復(fù)合材料概論個人整理版考試專用要點

1、第一章總論1.2復(fù)合材料的定義什么是復(fù)合材料 ？(Compositio n Materials , Composite)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料二基體(連續(xù)相)+增強材料(分散相)1.3復(fù)合材料的命名復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢是根據(jù)增強體和基體的 名稱來命名，通常有以下三種情況：(1) 強調(diào)基體時以基體材料的名稱為主如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。(2) 強調(diào)增強體時以增強體材料的名稱為主如玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維增強復(fù)合材料、陶 瓷顆粒增強復(fù)合材料等。(3) 基體材料名稱與

2、增強體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強體材料的名稱放在前面，基 體材料的名稱放在后面。例如：玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”，或簡稱為 玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料”。碳纖維和金屬基體構(gòu) 成的復(fù)合材料叫金屬基復(fù)合材料”，也可寫為碳/金屬復(fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫 碳/碳復(fù)合材料”。國外還常用英文編號來表示，女口 MMC (Metal Matrix Composite )表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP (Fiber Reinforced Plastics)表示纖維增強塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)1.4復(fù)合材料的分類 按增強材料形

3、態(tài)分類：連續(xù)纖維復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料、粒狀填料復(fù)合材料、編織復(fù)合材料、其他：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體按增強纖維種類分類：玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、有機纖維復(fù)合材料、金屬纖維復(fù)合 材料、陶瓷纖維復(fù)合材料、混雜復(fù)合材料。按基體材料分類：聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、無機非金屬基復(fù)合材料 按材料作用分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、基體材料和增強體材料、功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱固性樹脂基聚合物基復(fù)合材料熱塑性樹脂基.橡膠基r輕金屬基金屬基復(fù)合材料-高熔點金屬基L金屬間化合物f高溫陶瓷基陶瓷基復(fù)合材料T玻璃基.玻璃陶瓷基水泥基復(fù)合材料基碳基復(fù)合材料-ijl結(jié)構(gòu)復(fù)合材料廠疊層式復(fù)合材料片材

4、增強復(fù)合材料顆粒增強復(fù)合材料1纖維增強復(fù)合材料人工晶片增強復(fù)合材料增強復(fù)合材料增強復(fù)合材料二維織物增強復(fù)合材料三維織物不連續(xù)纖維復(fù)合材料連續(xù)纖維增強復(fù)合材料單向纖維復(fù)合材料系統(tǒng)組合分散相金屬材料連續(xù)相無機非金屬材料金屬纖維金屬晶須纖維/金屬基復(fù)合材料 晶須/金屬基復(fù)合材料鋼絲/ 水泥復(fù)合材料晶須/ 陶瓷基復(fù)合材料有機高分子材料金屬 / 塑料板金屬片材纖維 纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/ 陶瓷基復(fù)合材料陶晶須 晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料顆粒彌散強化合金材料玻纖維璃顆粒訛 纖維 碳纖維/金屬基復(fù)合材料碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料碳理 Igpr炭黑有機纖維塑料 金屬 / 塑料橡膠粒子填充塑料纖維

5、/樹脂基復(fù)合材料碳纖維/樹脂基復(fù)合材料顆粒/橡膠；顆粒 /樹脂基纖維樹脂基復(fù)合材料Composi tes同質(zhì)復(fù)合材料:增強材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料。異質(zhì)復(fù)合材料：前面提及的復(fù)合材料多屬此類。1.5復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的特點：1可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能；2可按對材料性能的需要進行材料設(shè)計和制造；3可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品。復(fù)合材料性能的影響因素：取決于增強相的性能、含量及分布狀況，基體相的性能、含量，以及它們之間的的界面結(jié)合、成 型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。聚合物基復(fù)合材料的主要性能(1) 比強度大、比模量大；(2) 耐疲

6、勞性能好；(3) 減震性好；(4) 過載時安全性好；(5) 具有多種功能性；(6) 有很好的加工工藝性。燒蝕是指材料在高溫時，表面發(fā)生分解，引起氣化，與此同時吸收熱量，達到冷卻的目的，隨 著材料的逐漸消耗，表面出現(xiàn)很高的吸熱率。 耐燒蝕性好； 有良好的耐磨性能； 高度的電絕緣性能； 優(yōu)良的耐磨蝕性能； 有特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)特性。金屬基復(fù)合材料的主要性能(1) 高比強度、高比模量；(2) 導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能；(3) 熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好；(4) 良好的高溫性能；(5) 耐磨性好；(6) 良好的疲勞性能和斷裂性能；(7) 不吸潮、不老化、氣密性好。陶瓷基復(fù)合材料的主要性能高溫強度和韌性高、耐

7、輻射效率高、抗氧化、抗開裂等。例如：碳纖維增強碳化硅、碳化硅纖維增強碳化硅分別在 17000C和12000C下保持200C時的抗拉 強度。復(fù)合材料的性能是 根據(jù)使用條件進行設(shè)計 的。( 1 )使用溫度和材料硬度：樹脂基：60250cC;金屬基：400600cC；陶瓷基： 10001500oC。 硬度：陶瓷基 > 金屬基 > 樹脂基。(2) 力學(xué)性能：從強度方面來講，三類復(fù)合材料都可獲得較高的強度。( 3)耐老化性能：陶瓷基 > 金屬基 > 樹脂基。( 4)導(dǎo)熱性能：金屬基：50 65W/(m -K)；陶瓷基：0.7 丿 3.5W/(m K)；樹脂基：0.350.45W/

8、(m K)。( 5)耐化學(xué)腐蝕性能：一般來講陶瓷基和樹脂基復(fù)合材料優(yōu)于金屬基復(fù)合材料。( 6)生產(chǎn)工藝和成本高低： 陶瓷基 > 金屬基 > 樹脂基。1.6 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)1、復(fù)合材料的三個結(jié)構(gòu)層次 ： 一次結(jié)構(gòu) 單層材料 微觀力學(xué) 二次結(jié)構(gòu) 層 合 體宏觀力學(xué) 三次結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)力學(xué)(1) 一次結(jié)構(gòu) 由基體和增強材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)性能、相幾何(各 相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能。 微觀力學(xué)：研究各相材料之間的相互作用。(2) 二次結(jié)構(gòu) 由單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)性能和鋪層幾何(各單層的 厚度、

9、鋪設(shè)方向、鋪層序列) 。 宏觀力學(xué)：將各相材料的影響僅作為復(fù)合材料的平均表現(xiàn)性能來考慮。(3)三次結(jié)構(gòu) 指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。 結(jié)構(gòu)力學(xué)：以纖維增強復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)為研究對象。2、復(fù)合材料設(shè)計的三個層次： 一次結(jié)構(gòu) 單層材料設(shè)計 二次結(jié)構(gòu) 鋪層設(shè)計 三次結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計單層材料設(shè)計：正確選擇增強材料、基體材料及配比； 鋪層設(shè)計：對鋪層材料的鋪層方案作出合理安排； 結(jié)構(gòu)設(shè)計：確定產(chǎn)品及其結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸。第二章 復(fù)合材料的基體材料復(fù)合材料 = 基體材料 + 增強材料。 基體材料主要包括三部分：金屬基體材料、陶瓷基體材料、聚合物基體材料 2.1

10、金屬基體材料 金屬基復(fù)合材料學(xué)科主要涉及材料表面、界面、相變、凝固、塑性形變、斷裂力學(xué)等。 金屬基復(fù)合材料中，基體主要是各種金屬或金屬合金。2.1.1 選擇基體的原則Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Zn、Pb 及其合金，金屬間化合物(TiAl、NiAl 等)。1、金屬基復(fù)合材料的使用要求金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。 ( 1 )航天航空：高比強度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性 選輕金屬， Al 、 Mg 及其合金( 2 )高性能發(fā)動機： 高比強度和比模量，耐高溫性能 選 Ti、 Ni 及其合金( 3 )汽車發(fā)動機： 耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、成本低廉 選 Al 合金( 4

11、 )集成電路： 高導(dǎo)熱、低膨脹 選 Ag 、 Cu、 Al2、金屬基復(fù)合材料組成特點( 1)連續(xù)纖維增強的復(fù)合材料 基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和 塑性，而并不要求基體本身有很高的強度。選用塑性較好的基體。 ( 2)非連續(xù)增強(顆粒、晶須、短纖維)的復(fù)合材料 基體是主要承載物，基體的強度對復(fù)合材料具有決定性的影響。 選用高強度合金作為基體。3、基體金屬與增強物的相容性 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，潤濕性好，膨脹系數(shù)差要小，以確保兩相界面具有足夠的結(jié)合力。 抑制界面反應(yīng)。2.1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體大致可分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類。

12、1. 用于450C以下的輕金屬基體：鋁、鎂及其合金2. 用于450-700C的復(fù)合材料的金屬基體：鈦及其合金3. 用于1000C以上的高溫復(fù)合材料的的金屬基體：鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物2.1.3 功能復(fù)合材料的基體主要的金屬基體是Al及其合金、Cu及其合金、Ag、Pb、Zn等。電子封裝： Al 和 Cu。耐磨零部件：Al、Mg、Zn、Cu、Pb等金屬及合金。集電和電觸頭： Al 、 Cu、 Ag 及合金。2.2 陶瓷材料用作基體材料用的陶瓷一般應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性質(zhì)、 與纖維或晶須之間有良好的界面相容性 以及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物

13、陶瓷等。氧化物陶瓷：A1203, MgO , Si02, ZrO2, 莫來石（3A12O32SiO2）等。 非氧化物陶瓷：氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。2.3 聚合物材料2.3.1 聚合物基體的種類、組分和作用1聚合物基體的種類 不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物等。2聚合物基體的組分聚合物是聚合物基體的主要組分, 除此還包括其他輔助材料, 如固化劑、 增韌劑、稀釋劑、 催化劑等。3聚合物基體的作用復(fù)合材料中的基體有三種主要作用：（ 1 ）把纖維粘在一起； （2）分配纖維間的載荷； （3）保護纖維不受環(huán)境影響。4. 聚合物基體的選擇聚合物基體的選擇應(yīng)遵循下列原則：（1）能夠

14、滿足產(chǎn)品的使用需要；（2）對纖維具有良好的浸潤性和粘接力； （3）容易操作；（4）低 毒性、低刺激性。 （5）價格合理。2.3.2 聚合物的結(jié)構(gòu)與性能1聚合物的結(jié)構(gòu) 聚合物結(jié)構(gòu)的主要特點：（1）聚合物的分子鏈由很大數(shù)目（103105）的結(jié)構(gòu)單元組成，每個結(jié)構(gòu)單元相當于一個小分子。（2）鏈長有限的聚合物分子含有官能團或端基。（3）聚合物分子間的作用力對于聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有密切關(guān)系。 2聚合物的性能（1）聚合物的力學(xué)性能 熱固性樹脂：固化后的力學(xué)性能不高,決定聚合物強度的主要因素是分子內(nèi)及分子間的作用力。 熱塑性樹脂：1）具有明顯的力學(xué)松弛現(xiàn)象； 2）在外力作用下,形變較大

15、,當應(yīng)變速度不太大時,可具有相當 大的斷裂延伸率； 3）抗沖擊性能較好。（2）聚合物的耐熱性能a）聚合物的結(jié)構(gòu)與耐熱性為改善材料耐熱性能,聚合物需具有剛性分子鏈、結(jié)晶性或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。b）聚合物的熱穩(wěn)定性提高聚合物熱穩(wěn)定性的途徑： 提高聚合物分子鏈的鍵能, 避免弱鍵存在； 在聚合物鏈中引入 較大比例的芳環(huán)和雜環(huán)。(3) 聚合物的耐蝕性能復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性能與樹脂的類別、性能、含量(尤其是表面)有很大的關(guān)系。(4) 聚合物的介電性能聚合物具有良好的電絕緣性能。一般而言，樹脂大分子的極性越大，則介電常數(shù)越大、電阻率越 小、擊穿電壓越小、介質(zhì)損耗角越大，材料的介電性能越差。(5) 聚合物的其他物理性

16、能2.3.3熱固性樹脂1 不飽和聚酯樹脂 由飽和二元酸、不飽和二元酸與二元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的線型預(yù)聚體。飽和二元酸結(jié)構(gòu) 不飽和二元酸結(jié)構(gòu)a. 結(jié)構(gòu)特征-OCO (CH2)n -OCO (CH2)m Loco CH = CH OCO -b. 固化交聯(lián)劑乙烯、苯乙烯、丁二烯等單體引發(fā)劑一一過氧化物。促進劑 苯胺類和有機鉆。c. 固化特點固化是一放熱反應(yīng)，其過程可分為三個階段：(1)膠凝階段(2)硬化階段(3)完全固化階段d. 特點(1)粘度低，工藝性好。(2)綜合性能好，價廉，用量約占 80% (3)苯乙烯等揮發(fā)大有毒, 體積收縮大，耐熱性、強度和模量較低。(4) 一般不與高強度的碳纖維復(fù)合，與玻

17、璃纖維復(fù)合制 作次受力件。2 環(huán)氧樹脂a. 雙酚型通式：線性預(yù)聚體ch2 - ch - CH.C1 + n(H0環(huán)氧氯丙烷二酚基化合物通式：線性預(yù)聚體CH2*CH-CH2fORO|n其中R：Och31II1-C-CH;-S1II1CH*JoA丙基F亞甲基S硯 雙酚型環(huán)氧含硬性苯環(huán)，鏈剛性較高，只能用聚合度低的樹脂。耐熱性好，強度高，韌性差。 固化特點：環(huán)氧活性基都在鏈兩端，固化交聯(lián)度不高。b. 非雙酚型鏈內(nèi)含有環(huán)氧基,交聯(lián)密度高，結(jié)合強度及耐熱性均提高。三聚氰酸環(huán)氧含三氮雜環(huán)，有自熄性，耐電弧性好。c. 胺基環(huán)氧結(jié)構(gòu)中含高極性的酰胺鍵(-NHCO-)，粘結(jié)性好，力學(xué)性能較高；但耐水性差，電性能

18、有所下 降。d. 脂環(huán)族環(huán)氧結(jié)構(gòu)中不含苯環(huán)，含脂環(huán)，穩(wěn)定性更高，熱學(xué)性能好，耐紫外線，不易老化。粘度低，工藝性好。e. 脂肪族環(huán)氧一一高韌性環(huán)氧無六環(huán)狀硬性結(jié)構(gòu)，沖擊韌性好，但與纖維結(jié)合力較差。環(huán)氧樹脂固化：環(huán)氧樹脂分子中都含有活潑的環(huán)氧基團，可與多種固化劑交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 常用固化劑：二元胺類、二元酸酐類。若選用芳香族胺或咪唑類固化劑，強度及耐熱性可進一步提高，但沖擊 韌性會有一定的影響。環(huán)氧樹脂特點：(1) 粘附力好，韌性較好，收縮率低。復(fù)合材料強度高，尺寸穩(wěn)定。(2) 電性能好。介電強度高，耐電弧優(yōu)良的絕緣材料。(3) 耐酸堿耐溶劑性強。(4) 熱穩(wěn)定性良好。3 酚醛樹脂0H0由酚5

19、血1和醛円丄日縮合而成。3酚/醛 0.9,堿催化可得體型熱固性樹脂。固化：(1)加熱固化(2)加固化劑，如六次甲基四胺或有機酸。堿性固化劑仍需加熱，酸性固化劑可室溫固化。特點：耐熱性高，可達315°C。價格最低。粘附性較差，收縮率大，氣孔率高，性脆。改性：(1) 引入柔性鏈。如：聚乙烯醇縮丁醛(2) 降低樹脂中-OH基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高電性能。(3) 硼酸改性酚。吸水性、耐熱性、脆性和電學(xué)性能均提高。2.3.4熱塑性樹脂與熱固性聚合物相比：(1) 力學(xué)性能、耐熱性、抗老化性等較差。(2) 工藝簡單、周期短、成本低、密度小、應(yīng)用廣。L聚丙烯十CH-CHz人柔性

20、無極性鏈。與纖維浸潤性、結(jié)合力較差。復(fù)合增強效果有限。原料來源廣泛，價格低， 普通民用。2. 聚酰胺(尼龍)鏈中含大量酰胺基，鏈間以氫鍵連接。結(jié)合力強，強度高，耐磨性好，化學(xué)穩(wěn)定性好。使用溫度V100C，吸水率高。常用品種：尼龍 6 66、1010、610等。3. 聚碳酸酯-E oQ<!' 一<2>< 土匚“、n= 100-500剛性苯環(huán)，Tm = 225250E , Tg = 145 C；變形小，抗蠕變，尺寸穩(wěn)定?？膳c玻璃纖維和碳纖維 復(fù)合。4. 聚砜匚HOh- 50 - ioeooo以砜和苯環(huán)連結(jié)成硬性鏈，可在 100150C下長期使用，Tg>200C

21、； S+6處于最高價，抗氧化, 耐輻射；抗蠕變，尺寸穩(wěn)定。成型溫度太高，達 300C。可與碳纖維復(fù)合。用于宇航和汽車工業(yè)。第三章復(fù)合材料的增強材料在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)，均稱為增強材料。3.1 玻璃纖維(Glass Fibre)3.1.1 概述Na-Ca-Si 系普通玻璃(Na2O>15%) Na2O (10.5 12.5%)用量少Ca-AI-B-Si系用量大Mg-Al-Si 系或 B2O3 系S系中加入BeO3.1.2玻璃纖維的分類 以玻璃原料成分分類： 有堿玻璃纖維 中堿玻璃纖維 無堿玻璃纖維 高強玻璃纖維 高彈玻璃纖維以單絲直徑分類： 粗纖維 初級纖維 中級

22、纖維 高級纖維 超細纖維30卩m20 ii m1020卩m 310卩m< 4卩m無捻粗紗、無紡布 短切纖維、纖維氈紡織以纖維外觀分類： 無捻粗砂、有捻粗砂、短切纖維、 以纖維特性分類：高強玻璃纖維、 纖維、普通玻璃纖維空心玻璃纖維、玻璃粉、磨細纖維等高模量玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃3.1.2玻璃纖維的性能1. 力學(xué)性能a. 抗拉強度：比塊玻璃高一個數(shù)量級；直徑d,強度/；長度/,強度。b. 彈性模量：與鋁相當，為鋼的1/3倍。因密度低2.5,比模量高。c. 斷裂延伸率：低 3%2. 熱學(xué)性能a. 導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱系數(shù)比塊玻璃低12個數(shù)量級。b. 耐熱性：普通 Na-Ca

23、-Si玻纖 500E ;耐熱玻纖（石英，高硅氧）可達2000C以上。3. 電性能堿玻璃電絕緣性差，隨溫度、濕度/,絕緣性。無堿玻璃電絕緣性好。4. 耐蝕性纖維比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性差。加入網(wǎng)絡(luò)形成體可改善耐蝕性。a.無堿玻璃耐水性好。b.中堿玻璃耐酸性好。c.無堿和中堿玻纖耐堿性相近。3.1.3玻璃纖維的制備一制玻璃球一鉑金坩堝熔融一小漏孔拉絲（102、204、408孑L）-涂浸潤劑一并股成紗-紡織成 布、氈或帶。原絲排線器栓経機頭 上的卷簡加料牛鉗金用竭小漏孔單絲 凝潤刑槽浸潤劑作用：使纖維柔順，防止磨損 常用的有：石蠟乳液復(fù)合前須清除 聚醋酸乙烯酯 不必清除 改性有機硅類 不必清除3.2

24、碳纖維（Carbon Fibre ）3.2.1 概述由有機纖維經(jīng)高溫固相反應(yīng)（脫氫、交聯(lián)、環(huán)化、石墨化）而得，主要成分為碳的無機纖 維。具有重量輕、強度高、模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小、自潤滑、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性 好等特點。由于價格高，一般用于要求高強、耐高溫的重要結(jié)構(gòu)件，如航天航空、高檔體育器材中。 3.2.2碳纖維的分類根據(jù)碳纖維的性能分類：分高強、高模、中模和低性能碳纖維聚丙烯腈基纖維高、中性能碳纖維人造絲基（粘膠）纖維瀝青基纖維低性能碳纖維；其它（多環(huán)結(jié)構(gòu)的天然纖維）根據(jù)原絲類型分類：（1）聚丙烯腈基纖維；（2）粘膠基碳纖維；（3）瀝青基碳纖維；（4）木質(zhì)素纖維基碳纖維； （5） 其

25、他有機纖維基 （各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維 ）碳纖維。 根據(jù)碳纖維功能分類：（1）受力結(jié)構(gòu)用碳纖維（ 2）耐焰碳纖維（ 3）活性碳纖維 （吸附活性 ）（4）導(dǎo)電用碳纖維（ 5）潤 滑用碳纖維（ 6）耐磨用碳纖維3.2.3 碳纖維的制造（1）碳化法 生產(chǎn)長纖維拉絲：濕法、干法或熔融狀態(tài)；牽伸：100300C；穩(wěn)定：400C加熱氧化；碳化：10002000C； 石墨化：20003000 r（2）氣相法 生產(chǎn)短纖維 在惰性氣氛中小分子有機物（如烴或芳烴等）在高溫下沉積成纖維。3.2.4 碳纖維的性能1. 力學(xué)性能（1 ）強度約為 GF 的 2 倍。（2）模量約為 GF 的 3 5

26、 倍。（3）密度低 1.7 2，所以比強度、比 模量高。（4）斷裂延伸率 0.5 2%。2. 熱學(xué)性能：升華溫度高達3800C，耐高溫性好。熱膨脹系數(shù)小，縱向為負。3. 物理性能：導(dǎo)熱、導(dǎo)電、自潤滑。4. 化學(xué)性能：耐酸堿性強，高溫抗氧化性差。C 纖維電極電位為正 ,與金屬復(fù)合易引起電化學(xué)腐蝕。3.3 芳綸纖維（ Kevlar, KF ） 高強度有機纖維，由對苯二酰與對苯二胺縮聚而成。 結(jié)構(gòu)與尼龍相似，含大量的高極性酰胺鍵，但含苯環(huán)硬性鏈。3.3.1 芳綸纖維的性能1. 力學(xué)性能（1）拉伸強度高。（2）沖擊性能好，GF > KF > CF。（3）彈性模量高，CF > KF &

27、gt; GF。（4）斷裂 延伸率在 3%左右。（5）密度小 1.44 1.45，比強度和比模量高。2. 熱學(xué)性能：長期使用 < 200r，熱膨脹系數(shù)縱向為負。3. 化學(xué)性能：耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。3.3.2 應(yīng)用 航天航空：溫度不高的高強度結(jié)構(gòu)受力件；軍事：防彈器件；民用：如造船業(yè)、汽車、體育用品 繩索。3.4 其他纖維3.4.1 碳化硅纖維（ Silicon Carbide Fibre， SF）SF 的制造主要有化學(xué)氣相沉積法和燒結(jié)法。 高強度、高模量 ,耐高溫、耐腐蝕、耐輻射。 可用于要求耐熱的高強度結(jié)構(gòu)件，主要與金屬基和陶瓷基復(fù)合。3.4.2 硼纖維（ Boron Fibre

28、， BF）氣相法將 B 沉積在 W 絲或 C 纖維表面而得。 高強度、高模量、密度小，相容性好。 主要用于金屬和樹脂增強。3.4.3 氧化鋁纖維（ Aluminia Fibre ， AF） 熔融垂直拉單晶的方法制備，價貴。 具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性。 不足之處是密度大 3.20g/cm3。 主要用于金屬基增強。3.4.4 晶須：陶瓷晶須、金屬晶須 是目前強度最高的品種，接近理論強度，比相應(yīng)的長纖維高一個數(shù)量級。復(fù)合增強效果不及長纖維，只能作為補強劑使用。價貴，用量有限。 纖維的柔韌性及斷裂各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈服碳纖維和玻璃纖維幾乎就是理想的脆性斷裂，斷裂時不發(fā)生截面積的縮小。 比

29、性能比強度和比模量是纖維性能的一個重要指標。 熱穩(wěn)定性纖維的熱穩(wěn)定性與熔點有關(guān)。一般來講，材料的熔點越高，熱穩(wěn)定性就越好。在沒有空氣和氧氣 的條件下，碳纖維具有非常好的耐高溫性能。第四章復(fù)合材料的界面4.1概述復(fù)合材料的界面是指基體與增強物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞 作用的微小區(qū)域。>|1 外力場;仏刀力-2樹脂基體；3 基體表面區(qū)；I4 相互滲透區(qū);5 增強劑表面區(qū);16 增強劑圖1界面區(qū)域示意圖界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機能歸納為以下幾種效應(yīng)。（1）傳遞效應(yīng) （2）阻斷效應(yīng)（3）不連續(xù)效應(yīng)（4）散射和吸收效應(yīng)（5）誘導(dǎo)效應(yīng)4.2典型界面結(jié)合4.2.1

30、物理結(jié)合（機械咬合 +次價鍵結(jié)合） 液態(tài)基體滲入纖維表面微孔，固化后形成咬合界面。 粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理結(jié)合。極性樹脂如：酚醛、聚酰胺、環(huán)氧等，與極性纖維具有良好的潤濕性，并可形成次價鍵結(jié) 合。非極性樹脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，結(jié)合力弱，復(fù)合效果差。 CF表面極性差，經(jīng)氧化后可提高結(jié)合力?？傊何锢斫Y(jié)合是一種比較弱的結(jié)合方式。樹脂基復(fù)合材料若不經(jīng)特殊處理，多為物理結(jié)合。金屬基部分以物理方式結(jié)合。陶瓷基幾乎不以這種方式結(jié)合。4.2.2擴散融合兩相成分不同，經(jīng)擴散或熔融形成過渡層，性質(zhì)介于兩相之間，結(jié)合力較強。金屬與陶瓷基復(fù)合溫度較高，小分子和原子易于擴散，較常見。4

31、23化學(xué)結(jié)合化學(xué)鍵結(jié)合力強。但當兩相親合力過強，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，界面形成較厚的脆性化合物 時，性能反而下降。樹脂基復(fù)合材料：為提高兩相的潤濕性和結(jié)合力，通常采用偶聯(lián)劑處理纖維表面，或?qū)⑴?聯(lián)劑直接加到液態(tài)樹脂中，以便形成化學(xué)鍵結(jié)合。金屬與陶瓷基復(fù)合材料：化學(xué)鍵結(jié)合常見。多數(shù)情況在界面上形成化合物層，脆性大，對 力學(xué)性能不利。尤其是高溫使用的材料，應(yīng)防止界面反應(yīng)。4.3增強材料的表面處理為改善纖維表面的浸潤性，提高界面結(jié)合力，對纖維進行的預(yù)處理一一表面改性。要點：不同的復(fù)合體系應(yīng)采用不同的處理方法。樹脂基一一提高化學(xué)結(jié)合金屬及陶瓷基抑制界面反應(yīng)4.3.1玻璃纖維GF成分為SiO2,表面吸水后成

32、-OH，可與含-OH、 COOH、-CI的偶聯(lián)劑反應(yīng)成醚鍵結(jié)OH OH|I合。偶聯(lián)劑通式：R - M -XM 中心離子Cr3+、 Si4+、Ti3+等咼價金屬離子。R可與聚合物交聯(lián)的基團。如不飽和雙鍵、氨基、環(huán)氧、巰基等。X 可與玻纖表面醚化的活性基團。如：-Cl、-OH、-COOH、-OCH3、-OC2H5。表面處理劑處理玻璃纖維的方法：I前處理法一一增強型浸潤劑n后處理法 國內(nèi)外普遍采用的處理方法。川遷移法4.3.2碳纖維氧化法提高表面粗糙度和極性。沉積法 一一CVD沉積碳晶須。電聚合法接枝高分子支鏈。4.3.3芳綸等有機纖維等離子處理，使苯環(huán)氧化成 -COOH、-OH、OOH等；或接枝聚

33、合生成高分子支鏈。4.3.4與金屬基復(fù)合的纖維目的：提高浸潤性，抑制界面反應(yīng)。CF、BF與金屬反應(yīng)活性高，化學(xué)相容性 差；氮化物、碳化物纖維反應(yīng)活性較低；AI2O3反應(yīng)活性最低。措施：(1) 降低復(fù)合溫度，減少高溫停留時間。(2) 涂覆隔離層。女口 CF、BF表面涂SiC。(3) 鍍覆金屬層，改善浸潤性。如 AI2O3纖維鍍Cu、Ni等。第五章聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料是以有機聚合物為基體，連續(xù)纖維為增強材料組合而成。聚合物基復(fù)合材料的性能：1具有較高的比強度和比模量2抗疲勞性能好3減震性能好4高溫性能好5安全性好6可設(shè)計性 強、成型工藝簡單5.1.1玻璃纖維增強熱固性塑料(GFRP)G

34、FRP俗稱玻璃鋼。根據(jù)基體種類不同， GFRP 分成三類：(1) 環(huán)氧玻璃鋼( 2)酚醛玻璃鋼( 3)聚酯玻璃鋼GFRP 的特點：(1)比重小(1.62.0)、比強度高；(2)良好的耐蝕性；(3)良好的絕緣性；(4)不受電磁作用 的影響； (5)保溫、隔熱、隔音、減震等。其缺點是剛性差、耐熱性差、導(dǎo)熱性差、易老化。( 1 )環(huán)氧玻璃鋼 綜合力學(xué)性能最好，耐蝕性好；粘度大，加工困難。( 2)酚醛玻璃鋼耐熱性最好，< 350r長期使用，短期可達iooor，耐電?。惠^脆，收縮大，有刺激作用。( 3)聚酯玻璃鋼加工性能最好，低粘度，可室溫固化，價低，用量占 80%；固化收縮大，耐酸堿性差。5.1

35、.2 玻璃纖維增強熱塑性塑料( FR-TP )FR-TP 的特點：(1)比重最輕 1.11.6；(2)抗蠕變性明顯提高； (3)熱學(xué)性能大大改善 >50%；( 4)尺寸穩(wěn)定性提高。5.1.3 高強度、高模量纖維增強塑料 高強度、高模量纖維增強塑料的特點：( 1 )比重輕、強度高、模量高和低的熱膨脹系數(shù)；( 2)加工工藝簡單；( 3)價格昂貴。1. 碳纖維增強塑料 強度、剛度、耐熱性均好；粘結(jié)性差，且各向異性，價貴。2. 芳香族聚酰胺纖維增強塑料 有壓延性、與金屬相似；耐沖擊、耐疲勞、抗震。3. 硼纖維增強塑料 突出優(yōu)點是剛度好，高強高模纖維增強塑料中性能最好；價貴。4. 碳化硅纖維增強塑

36、料：突出優(yōu)點是與樹脂相容性好。5.2 聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計5.2.1 概述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計條件：( 1 )結(jié)構(gòu)性能要求 結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全； 提供裝置各種配件、儀器等附件的空間； 隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護內(nèi)部物體。( 2)載荷情況 靜載荷一強度，剛度沖擊載荷 一抗沖擊強度交變載荷 疲勞強度和疲勞壽命( 3)環(huán)境條件 力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動、聲音等； 物理條件：壓力、溫度、濕度等； 氣象條件：風雨、冰雪、日光等； 大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風沙等。條件和主要影響結(jié)構(gòu)的強度和剛度，條件和主要影響結(jié)構(gòu)的腐蝕、磨損、老化等。(4) 結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性 結(jié)構(gòu)可

37、靠性分析可分為結(jié)構(gòu)靜強度可靠性和結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠性。 總成本最低時(即經(jīng)濟性最好)的可靠性為最合理。5.2.2 材料設(shè)計材料設(shè)計，指選用幾種原材料（基體材料和增強材料）組合制成具有所要求性能的材料的過程。 材料設(shè)計包括原料選擇、單層設(shè)計和層合板設(shè)計。1. 原料選擇（1）原材料選擇原則 比強度、比剛度高； 材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)； 滿足結(jié)構(gòu)特殊性要求； 滿足 工藝性要求； 成本低、效益高。（2）纖維選擇選擇纖維時，首先要確定纖維的類別，其次要確定纖維的品種規(guī)格。高強度，高剛度高性能CF、BF高抗沖擊GF、KF低溫性能CF尺寸穩(wěn)定KF、CF透波，吸波GF、KF、AI2O3（3）樹脂選擇目前可供

38、選擇的樹脂主要有兩類：一類為熱固性樹脂，另一類為熱塑性樹脂。樹脂的選擇按如下要求選?。耗茉诮Y(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作；具有一定的力學(xué)性能；斷裂伸長率大于或接近纖維斷 裂伸長率；具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能；具有一定的工藝性。 受力結(jié)構(gòu)件首選熱固性樹脂，大量使用、連續(xù)擠壓次受力件可選熱塑性樹脂（如建筑裝飾）； 150 °C，聚酯或環(huán)氧； 150400C ,聚酰亞胺或雙馬來酰亞胺樹脂； 內(nèi)裝飾件，酚醛樹脂（阻燃性好）。2. 單層設(shè)計目的： 為層合板設(shè)計提供依據(jù)一一強度、剛度。一般過程：確定復(fù)合比-性能預(yù)測-實驗校核（1）確定復(fù)合比復(fù)合比一般是根據(jù)單層的承力性質(zhì)或單層的使用性能選取的（

39、2）剛度預(yù)測與核定理論推測，實驗核定。（3）強度預(yù)測與核定橫向強度預(yù)測困難，以實驗為準縱向拉伸強度（纖維延伸率小，首先斷裂）忑=匕+ 6 匕纖維量多，取決于纖維纖維量少，取決于基體4. 層合板設(shè)計 內(nèi)容包括：確定鋪層取向，鋪層順序，層合厚度。鋪設(shè)技術(shù)要點： 對稱鋪設(shè)：與主應(yīng)力方向、厚度中心對稱。 均勻鋪設(shè)：相鄰層間角盡可能小，以防內(nèi)應(yīng)力過大。 最小鋪設(shè)比例610%。 邊緣包層。 沖擊載荷區(qū)以0o層承載，土 450層分散應(yīng)力均衡負荷。 厚度變化區(qū)以階梯過渡。523結(jié)構(gòu)設(shè)計1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計原則(1) 按使用載荷設(shè)計、按設(shè)計載荷校核；(2) 使用載荷一一使用許用值，設(shè)計載荷一一設(shè)計許用值；(3) 復(fù)合

40、材料失效準則只適用于單層；(4) 無剛度要求，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗數(shù)據(jù)和平均值；有剛度要求則需要選取B基 準值。2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮的工藝性要求工藝性包括構(gòu)件的制造工藝性和裝配工藝性。3. 許用值與安全系數(shù)的確定許用值包括使用許用值和設(shè)計許用值。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在保證安全的條件下，應(yīng)盡可能降低安全系數(shù)。設(shè)計值=安全系數(shù)x使用值安全系數(shù)選?。?玻璃纖維23?高強度纖維 1.52?民用取上限，軍事用途可取低些。4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮的其他因素復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計除要考慮強度和剛度、穩(wěn)定性、連接接頭設(shè)計等以外，還需考慮熱應(yīng)力、防腐蝕、防雷擊、抗沖擊等因素。5.4聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用5.4.1 GFR

41、P的應(yīng)用GFPR在石油化工工業(yè)、建筑業(yè)、造船業(yè)、鐵路運輸、汽車制造業(yè)、冶金工業(yè)、宇航工業(yè)等都有 廣泛應(yīng)用。第六章金屬基復(fù)合材料6.1金屬基復(fù)合材料的種類和基本性能 與下列材料相比：?金屬及合金?聚合物基復(fù)合材料?陶瓷材料高的比強度，比剛度 導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐熱性好 高韌性和高沖擊強度6.1.1金屬基復(fù)合材料的種類1.按基體分類鋁基復(fù)合材料P = 2.7 f.c.c. Tm = 660 C,塑性韌性好，易加工；熔點低，可避免與纖維過度反應(yīng)；強化效 果好，價廉。鎳基復(fù)合材料P = 8.9 f.c.c. Tm = 1453E，高溫性能好，抗氧化性好。鈦基復(fù)合材料P = 4.5 h.c.p.(b.cc)

42、Tm = 1668T，更高的比強度，比模量，耐腐蝕。(T a/B = 883E)鎂基復(fù)合材料P = 1.7 h.c.p Tm = 649T，具有較好的阻尼性能。2.按增強體分類顆粒增強復(fù)合材料體積比20%，粒徑、粒間距1 口。層狀增強復(fù)合材料與大尺寸增強物的性能接近，增強物缺陷成為裂紋核心。 纖維增強復(fù)合材料各向異性。基體性能對橫向影響大。6.1.2金屬基復(fù)合材料中增強體的性質(zhì) 對纖維狀增強體性能的要求如下：?高強度；？高模量；？容易制造和價格低廉；？化學(xué)穩(wěn)定性好；?纖維的尺寸和形狀；？性能的再現(xiàn)性與一致性；？抗損傷或抗磨損性能。 以上各種纖維各有不足：W、Mo絲：密度高 Be絲：價很高GF:

43、與金屬相容性不好AI2O3 :提拉子晶，價高，對磨損敏感C纖維：細紗難浸潤，與多數(shù)金屬反應(yīng)，抗折性差B纖維：以W或C絲作底，CVD沉積，價高SiC和B4C :以W或C絲作底，CVD沉積，價高，對表面磨損敏感6.1.3金屬基復(fù)合材料的強度1.縱向強度 復(fù)合材料強度同組分性能間的關(guān)系可用如下的公式表示：當弱纖維斷裂時，引起三種重要的變化：?由于破斷纖維失去強度，而使該處截面上的強度降低。?破斷纖維裂紋周圍的靜應(yīng)力集中會降低材料的有效強度。?破斷纖維失去載荷時產(chǎn)生的動應(yīng)力波會使復(fù)合材料受到?jīng)_擊，從而降低該處橫面上的瞬時承載 能力。2.橫向強度在預(yù)測橫向模量值時，所采用的假設(shè)如下：?兩組元在達到斷裂應(yīng)

44、力前都是線彈性的；?界面結(jié)合是完好的；?纖維排列是規(guī)則的。由此可以推導(dǎo)出材料的橫向剛度 E22和復(fù)合材料橫向平面泊松比如下:5 二(E22 / 耳 1 )S6.1.4復(fù)合材料組分的相容性物理相容性問題一般都和壓力變化，或熱變化時反映材料伸縮性能的材料常數(shù)有關(guān)?；瘜W(xué)相容性問題主要與復(fù)合材料加工過程中的界面結(jié)合、界面化學(xué)反應(yīng)以及環(huán)境的化學(xué)反應(yīng) 等因素有關(guān)。6.3鋁基復(fù)合材料6.3.1鋁基復(fù)合材料的特點 大型運載工具的首選材料。如波音 747、757、767常用：B/AI、C/AI、SiC/AI6.3.2硼鋁復(fù)合材料1. 增強纖維對增強纖維的主要要求是比模量高、比強度高、性能重復(fù)性好、價格低以及易于

45、制造成復(fù)合 材料。硼纖維是用化學(xué)氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制成的。由于硼纖維的表面具有高的殘余壓縮應(yīng)力，因此纖維易操作處理，并對表面磨損和腐蝕不敏 感，這是硼纖維的一項很有意義的特性。此外，硼纖維還具有良好的高溫性能。2基體鋁合金具有良好的綜合性能。目前普遍使用的鋁合金有變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結(jié)鋁等。其中最普遍的是采用變形鋁 為基體用固態(tài)熱壓法制得的復(fù)合材料。6.3.3機械性能1彈性模量 硼鋁復(fù)合材料的縱向彈性模量 E11，可用混合定則公式相當精確地計算即E1仁EFVF+EM VM式中F和M表示纖維和基體，V表示體積百分比。橫向彈性模量的關(guān)系較為復(fù)雜，但理論計算與實驗值符合。 2

46、強度及應(yīng)力-應(yīng)變特性(1) 軸向拉伸硼-鋁復(fù)合材料的軸向拉伸特性取決于增強纖維的性能和復(fù)合材料的纖維含量。復(fù)合材料軸向強度和斷裂應(yīng)變受纖維性能制約。硼鋁復(fù)合材料具有很高的抗拉強度，這主要是由于增強纖維的抗拉強度高。 硼鋁復(fù)合材料軸向抗拉強度還隨溫度的變化而變化。(2) 橫向拉伸在構(gòu)件中所用的硼-鋁復(fù)合材料的橫向拉伸性能是重要的考慮因素。復(fù)合材料的橫向性能對基體和纖維兩者的性能都是敏感的。所有硼-鋁復(fù)合材料的橫向拉伸特性可以根據(jù)斷口的形貌分為三種常見的類型。?基體破裂 ？基體破裂和縱向纖維劈裂；？基體破裂和纖維-基體界面破裂。3蠕變及持久強度在5000C以下，單向增強硼鋁復(fù)合材料的軸向蠕變和持久

47、強度超過目前所有的工程合金。 這是由于硼纖維特殊的抗蠕變性能所致。硼纖維直到650cC測不到蠕變，其815cC的蠕變率仍大大低于冷拉鎢絲。4缺口拉伸強度及斷裂韌性纖維增強復(fù)合材料中的斷裂過程比單一材料復(fù)雜，它是各向異性和不均勻性復(fù)雜作用的結(jié)果。硼鋁復(fù)合材料的缺口不敏感性和斷裂韌性是突出的，研究中觀察到兩種缺口鈍化機理。6.4 鎳基復(fù)合材料?熔點高，耐氧化性好，使用溫度可達 1000C。? BF、CF耐氧化性差，多選用a -A12O3晶須。? 制備方法：熱壓法、液態(tài)滲透法、粉末冶金法。? 為提高潤濕性，可使晶須表面金屬化。如濺射或電鍍。6.5 鈦基復(fù)合材料 鈦及其合金是比強度、比剛度最好的基材，

48、耐蝕性和耐高溫性也很好，易做耐熱件。 （低于相 變溫度）但鈦薄難制，化學(xué)活性高，與 C纖維和B纖維反應(yīng)生成TiC和TiB2白亮層。解決辦法：?高速工藝 一一 縮短高溫停留時間 ？低溫工藝 一一 830C熱壓15分鐘? 表面包覆 涂 SiC? 合金化 提高基體穩(wěn)定性6.6 石墨纖維增強金屬基復(fù)合材料C 纖維具有很好的力學(xué)、 熱學(xué)、 電學(xué)和自潤滑性能， 價格也較 B 纖維有優(yōu)勢， 應(yīng)用前景光明。1. 存在問題2.解決方法?浸潤性差，難滲透。?電鍍 Ta、 Ni、 Ag 包覆。?易曲折，熱壓難。?涂覆 SiC、 TiC、B4C 等。?相容性差。?壓滲法。?電偶腐蝕。?復(fù)合纖維制備。6.7 自增強金屬

49、基復(fù)合材料 原位生長晶須。采用控制熔體冷凝速度，在金屬基體內(nèi)生長出晶須。如： Al 基： Al2O3、 AlN ；Ti 基： TiN、 TiC優(yōu)點： ? 增強纖維分布均勻 ? 基體與纖維結(jié)合力強 ? 熱穩(wěn)定性好? 易于加工，直接鑄造成型6.8 金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用1. 纖維增強金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用纖維增強金屬基復(fù)合材料的主要性能特點是比強度、比模量和高溫性能好等。特別適用于 航空航天工業(yè)中應(yīng)用，如航天飛機主艙骨架支柱、飛機發(fā)動機風扇葉片、尾翼、空間站結(jié) 構(gòu)材料。在汽車結(jié)構(gòu)、保險杠、活塞連桿，自行車 （賽車 ）車架以及體育運動其它器械上也 得到了應(yīng)用。纖維增強金屬基復(fù)合材料，如硼纖維增強鋁、碳化

50、硅纖維增強鈦、鎢絲增強高溫合金以及 高溫定向凝固共晶復(fù)合材料，常作為航空航天動力結(jié)構(gòu)材料，像發(fā)動機葉片等，一般需要 在高溫下能長時間經(jīng)受應(yīng)力作用，因此 FRMMc 的蠕變與疲勞性能是其重要性能。2. 顆粒、晶須增強金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用顆粒及晶須增強金屬基復(fù)合材料是目前應(yīng)用范圍最廣，開發(fā)前景最大的一種金屬基復(fù)合材 料。這類復(fù)合材料的金屬基大多數(shù)是采用密度較低的鋁、鎂和鐵合金，以便提高復(fù)合材料的比 強度和比模量，其中較為成熟、應(yīng)用較多的是鋁基復(fù)合材料。這類復(fù)合材料所采用的增強材料為碳化硅、 碳化硼、氧化鋁顆?；蚓ы殻渲幸許iC為主。 顆粒、晶須增強金屬基復(fù)合材料除了用于軍事工業(yè)，如制造輕質(zhì)裝甲、

51、導(dǎo)彈飛翼和直升機 部件外，主要用于汽車工業(yè)，如發(fā)動機汽缸活塞、噴油咀部件、制動裝置等。第七章 陶瓷基復(fù)合材料7.1 陶瓷基復(fù)合材料的基體與增強體 1陶瓷基復(fù)合材料的基體 常用的陶瓷基體主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。目前研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、重量輕和價格低等優(yōu)點。氧化物 主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價鍵。其結(jié)構(gòu)取決于結(jié)合鍵類型、各種 離子的大小以及在極小空間保持電中性的要求。陶瓷最重要的氧化物是幾種簡單類型的氧化物AO，AO2，A2O3，ABO3 和 AB2O4 等（ A，B 表示陽離子）。結(jié)構(gòu)特點：氧離子（一般比陽離子

52、大）進行緊密排列、金屬陽離子位于一 定的間隙中，最重要的是四面體和八面體間隙。Al2O3 （剛玉）典型的純氧化物陶瓷。有較高室溫和高溫強度。ZrO2使用溫度達20002200E，主要用作耐火坩鍋，反應(yīng)堆的絕緣材料，金屬表面的防 護涂層等。有三種晶型：立方結(jié)構(gòu)（ C 相）、四方結(jié)構(gòu)（ t 相）和單斜結(jié)構(gòu)（ m 相）。莫來石（3AI2O3 2SiO22AI2O3 SiO2）, 般15501600C燒成，純的莫來石要在1750 C 左右才能燒成。尖晶石（ AR2O4， A 代表二價元素離子， R 代表三價元素），典型的有鎂鋁尖晶石。 非氧化物 主要由共價鍵結(jié)合而成，也有一定的金屬鍵成分。Si3N4

53、為共價鍵化合物。BN 有兩種晶型：六方 BN 結(jié)構(gòu)，性能與石墨相似，因此有白石墨之稱。 HBN 硬度不高， 是唯一易于機械加工的陶瓷。高溫（15002000r）高壓（69Xl03MPa ）下可轉(zhuǎn)化為立 方 BN（CBN ）。 CBN 的硬度接近于金剛石，是極好的耐磨材料。B4C屬于六方晶系。重量輕，硬度高（50GPa,僅次于金剛石），耐磨性好，熱穩(wěn)定性好， 耐酸，耐堿性。TiC結(jié)晶為面心立方晶格（NaCI型）。晶格常數(shù)為0.4319nm,密度為4.934.9 gcm-3,熔 點為316 03250C，1.15K時TiC呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，TiC莫氏硬度910,彈性模量322MPa， 可用作耐磨材料。

54、TiN 硬度大、熔點高、化學(xué)穩(wěn)定性好，具有金黃色光澤，是一種很好的耐火耐磨材料及代 金裝飾材料。另具有導(dǎo)電性，及較高的超導(dǎo)臨界溫度，是一種優(yōu)良的超導(dǎo)材料。MoSi2 是介于無機非金屬與金屬間化合物之間的材料，結(jié)合方式為共價鍵與金屬鍵。熔點 2030C, 800 C以上發(fā)生氧化反應(yīng)形成 SiO2保護層，能阻止氧化的繼續(xù)發(fā)生?？梢宰鳛?高溫連接材料。2陶瓷復(fù)合材料的增強體 陶瓷基復(fù)合材料中的增強體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強體可分為纖維 （長、短纖維 ）、晶須和顆粒三類。 纖維增強體：常用的有碳纖維、玻璃纖維、硼纖維等。晶須增強體：常用的有 SiC、Al2O3及Si3N4等。顆粒增強體：常用的有 SiC、 Si3N4 等。7.2 陶瓷基復(fù)合材料的成型加工技術(shù) 陶瓷基復(fù)合材料的制造方法分傳統(tǒng)的制備技術(shù)和新的制備技術(shù)。 傳統(tǒng)技術(shù)包括冷壓 -燒結(jié)法、反應(yīng) 燒結(jié)法、熱壓法等。新技術(shù)如滲透、直接氧化、以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的 CVD、 CVI 、溶膠-凝膠、聚 合物熱解、自蔓延高溫合成（SHS）等。7.3 陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計1. 界面的特點陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備， 由于增強體與基體