材料科學(xué)概論剖析

1、材料科學(xué)概論剖析 材料科學(xué)概論材料科學(xué)概論 材料科學(xué)概論剖析 q概述概述 q復(fù)合材料的復(fù)合理論復(fù)合材料的復(fù)合理論 q復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面 q樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料 q金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 q陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 第六章第六章 復(fù)合材料復(fù)合材料 材料科學(xué)概論剖析 一、一、復(fù)合材料的涵義復(fù)合材料的涵義 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工程材料提出了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工程材料提出了 越來越高的要求，而且有的要求之間甚至是相越來越高的要求，而且有的要求之間甚至是相 互矛盾的。在這種情況下，單一的材料已不能互矛盾的。在這種情況下，單一的材料已不能 滿足需要，于是高性能復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)

2、而生。復(fù)滿足需要，于是高性能復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。復(fù) 合材料就是由兩種或更多種物理性能、化學(xué)性合材料就是由兩種或更多種物理性能、化學(xué)性 能、力學(xué)性能和加工性能不同的物質(zhì)，經(jīng)人工能、力學(xué)性能和加工性能不同的物質(zhì)，經(jīng)人工 組合而成的多相固體材料。復(fù)合材料的基本組組合而成的多相固體材料。復(fù)合材料的基本組 成可分為基體相和增強(qiáng)相兩種成可分為基體相和增強(qiáng)相兩種 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 材料科學(xué)概論剖析 （1）按基體材料分類：分為樹脂基、金屬基、陶瓷基）按基體材料分類：分為樹脂基、金屬基、陶瓷基 等復(fù)合材料，使用最多的是樹脂基復(fù)合材料。等復(fù)合材料，使用最多的是樹脂基復(fù)合材料。 （2）按增強(qiáng)材料的種類和形態(tài)分類

3、：可分為纖維增強(qiáng)）按增強(qiáng)材料的種類和形態(tài)分類：可分為纖維增強(qiáng) 復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和層疊增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和層疊增強(qiáng)復(fù)合材料 等，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛。等，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛。 （3）按復(fù)合材料的使用性能分類：可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合）按復(fù)合材料的使用性能分類：可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合 材料和功能復(fù)合材料。前者主要用于工程結(jié)構(gòu)和機(jī)材料和功能復(fù)合材料。前者主要用于工程結(jié)構(gòu)和機(jī) 械結(jié)構(gòu)，主要利用材料的力學(xué)性能；后者具有某種械結(jié)構(gòu)，主要利用材料的力學(xué)性能；后者具有某種 特殊的物理性能或化學(xué)性能等，作為功能材料使用。特殊的物理性能或化學(xué)性能等，作為功能材料使用。 目前應(yīng)

4、用最廣的是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。目前應(yīng)用最廣的是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。 二、復(fù)合材料的分類二、復(fù)合材料的分類 材料科學(xué)概論剖析 1.比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度和比模量高 比強(qiáng)度是材料的抗拉強(qiáng)度與密度之比，比比強(qiáng)度是材料的抗拉強(qiáng)度與密度之比，比 模量是材料的彈性模量與密度之比模量是材料的彈性模量與密度之比。從教材。從教材 129頁表頁表6-1中可知，復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比中可知，復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比 模量普遍高于常用金屬材料的。這一點(diǎn)在航模量普遍高于常用金屬材料的。這一點(diǎn)在航 天、航空領(lǐng)域具有重要的意義。如美國的波天、航空領(lǐng)域具有重要的意義。如美國的波 音飛機(jī)上，大量采用石墨纖維增強(qiáng)復(fù)合材料音飛機(jī)上，大量采用石墨纖維

5、增強(qiáng)復(fù)合材料 構(gòu)件，比采用金屬材料質(zhì)量減輕達(dá)構(gòu)件，比采用金屬材料質(zhì)量減輕達(dá)2038。 三、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)三、復(fù)合材料的性能特點(diǎn) 材料科學(xué)概論剖析 2.抗疲勞與斷裂安全性能好抗疲勞與斷裂安全性能好 復(fù)合材料對(duì)缺口、應(yīng)力集中的敏感性小，特別是纖復(fù)合材料對(duì)缺口、應(yīng)力集中的敏感性小，特別是纖 維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，基體良好的強(qiáng)韌性降低了維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，基體良好的強(qiáng)韌性降低了 裂紋擴(kuò)展速度，大量的纖維對(duì)裂紋又有阻隔作用，具裂紋擴(kuò)展速度，大量的纖維對(duì)裂紋又有阻隔作用，具 有較高的疲勞強(qiáng)度。有較高的疲勞強(qiáng)度。 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中存在大量相對(duì)獨(dú)立的纖維，借纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中存在大量相對(duì)獨(dú)立的纖維

6、，借 助塑韌性基體結(jié)合成一個(gè)整體，當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件由于助塑韌性基體結(jié)合成一個(gè)整體，當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件由于 過載或其他原因而使部分纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)重新分過載或其他原因而使部分纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)重新分 配到未斷裂的增強(qiáng)纖維上，故具有良好的斷裂安全性。配到未斷裂的增強(qiáng)纖維上，故具有良好的斷裂安全性。 材料科學(xué)概論剖析 3.良好的減振性能良好的減振性能 纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料具有良好的減振性能，主要纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料具有良好的減振性能，主要 有兩方面的原因：有兩方面的原因： q纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的自振頻率高，一般工作條件下很纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的自振頻率高，一般工作條件下很 難達(dá)到這樣的高頻率，因此這種材料制成的構(gòu)

7、件在工難達(dá)到這樣的高頻率，因此這種材料制成的構(gòu)件在工 作狀態(tài)下不易發(fā)生共振現(xiàn)象；作狀態(tài)下不易發(fā)生共振現(xiàn)象； q大量的纖維與基體界面有吸收振動(dòng)能量的作用，阻尼大量的纖維與基體界面有吸收振動(dòng)能量的作用，阻尼 特性好，振動(dòng)很很快衰減。特性好，振動(dòng)很很快衰減。 復(fù)合材料良好的減振性能，使其在精密控制和精復(fù)合材料良好的減振性能，使其在精密控制和精 密檢測(cè)的儀器、儀表方面得到廣泛應(yīng)用。密檢測(cè)的儀器、儀表方面得到廣泛應(yīng)用。 材料科學(xué)概論剖析 4.良好的高溫性能良好的高溫性能 q復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的熔點(diǎn)都較高，而且在高溫下仍復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的熔點(diǎn)都較高，而且在高溫下仍 然保持較高的高溫強(qiáng)度和彈性模量。然保持

8、較高的高溫強(qiáng)度和彈性模量。 q如今高性能樹脂基復(fù)合材料的使用溫度已達(dá)如今高性能樹脂基復(fù)合材料的使用溫度已達(dá)200200 300300，金屬基復(fù)合材料耐熱溫度為，金屬基復(fù)合材料耐熱溫度為300300500500，而陶，而陶 瓷基復(fù)合材料的有效承載溫度可達(dá)瓷基復(fù)合材料的有效承載溫度可達(dá)10001000以上。以上。 q樹脂基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料的使用溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高樹脂基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料的使用溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于單一的基體材料，例如，鋁合金在于單一的基體材料，例如，鋁合金在400400時(shí)，其強(qiáng)度時(shí)，其強(qiáng)度 大幅下降，而用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)鋁，大幅下降，而用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)鋁，400400的強(qiáng)度的強(qiáng)

9、度 和彈性模量幾乎與室溫下相同。和彈性模量幾乎與室溫下相同。 材料科學(xué)概論剖析 四、復(fù)合材料的現(xiàn)狀與未來四、復(fù)合材料的現(xiàn)狀與未來 復(fù)合材料的研究開始于復(fù)合材料的研究開始于19401940年，研究的材年，研究的材 料是玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂。在料是玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂。在1960-1960- 19701970年間研制了許多新型纖維與晶須。用這年間研制了許多新型纖維與晶須。用這 些纖維（晶須）增強(qiáng)的的樹脂基復(fù)合材料，些纖維（晶須）增強(qiáng)的的樹脂基復(fù)合材料， 以其密度低、強(qiáng)度高、彈性模量高、線膨脹以其密度低、強(qiáng)度高、彈性模量高、線膨脹 系數(shù)小、耐多種介質(zhì)腐蝕的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用系數(shù)小、耐多種介質(zhì)

10、腐蝕的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用 于航天、航空、汽車制造和建筑領(lǐng)域。于航天、航空、汽車制造和建筑領(lǐng)域。 未來復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。未來復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。 材料科學(xué)概論剖析 1.由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展 q目前使用的復(fù)合材料是以尺寸較大的增強(qiáng)體與基體復(fù)目前使用的復(fù)合材料是以尺寸較大的增強(qiáng)體與基體復(fù) 合而成的宏觀復(fù)合材料，近期已研究出尺寸較小的增合而成的宏觀復(fù)合材料，近期已研究出尺寸較小的增 強(qiáng)體與新型微觀復(fù)合材料。微觀復(fù)合材料包括：微纖強(qiáng)體與新型微觀復(fù)合材料。微觀復(fù)合材料包括：微纖 增強(qiáng)復(fù)合材料、納米復(fù)合材料和分子復(fù)合材料。增強(qiáng)復(fù)合材料、納米復(fù)合材料和分子

11、復(fù)合材料。 q微纖增強(qiáng)復(fù)合材料是指復(fù)合材料在加工過程中內(nèi)部析微纖增強(qiáng)復(fù)合材料是指復(fù)合材料在加工過程中內(nèi)部析 出的細(xì)微增強(qiáng)相與基體相構(gòu)成的原位復(fù)合材料，也稱出的細(xì)微增強(qiáng)相與基體相構(gòu)成的原位復(fù)合材料，也稱 自增強(qiáng)復(fù)合材料。自增強(qiáng)復(fù)合材料。 q納米復(fù)合材料是極具潛力的新型復(fù)合材料，因?yàn)槠渲屑{米復(fù)合材料是極具潛力的新型復(fù)合材料，因?yàn)槠渲?增強(qiáng)材料尺寸小到納米數(shù)量級(jí)，必然具有巨大界面能，增強(qiáng)材料尺寸小到納米數(shù)量級(jí)，必然具有巨大界面能， 其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)也會(huì)因尺寸小而發(fā)生變化，這些因素將其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)也會(huì)因尺寸小而發(fā)生變化，這些因素將 會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料性能的改善。會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料性能的改善。 q分子復(fù)合材料已在樹脂

12、基復(fù)合材料上實(shí)現(xiàn)，即用剛性分子復(fù)合材料已在樹脂基復(fù)合材料上實(shí)現(xiàn)，即用剛性 棒狀高分子水平上與柔性樹脂復(fù)合。棒狀高分子水平上與柔性樹脂復(fù)合。 材料科學(xué)概論剖析 2.向多元混雜復(fù)合和超混雜復(fù)合方向發(fā)展向多元混雜復(fù)合和超混雜復(fù)合方向發(fā)展 多元混雜復(fù)合是復(fù)合材料發(fā)展的一個(gè)重要方向，多元混雜復(fù)合是復(fù)合材料發(fā)展的一個(gè)重要方向， 混雜復(fù)合是獲得高性能復(fù)合材料有效而經(jīng)濟(jì)的方法，混雜復(fù)合是獲得高性能復(fù)合材料有效而經(jīng)濟(jì)的方法， 有兩方面的原因：有兩方面的原因： q因?yàn)榛祀s復(fù)合兼有兩種或多種材料的特征，在性能方因?yàn)榛祀s復(fù)合兼有兩種或多種材料的特征，在性能方 面可起到互相彌補(bǔ)的作用，由此擴(kuò)大了材料設(shè)計(jì)的自面可起到互相

13、彌補(bǔ)的作用，由此擴(kuò)大了材料設(shè)計(jì)的自 由度。由度。 q另外，采用價(jià)格昂貴的高性能增強(qiáng)纖維與一般性能的另外，采用價(jià)格昂貴的高性能增強(qiáng)纖維與一般性能的 廉價(jià)纖維混雜使用，可望受到較好的經(jīng)濟(jì)效果。廉價(jià)纖維混雜使用，可望受到較好的經(jīng)濟(jì)效果。 q目前，混雜復(fù)合已趨于多樣化，對(duì)增強(qiáng)體，在混雜的目前，混雜復(fù)合已趨于多樣化，對(duì)增強(qiáng)體，在混雜的 纖維增強(qiáng)體中又加入顆粒增強(qiáng)體；基體也混雜了屬性纖維增強(qiáng)體中又加入顆粒增強(qiáng)體；基體也混雜了屬性 不同的材料，成為混雜體。不同的材料，成為混雜體。 q今年出現(xiàn)的以鋁板和纖維增塑材料交替層疊的材料，今年出現(xiàn)的以鋁板和纖維增塑材料交替層疊的材料， 成為超混雜材料。這類材料的特點(diǎn)是

14、耐疲勞性能很好。成為超混雜材料。這類材料的特點(diǎn)是耐疲勞性能很好。 材料科學(xué)概論剖析 3.由結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為主，向結(jié)構(gòu)材料與功由結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為主，向結(jié)構(gòu)材料與功 能復(fù)合材料并重的方向發(fā)展能復(fù)合材料并重的方向發(fā)展 在材料科學(xué)工作者的努力下，具有優(yōu)良物在材料科學(xué)工作者的努力下，具有優(yōu)良物 理性能、化學(xué)特性的功能復(fù)合材料不斷被研制理性能、化學(xué)特性的功能復(fù)合材料不斷被研制 開發(fā)出來。功能復(fù)合材料正在向多功能方向發(fā)開發(fā)出來。功能復(fù)合材料正在向多功能方向發(fā) 展，使材料不僅是結(jié)構(gòu)材料，承受一定的載荷，展，使材料不僅是結(jié)構(gòu)材料，承受一定的載荷， 而且還具有某種或多種綜合功能。例如先進(jìn)軍而且還具有某種或多種綜合功能

15、。例如先進(jìn)軍 用飛機(jī)的隱身蒙皮就是一種多功能復(fù)合材料，用飛機(jī)的隱身蒙皮就是一種多功能復(fù)合材料， 它既是輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，又具有吸收雷達(dá)波它既是輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，又具有吸收雷達(dá)波 和紅外線的功能。和紅外線的功能。 材料科學(xué)概論剖析 4.由被動(dòng)復(fù)合材料向主動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展由被動(dòng)復(fù)合材料向主動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展 q目前使用的人工材料基本上屬于被動(dòng)材料，即在外界目前使用的人工材料基本上屬于被動(dòng)材料，即在外界 作用下只能被動(dòng)承受這種作用或被動(dòng)做出相應(yīng)反應(yīng)。作用下只能被動(dòng)承受這種作用或被動(dòng)做出相應(yīng)反應(yīng)。 q正在致力于研究的是具有主動(dòng)性的材料，它的初級(jí)形正在致力于研究的是具有主動(dòng)性的材料，它的初級(jí)形 式為機(jī)敏材料，

16、具有感覺、處理和執(zhí)行功能，以及自式為機(jī)敏材料，具有感覺、處理和執(zhí)行功能，以及自 診斷、自適應(yīng)和自修補(bǔ)作用。其高級(jí)形式為智能材料，診斷、自適應(yīng)和自修補(bǔ)作用。其高級(jí)形式為智能材料， 它能夠根據(jù)作用力的大小和環(huán)境作出優(yōu)化反應(yīng)，起到它能夠根據(jù)作用力的大小和環(huán)境作出優(yōu)化反應(yīng)，起到 自決策作用。這類材料基本上把起傳感器作用的敏感自決策作用。這類材料基本上把起傳感器作用的敏感 材料、起執(zhí)行支持作用的材料和起驅(qū)動(dòng)作用的材料復(fù)材料、起執(zhí)行支持作用的材料和起驅(qū)動(dòng)作用的材料復(fù) 合材料一起成為機(jī)敏復(fù)合材料，然后與外接電路裝置合材料一起成為機(jī)敏復(fù)合材料，然后與外接電路裝置 構(gòu)成機(jī)敏（智能）系統(tǒng)。構(gòu)成機(jī)敏（智能）系統(tǒng)。

17、材料科學(xué)概論剖析 5.由常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)方向發(fā)展由常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)方向發(fā)展 q生物材料大多是復(fù)合材料，在復(fù)合材料設(shè)計(jì)時(shí)，生生物材料大多是復(fù)合材料，在復(fù)合材料設(shè)計(jì)時(shí)，生 物材料可為我們提供良好的設(shè)計(jì)思路。物材料可為我們提供良好的設(shè)計(jì)思路。 q如現(xiàn)代直升飛機(jī)的旋翼結(jié)構(gòu)為：內(nèi)層是硬泡沫塑料，如現(xiàn)代直升飛機(jī)的旋翼結(jié)構(gòu)為：內(nèi)層是硬泡沫塑料， 中層是玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，外層是剛度、強(qiáng)中層是玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，外層是剛度、強(qiáng) 度高的碳纖維復(fù)合材料。這就是仿照骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)度高的碳纖維復(fù)合材料。這就是仿照骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)的。計(jì)的。 q仿生不僅可以豐富我們的設(shè)計(jì)思路，還可參照生物仿生不僅可以豐富我們的

18、設(shè)計(jì)思路，還可參照生物 體的功能機(jī)制設(shè)計(jì)出新的功能復(fù)合材料。體的功能機(jī)制設(shè)計(jì)出新的功能復(fù)合材料。 材料科學(xué)概論剖析 一、復(fù)合原理一、復(fù)合原理 1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理 第二節(jié)第二節(jié) 復(fù)合材料的復(fù)合理論復(fù)合材料的復(fù)合理論 材料科學(xué)概論剖析 二、增強(qiáng)機(jī)理二、增強(qiáng)機(jī)理 1、纖維增強(qiáng)、纖維增強(qiáng) 1）定義：）定義：由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性纖維作增強(qiáng)體與韌性由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性纖維作增強(qiáng)體與韌性 基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。其目的基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。其目的 是提高材料在室溫和高溫下的強(qiáng)度和彈性模量。是提高材料在室溫和高溫下的

19、強(qiáng)度和彈性模量。 2）機(jī)理：）機(jī)理： q將脆性材料制成細(xì)纖維，因直徑細(xì)小，而使產(chǎn)生裂紋的幾將脆性材料制成細(xì)纖維，因直徑細(xì)小，而使產(chǎn)生裂紋的幾 率降低，有利于纖維脆性的改善和強(qiáng)度的提高。率降低，有利于纖維脆性的改善和強(qiáng)度的提高。 q纖維處于基體之中，彼此隔離，纖維表面受到基體的保護(hù)纖維處于基體之中，彼此隔離，纖維表面受到基體的保護(hù) 作用，不易遭受損傷，不易在承載過程中產(chǎn)生裂紋，使承作用，不易遭受損傷，不易在承載過程中產(chǎn)生裂紋，使承 載能力增強(qiáng)。載能力增強(qiáng)。 q復(fù)合材料受到較大應(yīng)力時(shí)，一些有裂紋的纖維可能斷裂，復(fù)合材料受到較大應(yīng)力時(shí)，一些有裂紋的纖維可能斷裂， 但塑性很和韌性好的基體能組織裂紋的擴(kuò)

20、展。但塑性很和韌性好的基體能組織裂紋的擴(kuò)展。 q纖維受載斷裂時(shí)，斷口不可能都在一個(gè)平面上，從而使材纖維受載斷裂時(shí)，斷口不可能都在一個(gè)平面上，從而使材 料的抗拉強(qiáng)度大大提高，同時(shí)斷裂韌度也增加。料的抗拉強(qiáng)度大大提高，同時(shí)斷裂韌度也增加。 材料科學(xué)概論剖析 3）增強(qiáng)纖維與基體復(fù)合時(shí)應(yīng)注意的問題：）增強(qiáng)纖維與基體復(fù)合時(shí)應(yīng)注意的問題： q增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。 q基體和纖維之間要有一定的黏結(jié)作用，而且應(yīng)基體和纖維之間要有一定的黏結(jié)作用，而且應(yīng) 具有一定的結(jié)合強(qiáng)度。具有一定的結(jié)合強(qiáng)度。 q纖維應(yīng)有合理的含量、尺寸和分布。纖維應(yīng)有合理的含量、尺

21、寸和分布。 q纖維應(yīng)與基體的線膨脹系數(shù)相匹配。纖維應(yīng)與基體的線膨脹系數(shù)相匹配。 q纖維與基體之間要有良好的相容性。纖維與基體之間要有良好的相容性。 材料科學(xué)概論剖析 2、顆粒增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng) 1）分類：根據(jù)增強(qiáng)顆粒的尺寸大小，分為彌散增強(qiáng)復(fù)合材料和真正）分類：根據(jù)增強(qiáng)顆粒的尺寸大小，分為彌散增強(qiáng)復(fù)合材料和真正 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（微米量級(jí)）。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（微米量級(jí)）。 q彌散增強(qiáng)復(fù)合材料指尺寸為彌散增強(qiáng)復(fù)合材料指尺寸為1002500的微細(xì)顆粒彌散分布在的微細(xì)顆粒彌散分布在 金屬和合金中形成的復(fù)合材料。金屬和合金中形成的復(fù)合材料。 q真正顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料指以微米量級(jí)的顆粒增強(qiáng)的金屬基、樹真正顆粒

22、增強(qiáng)復(fù)合材料指以微米量級(jí)的顆粒增強(qiáng)的金屬基、樹 脂基或陶瓷基復(fù)合材料。脂基或陶瓷基復(fù)合材料。 2）機(jī)理：）機(jī)理： q彌散強(qiáng)化復(fù)合材料的增強(qiáng)體主要是金屬氧化物、碳化物和硼化彌散強(qiáng)化復(fù)合材料的增強(qiáng)體主要是金屬氧化物、碳化物和硼化 物，這些彌散分布于金屬或合金基體中的硬顆粒可以有效地阻物，這些彌散分布于金屬或合金基體中的硬顆?？梢杂行У刈?礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。其復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理與合金中礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。其復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理與合金中 的析出強(qiáng)化機(jī)理相似，基體仍是承受載荷的主體。的析出強(qiáng)化機(jī)理相似，基體仍是承受載荷的主體。 q純顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的性能受顆粒大小的影響，通常選擇尺寸純顆粒增

23、強(qiáng)復(fù)合材料的性能受顆粒大小的影響，通常選擇尺寸 較小的顆粒，并且盡可能使之均勻分布在基體之中。顆粒不是較小的顆粒，并且盡可能使之均勻分布在基體之中。顆粒不是 通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而使材料強(qiáng)化，而是借助于限制顆粒臨近基通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而使材料強(qiáng)化，而是借助于限制顆粒臨近基 體的運(yùn)動(dòng)，約束基體的變形來達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。因此，一體的運(yùn)動(dòng)，約束基體的變形來達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。因此，一 般認(rèn)為增強(qiáng)顆粒承受部分載荷顆粒與基體間的結(jié)合力越大，增般認(rèn)為增強(qiáng)顆粒承受部分載荷顆粒與基體間的結(jié)合力越大，增 強(qiáng)的效果越明顯。強(qiáng)的效果越明顯。 材料科學(xué)概論剖析 三、增韌機(jī)理三、增韌機(jī)理 1、纖維增韌、纖維增韌 1）定義：

24、）定義：為了克服為了克服陶瓷脆性大的弱點(diǎn)，可以在陶瓷基體中加入纖維陶瓷脆性大的弱點(diǎn)，可以在陶瓷基體中加入纖維 制成的陶瓷基復(fù)合材料，由于定向、取向或無序排布的纖維的加制成的陶瓷基復(fù)合材料，由于定向、取向或無序排布的纖維的加 入，陶瓷基復(fù)合材料韌度顯著提高，這就是纖維增韌。入，陶瓷基復(fù)合材料韌度顯著提高，這就是纖維增韌。 2）機(jī)理：）機(jī)理： q單向排布長纖維增韌單向排布長纖維增韌 單向排布長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向異性，沿纖單向排布長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向異性，沿纖 維長度方向上的縱向性能大大高于橫向性能。維長度方向上的縱向性能大大高于橫向性能。 實(shí)際上，在斷裂過程中纖維的斷裂并非

25、發(fā)生在同一裂紋平實(shí)際上，在斷裂過程中纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平 面，在裂紋的發(fā)展過程中會(huì)出現(xiàn)裂紋轉(zhuǎn)向。裂紋轉(zhuǎn)向的結(jié)果，面，在裂紋的發(fā)展過程中會(huì)出現(xiàn)裂紋轉(zhuǎn)向。裂紋轉(zhuǎn)向的結(jié)果， 使韌度進(jìn)一步提高。使韌度進(jìn)一步提高。 綜上所述，在單向排布長纖維陶瓷基復(fù)合材料中韌度的綜上所述，在單向排布長纖維陶瓷基復(fù)合材料中韌度的 提高來自個(gè)方面，即纖維拔出、纖維斷裂和裂紋轉(zhuǎn)向。提高來自個(gè)方面，即纖維拔出、纖維斷裂和裂紋轉(zhuǎn)向。 材料科學(xué)概論剖析 q多維多向排布長纖維增韌多維多向排布長纖維增韌 單向排列纖維增韌陶瓷只是縱向性能優(yōu)越，橫向顯單向排列纖維增韌陶瓷只是縱向性能優(yōu)越，橫向顯 著低于縱向，然而在許多陶瓷構(gòu)件中

26、要求在二維甚至著低于縱向，然而在許多陶瓷構(gòu)件中要求在二維甚至 三維都要求有高性能，于是便產(chǎn)生了多向排布長纖維三維都要求有高性能，于是便產(chǎn)生了多向排布長纖維 增韌陶瓷基復(fù)合材料。增韌陶瓷基復(fù)合材料。 纖維排布有兩種方式：一種是將纖維編制成纖維纖維排布有兩種方式：一種是將纖維編制成纖維 布，這種材料在二維方向上性能優(yōu)越；另一種是纖維布，這種材料在二維方向上性能優(yōu)越；另一種是纖維 分層單向排布，層間纖維成一定角度。前一種材料用分層單向排布，層間纖維成一定角度。前一種材料用 于平板構(gòu)件或曲率半徑較大的殼體構(gòu)件，后一種材料于平板構(gòu)件或曲率半徑較大的殼體構(gòu)件，后一種材料 可以根據(jù)構(gòu)件的形狀用纖維纏繞的方法

27、制成所需形狀可以根據(jù)構(gòu)件的形狀用纖維纏繞的方法制成所需形狀 的殼層狀構(gòu)件。的殼層狀構(gòu)件。 二維多向纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的韌化機(jī)理與二維多向纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的韌化機(jī)理與 單向排布復(fù)合材料一樣，也主要是靠纖維的斷裂、纖單向排布復(fù)合材料一樣，也主要是靠纖維的斷裂、纖 維的拔出與裂紋轉(zhuǎn)向使其韌度及強(qiáng)度比基體材料大幅維的拔出與裂紋轉(zhuǎn)向使其韌度及強(qiáng)度比基體材料大幅 度提高。度提高。 材料科學(xué)概論剖析 q短纖維、晶須增韌短纖維、晶須增韌 長纖維增韌固然有其優(yōu)越性，但制備工藝復(fù)雜，長纖維增韌固然有其優(yōu)越性，但制備工藝復(fù)雜， 工藝技術(shù)難度大，特別是纖維很難在基體中均勻分工藝技術(shù)難度大，特別是纖維很難在基

28、體中均勻分 布。因此，才發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷布。因此，才發(fā)展了短纖維、晶須及顆粒增韌陶瓷 基復(fù)合材料?；鶑?fù)合材料。 將長纖維剪短，然后分散并與基體粉料混勻，熱將長纖維剪短，然后分散并與基體粉料混勻，熱 壓燒結(jié)后制得。這種方法制得的復(fù)合材料中，短纖壓燒結(jié)后制得。這種方法制得的復(fù)合材料中，短纖 維沿加壓面擇優(yōu)取向，因而產(chǎn)生性能上的各向異性。維沿加壓面擇優(yōu)取向，因而產(chǎn)生性能上的各向異性。 晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)理大體與纖維晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)理大體與纖維 增韌陶瓷基復(fù)合材料的相同，即主要靠晶須的拔出增韌陶瓷基復(fù)合材料的相同，即主要靠晶須的拔出 橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)韌性的

29、提高產(chǎn)生突出貢獻(xiàn)。橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)韌性的提高產(chǎn)生突出貢獻(xiàn)。 材料科學(xué)概論剖析 2、顆粒增韌、顆粒增韌 顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的韌化機(jī)理主要有相變韌性、顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的韌化機(jī)理主要有相變韌性、 裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌等。裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌等。 1）相變?cè)鲰g）相變?cè)鲰g 以以ZrO2馬氏體相變來說明增韌機(jī)理。馬氏體相變來說明增韌機(jī)理。ZrO2在一定溫度在一定溫度 和應(yīng)力場(chǎng)作用下，亞穩(wěn)定四方和應(yīng)力場(chǎng)作用下，亞穩(wěn)定四方tZrO2顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡鳖w粒轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡?相相mZrO2。伴隨著這種相變有的體積膨脹，因而產(chǎn)生。伴隨著這種相變有的體積膨脹，因而產(chǎn)生 了壓縮應(yīng)力，從而抵消外加應(yīng)力，組織裂紋擴(kuò)展，達(dá)到

30、了壓縮應(yīng)力，從而抵消外加應(yīng)力，組織裂紋擴(kuò)展，達(dá)到 增韌目的。增韌目的。 2）裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌）裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌 裂紋在陶瓷材料中不斷擴(kuò)展，裂紋前沿遇到高強(qiáng)度的裂紋在陶瓷材料中不斷擴(kuò)展，裂紋前沿遇到高強(qiáng)度的 顆粒的阻礙，使擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，從而減小了顆粒的阻礙，使擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，從而減小了 裂紋前端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，增加了材料的斷裂韌度，達(dá)裂紋前端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，增加了材料的斷裂韌度，達(dá) 到了增韌的目的。到了增韌的目的。 材料科學(xué)概論剖析 一、樹脂基復(fù)合材料的界面一、樹脂基復(fù)合材料的界面 1.界面的形成界面的形成 界面的形成可分為兩個(gè)階段：一是基體與增強(qiáng)纖維的界面的形成可分為兩個(gè)

31、階段：一是基體與增強(qiáng)纖維的 接觸與浸潤過程，二是樹脂的固化過程，在此過程中樹接觸與浸潤過程，二是樹脂的固化過程，在此過程中樹 脂通過物理或化學(xué)的變化而固化，形成固體的界面層。脂通過物理或化學(xué)的變化而固化，形成固體的界面層。 界面層使纖維與基體形成一個(gè)整體，并通過它傳遞應(yīng)力。界面層使纖維與基體形成一個(gè)整體，并通過它傳遞應(yīng)力。 2.界面作用機(jī)理界面作用機(jī)理 （1）界面浸潤理論）界面浸潤理論 1963年年Zisman首先提出了這個(gè)理論，主要論點(diǎn)是增強(qiáng)纖首先提出了這個(gè)理論，主要論點(diǎn)是增強(qiáng)纖 維被液體樹脂良好浸潤是極其重要的，浸潤不良會(huì)在界維被液體樹脂良好浸潤是極其重要的，浸潤不良會(huì)在界 面上產(chǎn)生間隙，

32、易產(chǎn)生應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂，面上產(chǎn)生間隙，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂， 完全浸潤可使基體與增強(qiáng)纖維的結(jié)合強(qiáng)度大于基體的強(qiáng)完全浸潤可使基體與增強(qiáng)纖維的結(jié)合強(qiáng)度大于基體的強(qiáng) 度，復(fù)合材料才能顯示其優(yōu)越性能。度，復(fù)合材料才能顯示其優(yōu)越性能。 第三節(jié)第三節(jié) 復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面 材料科學(xué)概論剖析 （2）化學(xué)鍵理論）化學(xué)鍵理論 主要論點(diǎn)是處理增強(qiáng)纖維表面的偶連劑既含有能與增強(qiáng)纖維起化學(xué)主要論點(diǎn)是處理增強(qiáng)纖維表面的偶連劑既含有能與增強(qiáng)纖維起化學(xué) 作用的官能團(tuán)，又含有能與樹脂基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)，由此在作用的官能團(tuán)，又含有能與樹脂基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)，由此在 界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合

33、，如能滿足這一要求則在理論上可獲得最大界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合，如能滿足這一要求則在理論上可獲得最大 的界面結(jié)合能。這種理論的實(shí)質(zhì)即強(qiáng)調(diào)增加界面的化學(xué)作用是改進(jìn)的界面結(jié)合能。這種理論的實(shí)質(zhì)即強(qiáng)調(diào)增加界面的化學(xué)作用是改進(jìn) 復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。 （3）變形層理論）變形層理論 如果纖維與基體的線膨脹系數(shù)相差較大，復(fù)合材料固化如果纖維與基體的線膨脹系數(shù)相差較大，復(fù)合材料固化 后在界面上會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這將損傷界面和影響復(fù)合后在界面上會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這將損傷界面和影響復(fù)合 材料的性能。另外，在載荷作用下，界面上會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力材料的性能。另外，在載荷作用下，界面上會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力 集中，若界面化學(xué)鍵

34、破壞，產(chǎn)生微裂紋，將導(dǎo)致復(fù)合材集中，若界面化學(xué)鍵破壞，產(chǎn)生微裂紋，將導(dǎo)致復(fù)合材 料性能變差。將增強(qiáng)纖維表面進(jìn)行處理，在界面上形成料性能變差。將增強(qiáng)纖維表面進(jìn)行處理，在界面上形成 一層塑性層，就可以起到松弛和減小界面應(yīng)力的作用，一層塑性層，就可以起到松弛和減小界面應(yīng)力的作用， 這種理論稱為變形層理論。這種理論稱為變形層理論。 材料科學(xué)概論剖析 （4）物理吸附理論）物理吸附理論 可作為化學(xué)鍵理論的補(bǔ)充。這種理論認(rèn)為，增強(qiáng)纖維與可作為化學(xué)鍵理論的補(bǔ)充。這種理論認(rèn)為，增強(qiáng)纖維與 基體之間的結(jié)合屬于機(jī)械鉸合和基于次鍵作用的物理吸基體之間的結(jié)合屬于機(jī)械鉸合和基于次鍵作用的物理吸 附。附。 （5）減弱界面局

35、部應(yīng)力作用理論）減弱界面局部應(yīng)力作用理論 該理論認(rèn)為，基體和增強(qiáng)纖維之間的處理劑提供了一該理論認(rèn)為，基體和增強(qiáng)纖維之間的處理劑提供了一 種具有種具有“自愈能力自愈能力”的化學(xué)鍵。在載荷作用下，它處于的化學(xué)鍵。在載荷作用下，它處于 不斷形成與斷裂的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。低分子物質(zhì)的應(yīng)力浸不斷形成與斷裂的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。低分子物質(zhì)的應(yīng)力浸 蝕會(huì)使界面化學(xué)鍵斷裂，而在應(yīng)力作用下處理劑能沿增蝕會(huì)使界面化學(xué)鍵斷裂，而在應(yīng)力作用下處理劑能沿增 強(qiáng)纖維表面滑移，使已斷裂的化學(xué)鍵重新結(jié)合，與此同強(qiáng)纖維表面滑移，使已斷裂的化學(xué)鍵重新結(jié)合，與此同 時(shí)，應(yīng)力得到松弛，減緩了界面的應(yīng)力集中。時(shí)，應(yīng)力得到松弛，減緩了界面的應(yīng)力集

36、中。 除上述理論之外，還有尚需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的拘束層理論和擴(kuò)除上述理論之外，還有尚需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的拘束層理論和擴(kuò) 散層理論。散層理論。 材料科學(xué)概論剖析 二、金屬基復(fù)合材料的界面二、金屬基復(fù)合材料的界面 1.界面的類型界面的類型 q纖維與基體不反應(yīng)亦不溶解，如纖維與基體不反應(yīng)亦不溶解，如SiC纖維（纖維（CVD）/鋁鋁 q纖維與基體不反應(yīng)但相互溶解，如碳纖維纖維與基體不反應(yīng)但相互溶解，如碳纖維/銅銅 q纖維與基體反應(yīng)形成界面反應(yīng)層，如纖維與基體反應(yīng)形成界面反應(yīng)層，如Al2O3纖維纖維/鈦鈦 2.界面的結(jié)合界面的結(jié)合 （1）機(jī)械結(jié)合）機(jī)械結(jié)合 是指借助增強(qiáng)纖維表面凹凸不平的形態(tài)而產(chǎn)生的是指借助增強(qiáng)纖維表面

37、凹凸不平的形態(tài)而產(chǎn)生的 機(jī)械鉸合，以及借助基體收縮應(yīng)力裹緊纖維產(chǎn)生的摩機(jī)械鉸合，以及借助基體收縮應(yīng)力裹緊纖維產(chǎn)生的摩 擦力組合。這種結(jié)合作用與擴(kuò)散和化學(xué)作用無關(guān)，純擦力組合。這種結(jié)合作用與擴(kuò)散和化學(xué)作用無關(guān)，純 屬機(jī)械作用。例如經(jīng)過表面刻蝕處理的纖維制成的金屬機(jī)械作用。例如經(jīng)過表面刻蝕處理的纖維制成的金 屬基復(fù)合材料，其結(jié)合強(qiáng)度比用表面光滑的纖維制成屬基復(fù)合材料，其結(jié)合強(qiáng)度比用表面光滑的纖維制成 的復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度高約的復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度高約2 23 3倍。倍。 材料科學(xué)概論剖析 （2）溶解和浸潤結(jié)合）溶解和浸潤結(jié)合 纖維與基體不反應(yīng)但相互溶解，相互作用力是短程的，作纖維與基體不反應(yīng)但相互溶

38、解，相互作用力是短程的，作 用范圍只有若干原子間距大小。用范圍只有若干原子間距大小。 （3）反應(yīng)結(jié)合）反應(yīng)結(jié)合 纖維與基體相互反應(yīng)形成界面反應(yīng)層纖維與基體相互反應(yīng)形成界面反應(yīng)層 ，其特征是纖維和基，其特征是纖維和基 體之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層。一般情況下，體之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層。一般情況下， 隨反應(yīng)程度的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度亦增加，但由于界面反隨反應(yīng)程度的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度亦增加，但由于界面反 應(yīng)產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，所以當(dāng)界面層達(dá)到一定厚度時(shí)，界應(yīng)產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，所以當(dāng)界面層達(dá)到一定厚度時(shí)，界 面上的殘余應(yīng)力可使界面破壞，反而降低界面結(jié)合強(qiáng)度。面上的殘余應(yīng)力可使界面破壞，

39、反而降低界面結(jié)合強(qiáng)度。 （4）混合結(jié)合）混合結(jié)合 是最重要最普遍的結(jié)合形式，因?yàn)樵趯?shí)際復(fù)合材料中經(jīng)常是最重要最普遍的結(jié)合形式，因?yàn)樵趯?shí)際復(fù)合材料中經(jīng)常 同時(shí)存在幾種結(jié)合形式。例如硼纖維增強(qiáng)鋁材時(shí)，如果制同時(shí)存在幾種結(jié)合形式。例如硼纖維增強(qiáng)鋁材時(shí)，如果制 造溫度低，硼纖維表面氧化膜不被破壞，則形成機(jī)械結(jié)合，造溫度低，硼纖維表面氧化膜不被破壞，則形成機(jī)械結(jié)合， 材料若在材料若在500進(jìn)行熱處理，可以發(fā)現(xiàn)在機(jī)械結(jié)合的界面上進(jìn)行熱處理，可以發(fā)現(xiàn)在機(jī)械結(jié)合的界面上 出現(xiàn)了出現(xiàn)了AlB2，表面熱處理過程中界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成，表面熱處理過程中界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成 了反應(yīng)結(jié)合。了反應(yīng)結(jié)合。 材料科學(xué)概論

40、剖析 三、陶瓷基復(fù)合材料的界面三、陶瓷基復(fù)合材料的界面 在陶瓷基復(fù)合材料中，增強(qiáng)材料與基體之間的結(jié)在陶瓷基復(fù)合材料中，增強(qiáng)材料與基體之間的結(jié) 合也是采取機(jī)械結(jié)合、溶解和浸潤結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合和合也是采取機(jī)械結(jié)合、溶解和浸潤結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合和 混合結(jié)合的方式。陶瓷基復(fù)合材料中界面的特性同樣混合結(jié)合的方式。陶瓷基復(fù)合材料中界面的特性同樣 對(duì)材料的性能起著舉足輕重的作用。對(duì)材料的性能起著舉足輕重的作用。 1、改變?cè)鰪?qiáng)材料表面的性質(zhì)、改變?cè)鰪?qiáng)材料表面的性質(zhì) 改變?cè)鰪?qiáng)材料表面性質(zhì)是用化學(xué)手段控制界面的方改變?cè)鰪?qiáng)材料表面性質(zhì)是用化學(xué)手段控制界面的方 法。法。 例如，在例如，在SiC晶須表面形成富碳結(jié)構(gòu)的方法，在

41、纖晶須表面形成富碳結(jié)構(gòu)的方法，在纖 維表面以維表面以CVD方法或方法或PVD方法施以方法施以BN或碳的涂層等?；蛱嫉耐繉拥取?采用這種方法的目的是防止強(qiáng)化材料與基體間的反應(yīng)，采用這種方法的目的是防止強(qiáng)化材料與基體間的反應(yīng)， 從而獲得最佳界面力學(xué)特性。改變?cè)鰪?qiáng)材料表面性質(zhì)從而獲得最佳界面力學(xué)特性。改變?cè)鰪?qiáng)材料表面性質(zhì) 的另一個(gè)目的是改變纖維與基體間的結(jié)合力。的另一個(gè)目的是改變纖維與基體間的結(jié)合力。 材料科學(xué)概論剖析 2、向基體內(nèi)添加特定的元素、向基體內(nèi)添加特定的元素 在用燒結(jié)法制造陶瓷基復(fù)合材料的過程中，為了有在用燒結(jié)法制造陶瓷基復(fù)合材料的過程中，為了有 助于燒結(jié)，往往在基體中添加一些特定元素。

42、為了使纖助于燒結(jié)，往往在基體中添加一些特定元素。為了使纖 維與基體之間發(fā)生適度反應(yīng)以控制界面，也可添加一些維與基體之間發(fā)生適度反應(yīng)以控制界面，也可添加一些 元素。在元素。在SiC纖維強(qiáng)化玻璃陶瓷（纖維強(qiáng)化玻璃陶瓷（lAS）中，如果采用通）中，如果采用通 常的常的PAS成分的基體，晶化處理時(shí)會(huì)在界面上產(chǎn)生裂紋，成分的基體，晶化處理時(shí)會(huì)在界面上產(chǎn)生裂紋， 而添加很少量的而添加很少量的Nb時(shí)，熱處理過程中會(huì)發(fā)生反應(yīng)，在界時(shí)，熱處理過程中會(huì)發(fā)生反應(yīng)，在界 面形成數(shù)微米的面形成數(shù)微米的NbC相，獲得最佳界面，提高了韌度，相，獲得最佳界面，提高了韌度， 改變了脆裂性能。改變了脆裂性能。 3、在增強(qiáng)材料表面

43、施以涂層、在增強(qiáng)材料表面施以涂層 涂層技術(shù)是實(shí)施界面控制的有效方法之一，可分為涂層技術(shù)是實(shí)施界面控制的有效方法之一，可分為 CVD法、法、PVD法、噴鍍和噴射等。法、噴鍍和噴射等。 材料科學(xué)概論剖析 一、概述一、概述 q樹脂基復(fù)合材料又稱聚合物基復(fù)合材料，是目前應(yīng)用最樹脂基復(fù)合材料又稱聚合物基復(fù)合材料，是目前應(yīng)用最 廣、消耗量最大的一類復(fù)合材料。廣、消耗量最大的一類復(fù)合材料。 q根據(jù)增強(qiáng)體的類型，可分為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材根據(jù)增強(qiáng)體的類型，可分為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材 料、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、硼纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)料、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、硼纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù) 合材料、碳化硅纖維增強(qiáng)

44、樹脂基復(fù)合材料、芳綸纖維增合材料、碳化硅纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、芳綸纖維增 強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和顆粒增 強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料等類型；根據(jù)樹脂的性質(zhì)，可分為熱強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料等類型；根據(jù)樹脂的性質(zhì)，可分為熱 固性樹脂基復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料。固性樹脂基復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料。 q常用的熱固性樹脂有；環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚常用的熱固性樹脂有；環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚 酯樹脂和有機(jī)硅樹脂；常用的熱塑性樹脂有：尼龍類樹酯樹脂和有機(jī)硅樹脂；常用的熱塑性樹脂有：尼龍類樹 脂、聚烯烴類樹脂、苯乙烯類樹脂、聚醚酮類樹脂

45、和熱脂、聚烯烴類樹脂、苯乙烯類樹脂、聚醚酮類樹脂和熱 塑性聚酯類樹脂。塑性聚酯類樹脂。 第四節(jié)第四節(jié) 樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料 材料科學(xué)概論剖析 二、纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料二、纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 1.玻璃纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料玻璃纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 （1）玻璃纖維）玻璃纖維 玻璃脆性很大，但是將熔融態(tài)玻璃以極快的速度玻璃脆性很大，但是將熔融態(tài)玻璃以極快的速度 拉制成纖維，就具有一定的柔韌性，可紡織成紗或各拉制成纖維，就具有一定的柔韌性，可紡織成紗或各 種形式的玻璃布。種形式的玻璃布。 玻璃纖維的性能特點(diǎn)有：玻璃纖維的性能特點(diǎn)有： q抗拉強(qiáng)度很高。纖維越細(xì)，強(qiáng)度越高。抗拉

46、強(qiáng)度很高。纖維越細(xì)，強(qiáng)度越高。 q耐熱性低。耐熱性低。 q化學(xué)穩(wěn)定性高?；瘜W(xué)穩(wěn)定性高。 q脆性較大。脆性較大。 材料科學(xué)概論剖析 （2）玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料）玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，即玻璃鋼。玻玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，即玻璃鋼。玻 璃鋼分為熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼兩類。璃鋼分為熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼兩類。 q熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料和以熱固性樹熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料和以熱固性樹 脂為基體的復(fù)合材料。熱固性玻璃鋼應(yīng)用極廣，從各脂為基體的復(fù)合材料。熱固性玻璃鋼應(yīng)用極廣，從各 種機(jī)器的護(hù)罩到形狀復(fù)雜的構(gòu)件，從各種車輛的車身

47、種機(jī)器的護(hù)罩到形狀復(fù)雜的構(gòu)件，從各種車輛的車身 到不同用途的配件，以及石油化工中的耐蝕、耐壓容到不同用途的配件，以及石油化工中的耐蝕、耐壓容 器及管道等。器及管道等。 q熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料和以熱塑性樹熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料和以熱塑性樹 脂為基體的復(fù)合材料。玻璃纖維增強(qiáng)尼龍可替代非鐵脂為基體的復(fù)合材料。玻璃纖維增強(qiáng)尼龍可替代非鐵 金屬制造軸承、軸承架和齒輪等精密零件，還可制造金屬制造軸承、軸承架和齒輪等精密零件，還可制造 電工部件和汽車上的儀表盤、前后車燈。電工部件和汽車上的儀表盤、前后車燈。 材料科學(xué)概論剖析 2.碳纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料碳纖維及其增強(qiáng)的樹脂基

48、復(fù)合材料 （1）碳纖維）碳纖維 碳纖維由有機(jī)纖維經(jīng)高溫碳化而成，工業(yè)廣泛應(yīng)碳纖維由有機(jī)纖維經(jīng)高溫碳化而成，工業(yè)廣泛應(yīng) 用聚烯腈纖維、黏膠纖維和瀝青纖維制造的碳纖維。用聚烯腈纖維、黏膠纖維和瀝青纖維制造的碳纖維。 碳纖維的特點(diǎn)：碳纖維的特點(diǎn)： q密度低，彈性模量高和強(qiáng)度高。密度低，彈性模量高和強(qiáng)度高。 q高溫、低溫力學(xué)性能好。高溫、低溫力學(xué)性能好。 q具有高的耐蝕性、導(dǎo)電性以及低的摩擦系數(shù)。具有高的耐蝕性、導(dǎo)電性以及低的摩擦系數(shù)。 q它的主要缺點(diǎn)是脆性大，表面光滑，與樹脂結(jié)合力比它的主要缺點(diǎn)是脆性大，表面光滑，與樹脂結(jié)合力比 玻璃纖維的還差，常需要表面處理來改善與基體的結(jié)玻璃纖維的還差，常需要表

49、面處理來改善與基體的結(jié) 合力。合力。 材料科學(xué)概論剖析 （2）碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料）碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 q基體：這類材料的基體樹脂用的最多的是環(huán)氧樹脂、基體：這類材料的基體樹脂用的最多的是環(huán)氧樹脂、 酚醛樹脂和聚四氟乙烯。酚醛樹脂和聚四氟乙烯。 q特性：這類材料的密度低，強(qiáng)度高，彈性模量大，疲特性：這類材料的密度低，強(qiáng)度高，彈性模量大，疲 勞強(qiáng)度高，沖擊韌度高，化學(xué)穩(wěn)定性高。摩擦系數(shù)小，勞強(qiáng)度高，沖擊韌度高，化學(xué)穩(wěn)定性高。摩擦系數(shù)小， 導(dǎo)熱性好，總之比玻璃鋼的性能優(yōu)越，是一種新型結(jié)導(dǎo)熱性好，總之比玻璃鋼的性能優(yōu)越，是一種新型結(jié) 構(gòu)材料。構(gòu)材料。 q應(yīng)用：可以用作宇宙飛行器和外層材

50、料，人造衛(wèi)星和應(yīng)用：可以用作宇宙飛行器和外層材料，人造衛(wèi)星和 火箭的機(jī)架、殼體和天線構(gòu)架。還可以用作機(jī)器的齒火箭的機(jī)架、殼體和天線構(gòu)架。還可以用作機(jī)器的齒 輪、軸承等受載、磨損件。輪、軸承等受載、磨損件。 材料科學(xué)概論剖析 3.硼纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料硼纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 （1）硼纖維）硼纖維 q是由硼氣相沉積在鎢絲上制取的，纖維外表面為硼，是由硼氣相沉積在鎢絲上制取的，纖維外表面為硼， 心部為硼化鎢。心部為硼化鎢。 q硼纖維的密度為硼纖維的密度為2.6gcm-3，抗拉強(qiáng)度高達(dá)，抗拉強(qiáng)度高達(dá) 3.45103MPa，彈性模量為，彈性模量為4.14105MPa。比強(qiáng)度。比強(qiáng)度 與玻

51、璃纖維的接近，但比模量較玻璃纖維的高與玻璃纖維的接近，但比模量較玻璃纖維的高5倍，倍， 而且耐熱性高。硼纖維的缺點(diǎn)是密度高，纖維直徑大。而且耐熱性高。硼纖維的缺點(diǎn)是密度高，纖維直徑大。 材料科學(xué)概論剖析 （2）硼纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料）硼纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 q基體：這類材料主要用的的基體樹脂是環(huán)氧樹脂、聚基體：這類材料主要用的的基體樹脂是環(huán)氧樹脂、聚 羨壓胺樹脂和聚苯并咪唑羨壓胺樹脂和聚苯并咪唑 。 q特性：硼纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和抗剪特性：硼纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和抗剪 切強(qiáng)度很高，抗蠕變能力強(qiáng)，硬度和彈性模量高，并切強(qiáng)度很高，抗蠕變能力強(qiáng)，硬度和彈性模量高，并

52、 且具有很高的疲勞強(qiáng)度和耐輻射性能。對(duì)水、有機(jī)溶且具有很高的疲勞強(qiáng)度和耐輻射性能。對(duì)水、有機(jī)溶 劑、潤滑劑等很穩(wěn)定。由于硼纖維是半導(dǎo)體，所以其劑、潤滑劑等很穩(wěn)定。由于硼纖維是半導(dǎo)體，所以其 復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性都很好。復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性都很好。 q應(yīng)用：硼纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料主要用于航空和宇應(yīng)用：硼纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料主要用于航空和宇 航工業(yè)，制造翼面、儀表盤、轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)片葉片、航工業(yè)，制造翼面、儀表盤、轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)片葉片、 直升機(jī)螺旋漿葉的傳動(dòng)軸等。直升機(jī)螺旋漿葉的傳動(dòng)軸等。 材料科學(xué)概論剖析 4.聚芳酰胺纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料聚芳酰胺纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 （1

53、）聚芳酰胺纖維）聚芳酰胺纖維 q在商業(yè)上稱為芳綸。在商業(yè)上稱為芳綸。據(jù)稱是由苯二酰氯和對(duì)苯二胺縮聚據(jù)稱是由苯二酰氯和對(duì)苯二胺縮聚 而成的。而成的。 q聚芳酰胺纖維的抗拉強(qiáng)度不及碳纖維的抗拉強(qiáng)度，密度聚芳酰胺纖維的抗拉強(qiáng)度不及碳纖維的抗拉強(qiáng)度，密度 低，比密度超高了玻璃纖維、碳纖維和硼纖維的比密度，低，比密度超高了玻璃纖維、碳纖維和硼纖維的比密度， 韌性好；抗蠕變性能突出，還具有耐疲勞性能好、易加韌性好；抗蠕變性能突出，還具有耐疲勞性能好、易加 工、耐腐蝕和電絕緣性能好等特點(diǎn)。工、耐腐蝕和電絕緣性能好等特點(diǎn)。 材料科學(xué)概論剖析 （2）聚芳酰胺纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料）聚芳酰胺纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合

54、材料 q特性：特性：聚芳酰胺纖維本身是聚合物，所以與樹脂基聚芳酰胺纖維本身是聚合物，所以與樹脂基 體相容性好，能形成結(jié)合力強(qiáng)的理想界面。這種纖體相容性好，能形成結(jié)合力強(qiáng)的理想界面。這種纖 維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂，抗拉強(qiáng)度大于玻璃纖維增強(qiáng)的維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂，抗拉強(qiáng)度大于玻璃纖維增強(qiáng)的 環(huán)氧樹脂，類似碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂。聚芳酰胺環(huán)氧樹脂，類似碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂。聚芳酰胺 纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料的塑性與金屬的相似，纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料的塑性與金屬的相似， 耐沖擊性超過碳纖維樹脂的耐沖擊性，減振性好，耐沖擊性超過碳纖維樹脂的耐沖擊性，減振性好， 耐疲勞性也比玻璃鋼的好，但抗壓強(qiáng)度較低。耐疲勞性也比

55、玻璃鋼的好，但抗壓強(qiáng)度較低。 q應(yīng)用：應(yīng)用：目前這種復(fù)合材料主要用于航天、航空、造目前這種復(fù)合材料主要用于航天、航空、造 船和汽車工業(yè)。船和汽車工業(yè)。 材料科學(xué)概論剖析 5.高性能天然纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料高性能天然纖維及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 （1）高性能天然纖維）高性能天然纖維 q麻和竹類天然纖維因其抗拉強(qiáng)度比其他天然纖維的高，麻和竹類天然纖維因其抗拉強(qiáng)度比其他天然纖維的高， 可稱其為高性能天然纖維?？煞Q其為高性能天然纖維。 q雖然麻和竹類的抗拉強(qiáng)度比玻璃纖維的低，但是麻尤雖然麻和竹類的抗拉強(qiáng)度比玻璃纖維的低，但是麻尤 其是苧麻纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維的接近，竹的性能其是苧麻纖維的比強(qiáng)

56、度與玻璃纖維的接近，竹的性能 可與單向玻璃纖維聚酯板和中碳鋼的性能媲美。可與單向玻璃纖維聚酯板和中碳鋼的性能媲美。 （2）高性能天然纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料）高性能天然纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 這些復(fù)合材料中的基體主要是環(huán)氧樹脂、脲醛樹這些復(fù)合材料中的基體主要是環(huán)氧樹脂、脲醛樹 脂。其產(chǎn)品已用于轎車的內(nèi)飾品、吸噪聲板和輪廓等。脂。其產(chǎn)品已用于轎車的內(nèi)飾品、吸噪聲板和輪廓等。 國內(nèi)也開展了一些工作，但處于研究階段，沒有很多國內(nèi)也開展了一些工作，但處于研究階段，沒有很多 的工程應(yīng)用，主要用于建筑裝飾、家具面板、游艇和的工程應(yīng)用，主要用于建筑裝飾、家具面板、游艇和 器皿等。器皿等。 材料科學(xué)概論剖析

57、 6.晶須及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料晶須及其增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 （1）晶須）晶須 q晶須是直徑小于晶須是直徑小于30m30m、長度只有只有幾毫米的針狀單、長度只有只有幾毫米的針狀單 晶體，其晶體內(nèi)部幾乎不存在位錯(cuò)，所以強(qiáng)度高，接晶體，其晶體內(nèi)部幾乎不存在位錯(cuò)，所以強(qiáng)度高，接 近于理論強(qiáng)度值。近于理論強(qiáng)度值。 q晶須有金屬晶須、陶瓷晶須和高分子晶須。晶須有金屬晶須、陶瓷晶須和高分子晶須。 q鐵晶須已投入生產(chǎn)；陶瓷晶須強(qiáng)度極高，此外還有密鐵晶須已投入生產(chǎn)；陶瓷晶須強(qiáng)度極高，此外還有密 度低、彈性模量高、耐熱性能好等特點(diǎn)，是極有發(fā)展度低、彈性模量高、耐熱性能好等特點(diǎn)，是極有發(fā)展 前途的增強(qiáng)晶須。高分

58、子晶須與環(huán)氧樹脂的復(fù)合工藝前途的增強(qiáng)晶須。高分子晶須與環(huán)氧樹脂的復(fù)合工藝 還在研究中。還在研究中。 （2）晶須增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料）晶須增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料 晶須價(jià)格昂貴，主要用于金屬基復(fù)合材料，在樹晶須價(jià)格昂貴，主要用于金屬基復(fù)合材料，在樹 脂基復(fù)合材料中應(yīng)用不多。脂基復(fù)合材料中應(yīng)用不多。 材料科學(xué)概論剖析 三、顆粒增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料三、顆粒增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 樹脂中加入非纖維狀增強(qiáng)顆粒的復(fù)合材料，強(qiáng)度、彈性樹脂中加入非纖維狀增強(qiáng)顆粒的復(fù)合材料，強(qiáng)度、彈性 模量等力學(xué)性能比用纖維增強(qiáng)稍差，但仍然可使增強(qiáng)的樹脂模量等力學(xué)性能比用纖維增強(qiáng)稍差，但仍然可使增強(qiáng)的樹脂 具有各種獨(dú)特性能，這些顆粒還具

59、有改性作用。按用途可將具有各種獨(dú)特性能，這些顆粒還具有改性作用。按用途可將 這類增強(qiáng)顆粒分為合成木材、耐磨材料和功能材料。這類增強(qiáng)顆粒分為合成木材、耐磨材料和功能材料。 1.合成木材合成木材 （1）鈣塑材料）鈣塑材料 q定義：它是定義：它是以熱塑性樹脂為基體，以熱塑性樹脂為基體，由無機(jī)顆粒增強(qiáng)（改性），由無機(jī)顆粒增強(qiáng)（改性）， 加入碳酸鈣等分散介質(zhì)制得的復(fù)合材料。加入碳酸鈣等分散介質(zhì)制得的復(fù)合材料。 q特性：特性：不僅能代替木材，鈣塑材料的吸水率比木材的低不僅能代替木材，鈣塑材料的吸水率比木材的低5 5 1515，耐腐蝕，還具有保溫、吸音、抗震等性能，成本，耐腐蝕，還具有保溫、吸音、抗震等性能

60、，成本 較低。較低。 q種類：種類：主要有種，即聚乙烯鈣塑材料、聚丙烯鈣塑材料、主要有種，即聚乙烯鈣塑材料、聚丙烯鈣塑材料、 聚氯乙烯鈣塑材料，此外還有用聚氯乙烯鈣塑材料，此外還有用ABSABS樹脂、低壓聚乙烯作為樹脂、低壓聚乙烯作為 基體的鈣塑材料?；w的鈣塑材料。 q應(yīng)用：應(yīng)用：用于制作地板、墻板、家具，以及車輛、船舶、房屋用于制作地板、墻板、家具，以及車輛、船舶、房屋 等內(nèi)裝飾材料，此外還可制成保溫板、隔音板等。等內(nèi)裝飾材料，此外還可制成保溫板、隔音板等。 材料科學(xué)概論剖析 （2）新型合成木材）新型合成木材 q定義：以熱固性或熱塑性樹脂為基體，以有機(jī)定義：以熱固性或熱塑性樹脂為基體，以有