第8章金屬基復合材料制備中的凝固問題

1、第第8 8章章 金屬基復合材料金屬基復合材料 制備中的凝固問題制備中的凝固問題復合材料的發(fā)展復合材料的發(fā)展長纖維增強金屬基復合材料液相法制備長纖維增強金屬基復合材料液相法制備顆粒增強復合材料的液相法制備顆粒增強復合材料的液相法制備自生復合材料的凝固自生復合材料的凝固第第1節(jié)節(jié) 復合材料的發(fā)展概述復合材料的發(fā)展概述一、基本概念一、基本概念1、定義、定義 復合材料復合材料：是由兩種或者多種不同類型、：是由兩種或者多種不同類型、不同性質(zhì)、不同相的材料，運用適當?shù)姆讲煌再|(zhì)、不同相的材料，運用適當?shù)姆椒?，將其組合成具有整體結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)異法，將其組合成具有整體結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)異的一類新型材料體系。的一類新型

2、材料體系。 或者也可以這樣表述或者也可以這樣表述：將兩種或兩種以上：將兩種或兩種以上的材料在顯微尺度內(nèi)復合，使得各組成相的的材料在顯微尺度內(nèi)復合，使得各組成相的性能互補，而獲得的一種性能優(yōu)異的新材料。性能互補，而獲得的一種性能優(yōu)異的新材料。 木材、骨骼和牙齒等都是自然界中存在的木材、骨骼和牙齒等都是自然界中存在的復合材料。圖復合材料。圖17-1就是幾種常見復合材料的顯微組織。就是幾種常見復合材料的顯微組織。 復合材料可以按照人們的意愿設計成為韌性、強度、重量、高溫性能、腐蝕性復合材料可以按照人們的意愿設計成為韌性、強度、重量、高溫性能、腐蝕性能、硬度、或者傳導性的優(yōu)異結(jié)合體。能、硬度、或者傳導

3、性的優(yōu)異結(jié)合體。復合材料設計的重點就是如何使不同的材復合材料設計的重點就是如何使不同的材料能夠發(fā)揮最佳協(xié)調(diào)作用料能夠發(fā)揮最佳協(xié)調(diào)作用。2、復合材料的分類、復合材料的分類（1）按基體材料分，復合材料可以分為五類按基體材料分，復合材料可以分為五類：n樹脂基復合材料樹脂基復合材料n碳碳/碳（碳（C/C）復合材料）復合材料n陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料n金屬基復合材料金屬基復合材料n納米復合材料納米復合材料（2）按增強材料分，可分為四類按增強材料分，可分為四類：n纖維增強復合材料纖維增強復合材料n顆粒增強復合材料顆粒增強復合材料n混雜增強復合材料混雜增強復合材料n納米改性復合材料納米改性復合材料（3）

4、按增強材料形態(tài)分，可分為四類按增強材料形態(tài)分，可分為四類：n連續(xù)纖維增強復合材料連續(xù)纖維增強復合材料n短切纖維（晶須）增強復合材料短切纖維（晶須）增強復合材料n顆?；蛱盍咸畛鋸秃喜牧项w?；蛱盍咸畛鋸秃喜牧蟦納米改性復合材料納米改性復合材料（4）按用途分類，可分為兩類按用途分類，可分為兩類：n功能復合材料功能復合材料n結(jié)構(gòu)復合材料結(jié)構(gòu)復合材料 一般較為常用的分類方法是采用按基體分類方法?；w材料在復合材一般較為常用的分類方法是采用按基體分類方法。基體材料在復合材料顯微結(jié)構(gòu)中被稱為料顯微結(jié)構(gòu)中被稱為連續(xù)相連續(xù)相，增強材料被稱為，增強材料被稱為分散相分散相。 n結(jié)構(gòu)復合材料的主要優(yōu)勢之一結(jié)構(gòu)復合材料

5、的主要優(yōu)勢之一在于其優(yōu)異的高溫力學性能，隨基體材料的不在于其優(yōu)異的高溫力學性能，隨基體材料的不同，復合材料使用溫度范圍如圖同，復合材料使用溫度范圍如圖8-2所示。所示。n目前，目前，樹脂基復合材料樹脂基復合材料已從研究階段已從研究階段步入應用階段，其成型工藝手段較多，步入應用階段，其成型工藝手段較多，應用范圍最廣，用量最大。應用范圍最廣，用量最大。C/C復合材料復合材料則已在航空、航天和熱防護中取得了較則已在航空、航天和熱防護中取得了較為廣泛的應用，其制造工藝也日趨成熟，為廣泛的應用，其制造工藝也日趨成熟，屬于發(fā)展前景十分光明的高級復合材屬于發(fā)展前景十分光明的高級復合材料。料。納米復合材料納米

6、復合材料則是近期發(fā)展起來的則是近期發(fā)展起來的高新材料，納米復合材料仍處于研究階段。高新材料，納米復合材料仍處于研究階段。 0-3類復合材料（納米粉體改性傳統(tǒng)材料）已從實驗室進入初步應用階段，某些類復合材料（納米粉體改性傳統(tǒng)材料）已從實驗室進入初步應用階段，某些品類已批量生產(chǎn)。品類已批量生產(chǎn)。陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料經(jīng)過添加增強材料有效地解決了陶瓷脆性大的經(jīng)過添加增強材料有效地解決了陶瓷脆性大的弱點，盡管處于研發(fā)階段，但目前已解決了一些關(guān)鍵技術(shù)和問題，正處于工程化弱點，盡管處于研發(fā)階段，但目前已解決了一些關(guān)鍵技術(shù)和問題，正處于工程化應用的前期。應用的前期。金屬基復合材料金屬基復合材料目前仍處

7、于研發(fā)階段，其制造工藝如氣相法、液相目前仍處于研發(fā)階段，其制造工藝如氣相法、液相法和固相法與金屬材料制造工藝大致相同。法和固相法與金屬材料制造工藝大致相同。3、復合材料的基本原理、復合材料的基本原理 對于給定的使用條件，每一種材料都有各自的優(yōu)點和缺點。在形成復合材料時，這些對于給定的使用條件，每一種材料都有各自的優(yōu)點和缺點。在形成復合材料時，這些優(yōu)缺點被重新組合。如圖優(yōu)缺點被重新組合。如圖8-1所示，材料所示，材料A和材料和材料B單獨使用時，各自的優(yōu)缺點同時存在，材單獨使用時，各自的優(yōu)缺點同時存在，材料的性能分別為狀態(tài)料的性能分別為狀態(tài)II 和和VI。但將兩種材料組合獲得的復合材料其性能可是他

8、們各自優(yōu)點。但將兩種材料組合獲得的復合材料其性能可是他們各自優(yōu)點的組合的組合(狀態(tài)狀態(tài)I)，或各自缺點的組合，或各自缺點的組合(狀態(tài)狀態(tài)V)，或他們優(yōu)缺點的交叉組合，或他們優(yōu)缺點的交叉組合(狀態(tài)狀態(tài)III及狀態(tài)及狀態(tài)IV)。實際上復合材料的性能并不僅僅取決于其組成相的性能，還與他們的界面特性密切相關(guān)。實際上復合材料的性能并不僅僅取決于其組成相的性能，還與他們的界面特性密切相關(guān)。因此，因此，復合材料的性能并不是組成相性能的簡單疊加復合材料的性能并不是組成相性能的簡單疊加。n通常結(jié)構(gòu)復合材料的部分綜合性能通常結(jié)構(gòu)復合材料的部分綜合性能(密度、彈性模量、強度等密度、彈性模量、強度等)近似表現(xiàn)為為兩種

9、組成相近似表現(xiàn)為為兩種組成相的性能的平均的性能的平均，即，即 (8-1) 式中式中 K、K1、K2 分別為復合材料及組成相分別為復合材料及組成相1和和2的性能；的性能； 1、 2 分別為復合材料中組成分別為復合材料中組成相相1和和2 的體積分數(shù)。的體積分數(shù)。n功能復合材料的性能則往往表現(xiàn)為乘積效應功能復合材料的性能則往往表現(xiàn)為乘積效應，如書中表如書中表8-1所示。所示。2211KKKn需要注意的是，式需要注意的是，式8-1在外加應力過大的情況下，此時由于復合材料在外加應力過大的情況下，此時由于復合材料的基體會開始變形，所以復合材料的應力的基體會開始變形，所以復合材料的應力-應變關(guān)系不再呈線性變

10、化。應變關(guān)系不再呈線性變化。圖圖17-8就展示了這種變化關(guān)系。就展示了這種變化關(guān)系。4、復合材料制造技術(shù)、復合材料制造技術(shù) 復合材料制造技術(shù)復合材料制造技術(shù)是將是將上述兩種或者多種不同類上述兩種或者多種不同類型、不同性質(zhì)、不同相的型、不同性質(zhì)、不同相的材料合成為一性能優(yōu)異的材料合成為一性能優(yōu)異的整體結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)的“適當方法或適當方法或者技術(shù)者技術(shù)”。（1）根據(jù)增強方式不同，）根據(jù)增強方式不同，其成形方法也有所區(qū)別。其成形方法也有所區(qū)別。常見成形方法包括常見成形方法包括長纖維及編織體增強長纖維及編織體增強：n液態(tài)合金浸滲法液態(tài)合金浸滲法(加壓加壓及不加壓及不加壓)n機械復合熱壓成形法機械復合熱

11、壓成形法顆粒及短纖維增強顆粒及短纖維增強： n粉末冶金法粉末冶金法n液態(tài)混合鑄造法液態(tài)混合鑄造法n半固態(tài)鑄造法半固態(tài)鑄造法n液態(tài)合金浸滲法共噴射沉積法液態(tài)合金浸滲法共噴射沉積法n自生復合材料方法自生復合材料方法（2）按照復合過程）按照復合過程基體材料基體材料的狀態(tài)的狀態(tài)分，成形技術(shù)可分為：分，成形技術(shù)可分為：n固相法固相法n液相法液相法n固固-液相法液相法二、復合材料的發(fā)展狀況二、復合材料的發(fā)展狀況 自自20世紀世紀40年代，第二次世界大戰(zhàn)期間，美國用碎布增強酚醛模樹脂壓制成年代，第二次世界大戰(zhàn)期間，美國用碎布增強酚醛模樹脂壓制成型出大口徑彈帶、步槍槍托和護木以來，揭開了復合材料制造技術(shù)發(fā)展的

12、帷幕。型出大口徑彈帶、步槍槍托和護木以來，揭開了復合材料制造技術(shù)發(fā)展的帷幕。歷經(jīng)歷經(jīng)60多年多年 ，在發(fā)展速度和規(guī)模、應用范圍和產(chǎn)量，對現(xiàn)代技術(shù)與生產(chǎn)進步的，在發(fā)展速度和規(guī)模、應用范圍和產(chǎn)量，對現(xiàn)代技術(shù)與生產(chǎn)進步的推動與影響，以及本身的科學研究與深度和廣度等諸多方面，復合材料尤其是先推動與影響，以及本身的科學研究與深度和廣度等諸多方面，復合材料尤其是先進復合材料領域中所取得的成就和技術(shù)進步，已超過人類歷史上曾出現(xiàn)和使用過進復合材料領域中所取得的成就和技術(shù)進步，已超過人類歷史上曾出現(xiàn)和使用過的任何材料。復合材料已成為當代軍事技術(shù)、航空航天技術(shù)、空間技術(shù)、武器裝的任何材料。復合材料已成為當代軍事技

13、術(shù)、航空航天技術(shù)、空間技術(shù)、武器裝備技術(shù)、信息技術(shù)、能源工程、海洋工程、生物工程，乃至民用工業(yè)不可缺少的備技術(shù)、信息技術(shù)、能源工程、海洋工程、生物工程，乃至民用工業(yè)不可缺少的材料之一。材料之一。 經(jīng)過幾代人不懈努力，經(jīng)過幾代人不懈努力，復合材料目前已形成四類復合材料共存，而樹脂基復復合材料目前已形成四類復合材料共存，而樹脂基復合合材料則形成五代復合材料共用的良好局面材料則形成五代復合材料共用的良好局面。1、樹脂基復合材料、樹脂基復合材料n第一代樹脂基復合材料是以玻璃纖維增強復合材料為代表第一代樹脂基復合材料是以玻璃纖維增強復合材料為代表，在，在20世紀世紀5060年代以年代以“玻璃鋼玻璃鋼”名

14、稱著稱，廣泛應用于軍事、航空航天、兵器、船舶等諸多行名稱著稱，廣泛應用于軍事、航空航天、兵器、船舶等諸多行業(yè)。逐步形成的業(yè)。逐步形成的玻璃鋼制造技術(shù)玻璃鋼制造技術(shù)是樹脂基復合材料的重大技術(shù)進步和歷史性變是樹脂基復合材料的重大技術(shù)進步和歷史性變革，產(chǎn)品由原先在附件上使用而逐步發(fā)展為作為受力結(jié)構(gòu)件使用。特別是革，產(chǎn)品由原先在附件上使用而逐步發(fā)展為作為受力結(jié)構(gòu)件使用。特別是S玻璃玻璃纖維增強材料的出現(xiàn)，其性能比纖維增強材料的出現(xiàn)，其性能比E玻璃纖維增強材料提高了很多，如美國的玻璃纖維增強材料提高了很多，如美國的S玻玻璃纖維增強材料拉伸強度高達璃纖維增強材料拉伸強度高達4650MPa，這種高強度高模量

15、低價格材料在軍事，這種高強度高模量低價格材料在軍事裝備、工業(yè)設備和車輛中得到大量應用，是目前用量最大、技術(shù)最為成熟的低成裝備、工業(yè)設備和車輛中得到大量應用，是目前用量最大、技術(shù)最為成熟的低成本復合材料之一。本復合材料之一。n第二代樹脂基復合材料以碳纖維增強復合材料為代表第二代樹脂基復合材料以碳纖維增強復合材料為代表。它具有卓越的比強度。它具有卓越的比強度（12.8MPa/(g/cm3)）、比模量（）、比模量（12.8GPa/(g/cm3)），在），在300以上能夠長期以上能夠長期使用，低溫脆化點達使用，低溫脆化點達-196，獲得各國軍方和工業(yè)部門的高度重視，在工業(yè)領，獲得各國軍方和工業(yè)部門的高

16、度重視，在工業(yè)領域、航空航天、地面武器裝備中被廣泛使用。域、航空航天、地面武器裝備中被廣泛使用。n第三代樹脂基復合材料是有機纖維復合材料，以美國杜邦公司的第三代樹脂基復合材料是有機纖維復合材料，以美國杜邦公司的Kelvar（紡（紡綸）纖維復合材料為代表綸）纖維復合材料為代表。這種熱熔性液晶聚合物纖維比強度好，彈性模量是玻。這種熱熔性液晶聚合物纖維比強度好，彈性模量是玻纖的纖的2倍，價格只有碳纖維的倍，價格只有碳纖維的1/3。其突出的韌性和回彈性是其它纖維所不具備。其突出的韌性和回彈性是其它纖維所不具備的，因此，面世不久就被各國工業(yè)部門和軍方采用。的，因此，面世不久就被各國工業(yè)部門和軍方采用。n

17、第四代樹脂基復合材料是第四代樹脂基復合材料是20世紀世紀80年代末美國年代末美國Allied公司商品化的一種公司商品化的一種Spectra-900和和Spectra-1000為代表的超高強度、超高模量的高拉伸聚乙烯纖為代表的超高強度、超高模量的高拉伸聚乙烯纖維維。不久之后，荷蘭。不久之后，荷蘭DSM研究所和日本東洋紡織公司聯(lián)合開發(fā)了研究所和日本東洋紡織公司聯(lián)合開發(fā)了Dyneema高拉高拉伸聚乙烯纖維，并用其制造出了環(huán)氧基復合材料，其拉伸強度高達伸聚乙烯纖維，并用其制造出了環(huán)氧基復合材料，其拉伸強度高達3.5GPa,模量模量達達125GPa，比強度比鋼大，比強度比鋼大10倍，比碳纖維大倍，比碳纖

18、維大4倍，比芳纖大倍，比芳纖大50%，20世紀世紀90年年代時被稱為世界上強度最大的纖維代時被稱為世界上強度最大的纖維，而且其密度最?。ǎ移涿芏茸钚。?.92kg/m3）。它具有透）。它具有透射雷達波、介電性極佳、結(jié)構(gòu)強度高的優(yōu)點，高纖維是當時抗彈性最好的彈道材射雷達波、介電性極佳、結(jié)構(gòu)強度高的優(yōu)點，高纖維是當時抗彈性最好的彈道材料，在兵器上獲得廣泛應用，尤其是裝甲防護領域。料，在兵器上獲得廣泛應用，尤其是裝甲防護領域。n第五代為第五代為PBO纖維增強復合材料纖維增強復合材料，是美國道化學公司和日本東洋紡織公司合作，是美國道化學公司和日本東洋紡織公司合作研制成功的聚苯并雙呃唑纖維及其復合材

19、料，被稱為研制成功的聚苯并雙呃唑纖維及其復合材料，被稱為21世紀超級纖維復合材料世紀超級纖維復合材料。該纖維無熔點，高溫下不熔融，與火焰接觸后不收縮，移去火焰后基本無殘焰該纖維無熔點，高溫下不熔融，與火焰接觸后不收縮，移去火焰后基本無殘焰，布布料質(zhì)地柔軟。拉伸強度為料質(zhì)地柔軟。拉伸強度為5.8 GPa，拉伸模量為，拉伸模量為280GPa，延伸率為，延伸率為3.5%。是目前。是目前唯一將力學性能、唯一將力學性能、卓越的耐高溫性能卓越的耐高溫性能和優(yōu)良的加工性能結(jié)合在一起的有機纖維。和優(yōu)良的加工性能結(jié)合在一起的有機纖維。目目前尚處實驗室狀態(tài)。前尚處實驗室狀態(tài)。 縱觀縱觀樹脂基復合材料的發(fā)展歷程樹脂

20、基復合材料的發(fā)展歷程，其間發(fā)生了四次重要的技術(shù)進步其間發(fā)生了四次重要的技術(shù)進步：第一次技術(shù)進步是第一次技術(shù)進步是1926年發(fā)明的年發(fā)明的傳遞傳遞模塑工藝模塑工藝，第二次則是，第二次則是1945年研制的年研制的高頻預熱技術(shù)高頻預熱技術(shù)，第三次是，第三次是1963年研制年研制成功的成功的注射成型技術(shù)注射成型技術(shù)，第四次是，第四次是20世世紀紀80年代研制成功的年代研制成功的液體膜塑成型技液體膜塑成型技術(shù)術(shù)。2、C/C復合材料復合材料 20世紀世紀50年代以來，碳纖維技術(shù)的出現(xiàn)，年代以來，碳纖維技術(shù)的出現(xiàn)，為將石墨材料發(fā)展為真正實用的結(jié)構(gòu)材料提為將石墨材料發(fā)展為真正實用的結(jié)構(gòu)材料提供了條件。供了條件

21、。20世紀世紀60年代，在美國空軍材料年代，在美國空軍材料實驗室（實驗室（AFML）支持下，一種新的碳）支持下，一種新的碳/碳復碳復合材料試制成功，并具有優(yōu)異的比強度和比合材料試制成功，并具有優(yōu)異的比強度和比彈性模量。今天，彈性模量。今天，C-C復合材料已廣泛應用于軍事和民用工業(yè)的各個領域。復合材料已廣泛應用于軍事和民用工業(yè)的各個領域。 C-C復合材料用于航空航天條件下極其苛刻的高溫環(huán)境下，其使用溫度可達復合材料用于航空航天條件下極其苛刻的高溫環(huán)境下，其使用溫度可達3000 ，而且其高溫強度一般要高于其室溫強度，如圖，而且其高溫強度一般要高于其室溫強度，如圖17-28所示。所示。 C-C復合材

22、料的合成，首先是把聚丙烯腈或者復合材料的合成，首先是把聚丙烯腈或者C纖維編織體放入模型，并用有機纖維編織體放入模型，并用有機樹脂如酚醛浸滲，然后將酚醛熱解為碳。此時樹脂如酚醛浸滲，然后將酚醛熱解為碳。此時C-C復合材料尚是多孔的軟質(zhì)材料，復合材料尚是多孔的軟質(zhì)材料，需要經(jīng)過多次的浸滲和熱解過程后，需要經(jīng)過多次的浸滲和熱解過程后， C-C復合材料的密度、強度和韌性才會逐步增復合材料的密度、強度和韌性才會逐步增加到需要性能。最后在加到需要性能。最后在C-C材料表面涂敷一層材料表面涂敷一層SiC涂料，以防止氧化。涂料，以防止氧化。 C-C復合材料一般用于如宇宙飛船的頭錐部件和進氣口，以及高端賽車和噴

23、氣式復合材料一般用于如宇宙飛船的頭錐部件和進氣口，以及高端賽車和噴氣式飛機的剎車盤等。飛機的剎車盤等。 C/C復合材料的真正實用化得益于多向編織技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展復合材料的真正實用化得益于多向編織技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。20世紀世紀60年代末期出年代末期出現(xiàn)了用于樹脂基和碳基復合材料的編織技術(shù)，并成功地完成了圓輪、空心圓柱、平椎體結(jié)現(xiàn)了用于樹脂基和碳基復合材料的編織技術(shù)，并成功地完成了圓輪、空心圓柱、平椎體結(jié)構(gòu)的編織。此后，通過正確選取和設計增強織物以滿足復雜結(jié)構(gòu)的需要成為可能。今天，構(gòu)的編織。此后，通過正確選取和設計增強織物以滿足復雜結(jié)構(gòu)的需要成為可能。今天，C/C復合材料增強體可以有二向、三向、五

24、向、七向、十一向等多種形式。特別是進入復合材料增強體可以有二向、三向、五向、七向、十一向等多種形式。特別是進入80年代，多維整體編織技術(shù)的出現(xiàn)，使得極大地發(fā)揮年代，多維整體編織技術(shù)的出現(xiàn)，使得極大地發(fā)揮C/C復合材料的潛力成為可能。復合材料的潛力成為可能。 C/C復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，迄今為止，是用于宇航工業(yè)、熱結(jié)構(gòu)和固體發(fā)動復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，迄今為止，是用于宇航工業(yè)、熱結(jié)構(gòu)和固體發(fā)動機噴管最理想的燒蝕結(jié)構(gòu)材料，但長的加工周期、高的制造成本在一定程度上限制了其機噴管最理想的燒蝕結(jié)構(gòu)材料，但長的加工周期、高的制造成本在一定程度上限制了其使用。目前，使用。目前，C/C復合材料的改型

25、主要圍繞著提高性能和降低成本兩方面展開復合材料的改型主要圍繞著提高性能和降低成本兩方面展開： 在提高性能方面，近年來提出的一項重要途徑就是應用難熔碳化物涂層提高在提高性能方面，近年來提出的一項重要途徑就是應用難熔碳化物涂層提高C/C復合復合材料的抗氧化能力，降低燒蝕率，承受更高的燃氣溫度或者更長的工作時間。所用難熔碳材料的抗氧化能力，降低燒蝕率，承受更高的燃氣溫度或者更長的工作時間。所用難熔碳化物有碳化硅、碳化鉿（化物有碳化硅、碳化鉿（HfC）、碳化鉭（）、碳化鉭（TaC）、碳化鈮（）、碳化鈮（NbC）、碳化鋯（）、碳化鋯（ZrC）等。涂覆工藝多用化學氣相沉積和化學氣相反應。降低成本方面，除編

26、織技術(shù)的改進外，等。涂覆工藝多用化學氣相沉積和化學氣相反應。降低成本方面，除編織技術(shù)的改進外，還著重于致密工藝的改進。還著重于致密工藝的改進。 C/C復合材料制造技術(shù)目前主要有氣體熱解技術(shù)、樹脂先軀體熱解技術(shù)和瀝青先軀體熱復合材料制造技術(shù)目前主要有氣體熱解技術(shù)、樹脂先軀體熱解技術(shù)和瀝青先軀體熱解技術(shù)等解技術(shù)等。3、陶瓷基復合材料、陶瓷基復合材料 陶瓷基復合材料目前尚處于研究階段，還未進入批量生產(chǎn)和實際應用。某些品類雖然已陶瓷基復合材料目前尚處于研究階段，還未進入批量生產(chǎn)和實際應用。某些品類雖然已有制品，但據(jù)實際應用還有一段距離。有制品，但據(jù)實際應用還有一段距離。 陶瓷基復合材料具有優(yōu)異的高溫強

27、度陶瓷基復合材料具有優(yōu)異的高溫強度。目前是制作摩擦結(jié)構(gòu)材料、固體發(fā)動機噴管和燃。目前是制作摩擦結(jié)構(gòu)材料、固體發(fā)動機噴管和燃燒室殼體之間的熱結(jié)構(gòu)連接件的理想材料，還可以用作出口錐和延伸錐的一些部件。陶瓷燒室殼體之間的熱結(jié)構(gòu)連接件的理想材料，還可以用作出口錐和延伸錐的一些部件。陶瓷基復合材料作為固體發(fā)動機的熱結(jié)構(gòu)連接件，已進行過發(fā)動機地面熱試車?；鶑秃喜牧献鳛楣腆w發(fā)動機的熱結(jié)構(gòu)連接件，已進行過發(fā)動機地面熱試車。 不是所有的陶瓷都能作為基體材料的，目前使用較多的是碳化物、氧化物、硼化物和氮不是所有的陶瓷都能作為基體材料的，目前使用較多的是碳化物、氧化物、硼化物和氮化物等化物等，如，如SiC、Si3N

28、4、Al2O3、ZrO2。其中，以氮化硅系高溫熱結(jié)構(gòu)陶瓷復合材料（如。其中，以氮化硅系高溫熱結(jié)構(gòu)陶瓷復合材料（如Si3N4、SiC/Si3N4、ZrO2/Si3N4、Si3N4+Al2O3等）引人注目。這類材料的綜合性能較為突等）引人注目。這類材料的綜合性能較為突出，具有耐高溫耐腐蝕、抗熱震、韌性好、熱膨脹系數(shù)小、密度較低等特點，非常適用于出，具有耐高溫耐腐蝕、抗熱震、韌性好、熱膨脹系數(shù)小、密度較低等特點，非常適用于制作高溫承力部件。制作高溫承力部件。目前世界各國已把氮化硅系陶瓷材料作為熱結(jié)構(gòu)的首選陶瓷材料進行目前世界各國已把氮化硅系陶瓷材料作為熱結(jié)構(gòu)的首選陶瓷材料進行廣泛、重點地研究與開發(fā)廣

29、泛、重點地研究與開發(fā)。Si3N4系陶瓷材料在軍用和民用領域均有十分廣闊的應用前景。系陶瓷材料在軍用和民用領域均有十分廣闊的應用前景。 陶瓷基復合材料成型的技術(shù)關(guān)鍵是在成型過程中纖維不受機械的和化學的損傷，并能均陶瓷基復合材料成型的技術(shù)關(guān)鍵是在成型過程中纖維不受機械的和化學的損傷，并能均勻地分散在基體中。勻地分散在基體中。目前使用的成型方法有熱壓燒結(jié)法和反應燒結(jié)法目前使用的成型方法有熱壓燒結(jié)法和反應燒結(jié)法。 陶瓷纖維陶瓷纖維-陶瓷基體復合材料與傳統(tǒng)陶瓷相比，強度和斷裂韌性大幅陶瓷基體復合材料與傳統(tǒng)陶瓷相比，強度和斷裂韌性大幅改進。改進。纖維增強體通過幾種途徑來改善陶瓷基體的韌性纖維增強體通過幾種

30、途徑來改善陶瓷基體的韌性。首先，基體中。首先，基體中出現(xiàn)的裂紋擴展會被纖維阻滯；如果纖維和基體間結(jié)合不牢靠，裂紋會出現(xiàn)的裂紋擴展會被纖維阻滯；如果纖維和基體間結(jié)合不牢靠，裂紋會被迫在纖維周圍傳播以繼續(xù)斷裂過程。另外，結(jié)合不良還會使纖維從基被迫在纖維周圍傳播以繼續(xù)斷裂過程。另外，結(jié)合不良還會使纖維從基體中拔出。而這兩個過程都需要消耗能量，由此增加了復合材料的韌體中拔出。而這兩個過程都需要消耗能量，由此增加了復合材料的韌性。最后，如果基體中出現(xiàn)一個裂紋，而未斷的纖維就可能橋結(jié)裂紋，性。最后，如果基體中出現(xiàn)一個裂紋，而未斷的纖維就可能橋結(jié)裂紋，并產(chǎn)生壓應力以防止裂紋進一步發(fā)展。并產(chǎn)生壓應力以防止裂紋

31、進一步發(fā)展。 不像高聚物或者金屬基復合材料，不像高聚物或者金屬基復合材料，陶瓷基復合材料需要陶瓷纖維和陶瓷基復合材料需要陶瓷纖維和基基體陶瓷間的不牢靠結(jié)合體陶瓷間的不牢靠結(jié)合。因此，。因此，陶瓷基復合材料的界面結(jié)構(gòu)控制非常關(guān)陶瓷基復合材料的界面結(jié)構(gòu)控制非常關(guān)鍵鍵。如在。如在SiC纖維增強的玻璃陶瓷復合材料中，包含纖維增強的玻璃陶瓷復合材料中，包含C和和NbC的界面層設的界面層設計時，就要使纖維能夠從基體中容易拔出。計時，就要使纖維能夠從基體中容易拔出。4、金屬基復合材料、金屬基復合材料 金屬基復合材料起步于金屬基復合材料起步于20世紀世紀50年代末期，或者年代末期，或者60年代初期。初期最具代

32、表性的是硼年代初期。初期最具代表性的是硼纖維增強鋁制造的哥倫比亞號飛機結(jié)構(gòu)件，包括主骨架、肋條、桁架支柱、制動器支撐架纖維增強鋁制造的哥倫比亞號飛機結(jié)構(gòu)件，包括主骨架、肋條、桁架支柱、制動器支撐架等。但這種材料造價太高，即使在航天飛行器這種尖端結(jié)構(gòu)上應用，也承受不了其高昂的等。但這種材料造價太高，即使在航天飛行器這種尖端結(jié)構(gòu)上應用，也承受不了其高昂的價格。所以自價格。所以自20世紀世紀70年代末期，年代末期，金屬基復合材料的研究開發(fā)者們用石墨纖維和碳化硅等金屬基復合材料的研究開發(fā)者們用石墨纖維和碳化硅等作為增強材料，并為解決纖維和金屬基體復合時界面間的反應做了大量的工作作為增強材料，并為解決纖

33、維和金屬基體復合時界面間的反應做了大量的工作。 進入進入80年代，由于新型高性能增強纖維的出現(xiàn)，如化學氣相沉積法年代，由于新型高性能增強纖維的出現(xiàn)，如化學氣相沉積法SiC纖維、紡絲纖維、紡絲SiC纖維和表面帶有纖維和表面帶有TiB、TiC、SiC等涂層的系列石墨纖維，并發(fā)展了可以將鋁、鈦、鎳、金等涂層的系列石墨纖維，并發(fā)展了可以將鋁、鈦、鎳、金屬間化合物等性能較高的金屬作為基體的成型工藝，推動了金屬基復合材料的發(fā)展。屬間化合物等性能較高的金屬作為基體的成型工藝，推動了金屬基復合材料的發(fā)展。 由于金屬基復合材料起步較晚，目前技術(shù)水平大部分還處于實驗室階段，只有一小部分由于金屬基復合材料起步較晚，

34、目前技術(shù)水平大部分還處于實驗室階段，只有一小部分實現(xiàn)了工業(yè)化。實現(xiàn)了工業(yè)化。金屬基復合材料成型工藝的特點是先做成預制件再復合成型金屬基復合材料成型工藝的特點是先做成預制件再復合成型。 金屬基復合材料金屬基復合材料成型工藝有液相熔鑄法、半固態(tài)熱模壓法和固態(tài)擴散法成型工藝有液相熔鑄法、半固態(tài)熱模壓法和固態(tài)擴散法。5、納米復合材料、納米復合材料 納米材料是當前材料科學研究的熱點之一。廣義地說，納米材料是當前材料科學研究的熱點之一。廣義地說，多相的復合材料，多相的復合材料，只要其中某一組成相至少有一維的尺寸處在納米尺度范圍（只要其中某一組成相至少有一維的尺寸處在納米尺度范圍（1100nm）內(nèi)，即）內(nèi)，

35、即可視作納米復合材料可視作納米復合材料。 用納米材料與其它基體材料如樹脂、橡膠、陶瓷和金屬制成納米復合材料的用納米材料與其它基體材料如樹脂、橡膠、陶瓷和金屬制成納米復合材料的概念，是在概念，是在1988年以后逐漸被人們接受的?？傮w來說，目前年以后逐漸被人們接受的?？傮w來說，目前納米材料可分為三納米材料可分為三類類：a) 0-0復合型復合型，即不同成分、不同相或者不同種類的，即不同成分、不同相或者不同種類的納米粒子納米粒子復合而成的納復合而成的納米固體材料，這種材料通常采用原位壓塊相轉(zhuǎn)變等方法實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)具有納米非米固體材料，這種材料通常采用原位壓塊相轉(zhuǎn)變等方法實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)具有納米非均勻性，均勻性，

36、也稱為聚集型也稱為聚集型； b) 0-3復合型復合型，即納米粒子分散在，即納米粒子分散在常規(guī)三維固體常規(guī)三維固體中，形成納米粒子均勻分散中，形成納米粒子均勻分散的納米復合材料；的納米復合材料； c) 0-2復合型復合型，即把納米粒子分散在，即把納米粒子分散在二維的薄膜材料二維的薄膜材料中，故而被稱為中，故而被稱為納米復納米復合薄膜材料合薄膜材料。有時也把不同材質(zhì)構(gòu)成的多層膜如超晶格也稱為納米復合薄膜材。有時也把不同材質(zhì)構(gòu)成的多層膜如超晶格也稱為納米復合薄膜材料。納米塑料則屬于第二類納米復合材料之列。料。納米塑料則屬于第二類納米復合材料之列。 這三種納米復合材料代表了納米材料技術(shù)的三個發(fā)展階段這

37、三種納米復合材料代表了納米材料技術(shù)的三個發(fā)展階段。n第一階段第一階段（20世紀世紀90年代以前）主要是在實驗室探索用各種手段制年代以前）主要是在實驗室探索用各種手段制備各類材料的納米顆粒粉體、合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的備各類材料的納米顆粒粉體、合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能，方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能，研究的對象一般局限研究的對象一般局限于單一材料和單相材料（又稱為納米晶和納米相材料于單一材料和單相材料（又稱為納米晶和納米相材料）n第二階段第二階段（1994年以前）研究的重點是年以前）研究的重點是如何利用納米材料已發(fā)掘出

38、如何利用納米材料已發(fā)掘出的奇特物理、化學和力學性能，設計納米復合材料如納米塑料的奇特物理、化學和力學性能，設計納米復合材料如納米塑料，通常將，通常將納米粒子與納米粒子的復合稱為納米粒子與納米粒子的復合稱為0-0復合材料，納米粒子與常規(guī)塊狀復合復合材料，納米粒子與常規(guī)塊狀復合材料復合稱為材料復合稱為0-3復合材料，用納米材料制備的薄膜稱為復合材料，用納米材料制備的薄膜稱為0-2復合材料。復合材料。n第三階段第三階段（從（從1994年至今）研究的重點是年至今）研究的重點是納米組裝體系、人工組裝合成納米結(jié)納米組裝體系、人工組裝合成納米結(jié)構(gòu)材料（又稱為納米尺度材料構(gòu)材料（又稱為納米尺度材料）。這種納米

39、材料內(nèi)涵是以納米顆粒及其所組成的）。這種納米材料內(nèi)涵是以納米顆粒及其所組成的納米帶和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體納米帶和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，其中包括納米陳列體系、介孔組裝體系和薄膜鑲嵌體系。系，其中包括納米陳列體系、介孔組裝體系和薄膜鑲嵌體系。 目前目前樹脂基納米復合材料制備技術(shù)較為成熟樹脂基納米復合材料制備技術(shù)較為成熟，已生產(chǎn)出不少納米材料制品。樹，已生產(chǎn)出不少納米材料制品。樹脂基納米復合材料制備技術(shù)主要有：共混法、原位生成法、插層復合技術(shù)、輻射脂基納米復合材料制備技術(shù)主要有：共混法、原位生成法、插層復合技術(shù)、輻射合

40、成法和溶膠合成法和溶膠-凝膠法。凝膠法。 納米陶瓷的制造技術(shù)納米陶瓷的制造技術(shù)主要包括納米粉體的制備、成型和燒結(jié)。其制備方法目前主要包括納米粉體的制備、成型和燒結(jié)。其制備方法目前主要有氣相合成法、凝聚相合成法和水熱法。主要有氣相合成法、凝聚相合成法和水熱法。 而而納米金屬的制造技術(shù)納米金屬的制造技術(shù)主要有機械合金研磨結(jié)合加壓成塊法、非晶化法、高壓主要有機械合金研磨結(jié)合加壓成塊法、非晶化法、高壓高溫固相淬火法、大塑性變形法和深過冷直接晶化法。高溫固相淬火法、大塑性變形法和深過冷直接晶化法。第第2節(jié)節(jié) 長纖維增強金屬基復合材料液相法制備長纖維增強金屬基復合材料液相法制備一、金屬基復合材料制造方法簡

41、介一、金屬基復合材料制造方法簡介 金屬基復合材料是以金屬為基體，以纖維材料和顆?；蛘呔ы殲樵鰪姴牧?，使其均勻地金屬基復合材料是以金屬為基體，以纖維材料和顆?；蛘呔ы殲樵鰪姴牧?，使其均勻地分散于基體材料，形成的兩相或者多相組合的材料體系。而用于制造這種復合材料的適當分散于基體材料，形成的兩相或者多相組合的材料體系。而用于制造這種復合材料的適當方法稱之為方法稱之為金屬基復合材料制備技術(shù)金屬基復合材料制備技術(shù)。1、金屬基復合材料的制造方法：、金屬基復合材料的制造方法：大致分為三種大致分為三種：n固態(tài)制造技術(shù)固態(tài)制造技術(shù)：在金屬基體處于固態(tài)情況下，制成復合材料體系的方法，包括粉末：在金屬基體處于固態(tài)情

42、況下，制成復合材料體系的方法，包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓和拉拔法、爆炸焊接法等。冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓和拉拔法、爆炸焊接法等。n液體制造技術(shù)液體制造技術(shù)：在基體金屬處于熔融狀態(tài)下，與增強材料混合組成新的復合材料的方：在基體金屬處于熔融狀態(tài)下，與增強材料混合組成新的復合材料的方法。包括真空壓力浸滲法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、熱噴涂法等。法。包括真空壓力浸滲法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、熱噴涂法等。n新型制造技術(shù)新型制造技術(shù)：包括原位自生成法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、化學鍍和電：包括原位自生成法、物理氣相沉積法、化學氣相

43、沉積法、化學鍍和電鍍法及復合鍍法。鍍法及復合鍍法。2、金屬基復合材料制造技術(shù)應具備的條件、金屬基復合材料制造技術(shù)應具備的條件n能夠使增強材料均勻地分布于金屬基體中能夠使增強材料均勻地分布于金屬基體中n能夠確保復合材料界面效應、混雜效應或者復合效應充分發(fā)揮能夠確保復合材料界面效應、混雜效應或者復合效應充分發(fā)揮n能夠充分發(fā)揮增強材料對基體金屬的增強增韌效果，可制得具有合適界面結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮增強材料對基體金屬的增強增韌效果，可制得具有合適界面結(jié)構(gòu)和特性的復合材料和特性的復合材料n工藝簡單可行，可操作性強、成本適當，并盡量符合工藝簡單可行，可操作性強、成本適當，并盡量符合“近、凈、型近、凈、型”成型

44、理念成型理念3、金屬基復合材料制造的關(guān)鍵技術(shù)、金屬基復合材料制造的關(guān)鍵技術(shù) （1）制備溫度高，在高溫下易發(fā)生不利的化學反應。在制備過程中，為了確?；w的浸）制備溫度高，在高溫下易發(fā)生不利的化學反應。在制備過程中，為了確保基體的浸潤性和流動性，需要采用接近或者高于基體合金熔點的制造溫度。此時，基體與增強材料潤性和流動性，需要采用接近或者高于基體合金熔點的制造溫度。此時，基體與增強材料易發(fā)生界面反應，而這些反應往往會對增強材料造成損害。因此，需要易發(fā)生界面反應，而這些反應往往會對增強材料造成損害。因此，需要控制制備溫度控制制備溫度。 （2）增強材料與基體潤濕性太差也是金屬基復合材料需要解決的另一項

45、關(guān)鍵技術(shù)增強材料與基體潤濕性太差也是金屬基復合材料需要解決的另一項關(guān)鍵技術(shù)。絕大。絕大多數(shù)的金屬基復合材料如多數(shù)的金屬基復合材料如C/Al、C/Mg、SiC/Al、Al2O3/Cu等，基體對增強材料潤濕性太等，基體對增強材料潤濕性太差，有時就根本不潤濕。差，有時就根本不潤濕。 （3）按結(jié)構(gòu)設計要求，使增強材料按所需的方向均勻地分布于基體中也是一項需要掌握按結(jié)構(gòu)設計要求，使增強材料按所需的方向均勻地分布于基體中也是一項需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。 本章重點和大家介紹金屬基復合材料液相法制備技術(shù)中的凝固組織控制問題。本章重點和大家介紹金屬基復合材料液相法制備技術(shù)中的凝固組織控制問題。 二、長纖維

46、增強金屬基復合材料液相制備二、長纖維增強金屬基復合材料液相制備 長纖維增強金屬基復合材料長纖維增強金屬基復合材料是將金屬與按照一定取向排列的超細纖維復合獲得具有優(yōu)秀是將金屬與按照一定取向排列的超細纖維復合獲得具有優(yōu)秀單向力學特性的復合材料。單向力學特性的復合材料。 長纖維增強復合材料的液相成形方法主要是長纖維增強復合材料的液相成形方法主要是浸滲法浸滲法，即把熔化的液態(tài)合金以加壓或不加，即把熔化的液態(tài)合金以加壓或不加壓的方式浸入到纖維預制體中，凝固后獲得預期組織和性能的復合材料。壓的方式浸入到纖維預制體中，凝固后獲得預期組織和性能的復合材料。 1、增強材料、增強材料-纖維纖維 由于纖維的強度通常

47、遠大于基體材料，在長纖維增強的金屬基復合材料中基體起粘結(jié)成由于纖維的強度通常遠大于基體材料，在長纖維增強的金屬基復合材料中基體起粘結(jié)成形及力的傳遞作用，而纖維是主要受力單元。所以形及力的傳遞作用，而纖維是主要受力單元。所以長纖維增強金屬基復合材料的性能在很長纖維增強金屬基復合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能大程度上取決于纖維的性能。 部分常用高性能增強纖維的力學性能如書中表部分常用高性能增強纖維的力學性能如書中表8-3所示。傳統(tǒng)的復合材料是由單一增強所示。傳統(tǒng)的復合材料是由單一增強相和基體相組成，但這種復合材料已不能滿足工程實際需要的要求，因此出現(xiàn)了相和基體相組成，但這種復合材料已不能滿

48、足工程實際需要的要求，因此出現(xiàn)了混雜纖維混雜纖維或混雜基體的復合材料或混雜基體的復合材料。近年來，人們提出了。近年來，人們提出了“互貫相復合材料互貫相復合材料”的概念，以期使材料相的概念，以期使材料相互互取長補短，達到多功能的目的。其中，纖維的編織成型技術(shù)就是一項關(guān)鍵技術(shù)。取長補短，達到多功能的目的。其中，纖維的編織成型技術(shù)就是一項關(guān)鍵技術(shù)。 纖維的典型排列方式一般為纖維的典型排列方式一般為纖維束一維定向排列和二維及三纖維束一維定向排列和二維及三維纖維編織體的疊層排列。前者維纖維編織體的疊層排列。前者可獲得一維復合材料，后者可獲可獲得一維復合材料，后者可獲得二維或三維受載的復合材料。得二維或三

49、維受載的復合材料。 圖圖7-1是復合材料中長纖維纏繞成型的基本原理圖是復合材料中長纖維纏繞成型的基本原理圖。它是把連續(xù)的纖維經(jīng)浸。它是把連續(xù)的纖維經(jīng)浸漬漬樹脂膠液后，在一定的張力作用下，按照一定的規(guī)律纏繞到芯模上，然后通過加樹脂膠液后，在一定的張力作用下，按照一定的規(guī)律纏繞到芯模上，然后通過加熱或者常溫固化成型，制成具有一定形狀制品的工藝技術(shù)。熱或者常溫固化成型，制成具有一定形狀制品的工藝技術(shù)。 而而C/SiC纖維編織技術(shù)也分為纖維編織技術(shù)也分為單向編制和多向編制單向編制和多向編制。多向結(jié)構(gòu)。多向結(jié)構(gòu)最少為兩向，最多為最少為兩向，最多為11向。還可向。還可以分為以分為機器編制和手工編織機器編制

50、和手工編織。機。機器編制可細分為徑向針織和緯向針織。器編制可細分為徑向針織和緯向針織。 機器編制技術(shù)因其產(chǎn)品易起毛或者斷裂而未能得到廣泛應用，手工編織技術(shù)機器編制技術(shù)因其產(chǎn)品易起毛或者斷裂而未能得到廣泛應用，手工編織技術(shù)的纖維產(chǎn)品不存在針織品的上述缺點而得到國內(nèi)外的廣泛采用。的纖維產(chǎn)品不存在針織品的上述缺點而得到國內(nèi)外的廣泛采用。2、增強纖維與基體材料的界面特性、增強纖維與基體材料的界面特性 在浸滲法制造長纖維增強金屬基復合材料時，纖維與合金液的界面特性對于復合材料的在浸滲法制造長纖維增強金屬基復合材料時，纖維與合金液的界面特性對于復合材料的成形過程是至關(guān)重要的。成形過程是至關(guān)重要的。不僅要求

51、合金液與纖維的界面具有很好的潤濕狀態(tài)以減小浸入壓不僅要求合金液與纖維的界面具有很好的潤濕狀態(tài)以減小浸入壓力，還要防止合金液與纖維之間的化學反應引起纖維的破壞力，還要防止合金液與纖維之間的化學反應引起纖維的破壞。因此，纖維與合金的界面特。因此，纖維與合金的界面特性是長纖維增強金屬基復合材料制備工藝過程的關(guān)鍵技術(shù)，對合金液的浸入過程及合金液性是長纖維增強金屬基復合材料制備工藝過程的關(guān)鍵技術(shù)，對合金液的浸入過程及合金液在復合材料中的凝固特性具有重要影響。在復合材料中的凝固特性具有重要影響。n由于各種元素在合金液中的溶解度及化學活性不同，在不同基體材料和增強纖維的組由于各種元素在合金液中的溶解度及化學

52、活性不同，在不同基體材料和增強纖維的組合中界面特性的研究重點也不同。隨著增強纖維的組成元素在合金液中溶解度的增大及其合中界面特性的研究重點也不同。隨著增強纖維的組成元素在合金液中溶解度的增大及其與基體材料組成元素之間親和力的提高，纖維與合金液之間的化學反應成為主要問題，研與基體材料組成元素之間親和力的提高，纖維與合金液之間的化學反應成為主要問題，研究重點將是控制化學反應，以防止纖維的損傷。究重點將是控制化學反應，以防止纖維的損傷。n當增強纖維的組成元素在合金液中的溶解度很低，并且化學作用很弱時，提高合金液當增強纖維的組成元素在合金液中的溶解度很低，并且化學作用很弱時，提高合金液對增強纖維的潤濕

53、性以保證浸滲過程的順利進行，并且在制成后的復合材料中具有高的界對增強纖維的潤濕性以保證浸滲過程的順利進行，并且在制成后的復合材料中具有高的界面強度以保證復合材料的力學性能則成為研究的重點。面強度以保證復合材料的力學性能則成為研究的重點。（1）界面特性對材料性能的影響界面特性對材料性能的影響 在復合材料中，增強纖維的強度通常遠大于基體材料，材料的強度主要取決于增強纖在復合材料中，增強纖維的強度通常遠大于基體材料，材料的強度主要取決于增強纖維，但外力要通過基體材料傳遞給纖維，因此纖維與基體界面的結(jié)合特性對材料的性能具維，但外力要通過基體材料傳遞給纖維，因此纖維與基體界面的結(jié)合特性對材料的性能具有決

54、定性的影響。當基體與增強纖維的界面結(jié)合強度很高時，只有當外加應力達到纖維的有決定性的影響。當基體與增強纖維的界面結(jié)合強度很高時，只有當外加應力達到纖維的強度極限時才會發(fā)生纖維的斷裂，纖維的高強度得到充分發(fā)揮。而當其界面結(jié)合強度很低強度極限時才會發(fā)生纖維的斷裂，纖維的高強度得到充分發(fā)揮。而當其界面結(jié)合強度很低時，則會在外加應力遠低于纖維的強度極限條件下發(fā)生纖維的拔出，不能充分發(fā)揮增強纖時，則會在外加應力遠低于纖維的強度極限條件下發(fā)生纖維的拔出，不能充分發(fā)揮增強纖維的性能。維的性能。 基體材料與增強纖維的界面結(jié)合力包括化學作用力基體材料與增強纖維的界面結(jié)合力包括化學作用力(形成化學鍵形成化學鍵),

55、物理作用力物理作用力(原子之間原子之間的吸附力的吸附力)和因基體材料凝固收縮形成的包緊力和因基體材料凝固收縮形成的包緊力(摩擦力摩擦力)。 當基體與增強纖維之間存在化學作用力時必然伴隨著一定程度的化學反應。在此條件下當基體與增強纖維之間存在化學作用力時必然伴隨著一定程度的化學反應。在此條件下顯然應該嚴格控制化學反應的程度。當此過程的進行超過一定限度時可能導致增強纖維的顯然應該嚴格控制化學反應的程度。當此過程的進行超過一定限度時可能導致增強纖維的損傷。對于高溫下使用的構(gòu)件，應防止使用過程化學反應繼續(xù)，而導致的復合材料失效。損傷。對于高溫下使用的構(gòu)件，應防止使用過程化學反應繼續(xù)，而導致的復合材料失

56、效。n物理作用力物理作用力 物理作用力是最常見的一種結(jié)合方式，當基體與增強纖維之間的距離小到一定程度時就物理作用力是最常見的一種結(jié)合方式，當基體與增強纖維之間的距離小到一定程度時就會發(fā)生原子之間的物理吸附。純凈的界面是發(fā)生物理吸附的基礎。會發(fā)生原子之間的物理吸附。純凈的界面是發(fā)生物理吸附的基礎。 在液相法成形的復合材料中由于凝固過程基體材料的收縮對纖維產(chǎn)生一定的壓應力，造在液相法成形的復合材料中由于凝固過程基體材料的收縮對纖維產(chǎn)生一定的壓應力，造成基體與纖維之間的相對運動的摩擦阻力。成基體與纖維之間的相對運動的摩擦阻力。 假定基體與增強纖維的界面結(jié)合強度為假定基體與增強纖維的界面結(jié)合強度為 m

57、，纖維的強度極限為，纖維的強度極限為 p，則對于半徑為則對于半徑為r的圓的圓柱形纖維拉斷力柱形纖維拉斷力Fb為為 (8-2) 拔出力拔出力Fp為為 (8-3) 式中式中 l 纖維長度。纖維長度。 由由FbFp可以求出可以求出纖維拔出的臨界長度為纖維拔出的臨界長度為 (8-4) 當纖維嵌入深度大于當纖維嵌入深度大于lc時纖維將被拉斷，小于時纖維將被拉斷，小于lc時則被拔出時則被拔出。式。式(8-4)中任一參數(shù)的變化將中任一參數(shù)的變化將引起該臨界條件的變化。提高界面結(jié)合強度，可使引起該臨界條件的變化。提高界面結(jié)合強度，可使lc減小，這意味著纖維拔出的難度增減小，這意味著纖維拔出的難度增大，復合材料

58、的失效更傾向于以纖維斷裂的方式發(fā)生，從而使材料的力學性能提高。大，復合材料的失效更傾向于以纖維斷裂的方式發(fā)生，從而使材料的力學性能提高。pbrF2mprlF2mpcrl2n增強纖維與合金液的化學作用增強纖維與合金液的化學作用 在復合材料液相成形過程中，作為基體的合金液從浸入增強纖維預制體到完成凝固之前在復合材料液相成形過程中，作為基體的合金液從浸入增強纖維預制體到完成凝固之前的時間內(nèi)，與增強纖維共存。二者之間可能處于化學非平衡狀態(tài)，從而發(fā)生化學反應。的時間內(nèi)，與增強纖維共存。二者之間可能處于化學非平衡狀態(tài)，從而發(fā)生化學反應。 以以SiC纖維增強的纖維增強的Ti基復合材料為例，由于基復合材料為例

59、，由于Ti的高熔點和化學活性，的高熔點和化學活性，Ti合金液與合金液與SiC纖纖維的化學反應包含以下三個過程：維的化學反應包含以下三個過程： SiC的溶解：的溶解：SiC(固固)Si+C (8-a) 溶解的溶解的Si及及C與與Ti液反應形成液反應形成TiC及及Ti5Si3 Ti(液液)+CTiC(固固) (8-b) 5Ti(液液)+3SiTi5Si3(固固) (8-c) 在在Ti基復合材料常用浸滲溫度基復合材料常用浸滲溫度1300 C下，由于下，由于 TiC及及Ti5Si3比比SiC更加穩(wěn)定。因此，更加穩(wěn)定。因此，SiC將被溶解。將被溶解。 SiC在在Ti合金液中的溶解是一個放熱過程，溶解在纖

60、合金液中的溶解是一個放熱過程，溶解在纖維表面的某些缺陷部位發(fā)生后，釋放的溶解熱將使得纖維表面的局部被加熱，溫度的升高維表面的某些缺陷部位發(fā)生后，釋放的溶解熱將使得纖維表面的局部被加熱，溫度的升高又反過來加速了局部的溶解速率。因此又反過來加速了局部的溶解速率。因此SiC纖維在纖維在Ti合金液中是按照圖合金液中是按照圖8-4所示的扇面被溶所示的扇面被溶解的，并且隨時間的延長加速發(fā)展。此時，溶解熱在加速溶解過程中起著重要作用。解的，并且隨時間的延長加速發(fā)展。此時，溶解熱在加速溶解過程中起著重要作用。 控制合金液與纖維的接觸時間對于抑制控制合金液與纖維的接觸時間對于抑制SiC纖維的溶解是很重要的。同時