航空航天復(fù)合材料 課件全套 第1-10章 復(fù)合材料概論 - 新型復(fù)合材料

復(fù)合材料原理復(fù)合材料原理1概論2增強體3復(fù)合理論4界面理論5高聚物基復(fù)合材料6陶瓷基復(fù)合材料7金屬基復(fù)合材料8納米復(fù)合材料9高性能無機非復(fù)合材料10遺態(tài)復(fù)合材料11新型復(fù)合材料本課程主要內(nèi)容：

復(fù)合材料=基體+增強體

界面主要內(nèi)容一二三四知識點1-復(fù)合材料定義與分類

物質(zhì)與材料復(fù)合材料的定義與特點復(fù)合材料的組成與命名復(fù)合材料的分類物質(zhì)：是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的存在，世界是由物質(zhì)組成的。材料：則是人類用來制造產(chǎn)品的物質(zhì)。人類發(fā)展的四大階段：1.石器時代（10000－6000年前）；2.青銅器時代（6000－2500年前）；3.鐵器時代（2500年前～）；4.人工合成時代（19世紀(jì)西方產(chǎn)業(yè)革命～）等。一、

物質(zhì)與材料二、

復(fù)合材料的定義與特點一般定義：用經(jīng)過選擇、含有一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或組元），通過人工復(fù)合，組成多相且各相之間有明顯界面、具有特殊性能的材料。特點：1．復(fù)合材料由多組分材料組成。2．組分間的比例具有極強的可設(shè)計性。3．組分保持各自固有的物理和化學(xué)特性。4．復(fù)合材料組分間有復(fù)合效應(yīng)，產(chǎn)生單組分所不具有的特殊性能。5．復(fù)合材料是一種多相材料，存在著明顯的界面。6．復(fù)合材料是人工制備而非天然形成注意點1：復(fù)合材料不同于合金：1．復(fù)合材料可具有金屬特性也可具有非金屬特性，而合金則以金屬鍵為主僅具有金屬特性。2．復(fù)合材料中組分之間形成明顯的界面，保持各自的特性，并可在界面處發(fā)生反應(yīng)形成過渡層，而合金的組元之間發(fā)生物理、化學(xué)或兩者兼有的反應(yīng)，是以固溶體和化合物的形式存在。3．合金的熱脹系數(shù)大，而復(fù)合材料的膨脹系數(shù)可以很小或0甚至為負(fù)數(shù)。4．從更高的層次看，合金是固溶體與化合物復(fù)合而成的復(fù)合材料。注意點2：復(fù)合材料不同于復(fù)合物質(zhì)：復(fù)合材料非洲的原始部落棚屋復(fù)合物質(zhì)鮑魚殼復(fù)合材料福建土樓墻體

復(fù)合材料安徽土樓墻體

復(fù)合材料撐桿Glassfiberweb/epoxy玻璃纖維網(wǎng)/環(huán)氧Glassfiberrings玻璃纖維環(huán)Longitudinalcarbonfibers/epoxy縱向碳纖維/環(huán)氧1.木質(zhì)和半纖維素基體上分布纖維素絲2.由年輪組成層裝復(fù)合物質(zhì)3.垂直于年輪的帶狀結(jié)構(gòu)起強化作用復(fù)合物質(zhì)木材復(fù)合材料自行車輪轂、車架復(fù)合物質(zhì)人體長骨(肱骨)結(jié)構(gòu)示意圖（a）近骺端正面解剖圖（b）骨骺中松質(zhì)骨和致密骨的三維放大圖（c）骨干的橫截面放大圖骨干的外表面覆蓋著骨膜，骨骺的關(guān)節(jié)面覆蓋著透明軟骨三、

復(fù)合材料的組成與命名1）以增強體名稱命名。強調(diào)增強體如碳纖維增強復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強復(fù)合材料、晶須增強復(fù)合材料等。2）以基體名稱命名。強調(diào)基體如金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料等。3）以增強體和基體共同命名。兩者并重復(fù)合材料=基體+增強體

界面1.復(fù)合材料的組成2.復(fù)合材料的命名基體：高分子基、金屬基、無機非基等增強體：零維、一維、二維、三維等界面：是復(fù)合材料的核心，決定其性能一般為增強體在前，基體在后，兩者間由“/”分開。如（Al2O3+TiB2）/Al。有時也用下標(biāo)p、w、f分別表示增強體為顆粒、晶須、纖維的形態(tài)，如TiB2P/Al。國際上的表示符號則有其英文首字母表示。如金屬基復(fù)合材料（Metalmatrixcomposites縮寫為MMCs）聚合物基復(fù)合材料（Polymermatrixcomposites,縮寫為PMCs）陶瓷基復(fù)合材料（Ceramicmatrixcomposites,縮寫為CMCs）3.書寫格式：四、

復(fù)合材料的分類謝謝！再見！按增強體產(chǎn)生的方式分內(nèi)生型：增強體在基體中通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生外生型：增強體從外部直接加入基體按性能高低分按增強體材料的種類分按基體材料的種類分按用途分按增強體材料的形狀分結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料石墨基復(fù)合材料（碳碳復(fù)合材料）水泥基復(fù)合材料熱固性熱塑性橡膠普通復(fù)合材料先進復(fù)合材料顆粒增強晶須增強纖維增強零維（顆粒狀）一維（纖維狀）二維（片狀或平面織物）三維（三向編織體）復(fù)合材料分類隨機分布擇優(yōu)分布單層復(fù)合材料多層復(fù)合材料長纖維短纖維層板復(fù)合材料混雜復(fù)合材料主要內(nèi)容一二三四知識點2-復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用

復(fù)合材料的發(fā)展史復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料發(fā)展方向復(fù)合材料研究存在的問題一、

復(fù)合材料的發(fā)展史1.早期復(fù)合材料1）西安半坡村草拌泥作墻體－最早的纖維增強復(fù)合材料2）公元前埃及的金字塔采用的沙石和火山灰制成的混凝土，是最早的顆粒增強復(fù)合材料3）中國的布鞋是最早的層狀復(fù)合材料4）1972－1974年中國湖南馬王堆出土的的漆器（距今2500多年）是最典型的復(fù)合材料：用絲、麻作增強體，漆做粘結(jié)劑。5）唐朝的鑒真和尚漆佛像保存在日本1000多年了，成了日本的國寶，每年僅開放數(shù)天。寶劍的青銅合金是由銅、錫以及少量的鋁，鐵，鎳，硫按照嚴(yán)格的配比組成的。

劍脊含銅較多，能使劍韌性好，不易折斷。而刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒利?；y處含硫高，硫化銅可以防止銹蝕，以保持花紋的艷麗。雖然是同一把劍，不同部位卻有著不同金屬配比的鑄造工藝，這種工藝稱之為復(fù)合金屬工藝－功能梯度。

復(fù)合金屬工藝在世界上很多國家都是近代才開始出現(xiàn)，而中國早在兩千多年前的春秋時期，就已經(jīng)掌握了這項技術(shù)，著實令世人嘆為觀止。圖2越王勾踐寶劍圖3近代復(fù)合材料的不同發(fā)展階段2.近代復(fù)合材料近代復(fù)合材料是以1942年制出的玻璃纖維增強塑料為起點第一階段：1940～1960年，以玻璃纖維增強塑料為標(biāo)志。第二階段：1960～1980年，主要以碳纖維、kevler纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為標(biāo)志，并被用于飛機、火箭的主要承力件上。第三階段：1980～1990年，主要以纖維增強鋁基復(fù)合材料為標(biāo)志，我國則以上海交通大學(xué)、東南大學(xué)等主導(dǎo)研究了氧化鋁纖維增強鋁基復(fù)合材料，東南大學(xué)吳申慶教授將其應(yīng)用于鋁活塞，顯著提高了活塞火力岸的耐熱性能和耐磨性能，成倍延長了活塞的使用壽命，并在德國馬勒公司得到推廣應(yīng)用。第四階段：1990～，主要以多功能復(fù)合材料為主，如智能復(fù)合材料、功能梯度復(fù)合材料等。3.當(dāng)前熱點復(fù)合材料1.功能梯度復(fù)合材料通過成分地梯度變化，獲得功能的梯度。2.智敏復(fù)合材料能驗知環(huán)境變化，通過改變自身的一個或多個參數(shù)適應(yīng)環(huán)境的變化，是驗知和執(zhí)行的復(fù)合3.智能復(fù)合材料

是智敏復(fù)合材料的高級形式。智敏材料能對環(huán)境作出線性反應(yīng)，而智能材料則能根據(jù)環(huán)境條件的變化程度非線性地使材料與之適應(yīng)以達到最佳效果。區(qū)別：也有學(xué)者不作區(qū)分，統(tǒng)稱智能材料。智敏：自診斷、自適應(yīng)和自愈合智能：自診斷、自適應(yīng)、和自愈合＋自決策、自修補。如：皮膚、自愈合裂紋的混凝土、自診斷斷裂的飛機機翼等。4.遺態(tài)仿生復(fù)合材料等通過生物結(jié)構(gòu)和形態(tài)的遺傳、化學(xué)組分的變異處理，制備保持自然界生物精細(xì)形貌和結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合材料。二、

復(fù)合材料的應(yīng)用

（a）碳纖維撐桿

（b）碳纖維自行車

（c）碳纖維高爾夫擊球頭

（d）碳纖維隱身艇圖4復(fù)合材料應(yīng)用舉例

圖5水上機器人圖6A350飛機的材料比例

圖7裁剪中的航空復(fù)合材料

圖8T800生產(chǎn)線SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料制造汽車制動盤，代替?zhèn)鲃拥蔫T鐵制動盤，重量減輕了60%~40%，而且提高了耐磨性能，噪音明顯減小，摩擦散熱快；SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料制造汽車發(fā)動機活塞和齒輪箱等，大大提高其耐磨性、耐高溫性能等，熱膨脹系數(shù)降低，導(dǎo)熱性提高。

水上機器人(UnmannedSurfaceVehicle,USC)用于近海環(huán)境實時監(jiān)測、資源探測、海洋災(zāi)害預(yù)警和防治等多種用途。ZPM公司近日宣布Piranha水上機器人（USV），一款輕型復(fù)合材料船只，建造主要基于Arovex?型碳納米管增強碳纖維預(yù)浸料。

圖1-11運-20飛機圖1-12我國首架全復(fù)合材料輕型公務(wù)機我國發(fā)展情況：（1）阻燃玻纖/環(huán)氧、玻纖/酚醛復(fù)合材料，已成功應(yīng)用于運-20飛機（2）碳纖維復(fù)合材料用于輕型公務(wù)機（3）中科院王奇等人：石墨烯鉑復(fù)合材料可以提高燃料電池的反應(yīng)效率（4）等離子體技術(shù)制備氮摻雜石墨烯—鉑納米復(fù)合材料的研究中，也取得了相應(yīng)進展三、復(fù)合材料發(fā)展方向1．功能復(fù)合材料過去的復(fù)合材料主要集中在結(jié)構(gòu)應(yīng)用，目前，充分利用復(fù)合材料設(shè)計自由度大的特點，已拓展到功能復(fù)合材料領(lǐng)域，如1）電功能：有導(dǎo)電、超導(dǎo)、絕緣、吸波(電磁波)、半導(dǎo)體，電、屏蔽或透過電磁波、壓電與電致伸縮等；2）磁功能：有永磁、軟磁、磁屏蔽和磁致伸縮等；3）光功能：有透光、選擇濾光、光致變色、光致發(fā)光、抗激光、x線屏蔽和透X光等；4）聲功能：吸聲、聲納、抗聲納等；5）熱功能：導(dǎo)熱、絕熱與防熱、耐燒蝕、阻燃、熱輻射等；6）機械功能：有阻尼減振、自潤滑、耐磨、密封、防彈裝甲等；7）化學(xué)功能：有選樣吸附和分離、抗腐蝕等。2．多功能復(fù)合材料3．機敏復(fù)合材料4．智能復(fù)合材料5．納米復(fù)合材料6．仿生遺態(tài)復(fù)合材料7．分級結(jié)構(gòu)復(fù)合材料圖9分級結(jié)構(gòu)示意圖蜘蛛網(wǎng)（cm）蜘蛛絲（μm）納米復(fù)合網(wǎng)（>100nm）蛋白質(zhì)（>10nm）β-晶體（nm）氫鍵構(gòu)成的β帶圖1-10蜘蛛網(wǎng)的分級結(jié)構(gòu)示意圖四、

復(fù)合材料研究存在的問題1．界面結(jié)構(gòu)研究2．可靠性研究3．復(fù)合材料的設(shè)計與制備方法研究4．復(fù)合材料的綜合處理與再生研究圖1-13斷裂的撐桿謝謝！再見！增強體復(fù)合材料原理

增強體概述1.定義：復(fù)合材料中凡能提高基體材料力學(xué)性能的組分稱增強體2.增強體的一般要求：1）提高基體的一種或多種性能:如：比強度、比模量、熱導(dǎo)率、耐熱性等2）良好的化學(xué)穩(wěn)定性：使用中組織、結(jié)構(gòu)、性能不明顯變化或退化、不與基體發(fā)生嚴(yán)重的界面化學(xué)反應(yīng)3）與基體良好的界面潤濕性：保證增強體在基體中分布與基體良好復(fù)合4）環(huán)境相容性好等特點5）成本低、工藝性能好3.增強體分類：

1）按幾何形狀分：零維（顆粒、微珠（空心、實心））一維（纖維、晶須）二維（片狀）晶板(寬厚比>5)

三維（編織）

2）習(xí)慣上分：纖維：細(xì)長狀，直徑4~140μm，多晶體晶須：呈棒狀，直徑0.2~1μm，長幾十微米，單晶體、缺陷少顆粒：顆粒狀，直徑3.5~10μm，陶瓷、石墨等無機非金屬顆粒及金屬顆粒等單元內(nèi)容一纖維晶須二顆粒三增強體知識點1-纖維（玻璃纖維）纖維概述主要內(nèi)容一二玻璃纖維纖維有機纖維無機纖維玻璃纖維硼纖維碳纖維碳化硅纖維氧化鋁纖維芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酯纖維超高相對分子量聚乙烯纖維3.形成纖維的材料元素：一般為周期表右上角的部分元素：Be、C、B、Al、Si及其與N和O的化合物1.定義：

纖維是指一維尺寸很長，另兩維尺寸很小的組分材料2.分類：

跟據(jù)纖維成分可分為無機纖維和有機纖維一、纖維概述圖1纖維狀和塊狀材料的平均強度和離散系數(shù)二、玻璃纖維1.成分：非晶型無機纖維，主要成分為二氧化硅與金屬Ca、Na、Al、Fe等和非金屬B等的氧化物，屬于無定型離子結(jié)構(gòu)物質(zhì)。SiO2：形成骨架，具有高的熔點；BeO：提高模量，但毒性大；B2O3：提高耐酸性，改善電性能、降低熔點、粘度，降低模量和強度。氧化物：降低熔點；改善制備工藝。2．結(jié)構(gòu)：圖2玻璃的無定型結(jié)構(gòu)（a）玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二維圖像（b）當(dāng)Na2O加入（a）中網(wǎng)絡(luò)的變化3.性能1）力學(xué)性能：（1）應(yīng)力與應(yīng)變曲線為直線，無屈服、無塑性、呈脆性特征。（2）拉伸強度高，1750MPa；模量較低E＝70GPa；密度2.55；熱脹系數(shù)4.7×10-6K-1；強度隨著纖維直徑的減小而增強、隨濕度的增加而減??；強度的分散性較大。2）熱性能（1）導(dǎo)熱性：成纖維前熱導(dǎo)率：2508J/m.℃，成纖維后熱導(dǎo)率：125.4J/m.℃。（2）耐熱性：較高，軟化點為550～580℃，膨脹系數(shù)為4.8×10-6℃-1。玻璃纖維熱處理（升溫再降溫的過程）使微裂紋增加，強度降低。3）電性能（1）電絕緣性能優(yōu)。體積電阻率1011～1018Ω.cm。注意：（1）在玻纖中加入大量的氧化鐵、氧化鉛、氧化銅、氧化鉍等使其具有半導(dǎo)體性能；（2）在纖維表面涂覆石墨或金屬，成為導(dǎo)電纖維。（3）高頻介電性能好。介電常數(shù)較小，介電損耗低。4）耐介質(zhì)性能玻璃：具有良好的耐酸（HF除外）、堿、有機溶劑的能力；玻璃纖維：由于表面增加，耐蝕能力比塊體玻璃差。注意：玻璃纖維在水中浸泡時，強度會降低；干燥后，可部分恢復(fù)。玻璃纖維與水的物理作用使強度損失，干燥后強度恢復(fù)(可逆)；但玻璃纖維與水發(fā)生化學(xué)作用時強度損失(不可逆)。1）以成分（不同含堿量）可分為：無堿（E玻璃）：堿金屬氧化物含量<0.5%（國外<1%）.高強、耐熱、電性能優(yōu)（電氣玻璃），耐酸性差。中堿：堿金屬氧化物含量：11.5%~12.5%（國外無），耐酸性強、強度低于E玻璃有堿（A玻璃）：堿金屬氧化物含量高、強度低。對潮氣侵蝕極為敏感。特種:Al-Mg-Si，高強、高彈玻璃纖維

Si-Al-Mg-Ca，耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕高硅氧玻璃纖維;石英玻璃纖維，含鉛纖維。4.分類玻璃纖維E-玻璃纖維介電性能優(yōu)異耐化學(xué)、耐腐蝕耐環(huán)境性能好C-玻璃纖維耐化學(xué)性優(yōu)異力學(xué)性能低于E-纖維10%電氣性能較差S-玻璃纖維拉伸強度較E-玻纖提高35%壓縮強度提高25%模量提高20%D-玻璃纖維抗堿性優(yōu)異拉伸強度較水泥砂漿高2-3倍應(yīng)用廣成本低主用于次承力件圖3四種玻璃纖維性能比較2）以單絲直徑可分為：粗纖維：30μm初級纖維：20μm中級纖維：10-20μm高級纖維：3-10μm（紡織纖維）超細(xì)纖維：<4μm3）從外觀則可分為：連續(xù)纖維短切纖維空心玻璃纖維玻璃粉磨細(xì)纖維等4）以纖維特性可分為：高強、高模、耐堿，耐酸、耐高溫及普通玻璃纖維等5．制備：方法有十幾種，但主要是兩種：坩鍋法和池窯法1）坩鍋法其工藝流程為：玻璃球→坩鍋→單纖維→集束器→拉絲機→纖維絲?！儔浩鹘檮販貎x注意：1）坩鍋底部漏板上有數(shù)百個小孔（噴絲孔），玻璃纖維在重力作用下流出，經(jīng)集束器、拉絲器收集至轉(zhuǎn)筒。2）牽拉速度為600～1200m/min，最高達3500～4800m/min。3）坩鍋一般為鉑銠坩鍋，也可采用剛玉坩鍋。

圖4坩鍋法示意圖2）池窯法工藝流程為：配合料→熔窯→通路→漏板→單纖維→單絲上漿器→集束器→拉絲機→原絲筒?！販貎x→變壓器坩鍋法相比池窯法少了玻璃球的制備過程及二次融化過程，故可節(jié)能50％左右。圖5池窯法示意圖纖維上漿：即涂浸潤劑（石蠟、聚酯酸乙烯酯等兩種含乳化聚合物）。浸潤劑作用：除了防止纖維間摩擦、劃傷外，還具有以下作用：（1）黏結(jié)作用，使單絲集束成原紗或絲束；（2）防止纖維表面聚集靜電荷；（3）為纖維進一步加工提供所需的性能；（4）表面改性便于與基體結(jié)合。5．玻璃纖維的表征：1）定長法：國際統(tǒng)一表示法“×××tex”；“tex”公制稱號，表示1000m長原紗的質(zhì)量(g)。2）質(zhì)量法：1g原紗的長度；纖維支數(shù)=纖維長度/纖維質(zhì)量。如：40支表示每克40m；4tex表示1000m長原紗4g。謝謝！增強體復(fù)合材料原理

知識點2-纖維（B纖維、C纖維）主要內(nèi)容一二碳纖維硼纖維

一、硼纖維硼原子序數(shù)為5，相對原子質(zhì)量10.8，熔點2050℃，半導(dǎo)體性質(zhì)、硬度僅次于金剛石，難以制成纖維。一般硼纖維是通過在芯材（鎢絲、碳絲或涂炭或涂鎢的石英纖維，直徑一般為3.5～50μm）上沉積不定型的原子硼形成的一種無機復(fù)合纖維，直徑100～200μm。具有高強度、高模量和高硬度，強度達5.1GPa，是高性能復(fù)合材料的重要纖維增強體之一，1956年產(chǎn)生于美國。1．分類根據(jù)芯材的不同可分為:鎢芯硼纖維碳芯硼纖維石英纖維硼纖維等。

圖1硼纖維2．制備1）鹵化硼反應(yīng)法：（1）W絲沉積制B纖維

圖2硼沉積流程圖與反應(yīng)室溫度分布W芯絲材直徑為10～12

m，流程如下：

W絲→清洗室→沉積室→涂覆室→BF鹵化硼H還原反應(yīng)法氫化硼B(yǎng)2H6熱解法有機硼化物熱解熔融硼直接拉絲制備方法四種介紹兩種：鹵化硼H還原反應(yīng)法氫化硼B(yǎng)2H6熱解法①清洗：W絲表面采用NaOH溶液清洗表面氧化物，W絲直徑降至13

m左右。②第一沉積室：沉積室溫度控制在1120℃～1200℃，此時室中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

2BCl3+3H2

2B+6HCl

B沉積在W絲表面，一方面：發(fā)生硼鎢反應(yīng)生成WB、W2B5、WB4等金屬間化合物，體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，過大會產(chǎn)生芯部微裂紋。

另一方面：B同時向W中擴散。

注意：該階段溫度較低，目的是在硼鎢反應(yīng)和B向W中擴散時僅有少量的B沉積。③第二沉積室：溫度1200℃～1300℃，B沉積速度加快，得B纖維。④涂覆室：防止高溫時纖維與金屬在界面在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，劣化纖維。通常涂層有SiC、B4C等B4C涂層：將B纖維置入涂覆室，涂覆層的形成主要通過通入H2、BCl3、CH4等氣體，在涂覆室發(fā)生以下反應(yīng)：4BCl3+4H2+CH4

B4C+12HCl

過程（2）碳絲沉積制BF

芯材C絲直徑為33

m左右，制備流程如下：

C絲→裂解石墨室→沉積室→涂覆室→BFC絲沉積制BF的流程與W絲相似，只是將清洗室改為裂解石墨室，先在碳纖維上涂一層1～2

m厚的裂解石墨以緩沖硼在沉積過程中形成的殘余應(yīng)力。由于C與B的熱膨脹系數(shù)差異大，會在C芯中產(chǎn)生較大的拉伸殘余應(yīng)力，若不即時釋放，甚至可使碳芯一節(jié)節(jié)地斷裂。注意：（1）鹵化硼價昂貴，每次僅有10%轉(zhuǎn)化為B，需回收。（2）反應(yīng)器的兩端采惰性氣體密封，消除了以往汞密封對環(huán)境的污染、纖維表面的機械損傷以及汞污染纖維所造成的沉積缺陷。2）氫化硼（B2H6）熱解法芯材：一般為炭涂層或鎢涂層的石英纖維，沉積溫度不能高，相比于鹵化硼法，該法具有反應(yīng)溫度相對較低、熱膨脹性能好、密度低、比模量高等優(yōu)點，但外層硼與芯材的結(jié)合強度不高，且含氣體，故其強度不高。3．結(jié)構(gòu)與組織硼纖維的結(jié)構(gòu)取決于硼的沉積條件、溫度、氣體的成分、氣態(tài)動力學(xué)等因素。1）形貌

圖3硼纖維的“玉米棒”結(jié)構(gòu)硼纖維的形貌與芯材有關(guān)W絲芯材：表面構(gòu)成不規(guī)則的小節(jié)節(jié)，形成“玉米棒”狀；節(jié)節(jié)直徑3-7微米，高1-3微米，并有深度為0.25-0.75微米的節(jié)間溝，構(gòu)成粗糙的外觀結(jié)構(gòu)。C絲芯材：C絲不與B反應(yīng)，且比W輕，纖維表面光滑，無節(jié)節(jié)現(xiàn)象。2）結(jié)構(gòu)

圖4十二個硼原子形成的二十面體結(jié)構(gòu)

（1）1200℃以上化學(xué)氣相沉積時形成的無定形硼，即

－菱形晶胞結(jié)構(gòu)，其基本單元是由12個硼原子組成的20面體。（2）低于1200℃，如果還能產(chǎn)生結(jié)晶硼時，一般是形成α菱形六面體晶胞結(jié)構(gòu)。（3）沉積法形成B纖維，通常希望是無定型結(jié)構(gòu)。（4）由X射線和電子衍射分析可知，無定型結(jié)構(gòu)實際上是晶粒直徑為2nm左右的微晶結(jié)構(gòu)（

－菱形）。當(dāng)溫度超過1300℃時，出現(xiàn)晶態(tài)硼，降低硼纖維的強度，故沉積溫度應(yīng)控制在1300℃以下。

4．B纖維的殘余應(yīng)力r(+)0.7~0.8(-)1.0~1.4(-)0.3~0.50σθ/GPaσr芯表層σθ圖5硼纖維橫截面上的殘余應(yīng)力的分布5．結(jié)構(gòu)缺陷圖6鎢芯硼纖維中芯與覆蓋層之間的孔洞單元容6．硼纖維的表面涂層一般：BN、SiC、B4C等。SiC層：通過二甲基二氯硅烷氣體分解成SiC沉積到B纖維上，厚度2.5

m，

－SiC形式，

{111}//纖維軸，SiC層阻止了界面的有害反應(yīng)。BN層：1000℃加熱B纖維，表面氧化成B2O3，1100℃時氨化處理，反應(yīng)產(chǎn)生BN，注意要反應(yīng)完全，否則B2O3影響性能。BN層使其強度顯著提高。B4C層：通過三氯化硼與甲烷氣體反應(yīng)生成B4C沉積?？捎行ё钃魾纖維與金屬基體（Al,Ti或Ti合金）反應(yīng)。7．性能硼纖維脆性材料，抗拉強度約3.10～4.13GPa，楊氏彈性模量420GPa，剪切彈性模量165～179GPa；密度只有鋼才的1/4，約2.6g/cm3，泊松比為0.21，熱脹系數(shù)為（4.68～5.0）×10-6℃-1；抗壓縮性能好；在惰性氣體中，高溫性能良好；在空氣中超過500℃時，強度顯著降低。

二、碳纖維1.碳纖維概述圖7短切碳纖維圖8碳纖維布圖9碳的存在方式圖10碳的石墨六方結(jié)構(gòu)碳纖維：是有機纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的一種多晶纖維狀聚合物碳，是一種無機非金屬材料，碳含量95％以上，不再屬于有機纖維的范疇，也不是無機纖維，直徑約8μm。碳：序數(shù)6，密度為2.268g/cm3碳的存在形式：C60、納米碳管、金剛石、石墨等石墨：六方結(jié)構(gòu)，層面內(nèi)鍵強度＝627kJ/mol，層層間為范德華力＝5.4kJ/mol，各向異性，層內(nèi)E=1000GPa，垂直方向E=35GPa，當(dāng)層面方向與纖維軸向一致時，則可獲得高模量的碳纖維，石墨層卷曲即成碳納米管，層層分離則成石墨烯，均是重要的增強體。2．分類：高強型超高強型中模型高模型超高模型耐火纖維碳質(zhì)纖維石墨纖維1）按性能可分為高性能級通用性能級2）按原絲類型分為聚丙烯腈基粘膠基瀝青基木質(zhì)素纖維基其它有機纖維基碳纖維3）按功能可分為結(jié)構(gòu)碳纖維耐焰碳纖維活性碳纖維導(dǎo)電碳纖維潤滑碳纖維耐磨碳纖維3．制備碳纖維一般通過有機纖維作為先驅(qū)絲進行碳化或直接通過氣相生長法獲得。1）有機纖維碳化法

（1）拉絲：運用濕法、干法或熔融法進行紡絲。（2）牽引：室溫以上，100～300℃進行；（3）穩(wěn)定化：400℃加熱氧化，使先驅(qū)絲不熔不溶，以防止高溫時黏連，又稱預(yù)氧化處理；（4）碳化：1000～2000℃進行碳化處理，去除多數(shù)非碳元素，使其形成碳纖維；（5）石墨化：2000～3000℃進行石墨化熱處理，使碳纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槭w維。2）以聚丙烯腈為先驅(qū)絲制備碳纖維實例（1）聚丙烯腈纖維（PAN）聚丙烯腈纖維的分子式：，比重：0.91（g/cm3），彈性模量＞3.5GPa；當(dāng)量直徑：100μm；抗拉強度≥420MPa；熔點＞160℃；化學(xué)性能：耐酸、耐堿、無毒無味。圖11短聚丙烯腈纖維

（2）工藝流程：拉絲（紡絲）→牽伸→穩(wěn)定（預(yù)氧化）→碳化→石墨化圖12工藝流程圖

①紡絲：有干法、濕法、熔融紡絲法三種。因聚丙烯腈受熱(28－300℃)分解而不熔融，故不能熔融紡絲只能采用濕法紡絲在水中擠壓成絲，或干法紡絲在空氣中擠壓成絲。圖13PAN纖維濕法紡絲示意圖②預(yù)氧化處理：200℃升至300℃，又稱穩(wěn)定化，發(fā)生環(huán)化、脫氫、氧化等反應(yīng)，產(chǎn)生梯形結(jié)構(gòu)預(yù)氧化處理條件：①氧化性氣氛（空氣）。②牽引狀態(tài)，保證纖維取向。③升溫速率為1-3℃/min。化學(xué)反應(yīng)環(huán)化反應(yīng)脫氫反應(yīng)氧化反應(yīng)圖14PAN纖維預(yù)氧化工藝裝置示意圖③碳化處理碳化是指在高純氮或氬氣氛中，溫度范圍1000～1500℃的條件下進行的熱處理。惰性氣氛以防止高溫氧化。聚丙烯腈纖維碳化過程依次經(jīng)歷以下階段：①300～700℃，線型高聚物斷鏈開始交聯(lián)；②400～700℃，碳含量增加，H/C比值減??；③600～700℃，N/C和O/C比值減少，形成碳素縮合環(huán)，且環(huán)數(shù)逐漸增加；④700～1300℃逐步形成碳素環(huán)狀結(jié)構(gòu)并長大，并隨碳化溫度的提高，其強度和模量均提高，但當(dāng)碳化溫度高于1500℃時，強度逐漸下降，而模量繼續(xù)增加。因此，制取高強度PAN碳纖維的碳化溫度應(yīng)低于1500℃。此外，因碳化過程需要一定的時間，故升溫速率不宜過快，當(dāng)然過慢則會延長生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)率?；瘜W(xué)反應(yīng)④石墨化處理形成石墨纖維方需要此步驟。石墨化處理溫度在3000℃左右，氬氣氣氛，不用氮氣，否則C與N2在2000℃時生成氰。高溫下，纖維在牽引作用下，可借助于多重滑移系的運動和擴展引起塑性變形，并發(fā)生石墨化結(jié)晶，層平面方向平行于纖維軸方向，形成石墨纖維。石墨化程度隨溫度的提高而提高，模量也隨之提高，但纖維中的裂紋與缺陷將隨之增加，纖維的強度有所下降。⑤表面處理碳的活性低，需表面處理（氧化、上漿）以提高表面活性，從而提高復(fù)合材料的性能。圖15力學(xué)性能4．碳纖維的結(jié)構(gòu)圖16碳纖維的皮芯結(jié)構(gòu)表1石墨晶的價鍵性質(zhì)位置價鍵鍵長/nm鍵強度/(kJ/mol)E/GPa層面共價鍵0.1426301000層間共價鍵0.3355.4635圖17碳纖維的拉伸斷裂模型表2碳纖維的力學(xué)性能碳纖維抗拉強度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%聚丙烯腈（高強度）碳纖維34302251.5聚丙烯腈（高彈性模量）碳纖維24503920.6黏膠(低彈性模量)碳纖維686391.8黏膠(高彈性模量)碳纖維27444900.6瀝青（低彈性模量）碳纖維784392.0瀝青（高彈性模量）碳纖維2450343～4900.5～0.7表3碳纖維的物理性能碳纖維密度/g·cm-3楊氏模量/GPa電阻率/10-4cm黏膠碳纖維1.6639010聚丙烯腈碳纖維1.7423018瀝青碳纖維LT（低溫處理）1.6041100HT（高溫處理）1.604150中間相瀝青碳纖維LT2.13409HT2.26901.8單晶體石墨纖維2.2510000.45．碳纖維的性能3）化學(xué)性能（1）能被硝酸、硫酸、次氯酸鈉侵蝕，但一般來說其耐化學(xué)藥品性屬于優(yōu)異級。（2）吸水率極低，一般在0.03％～0.05％。（3）中等溫度（400℃）時會被氧化劑氧化生成CO、CO2，但不接觸空氣或氧化氣氛時，具有突出的耐熱性能，故在中等溫度以上工作時，應(yīng)注意氣氛保護。（4）耐熱性能與溫度的關(guān)系如圖2-20所示，由圖可知石墨纖維具有優(yōu)異的耐高溫性能。（5）碳纖維耐油、抗輻射、能吸收有毒氣體，減速中子等。（6）耐磨性能優(yōu)。

總之，碳纖維具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、耐化學(xué)輻射等性能特點，此外，碳纖維還具有柔順性和可編織性，比強度、比模量優(yōu)于其它纖維。但碳纖維也具有性脆、抗沖擊性和高溫抗氧化性差、異形、直徑不均勻、表面污染、內(nèi)部污染、外來雜質(zhì)、織構(gòu)不均勻、各種裂縫、空穴、氣泡等不足。圖18一些纖維、晶須、合金的強度與溫度的變化關(guān)系（1）狹長條帶狀原纖彼此交叉形成的針狀空隙（2）異形、直徑不均勻、表面污染、內(nèi)部污染、外來雜質(zhì)、織構(gòu)不均勻、各種裂縫、空穴、氣泡等。圖20PAN基碳纖維內(nèi)部缺陷圖19PAN基碳纖維表面溝紋6.碳纖維的缺陷謝謝！增強體復(fù)合材料原理

主要內(nèi)容一二Al2O3纖維SiC纖維知識點3-纖維（SiC纖維、Al2O3纖維）、晶須、顆粒三四晶須顆粒一、SiC纖維

（a）SiC纖維絲（b）SiC纖維編織帶圖1SiC纖維及其編織帶1．分類

按形態(tài)分為連續(xù)纖維、短切纖維。按集束狀態(tài)分為單絲、束絲兩種。通常用于復(fù)合材料的SiC纖維有以下幾種：1）CVD碳化硅纖維：CVD法制備的有芯、連續(xù)、多晶、單絲纖維。2）Nicalon（尼卡綸）碳化硅纖維：用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制造的連續(xù)、多晶、束絲纖維。3）碳化硅晶須：氣－液－固法制備的具有一定長徑比的單晶纖維。碳化硅纖維是以碳和硅為主要組成的陶瓷纖維2．性能特點1）力學(xué)性能：強度、拉伸模量高、密度低。見表2-52）熱性能：熱性能優(yōu)良，1000℃以下，力學(xué)性能基本不變，可長期使用；1300℃以上時，性能下降。3）耐化學(xué)性能：耐化學(xué)性能優(yōu)良，80℃以下耐強酸（HCl、H2SO4、HNO3），用30%NaOH浸蝕20h，纖維僅失重1%以下，且力學(xué)性能不變；在1000℃以下與金屬不發(fā)生反應(yīng)，且浸潤性良好，宜制金屬基復(fù)合材料。4）耐輻射和吸波性能：碳化硅的吸波能力超強，是最有效的吸波材料；對3.2×1010中子/秒的快中子輻射1.5h或以能量為105中子伏特、200納秒的強脈沖γ射線照射下，其強度均無明顯下降。5）具有半導(dǎo)體性，體積電阻率10-1~106歐姆.厘米。6）直徑細(xì)，可以編織織物表1Nicalon碳化硅纖維的主要品種及其典型性能性能通用級HVR級（NL-400）LVR級（NL-500）碳涂層（NL-607）長絲直徑/μm14~12141414絲數(shù)/束250~500250~500500500纖度/g·(1000m)-1105~210110~220210210拉伸強度/MPa3000280030003000拉伸模量/GPa220180220220伸長率/%1.41.61.41.4密度/g·cm-32.552.302.502.55電阻率/Ω·cm103~104106~1070.5~5.00.8熱膨脹系數(shù)/10-6K-13.1--3.1比熱容/J·(kg?K)-31140--1140熱導(dǎo)率/W·(m?K)-112--12介電常數(shù)（10GHz）96.520~3012單元容3．制備主要有兩種：化學(xué)氣相沉積（CVD）和先驅(qū)體法。

1）CVD化學(xué)氣相沉積法

圖2柱形反應(yīng)室原理：是將W絲或C絲作為芯絲，通H2清洗表面后送入柱形反應(yīng)室。反應(yīng)室中通入氫氣（70％）和氯硅烷（30％）混合氣體，芯絲被高頻加熱（60MHz）或直流加熱（250mA），沉積室溫度在1200℃以上，發(fā)生分解反應(yīng)：

CH3SiCl

SiC+3HCl產(chǎn)生的SiC沉積在芯絲表面即可形成SiC纖維。碳芯SiC纖維的結(jié)構(gòu)

（1）芯：d=33μm，為W絲或碳絲；（2）芯表涂層（熱解碳）：1.5μm，增加熱傳導(dǎo)，緩沖碳芯與沉積層間熱脹不一導(dǎo)致的不匹配；（3）SiC沉積層：~50μm，又包含四層：SiC-1，6μm(內(nèi))；SiC-2，4.5μm；SiC-3，4.5μm；SiC-4，35μm（外）；晶粒尺寸增加，取向不同，缺陷增加。（4）纖維表面涂層（熱解碳）：3μm，又分為三個亞層：Ⅰ－最表層，富碳，彌合SiC表面的裂紋，提高強度；為陶瓷基復(fù)合材料提供弱界面，提高韌性；易與金屬基體反應(yīng)，提高結(jié)合強度。Ⅱ－緩沖層；Ⅲ－最里層，Si:C

1:1，能保持纖維強度，稱保護層。

圖3碳芯SiC纖維的結(jié)構(gòu)共有四層：表2CVDSiC纖維的性能

性能鎢芯碳芯直徑/微米102142102142拉伸強度/GPa2.762.76－4.462.413.4拉伸模量/GPa434－448422－448351－365400密度/g·cm-33.463.463.13.0熱膨脹系數(shù)10－6℃-1－4.9－1.5表面涂層富碳C+TiBX－Si/CCVD法SiC纖維適用于金屬基、聚合物基、陶瓷基等性能2）先驅(qū)體法圖4Nicalon－SiC纖維制備工藝流程

先驅(qū)氣體（原材料）：氯硅烷包括甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、乙基三氯硅烷、四氯硅烷（SiCl4+烷烴）1）聚碳硅烷制備2）熔融紡絲3）不融化處理（氧化）4）高溫?zé)伤膫€階段圖6Nicalon纖維的微觀結(jié)構(gòu)Nicalon纖維的微結(jié)構(gòu)（圖6）：

-SiC微晶呈立方晶型，同于金剛石結(jié)構(gòu)，SiO2和游離碳分布于

-SiC的晶界上。其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：SiC:63%、SiO2:21.5%、游離碳:15.5％。圖5Nicalon纖維在不同溫度熱解后的X射線衍射譜二、

氧化鋁纖維

氧化鋁纖維：以Al2O3為主要成分，并含少量的SiO2、B2O3或ZrO2、MgO等的陶瓷纖維。1．制備方法杜邦法拉晶法住友法sol-gel法等。1）杜邦法－泥漿法FP-Al2O3纖維圖7杜邦法－泥漿法工藝流程2）拉晶法（

-Al2O3熔化）利用制造單晶的方法制備氧化鋁纖維。將Mo制細(xì)管放入

-Al2O3熔池中，利用毛細(xì)現(xiàn)象，使

-Al2O3液升至Mo管頂部，在Mo管頂部放置一個

-Al2O3晶核，以慢速向上提拉，提拉速度為150mm/min，制得單晶

-Al2O3纖維。單晶氧化鋁纖維，直徑50～500

m，拉伸強度為2350MPa，彈性模量450GPa，最高使用溫度可達2000℃，但在1200℃時的強度僅為室溫強度的1/3。3）住友法-先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法日本住友化學(xué)公司采用，有機鋁化物（聚鋁硅烷）為原料，加等量水，經(jīng)水解、聚合得到聚合度為100%的聚鋁氧烷，將其溶入有機溶劑中，再加入作為硅成分、可提高耐熱性的硅酸脂等輔助劑，制成黏稠液，經(jīng)濃縮、脫氣，紡絲得到先驅(qū)絲，再將先驅(qū)絲600℃加熱，使側(cè)基團分解逸出，950℃～1000℃焙燒得連續(xù)束絲Al2O3纖維。主要成分為

-Al2O3（70~90%）+SiO2（30~0%），多晶結(jié)構(gòu)，晶粒直徑5nm左右，每束1000根，每根9微米。拉伸強度1900MPa，彈性模量210GPa，密度3.3g/cm3.4）溶膠-凝膠法美國3M公司（MinnMiningManCo.）采用。是將含有纖維所需的金屬和非金屬元素的溶體，即金屬醇鹽化合物，包括有機鋁化合物即含甲酸離子和乙酸離子的氧化鋁溶膠、硅溶液(含Si)、硼酸（含B），用乙醇或酮作為溶劑制成溶膠，水解、聚合生成可紡絲的凝膠，紡絲，先驅(qū)絲在張力下1000℃以上焙燒，即得Al2O3無機纖維。成分為混合多晶纖維，由Al2O3(62%)、B2O3(14%)和SiO2(24%)組成。商品名為Nextel312。2．性能表3常用氧化鋁纖維的成分與性能纖維種類密度/g·cm-3使用溫度/℃拉伸強度/MPa拉伸模量/GPa直徑/μm生產(chǎn)廠家FP-Al2O3(α-Al2O3)3.9511001.4738319杜邦（美）杜邦法γ-Al2O3+SiO23.313001.8620617住友化學(xué)住友法單晶4.020002.35451250TYCO(日)拉晶法α-Al2O3Nextel3122.5913001.72147113M(美)溶膠-凝膠法應(yīng)用：圖8氧化鋁纖維及應(yīng)用三、

晶須定義：晶須是指直徑小于3μm的單晶體生長的短纖維。與纖維相比存在以下區(qū)別：1）單晶；2）直徑?。?lt;0.1微米）、長徑比大(L/d>數(shù)十)、缺陷極少、強度高、彈性模量大。分類：陶瓷晶須：氧化物（Al2O3）及非氧化物(SiC、Si3N4)晶須金屬晶須：Cu、Cr、Fe、Ni等制備：焦化法（制SiC晶須）、氣液固法（制SiC及C晶須）、CVD法（制SiC晶須）、氣相反應(yīng)法（制碳及石墨晶須）氣固法（石墨晶須）、電弧法（制碳及石墨晶須）等。1．焦化法-SiCw稻谷儲槽破碎分散晶須與碳分離(800℃)晶須與稻谷殘余物分離干燥在碳管反應(yīng)器中反應(yīng)(≥1600℃N2/NH3)焦化碾磨使碳氧化成品濕處理2．氣液固（VLS）法-SiCW、

SiW、Al2O3W、MgOW

在制備SiC晶須的過程中同時存在氣體、液體和固體三種物質(zhì)形態(tài)。氣體物質(zhì)：甲烷（CH4）、氫（H2）和SiOSiO產(chǎn)生：SiO2(g)+C(S)

SiO(g)+CO(g)固態(tài)物質(zhì)：基質(zhì)板上放置固態(tài)催化劑（過渡族金屬球，如d=30m的鋼球）液態(tài)物質(zhì)：加熱至1400℃時，通入原料蒸汽，固態(tài)催化劑成為熔球，過程：熔球從過飽和的原料蒸汽中萃取出C和Si原子，在基板上反應(yīng)并生長成SiC晶須。SiC晶須長10m，等效直徑約5.9m，拉伸強度1.7～23.7GPa。該法還可制Si、Al2O3、MgO等晶須。3．化學(xué)氣相沉積（CVD）法-SiCw有兩種：1）在H2氣氛中，有機硅化合物在1000～1500℃發(fā)生熱分解：

CH3SiCl3

SiC+3HCl，生成的SiC沉積在基板上長成晶須。2）在1200～1500℃溫度下，運用H2分別與SiCl3和CCl4的混合物還原出Si與C，兩者再結(jié)合生成SiC，在基板上長成SiC晶須。晶須直徑0.2～1.5

m，l/d=50～1000。4．氣相反應(yīng)法-Al2O3w、Gw該法主要用于制備Al2O3晶須。首先在爐中裝入鋁和氧化鋁的混合粉末，通入H2與H2O蒸汽的混合物，發(fā)生如下反應(yīng)：

Al+H2O

Al2O+H2（1300～1500℃）

Al2O3+H2

Al2O+2H2O（1300～1500℃）生成的Al2O易揮發(fā)，轉(zhuǎn)移到爐的另一端發(fā)生歧化反應(yīng)：

3Al2O

Al2O3+4Al（歧化反應(yīng)）氣相反應(yīng)法產(chǎn)生的Al2O3晶須，密度3.9，熔點2082℃，拉伸強度21GPa，彈性模量434GPa。表4常見晶須的性能晶須熔點/℃密度/g.cm-3拉伸強度/GPa比強度/106cm彈性模量/102GPa比模量/108cmAl2O320403.9621544.311BeO25702.8513473.513B4C24502.5214574.920SiC26903.1821674.916Si3N419603.1814453.812C(石墨)36501.66201237.144K2O(TiO2)n--7-2.8-Cr18907.29132.43.4Cu10808.913.33.81.21.4Fe15407.8313172.02.6Ni14508.973.94.42.12.4指出兩點：1）SiC晶須的結(jié)構(gòu)有

-SiC（六方）和

-SiC（立方）兩種，應(yīng)用較多的為

-SiC。2）晶須的一般形態(tài)為棒狀，如鈦酸鉀晶須，而ZnO晶須則具有棒狀和三維四針狀兩種形態(tài)，它是迄今所有晶須中唯一一種具有空間立體結(jié)構(gòu)的晶須。

圖8鈦酸鉀晶須四針狀ZnO晶須具有以下性能特點：1．超高強度：幾乎無缺陷，拉伸強度和彈性模量接近理論值，分別為1.0×104MPa和3.5×105MPa。2．各向同性：四針狀結(jié)構(gòu)，使其具有完全各向同性的增強、改性作用。3．優(yōu)異的耐熱性：氧化鋅熔點高于1800℃，四針狀氧化鋅晶須可耐近1720℃的高溫。4．可調(diào)的電學(xué)性能：氧化鋅屬于N-型半導(dǎo)體，通過摻雜可控制其導(dǎo)電、壓電、壓敏等電學(xué)性能。5．納米半導(dǎo)體活性：具有特殊的尖端納米活性；由于非嚴(yán)格化學(xué)配比的半導(dǎo)體特性，使其具有釋放活性氧的作用；宏觀表現(xiàn)為高效、廣譜、持久的抗菌和環(huán)境凈化作用。圖9四針狀氧化鋅晶須四、

顆粒增強體常見的有：SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、TiB2、BN、石墨等。

1.分類：不同可分為外生型和內(nèi)生型兩大類

2.力學(xué)性能取決于：顆粒的種類形貌直徑基體中分布體積分?jǐn)?shù)結(jié)合界面顆粒名稱密度/g·cm-3熔點/℃熱膨脹系數(shù)/10-6℃-1熱導(dǎo)率/KW(m?K)-1硬度/GPa彎曲強度/MPa彈性模量/GPaSiC3.2127004.075.3127400~500B4C2.5224505.7330300~500260~460TiC4.9232007.426500Al2O34.9520509.0Si3N43.2～3.352100分解2.5~3.212.55~29.29HRA89~939003303Al2O3?2SiO23.1718504.232501200TiB24.52980表5常用顆粒增強體的性能謝謝！增強體復(fù)合材料原理

主要內(nèi)容一二納米碳管微珠知識點4-微珠、納米碳管、石墨烯、有機纖維三四石墨烯有機纖維五金屬絲a）微珠粉體（b）單個微珠

（c）同尺寸微珠（d）異尺寸微珠圖1空心玻璃微珠一、微珠1、分類：微珠有空心和實心之分?；驘o機、有機和金屬三類2、空心玻璃微珠1）性能：具有隔熱保溫、吸聲的特點。2）應(yīng)用：空心玻璃微珠聚氨酯材料，有效地解決了海底管道輸送原油時的保溫難題。二、碳納米管圖2單壁碳納米管（a）及其三種類型（b）（鋸齒形、扶手椅形和螺旋形）1.力學(xué)性能：

楊氏模量：單壁為1054GPa，多壁則高達1200GPa，比一般碳纖維高一個數(shù)量級。拉伸強度：為50～200GPa，約是高強鋼的20倍，而比重只有鋼的六分之一，如果用碳納米管作出繩索，從月球上掛到地球表面，它是唯一不被自身重量所拉斷的繩索。2.化學(xué)性能：碳納米管的化學(xué)性能穩(wěn)定，僅次于石墨，在真空或惰性氣氛中能夠承受1800℃以上的高溫，被認(rèn)為是理想的聚合物基復(fù)合材料的增強體。原理：采用石墨電極（陰、陽）在直流電源作用下引弧放電，形成高溫（2700～3700℃），滲有過渡金屬Fe、Co、Ni催化劑的陽極石墨蒸發(fā)，碳原子在催化劑的作用下在陰極重組形成碳納米管。該法可生產(chǎn)比較完整的單壁和多壁管，但碳納米管無序、易纏結(jié)、純度低，產(chǎn)率僅為30%左右。3.制備方法有三種：

1）電弧放電法；2）化學(xué)氣相沉積法；3）激光蒸發(fā)法1）電弧放電法圖3電弧放電法示意圖2）激光蒸發(fā)法

原理：采用CO2激光或Nd/YAG激光作用滲有過渡金屬Fe、Co、Ni或其合金的碳靶，產(chǎn)生高溫蒸發(fā)，在低壓惰性氣氛中形成碳納米管。該法制得的一般為單壁碳納米管或單壁碳納米管束，管徑可通過激光脈沖來控制，碳納米管的純度低，且易纏結(jié)。圖4激光蒸發(fā)法示意圖3）化學(xué)氣相沉積法

碳源（碳原子數(shù)小于或等于6的碳?xì)浠衔锛癈O、CO2等），高溫裂解生成碳原子，附著在過渡金屬催化劑納米顆粒上，并在催化劑的作用下形成碳納米管。催化劑的作用原理是過渡金屬能與碳原子形成介穩(wěn)定的碳化合物，并且碳原子能在這些金屬中很快地滲透，因此沉積在過渡金屬納米顆粒某一面上的碳原子可滲透到顆粒的另一面而形成碳納米管。

圖5化學(xué)氣相沉積法示意圖圖6納米碳管生長前后SEM照片三、石墨烯1.概述：

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異構(gòu)體的基本單元：碳納米管和富勒烯，石墨，木炭。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，是人類已知強度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。石墨烯電池的充電速度比傳統(tǒng)的快100倍。

圖7石墨烯照片2.制備方法：1）微機械剝離法操作簡單、但可控性差，效率低、石墨烯尺寸大小不一，難量產(chǎn)。2)外延生長法有SiC外延生長和金屬催化外延生長兩種。（1）SiC外延生長即高溫下SiC表面的Si原子蒸發(fā)（升華）脫離表面，剩下的C原子在SiC表面自組裝重構(gòu)而成石墨烯。（2）金屬催化外延生長是指高真空條件下將碳?xì)浠衔锿ㄈ氲骄哂写呋钚缘倪^渡金屬基底如Pt,Ir,Ru,Cu等表面，通過加熱，使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯。由于基底吸附氣體后不會重復(fù)吸收，故表面產(chǎn)生的石墨烯多為單層，且可大面積制備出均勻的石墨烯。3)CVD法原理：將碳?xì)浠衔锛淄?、乙醇等通入高溫加熱的金屬基底Cu、Ni表面?；瘜W(xué)分解反應(yīng)持續(xù)一定時間后冷卻，分離的碳原子沉積在基底表面，通過溶解和擴散生長兩步驟形成單層或數(shù)層石墨烯。特點：可制備面積較大的石墨烯，但成本高，工藝復(fù)雜。4)氧化石墨還原法過程：先將強氧化劑濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀等，將石墨氧化成氧化石墨，氧化過程即為在石墨層間穿插一些含氧官能團，從而加大了石墨層間距，然后經(jīng)超聲處理，即可獲得單層或數(shù)層氧化石墨烯，再用強還原劑水合肼、硼氫化鈉等將氧化石墨烯還原成石墨烯。特點：成本低、高效環(huán)保、可大規(guī)模生產(chǎn)，氧化石墨烯同樣功能強大，應(yīng)用廣泛；但會導(dǎo)致一些物理、化學(xué)性能的損失。一般有以下三種：1）芳香族聚酰胺纖維2）芳香族聚酯纖維3）超高相對分子量聚乙烯纖維四、有機高分子纖維1.芳香族聚酰胺纖維

對苯二胺對苯二甲酰氯PPTA（聚對苯二甲酰對苯二胺）2)輻射狀打褶結(jié)構(gòu)1）PPTA分子排列圖8輻射狀打褶結(jié)構(gòu)示意圖芳香族聚酰胺纖維由美國杜邦公司于1968年研制，1972年生產(chǎn)，商品名Kevlar（凱夫拉）。我國研究該纖維始于上世紀(jì)70年代，命為芳綸，1981年和1985年分別研制成功了芳綸纖維14（芳綸Ⅰ號）和芳綸纖維1414（芳綸Ⅱ號）。3）Kevlar纖維的制備工藝流程對苯二甲酰氯對苯二胺溶劑縮聚沉淀、洗滌、干燥溶解濃硫酸干-濕紡洗滌（中和）干燥紡絲原液卷繞Kevlar-49熱處理Kevlar-29

圖9

Kevlar纖維生產(chǎn)工藝流程4）具體步驟Kevlar-29纖維為聚對苯酰胺，化學(xué)結(jié)構(gòu)式：（2）紡絲將PPTA聚合物溶解在濃硫酸（100％）中，配比：PPTA/硫酸＝20/100，PPTA高聚物在濃硫酸中形成向列型液晶態(tài)，呈一維取向有序排列，形成液晶液。液晶液又稱明膠，液晶態(tài)紡絲時，絲的強度高，模量大。紡絲的方法有濕紡、干噴、干噴－濕紡三種①濕紡：將明膠從針孔擠出，進入冷凝液體快速冷卻(wet)，最后在惰性氣氛中熱處理。②干紡：將明膠由噴絲嘴噴出，經(jīng)過一段空氣(dry)快速拉伸使分子取向，最后進行熱處理。（1）PPTA分子（樹脂）的合成由低溫（20℃）縮聚反應(yīng)獲得：③干噴－濕紡：在100℃以下，明膠通過紡絲孔擠出，經(jīng)過1cm的空氣間隙（dry），使絲在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)和排列，進入冷水（0－4℃）中，洗滌后繞在筒管上得到高結(jié)晶度和定向的初生纖維。圖10Kevlar纖維干噴-濕紡示意圖（3）干燥初生纖維干燥即為Kevlar-29纖維。（4）熱處理干燥后的纖維在N2氣氛中550℃熱處理即得Kevlar-49纖維。5．Kevlar纖維的性能1）力學(xué)與物理性能見表。具有高強度、高模量、低密度、韌性好等特點。比強度極高，遠超過玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、鋼和鋁；比模量也超過玻璃纖維、鋼和鋁，與HT碳纖維接近。2）化學(xué)性能，對中性藥品的抵抗力較強，易受酸堿侵蝕；由于極性基團酰胺基，故耐水性差。3）摩擦性能優(yōu)異，特別是增強熱塑性基體時，其耐磨性更好。4）電絕緣性良好。不足：耐光性差，易光至分解；溶解性差；抗壓強度低；吸濕性強。

表1Kevlar纖維的力學(xué)與物理性能纖維韌性/cN?tex-1拉伸強度/MPa彈性模量/GPa斷裂應(yīng)變/%吸水率/%密度/g·cm-3分解溫度/℃KevlarRⅠ和Kevlar292052900603.671.44約500KevlarHt和Kevlar1292353320753.671.44約500KevlarHe和Kevlar1192052900454.571.44約500KevlarHp和Kevlar682052900903.14.21.44約500Kevlar4920529001201.93.51.45約500KevlarHm和Kevlar14917024001601.51.21.47約5002.芳香族聚酯纖維1)制備芳香族聚酯纖維的制備工藝有多種，最典型的有三種，對應(yīng)的商品名分別為：（1）Ekonol；（2）X-TG；（3）P(HBA/HNA)（1）Ekonol纖維

是由美國金剛砂（Carborundum）公司于研制而成。原料：乙酰氧基苯甲酸、p,p′-二乙酰氧基聯(lián)苯、對苯二甲酸及間苯二甲酸。通過縮聚反應(yīng)生成縮聚芳酯：（2）X-TG纖維

原料：乙酰氧基苯甲酸、聚對苯二甲酸乙二酯通過共聚反應(yīng)生成共聚芳酯

:（3）P(HBA/HNA)原料：對乙酰氧基萘甲酸和6-乙酰氧基-2-萘甲酸。通過共聚反應(yīng)生成共聚芳酯，反應(yīng)式：2）結(jié)構(gòu)與性能

表2兩種芳香族聚酯纖維的性能性能Vectran(高強)Vectran(高模)Ekonol密度/g·cm-31.411.371.40拉伸強度/cN/dtex22.919.427.3伸長率/%3.82.42.6拉伸模量/cN/dtex528774968濕態(tài)強度/cN/dtex22.919.427.3干濕強度比989898極限氧指數(shù)2927-分解溫度/℃>400>400-最高使用溫度/℃150150150熔點/℃250250350芳香族聚酯液晶大分子呈向列型有序狀態(tài)，分子間平行排列，并沿分子鏈的長軸方向呈有序性，纖維內(nèi)部由近似棒狀的晶粒組成的層狀結(jié)構(gòu)組成。3.超高分子量聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯纖維是指分子量在106以上的聚乙烯紡出的纖維（UHMW-PE）（ultra-highmolecularweightpolythylenefiber）工業(yè)上一般使用的分子量在3×106左右。1)制備制備方法有兩種：將高分子聚合物在凍膠狀態(tài)使大分子充分解纏，再紡絲，脫去溶劑，在高牽引比下強凍膠絲進行熱牽伸，獲得PE纖維。(1）高牽伸比熔融紡絲即在超倍熱牽引下熔融紡絲，制得的PE分子鏈按纖維軸取向完全伸直，纖維具有高彈性模量。(2）凍膠紡絲超高分子量聚乙烯溶劑、抗氧化劑及助劑超高分子量聚乙烯濃溶液溶解、脫泡初生態(tài)凍膠纖維擠出紡絲、冷卻脫溶劑干凍膠纖維超高分子量聚乙烯纖維超倍熱牽引①凍膠紡絲流程如圖②凍膠紡絲具體過程：Ⅰ凍膠配制：凍膠又稱凝膠，原料是超高分子量的聚乙烯，顆粒直徑小于200微米，堆積密度為0.35－0.45g·cm-3，UHMW-PE具有平面鋸齒形簡單結(jié)構(gòu)，無龐大側(cè)基，主分子鏈間無強結(jié)合鍵，缺陷少，可施加高倍率牽伸。配制工藝：溶劑為十氫萘；溫度150℃；濃度5％。Ⅱ形成初生凍膠原纖維。紡絲溫度：150～250℃;紡絲速度：1～2m/min。Ⅲ獲得干凍膠絲條（脫去溶劑）。Ⅳ超倍熱牽引：牽引倍數(shù)高于2。

圖11凍膠紡絲流程圖2)UHMW-PE的力學(xué)性能纖維密度/g·cm-3拉伸強度/GPa拉伸模量/GPa斷裂伸長率/%Spectra900(美國)0.972.56119.513.5Spectra1000(美國)0.972.98170.732.7Tekumiron（日本）0.962.94983.0DyneemaSK-77(荷蘭)-3.77136.59-五、金屬絲表4常見金屬絲的性能金屬絲直徑/

m密度/g·cm-3彈性模量/GPa拉伸強度/MPa熔點/KW1319.440740203673Mo2510.232921602895鋼137.7419641201673不銹鋼304807.819634301673Be1271.8324512701553Ti4.5113216791941表3UHMW-PE的力學(xué)性能謝謝！復(fù)合原理復(fù)合材料原理

復(fù)合原理復(fù)合材料設(shè)計復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)纖維增強機理主要內(nèi)容五六復(fù)合材料的增強機制陶瓷基復(fù)合材料纖維、晶須強韌機理陶瓷基復(fù)合材料顆粒增韌機制陶瓷基復(fù)合材料相變增韌機制三四一二七復(fù)合材料設(shè)計的概述復(fù)合材料設(shè)計的類型復(fù)合材料的最新設(shè)計主要內(nèi)容復(fù)合材料設(shè)計的步驟三四一二知識點1-復(fù)合材料設(shè)計復(fù)合材料：是經(jīng)過選擇、含有一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或組元），通過人工復(fù)合，組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面、具有特殊性能的材料。基體相：連續(xù)分布的相。增強相或增強體：不連續(xù)分布的相，通過與基體的界面結(jié)合，會使復(fù)合材料性能顯著增強。三大要素：基體、增強體及兩者的結(jié)合界面復(fù)合原理：即組分相（基體、增強體）的合理設(shè)計、組分相間的復(fù)合機理（復(fù)合效應(yīng)與增強機制）復(fù)合原理的主要內(nèi)容：

1）復(fù)合材料設(shè)計

2）復(fù)合效應(yīng)

3）增強機制知識點1-復(fù)合材料設(shè)計1.復(fù)合材料設(shè)計注意：1）復(fù)合材料設(shè)計不同于傳統(tǒng)材料的設(shè)計。傳統(tǒng)材料設(shè)計：是根據(jù)項目的使用目的和性能要求，擬定其材料、結(jié)構(gòu)、工藝及費用等方面的計劃與估算，類似于材料選擇，而非嚴(yán)格意義上的材料設(shè)計。較少考慮材料的結(jié)構(gòu)與制造工藝問題，設(shè)計與材料具有一定意義上的相對獨立性，但復(fù)合材料的性能與結(jié)構(gòu)、工藝具有很強的依賴性，可使某一方向上具有較強的性能，及具有可設(shè)計性，是一種可設(shè)計的材料。2）復(fù)合材料設(shè)計也不同于冶金設(shè)計。冶金設(shè)計：即根據(jù)性能要求、工藝特點所進行的成分設(shè)計。復(fù)合材料設(shè)計是指根據(jù)使用目的和性能要求，選擇組份材料的種類、含量及復(fù)合材料的制備工藝、組份材料間的結(jié)構(gòu)、復(fù)合效應(yīng)等，實現(xiàn)成分、結(jié)構(gòu)、性能最優(yōu)化的過程。

c

at

l

lptd傳統(tǒng)的材料設(shè)計即為選擇不同的材料，然后確定其尺寸即可。由于管壁的徑向應(yīng)力較小，可忽略不計，按平面應(yīng)力計算，僅考慮軸向和周向應(yīng)力。合金中Fe+C物理作用C+α-FeC+δ-FeC+γ-Feδγα化學(xué)作用