fù)合材料大多注重材料從環(huán)境保護的角度看，目前的復(fù)合材料大多注重材料性能和加工工藝性能，而在回收利用上存在與環(huán)境不相協(xié)性能和加工工藝性能，而在回收利用上存在與環(huán)境不相協(xié)調(diào)的問題。因此，開發(fā)、使用與環(huán)境相協(xié)調(diào)的復(fù)合材料，調(diào)的問題。因此，開發(fā)、使用與環(huán)境相協(xié)調(diào)的復(fù)合材料，是復(fù)合材料今后的發(fā)展方向之是復(fù)合材料今后的發(fā)展方向之。為什么陶瓷材料多表現(xiàn)為為什么陶瓷材料多表現(xiàn)為脆性脆性?離子鍵離子鍵 無滑移或位錯無滑移或位錯共價鍵共價鍵不能松弛應(yīng)力不能松弛應(yīng)力裂紋生成及擴散所需能量

34、裂紋生成及擴散所需能量小小7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic matric composite)是是在陶瓷基體在陶瓷基體中引入第二相材料，使之增強、增韌的多相材料。主要以中引入第二相材料，使之增強、增韌的多相材料。主要以高性能的陶瓷為基體，通過加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和高性能的陶瓷為基體，通過加入顆粒、晶須、連續(xù)纖維和層狀材料等增強體而形成的復(fù)合材料。層狀材料等增強體而形成的復(fù)合材料。增韌陶瓷閥門增韌陶瓷閥門增韌陶瓷刀片增韌陶瓷刀片7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料有陶瓷基復(fù)合材料有:（1）異相顆粒彌散強化陶瓷復(fù)合材料）異相顆粒彌散

35、強化陶瓷復(fù)合材料（2）纖維增韌增強陶瓷復(fù)合材料）纖維增韌增強陶瓷復(fù)合材料（3）原位生長陶瓷復(fù)合材料）原位生長陶瓷復(fù)合材料（4）梯度功能陶瓷復(fù)合材料）梯度功能陶瓷復(fù)合材料（5）納米陶瓷復(fù)合材料）納米陶瓷復(fù)合材料7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料的強韌機理陶瓷基復(fù)合材料的強韌機理多相復(fù)合材料的設(shè)計三項原則多相復(fù)合材料的設(shè)計三項原則:相之間在化學(xué)上相容性相之間在化學(xué)上相容性相之間在物理上的相容性相之間在物理上的相容性熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 匹配匹配彈性模量彈性模量復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)的設(shè)計復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)的設(shè)計7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料顆粒包括氧化物和非氧化物顆顆粒包括氧化物

36、和非氧化物顆粒，也可以是金屬、金屬間化粒，也可以是金屬、金屬間化合物顆粒。合物顆粒。強韌化機理強韌化機理（1）顆粒能抑制基體的晶粒長）顆粒能抑制基體的晶粒長大形成細晶。大形成細晶。如如SiC顆粒彌散在顆粒彌散在Si3N4基體中，基體中，可以在一定的程度上抑制可以在一定的程度上抑制Si3N4晶粒的長大，從而獲得細晶粒晶粒的長大，從而獲得細晶粒的顯微結(jié)構(gòu)。的顯微結(jié)構(gòu)。1、顆粒彌散增韌陶瓷基復(fù)合材料、顆粒彌散增韌陶瓷基復(fù)合材料SiC顆粒彌散在顆粒彌散在Si3N4基體基體7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料2)微裂紋增韌微裂紋增韌 影響第二相顆粒增韌效果的主要因素是基體與第二相影響第二相顆粒增韌效果的

37、主要因素是基體與第二相顆粒的彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及兩相的化學(xué)相容性。其顆粒的彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及兩相的化學(xué)相容性。其中化學(xué)相容性是復(fù)合的前提。兩相間不能有過度的化學(xué)反中化學(xué)相容性是復(fù)合的前提。兩相間不能有過度的化學(xué)反應(yīng)，同時保證具有合適的界面結(jié)合強度。彈性模量只在材應(yīng)，同時保證具有合適的界面結(jié)合強度。彈性模量只在材料受外力作用時產(chǎn)生微觀應(yīng)力再分布效應(yīng)；熱膨脹系數(shù)失料受外力作用時產(chǎn)生微觀應(yīng)力再分布效應(yīng)；熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場是陶瓷得配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場是陶瓷得到增韌的主要根源到增韌的主要根源1、顆粒彌散增韌陶瓷基復(fù)合材料、顆粒彌散增韌陶

38、瓷基復(fù)合材料7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料ZrO2從四方相到單斜相轉(zhuǎn)變效應(yīng)的氧化鋯多晶體（從四方相到單斜相轉(zhuǎn)變效應(yīng)的氧化鋯多晶體（TZP）陶瓷材料，在室溫下有較高的強度和斷裂韌性，但在高溫陶瓷材料，在室溫下有較高的強度和斷裂韌性，但在高溫下由于相變的消失，強度急劇下降。下由于相變的消失，強度急劇下降。2、ZrO2微裂紋強化陶瓷基復(fù)合材料微裂紋強化陶瓷基復(fù)合材料單斜相單斜相(m) ZrO2，1170 C 四方相四方相(t ) ZrO2； 2370 C 立方相立方相ZrO2。ZTA性能隨性能隨ZrO2體積含量的變化體積含量的變化 7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料圖圖1相變增韌示意圖相變增

39、韌示意圖 圖圖2 ZTA中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致性能隨性能隨ZrO2體積含量的變化體積含量的變化 7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料金屬顆粒和金屬間化合物顆粒高溫性能不好，但在低溫條件下金屬顆粒和金屬間化合物顆粒高溫性能不好，但在低溫條件下可以顯著地改善中低溫時的韌性?？梢燥@著地改善中低溫時的韌性。增韌機理：裂紋橋聯(lián)、顆粒塑性變形、顆粒拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)和增韌機理：裂紋橋聯(lián)、顆粒塑性變形、顆粒拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋終止于顆粒。裂紋終止于顆粒。3金屬顆粒和金屬間化合物顆粒的彌散強化金屬顆粒和金屬間化合物顆粒的彌散強化裂紋終止于顆粒裂紋終止于顆粒裂紋的分岔裂紋的分岔裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋偏轉(zhuǎn)顆粒塑性

40、變形顆粒塑性變形7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 橋聯(lián)橋聯(lián)7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 拔出功增韌拔出功增韌顆粒的拔出顆粒的拔出7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料通過有效的分散、復(fù)合使納米顆粒均勻彌散地保留在陶瓷基通過有效的分散、復(fù)合使納米顆粒均勻彌散地保留在陶瓷基質(zhì)中而得到的復(fù)合材料。質(zhì)中而得到的復(fù)合材料。一般分三類：一般分三類：A、基體、基體晶粒內(nèi)晶粒內(nèi)彌散納米粒子第二相（高溫、低溫力學(xué)）彌散納米粒子第二相（高溫、低溫力學(xué)）B、基體、基體晶粒間晶粒間彌散納米粒子第二相（高溫、低溫力學(xué)）彌散納米粒子第二相（高溫、低溫力學(xué)）C、基體與第二相、基體與第二相同為納米晶粒同為納米晶粒（

41、加工性、超塑性）（加工性、超塑性）4、納米強韌化機理、納米強韌化機理7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料晶界間晶界間晶粒內(nèi)部晶粒內(nèi)部7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料要求：要求：盡量滿足纖維（晶須）與基體陶瓷的化學(xué)相容性和盡量滿足纖維（晶須）與基體陶瓷的化學(xué)相容性和物理相容性。物理相容性。化學(xué)相容性化學(xué)相容性是指在制造和使用溫度下纖維與基體兩者不發(fā)是指在制造和使用溫度下纖維與基體兩者不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及不引起性能退化生化學(xué)反應(yīng)及不引起性能退化物理相容性物理相容性是指兩者的膨脹系數(shù)和彈性模量匹配，通常希是指兩者的膨脹系數(shù)和彈性模量匹配，通常希望纖維的膨脹系數(shù)和彈性模量高于基體，使基體的殘余應(yīng)望纖維

42、的膨脹系數(shù)和彈性模量高于基體，使基體的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。力為壓應(yīng)力。5、纖維增韌陶瓷材料機理、纖維增韌陶瓷材料機理7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 纖維在基體中的不同分布方式纖維在基體中的不同分布方式l纖維無規(guī)排列時，能獲得基本各纖維無規(guī)排列時，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。均一方向的纖向同性的復(fù)合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編織，相互垂直的方向維采用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編均具有好的性能。纖維采用三維編織，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的織，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。材料。 7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶

43、瓷基復(fù)合材料纖維橋聯(lián)基體裂紋的應(yīng)力纖維橋聯(lián)基體裂紋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線航天飛機防熱瓦的纖維質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)航天飛機防熱瓦的纖維質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料用晶須作為增強相可以顯著提高復(fù)合材料的強度和彈性模量，用晶須作為增強相可以顯著提高復(fù)合材料的強度和彈性模量，但因為價格昂貴，目前僅在少數(shù)宇航器件上采用?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，但因為價格昂貴，目前僅在少數(shù)宇航器件上采用。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，晶須晶須 (如如SiC 和和Si3N4)能起到陶瓷材料增韌的作用。能起到陶瓷材料增韌的作用。ZnO晶須晶須自增韌自增韌Si3N4陶瓷陶瓷6、晶須增韌、晶須增韌7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 調(diào)整陶瓷工藝或其熱

44、處理過程，使陶瓷的晶粒生長成具有調(diào)整陶瓷工藝或其熱處理過程，使陶瓷的晶粒生長成具有一定長徑比的柱狀和板狀形態(tài)，即原位生長，使其產(chǎn)生類似與一定長徑比的柱狀和板狀形態(tài)，即原位生長，使其產(chǎn)生類似與晶須增強的的效果。原位生長可以避免由于等軸晶粒與外加的晶須增強的的效果。原位生長可以避免由于等軸晶粒與外加的晶須狀物料不易均勻混合的問題。（疾病危害）晶須狀物料不易均勻混合的問題。（疾病危害）7、自增強陶瓷基復(fù)合材料、自增強陶瓷基復(fù)合材料7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料7、自增強陶瓷基復(fù)合材料、自增強陶瓷基復(fù)合材料7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 用陶瓷涂覆金屬一般都使涂層的組分做梯度變化，以消除用

45、陶瓷涂覆金屬一般都使涂層的組分做梯度變化，以消除由于陶瓷與金屬熱膨脹系數(shù)的巨大差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而由于陶瓷與金屬熱膨脹系數(shù)的巨大差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而保證涂層對金屬基底的結(jié)合和使用可靠性。保證涂層對金屬基底的結(jié)合和使用可靠性。8、梯度陶瓷基復(fù)合材料、梯度陶瓷基復(fù)合材料7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料二、陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計二、陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計 1、界面的粘結(jié)形式、界面的粘結(jié)形式 （1）機械結(jié)合）機械結(jié)合（2）化學(xué)結(jié)合）化學(xué)結(jié)合 陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強體與基體的原陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強體與基體的原子擴散，在界面上更易形成固溶體

46、和化合物。此時其界面是子擴散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強體都能較好的結(jié)合，具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。但通常是脆性的。7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料2、界面的作用、界面的作用 陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強到足以傳遞軸向載荷并具陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋有高的橫向強度；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。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個最佳

47、的界面強度。有一個最佳的界面強度。圖圖1 陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖 7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料3、界面性能的改善、界面性能的改善 為了獲得最佳界面結(jié)合強度，希望避免界面化學(xué)反應(yīng)或盡為了獲得最佳界面結(jié)合強度，希望避免界面化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。量降低界面的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。 實際當(dāng)中除選擇增強劑和基體在制備和材料服役期間能形實際當(dāng)中除選擇增強劑和基體在制備和材料服役期間能形成熱動力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維表面涂層處理。包括成熱動力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維表面涂層處理。包括C、SiC、BN、ZrO2 和和SnO2等。等。7.5 陶瓷基復(fù)合材料

48、陶瓷基復(fù)合材料三三 、陶瓷基復(fù)合材料的性能、陶瓷基復(fù)合材料的性能 1、室溫力學(xué)性能、室溫力學(xué)性能1）拉伸強度和彈性模量）拉伸強度和彈性模量對陶瓷基復(fù)合材料來說陶瓷基體的對陶瓷基復(fù)合材料來說陶瓷基體的失效應(yīng)變低于纖維的失效應(yīng)變，失效應(yīng)變低于纖維的失效應(yīng)變，因此最初的失效往往是基體中晶因此最初的失效往往是基體中晶體缺陷引起的開裂。如圖所示，體缺陷引起的開裂。如圖所示，材料的拉伸失效有兩種：材料的拉伸失效有兩種：圖圖 纖維陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)纖維陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)力力-應(yīng)變曲線示意圖應(yīng)變曲線示意圖 7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料2）斷裂韌性）斷裂韌性 纖維拔出與裂紋偏轉(zhuǎn)是復(fù)合纖維拔出與裂紋偏轉(zhuǎn)是復(fù)合

49、材料韌性提高的主要機制。材料韌性提高的主要機制。纖維含量增加，阻止裂紋擴纖維含量增加，阻止裂紋擴展的勢壘增加，斷裂韌性增展的勢壘增加，斷裂韌性增加。但當(dāng)纖維含量超過一定加。但當(dāng)纖維含量超過一定量時，纖維局部分布不均，量時，纖維局部分布不均，相對密度降低，氣孔率增加，相對密度降低，氣孔率增加，其抗彎強度反而降低。其抗彎強度反而降低。 圖圖 CF/ LAS的斷裂韌性和彎曲強的斷裂韌性和彎曲強度隨纖維含量的變化度隨纖維含量的變化 7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料2、高溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能1）強度）強度分別為不同溫度下分別為不同溫度下SiCF/ MAS堇青石堇青石復(fù)合材料的力學(xué)性能變化。復(fù)合材

50、料的力學(xué)性能變化。7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料1）強度）強度圖圖1為為SiCW /Al2O3復(fù)合材料的斷復(fù)合材料的斷裂韌性隨溫度的變化。裂韌性隨溫度的變化。圖圖2是不同是不同SiCW 含量的含量的Al2O3復(fù)復(fù)合材料的強度隨溫度的變化。合材料的強度隨溫度的變化。7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料2）熱沖擊性（熱震性）熱沖擊性（熱震性） 材料在經(jīng)受劇烈的溫度變化或材料在經(jīng)受劇烈的溫度變化或在一定起始溫度范圍內(nèi)冷熱交在一定起始溫度范圍內(nèi)冷熱交替作用而不致破壞的能力稱為替作用而不致破壞的能力稱為抗熱震性抗熱震性（Thermal shock Resistance），也稱之為），也稱之為耐熱沖

51、耐熱沖擊性或熱穩(wěn)定性擊性或熱穩(wěn)定性?？篃嵴鹦耘c?？篃嵴鹦耘c材料本身的熱膨脹系數(shù)、彈性材料本身的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、抗張強度及模量、導(dǎo)熱系數(shù)、抗張強度及材料中氣相、玻璃相及其晶相材料中氣相、玻璃相及其晶相的粒度有關(guān)。的粒度有關(guān)。 圖圖 20% SiCW /Al2O3復(fù)合材復(fù)合材料的抗熱震性能料的抗熱震性能 在在Al2O3中加入中加入20Vol%的的SiC晶須后，不僅強度提高了一倍，晶須后，不僅強度提高了一倍，而且抗熱震性得到明顯提高。而且抗熱震性得到明顯提高。7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料氧化鋁陶瓷基體氧化鋁陶瓷基體 以氧化鋁（以氧化鋁（Al203）為主要成分的陶瓷，氧）為主要

52、成分的陶瓷，氧化鋁僅有一種熱動力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)，即化鋁僅有一種熱動力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài)，即-Al2O3屬六方晶系。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁，屬六方晶系。氧化鋁陶瓷包括高純氧化鋁，99氧化鋁，氧化鋁，95氧化鋁和氧化鋁和85氧化鋁等品種，其氧化鋁含量（質(zhì)量分數(shù)）依次氧化鋁等品種，其氧化鋁含量（質(zhì)量分數(shù)）依次為為99.9%、99%、95%、85%，燒結(jié)溫度依次為，燒結(jié)溫度依次為1800 、1700 、1650 、1500 。 Al2O3和和3Al2O32SiO2 為主晶相的稱為主晶相的稱為剛玉為剛玉-莫來石瓷，主要原料為高嶺土、氧化鋁和少量膨潤土，莫來石瓷，主要原料為高嶺土、氧化鋁和少量膨潤土，燒結(jié)溫度為

53、燒結(jié)溫度為1350左右。左右。四、陶瓷基體材料的種類、組成、結(jié)構(gòu)和特性四、陶瓷基體材料的種類、組成、結(jié)構(gòu)和特性7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 以氮化硅（以氮化硅（Si3N4）為主要成分的陶瓷稱為氮化硅陶瓷。氮化）為主要成分的陶瓷稱為氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷有兩種形態(tài)，即硅陶瓷有兩種形態(tài)，即和和兩種六方晶型，由于氮化硅中兩種六方晶型，由于氮化硅中Si-N鍵結(jié)合強度高，屬難燒結(jié)物質(zhì)。氮化硅燒結(jié)技術(shù)有燒結(jié)氮化硅，鍵結(jié)合強度高，屬難燒結(jié)物質(zhì)。氮化硅燒結(jié)技術(shù)有燒結(jié)氮化硅，熱壓氮化硅，反應(yīng)合成氮化硅，化學(xué)氣相沉積氮化硅等。各種熱壓氮化硅，反應(yīng)合成氮化硅，化學(xué)氣相沉積氮化硅等。各種制備技術(shù)所需的工藝條件

54、各不相同，所得到的氮化硅的性能各制備技術(shù)所需的工藝條件各不相同，所得到的氮化硅的性能各有差異。另外氮化硅性能與添加劑的種類有關(guān)。有差異。另外氮化硅性能與添加劑的種類有關(guān)。氮化物陶瓷基體材料氮化物陶瓷基體材料7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。以碳化硅為主要成分的陶瓷稱為碳化硅陶瓷。SiC是一種非是一種非常硬和抗磨蝕材料，以熱壓制造的常硬和抗磨蝕材料，以熱壓制造的SiC可以用來制作切割鉆石的可以用來制作切割鉆石的刀具。刀具。SiC還具有優(yōu)異的抗腐蝕性，抗氧化性。還具有優(yōu)異的抗腐蝕性，抗氧化性。SiC并不在自然并不在自然

55、界中存在，主要通過熱壓、燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)和化學(xué)氣相沉積等界中存在，主要通過熱壓、燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)和化學(xué)氣相沉積等技術(shù)制備，技術(shù)制備，Si-C屬于典型的共價鍵，為了提高陶瓷的致密程度，屬于典型的共價鍵，為了提高陶瓷的致密程度，常添加常添加MgO、Y2O3、B、C、Al等能夠降低晶界能的粉末以促進等能夠降低晶界能的粉末以促進燒結(jié)。燒結(jié)。碳化物陶瓷基體碳化物陶瓷基體7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料四、陶瓷復(fù)合材料的制備四、陶瓷復(fù)合材料的制備 對于短纖維、晶須、晶片和顆粒狀的陶瓷基復(fù)合材料的生產(chǎn)對于短纖維、晶須、晶片和顆粒狀的陶瓷基復(fù)合材料的生產(chǎn)通常采用普通的的陶瓷

56、生產(chǎn)工藝即粉體的制備、成型和燒結(jié)。通常采用普通的的陶瓷生產(chǎn)工藝即粉體的制備、成型和燒結(jié)。對于連續(xù)性纖維增強體采用用泥漿浸潤后熱壓燒結(jié)和化學(xué)氣相對于連續(xù)性纖維增強體采用用泥漿浸潤后熱壓燒結(jié)和化學(xué)氣相燒結(jié)（燒結(jié)（CVI）7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料普通陶瓷生產(chǎn)工藝普通陶瓷生產(chǎn)工藝為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，采用了漿體為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問題，采用了漿體（濕態(tài)）法制備陶瓷基復(fù)合材料。（濕態(tài)）法制備陶瓷基復(fù)合材料。其混合體為漿體形式?；旌象w中各組元保持散凝狀，即在漿體其混合體為漿體形式。混合體中各組元保持散凝狀，即在漿體中呈彌散分布。這可通過調(diào)整水溶液的中呈彌散分

57、布。這可通過調(diào)整水溶液的pH值來實現(xiàn)。值來實現(xiàn)。對漿體進行超聲波震動攪拌則可進一步改善彌散性。彌散的漿對漿體進行超聲波震動攪拌則可進一步改善彌散性。彌散的漿體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。適用于顆粒、晶體可直接澆鑄成型或熱（冷）壓后燒結(jié)成型。適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 晶須含量對復(fù)合材料的相對密度和力學(xué)性能的影響晶須含量對復(fù)合材料的相對密度和力學(xué)性能的影響7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料不同溫度氣氛下燒結(jié)的復(fù)合材料的抗彎強度不同溫度氣氛下燒結(jié)的復(fù)合材料的抗彎強度(晶須含量為晶須含量為30vol%7.

58、5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法 用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無收縮外，還除基體材料幾乎無收縮外，還具有以下優(yōu)點：具有以下優(yōu)點： 增強劑的體積比可以相當(dāng)大；增強劑的體積比可以相當(dāng)大； 可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體；可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體； 大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度，燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度，因此可避免纖維的損傷。因此可避免纖維的損傷。 此方法最大的缺點是高氣孔率此方法最大的缺點是高氣孔率難以避免。難以避免。 反應(yīng)燒結(jié)法制備反應(yīng)燒結(jié)法制備SiC/Si3N4基復(fù)合材料工藝流程基復(fù)合材料工

59、藝流程7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料在顆粒、晶須、纖維以及具有開口氣孔的增強骨架上沉積所需在顆粒、晶須、纖維以及具有開口氣孔的增強骨架上沉積所需陶瓷基質(zhì)制備陶瓷基復(fù)合材料。工藝路線：陶瓷基質(zhì)制備陶瓷基復(fù)合材料。工藝路線：增強體制成預(yù)成型體增強體制成預(yù)成型體放入低溫容器放入低溫容器通源氣通源氣升溫升溫源氣熱分解源氣熱分解沉積下來的基質(zhì)填滿氣孔。沉積下來的基質(zhì)填滿氣孔。特點：得到晶體結(jié)構(gòu)良好的基體，可以得到形狀比較復(fù)雜的復(fù)特點：得到晶體結(jié)構(gòu)良好的基體，可以得到形狀比較復(fù)雜的復(fù)合材料；缺點，工序時間長，預(yù)成型體的加熱反應(yīng)可能引起增合材料；缺點，工序時間長，預(yù)成型體的加熱反應(yīng)可能引起增強體的性能

60、下降。強體的性能下降。CVD（chemical vapor deosition）法即氣相化學(xué)沉積法。）法即氣相化學(xué)沉積法。7.5 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料將氮化硼纖維的三維織物浸漬硼酸將氮化硼纖維的三維織物浸漬硼酸,使硼酸轉(zhuǎn)變成氮化硼基體使硼酸轉(zhuǎn)變成氮化硼基體,然后經(jīng)高純硅溶膠加壓然后經(jīng)高純硅溶膠加壓(70 MPa) 浸漬、熱壓燒成制備了浸漬、熱壓燒成制備了BNf / (BN + SiO2 ) 復(fù)合材料復(fù)合材料,材料的最佳組成是二氧化硅材料的最佳組成是二氧化硅2 %18 %,氮化硼氮化硼5 %15 %。氮化硼纖維織物的紗線走向與熱壓作用。氮化硼纖維織物的紗線走向與熱壓作用力方向關(guān)系力方向關(guān)