《復(fù)合材料制備技術(shù)》材料

1、第五章第五章 復(fù)合材料基體（復(fù)合材料基體（Matrix）材料材料 一、聚合物及其分類(lèi)一、聚合物及其分類(lèi) 聚合物包括：熱固性聚合物和熱塑性聚合物。 1、熱固性聚合物: 通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預(yù)聚體，經(jīng)加通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預(yù)聚體，經(jīng)加熱或加固化劑發(fā)生交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)并經(jīng)過(guò)凝膠化熱或加固化劑發(fā)生交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)并經(jīng)過(guò)凝膠化和固化階段后，形成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀高分子。 主要包括：環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹(shù)脂等。主要包括：環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹(shù)脂等。 各種熱固性樹(shù)脂的固化反應(yīng)機(jī)理不同，根據(jù)使各種熱固性樹(shù)脂的固化反應(yīng)機(jī)理不同，根據(jù)使 用要求的差異，采用的固化條件也有很大的差異。用要求的差

2、異，采用的固化條件也有很大的差異。 一般的固化條件有室溫固化、中溫固化（一般的固化條件有室溫固化、中溫固化（120120 C C左右）左右） 和高溫固化（和高溫固化（170170 C C以上）。這類(lèi)高分子通常為無(wú)定以上）。這類(lèi)高分子通常為無(wú)定 型結(jié)構(gòu)。具有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性型結(jié)構(gòu)。具有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性 能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 2 2、熱塑性聚合物、熱塑性聚合物: : 它們是一類(lèi)線形或有支鏈的固態(tài)高分子它們是一類(lèi)線形或有支鏈的固態(tài)高分子， 可溶可熔，可溶可熔，可反復(fù)加工而無(wú)化學(xué)變化?？煞磸?fù)加工而無(wú)化學(xué)變化。 包括各種通用塑料（聚丙烯、聚氯乙

3、烯等）包括各種通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等） 、工程塑料（尼龍、聚碳酸酯等）和特種耐高溫、工程塑料（尼龍、聚碳酸酯等）和特種耐高溫 聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。 這類(lèi)高分子分非晶（或無(wú)定形）和結(jié)晶兩類(lèi)。這類(lèi)高分子分非晶（或無(wú)定形）和結(jié)晶兩類(lèi)。 通常結(jié)晶度在通常結(jié)晶度在20-85% 20-85% 之間。具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、之間。具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、 電絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨潤(rùn)滑性好，生產(chǎn)效率高電絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨潤(rùn)滑性好，生產(chǎn)效率高 等優(yōu)點(diǎn)。與熱固性聚合物相比，具有明顯的力學(xué)松等優(yōu)點(diǎn)。與熱固性聚合物相比，具有明顯的力學(xué)松 弛現(xiàn)象；在外力作用下形

4、變大；具有相當(dāng)大的斷裂弛現(xiàn)象；在外力作用下形變大；具有相當(dāng)大的斷裂 延伸率；抗沖擊性能較好。延伸率；抗沖擊性能較好。 熱塑性聚合物狀態(tài)與溫度的關(guān)系熱塑性聚合物狀態(tài)與溫度的關(guān)系 1 1 非晶態(tài)聚合物的溫度非晶態(tài)聚合物的溫度- - 形變曲線形變曲線 2 2 結(jié)晶態(tài)聚合物的溫度結(jié)晶態(tài)聚合物的溫度- - 形變曲線形變曲線3、常用、常用熱固性樹(shù)脂：熱固性樹(shù)脂： （1)1)環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 ( (EP):EP): 一種分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上活性環(huán)氧一種分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上活性環(huán)氧基團(tuán)基團(tuán) ( (C CC C) ) 的低聚物的低聚物 。 O O 按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類(lèi)如下：按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類(lèi)如下： 縮水甘油醚縮水

5、甘油醚 EPEP 縮水甘油類(lèi)縮水甘油類(lèi) 縮水甘油胺縮水甘油胺 EPEP 縮水甘油酯縮水甘油酯 EPEP 脂環(huán)族脂環(huán)族EP EP 脂肪族脂肪族EPEP 環(huán)氧樹(shù)脂是線型結(jié)構(gòu)，必須加入固化劑使它變?yōu)榄h(huán)氧樹(shù)脂是線型結(jié)構(gòu)，必須加入固化劑使它變?yōu)椴蝗懿蝗鄣木W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才有用途。不溶不熔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才有用途。常用的固化劑包括脂常用的固化劑包括脂肪族或芳香族胺類(lèi)，有機(jī)多元酸或酸酐等。肪族或芳香族胺類(lèi)，有機(jī)多元酸或酸酐等。 按固化工藝可分為三大類(lèi)：按固化工藝可分為三大類(lèi)： 1 1）含有活潑氫的化合物，它仍在固化時(shí)發(fā)生加成）含有活潑氫的化合物，它仍在固化時(shí)發(fā)生加成聚合反應(yīng)；聚合反應(yīng)； 2 2）離子型引發(fā)劑，它可分陰離子

6、和陽(yáng)離子；）離子型引發(fā)劑，它可分陰離子和陽(yáng)離子； 3 3）交聯(lián)劑，它能與雙酚）交聯(lián)劑，它能與雙酚A A型環(huán)氧樹(shù)脂的氫氧基進(jìn)行型環(huán)氧樹(shù)脂的氫氧基進(jìn)行交聯(lián)。交聯(lián)。 （2) 2) 雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMIBMI） 雙馬樹(shù)脂是馬來(lái)酸酐與芬香族二胺反應(yīng)生成雙馬樹(shù)脂是馬來(lái)酸酐與芬香族二胺反應(yīng)生成 預(yù)聚體，再高溫交聯(lián)而成的一類(lèi)熱固性樹(shù)脂。預(yù)聚體，再高溫交聯(lián)而成的一類(lèi)熱固性樹(shù)脂。 交聯(lián)后的雙馬樹(shù)脂具有不熔、不溶的特點(diǎn)，交聯(lián)后的雙馬樹(shù)脂具有不熔、不溶的特點(diǎn)， 有高的交聯(lián)度，固化后的密度在有高的交聯(lián)度，固化后的密度在1.351.35 1.4 1.4 g/cmg/cm3 3 之間，玻璃化溫度（之間

7、，玻璃化溫度（TgTg）在在 250 250 300 300 C C 之之 間，使用溫度為間，使用溫度為150 150 200 200 C C。 熱固性樹(shù)脂的力學(xué)性能表熱固性樹(shù)脂的力學(xué)性能表 2 2、 熱塑性樹(shù)脂：熱塑性樹(shù)脂： 1 1）聚醚醚酮（）聚醚醚酮（PEEKPEEK） PEEK PEEK是一種半結(jié)晶型熱塑性樹(shù)脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變是一種半結(jié)晶型熱塑性樹(shù)脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度為溫度為143143 C C ，熔點(diǎn)為熔點(diǎn)為334334 C C，結(jié)晶度一般在結(jié)晶度一般在20-40%20-40%， 最大結(jié)晶度為最大結(jié)晶度為48 % 48 % 。 PEEKPEEK在空氣中的熱分解溫度為在空氣中的熱分解溫

8、度為650650 C C，加工溫度在加工溫度在 370 370 420420 C C，室溫彈性模量與環(huán)氧樹(shù)脂相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于室溫彈性模量與環(huán)氧樹(shù)脂相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于 環(huán)氧，斷裂韌性極高，具有優(yōu)秀的阻燃性。環(huán)氧，斷裂韌性極高，具有優(yōu)秀的阻燃性。 PEEKPEEK基復(fù)合材料可在基復(fù)合材料可在250 250 C C的溫度下長(zhǎng)期使用。的溫度下長(zhǎng)期使用。 2 2）聚苯硫醚（）聚苯硫醚（PPSPPS） 結(jié)晶型聚合物，耐化學(xué)腐蝕性極好，在室溫不溶結(jié)晶型聚合物，耐化學(xué)腐蝕性極好，在室溫不溶 任何溶劑，可長(zhǎng)期耐熱至任何溶劑，可長(zhǎng)期耐熱至 240 240 C C。 3 3）聚醚砜（聚醚砜（PESPES） 非晶聚合物，玻

9、璃化轉(zhuǎn)變溫度為非晶聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為225225 C C，可在可在180180 C C 下長(zhǎng)期使用；有突出的耐蠕變性、尺寸穩(wěn)定性；熱膨脹下長(zhǎng)期使用；有突出的耐蠕變性、尺寸穩(wěn)定性；熱膨脹 系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，無(wú)毒，不燃。系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，無(wú)毒，不燃。 4 4）熱塑性聚酰亞胺）熱塑性聚酰亞胺 聚醚酰胺（聚醚酰胺（PEIPEI）：）：長(zhǎng)期使用溫度為長(zhǎng)期使用溫度為 180 180 C C 。 聚酰胺酰亞胺（聚酰胺酰亞胺（PAIPAI）：）：TgTg 達(dá)達(dá)280 280 C C，長(zhǎng)期使用長(zhǎng)期使用 溫度為溫度為 240 240 C C 。 高聚物特征溫度：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高聚物特征溫度：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg

10、Tg， 熔點(diǎn)熔點(diǎn)TmTm和粘流溫度和粘流溫度T Tf f 在在TgTg以下：為硬而脆或硬而韌的固體（玻璃態(tài)）；以下：為硬而脆或硬而韌的固體（玻璃態(tài)）； 在在TgTg附近：非晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而有彈性的橡膠態(tài)；附近：非晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而有彈性的橡膠態(tài)； 半晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而韌的皮革態(tài)；半晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而韌的皮革態(tài)； 熱塑高聚物熱塑高聚物TgTg 基本固定；熱固高聚物基本固定；熱固高聚物TgTg 隨其隨其 交聯(lián)度的增加而增加交聯(lián)度的增加而增加, , 當(dāng)交聯(lián)度很高時(shí)，達(dá)到當(dāng)交聯(lián)度很高時(shí)，達(dá)到TgTg后后 無(wú)明顯的軟化現(xiàn)象。無(wú)明顯的軟化現(xiàn)象。 TmTm（結(jié)晶）、結(jié)晶）、T Tf f（非晶）：成為高粘度

11、的流體。非晶）：成為高粘度的流體。溫度及加載速度對(duì)高聚物力學(xué)性能的影響溫度及加載速度對(duì)高聚物力學(xué)性能的影響 二、金屬二、金屬 1 1、用于、用于450 450 C C以下的輕金屬基體（鋁、鎂及其合金）以下的輕金屬基體（鋁、鎂及其合金） 1-1 鋁及其合金鋁及其合金: : 面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。熔點(diǎn)為面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。熔點(diǎn)為660660 C C， 密度密度2.2.7 7g/cmg/cm3 3。塑性?xún)?yōu)異，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好；化學(xué)塑性?xún)?yōu)異，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好；化學(xué) 活性高，強(qiáng)度不高。鋁合金中常用的合金元素有銅、活性高，強(qiáng)度不高。鋁合金中常用的合金元素有銅、 鎂、鋅、錳和硅等。鎂、鋅、

12、錳和硅等。 可分變形鋁合金和鑄造鋁合金可分變形鋁合金和鑄造鋁合金 (Z L)。變形鋁合金可分為變形鋁合金可分為: 防銹鋁防銹鋁(LF)、硬鋁（硬鋁（LY） 、超硬鋁超硬鋁(LC)、鍛鋁（鍛鋁（LD）。）。 固溶處理：是指通過(guò)加熱使合金中第二相完全固溶處理：是指通過(guò)加熱使合金中第二相完全 溶入溶入 相中，并通過(guò)擴(kuò)散均勻化，以相中，并通過(guò)擴(kuò)散均勻化，以 固溶強(qiáng)化方式強(qiáng)化合金。固溶強(qiáng)化方式強(qiáng)化合金。 淬火：是指固溶處理后用水或其它介質(zhì)將合金淬火：是指固溶處理后用水或其它介質(zhì)將合金 急冷至室溫，獲得最大飽和度的均勻固急冷至室溫，獲得最大飽和度的均勻固 溶體。溶體。 時(shí)效處理：指通過(guò)過(guò)飽和度固溶體的分解

13、時(shí)效處理：指通過(guò)過(guò)飽和度固溶體的分解,析出析出 介穩(wěn)定的第二相介穩(wěn)定的第二相(過(guò)渡過(guò)渡 相相) )并彌散分并彌散分 布。通過(guò)時(shí)效鋁合金的強(qiáng)度和硬度布。通過(guò)時(shí)效鋁合金的強(qiáng)度和硬度 明顯提高。明顯提高。鋁合金的相圖鋁合金的相圖 1-2 1-2 鎂及其合金鎂及其合金: : 鎂具有密排六方結(jié)構(gòu)，密度為鎂具有密排六方結(jié)構(gòu)，密度為 1. 74 1. 74g / cmg / cm3 3。 鎂的強(qiáng)度和模量都很低，但比強(qiáng)度、比模量較高。鎂的強(qiáng)度和模量都很低，但比強(qiáng)度、比模量較高。 其室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好，可進(jìn)其室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好，可進(jìn)行各行各 種形式的熱變形加工。種形式的熱變形加工。

14、鎂的合金化也是利用固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化來(lái)提鎂的合金化也是利用固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化來(lái)提 高合金的常溫和高溫性能。其合金化元素有鋁、鋅高合金的常溫和高溫性能。其合金化元素有鋁、鋅 、鋯、錳和稀土等。鎂合金主要有、鋯、錳和稀土等。鎂合金主要有Mg-AL-ZnMg-AL-Zn系和系和 Mg-Zn-Mg-Zn-ZrZr系，分變形鎂合金和鑄造鎂合金。系，分變形鎂合金和鑄造鎂合金。 鎂鎂- -鋁合金相圖鋁合金相圖 鎂鎂- -鋅合金相圖鋅合金相圖 2 2、用于、用于450450 700 700 C C復(fù)合材料的金屬基體復(fù)合材料的金屬基體 （鈦及其合金）（鈦及其合金） 鈦的密度為鈦的密度為4.514.51g/cmg

15、/cm3 3 ，熔點(diǎn)熔點(diǎn)16781678 C C，熱膨脹熱膨脹 系數(shù)系數(shù)7.357.35 1010-6-6/ /K K，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性差，耐腐蝕性良導(dǎo)電和導(dǎo)熱性差，耐腐蝕性良 好。好。 鈦有兩種同素異構(gòu)結(jié)構(gòu)。鈦有兩種同素異構(gòu)結(jié)構(gòu)。882.5882.5 C C 以下為密以下為密 排六方結(jié)構(gòu)（排六方結(jié)構(gòu)（ - -TiTi）；）；882.5 882.5 C C 以上至熔點(diǎn)為體以上至熔點(diǎn)為體 心立方結(jié)構(gòu)（心立方結(jié)構(gòu)（ - -TiTi）。）。鈦合金復(fù)合材料中常用鈦及鈦合金成分及性能鈦合金復(fù)合材料中常用鈦及鈦合金成分及性能 3 3、用于、用于1000 1000 C C高溫復(fù)合材料的金屬基體高溫復(fù)合材料的金屬

16、基體3-1 3-1 高溫合金高溫合金 高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總 稱(chēng)，在高溫下具有很的持稱(chēng)，在高溫下具有很的持久、蠕變和疲勞強(qiáng)度。久、蠕變和疲勞強(qiáng)度。 為了獲得高強(qiáng)度與高蠕變抗力，合金元素必為了獲得高強(qiáng)度與高蠕變抗力，合金元素必 須保證產(chǎn)須保證產(chǎn)生在高溫下強(qiáng)而穩(wěn)定的顯微組織。生在高溫下強(qiáng)而穩(wěn)定的顯微組織。 強(qiáng)化方式：強(qiáng)化方式：固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和析出硬化。固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和析出硬化。 例如：奧氏體基體和彌散分布于其中的強(qiáng)化相例如：奧氏體基體和彌散分布于其中的強(qiáng)化相 形成高溫合金。形成高溫合金。 其中：強(qiáng)化相可以是碳化物相、金屬間化合物其中：強(qiáng)

17、化相可以是碳化物相、金屬間化合物 相或穩(wěn)定化合物質(zhì)點(diǎn)。相或穩(wěn)定化合物質(zhì)點(diǎn)。 鐵基高溫合金：可做中溫使用的另部件，鐵基高溫合金：可做中溫使用的另部件， 如如700700 C C以下使用的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)，作為以下使用的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)，作為 高溫板材的固溶強(qiáng)化型鐵基高溫合金的高溫板材的固溶強(qiáng)化型鐵基高溫合金的 使用溫度在使用溫度在 900 900 C C 以下。以下。高溫合金基體的力學(xué)性能高溫合金基體的力學(xué)性能 鎳基合金：用來(lái)制造使用溫度更高的、受力鎳基合金：用來(lái)制造使用溫度更高的、受力 苛刻的熱端部件，如渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、苛刻的熱端部件，如渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、 燃燒室等。燃燒室等。 鈷基高溫合金廣泛

18、用作導(dǎo)向葉片，具有良好的鈷基高溫合金廣泛用作導(dǎo)向葉片，具有良好的 抗熱腐蝕性和抗冷熱疲勞性能?？篃岣g性和抗冷熱疲勞性能。 3 - 2 金屬間化合物金屬間化合物 ( Intermetallic Compound ) 概念：金屬與金屬或金屬與類(lèi)金屬之間形成的概念：金屬與金屬或金屬與類(lèi)金屬之間形成的中間相化合物。中間相化合物。 決定金屬間化合決定金屬間化合物相結(jié)構(gòu)的主要因素有電負(fù)性、物相結(jié)構(gòu)的主要因素有電負(fù)性、 尺寸因素和電子濃度等。尺寸因素和電子濃度等。 金屬間化合物可分結(jié)構(gòu)金屬間化合物和功能金金屬間化合物可分結(jié)構(gòu)金屬間化合物和功能金 屬間化合物兩大類(lèi)。屬間化合物兩大類(lèi)。 常見(jiàn)常見(jiàn) ABAB、A

19、 A2 2B B、A A3 3B B、A A5 5B B3 3、A A7 7B B6 6型等化合物；型等化合物； 根據(jù)組成元素，可分為鋁化物、硅化物和鈹化物。根據(jù)組成元素，可分為鋁化物、硅化物和鈹化物。 金屬間化合物晶體結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但從原子金屬間化合物晶體結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但從原子 結(jié)合上仍具有金屬特性。然而其電子云分布并非結(jié)合上仍具有金屬特性。然而其電子云分布并非 完全均勻，存在一定方向性，具有某種程度的共完全均勻，存在一定方向性，具有某種程度的共 價(jià)鍵特征，導(dǎo)致熔點(diǎn)升高及原子間鍵出現(xiàn)方向性?xún)r(jià)鍵特征，導(dǎo)致熔點(diǎn)升高及原子間鍵出現(xiàn)方向性 。金屬間化合物往往具有一定的固溶度，偏離當(dāng)。金屬間化合物往往

20、具有一定的固溶度，偏離當(dāng) 量量成分，有序度降低，缺陷增加。成分，有序度降低，缺陷增加。 例如：例如：Ti-AlTi-Al系金屬間化合物具有低密度、系金屬間化合物具有低密度、 高強(qiáng)度、高剛度、以及良好的高溫、抗蠕變和高強(qiáng)度、高剛度、以及良好的高溫、抗蠕變和 抗氧化性能?？寡趸阅?。 Ti-Al Ti-Al系金屬間化合物一般分系金屬間化合物一般分 2 2- -TiTi3 3AlAl和和 - - TiAlTiAl兩類(lèi)。兩類(lèi)。 三、陶瓷三、陶瓷 陶瓷是金屬與與非金屬的固體化合物，陶瓷是金屬與與非金屬的固體化合物， 以離子鍵（如以離子鍵（如MgOMgO、AlAl2 2O O3 3）、）、共價(jià)鍵（金剛共價(jià)

21、鍵（金剛 石、石、SiSi3 3N N4 4、BNBN）以及離子鍵和共價(jià)鍵的混合以及離子鍵和共價(jià)鍵的混合 鍵結(jié)合在一起。鍵結(jié)合在一起。 陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)通常由晶相、玻璃陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)通常由晶相、玻璃 相和氣相（孔）等不同的相組成。相和氣相（孔）等不同的相組成。 優(yōu)點(diǎn)：陶瓷材料具有熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)：陶瓷材料具有熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定 性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化和腐蝕、比重小性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化和腐蝕、比重小 強(qiáng)度和模量高等優(yōu)點(diǎn)，可在各種苛刻的環(huán)境下工強(qiáng)度和模量高等優(yōu)點(diǎn)，可在各種苛刻的環(huán)境下工 作；另一方面，陶瓷材料在磁、電、光、熱等方作；另一方面，陶瓷材料在磁、電、

22、光、熱等方 面的性能和用途具有多樣性和可變性，是非常重面的性能和用途具有多樣性和可變性，是非常重 要的功能材料。要的功能材料。 陶瓷材料的致命弱點(diǎn)：是脆性大、韌性差，常因陶瓷材料的致命弱點(diǎn)：是脆性大、韌性差，常因 存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等缺陷而引起不可預(yù)測(cè)的缺陷而引起不可預(yù)測(cè)的 災(zāi)難性后果。災(zāi)難性后果。 陶瓷基復(fù)合材料是改變其脆性、提高韌陶瓷基復(fù)合材料是改變其脆性、提高韌 性的有效途徑。用于復(fù)合材料陶瓷基體主要性的有效途徑。用于復(fù)合材料陶瓷基體主要 有氧化物（有氧化物（AlAl2 2O O3 3等）、氮化物（等）、氮化物（SiSi3 3N N4 4等）和等）和 碳化物（碳化

23、物（SiCSiC等）。等）。 1、氧化物陶瓷氧化物陶瓷 氧化物陶瓷主要有氧化物陶瓷主要有AlAl2 2O O3 3、MgOMgO、SiOSiO2 2、ZrOZrO2 2和和 莫來(lái)石（莫來(lái)石（3 3AlAl2 2O O3 32SiO2SiO2 2）陶瓷等。陶瓷等。 其熔點(diǎn)在其熔點(diǎn)在17001700 C C以上，主要為單相多晶結(jié)構(gòu)，以上，主要為單相多晶結(jié)構(gòu)， 還可能有少量氣相（氣孔）。微晶氧化物的強(qiáng)度還可能有少量氣相（氣孔）。微晶氧化物的強(qiáng)度 較高；粗晶結(jié)構(gòu)時(shí)，晶界殘余應(yīng)力較大，對(duì)強(qiáng)度較高；粗晶結(jié)構(gòu)時(shí)，晶界殘余應(yīng)力較大，對(duì)強(qiáng)度 不利。氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高而降低。不利。氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨環(huán)

24、境溫度升高而降低。 這類(lèi)材料應(yīng)避免在高應(yīng)力和高溫環(huán)境下使用。這這類(lèi)材料應(yīng)避免在高應(yīng)力和高溫環(huán)境下使用。這 是因?yàn)槭且驗(yàn)锳lAl2 2O O3 3和和ZrOZrO2 2的抗熱震性差；的抗熱震性差；SiOSiO2 2在高溫下在高溫下 容易發(fā)生蠕變和相變等。容易發(fā)生蠕變和相變等。 2、非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特點(diǎn)：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆特點(diǎn)：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆 性也很強(qiáng)。碳化物、硼化物的抗熱氧性也很強(qiáng)。碳化物、硼化物的抗熱氧 化溫度約化溫度約900-1000 C，氮化物略低些氮化物略低些 ，硅化物的

25、表面能形成氧化硅膜，所，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所 以抗熱氧化溫度可達(dá)以抗熱氧化溫度可達(dá)1300-1700 C。 氮化硅（氮化硅（SiSi3 3N N4 4）屬六方晶系，有屬六方晶系，有 、 兩種兩種 晶相。其強(qiáng)度和硬度高、抗熱震和抗高溫蠕變晶相。其強(qiáng)度和硬度高、抗熱震和抗高溫蠕變 性好、摩擦系數(shù)小，具有良好的耐（酸、堿和性好、摩擦系數(shù)小，具有良好的耐（酸、堿和 有色金屬）腐蝕（侵蝕）性?？寡趸瘻囟瓤蛇_(dá)有色金屬）腐蝕（侵蝕）性?？寡趸瘻囟瓤蛇_(dá) 1000 1000 C C，電絕緣性好。電絕緣性好。 - -SiCSiC屬六方晶系，屬六方晶系， - - SiCSiC屬等軸晶系。屬等軸晶系。 高溫

26、強(qiáng)度高，具有很高的熱傳導(dǎo)能力以及較高溫強(qiáng)度高，具有很高的熱傳導(dǎo)能力以及較 好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性。好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性。 氮化硼具有兩種結(jié)構(gòu)：氮化硼具有兩種結(jié)構(gòu)：A、類(lèi)似石墨的六方結(jié)構(gòu)，可作為高溫自潤(rùn)滑材料類(lèi)似石墨的六方結(jié)構(gòu)，可作為高溫自潤(rùn)滑材料 在高溫（在高溫（1360 C）和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方 結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的 -氮化硼。氮化硼。B、 -氮化硼立方結(jié)構(gòu)，耐熱溫度高達(dá)氮化硼立方結(jié)構(gòu)，耐熱溫度高達(dá)2000 C， 硬度極高，可作為金剛石的代用品。硬度極高，可作為金剛石的代用品。 4、 玻璃陶瓷（微晶玻璃）玻璃陶瓷（微晶玻璃） 許多無(wú)機(jī)

27、玻璃可通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊溆煞窃S多無(wú)機(jī)玻璃可通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊溆煞?晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這一過(guò)程稱(chēng)為反玻璃化。對(duì)于晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這一過(guò)程稱(chēng)為反玻璃化。對(duì)于 某些玻璃反玻璃化過(guò)程可以控制，最后能夠形成某些玻璃反玻璃化過(guò)程可以控制，最后能夠形成 無(wú)殘余應(yīng)力的微晶玻璃。這種材料成為玻璃陶瓷。無(wú)殘余應(yīng)力的微晶玻璃。這種材料成為玻璃陶瓷。 密度為密度為2.0-2.82.0-2.8g/cmg/cm3 3, , 彎曲強(qiáng)度為彎曲強(qiáng)度為70-35070-350MPaMPa, , 彈性模量為彈性模量為80-14080-140GPaGPa。 玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)性能好玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)性能好

28、和導(dǎo)熱系數(shù)較大等特點(diǎn)。和導(dǎo)熱系數(shù)較大等特點(diǎn)。 如：鋰鋁硅（如：鋰鋁硅（LiLi2 2O-AlO-Al2 20 03 3-SiO-SiO2 2，LASLAS）玻璃玻璃 陶瓷的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，耐熱好。陶瓷的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，耐熱好。 鎂鋁硅（鎂鋁硅（MgO-AlMgO-Al2 20 03 3-SiO-SiO2 2，MASMAS）玻璃陶瓷玻璃陶瓷 的硬度高，耐磨性好。的硬度高，耐磨性好。四、碳（石墨）四、碳（石墨） 熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：35503550 C C（超過(guò)超過(guò)35003500 C C開(kāi)始升華）；開(kāi)始升華）； 沸點(diǎn)：沸點(diǎn)：42004200 C C。 同素異形體：金剛石、石墨、無(wú)定形碳。同素異形

29、體：金剛石、石墨、無(wú)定形碳。 比重：無(wú)定形碳為比重：無(wú)定形碳為 1.88 1.88、石墨為、石墨為2.25 2.25 、 金剛石為金剛石為3.513.51。 第六章第六章 復(fù)合材料增強(qiáng)劑復(fù)合材料增強(qiáng)劑 (Reinforcement) 纖維及其織物、晶須、顆粒纖維及其織物、晶須、顆粒 一、復(fù)合材料增強(qiáng)劑的特點(diǎn)（圖一、復(fù)合材料增強(qiáng)劑的特點(diǎn)（圖71） 1、具有很低的比重；、具有很低的比重； 2、組成這些化合物的元素都處、組成這些化合物的元素都處 在元素周期表中的第二、第三周期；在元素周期表中的第二、第三周期； 3、它們大多數(shù)都是以結(jié)合力很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合；、它們大多數(shù)都是以結(jié)合力很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合； 4

30、、具有很高的比強(qiáng)度、比剛度和高溫穩(wěn)定性。、具有很高的比強(qiáng)度、比剛度和高溫穩(wěn)定性。不同復(fù)合材料增強(qiáng)劑的強(qiáng)度和模量不同復(fù)合材料增強(qiáng)劑的強(qiáng)度和模量 二、纖維二、纖維 1 1、無(wú)機(jī)纖維、無(wú)機(jī)纖維 1-1 1-1、玻璃纖維（、玻璃纖維（Glass FiberGlass Fiber） 玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)熔融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟，可紡熔融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟，可紡織成各種玻璃布、帶等。伸長(zhǎng)率和熱膨脹系數(shù)織成各種玻璃布、帶等。伸長(zhǎng)率和熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價(jià)格便宜，品小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價(jià)格便宜，品種多。缺點(diǎn)是不

31、耐磨、易折斷，易受機(jī)械損傷。種多。缺點(diǎn)是不耐磨、易折斷，易受機(jī)械損傷。性能性能 纖維類(lèi)纖維類(lèi)別別有有堿堿A化化學(xué)學(xué)C低低介電介電D無(wú)無(wú)堿堿E高高強(qiáng)度強(qiáng)度S粗粗纖維纖維R高高模量模量M拉伸強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度，GPaGPa3.13.13.13.12.52.53.3.4 44.584.584.44.43.53.5彈性模量，彈性模量，GPaGPa737374745555717185858686110110延伸率，延伸率，% %3.63.63.373.374.64.65.25.2密度，密度，g/cmg/cm3 32.42.46 62.42.46 62.142.142.2.5 52.52.52.552.552

32、.892.89 玻玻 璃璃 纖纖 維維 品品 種種 性性 能能 一一 覽覽 表表 1-21-2、碳纖維、碳纖維 碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量纖維狀聚合物碳。含碳量95%95%左右的稱(chēng)為碳纖維；左右的稱(chēng)為碳纖維；含碳量含碳量99%99%左右的稱(chēng)為石墨纖維。碳纖維比重小，左右的稱(chēng)為石墨纖維。碳纖維比重小，比強(qiáng)度、比模量大見(jiàn)下表，耐熱性和耐腐蝕性比強(qiáng)度、比模量大見(jiàn)下表，耐熱性和耐腐蝕性好，成本低，批生產(chǎn)量大，是一類(lèi)極為重要的高好，成本低，批生產(chǎn)量大，是一類(lèi)極為重要的高性能增強(qiáng)劑。性能增強(qiáng)劑。 制備碳纖維的主要原材料有人造絲（粘膠纖

33、維）制備碳纖維的主要原材料有人造絲（粘膠纖維） 聚丙烯腈（聚丙烯腈（PANPAN）纖維和瀝青（纖維和瀝青（Pitch）等。等。 經(jīng)過(guò)分為五個(gè)階段：經(jīng)過(guò)分為五個(gè)階段： 1 1）拉絲：濕法、干法或熔融紡絲法。）拉絲：濕法、干法或熔融紡絲法。 2 2）牽伸：通常在）牽伸：通常在100 100 300 300 C C范圍內(nèi)進(jìn)行，范圍內(nèi)進(jìn)行， 控制著最終纖維的模量。控制著最終纖維的模量。 3 3）穩(wěn)定：在）穩(wěn)定：在400400 C C加熱氧化。顯著地降低熱加熱氧化。顯著地降低熱 失重，保證高度石墨和取得更好的性能。失重，保證高度石墨和取得更好的性能。 4 4）碳化：在）碳化：在10001000 2000

34、 2000 C C 范圍內(nèi)進(jìn)行。范圍內(nèi)進(jìn)行。 5 5）石墨化：在）石墨化：在2000 2000 3000 3000 C C范圍內(nèi)進(jìn)行。范圍內(nèi)進(jìn)行。碳纖維制備工藝流程碳纖維制備工藝流程 PAN PAN基碳纖維制備工藝流程基碳纖維制備工藝流程：PANPAN原絲原絲空氣中預(yù)氧化，空氣中預(yù)氧化，施張力使纖維施張力使纖維伸長(zhǎng)約伸長(zhǎng)約10% 10% 。(200(200 300300 C)C) 11501150 惰氣中碳化惰氣中碳化1 1h h，施張力約施張力約0.50.5N/N/束。束。 碳纖維碳纖維( (低模高強(qiáng)低模高強(qiáng)) )21002100 C C石墨化惰氣石墨化惰氣中中1 1分鐘，施張力約分鐘，施張

35、力約1 1 2 2N/ N/ 束。束。 石墨纖維石墨纖維( (高模高強(qiáng)高模高強(qiáng)) ) 碳化過(guò)程：碳化過(guò)程： 有機(jī)化合物在惰性氣氛中加熱到有機(jī)化合物在惰性氣氛中加熱到1000- 1000- 15001500 C C時(shí)，非碳原子（氮、氫、氧等）將逐時(shí)，非碳原子（氮、氫、氧等）將逐步被驅(qū)除，碳含量逐步增加，固相間發(fā)生一步被驅(qū)除，碳含量逐步增加，固相間發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，此階段稱(chēng)為脫碳過(guò)程，形成由小的亂層石墨此階段稱(chēng)為脫碳過(guò)程，形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。晶體組成的碳纖維。 石墨化過(guò)程：石墨化過(guò)程： 當(dāng)溫度升到當(dāng)溫度升到2000 2

36、000 30003000 C C時(shí)，非碳時(shí)，非碳 原子進(jìn)一步排除，反應(yīng)形成的芳環(huán)平面原子進(jìn)一步排除，反應(yīng)形成的芳環(huán)平面 逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著 提高，由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序提高，由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，此階段稱(chēng)為石墨化過(guò)程。形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，此階段稱(chēng)為石墨化過(guò)程。形 成的石墨纖維彈性模量大大提高。成的石墨纖維彈性模量大大提高。碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系不同品種碳纖維的力學(xué)性能不同品種碳纖維的力學(xué)性能 2 2、陶瓷纖維、陶瓷纖維 2-12-1、硼纖維（、硼纖維（Boron FiberB

37、oron Fiber） 制備工藝：化學(xué)氣相沉積（制備工藝：化學(xué)氣相沉積（CVDCVD）。）。 2BCl 2BCl 3 3 + 3H+ 3H 2 2 2B 2B + 6HCl + 6HCl 中心是碳纖維或鎢纖維中心是碳纖維或鎢纖維典型性能：典型性能： 直徑：直徑：100100 140140 m m；抗張強(qiáng)度：抗張強(qiáng)度：35003500MPaMPa 彈性模量：彈性模量：390390GPaGPa；密度：密度：2.682.68g/cmg/cm3 3 狀態(tài)：連續(xù)單絲。狀態(tài)：連續(xù)單絲。 硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在400400 C C時(shí)可保時(shí)可保持室溫強(qiáng)度的持室溫強(qiáng)度的80

38、% 80% ；在高于；在高于500500 C C的氧化氣氛中幾分的氧化氣氛中幾分鐘其強(qiáng)度就迅速下降；在鐘其強(qiáng)度就迅速下降；在650650 C C時(shí)將失去所有的性能。時(shí)將失去所有的性能。同時(shí)其成本也較高，成本下降的潛力也不大。同時(shí)其成本也較高，成本下降的潛力也不大。 室溫下硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有室溫下硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就可與樹(shù)脂復(fù)合，其復(fù)合材料活性，不需要處理就可與樹(shù)脂復(fù)合，其復(fù)合材料具有較高的層間剪切強(qiáng)度。對(duì)于含氮化合物親和具有較高的層間剪切強(qiáng)度。對(duì)于含氮化合物親和力大于含氧化合物。但在高溫下易與大多數(shù)金屬力大于含氧化合物。但在高溫下易與大多數(shù)金屬反應(yīng)，

39、需要在纖維表面沉積保護(hù)涂層，如反應(yīng)，需要在纖維表面沉積保護(hù)涂層，如SiCSiC和和B B4 4C C等。等。 硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復(fù)合材料。硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復(fù)合材料。2-22-2、氧化鋁纖維、氧化鋁纖維 ( (Alumina Fiber )Alumina Fiber ) 氧化鋁纖維是多晶纖維，具有很好的機(jī)械性能以氧化鋁纖維是多晶纖維，具有很好的機(jī)械性能以 及耐熱性和抗氧化性。制備氧化鋁纖維的方法較多，及耐熱性和抗氧化性。制備氧化鋁纖維的方法較多， 有有 - -、 - -、 - -AlAl2 2O O3 3 連續(xù)纖維和連續(xù)纖維和 - -AlAl2 2O O3 3 短纖維。短纖

40、維。 - -AlAl2 2O O3 3 與樹(shù)脂及熔融金屬的相容性好，與樹(shù)脂及熔融金屬的相容性好， 氧化鋁纖氧化鋁纖 維主要用于金屬基復(fù)合材料。缺點(diǎn)是密度較大。維主要用于金屬基復(fù)合材料。缺點(diǎn)是密度較大。纖纖 維維比比 重重(g/cm3)直直 徑徑( m)拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa)拉伸模拉伸模量量(GPa)最高使用最高使用溫度（溫度（ C）熔熔 點(diǎn)點(diǎn)（ C）Tyco法法3. 99250240046020002040三三M法法2.511175015013002040ICI法法3.43100010016002040Du Pont法法3.920140030011002040住友化學(xué)法住友化學(xué)法3.292

41、60025013002040各各 種種 氧氧 化化 鋁鋁 纖纖 維維 的的 性性 能能2-32-3、碳化硅纖維、碳化硅纖維 碳化硅纖維具有很高的比強(qiáng)度、比剛度，耐腐碳化硅纖維具有很高的比強(qiáng)度、比剛度，耐腐 蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn) 同時(shí)還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能同時(shí)還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能 可保持到可保持到12001200 C C。其成本下降的潛力很大。適合于。其成本下降的潛力很大。適合于 制備樹(shù)脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。制備樹(shù)脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。 碳化硅纖維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和碳化硅纖維

42、的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和 CVD CVD法兩種。法兩種。 1 1）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法 1975 1975 年由日本矢島教授首先研制成功。有年由日本矢島教授首先研制成功。有 NicalonNicalon（尼卡?。┠峥。?和和TyrannoTyranno（奇拉?。﹥煞N商品。奇拉?。﹥煞N商品。 纖維呈束狀，每束纖維呈束狀，每束500500根左右，每根纖維根左右，每根纖維1010 m m左右。左右。 聚碳硅烷聚碳硅烷紡絲紡絲聚碳硅烷纖維聚碳硅烷纖維N2下下高溫處理高溫處理NicalonNicalon（尼卡?。┠峥。?2 2）CVDCVD法制備法制備SiCSiC纖維纖維 直徑：直徑：100

43、 100 140 140 m m；抗張強(qiáng)度：抗張強(qiáng)度：35003500MPaMPa 彈性模量：彈性模量：400400GPaGPa；密度：密度：3.03.0 3.43.4g/cmg/cm3 3 狀態(tài)：連續(xù)單絲。狀態(tài)：連續(xù)單絲。 制備方法：制備方法： 將基體絲連續(xù)通過(guò)玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱將基體絲連續(xù)通過(guò)玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱到到1200 1300 C的同時(shí)通入適量的氯硅烷與氫氣的的同時(shí)通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應(yīng)生成混合反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應(yīng)生成SiC CH CH3 3 SiCl SiCl3 3 + H+ H2 2 SiCSiC + + HC

44、lHCl + + 并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)SiC纖維纖維各種各種SiCSiC纖維的性能比較纖維的性能比較纖維纖維密度密度（g/cm3）彈性模量彈性模量（GPa）拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 （MPa）比模量比模量( GPa/g/cm3)比強(qiáng)度比強(qiáng)度（MPa/g/cm3）NicalonCVD-W芯芯CVD-C芯芯Tyranno晶須晶須2.602.603.43.02.43.225025040040028070025002500360036002400 2000096.296.2117.6133.3116.7218.8961.5961.51058.81200.

45、01000.06250.0三、晶須（三、晶須（WhiskerWhisker） 晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比和截面積小于晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比和截面積小于 52 52 1010-5-5cmcm2 2的單晶纖維材料。其直徑為的單晶纖維材料。其直徑為0.10.1 到幾個(gè)微米到幾個(gè)微米, , 長(zhǎng)度為數(shù)十到數(shù)千微米。但長(zhǎng)度為數(shù)十到數(shù)千微米。但 具有實(shí)用價(jià)值的晶須的直徑約為具有實(shí)用價(jià)值的晶須的直徑約為1-101-10微米微米, , 長(zhǎng)徑比在長(zhǎng)徑比在5 5100100之間。晶須是含缺陷很少之間。晶須是含缺陷很少 的單晶纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的的單晶纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的 理論強(qiáng)度。理論強(qiáng)度。ZnOZnO晶須微觀形貌晶須微觀形貌 SiCSiC晶須微觀形貌晶須微觀形貌 晶須