第六章復(fù)合材料

第六章復(fù)合材料概述復(fù)合材料的復(fù)合理論復(fù)合材料的界面樹(shù)脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料層疊復(fù)合材料第一節(jié)概述復(fù)合材料的涵義復(fù)合材料的用途及重要性復(fù)合材料過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的增強(qiáng)材料復(fù)合材料的性能特點(diǎn)一、復(fù)合材料的涵義

復(fù)合材料：由兩種或兩種以上性能不同的材料組合為一個(gè)整體，從而表現(xiàn)出某些優(yōu)于其中任何一種材料性能的材料。含兩種以上的不同的化學(xué)相具有每個(gè)組分所不具備的優(yōu)良性能復(fù)合材料的基本組分可劃分為基體相(基體材料)和增強(qiáng)相(增強(qiáng)材料)兩種。

圖6.1兩種或兩種以上材料所組成的復(fù)合材料復(fù)合材料的命名復(fù)合材料可根據(jù)增強(qiáng)材料與基體材料的名稱來(lái)命名。例如，玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的復(fù)合材料稱為“玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”。為書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)便，也可僅寫(xiě)增強(qiáng)材料和基體材料的縮寫(xiě)名稱，中間加一斜線隔開(kāi)，后面再加“復(fù)合材料“。如“玻璃／環(huán)氧復(fù)合材料”。有時(shí)為突出增強(qiáng)材料和基體材料，視強(qiáng)調(diào)的組分不同，也可簡(jiǎn)稱為“玻璃纖維復(fù)合材料”或“環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”。二、復(fù)合材料的用途及重要性應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)械工業(yè)汽車工業(yè)及交通運(yùn)輸化學(xué)工業(yè)航空宇航領(lǐng)域建筑領(lǐng)域圖6.2碳纖維增強(qiáng)聚合物制作的導(dǎo)波天線圖6.3碳纖維和Kevlar纖維混雜復(fù)合材料制造的賽車三、復(fù)合材料過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)20世紀(jì)40年代纖維復(fù)合材料發(fā)展成為具有工程意義的創(chuàng)舉，60年代，在技術(shù)上臻于成熟，在許多領(lǐng)域開(kāi)始取代金屬材料。

60年代末樹(shù)脂基高性能復(fù)合材料用于制造軍用飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)。70年代末發(fā)展用高強(qiáng)度、高模量的耐熱纖維與金屬?gòu)?fù)合。

80年代開(kāi)始逐漸發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料第一代復(fù)合材料：玻璃強(qiáng)化樹(shù)脂第二代復(fù)合材料：碳纖維強(qiáng)化塑料硼纖維強(qiáng)化塑料第三代復(fù)合材料：金屬基和陶瓷基復(fù)合材料圖6.4復(fù)合材料的發(fā)展簡(jiǎn)圖復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)1.由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展宏觀復(fù)合材料包括以纖維、晶須和顆粒等尺寸較大的增強(qiáng)材料與基體材料復(fù)合而成。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。2.向多元混雜復(fù)合和超混雜復(fù)合方向發(fā)展混雜復(fù)合是獲得高性能復(fù)合材料有效而經(jīng)濟(jì)的方法。3．由結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為主，向結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與功能復(fù)合材料并重的方向發(fā)展功能復(fù)合材料的最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)的自由度比一般均質(zhì)功能材料大得多，功能復(fù)合材料可以任意改變復(fù)合度、連接類型和對(duì)稱性，使其性能達(dá)到最佳優(yōu)化值。4．由被動(dòng)復(fù)合材料向主動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展5．由常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)方向發(fā)展四、復(fù)合材料的分類按基體材料分類

分為樹(shù)脂基、金屬基、陶瓷基等復(fù)合材料，目前使用最多的是樹(shù)脂基復(fù)合材料。按增強(qiáng)材料的種類和形態(tài)分類分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和層疊增強(qiáng)復(fù)合材料等，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用最廣泛。按復(fù)合材料的使用性能分類

分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類，目前應(yīng)用最廣的是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

圖6.5復(fù)合材料的分類五、復(fù)合材料的增強(qiáng)材料粘結(jié)在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料，稱為增強(qiáng)樹(shù)料，也稱為增強(qiáng)體、增強(qiáng)相、增強(qiáng)劑等。復(fù)合材料所用的增強(qiáng)材料主要有三類，即纖維及其織物、晶須和顆粒。其中碳纖維、凱芙拉(Kevlar)纖維和玻璃纖維應(yīng)用最為廣泛。1.纖維纖維包括天然纖維和合成纖維。合成纖維分為有機(jī)纖維和無(wú)機(jī)纖維兩大類。有機(jī)纖維有Kevlar纖維、尼龍纖維及聚乙烯纖維等。無(wú)機(jī)纖維包括玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維等。Kevlar纖維圖6.6Kevlar纖維的三維取向結(jié)構(gòu)表6.1Kevlar纖維的物理、機(jī)械性能碳纖維

圖6.7碳纖維的三維結(jié)構(gòu)示意圖表6.2某些品牌碳纖維的性能2.晶須晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比(一般大于10)和截面積小于52×l0-5cm2的單晶纖維材料。晶須的直徑可由0.1至幾個(gè)微米，長(zhǎng)度一般為數(shù)十至數(shù)千微米，但具有實(shí)用價(jià)值的晶須直徑約為1~10μm，長(zhǎng)度與直徑比在5~1000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。3.顆粒顆粒增強(qiáng)體主要是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，如碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨、細(xì)金剛石等。這些顆粒增強(qiáng)體也稱為剛性顆粒增強(qiáng)體或陶瓷顆粒增強(qiáng)體。顆粒增強(qiáng)體以很細(xì)的粉狀(一般在l0μm以下)加入到金屬基和陶瓷基中起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量和韌性的作用。還有一種顆粒增強(qiáng)體稱為延性顆粒增強(qiáng)體，主要為金屬顆粒，一般是加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中增強(qiáng)材料的韌性。六、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)1．比強(qiáng)度和比模量高圖6.8材料的比強(qiáng)度隨年代的變化2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，特別是纖維增強(qiáng)的樹(shù)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，大量的增強(qiáng)纖維對(duì)裂紋又有阻隔作用，使裂紋尖端變鈍或改變方向，所以具有較高的疲勞強(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(guò)載或其他原因而部分纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)重新分配到未斷裂的增強(qiáng)纖維上，避免結(jié)構(gòu)在很短的時(shí)間內(nèi)突然破壞，從而使構(gòu)件喪失承載能力的過(guò)程延長(zhǎng)，故具有良好的斷裂安全性。3.良好的減振性能纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的自振頻率高，工作中不易發(fā)生共振現(xiàn)象。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)會(huì)很快衰減。4.良好的高溫性能圖6.9各類材料的耐熱溫度第二節(jié)復(fù)合材料的復(fù)合理論1.復(fù)合原理纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理2.增強(qiáng)機(jī)理纖維增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)3.增韌纖維增韌顆粒增韌一、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)合材料的性能不但取決于基體和增強(qiáng)體的性能和相對(duì)數(shù)量，也取決于兩者的結(jié)合狀態(tài)，同時(shí)還與纖維在基體中的排列方式有關(guān)。①外載荷與纖維方向一致

假設(shè)：復(fù)合材料中基體是連續(xù)的、均勻的，纖維的性質(zhì)和直徑都是均勻的，并且平行連續(xù)排列，同時(shí)纖維與基體間為理想結(jié)合，在界面上不發(fā)生滑移。則在外載荷作用下纖維與基體處于等應(yīng)變狀態(tài)，即角標(biāo)c、f、m分別代表復(fù)合材料、增強(qiáng)纖維和基體作用在復(fù)合樹(shù)料上的總力是纖維和基體受力的總和=+如果復(fù)合材料在外載荷作用下處于彈性變形狀態(tài)，復(fù)合材料的載荷與變形符合虎克定律，則纖維和基體承受的應(yīng)力分別為應(yīng)力σf和σm分別作用在纖維的整個(gè)橫截面Af和基體整個(gè)橫截面Am上。因而纖維和基體所承受的載荷Ff和Fm分別為總載荷作用于復(fù)合材料整個(gè)橫截面Ac上，因而纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)(φf(shuō)、φ

m)可用面積分?jǐn)?shù)表示圖6.10硼纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系外載荷很大、基體材料發(fā)生塑性變形時(shí)，復(fù)合材料不再遵循虎克定律，此時(shí)基體對(duì)復(fù)合材料剛度的貢獻(xiàn)較小，彈性模量可近似表示為圖6.11單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線②外載荷與纖維方向垂直如果外載荷垂直于單相連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維方向，則復(fù)合材料、纖維和基體處于等應(yīng)力狀態(tài)，即復(fù)合材料中應(yīng)變量等于各組元應(yīng)變量與體積分?jǐn)?shù)乘積之和，即混合定律在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料物理性能方面的應(yīng)用利用混合定律可以對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的某些物理量進(jìn)行計(jì)算。例如復(fù)合材料的密度存在下列關(guān)系式：描述沿復(fù)合材料纖維排列方向的熱導(dǎo)率(K)和磁導(dǎo)率(k)2.顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的密度可以用混合定律表達(dá)為：角標(biāo)p代表顆粒增強(qiáng)材料對(duì)剛性純顆粒(尺寸為微米量級(jí))增強(qiáng)的復(fù)合材料，其彈性模量隨純顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而提高，也可由混合定律來(lái)預(yù)測(cè)，已推導(dǎo)出的這種復(fù)合材料彈性模量的上限數(shù)值和下限數(shù)值的關(guān)系表達(dá)式分別為上限值：下限值：二、增強(qiáng)機(jī)理

l.纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性纖維作增強(qiáng)體與韌性基體(樹(shù)脂、金屬)或脆性基體(陶瓷)經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。目標(biāo)：提高基體在室溫和高溫下的強(qiáng)度和彈性模量是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)；而纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的主要目的是提高基體材料的韌性，即增韌。纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理①增強(qiáng)纖維脆性較大，內(nèi)部往往存在一些微裂紋，容易斷裂，材料的強(qiáng)度不能被充分利用。但是如果能將脆性材料制成細(xì)纖維，因直徑細(xì)小，而使產(chǎn)生裂紋的幾率降低，有利于纖維脆件的改善和強(qiáng)度的提高。②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，不易在承裁過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，使承載能力增強(qiáng)。③

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，但塑性好和韌性好的基體能阻止裂紋擴(kuò)展。圖6.12鎢纖維銅基復(fù)合材料的裂紋在銅中擴(kuò)展受阻④纖維受載斷裂時(shí)，斷口不可能都在一個(gè)平面上，若要使整體斷裂，必然有許多根纖維從基體中被拔出，因而必須克服基體對(duì)纖維的黏結(jié)力以及基體與纖維之間的摩擦力，從而使材料的抗拉強(qiáng)度大大提高，與此同時(shí)斷裂韌度也增加。圖6.13碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料斷時(shí)，纖維斷口不在一個(gè)平面上增強(qiáng)纖維與基體復(fù)合時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題①增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。因?yàn)樵鰪?qiáng)纖維的彈性模量E愈高，在同樣應(yīng)變量ε的條件下，所受應(yīng)力越大，這樣才能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用，保證復(fù)合材料中承受載荷的材料是增強(qiáng)纖維。②基體和纖維之間要有一定黏結(jié)作用，而且應(yīng)具當(dāng)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強(qiáng)度，以保證基體所受的應(yīng)力通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維。結(jié)合強(qiáng)度小，界面很難傳遞載荷，纖維無(wú)法發(fā)揮主要承受載荷的作用；結(jié)合強(qiáng)度也不宜過(guò)大，因?yàn)閺?fù)合材料受力破壞時(shí)，纖維從基體中拔出將消耗一部分能量，過(guò)大的結(jié)合強(qiáng)度將使纖維拔出消耗能量過(guò)程消失，降低強(qiáng)度并導(dǎo)致危險(xiǎn)的脆性斷裂。③纖維應(yīng)有合理的含量、尺寸和分布。纖維的直徑對(duì)其強(qiáng)度有較大影響，纖維越細(xì)．則缺陷越小，材料強(qiáng)度越高；同時(shí)細(xì)纖維的比表面積大，有利于增強(qiáng)與基體的結(jié)合力。纖維的長(zhǎng)度t對(duì)增強(qiáng)有利，連續(xù)纖維比短纖纖維的增強(qiáng)效果好得多。對(duì)于短切纖維，只有當(dāng)長(zhǎng)度超過(guò)一定的臨界值時(shí)，才能有明顯的強(qiáng)化效果。纖維的排列方向應(yīng)符合構(gòu)件的受力要求。由于纖維的縱向比橫向的抗拉強(qiáng)度高幾十倍，應(yīng)盡量使纖維的排列方向平行于應(yīng)力作用方向。受力比較復(fù)雜時(shí)，纖維可以采用不同方向交叉層疊排列，以使之沿幾個(gè)不同方向產(chǎn)生增強(qiáng)效果。④

纖維應(yīng)與基體的線膨脹系數(shù)相匹配。通常要求兩者的線膨脹系數(shù)相近。對(duì)于韌性較低的基體(例如陶瓷和熱固性樹(shù)脂)，纖維的線膨脹系數(shù)應(yīng)略高于基體的線膨脹系數(shù)，以便在受熱后冷卻時(shí)，由于纖維收縮大使基體處于受壓狀態(tài)而獲得一定程度的保護(hù)。對(duì)于韌性較好的基體，纖維的線膨脹系數(shù)應(yīng)略低于基體的線膨脹系數(shù)，以便使纖維處于壓應(yīng)力狀態(tài)而增加韌度。⑤

纖維與基體之間要有良好的相容性。以便在高溫作用下纖維與基體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，基體對(duì)纖維不產(chǎn)生腐蝕和損傷作用。

2．顆粒增強(qiáng)機(jī)理根據(jù)增強(qiáng)顆粒的尺寸大小，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料可分為彌散增強(qiáng)復(fù)合材料和真正顆粒(或純顆粒)增強(qiáng)復(fù)合材料兩類。彌散增強(qiáng)復(fù)合材料通常是指尺寸為100~2500?的微細(xì)硬顆粒彌散分布在金屬和合金中而形成的復(fù)合材料。純顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是指以微米量級(jí)的顆粒增強(qiáng)的金屬基、樹(shù)脂基或陶瓷基復(fù)合材料。彌散強(qiáng)化復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料主要是金屬氧化物、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?？梢杂行У刈璧K位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。彌散強(qiáng)化復(fù)合材料的復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理與合金的析出強(qiáng)化機(jī)理相似，基體仍是承受載荷的主體。不同的是這些細(xì)小彌散的硬顆粒并非借助于相變產(chǎn)生的硬顆粒，它們?cè)跍囟壬邥r(shí)仍可保持其原有尺寸，因而增強(qiáng)效果可在高溫下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能明顯優(yōu)于基體金屬或合金。為使彌散增強(qiáng)的復(fù)合材料性能達(dá)到最佳效果，除要求顆粒堅(jiān)硬、穩(wěn)定，與基體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外，顆粒的尺寸、形狀、體積分?jǐn)?shù)以及與基體的結(jié)合能力均是必須加以考慮的因素。純顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的性能受顆粒大小的影響，顆粒太大而不規(guī)則，往往引起應(yīng)力集中現(xiàn)象而成為裂紋源，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。在純顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中，顆粒不是通過(guò)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鄰近基體的運(yùn)動(dòng)，約束基體的變形來(lái)達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。因此，一般認(rèn)為復(fù)合材料所受載荷并非完全由基體承擔(dān)。增強(qiáng)顆粒也承受部分載荷。顆粒與基體間的結(jié)合力越大，增強(qiáng)的效果越明顯，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的性能與增強(qiáng)顆粒和基體的比例密切相關(guān)。三、增韌1.纖維增韌纖維增韌：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而制成陶瓷基復(fù)合材料，由于定向、取向或無(wú)序排布的纖維的加入，使陶瓷基復(fù)合材料韌度顯著提高。①單向排布長(zhǎng)纖維增韌

單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向異性，沿纖維長(zhǎng)度方向上的縱向性能大大高于橫向性能。這種纖維的定向排布是根據(jù)實(shí)際工件的使用要求確定的，主要使用其縱向性能。單向排布長(zhǎng)纖維陶瓷基復(fù)合材料中韌度的提高來(lái)自3個(gè)方面的貢獻(xiàn)，即纖維拔出、纖維斷裂及裂紋轉(zhuǎn)向。圖6.14Cf/Si3N4復(fù)合材料平行于纖維方向的組織圖6.15Cf/Si3N4復(fù)合材料中裂紋垂直于纖維方向擴(kuò)展示意圖圖6.16Cf/Si3N4復(fù)合材料斷口

形貌的SEM照片圖6.17Cf/Si3N4復(fù)合材料斷口的側(cè)面形貌

②

多維多向排布長(zhǎng)纖維增韌多維多向排布長(zhǎng)纖維增韌復(fù)合材料中纖維排布的方式有兩種。一種是將纖維編織成纖維布；另一種是纖維分層單向排布。圖6.18纖維布層壓復(fù)合材料示意圖圖6.19多層纖維按不同角度層壓

(或纏繞)復(fù)合材料示意固③

短纖維、晶須增韌制備短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料時(shí)將長(zhǎng)纖維剪(切)短(＜3mm)，然后分散并與基體粉料混合均勻，再用熱壓燒結(jié)的方法制得高性能復(fù)合材料。這種短纖維增強(qiáng)體在與原料粉料混合時(shí)，取向是隨機(jī)的，但在受壓成形時(shí)，短纖維將沿壓力方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在最終制成的復(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，沿加壓而方向的性能優(yōu)于垂直加壓面方向上的性能。圖6.20碳纖維增韌玻璃陶瓷復(fù)合材料中的纖維分布情況圖6.21碳纖維增強(qiáng)Pyrex玻璃纖維中纖維定向排列情況圖6.22碳纖維含量對(duì)碳纖維增韌玻璃陶瓷復(fù)合材料斷裂功的影響晶須增韌陶瓷基復(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橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)韌性提高產(chǎn)生突出貢獻(xiàn)。圖6.23晶須拔出橋連及裂紋轉(zhuǎn)向的SEM照片2．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?cè)鲰g、裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌等。①相變?cè)鲰g

相變?cè)鲰g是發(fā)展最早的一種增韌機(jī)理。氧化鋯增韌陶瓷就是利用氧化鋯馬氏體相變達(dá)到增韌目的的。氧化鋯在一定溫度和應(yīng)力場(chǎng)作用下，亞穩(wěn)定四方氧化鋯顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嘌趸?。伴隨著這種相變有3％~5％的體積膨脹，因而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而抵消外加應(yīng)力，阻止裂紋擴(kuò)展、達(dá)到增韌目的。②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，從而減小了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，增加了材料的斷裂韌度，達(dá)到增韌目的。裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌不像相變?cè)鲰g那樣受溫度的限制，因而是適合高溫結(jié)構(gòu)陶瓷增韌的方法。第三節(jié)復(fù)合材料的界面復(fù)合材料界面的基本概念樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面陶瓷基復(fù)合材料的界面復(fù)合材料界面的基本概念復(fù)合材料的界面：指基體與增強(qiáng)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。界面是復(fù)合材料的特征界面上的化學(xué)成分和相結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的圖6.24復(fù)合材料的界面界面效應(yīng)傳遞效應(yīng)阻斷效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)一、樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面

1．界面的形成樹(shù)脂基復(fù)合材料界面的形成可分為兩個(gè)階段：第一階段是基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤(rùn)過(guò)程；第二階段是樹(shù)脂的同化過(guò)程，在此過(guò)程中樹(shù)脂通過(guò)物理或化學(xué)的變化而固化，形成固定的界面層。界面層的性質(zhì)大致包括結(jié)合力、區(qū)域(或厚度)和微觀結(jié)構(gòu)等方向。界向結(jié)合力存在于兩相之間，并由此產(chǎn)生復(fù)合效果和界面強(qiáng)度。界面結(jié)合力可分為宏觀結(jié)合力和微觀結(jié)合力兩種．前者主要指材料的幾何因素，如表面凸凹不平、表面裂紋和孔隙等所產(chǎn)生的機(jī)械鉸合力；后者包括化學(xué)鍵和次價(jià)鍵，化學(xué)鍵結(jié)合是最強(qiáng)的結(jié)合，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。界面及其附近區(qū)域的性能、結(jié)構(gòu)都不同于組分本身。界面層是由纖維與基體之間的界面以及纖維和基體的表面薄層構(gòu)成的，基體表面薄層的厚度約為增強(qiáng)纖維的數(shù)十倍，它在界面層中所占的比例對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有很大影響。界面層使纖維與基體形成一個(gè)整體，并通過(guò)它傳遞應(yīng)力，若纖維與基體的相容性不好，界面不完整，則應(yīng)力的傳遞面只是纖維總面積的一部分。因此，為使復(fù)合材料內(nèi)部能夠均勻地傳遞應(yīng)力以顯示其優(yōu)異性能，要求復(fù)合材料在制造過(guò)程中形成完整的界面層。

2.界面作用機(jī)理界面對(duì)復(fù)合材料特別是對(duì)其力學(xué)性能起著極為重要的作用。界面作用機(jī)理是指界面發(fā)揮作用的微觀機(jī)理，目前這方面已有許多理論，但都末達(dá)到完善程度。

界面浸潤(rùn)理論化學(xué)鍵理論物理吸附理論變形層理論減弱界面局部應(yīng)力作用理論①界面浸潤(rùn)理論

1963年Zisman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(shù)脂良好浸潤(rùn)是極其重要的，浸潤(rùn)不良會(huì)在界面上產(chǎn)生間隙，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開(kāi)裂，完全浸潤(rùn)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)越的性能。②化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論的主要論點(diǎn)是處理增強(qiáng)纖維表面的偶聯(lián)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(shù)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，如能滿足這一要求則在理論上可獲最大的界面結(jié)合能。無(wú)偶聯(lián)劑存在時(shí)，如果基體與纖維表面可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩相之間也能形成牢固界面。這種理論的實(shí)質(zhì)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。但是化學(xué)鍵理論不能解釋為什么有的處理劑官能團(tuán)不能與樹(shù)脂反應(yīng)卻仍有較好的處理效果。③物理吸附理論物理吸附理論可作為化學(xué)鍵理論的一種補(bǔ)充。物理吸附理論認(rèn)為，增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂基體之間的結(jié)合屬于機(jī)械鉸合和基于次價(jià)鍵作用的物理吸附。物理吸附理論對(duì)上述化學(xué)鍵理論不能解釋的問(wèn)題給予了較好的解釋。④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)合材料固化成形后在界面上會(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，在界面上形成一層塑性層，就可以起到松弛和減小界面應(yīng)力的作用。⑤減弱界面局部應(yīng)力作用理論減弱界面局部應(yīng)力作用理論認(rèn)為，基體和增強(qiáng)纖維之間的處理劑提供了一種具有“自愈能力”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)（主要是水)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)力得以松弛．減緩了界面的應(yīng)力集中。二、金屬基復(fù)合材料的界面1．界面的類型表6.4纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料界面的類型

2．界面的結(jié)合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面結(jié)合有以下幾種形式。①

機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合是指借助增強(qiáng)纖維表面凸凹不平的形態(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)生的摩擦阻力結(jié)合。這種結(jié)合與擴(kuò)散和化學(xué)作用無(wú)關(guān)，純屬機(jī)械作用，結(jié)合強(qiáng)度的大小與纖維表面的粗糙程度有很大關(guān)系。

②

溶解和浸潤(rùn)結(jié)合纖維與基體的相互作用力是短程的，作用范圍只有若干原子間距大小。由于纖維表面常存在氧化膜，阻礙液態(tài)金屬的浸潤(rùn)，這就需要對(duì)纖維表面進(jìn)行處理，液態(tài)金屬對(duì)纖維的浸潤(rùn)性也與溫度有關(guān)。③反應(yīng)結(jié)合反應(yīng)結(jié)合其特征是在纖維和基體之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層。界面反應(yīng)層往往不是單一的化合物，一般情況下，隨反應(yīng)程度增加，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。此外某些纖維表面吸附空氣發(fā)生氧化也能形成某種形式的反應(yīng)結(jié)合。但有時(shí)氧化作用也會(huì)降低纖維強(qiáng)度而無(wú)益于界面結(jié)合，這時(shí)就應(yīng)當(dāng)盡量避免發(fā)生氧化反應(yīng)。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)常同時(shí)存在幾種結(jié)合形式，尤其在Ⅰ類界面的復(fù)合材料中比較普遍。例如硼纖維增強(qiáng)鋁材時(shí)，如果制造溫度低，硼纖維表而氧化膜不被破壞，則形成機(jī)械結(jié)合，材料若在500℃進(jìn)行熱處理，可以發(fā)現(xiàn)在機(jī)械結(jié)合的界面上出現(xiàn)了AlB2，表面熱處理過(guò)程中界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成了反應(yīng)結(jié)合。三、陶瓷基復(fù)臺(tái)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)合也是采取機(jī)械結(jié)合、溶解和浸潤(rùn)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對(duì)材料的性能起著舉足輕重的作用。界面控制①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)手段控制界面的方法。改變?cè)鰪?qiáng)材料表面性質(zhì)的目的都是防止強(qiáng)化材料與基體間的反應(yīng)，從而獲得最佳界面力學(xué)待性。另一個(gè)目的是改變纖維與基體間的結(jié)合力。②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(guò)程中，為了有助于燒結(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，也可添加一些元素。③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CVD法、PVD法、噴鍍和噴射等。涂層技術(shù)是采用不同方法，在增強(qiáng)材料表面形成覆蓋層，以保護(hù)增強(qiáng)材料不受化學(xué)侵蝕，阻礙增強(qiáng)材料與基體間的化學(xué)擴(kuò)散和界面的化學(xué)反應(yīng)，提高界面的剪切強(qiáng)度。第四節(jié)樹(shù)脂基復(fù)合材料概述纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料樹(shù)脂基功能復(fù)合材料一、概述

樹(shù)脂基復(fù)合材料亦稱聚合物基復(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。根據(jù)增強(qiáng)體的種類，樹(shù)脂基復(fù)合材料可分為玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、硼纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、碳化硅纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、芳綸纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料和顆粒(粉體)增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料等；根據(jù)樹(shù)脂的性質(zhì)，可分為熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料和熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料兩種基本類型。二、纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料1.玻璃纖維及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料①玻璃纖維玻璃脆性很大，但是將融熔態(tài)玻璃以極快的速度拉制成纖維，就具有一定的柔韌性，可紡織成紗或各種形式的玻璃布。玻璃纖維的性能特點(diǎn)：A抗拉強(qiáng)度很高B耐熱性低C化學(xué)穩(wěn)定性高D脆性較大②

玻璃纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料

玻璃纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料，即玻璃鋼。這種材料的發(fā)展十分迅速，年增長(zhǎng)率達(dá)25％~30％，已成為重要的工程材料。玻璃鋼分為熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼兩類。A熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料和以熱固性樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料。熱固性玻璃鋼具有成形工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕、介電性高等特點(diǎn)，與熱塑性玻璃鋼相比，耐熱性較高。熱固性玻璃鋼的主要缺點(diǎn)是彈性模量低(為結(jié)構(gòu)鋼的10％~20％)，剛性差。此外工作溫度不能超過(guò)250℃，長(zhǎng)期受力易發(fā)生蠕變，材質(zhì)易老化。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。表6.5幾種熱固性玻璃鋼的性能特點(diǎn)B熱塑性玻璃鋼熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料和以熱塑性樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料。熱塑性玻璃鋼與熱塑性塑料相比，強(qiáng)度和疲勞性能可提高2~3倍以上，沖擊韌度提高2~4倍，抗蠕變能力提高2~5倍。玻璃纖維增強(qiáng)尼龍的剛度、強(qiáng)度和減摩性好，它可代替非鐵金屬制造軸承、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。玻璃纖維增強(qiáng)苯乙烯類樹(shù)脂廣泛用于汽車內(nèi)裝飾品、磁帶錄音機(jī)底盤、空氣調(diào)節(jié)器葉片等部件。玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的強(qiáng)度、耐熱性和抗蠕變性能好，耐水性優(yōu)良，可用于制作轉(zhuǎn)矩變換器、干燥器殼體等。

2．碳纖維及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料①碳纖維

碳纖維由有機(jī)纖維經(jīng)高溫碳化而成，目前工業(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。碳纖維有如下特點(diǎn)：

A密度低，彈性模量和強(qiáng)度高。

B高溫、低溫力學(xué)性能好。

C具有高的耐蝕性、導(dǎo)電性以及低的摩擦系數(shù)。碳纖維主要缺點(diǎn)是脆性大，表面光滑，與樹(shù)脂結(jié)合力比玻璃纖維的還差，常需要用表面氧化處理來(lái)改善與基體的結(jié)合力。②碳纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料中，作為基體的樹(shù)脂，應(yīng)用最多的是環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚四氟乙烯。碳纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料的密度比鋁的低，強(qiáng)度比鋼的高，彈性模量比鋁合金和鋼的大，疲勞強(qiáng)度高，沖擊韌性高，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?？捎米饔钪骘w行器的外層材料，人造衛(wèi)星和火箭的機(jī)架、殼體和天線構(gòu)架。還可用作機(jī)器的齒輪、軸承等受載、磨損件。3.硼纖維及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料①硼纖維硼纖維外表為硼，心部為硼化鎢。硼纖維直徑約為0.1mm。硼纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維相近，模量是玻璃纖維的5倍，耐熱性高。硼纖維的缺點(diǎn)是密度高、纖維直徑大。②硼纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料硼纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中作為基體的樹(shù)脂主要是環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂和聚苯并咪唑。硼纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料抗壓強(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，具有很高的疲勞強(qiáng)度和耐輻射性能。對(duì)水、有機(jī)溶劑很穩(wěn)定，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性很好。硼纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空和宇航工業(yè)，制造翼面、儀表盤、轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)葉片、直升飛機(jī)螺旋槳葉的傳動(dòng)軸等。4.聚芳酰胺纖維及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料①聚芳酰胺纖維聚芳酰胺纖維在商業(yè)上稱為芳綸。聚芳酰胺纖維的抗拉強(qiáng)度不及碳纖維的抗拉強(qiáng)度，約為鋁合金的5倍，密度低，比強(qiáng)度超過(guò)了玻璃纖維、碳纖維和硼纖維，韌性好，具有突出的抗蠕變性能，此外，還具有耐疲勞性能好、易加工、耐腐蝕和電絕緣性能好的特點(diǎn)。②聚芳酰胺纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料聚芳酰胺纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合力強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度大于玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，類似碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂。聚芳酰胺纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料的塑性與金屬的相似，耐沖擊性超過(guò)碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂的沖擊性，減振性好，是玻璃鋼的4~5倍。聚芳酰胺纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度較低。聚芳酰胺纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要用于航天、航空、造船和汽車工業(yè)。5.高性能天然纖維及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料①高性能天然纖維麻和竹類天然纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維的接近。麻和竹是價(jià)廉、可降解的有機(jī)纖維，具有可再生性。②高性能天然纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料復(fù)合材料的基體材料主要是環(huán)氧樹(shù)脂、脲醛樹(shù)脂產(chǎn)品可用于轎車的內(nèi)飾件、吸噪聲板和輪罩等，也可用于建筑裝飾、家具面板、游艇和器皿等。6.

晶須及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料①晶須晶須是直徑小于30μm、長(zhǎng)度只有幾毫米的針狀單晶體，晶體內(nèi)部幾乎不存在位錯(cuò)，強(qiáng)度高，接近于理論值。晶須有金屬晶須、陶瓷晶須和高分子晶須。②晶須增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料由于晶須價(jià)格昂貴，主要用于金屬基復(fù)合材料，在樹(shù)脂基復(fù)合材料中應(yīng)用不多。

三、顆粒增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料樹(shù)脂中加入非纖維狀顆粒的復(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(shù)脂具有各種獨(dú)特的性能，這些顆粒還具有改性作用。樹(shù)脂中加入增強(qiáng)顆粒材料時(shí)，其力學(xué)性能不存在各向異性問(wèn)題，性能只取決于增強(qiáng)顆粒的數(shù)量、形狀及其與樹(shù)脂的結(jié)合程度等因素。一般說(shuō)來(lái)．作為增強(qiáng)的顆粒，以無(wú)機(jī)系為主。這類材料增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料，按用途分為合成木材、耐磨材料和功能材料。

1．合成木材合成木材分兩類：一類是以無(wú)機(jī)顆粒增強(qiáng)，即鈣塑材料，另一類是以有機(jī)顆粒增強(qiáng)，即新型合成木材。①

鈣塑材料鈣塑材料是以熱塑性樹(shù)脂為基體，加入碳酸鈣等分散介質(zhì)制得的復(fù)合材料。該材料不僅能夠代替木材使用，還具有超過(guò)木材的優(yōu)良性能。鈣塑材料主要有3種，即聚乙烯鈣塑材料、聚丙烯鈣塑樹(shù)料、聚氯乙烯鈣塑材料。②

新型合成木材新型合成木材以熱固性或熱塑性樹(shù)脂為基體，以有機(jī)填料木粉、木屑、稻殼粉、稻草屑為分散介質(zhì)的顆粒增強(qiáng)(改性)塑料。新型合成木材的共同特點(diǎn)是填料量大，樹(shù)脂量少，密度低，價(jià)格便宜，保溫性能好有防火、防蛀、防腐蝕等性能。新型合成木材目前廣泛用于制作門芯板、天花板、家具和車、船的隔板。四、樹(shù)脂基功能復(fù)合材料1．具有電波透過(guò)功能的復(fù)合材料這種材料以玻璃纖維或玻璃布作為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹(shù)脂或不飽和聚脂作為基體而制成，該材料電波透過(guò)性好．而且具有一定強(qiáng)度，良好的耐天候性、耐腐蝕性，常用于制造雷達(dá)天線罩，廣泛用于飛機(jī)雷達(dá)、船舶雷達(dá)、地面固定雷達(dá)，以及拋物面天線的保護(hù)罩。2．具有隱身功能的復(fù)合材料

利用熱塑性樹(shù)脂的介電特性，用碳纖維增強(qiáng)的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有吸收電磁被的隱身功能，可避過(guò)雷達(dá)的跟蹤，是高性能結(jié)構(gòu)材料，是制造先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)的理想隱身材料。

3．具有導(dǎo)電功能的復(fù)合材料以環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，與碳纖維或碳粉并加入一定量石棉纖維制成的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的耐蝕性、良好的耐熱性、良好的集塵效果，常用于使用溫度較高的電集塵器的電極板。4．具有形狀記憶功能的復(fù)合材料

形狀記憶功能是指具有一定形狀的制品變形后，通過(guò)加熱等手段處理后又回復(fù)到初始形狀的功能。目前，樹(shù)脂基形狀記憶功能復(fù)合材料，因其優(yōu)異的綜合性能已成為熱門材料。這種材料的特點(diǎn)是成本低，化學(xué)穩(wěn)定性高，可無(wú)限期地存放，損傷容限大，自適應(yīng)能力強(qiáng)。已用于醫(yī)療、建筑、玩具、傳感元件和汽車的緩沖器。5．具有磁性功能的復(fù)合材料這類復(fù)合材料作為基體的合成樹(shù)脂有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、聚酰胺(尼龍)等熱塑性樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、三聚氰胺等熱固性樹(shù)脂，添加劑是鐵氧體磁粉或稀土類磁粉。這類材料廣泛用于錄音帶、錄像帶、家用電器、電子儀器儀表、磁療設(shè)備、精密電機(jī)、微型電機(jī)、通信設(shè)備的傳感器。6．具有壓電功能的復(fù)合材料這類復(fù)合材料是將具有高極化強(qiáng)度的壓電陶瓷(BaTiO3)混入樹(shù)脂基體中，極化后得到壓電性較強(qiáng)的可撓樹(shù)脂基壓電材料，該材料已用于制造柔性機(jī)電換能器。7．具有自控發(fā)熱功能的復(fù)合材料

這種材料是將一種導(dǎo)電粉末(如碳粉)分散在高分子樹(shù)脂中，并使導(dǎo)電粉末構(gòu)成導(dǎo)電通道，用這種復(fù)合材料制成扁形電纜即可纏在管道外而通電加熱。它的特點(diǎn)在于通電后材料發(fā)熱使高分子膨脹，拉斷一些導(dǎo)電粉末通道，從而使材料電阻值增大而降低發(fā)熱量，溫度降低后高分子收縮又使通道復(fù)原，從而產(chǎn)生恒溫控制的效果，這種功能材料已廣泛用于石油、化工工業(yè)。8．具有電絕緣功能的復(fù)合材料這種材料是以酚醛樹(shù)脂為基體，以各種顆粒狀填料為分散質(zhì)的改性塑料，為克服基體的弱點(diǎn)，分別加入不同的填料。為克服酚醛樹(shù)脂的脆性，提高力學(xué)性能，加入一定量的木粉；為提高電絕緣性和耐熱性，再加入一定量的云母粉、石棉粉和石英粉；此外還需加入其他助劑，這些混合材料經(jīng)加熱成形制成的各種電工絕緣零件，廣泛應(yīng)用于低壓電器、電訊工業(yè)以及蓄電池的絕緣結(jié)構(gòu)件。第五節(jié)金屬基復(fù)合材料概述纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料金屬基功能復(fù)合材料一、概述金屬基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量和線膨脹系數(shù)小，工作溫度高，不易燃燒，導(dǎo)熱、導(dǎo)電、熱穩(wěn)定性好以及抗電磁干擾、抗輻射性能好等特點(diǎn)，可進(jìn)行機(jī)械加工和采用常規(guī)方法連接，而且在較高溫度下也不會(huì)放出有味、有害氣體污染環(huán)境，這是樹(shù)脂基復(fù)合材料所無(wú)法比擬的。但金屬基復(fù)合材料存在著密度高、成本較高、某些復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜、增強(qiáng)材料與基體界面易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等缺點(diǎn)。金屬基復(fù)合材料可分為長(zhǎng)纖維增強(qiáng)型、短纖維或晶須增強(qiáng)型、顆粒增強(qiáng)型以及原位復(fù)合材料。二、纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料1．長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是由高性能長(zhǎng)纖維和金屬或其合金組成的先進(jìn)復(fù)合材料。復(fù)合材料中高強(qiáng)度、高彈性模量的增強(qiáng)纖維主要起承載作用，而金屬基體則起固結(jié)纖維和傳遞載荷的作用。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有各向異性特征，其程度取決于纖維在基體中的數(shù)量、分布和排列情況。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)纖維有硼纖維、碳(石墨)纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等。基體金屬主要有鋁及其合金、鎂及其合金、鈦及其合金、銅合金、鉛合金、高溫合金以及新近發(fā)展的金屬間化合物。①硼/鋁復(fù)合材料

硼/鋁復(fù)合材料是長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中最早研究成功和應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料。硼纖維高溫強(qiáng)度較高。由于纖維處于500℃以上氧化后強(qiáng)度降低，所以預(yù)先要在硼纖維表面涂覆一層SjC或B4C，防止纖維表面氧化。硼/鋁復(fù)合材料造價(jià)較高，但由于質(zhì)量輕，比強(qiáng)度、比模量高．優(yōu)異的耐疲勞性能及良好的耐蝕性能等特點(diǎn)，故應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于航天飛機(jī)的桁架結(jié)構(gòu)、飛機(jī)的結(jié)構(gòu)支柱、導(dǎo)彈支架、載人飛船的加壓舵和太陽(yáng)能電池的支撐板等。②石墨／鋁復(fù)合材料石墨／鋁復(fù)合材料具有導(dǎo)電性高、摩擦系數(shù)低和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。石墨／鋁復(fù)合材料主要應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)蒙皮、直升機(jī)旋翼葉片和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片等。③石墨／鎂復(fù)合材料

石墨/鎂復(fù)合材料密度低、線膨脹系數(shù)為零，尺寸穩(wěn)定性極好，在金屬基復(fù)合材料中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。石墨/鎂復(fù)合材料價(jià)格昂貴，主要應(yīng)用于航天和航空領(lǐng)域，如人造衛(wèi)星的拋物面天線及其支架、航天飛機(jī)的大面積蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮、飛機(jī)的天線支架等。④碳化硅/鈦復(fù)合材料

碳化硅纖維比強(qiáng)度、比模量高，高溫下也能保持高強(qiáng)度，是耐熱、耐氧化的纖維，它和金屬反應(yīng)小，潤(rùn)濕性好，用碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料性能尤其是高溫強(qiáng)度明顯高于基體合金性能，已用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件和渦輪葉片及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)箱。⑤氧化鋁／鋁復(fù)合材料

氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和高剛度，由于氧化鋁纖維在氧化性氣氛中穩(wěn)定，能在高溫下保持其強(qiáng)度、剛度，且硬度高、耐磨性好，因此用它作增強(qiáng)材料的金屬基復(fù)合材料的抗蠕變、抗疲勞及耐磨性都很好。這種材料已用于制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和其他發(fā)動(dòng)機(jī)零件。⑥其他長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料除上述的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料之外，近些年相繼發(fā)展了鎢絲增強(qiáng)鎳基，鎢絲增強(qiáng)銅基，碳化硅纖維增強(qiáng)Ti3A1、TiAl、Ni3Al等金屬間化合物，這些材料具有強(qiáng)度高、抗蠕變、抗沖擊、耐熱疲勞等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足燃?xì)廨啓C(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫金屬基復(fù)合材料的要求。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的銅基、鉛基復(fù)合材料作為特殊導(dǎo)體和電極材料，在電子行業(yè)和能源工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2．短纖維及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)材料的短纖維主要有氧化鋁纖維、氧化鋁-氧化硅纖維、氮化硼纖維。增強(qiáng)晶須主要有碳化硅晶須、氧化鋁晶須、氮化硅晶須等。這類復(fù)合材料除具有比強(qiáng)度、比模量高，耐高溫，耐磨，線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)外，最顯著的特點(diǎn)是可采用常規(guī)設(shè)備進(jìn)行制備和二次加工。增強(qiáng)材料雜混無(wú)序分布的復(fù)合材料還具有各向同性的特點(diǎn)。這類材料的基體金屬主要有鋁、鎂、鈦和鎳等。①氧化鋁/鋁復(fù)合材料

氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是較早研制和應(yīng)用的復(fù)合材料。這種材料的高溫強(qiáng)度、彈性模量明顯優(yōu)于基體金屬的高溫強(qiáng)度和彈性模量，并且線膨脹系數(shù)較低，耐磨性較高；該材料在汽車制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。②碳化硅/鋁復(fù)合材料

碳化硅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可根據(jù)不同的使用要求，選用純鋁、鑄鋁、鍛鋁、硬鋁、超硬鋁以及鋁捏合金等作為基體，可采用多種方法(如粉末冶金法、擠壓鑄造法)進(jìn)行制備。這類復(fù)合材料具有良好的綜合性能，具有比強(qiáng)度、比模量高和線膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，由于受晶須成本的影響，普遍存在成本高的問(wèn)題。這類復(fù)合材料主要應(yīng)用于航天、航空領(lǐng)域。③氧化鋁/鎳復(fù)合材料氧化鋁晶須增強(qiáng)的鎳基高溫材料高溫性能良好，但是由于晶須與基體的線膨脹數(shù)相差較大．致使復(fù)合時(shí)遇到困難，加之晶須價(jià)格昂貴，使得這類復(fù)合材料發(fā)展緩慢，應(yīng)用有限。④原位復(fù)合材料原位復(fù)合材料是采用定向凝固方法，使液態(tài)金屬和合金在有規(guī)則的溫度梯度場(chǎng)中進(jìn)行冷卻凝固，金屬基體自身析出晶須而得到晶須增強(qiáng)復(fù)合材料，也稱自增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。這類復(fù)合材料與人工合成金屬基復(fù)合材料相比有以下優(yōu)點(diǎn)：

A晶須是在結(jié)晶凝固過(guò)程中析出的，兩相界面結(jié)合牢固，界面強(qiáng)度高，同時(shí)還避免了人工復(fù)合時(shí)潤(rùn)濕、化學(xué)反應(yīng)和相容性等問(wèn)題

B由于兩相是在高溫接近熱平衡條件下緩慢生成的，因而具有良好的熱穩(wěn)定性；

C纖維分布均勻，不存在人工復(fù)合時(shí)那種纖維難以均勻分布和易受損傷等問(wèn)題；

D材料易于加工，能直接鑄成所需的結(jié)構(gòu)。用定向凝固方式制成的高溫復(fù)合材料，在性能上超過(guò)基體本身，接近共晶溫度時(shí)，仍保持很高的強(qiáng)度和抗蠕變性能，是航天工業(yè)和制造燃?xì)鉁u輪的優(yōu)異材料。三、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是由一種或多種陶瓷或金屬顆粒作為增強(qiáng)材料與金屬基體組成的先進(jìn)復(fù)合材料。增強(qiáng)顆粒通常為碳化硅、氧化硅、碳化鈦、硼化鈦，有時(shí)也用鎢、鋁、鉻等金屬顆粒。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的金屬基體種類很多，目前常用的有鋁、鎂、鈦及其合金，以及金屬間化合物。1．碳化硅/鋁復(fù)合材料碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中最早實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的品種。碳化硅/鋁基復(fù)合材料密度僅為鋼的1/3、鈦合金的2/3，與鋁合金的相近。強(qiáng)度比中碳鋼的高，與鋁合金的相近，彈性模量高于鈦合金的彈性模量，比鋁合金的高得多，耐磨性比鋁合金的高一倍，使用最高溫度可達(dá)300~350℃。目前這種材料已批量用于汽車工業(yè)與機(jī)械工業(yè)，制造大功率汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)、連桿、剎車片等。還可用于制造火箭、導(dǎo)彈構(gòu)件，紅外及激光制導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件。此外，以超細(xì)碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料還是一種理想的精密儀表用高尺寸穩(wěn)定性材料和精密電子器件的封裝材料。2．碳化鈦/鈦復(fù)合材料碳化鈦顆粒增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料是由10％~25％超硬碳化鈦與鈦合金粉末采用粉末冶金方法復(fù)合而成的。與基體合金相比這種復(fù)合材料強(qiáng)度、彈性模量及抗蠕變性能均明顯提高，使用溫度可達(dá)500℃，可用于制造導(dǎo)彈殼體、導(dǎo)彈尾翼和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。

3.顆粒增強(qiáng)金屬間化合物基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬間化合物基復(fù)合材料有TiB2/NiAl、TiB2／TiAl等，適用溫度高達(dá)800℃以上，目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。四、金屬基功能復(fù)合材料1．具有導(dǎo)電功能的復(fù)合材料以銅為基體，加人氧化鋁顆粒利用彌散強(qiáng)化制成的導(dǎo)電新材料，在耐熱性和強(qiáng)度方面均高于基體，而導(dǎo)電性幾乎不下降，因而作為導(dǎo)電材料很快得到應(yīng)用。為提高銅基導(dǎo)線的強(qiáng)度，研究用鋼材代替部分銅，制成高強(qiáng)度鋼-銅基導(dǎo)線。2．具有超導(dǎo)功能的復(fù)合材料超導(dǎo)線的超導(dǎo)性能受其直徑的限制．導(dǎo)線直徑只有小于30μm時(shí)才能保證超導(dǎo)性，但直徑為20~30μm的超導(dǎo)線僅可通過(guò)幾安的電流，而且這種線很易折斷難以使用，為此研究出將這種導(dǎo)線纖維埋人銅、鋁這樣低電阻金屬中，制成復(fù)合材料再使用的方法。這種復(fù)合材料是將超導(dǎo)纖維埋入銅中經(jīng)擠壓制成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的超導(dǎo)線材。

3．具有智能的復(fù)合材料金屬材料使用中會(huì)因產(chǎn)生疲勞龜裂及蠕變而損傷。金屬基智能材料不僅能檢測(cè)自身的損傷．還可抑制并且有自修復(fù)功能，從而可確保結(jié)構(gòu)件的使用可靠性。以鋁合金作為金屬基體，以硼顆粒作為復(fù)合劑所制得的復(fù)合材料，在破壞時(shí)會(huì)發(fā)出聲波，可由聲發(fā)射傳感器接收并查出破壞位置。另一種智能復(fù)合材料是在鉬基金屬內(nèi)復(fù)合氧化鋯顆粒，當(dāng)材料承受載荷，產(chǎn)生裂縫時(shí)，在裂縫尖端產(chǎn)生的高應(yīng)力作用下，氧化鋯誘發(fā)相變，由正方晶系的t相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡本档膍相，同時(shí)伴隨著體積膨脹，這一膨脹使微裂紋閉合，可抑制裂紋發(fā)展，使材料的斷裂韌度提高。第六節(jié)陶瓷基復(fù)合材料碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳化硅晶須、氧化鋁晶須、碳化硅顆粒和碳化鈦顆粒的加入，使得陶瓷的強(qiáng)度和韌性得到很大改善，應(yīng)用領(lǐng)域也取得突破性的擴(kuò)展。目前用這些纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料主要用來(lái)制造人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、星際探測(cè)器、大型運(yùn)載火箭和飛機(jī)上要求耐高溫、耐沖刷、密度低和強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)件。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基功能復(fù)臺(tái)材料1．長(zhǎng)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料①碳/陶瓷基復(fù)合材料

用碳纖維與陶瓷組成的復(fù)合材料，具有很高的高溫強(qiáng)度、彈性模量和較高的韌度。碳纖維增強(qiáng)的氮化硅陶瓷可在1400℃下長(zhǎng)期工作；碳纖維增強(qiáng)石英陶瓷復(fù)合材料，沖擊韌度比純燒結(jié)石英陶瓷的大40倍、抗彎強(qiáng)度大5~12倍，比強(qiáng)度、比模量均成倍提高，能承受1200~1500℃高溫氣流的沖擊，這類材料主要用來(lái)制造噴氣飛機(jī)的渦輪葉片。②碳化硅/陶瓷基復(fù)合材料

碳化硅纖維增強(qiáng)的碳化硅陶瓷，與單一碳化硅陶瓷相比，斷裂韌度提高5~6倍，抗彎強(qiáng)度提高50%以上，纖維與基體之間具有良好的結(jié)合性能。該材料已應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴。③碳/碳復(fù)合材料

Cf/C復(fù)合材料：利用性能優(yōu)異的碳纖維增強(qiáng)的碳基復(fù)合材料。

Cf/C復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度都相當(dāng)好，能承受極高的溫度和加熱速度。當(dāng)溫度升高時(shí)，強(qiáng)度不下降反而上升，高溫力學(xué)性能比低溫時(shí)還好，其耐熱性遠(yuǎn)勝過(guò)所有高溫材料和復(fù)合材料，是目前使用溫度最高的材料。

Cf/C復(fù)合材料的失效為非脆性斷裂，有極好的耐熱沖擊能力，密度非常低，僅為高溫合金的1/4，陶瓷的一半，特別適于作宇航材料。如：固體火箭噴嘴、航天飛機(jī)頭罩和前緣、超音速飛機(jī)的減速板等。

Cf/C復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性