第六章 復(fù)合材料

第六章復(fù)合材料第1頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

所謂的復(fù)合材料是指把兩種以上在宏觀上不同的材料，合理的進(jìn)行復(fù)合，在新制得的材料中，原來各材料的特性得到充分的應(yīng)用，并且得到了單一材料所不具有的新特性，如果從微觀上看，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。

復(fù)合材料船體第一節(jié)概述第2頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三復(fù)合材料的起源可追溯到古埃及人在粘土中加入植物纖維所制成的土坯。大約100萬年以前，人們開始使用以沙做骨料，用水或水泥固結(jié)的混凝土，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?qiáng)度，但比較脆，在張力作用下容易產(chǎn)生裂紋而破裂。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)用的鋼筋混凝土。在橡膠中加入纖維/鋼絲，既保持了橡膠的柔軟性，又提高了材料的強(qiáng)度和耐磨性能。第一節(jié)概述第3頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三現(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(jī)構(gòu)件的玻璃纖維增強(qiáng)和聚脂，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/碳纖維/碳化硅纖維/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。復(fù)合材料的復(fù)合目的:提高材料強(qiáng)度得到熱性能/電性能/磁性能和其他各種性能的最優(yōu)化.第一節(jié)概述第4頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)復(fù)合材料的基體的不同及發(fā)展歷史:玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）稱作第一代復(fù)合材料硼纖維和碳纖維增強(qiáng)的塑料（BFRP,GFRP）稱作第二代復(fù)合材料。高性能纖維增強(qiáng)金屬與陶瓷成為第三代復(fù)合材料。硼纖維玻璃纖維碳纖維第一節(jié)概述第5頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對材料性能提出了更加苛刻的要求，特別是在航空和航天等高科技領(lǐng)域不斷地提出開發(fā)耐高溫，高強(qiáng)度比新型材料的要求。工程材料(如Si3N4和SiC）所具有的優(yōu)異性能在許多方面可以滿足這種要求.碳化硅第一節(jié)概述第6頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三例如工程陶瓷在1400——1600℃一般仍保持較高的強(qiáng)度，具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能和熱穩(wěn)定性，耐腐蝕和低比重，而這些正是人們在高技術(shù)領(lǐng)域所追求的材料性能。陶瓷材料存在的最大缺點(diǎn)：脆性限制了它的實(shí)際工程應(yīng)用范圍陶瓷材料工程應(yīng)用急待解決的重要關(guān)鍵：陶瓷材料韌性的提高與改善。第一節(jié)概述第7頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三目前用于陶瓷改善脆性的方法主要包括：相變增韌顆粒增韌纖維增韌（晶須）增韌。

ZrO2增韌可以大幅度提高陶瓷的韌性，但這種增韌方法在高溫條件下的使用有很大的局限性，加入延性顆粒往往會遇到高溫氧化條件下的穩(wěn)定性問題。纖維（包括晶須）增韌陶瓷及復(fù)合材料可能是一種既能增強(qiáng)又能增韌，同時(shí)又能在較高溫度下保持材料強(qiáng)韌化的方式。

第一節(jié)概述第8頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三無機(jī)纖維與晶須無機(jī)纖維第一節(jié)概述第9頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三無機(jī)玻璃鋼基布第一節(jié)概述第10頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三碳化硅晶須微米級硫酸鈣晶須第一節(jié)概述主要用于需要高溫高強(qiáng)應(yīng)用材質(zhì)的增韌場合。如：航天材料、高速切削刀具等。目前，有著極高的性能價(jià)格比。第11頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三β－Si3N4晶須具有高強(qiáng)度、高模量、高介電性、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的陶瓷材料補(bǔ)強(qiáng)增韌劑。第一節(jié)概述第12頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三60年代末期，人們首先開展了對隨機(jī)趨向耐熱金屬短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究，雖然也發(fā)現(xiàn)了一些高強(qiáng)度高韌性的材料系列，但所得到的復(fù)合材料密度高，環(huán)境相容性與高溫抗氧化性能差，從而未能進(jìn)一步的發(fā)展。對原位晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究表明：原位生長所能獲得的晶須數(shù)量少、直徑小，也難達(dá)到理想的增韌效果。第一節(jié)概述第13頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三70年初期，高強(qiáng)度高模量、低成本的碳纖維的出現(xiàn)，促進(jìn)了纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究與發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料所具有的優(yōu)異性能使得其在航天、武器等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。碳纖維濾芯是利用碳纖維布纏繞而成具有強(qiáng)烈的吸附效果，有效去除水中余氯、異味、惡臭，去除率達(dá)99%?！ぬ祭w維剎車片

第一節(jié)概述第14頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述第15頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三70年代未期，性能優(yōu)異的SiC纖維問世，由于Si所具有的高溫抗氧化性能，使得SiC纖維增強(qiáng)鋰鋁硅酸鹽玻璃陶瓷基復(fù)合材料在1000℃時(shí)抗彎強(qiáng)度基體相匹配，還要其它與基體在熱性能、彈性能，以及化學(xué)性能等方面具有相容性。第一節(jié)概述第16頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三用作高溫復(fù)合材料增強(qiáng)成分的纖維基本要求：從化學(xué)上一般希望是單一物質(zhì)構(gòu)成，由原子量較小的原子通過共價(jià)鍵結(jié)合形成的分子，比較典型的成分是作為工程陶瓷的SiC和Si3N4從物理上希望纖維由微細(xì)粒子構(gòu)成，這些結(jié)晶長大的可能性盡可能小，纖維直徑小。具備了這些基本條件，就可能在化學(xué)方面得到耐腐蝕、耐熱和輕的質(zhì)量；在物理方面得到高的強(qiáng)度和彈性模量。第一節(jié)概述第17頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

復(fù)合材料的分類1、按基體材料分類，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。2、按增強(qiáng)相形狀分類，可分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料。3、按復(fù)合材料的性能分類，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。SiC顆粒Al2O3片Al2O3纖維增強(qiáng)相三種類型第一節(jié)概述第18頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三復(fù)合材料的特點(diǎn)1、比強(qiáng)度和比模量高

其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最高。2、抗疲勞性能好

因纖維對疲勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用。3、減振性能良好

復(fù)合材料中的大量界面對振動有反射吸收作用，不易產(chǎn)生共振。4、高溫性能好。比強(qiáng)度比較碳纖維\樹脂硼纖維\樹脂玻璃纖維\樹脂鈦鋼鋁第一節(jié)概述第19頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三主要因素包括三個(gè)方面：一是基體和增強(qiáng)體或功能體的性能；二是復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)；三是復(fù)合材料中增強(qiáng)體或功能體與基體的結(jié)合狀態(tài)（物理的和化學(xué)的）及由此產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)。這三個(gè)方面都可能成為復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié)。第二節(jié)基本理論1.影響復(fù)合材料性能的因素第20頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三對于復(fù)合材料來說，這里所說的界面，并非一個(gè)理想的幾何面，實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)合材料中相與相之間的兩相交接區(qū)是一個(gè)具有相當(dāng)厚度的界面層（納米以上），兩相的接觸會引起多種界面效應(yīng)，使界面層的結(jié)構(gòu)和性能不同于它兩側(cè)鄰近的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。第二節(jié)基本理論

從物理化學(xué)的觀點(diǎn)可以知道，凡不同相的多相共存體系，在各相之間的交界處，總存在一個(gè)界面，即相互間接觸面。2.界面效應(yīng)第21頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三界面是增強(qiáng)相與基體相聯(lián)接的紐帶，也是應(yīng)力及其他信息傳遞的橋梁。復(fù)合材料中的增強(qiáng)體不論是微纖、晶須、顆粒還是纖維，與基體在成型過程中將發(fā)生不同的相互作用和界面反應(yīng)，形成各種結(jié)構(gòu)的界面。在復(fù)合材料中兩相的交接面上的相互作用，隨著環(huán)境條件的改變，可以發(fā)生變化。如溫度改變，可以改變相互間的作用，從而導(dǎo)致界面厚度、化學(xué)結(jié)構(gòu)和界面效應(yīng)等的改變。第二節(jié)基本理論第22頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三基體與增強(qiáng)體在一種組分為液體（或粘流態(tài)）發(fā)生接觸或濕潤兩種組分在一定條件下均為液態(tài)（或粘流態(tài)）的分散、接觸及潤濕過程兩種固態(tài)組分在分散的情況下以一定的條件發(fā)生物理及化學(xué)變化形成結(jié)合并看作為一種特殊濕潤過程。這種潤濕過程是增強(qiáng)體與基體形成緊密地接觸而導(dǎo)致界面良好結(jié)合的必要條件。3.復(fù)合材料界面形成過程。第二節(jié)基本理論一般分為兩個(gè)階段。第一階段基體與增強(qiáng)體潤濕過程。第23頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三要形成復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體之間穩(wěn)定的界面結(jié)合，不論是何種材料（金屬/非金屬/聚合物）均必須通過物理或化學(xué)的固化過程（凝固或化學(xué)反應(yīng)固化）。此時(shí)，增強(qiáng)體與基體分子能量處于最低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而使復(fù)合材料中的界面固定并穩(wěn)定。這兩個(gè)過程往往是連續(xù)的，又幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，對于在固態(tài)下制備的非金屬或金屬基復(fù)合材料，往往難以區(qū)分這兩個(gè)過程。第二節(jié)基本理論第二階段是液態(tài)（或粘流態(tài)）組成的固化過程第24頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三表面自由能：物質(zhì)表面所具有的性質(zhì)，是由于表面分子所處狀態(tài)與相內(nèi)分子所處狀態(tài)不同所引起的。從物理化學(xué)可知，物質(zhì)表面層上的分子能量比相內(nèi)分子要高，由此相內(nèi)分子的移動不消耗功，而將相內(nèi)分子遷移到表面時(shí)，要反抗分子間的吸引而做功。因此將大塊物料粉碎成小顆粒或?qū)⒋笠旱畏殖尚∫旱螘r(shí)，需要對物料做功，所消耗的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻孀杂赡?。一定的物料，粉碎程度越大，表面積就越大，所具有的表面能就越高。對超細(xì)粒子，由于表面積巨大，故具有相當(dāng)高的表面自由能，以致使其表面特性與本體材料相比，發(fā)生了巨大變化。第二節(jié)基本理論4.表面與界面化學(xué)基礎(chǔ)

表面張力、表面自由能以及比表面能第25頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三表面張力是物質(zhì)的一種特性。它是物質(zhì)內(nèi)部分子之間相互作用的一種表現(xiàn)。表面張力與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)。不同物質(zhì)的分子間相互作用力不同，分子間作用力越大，相互的表面張力也越大。通常金屬>離子鍵物質(zhì)（氧化物熔體/熔鹽）>極性分子物質(zhì)（水等）>弱極性物質(zhì)>非極性物質(zhì)（液態(tài)H2/Cl2等）；第二節(jié)基本理論第26頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三物質(zhì)表面張力與它相接觸的另一相物質(zhì)有關(guān)。

當(dāng)與不同性質(zhì)的物質(zhì)接觸時(shí)，表面層受到的力場不同；表面張力隨溫度的不同而不同，一般溫度升高，表面張力下降。這是因?yàn)闇囟忍岣?，物質(zhì)體積膨脹，即分子間距增大，使分子間作用變小。根據(jù)熱力學(xué)概念，恒溫、恒壓條件下，任何物質(zhì)都有自動向自由能減小的方向移動的趨勢，因此，表面能也有自動減小的趨勢。要降低表面能，一方面可以通過自動收縮表面積，另一方面也可以通過降低比表面能來實(shí)現(xiàn)。第二節(jié)基本理論第27頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三固體表面特性之一是吸附氣體或吸附溶液中的溶質(zhì)，這是一種物質(zhì)的原子或分子附著在另一種物質(zhì)表面上的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱之為吸附。為什么它具有吸附現(xiàn)象？由于物體表面質(zhì)點(diǎn)處于力場不平衡狀態(tài)，即具有表面能，這一不平衡的力場為了趨于平衡態(tài)，可以吸附別的物質(zhì)而得到補(bǔ)償，以降低表面能（表面自由能），所以固體表面自動吸附那些能夠降低表面能的物質(zhì)。它分為物理吸附（無選擇性，因此吸附在固體表面上的分子可以是一層或是多層，速度快，較低溫吸附）和化學(xué)吸附（當(dāng)固體表面原子的原子價(jià)未完全飽和，還有剩余的成鍵能力，在吸附劑與吸附物之間有電子轉(zhuǎn)移生成化學(xué)鍵）。第二節(jié)基本理論5.表面吸附作用第28頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

在復(fù)合材料界面上發(fā)生兩種材料擴(kuò)散混合時(shí)，相容性成為粘結(jié)界面的一個(gè)重要因素。增強(qiáng)體的表面特性及對復(fù)合材料界面結(jié)合的影響。纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料復(fù)合材料中，增強(qiáng)體的表面特性是影響復(fù)合材料界面特性和材料特性的重要因素，它是通常指三個(gè)方面:增強(qiáng)體表面的物理特性增強(qiáng)體表面的化學(xué)特性增強(qiáng)體的表面能。

第二節(jié)基本理論6、固體的相容性與粘結(jié)。第29頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三①增強(qiáng)體的表面特性與界面結(jié)合。增強(qiáng)體的表面物理特性主要是指其比表面積、表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、多孔性、表面極性、表面結(jié)構(gòu)的均一性。增強(qiáng)體的巨大的比表面是導(dǎo)致復(fù)合材料中巨大的表面效應(yīng)的根本原因。增強(qiáng)體的比表面越大，增強(qiáng)體與基體粘合的物理界面大，所以對粘結(jié)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大。而增強(qiáng)體表面也或多或少的存在部分孔隙，這些孔隙中存在有氣體，在復(fù)合材料的制備過程中，部分孔隙被基體填充，排除氣體，呈一種機(jī)械鑲嵌。第二節(jié)基本理論第30頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

液體基體對增強(qiáng)體的浸潤

在常壓或是在壓力下的毛細(xì)浸潤過程，浸潤效果的好壞將直接影響復(fù)合材料的性能。第二節(jié)基本理論第31頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三增強(qiáng)體的表面極性，均一性。增強(qiáng)體的極性取決于分子的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及外場的作用。通常極性的基體與極性的增強(qiáng)體有較強(qiáng)的界面結(jié)合，因而也就有較強(qiáng)的界面強(qiáng)度基復(fù)合材料強(qiáng)度。增強(qiáng)體表面均一性實(shí)質(zhì)上是指增強(qiáng)體表面的活性點(diǎn)分布的均一性，包括物理化學(xué)活性點(diǎn)及化學(xué)活性點(diǎn)。這類活性點(diǎn)的分布影響到增強(qiáng)體表面與基體的物理化學(xué)結(jié)合或化學(xué)結(jié)合效果。第二節(jié)基本理論第32頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三②增強(qiáng)體表面的化學(xué)特性與界面結(jié)合。增強(qiáng)體的化學(xué)特性包括其表面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)、表面的反應(yīng)特性等，其中增強(qiáng)體的表面反應(yīng)特性是最重要的，它關(guān)系到增強(qiáng)體是否要進(jìn)行表面處理，與基體能否形成化學(xué)結(jié)合，是否容易形成與環(huán)境接觸反應(yīng)而影響復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性。第二節(jié)基本理論第33頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三非極性塑料如PE、PP，其表面能很低，用極性的聚氨酯膠粘劑粘接時(shí)可能遇到困難，這可用多種方法對聚烯烴塑料進(jìn)行表面處理加以解決。-種辦法是用電暈處理，使其表面氧化，增加極性:第二節(jié)基本理論第34頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三1、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，它顯著增強(qiáng)材料的性能，故常稱為增強(qiáng)體。

多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。

在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第35頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

因此，復(fù)合材料是由兩種以上組分以及它們之間的界面構(gòu)成。

組分材料主要指增強(qiáng)體和基體，它們也被稱為復(fù)合材料的增強(qiáng)相和基體相。增強(qiáng)相與基體相之間的界面區(qū)域因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)組成也被視作復(fù)合材料中的“相”，即界面相。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第36頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三增強(qiáng)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。其中一個(gè)組分是細(xì)絲（連續(xù)的或短切的）、薄片或顆粒狀，具有較高的強(qiáng)度、模量、硬度和脆性，在復(fù)合材料承受外加載荷時(shí)是主要承載相，稱為增強(qiáng)相或增強(qiáng)體（reinforcedphaseorreinforcement）。增強(qiáng)相或增強(qiáng)體在復(fù)合材料中呈分散形式，被基體相隔離包圍，因此也稱作分散相。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第37頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三復(fù)合材料中的另一個(gè)組分是包圍增強(qiáng)相并相對較軟和韌的貫連材料，稱為基體相（matrixphase）。復(fù)合材料的各種形態(tài)示意于圖中：第三節(jié)復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料及其增強(qiáng)相的各種形態(tài)纖維狀顆粒狀層狀片狀填充狀第38頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三復(fù)合材料在制造前，基體材料的形狀可以是薄片、粉末、塊體或無定形的流體，它的狀態(tài)可以是固態(tài)、氣態(tài)、熔融態(tài)或半固—半液態(tài)?；w材料在與增強(qiáng)相固結(jié)后，基體相在復(fù)合材料中就成為包裹增強(qiáng)相的連續(xù)體。因此，基體相也叫做連續(xù)相?；w相具有支撐和保護(hù)增強(qiáng)相的作用，在復(fù)合材料承受外加載荷時(shí)，基體相主要以剪切變形的方式起向增強(qiáng)相分配和傳遞載荷的作用。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第39頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三在復(fù)合材料中，增強(qiáng)相和基體相之間還存在著明顯的結(jié)合面。位于增強(qiáng)相和基體相之間并使兩相彼此相連的、化學(xué)成分和力學(xué)性質(zhì)與相鄰兩相有明顯區(qū)別、能夠在相鄰兩相間起傳遞載荷作用的區(qū)域，稱為復(fù)合材料的界面（interface）。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料中界面層的厚度通常在亞微米以下，但界面層的總面積在復(fù)合材料中很大，且復(fù)合材料的界面特征對復(fù)合材料的性能、破壞行為及應(yīng)用效能有很大影響。所以，人們以極大的注意力開展對復(fù)合材料界面的研究--------表面和界面工程（surfaceandinterfaceengineering）。第40頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

復(fù)合材料的性能取決于組分材料的種類、性能、含量和分布。主要包括：增強(qiáng)體的性能和它的表面物理、化學(xué)狀態(tài)；基體的結(jié)構(gòu)和性能；增強(qiáng)體的配置、分布和體積含量。復(fù)合材料的性能還取決于復(fù)合材料的制造工藝條件、復(fù)合方法、零件幾何形狀和使用環(huán)境條件。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料既能保留原組分材料的主要特色，并通過復(fù)合效應(yīng)獲得組分材料所不具備的性能，還可以通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能相互補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的性能。

復(fù)合材料設(shè)計(jì)：選擇復(fù)合材料的組分、增強(qiáng)體分布和復(fù)合材料制造工藝、使其具有使用所要求的性能過程。第41頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

復(fù)合材料設(shè)計(jì)可分為三個(gè)層次：單層材料設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

單層材料設(shè)計(jì)包括正確選擇增強(qiáng)材料、基體材料及共配比，該層次決定單層板的性能；

鋪層設(shè)計(jì)包括對鋪層材料的鋪層方案做出合理錢財(cái)安的安排，該層次決定層合板的性能；

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則最后確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸。上述三個(gè)設(shè)計(jì)層次互為前提、互相影響、互相依賴。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第42頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三因此，復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)打破了材料研究和結(jié)構(gòu)研究的傳統(tǒng)界限。設(shè)計(jì)人員必須把材料性能和結(jié)構(gòu)性能統(tǒng)一考慮，換言之，材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)進(jìn)行，并將它們統(tǒng)一在同一個(gè)設(shè)計(jì)方案中。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性復(fù)合材料是由多相材料復(fù)合而成，它的共同的特點(diǎn)主要有三個(gè)：(１)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，具有天然材料所沒有的性能。例如，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，既具有類似鋼材的強(qiáng)度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。第43頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(2)可按對材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造。如，針對方向性材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，針對某種介質(zhì)耐腐蝕性能的設(shè)計(jì)等。(3)可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工工序。例如，可避免金屬產(chǎn)品的鑄模、切削、磨光等工序。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第44頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

影響復(fù)合材料性能的因素主要取決于增強(qiáng)材料的性能、含量及分布狀況，基體材料的性能、含量，以及它們之間的界面結(jié)合情況，作為產(chǎn)品還與成型工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。因此，不論對哪一類復(fù)合材料，就是同一類復(fù)合材料的性能也不是一個(gè)定值，而只能給出其主要性能。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第45頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三一般材料的簡單混合與復(fù)合材料的兩點(diǎn)本質(zhì)區(qū)別：（１）復(fù)合材料不僅保留了原組成材料的特點(diǎn)，而且通過各組分的相互補(bǔ)充和關(guān)聯(lián)可以獲得原組分所沒有的新的優(yōu)越性能；第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第46頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三（２）復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性如結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不僅可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計(jì)，更重要的是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即增強(qiáng)體的比例、分布、排列和取向等的設(shè)計(jì)。對于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來說，是由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能連接增強(qiáng)體又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。由不同的增強(qiáng)體和不同的基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第47頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

2、復(fù)合材料的特性

復(fù)合材料是由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。例如，纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好、耐化學(xué)腐蝕、介電性能好、耐燒蝕及容易成型加工等優(yōu)點(diǎn)。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第48頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三（１）輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度和比剛度高Ａ、增強(qiáng)劑或者基體是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都不高，且都不是完全致密的；Ｂ、增強(qiáng)劑多是強(qiáng)度很高的纖維。

比強(qiáng)度（指強(qiáng)度與密度的比值）和比彈性模量是各類材料中最高的。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性例如，普通碳鋼的密度為7.8g/cm3。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度為1.5~2.0g/cm3，只有普通碳鋼的1/4—1/5，比鋁合金還要輕1/３左右，而機(jī)械強(qiáng)度卻能超過普通碳鋼的水平。第49頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三若按比強(qiáng)度計(jì)算，玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料不僅超過碳鋼，而且可超過某些特殊合金綱。

碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料具有比玻璃纖維復(fù)合材料更低的密度和更高的強(qiáng)度，因此具有更高的比強(qiáng)度。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第50頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(2)可設(shè)計(jì)性好復(fù)合材料可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具有很好的可設(shè)計(jì)性。對于結(jié)構(gòu)件來說，可以根據(jù)受力情況合理布置增強(qiáng)材料，達(dá)到節(jié)約材料、減輕質(zhì)量的目的。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性對于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)可以選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強(qiáng)材料；對于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可以方便地通過選擇合適的原材料來滿足要求。復(fù)合材料良好的可設(shè)計(jì)性還可以最大限度地克服其彈性模量、層間剪切強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。第51頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(3)電性能好復(fù)合材料具有優(yōu)良的電性能，通過選擇不同的樹脂基體、增強(qiáng)材料和輔助材料，可以將其制成絕緣材料或?qū)щ姴牧?。例如，玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)良的電絕緣性能，并且在高頻下仍能保持良好的介電性能，因此可作為高性能電機(jī)、電器的絕緣材料；第三節(jié)復(fù)合材料基本特性玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料還具有良好的透波性能，被廣泛地用于制造機(jī)載、艦載和地面雷達(dá)罩。復(fù)合材料通過原材料的選擇和適當(dāng)?shù)某尚凸に嚳梢灾频脤?dǎo)電復(fù)合材料。這是一種功能復(fù)合材料，在冶金、化工和電池制造等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。第52頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(4)耐腐蝕性能好聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能、也能耐堿、鹽和有機(jī)溶劑。因此．它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的化工管道、貯罐、塔器等具有較長的使用壽命、極低的維修費(fèi)用。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第53頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(5)熱性能良好玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，是一種優(yōu)良的絕熱材料。選擇適當(dāng)?shù)幕w材料和增強(qiáng)材料可以制成耐燒蝕材料和熱防護(hù)材料，能有效地保護(hù)火箭、導(dǎo)彈和宇宙飛行器在2000℃以上承受用溫、高速氣流的沖刷作用。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性(6)工藝性能優(yōu)良纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)良的工藝性能，能滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復(fù)雜、數(shù)量少制品的制造，第54頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(7)彈性模量金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能夠在較高的溫度下長期使用，但是聚合物基復(fù)合材料的彈性模量很低。因此，制成的制品容易變形。用碳纖維等高模量纖維作為增強(qiáng)材料可以提高復(fù)合材料的彈性模量，另外，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以克服其彈性模量差的缺點(diǎn)。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第55頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

比模量系指在溫度為23±2℃和相對濕度為50±5％的條件下測量的楊氏模量(單位:N.m-2)除以比重(單位:N.m-3)。

楊氏模量就是指表達(dá)物體在變形時(shí)所受的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的比例常數(shù)。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性在彈性范圍內(nèi)大多數(shù)材料服從虎克定律，即變形與受力成正比?？v向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)就是材料的彈性模量E，也叫楊氏模量。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比值稱為泊松比μ，也叫橫向變性系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。第56頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度和比模量（即強(qiáng)度、模量與密度之比）高。比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個(gè)指標(biāo)，比強(qiáng)度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的剛性愈大。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第57頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(8)長期耐熱性金屬基和陶瓷基復(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，即使耐高溫的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長期工作溫度也只能在300℃左右。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性(9)老化現(xiàn)象在白然條件下，由于紫外光、濕熱、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)侵蝕的作用，會導(dǎo)致復(fù)合材料的性能變差，即發(fā)生所謂的老化現(xiàn)象。復(fù)合材料在使用過程中發(fā)牛老化現(xiàn)象的程度與其組成、結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境有關(guān)。第58頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(10)抗疲勞性能好首先，缺陷少的纖維的疲勞抗力很高；其次，基體的塑性好，能消除或減小應(yīng)力集中區(qū)的大小和數(shù)量。(11)減振能力強(qiáng)復(fù)合材料的比模量高，所以它的自振頻率很高，不容易發(fā)生共振而快速脆斷；另外，復(fù)合材料是一種非均質(zhì)多相體系，在復(fù)合材料中振動衰減都很快。第三節(jié)復(fù)合材料基本特性第59頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復(fù)合材料是一種新型材料。它具有許多優(yōu)良的性能，并且其成本在逐漸地下降，成型工藝的機(jī)械化、白動化程度也在不斷地提高。團(tuán)此，復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀一、復(fù)合材料的應(yīng)用第60頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀硼纖維金屬基復(fù)合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件第61頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三美國B-2隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜第62頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三先進(jìn)橡膠輪胎使汽車成為交通主宰賽車上使用的特殊輪胎第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第63頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三高分子分離膜已被用來制造高效家庭凈水器第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀人工腎臟第64頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三生物陶瓷人造關(guān)節(jié)第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀耐高溫纖維制成的消防人員的服裝第65頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(1)在航空、航天方面的應(yīng)用由于復(fù)合材料的輕質(zhì)高強(qiáng)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(jī)的機(jī)冀蒙皮、機(jī)身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達(dá)罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強(qiáng)筋等主承力構(gòu)件。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第66頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三用復(fù)合材料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保險(xiǎn)杠、引擎罩、儀表盤、驅(qū)動軸、板黃等。隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復(fù)合材料來制造是最好的選擇。復(fù)合材料常被用于制造高速列車的車箱外殼、內(nèi)裝飾材料、整體衛(wèi)生間、車門窗、水箱等。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀(2)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用

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1／4，而且在受到撞擊時(shí)復(fù)合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護(hù)人員的安全。

第67頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(3)在化學(xué)工業(yè)方面的應(yīng)用在化學(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。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀(4)在電氣工業(yè)方面的應(yīng)用聚合物基復(fù)合材料是一種優(yōu)異的電絕緣材料，被廣泛地用于電機(jī)、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機(jī)護(hù)環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。第68頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

(5)在建筑工業(yè)方面的應(yīng)用

玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料(玻璃鋼)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性能好的特點(diǎn)，因此，它是一種理想的建筑材料。在建筑上，玻璃鋼被用作承力結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冷卻塔、水箱、衛(wèi)生潔具、門窗等。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第69頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(6)在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用

復(fù)合材料在機(jī)械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風(fēng)機(jī)、各種機(jī)械部件如齒輪、皮帶輪和防護(hù)罩等。用復(fù)合材料制造叫片具力制造容易、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片都是由復(fù)合材料制造的。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第70頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(7)在體育用品方面的應(yīng)用

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、雪橇等。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第71頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三我國是制造和使用復(fù)合材料最早的國家，遠(yuǎn)在400余年前就發(fā)明了以麻絲增強(qiáng)大漆，構(gòu)成典型的復(fù)合材料器皿，并一直沿用至今?，F(xiàn)代復(fù)合材料是1958年才開始發(fā)展的，是以玻璃纖維增強(qiáng)熱固性聚合物為主要品種。二、復(fù)合材料研究現(xiàn)狀第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第72頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三除聚合物基復(fù)合材料以外，目前已展開金屬基、陶瓷基、碳基、水泥基，以及功能復(fù)合材料的制備科學(xué)和其結(jié)構(gòu)與性能的研究，有些研究處于國際復(fù)合材料前沿，如納米復(fù)合材料，智能復(fù)合材料等。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第73頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三一、原材料的研究結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料中關(guān)鍵的原材料是增強(qiáng)體。我國于20世紀(jì)50年代末，開始研制玻璃纖維增強(qiáng)體，研究了各種玻璃纖維的配方，包括中堿的Ｃ玻璃，無堿的Ｅ玻璃以及高強(qiáng)度的Ｓ玻璃等。工藝方法是以傳統(tǒng)的坩堝法為主，近來正發(fā)展到先進(jìn)的池窯法（直接熔融法）。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀高性能增強(qiáng)體如碳纖維、芳酰胺纖維（芳綸）、超高分子量聚已乙烯纖維，以及一些陶瓷纖維等我國均有研究。特別是碳纖維在20世紀(jì)60年代即從聚丙烯腈原絲開始研究，一直到燒成碳纖維。隨后又解決了連續(xù)化的問題，并且開展有關(guān)機(jī)理性的研究。第74頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三二、各種基體復(fù)合材料的研究

１、聚合物基復(fù)合材料

熱固性聚合物基體主要為不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂，以及少量的耐高溫聚酰亞胺樹脂，其中的研究工作集中在合成新型樹脂，同時(shí)也對其結(jié)構(gòu)表征和固化過程進(jìn)行了研究。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

熱塑性聚合物基體除聚丙烯外，還有常用的工程塑料，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜和熱塑性聚酰亞胺等的合成，改性和表征等。第75頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三聚合物基復(fù)合材料加工成型方面，除手糊、噴射、模壓、纏繞、拉擠、熱壓罐成型等常規(guī)方法的研究外，也研究一些新型的加工方法，如樹脂傳遞法（RTM）的充模過程，包括其模擬計(jì)算等。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第76頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三２、金屬基復(fù)合材料目前主要集中在以輕金屬（如鋁、鎂、鈦）等為基體的復(fù)合材料研究，少量研究致力于銅、鐵、鉛基體的復(fù)合材料。增強(qiáng)的形式包括連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第77頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三３、其他基體復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料方面的研究工作，如熱壓燒結(jié)的碳化硅晶須增強(qiáng)氧化硅，或碳化硅基體的復(fù)合材料；氧化鋯顆粒增強(qiáng)碳化物陶瓷復(fù)合材料等的制備科學(xué)和結(jié)構(gòu)性能研究。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第78頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(1)降低成本由于復(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。二、復(fù)合材料今后的發(fā)展方向第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

(2)高性能復(fù)合材料的研制高性能復(fù)合材料是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性的復(fù)合材料。隨著人類向太空發(fā)展，航空航天工業(yè)對高性能復(fù)合材料的需求量越來越大，而且也會提出更高的性能要求，如更高的強(qiáng)度要求、更高的耐溫要求等。第79頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(3)功能性復(fù)合材料功能復(fù)合材料是指具有導(dǎo)電、超導(dǎo)、微波、摩擦、吸聲、阻尼、燒蝕等功能的復(fù)合材料。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第80頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(4)智能復(fù)合材料智能復(fù)合材料是指具有感知、識別及處理能力的復(fù)合材料。在技術(shù)上是通過傳感器、驅(qū)動器、控制器來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的上述能力。例如，當(dāng)用智能復(fù)合材料制造的飛機(jī)部件發(fā)生損傷時(shí)，可由埋入的傳感器在線檢測到該損傷，通過控制器決策后，控制埋入的形狀記憶合金動作，在損傷周圍產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而防止損傷的繼續(xù)發(fā)展，大大提高了飛機(jī)的安全性能。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第81頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(5)仿生復(fù)合材料

復(fù)合材料的設(shè)計(jì)從常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)發(fā)展。仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，成功地制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型梯度復(fù)合材料。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀仿照鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，由碳、鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固40％。第82頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三(6)環(huán)保型復(fù)合材料

從環(huán)境保護(hù)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)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—。第四節(jié)復(fù)合材料的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀第83頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三為什么陶瓷材料多表現(xiàn)為脆性?離子鍵無滑移或位錯(cuò)共價(jià)鍵不能松弛應(yīng)力且裂紋生成及擴(kuò)散所需能量小第五節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第84頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三陶瓷基復(fù)合材料(Ceramicmatriccomposite)是在陶瓷基體中引入第二相材料，使之增強(qiáng)、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)纖維和層狀材料等增強(qiáng)體而形成的復(fù)合材料。增韌陶瓷閥門增韌陶瓷刀片第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第85頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三陶瓷基復(fù)合材料有:（1）異相顆粒彌散強(qiáng)化陶瓷復(fù)合材料（2）纖維增韌增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料（3）原位生長陶瓷復(fù)合材料（4）梯度功能陶瓷復(fù)合材料（5）納米陶瓷復(fù)合材料第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第86頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌機(jī)理多相復(fù)合材料的設(shè)計(jì)三項(xiàng)原則:相之間在化學(xué)上相容性相之間在物理上的相容性熱膨脹系數(shù)匹配彈性模量復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第87頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三顆粒包括氧化物和非氧化物顆粒，也可以是金屬、金屬間化合物顆粒。強(qiáng)韌化機(jī)理（1）顆粒能抑制基體的晶粒長大形成細(xì)晶。如SiC顆粒彌散在Si3N4基體中，可以在一定的程度上抑制Si3N4晶粒的長大，從而獲得細(xì)晶粒的顯微結(jié)構(gòu)。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料1、顆粒彌散增韌陶瓷基復(fù)合材料SiC顆粒彌散在Si3N4基體第88頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三2)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)反應(yīng)，同時(shí)保證具有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。彈性模量只在材料受外力作用時(shí)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)力場是陶瓷得到增韌的主要根源第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料1、顆粒彌散增韌陶瓷基復(fù)合材料第89頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三假設(shè)第二相顆粒與基體不存在化學(xué)反應(yīng)，但存在著熱膨脹系數(shù)的失配，由于冷卻收縮的不同，顆粒將受到一個(gè)應(yīng)力。當(dāng)顆粒處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而基體徑向處于拉伸狀態(tài)、切向處于壓縮狀態(tài)時(shí)，可能產(chǎn)生具有收斂性的環(huán)向微裂（圖a）；當(dāng)顆粒處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而基體徑向受壓應(yīng)力，切向處于拉應(yīng)力狀態(tài)，可能產(chǎn)生具有發(fā)散性的徑向微裂（圖b）。若徑向微裂紋向周圍分散，則更容易相互連通而形成主裂紋。但在同等條件下容易產(chǎn)生環(huán)向微裂紋。

第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料1、顆粒彌散增韌陶瓷基復(fù)合材料第90頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三裂紋在材料中的擴(kuò)展路徑p

m）當(dāng)熱膨脹系數(shù)p

m時(shí)，裂紋在基體中發(fā)展，增加了裂紋擴(kuò)展路徑，因而增加了裂紋擴(kuò)展的阻力.第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第91頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)p

m時(shí)，若顆粒在某一裂紋面內(nèi)，則裂紋向顆粒擴(kuò)展時(shí)將首先直接達(dá)到顆粒與基體的界面。此時(shí)如果外力不再增加，則裂紋就在此釘扎，這就是裂紋釘扎增韌機(jī)理的本質(zhì)。若外加應(yīng)力進(jìn)一步增大，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展或穿過顆粒發(fā)生穿晶斷裂（圖b），或繞過顆粒，沿顆粒與基體的界面擴(kuò)展，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)（圖C）。即使發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因偏轉(zhuǎn)程度較小，界面斷裂能低于基體斷裂能，增韌的幅度也較小。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料圖C圖b第92頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三晶間斷裂模式第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第93頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三ZrO2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(qiáng)度和斷裂韌性，但在高溫下由于相變的消失，強(qiáng)度急劇下降。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料2、ZrO2微裂紋強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料單斜相(m)ZrO2， 1170C四方相(t)ZrO2；2370C立方相ZrO2。ZTA性能隨ZrO2體積含量的變化第94頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三圖1相變增韌示意圖

圖2ZTA中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致性能隨ZrO2體積含量的變化第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第95頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三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(shí)的韌性。增韌機(jī)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。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料3金屬顆粒和金屬間化合物顆粒的彌散強(qiáng)化裂紋終止于顆粒裂紋的分岔裂紋偏轉(zhuǎn)顆粒塑性變形第96頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三橋聯(lián)第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第97頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三拔出功增韌第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料顆粒的拔出第98頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三通過有效的分散、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。一般分三類：A、基體晶粒內(nèi)彌散納米粒子第二相（高溫、低溫力學(xué)）B、基體晶粒間彌散納米粒子第二相（高溫、低溫力學(xué)）C、基體與第二相同為納米晶粒（加工性、超塑性）納米彌散相抑制了基體晶粒的生長和減輕了晶粒的異常長大。形成均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu)和減少大晶粒缺陷的數(shù)量，提高材料的力學(xué)性能。4、納米強(qiáng)韌化機(jī)理第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第99頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三晶界間晶粒內(nèi)部納米粒子通過釘扎作用進(jìn)入位錯(cuò)群中，一方面使基體粒子形成亞晶界，使基體晶粒細(xì)化而起增強(qiáng)作用，另一方面當(dāng)在應(yīng)力作用下材料內(nèi)部產(chǎn)生微小裂紋，其擴(kuò)展將受到硬性納米粒子的反射、阻礙或在亞晶界處產(chǎn)生裂紋分枝而消耗能量第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第100頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三要求：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?；瘜W(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)生化學(xué)反應(yīng)及不引起性能退化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)力為壓應(yīng)力。當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到纖維時(shí)受阻，如果裂紋繼續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)展就必須提高外應(yīng)力。由于基體與纖維間的界面的離解，同時(shí)又由于纖維的強(qiáng)度高于基體的強(qiáng)度，從而使纖維可以從基體中拔出。當(dāng)拔出的長度達(dá)到某一臨界值時(shí)，纖維斷裂。5、纖維增韌陶瓷材料機(jī)理第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第101頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三

纖維在基體中的不同分布方式纖維無規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(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。纖維采用三維編織，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第102頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料纖維橋聯(lián)基體裂紋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線航天飛機(jī)防熱瓦的纖維質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)第103頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三用晶須作為增強(qiáng)相可以顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，但因?yàn)閮r(jià)格昂貴，目前僅在少數(shù)宇航器件上采用?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，晶須(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韌的作用。ZnO晶須自增韌Si3N4陶瓷6、晶須增韌第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第104頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三調(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)生類似與晶須增強(qiáng)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）第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料7、自增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料莫來石晶須第105頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料7、自增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料第106頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三用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)合材料第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第107頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三二、陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì)1、界面的粘結(jié)形式

（1）機(jī)械結(jié)合 （2）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(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。若增強(qiáng)體與基體在高溫時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，那么在冷卻下來時(shí)，陶瓷的收縮大于增強(qiáng)體，由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力與界面剪切應(yīng)力有關(guān)：=

，為摩擦系數(shù)，一般取0.1~0.6。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第108頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三2、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。因此，陶瓷基復(fù)合材料界面要有一個(gè)最佳的界面強(qiáng)度。圖1陶瓷基復(fù)合材料界面示意圖第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料強(qiáng)的界面粘結(jié)往往導(dǎo)致脆性破壞，裂紋在復(fù)合材料的任一部位形成并迅速擴(kuò)展至復(fù)合材料的橫截面，導(dǎo)致平面斷裂。這是由于纖維的彈性模量不是大大高于基體，因此在斷裂過程中，強(qiáng)界面結(jié)合不產(chǎn)生額外的能量消耗。若界面結(jié)合較弱，當(dāng)基體中的裂紋擴(kuò)展至纖維時(shí)，將導(dǎo)致界面脫粘，發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、纖維斷裂以至于最后纖維拔出。所有這些過程都要吸收能量，從而提高復(fù)合材料的斷裂韌性。

第109頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三3、界面性能的改善為了獲得最佳界面結(jié)合強(qiáng)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。實(shí)際當(dāng)中除選擇增強(qiáng)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C、SiC、BN、ZrO2和SnO2等。纖維表面涂層處理對纖維還可起到保護(hù)作用。纖維表面雙層涂層處理是最常用的方法。其中里面的涂層以達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止纖維機(jī)械性能降解。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第110頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三三、陶瓷基復(fù)合材料的性能1、室溫力學(xué)性能1）拉伸強(qiáng)度和彈性模量對陶瓷基復(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，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，材料的拉伸失效有兩種：圖纖維陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第一：突然失效。如纖維強(qiáng)度較低，界面結(jié)合強(qiáng)度高，基體較裂紋穿過纖維擴(kuò)展，導(dǎo)致突然失效。第二：如果纖維較強(qiáng)，界面結(jié)合較弱，基體裂紋沿著纖維擴(kuò)展。纖維失效前纖維/基體界面在基體的裂紋尖端和尾部脫粘。因此，基體開裂并不導(dǎo)致突然失效，材料的最終失效應(yīng)變大于基體的失效應(yīng)變。

第111頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三2）斷裂韌性纖維拔出與裂紋偏轉(zhuǎn)是復(fù)合材料韌性提高的主要機(jī)制。纖維含量增加，阻止裂紋擴(kuò)展的勢壘增加，斷裂韌性增加。但當(dāng)纖維含量超過一定量時(shí)，纖維局部分布不均，相對密度降低，氣孔率增加，其抗彎強(qiáng)度反而降低。圖CF/LAS的斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度隨纖維含量的變化第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第112頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三3）壓縮及彎曲強(qiáng)度對于脆性材料，用彎曲和壓縮試驗(yàn)更能表征材料的強(qiáng)度性能。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第113頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三4）影響因素增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)：復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)符合混合定律的線性關(guān)系。但當(dāng)纖維含量超過一定量時(shí)，纖維局部分布不均，氣孔率增加，導(dǎo)致材料力學(xué)性能偏離混合定律的線性關(guān)系。Phlips等提出如下經(jīng)驗(yàn)公式修正偏差：Em=Em0（1–1.9ρ+0.9ρ

2）式中Em：有孔隙材料的彈性模量；Em0：無孔隙材料的彈性模量；ρ：基體中的孔隙率。圖連續(xù)CF/玻璃復(fù)合材料的彈性模量與纖維含量的關(guān)系第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第114頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三熱膨脹系數(shù)：當(dāng)基體熱膨脹系數(shù)大于纖維熱膨脹系數(shù)時(shí)，會導(dǎo)致纖維與基體界面結(jié)合的減弱甚至脫離。但適當(dāng)減弱界面結(jié)合，則有利于裂紋的擴(kuò)展或沿晶界偏轉(zhuǎn)或鈍化和分散裂紋尖端造成的應(yīng)力集中。 圖微晶玻璃基體的熱膨脹系數(shù)對復(fù)合材料性能的影響第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第115頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三密度：彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都隨復(fù)合材料的密度增加而增加。密度的增加不僅提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度，而且改變了應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀。圖不同密度的C/SiC復(fù)合材料的應(yīng)力-位移曲線1、ρ=1.8g/cm3、2、ρ=2.1g/cm3第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第116頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三界面： 有碳界面層的C/SiC復(fù)合材料在斷裂中表現(xiàn)出復(fù)合材料的典型斷裂行為，即當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值后，不是突然下降，而是呈梯形降低（曲線1）。 密度較高而無碳界面層的C/SiC復(fù)合材料在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為達(dá)到最大值后，應(yīng)力曲線緩慢下降（曲線2）。圖不同界面狀況復(fù)合材料的應(yīng)力-位移曲線第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第117頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三顆粒含量和粒徑：

圖SiCP含量對SiCP/AlN性能的影響

圖SiCP粒徑對iCP/AlN性能的影響顆粒含量對材料彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性提高效果不是太大，但粒徑的影響卻較大。復(fù)合材料的性能隨著粒徑而增大，但隨著粒徑的進(jìn)一步增大。其性能反而下降；這是由于材料的致密度下降，同時(shí)引進(jìn)了更多的缺陷的緣故。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第118頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三2、高溫力學(xué)性能

1）強(qiáng)度分別為不同溫度下SiCF/MAS堇青石復(fù)合材料的力學(xué)性能變化。室溫下，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度比基體材料高約10倍，彈性模量提高約2倍。復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度至700℃保持不變，然后強(qiáng)度隨溫度升高而急劇增加；但彈性模量卻隨著溫度升高從室溫的137GPa降到850℃的80GPa。這一變化顯然與材料中殘余玻璃相隨溫度升高的變化相關(guān)。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第119頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三1）強(qiáng)度圖1為SiCW/Al2O3復(fù)合材料的斷裂韌性隨溫度的變化。隨溫度升高，基體陶瓷的斷裂韌性呈下降趨勢，而復(fù)合材料的KIC卻保持不變；在大于1000℃之后，KIC呈上升趨勢。研究結(jié)果表明，不僅復(fù)合材料的斷裂韌性得到提高，而且室溫力學(xué)性能及高溫力學(xué)性能、抗熱沖擊性能及抗高溫蠕變性能均得到本質(zhì)上的改善。圖2是不同SiCW含量的Al2O3復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度的變化。SiCW的加入增加了韌性及斷裂功被歸功于裂紋橋聯(lián)和纖維拔出增韌機(jī)制。第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料第120頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三2）熱沖擊性（熱震性）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)冷熱交替作用而不致破壞的能力稱為抗熱震性（ThermalshockResistance），也稱之為耐熱沖擊性或熱穩(wěn)定性?？篃嵴鹦耘c材料本身的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、抗張強(qiáng)度及材料中氣相、玻璃相及其晶相的粒度有關(guān)。圖20%SiCW/Al2O3復(fù)合材料的抗熱震性能第三節(jié)陶瓷基復(fù)合材料在Al2O3中加入20Vol%的SiC晶須后，不僅強(qiáng)度提高了一倍，而且抗熱震性得到明顯提高。第121頁，共135頁，2023年，2月20日，星期三①氧化鋁陶瓷基體

以氧化