先進復合材料

與航空航天航空與航天飛機材料的發展變化木質和布料鋁合金、鋼和鈦合金飛機材料的發展變化復合材料航天領域

5和平來自于有效的威懾安全需要技術支撐國際形勢－－實力政策飛機性能一半取決于設計,另一半取決于材料。材料的優劣對速度、高度、航程、機動性、隱身性、服役壽命、安全可靠性、可維修性等性能起無可置疑的重大影響。現代和未來飛機在高速化、機動化、隱形化、智能化、微型化、無人化、電子化等方面的發展都離不開航空材料的相應發展。飛機對結構材料的性能要求是多方面的,首先是“比強度”,即強度與密度之比,同時綜合考慮其他性能,例如“比剛度”、斷裂韌度、疲勞強度、耐熱性、耐蝕性等。對于功能材料,主要是要求良好的功能特性,例如隱形性能。材料對飛機的影響及飛機對材料的要求“哥倫比亞”穿越大氣層解體時的圖像“哥倫比亞”航天飛機起飛時隔熱片曾被撞擊8復合材料在A380上的應用10

飛機的重量構成結構部件約30%燃料30~35%引擎裝備約20%收益負重15~20%一架總重170噸的飛機，若減重1%，一年可節約300~600萬美元

引擎減輕機翼起落架燃料結構材料減輕效益3－7倍概論

新材料發展的若干技術前沿

新型金屬材料：交通運輸用輕質高強材料，能源動力用高溫耐蝕材料，新型有序金屬間化合物的脆性控制與韌化技術以及高可靠性生產制備技術。金屬玻璃(MetallicGlasses)終結者金屬玻璃比鋼強度高3倍，彈性大10倍。研究前沿：信息功能陶瓷的新制備技術和多功能化及系統集成技術，高性能陶瓷薄膜、異質薄膜的制備、集成與微加工技術，結構陶瓷以及復合材料的補強、韌化技術，先進陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制備技術。耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復合材料西北工業大學張立同院士此項目研制的連續纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料是國際上公認的反映一個國家先進航空航天器制造能力的新型熱結構材料，這也使我國成為繼法國和美國之后第三個掌握此技術的國家。稀土就是化學元素周期表中鑭系元素—鑭（La）、鈰（Ce）、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個元素密切相關的兩個元素—鈧（Sc）和釔（Y）共17種元素，稱為稀土元素，簡稱稀土。稀土金屬稀土提純樣品

“中東有石油，中國有稀土”。稀土曾是讓國人倍感自豪的優勢資源，而今卻略顯尷尬。由于國際市場的壓價行為，以犧牲環境為代價開采出來的稀土資源降到“白菜價”。

AIM-9“響尾蛇”系列導彈的紅外引導頭關鍵部分使用銻化銦材料制造稀土是制造“靈巧炸彈”精密制導武器、雷達夜視鏡等武器裝備不可缺少的元素美國宙斯盾系統雷達使用由中國稀土所制磁鐵

美國武器制造方面對稀土依賴程度非常高國際稀土之爭白熱化日歐美結盟施壓中國;稀土開發伴隨環境污染,中國基于環保節約等考慮實施稀土管制中國打響“稀土保衛戰”設立國家級“特區”,我國首設稀土礦國家規劃區礦區劃定江西贛州;商務部降低2011年首批稀土配額11.4%,部分企業的出口配額甚至減少了三成;國務院關稅稅則委員會關于2011年關稅實施方案的通知》（金屬釹的出口關稅稅率由15%提高至25%納米材料：主要是納米材料制備與應用關鍵技術，固態量子器件制備及納米加工與組裝技術。

SpaceelevatorCarbonNanotubes神奇玻璃能自潔超薄二氧化鈦鍍膜(40nm)能夠分解有機污垢TiO2,光觸媒，在受到大于二氧化鈦能隙寬度的光線照射時（例如紫外光），內部電子會被激發，與空氣的氧氣和水分子發生作用，產生負氧離子和氫氧自由基。透明度，價格防皮膚癌的化妝品奧克斯尼卡公司幾個月前推出一款產品，因為它含有鈦氧化物納米粒子，可以在長達8小時的時間內有效地抵擋UVA和UVB干凈新鮮的衣物美國NanoHorizons公司，SmartSilver抵抗微生物和細菌侵蝕防菌繃帶自動清潔和消毒的洗衣機、電冰箱和空調納米材料的奇特用途能看電影的衣服－OLED定點殺死癌細胞的納米藥物輕巧結實的材料不會被刮花的汽車－納米瓷透明涂料（奔馳汽車）材料智能合成與制備技術，材料表面改性技術的低成本化途徑與批量生產技術，原位復合技術、仿生技術、原子尺度上的設計與排布技術，材料微觀結構的模型化技術、智能化控制及動態實時監測分析技術，不同層次的材料設計、性能預測和評價表征新技術。材料的設計、制備與評價技術：復合材料的發展歷史樹----纖維素纖維+木質素及半纖維素1、復合材料是一個需要長期科學研究的重要領域1）天然復合材料伴隨著自然界的生存與發展天然材料幾乎都是復合材料復合采用了自然規律29

特點:

按照需要自然地生長受了傷自己能夠恢復—再生能力非常強韌的結構骨----膠原纖維的有機物+磷酸鈣的無機物

生命體是多層次意義上的復合體系：生命體基本單位----細胞，是細胞膜、細胞基質、細胞核的復合體，各自擔任營養、信息表達和力學支撐的作用。即使細胞膜也是有磷脂雙分子層，蛋白質組成的復合功能體系。

海膽：家在喜馬拉雅山上海膽有五片刀片般的牙齒，合在一起像一組大鋼牙，正好長在腹部中央。它的食物是海藻，大鋼牙像除草機般，將海底藻類刮得干干凈凈進化的復合材料-海膽牙齒進化的復合材料-貝殼木質素纖維素6000年前人類就已經會用稻草加粘土作為建筑復合材料。水泥復合材料已廣泛地應用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發揮著極為重要的作用。我們住在復合材料里燕子窩：泥土-草復合材料36生活中提煉解決初級水平的裝備問題2）傳統復合材料與人民生活密切相關草莖與泥土的復合玻璃纖維增強塑料373）人類在材料制造方面的局限性也促使復合材料的不斷發展限定在很小的特定性能及機能上人類已進入了能夠制造超天然物質的復合材料階段綜合性角度，要制造像天然物質那樣精巧的復合材料

人類的能力多少顯得有些不夠仿生復合材料發展的源泉382、復合材料的特性決定了其巨大的發展潛力1）單一成分物質,有其來自自身性質的界限高分子材料老化與耐溫性金屬材料的比重與加工性陶瓷材料的脆性新的成型方法和技術不斷開發輕質高強（高性能）多功能（特顯功能）392）復合材料發展趨勢第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強塑料第二代：1960年到1980年，先進復合材料1965年英國科學家研制出碳纖維1971年美國杜邦公司開發出開芙拉-491975年先進復合材料“碳纖維增強及開芙拉纖維增強環氧樹脂復合材料”用于飛機、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纖維增強金屬基復合材料以鋁基復合材料的應用最為廣泛。第四代：1990年以后，主要發展多功能復合材料，如智能復合材料和梯度功能材料等。復合材料(compositematerials):由兩種或兩種以上不同性能、不同形態的組分通過復合工藝組合而成的一種多相材料，它既保持了原組分材料的主要特點又顯示了原組分材料所沒有的新性能。復合材料的定義復合材料一詞，國外起源于20世紀50年底，國內60年代；復合材料是一類成分復雜的多元多相體系，很難準確地予以定義；不同領域的復合材料有不同的含義（工業，現代材料學，狹義）復合材料的特征：可設計性。即通過對原材料的選擇、各組分分布設計和工藝條件的保證等，使原組分材料優點互補，因而呈現了出色的綜合性能；由基體組元與增強體或功能組元所組成；非均相材料。組分材料間有明顯的界面；有三種基本的物理相（基體相、增強相和界面相）；組分材料性能差異很大組成復合材料后的性能不僅改進很大，而且還出現新性能；命名：復合材料可根據增強材料和基體材料的名稱來命名，通常將增強材料放在前面，基體材料放在后面，再加上“復合材料”而構成。復合材料的命名與分類

玻璃纖維/環氧樹脂復合材料玻璃/環氧復合材料環氧玻璃鋼（俗稱）玻璃纖維復合材料（強調增強材料）環氧樹脂復合材料（強調基體材料）

C/C復合材料復合材料的分類：按基體材料分類①聚合物基復合材料:以有機聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體；②金屬基復合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；③無機非金屬基復合材料：包括陶瓷基、碳基和水泥基復合材料。按增強材料形態分類：①纖維增強復合材料：

a.連續纖維復合材料：作為分散相的長纖維的兩個端點都位于復合材料的邊界處；

b.非連續纖維復合材料：短纖維、晶須無規則地分散在基體材料中；②顆粒增強復合材料：微小顆粒狀增強材料分散在基體中；③板狀增強體、編織復合材料：以平面二維或立體三維物為增強材料與基體復合而成。其他增強體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體

復合材料結構示意圖

a)層疊復合b)連續纖維復合c)細粒復合d)短切纖維復合按用途分類①結構復合材料：用于制造受力構件；②功能復合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、光、電、磁、摩擦、屏蔽等）③智能復合材料混雜復合材料復合材料系統組合航空航天工業先進固體發動機－－UHTCF復合材料。飛機減速板、剎車裝置－－C/C復合材料，耐高溫，耐腐蝕、耐摩擦。固體火箭的外殼及噴嘴－－CF/酚醛樹脂復合材料。內燃機活塞、連桿、發動機氣缸－－Al2O3/Al，高溫強度、疲勞強度，熱穩定性。復合材料的應用

交通運輸業超塑鋁合金制造的汽車模型汽車車身、底盤、結構梁、驅動軸、方向盤、操縱桿、發動機罩、散熱器罩等等－－聚合物基復合材料集裝箱、火車車廂、冷藏車－－金屬基復合材料天然氣瓶－－玻璃鋼建筑工業輕型結構房、衛生潔具、冷卻塔、儲水箱－－玻璃鋼外墻、結構梁－－水泥基復合材料造船業交通艇、摩托艇、賽艇、救生艇－－纖維增強復合材料其他行業風機葉片、各種管道、撐桿、高爾夫球棒、網球拍、釣魚桿、微波爐餐具等等－－碳纖維增強聚合物復合材料碳纖維環氧樹脂復合材料降低纖維價格及開發新型纖維擴大復合材料的應用范圍發展新的設計、制備方法和新的復合技術發展混雜纖維復合材料發展功能、多功能、機敏、智能復合材料納米和仿生復合材料復合材料的進展及未來方向復合材料的增強體

增強體是結構復合材料中能提高材料力學性能的組分，在復合材料中起著增加強度、改善性能的作用。增強體的基本特征：能明顯提高材料的一種或幾種性能具有良好的化學穩定性具有良好的潤濕性

增強體的概念

顆粒狀（零維）纖維、晶須狀（一維）片狀（二維）立體編織物（三維）無機非金屬類(共價鍵)有機聚合物類(共價鍵、高分子鏈)金屬類(金屬鍵)。按形態分類：按化學特征分類：

增強體的分類一、玻璃纖維（GlassFibers）一種性能優異的無機非金屬材料具有不燃、耐高溫、電絕然、拉伸強度高、化學穩定性好等優良性能是將熔融的玻璃液，以極快的速度拉成細絲而成無普通玻璃的脆性，質地柔軟而有彈性，可并股、加捻、紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。

無機非金屬纖維

玻璃纖維的制造方法主要有玻璃球法(也稱為坩堝拉絲法)和直接熔融法(也稱為池窯拉絲法)。分類：組成：SiO2+MetalOxides(Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3

）。有堿玻璃纖維，堿性氧化物含量>12%，也稱為A玻璃纖維中堿玻璃纖維，堿性氧化物含量6~12%低堿玻璃纖維，堿性氧化物含量2~6%無堿玻璃纖維，堿性氧化物含量<2%，也稱為E玻璃纖維按含堿量可分為：粗纖維，單絲直徑30μm初級纖維，單絲直徑30μm中級纖維，單絲直徑10~20μm高級纖維，單絲直徑3~10μm按單絲直徑可分為：按纖維的外觀可分為：無捻粗紗、有捻粗紗、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細纖維按纖維的特性分類：高強玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、普通玻璃纖維特性：力學性能：拉伸強度高，模量低熱學性能：耐熱性僅比聚合物好、良好的絕熱性、熱膨脹系數低電學性能：絕緣性好、良好的高頻介電性能。耐介質性能：水中浸泡后，強度降低；除HF外，對酸、堿及有機溶劑有較好的耐腐蝕能力玻璃纖維紗玻璃纖維布玻璃纖維帶玻璃纖維管玻璃纖維氈玻璃纖維制品種類水與玻璃纖維的化學反應過程：—Si—O—Na+H2O→—Si—OH+Na++OH-—Si—O—Si—+H2O→—Si—O—+—Si—OH—Si—O-

+H2O→—Si—OH+OH-影響玻璃纖維強度的因素直徑：拉伸強度隨直徑降低而增加。長度：拉伸強度隨長度降低而增加。化學組成：含堿量越高，強度越低。存放時間：纖維的老化，與含堿量有關。施加負荷時間：纖維的疲勞。玻纖的成型工藝和條件。瞄準新材料之王碳纖維碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕性強、比耐熱鋼耐高溫、又能像銅那樣導電，具有許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料。碳纖維主要被制成碳纖維增強塑料這種復合材料來應用。

二、碳纖維CarbonFibers分類：按先驅體原料：黏膠基碳纖維、瀝青基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維和氣相生長碳纖維。碳纖維：由有機纖維如黏膠纖維、瀝青纖維或聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）纖維在保護氣氛（N2或Ar）下熱處理碳化成含碳量90－99％的纖維。按功能：受力結構用碳纖維；耐焰（火）碳纖維；活性碳纖維（吸附活性）；導電用碳纖維；潤滑用碳纖維；耐磨用碳纖維；耐腐蝕用碳纖維。高性能碳纖維（HP）中強型（MT）高強型（HT）超高強型（UHT）中模型（IM）高模型（HM）超高模型（UHM）按力學性能：通用級碳纖維（GP）UHMHMIMUHTHT拉伸模量/Gpa拉伸強度/Gpa含碳量/%﹥400300~400180~200200~350200~250﹥1.7﹥1.72.7~3.0﹥2.762.0~2.7599.899.096.594.599.0200-300℃，空氣中預氧化1150℃惰性氣體保護PAN基碳纖維的制備過程碳纖維的性能最突出的特點是強度和模量高、密度小（1.5～2.0g/cm3),因而比強度、比模量高。耐高低溫性能好，在惰性氣體保護下，2000℃任保持良好的力學性能。液氮下不脆斷。良好的導電導熱性能，且有方向性。耐腐蝕性，除了強氧化劑如濃硝酸、次氯酸外，一般的酸堿對它的作用小，較GF具有更好的耐腐蝕性。熱膨脹系數小，甚至為負值；摩擦系數小，耐水性比GF好。斷裂伸長率低。碳纖維的不足之處是價格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上，因此大大限制了它的推廣應用。此外碳纖維的抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時會生成二氧化碳。1958年C.P.Talley首先用化學氣相沉積（Chemicalvapourdeposition，簡稱CVD）方法研制成功高模量的硼纖維。現在硼纖維通用的制備方法是在加熱的鎢絲、碳芯或鋁絲表面通過化學反應沉積硼層。硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm幾種。三、硼纖維（BoronFibre，BF或Bf）2BCl3＋3H26HCl＋2B硼沉積的化學反應：硼纖維具有很高的彈性模量和強度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.4~2.65g/cm3，拉伸強度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa。主要用于金屬基復合材料。縱向壓縮強度高于任何纖維復合材料硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。工藝復雜，不易大量生產，其價格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。直徑大、質硬、不能編織，導致成型性差。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結果表明，碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質，但在高溫下易與金屬反應，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。硼纖維的缺點目前SiC纖維的生產有有機合成法和CVD法兩種。SiC纖維是高強度高模量的陶瓷纖維，有良好的耐化學腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。最高使用溫度為1250℃，在1200℃其拉伸強度和彈性模量均無明顯下降，因此比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩定性。此外SiC纖維還具有半導體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復合材料。四、碳化硅纖維（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）氧化鋁纖維是多晶連續陶瓷纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。具有優良的耐熱性和抗氧化性，直到1370℃強度仍下降不大。缺點是在所有纖維中密度最大,3-4g/cm3

。主要用于金屬基復合材料。五、氧化鋁纖維（AluminiaFibre，AF或（Al2O3）f）①芳香族酰胺纖維（AromaticPolymideFibre,Aramid,Kevlar（Dupont）,KF）化學結構特點：含有大量苯環，內旋轉困難，為處于拉伸狀態的剛性伸直鏈晶體苯環與酰胺鍵交替排列對稱性好，結晶性好分子間有氫鍵Kevlar

有機纖維：Kevlar纖維、聚乙烯纖維

Kevlar纖維-49的性能力學性能彈性模量高，CF＞Ef＝125Gpa≈2GF拉伸強度高，3620Mpa，與S-GF、CF-Ⅱ相當密度小，1.45g/㎝3,低于GF、CF良好的韌性各向異性抗蠕變、疲勞性能好抗壓性能、抗扭性能較低－－芳綸的致命弱點。Kevlar纖維的制造過程：這種纖維用干噴濕紡法職稱，具體工藝流程如下：將原料溶于濃硫酸中，制成各向異性液晶紡絲液→擠壓噴絲→干濕紡→溶劑萃取與洗滌→干燥→Kevlar29纖維→在氮氣保護下經550℃熱處理→Kevlar49纖維2）熱性能良好的熱穩定性和耐低溫性。Tc427℃,Tm570℃，直至分解不變形Td500℃,-196℃不變脆，仍能保持其性能。3）化學性能除強酸強堿以外，不受任何有機溶劑、油類的影響。因大量苯環存在，耐紫外光差，吸收水分后，破壞氫鍵，纖維強度降低。聚乙烯纖維是目前國際上最新的超輕、高比強度、高比模量纖維，成本也比較低。通常聚乙烯纖維的分子量大于106，纖維的拉伸強度為3.5GPa，彈性模量為100GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。在纖維材料中，聚乙烯纖維具有高比強度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優異性能。其不足之處是熔點較低（約135℃）和高溫容易蠕變。因此僅能在100℃以下使用。②超高相對分子量聚乙烯纖維（Polyethylene,UHMWPE）各種纖維性能比較各種纖維的柔韌性及斷裂從圖所示的纖維的應力一應變曲線表明，各種纖維在拉伸斷裂前不發生任何屈服。從拉斷后纖維的TEM觀察發現，僅Kevlar49纖維呈韌性斷裂。而碳纖維和玻璃纖維幾乎就是理想的脆性斷裂，斷裂時不發生截面積的縮小。由圖還可以比較各種纖維的彈性模量大小。

比強度和比模量是纖維性能的一個重要指標。聚乙烯纖維具有最佳的比強度和比模量搭配，碳纖維的比模量最高。氧化鋁纖維由于密度最大，因而比模量和比強度較低，比模量最低的是玻璃纖維。晶須（Wisker）是指具有一定長徑比（一般大于10）和截面積小于52×10-5cm2的單晶纖維材料。具有實用價值的晶須直徑約為1～10μm，長度與直徑比在5～1000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。

晶須增強體

金屬晶須（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd）氧化物晶須（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2）陶瓷晶須（如碳化物晶須SiC、TiC、ZrC、WC）硼化物晶須（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2）無機鹽類晶須（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。晶須的制備方法有化學氣相沉積（CVD）法、溶膠—凝膠法、氣液固（VLS）法、液相生長法、固相生長法和原位生長法等。晶須分類：1）剛性顆粒增強體（RagidParticleReinforcement）。顆粒增強體主要是指具有高強度、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、氧化鈦、氮化硅、石墨、細金剛石等。用以改善基體材料性能的顆粒狀材料，稱為顆粒增強體（ParticleReinforcement）

顆粒增強體

顆粒增強體以很細的粉末（一般在10μm以下）加入到基體中起提高耐磨、耐熱、強度、模量等作用。如在Al合金中加入體積為30%，粒徑為0.3μm的Al2O3顆粒,材料在300℃時的拉伸強度仍可達220MPa，并且所加入的顆粒越細，復合材料的硬度和強度越高。

主要為金屬顆粒，加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中增強其韌性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學性能會有所下降。顆粒增強體的特點是選材方便，可根據不同的性能要求選用不同的顆粒增強體。顆粒增強體成本低，易于批量生產。2）延性顆粒增強體（DuctileParticleReinforcement）復合材料設計原理復合材料設計的基本思想

環境載荷材料選擇成型方法及工藝過程檢驗測試可靠性及成本力學分析復合材料設計

復合材料的可設計性各向異性性質彈性常數熱膨脹系數材料強度復合材料的設計不均勻性對復合材料進行分析時，需首先判斷材料內部的拉壓特性，并結合不同的強度準則對其進行分析。此外，復合材料的幾何非線性及物理非線性也是需要特殊考慮的。

復合材料設計的基本思想

對外部環境與載荷的要求選材復合材料的響應代表性單元的性能考察機械載荷熱載荷潮濕環境基體材料增強材料幾何形狀成型方法工藝及工藝過程優化的設計細觀力學方法有限元方法實驗力學方法典型結構的宏觀性能應力場溫度場等設計變量的優化損傷及破壞分析強度準則損傷機理破壞過程復合材料的界面復合材料的界面是指基體與增強相之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷傳遞作用的微小區域。

復合材料的界面是一個多層結構的過渡區域，約幾個納米到幾個微米。復合材料界面的概念1、外力場2、基體

3、基體表面區4、相互滲透區

5、增強劑表面區6、增強劑

一、界面效應界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納為以下幾種效應：（1）傳遞效應：界面可將復合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強相，起到基體和增強相之間的橋梁作用。（2）阻斷效應：基體和增強相之間結合力適當的界面有阻止裂紋擴展、減緩應力集中的作用。（3）不連續效應：在界面上產生物理性能的不連續性和界面摩擦出現的現象，如抗電性、電感應性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩定性等。（4）散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊性等。（5）誘導效應：一種物質（通常是增強劑）的表面結構使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質的結構由于誘導作用而發生改變，由此產生一些現象，如高彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。★界面效應是任何一種單一材料所沒有的特性，它對復合材料具有重要的作用。二、界面的結合狀態和強度界面的結合狀態和強度對復合材料的性能有重要影響。對于每一種復合材料都要求有合適的界面結合強度。界面結合較差的復合材料：大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應力松弛等現象。界面結合最佳態是：當受力發生開裂時，裂紋能轉化為區域化而不進一步界面脫粘；即這時的復合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。界面結合過強的復合材料：則呈脆性斷裂，也降低了復合材料的整體性能。

一、物理相容性：

（1）基體應具有足夠的韌性和強度，能夠將外部載荷均勻地傳遞到增強劑上，而不會有明顯的不連續現象。（2）由于裂紋或位錯移動，在基體上產生的局部應力不應在增強劑上形成高的局部應力。（3）基體與增強相熱膨脹系數的差異對復合材料的界面結合及各類性能產生重要的影響。

復合材料組分的相容性★對于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數。這是因為熱膨脹系數較高的相，從較高的加工溫度冷卻是將受到張應力；對于脆性材料的增強相，一般都是抗壓強度大于抗拉強度，處于壓縮狀態比較有利。

★而對于像鈦這類高屈服強度的基體，一般卻要求避免高的殘余熱應力，因此熱膨脹系數不應相差太大。二、化學相容性：★對原生復合材料，在制造過程是熱力學平衡的，其兩相化學勢相等，比表面能效應也最小。★對非平衡態復合材料，化學相容性要嚴重得多。

1）相反應的自由能

F：小

2）化學勢U：相近

3）表面能T：低

4）晶界擴散系數D：小三、復合材料的界面理論

1、界面潤濕理論界面潤濕理論是基于液態樹脂對纖維表面的浸潤親和，即物理和化學吸附作用。

浸潤不良:會在界面上產生空隙，導致界面缺陷和應力集中，使界面強度下降。

良好的或完全浸潤:可使界面強度大大提高，甚至優于基體本身的內聚強度。

根據力的合成：

Lcos

=

S-

SL

粘合功可表示為：WA=

S+

L-

SL=

L（1+cos

）粘合功WA最大時：cos

=1，即

=0，液體完全平鋪在固體表面。同時：

=

SL,

S=

L

潤濕是組分良好粘結的必要條件，并非充分條件。

2、機械作用理論：當兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發生機械互鎖。

盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應力集中點。3、靜電理論：當復合材料不同組分表面帶有異性電荷時，將發生靜電吸引。僅在原子尺度量級內靜電作用力才有效。4、化學鍵理論：在復合材料組分之間發生化學作用，在界面上形成共價鍵結合。在理論上可獲得最強的界面粘結能（210-220J/mol）。5、界面反應或界面擴散理論在復合材料組分之間發生原子或分子間的擴散或反應，從而形成反應結合或擴散結合。四、界面的表征

1、界面結合強度的測定

1）三點彎曲法：★測定界面拉伸強度時纖維的排布

★測定界面剪切強度時纖維的排布

2）聲發射（AcousticEmissin，AE）法：聲發射是當固體材料在外部條件（如載荷、溫度、磁場、環境介質等）發生變化時，由于其內部原因而產生的瞬時彈性應力波發射。聲發射信號包括有材料內部缺陷或微觀結構變化動態信息，借助靈敏的電子儀器可以檢測到聲發射信號。用儀器檢測分析聲發射信號，推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術。富碳處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為

富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過程中的AE行為

2、界面結構的表征界面的微觀結構、形貌和厚度可通過先進儀器觀察分析。包括：俄歇電子譜儀（AES）、電子探針（EP）

X光電子能譜儀（XPS）掃描二次離子質譜儀（SSIMS）電子能量損失儀（EELS）

X射線反射譜儀（GAXP）透射電子顯微鏡（TEM）掃描電鏡（SEM）、拉曼光譜（Raman）等

TiB2纖維表面涂層SiCF/Ti復合材料界面SEM3、界面殘余應力及其表征（1）界面殘余應力

復合材料成型后，由于基體的固化或凝固發生體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強體則體積相對穩定使界面產生內應力，同時又因增強體與基體之間存在熱膨脹系數的差異，在不同環境溫度下界面產生熱應力。這兩種應力的加和總稱為界面殘余應力。

（A）界面殘余應力可以通過對復合材料進行熱處理，使界面松弛而降低，但受界面結合強度的控制，在界面結合很強的情況下效果不明顯。

（B）界面殘余應力的存在對復合材料的力學性能有影響，其利弊與加載方向和復合材料殘余應力的狀態有關。已經發現，由于復合材料界面存在殘余應力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。2、界面殘余應力的測量主要方法X射線衍射法和中子衍射法。

★中子的穿透能力較X射線強，可用來測量界面內應力；其結果是很大區域的應力平均值。

★

X射線衍射法只能測定樣品表面的殘余應力。目前，應用最廣泛的仍是傳統的X射線衍射法。

第四章復合材料的復合理論

一、復合材料增強機制

1、顆粒增強復合材料增強機制基體和顆粒共同承受外來載荷；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了錯的流動性。另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒前受阻，發生應力鈍化或擴展路徑發生偏轉，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。顆粒增強復合材料的屈服強度可有下式表示：式中：

σy

－復合材料屈服強度；Gm

－基體的切變模量；

b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；C－常數

VP

－顆粒體積分數；Gp

－顆粒的切變模量。2、彌散增強復合材料增強機制基體是承受外來載荷的主要相；顆粒起著阻礙基體位錯運動的作用，從而降低了錯的流動性。另外，復合材料中的裂紋的擴展在顆粒前受阻，發生應力鈍化或擴展路徑發生偏轉，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強度。彌散增強復合材料的屈服強度可由下式表示：式中：

σy

－復合材料屈服強度；Gm

－基體的切變模量；

b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；

VP

－顆粒體積分數。3.纖維（包括晶須、短纖維）復合材料增強機制基體：通過界面將載荷有效地傳遞到增強相（晶須、纖維等），不是主承力相。

纖維：承受由基體傳遞來的有效載荷，主承力相。受力分析如下：

假定：纖維、基體理想結合，且松泊比相同；在外力作用下，由于組分模量的不同產生了不同形變（位移），在基體上產生了剪切應變，通過界面將外力傳遞到纖維上。短纖維增強復合材料的拉伸強度可由下式表示：式中：σm*－與纖維的屈服應變同時發生的基體應力；

σfF

－纖維的平均拉伸應力；

Vf－纖維的體積分數；

l

－纖維的長度；

lc

－最大拉應力等于纖維斷裂強度時纖維的強度，纖維的臨界長度，。分析上式可得：（1）l/lc愈大，復合材料的拉伸強度愈大。當l/lc＝10時，增強效果可達到連續纖維的95%。（2）引入纖維直徑d，

（l/d）c

為纖維臨界長徑比，當（l/d）c

10時，復合材料可獲得理想的增強效果。二、復合材料的復合法則—混合定律1、混合定律：當復合材料滿足以下條件:(連續纖維增強）（1）復合材料宏觀上是均質的，不存在內應力；（2）各組分材料是均質的各向同性及線彈性材料；（3）各組分之間粘結牢靠，無空隙，不產生相對滑移。復合材料力學性能同組分之間的關系

Xc=XmVm+XfVf或

Xc=XfVf+Xm（1-Vf）

式中：X：材料的性能，如強度、彈性模量、密度等；

V：材料的體積百分比；下腳標c、m、f分別代表復合材料、基體和纖維。2、連續纖維單向增強復合材料

彈性模量、抗張強度、泊松比、剪切強度等性能均符合混合定律。如果考慮界面效應，通常是在纖維的影響因子前面乘以一個系數。在平行于纖維長度方向的強度計算，主要考慮基體的強度和纖維與基體的結合強度。3、短纖維增強復合材料

短纖維復合材料的強度與纖維長度的關系示意圖

第五章復合材料的基體（Matrix）材料一、聚合物聚合物包括：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或固態預聚體，經加熱或加固化劑發生交聯化學反應并經過凝膠化和固化階段后，形成不溶、不熔的三維網狀高分子。

三維網狀高分子示意圖

主要包括：環氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹脂等。各種熱固性樹脂的固化反應機理不同，根據使用要求的差異，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（120

C左右）和高溫固化（170

C以上）。這類高分子通常為無定型結構。具有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性能和尺寸穩定性好等優點。2、熱塑性聚合物:它們是一類線形或有支鏈的固態高分子，可溶、可熔，可反復加工而無化學變化。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）和特種耐高溫聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。這類高分子分非晶（或無定形）和結晶兩類。通常結晶度在20-85%之間。具有質輕、比強度高、電絕緣、化學穩定性、耐磨潤滑性好，生產效率高等優點。與熱固性聚合物相比，具有明顯的力學松弛現象；在外力作用下形變大；具有相當大的斷裂延伸率；抗沖擊性能較好。

熱塑性聚合物狀態與溫度的關系1非晶態聚合物的溫度-形變曲線2

結晶態聚合物的溫度-形變曲線3、常用熱固性樹脂：

1)環氧樹脂(EP):

一種分子中含有兩個或兩個以上活性環氧基團(—C—C—)的低聚物。

O按化學結構分類如下：縮水甘油醚

縮水甘油類縮水甘油胺

縮水甘油酯

脂環族EP

脂肪族EP環氧樹脂是線型結構，必須加入固化劑使它變為不溶不熔的網狀結構才有用途。常用的固化劑包括脂肪族或芳香族胺類，有機多元酸或酸酐等。

按固化工藝可分為三大類：1）含有活潑氫的化合物，它仍在固化時發生加成聚合反應；2）離子型引發劑，它可分陰離子和陽離子；3）交聯劑，它能與雙酚A型環氧樹脂的氫氧基進行交聯。

2)雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）

雙馬樹脂是馬來酸酐與芬香族二胺反應生成預聚體，再高溫交聯而成的一類熱固性樹脂。交聯后的雙馬樹脂具有不熔、不溶的特點，有高的交聯度，固化后的密度在1.35

1.4g/cm3之間，玻璃化溫度（Tg）在250

300

C之間，使用溫度為150

200

C。熱固性樹脂的力學性能表

2、熱塑性樹脂：1）聚醚醚酮（PEEK）PEEK是一種半結晶型熱塑性樹脂，其玻璃化轉變溫度為143

C，熔點為334

C，結晶度一般在20-40%，最大結晶度為48%。PEEK在空氣中的熱分解溫度為650

C，加工溫度在370

420

C，室溫彈性模量與環氧樹脂相當，強度優于環氧，斷裂韌性極高，具有優秀的阻燃性。

PEEK基復合材料可在250

C的溫度下長期使用。2）聚苯硫醚（PPS）

結晶型聚合物，耐化學腐蝕性極好，在室溫不溶任何溶劑，可長期耐熱至240

C。

3）聚醚砜（PES）

非晶聚合物，玻璃化轉變溫度225

C，可在180

C下長期使用；有突出的耐蠕變性、尺寸穩定性；熱膨脹系數與溫度無關，無毒，不燃。4）熱塑性聚酰亞胺聚醚酰胺（PEI）：長期使用溫度為180℃。

聚酰胺酰亞胺（PAI）：Tg達280℃，長期使用溫度為240

C。

高聚物特征溫度：玻璃化轉變溫度Tg，

熔點Tm和粘流溫度TfTg以下：為硬而脆或硬而韌的固體玻璃態；Tg附近：非晶高聚物轉變成軟而有彈性的橡膠態；半晶高聚物轉變成軟而韌的皮革態；熱塑高聚物Tg

基本固定；熱固高聚物Tg隨其交聯度的增加而增加。當交聯度很高時，達到Tg后無明顯的軟化現象。Tm（結晶）：成為高粘度的流體。Tf（非晶）：成為高粘度的流體。溫度及加載速度對高聚物力學性能的影響

二、金屬1用于450

C以下的輕金屬基體包括：鋁、鎂及其合金1.1

鋁及其合金:鋁面心立方結構，無同素異構轉變。熔點為660

C，密度2.7g/cm3。塑性優異，導熱、導電性能好；化學活性高，強度不高。鋁合金中常用的合金元素有銅、鎂、鋅、錳和硅等。可分變形鋁合金和鑄造鋁合金(ZL)。其中：變形鋁合金可分為:防銹鋁(LF)、硬鋁（LY）、超硬鋁(LC)、鍛鋁（LD）。★固溶處理是指通過加熱使合金中第二相完全溶入

相中，并通過擴散均勻化，以固溶強化方式強化合金。

★

淬火：是指固溶處理后用水或其它介質將合金急冷至室溫，獲得最大飽和度的均勻固溶體。

★時效處理指通過過飽和度固溶體的分解,析出介穩定的第二相(過渡

相)并彌散分布。通過時效鋁合金的強度和硬度明顯提高。鋁合金的相圖

1.2鎂及其合金:鎂具有密排六方結構，密度為1.74g/cm3。鎂的強度和模量都很低，但比強度、比模量較高。其室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好，可進行各種形式的熱變形加工。

鎂的合金化也是利用固溶強化和時效強化來提

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Mg-AL-Zn系和

Mg-Zn-Zr系，分變形鎂合金和鑄造鎂合金。

鎂-鋁合金相圖

鎂-鋅合金相圖

2、用于450

700

C復合材料的金屬基體（鈦及其合金）鈦的密度為4.51g/cm3，熔點1678

C，熱膨脹系數7.35

10-6/K，導電和導熱性差，耐腐蝕性良好。鈦有兩種同素異構結構。882.5

C以下為密

排六方結構（

-Ti）；882.5

C以上至熔點為體心立方結構（

-Ti）。鈦合金復合材料中常用鈦及鈦合金成分及性能

3、用于1000

C高溫復合材料的金屬基體3-1高溫合金高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總稱，在高溫下具有很的持久、蠕變和疲勞強度。為了獲得高強度與高蠕變抗力，合金元素必須保證產生在高溫下強而穩定的顯微組織。強化方式：固溶強化、彌散強化和析出硬化。

例如：奧氏體基體和彌散分布于其中的強化相形成高溫合金。其中：強化相可以是碳化物相、金屬間化合物相或穩定化合物質點。

★鐵基高溫合金：可做中溫使用的另部件，如700

C以下使用的發動機渦輪盤，作為高溫板材的固溶強化型鐵基高溫合金的使用溫度在900

C以下。高溫合金基體的力學性能

★鎳基合金：用來制造使用溫度更高的、受力苛刻的熱端部件，如渦輪葉片、導向葉片、燃燒室等。

★鈷基高溫合金廣泛用作導向葉片，具有良好的抗熱腐蝕性和抗冷熱疲勞性能。3-2金屬間化合物(IntermetallicCompound)

概念：金屬與金屬或金屬與類金屬之間形成的中間相化合物。決定金屬間化合物相結構的主要因素有電負性、尺寸因素和電子濃度等。金屬間化合物可分結構金屬間化合物和功能金屬間化合物兩大類。常見

AB、A2B、A3B、A5B3、A7B6型等化合物；根據組成元素，可分為鋁化物、硅化物和鈹化物。金屬間化合物晶體結構雖然復雜，但從原子結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，具有某種程度的共價鍵特征，導致熔點升高及原子間鍵出現方向性。金屬間化合物往往具有一定的固溶度，偏離當量成分，有序度降低，缺陷增加。

例如：Ti-Al系金屬間化合物具有低密度、高強度、高剛度、以及良好的高溫、抗蠕變和抗氧化性能。Ti-Al系金屬間化合物一般分

2-Ti3Al和

-TiAl兩類。

三、陶瓷陶瓷是金屬與與非金屬的固體化合物，以離子鍵（如MgO、Al2O3）、共價鍵（金剛石、Si3N4、BN）以及離子鍵和共價鍵的混合鍵結合在一起。陶瓷材料的顯微結構通常由晶相、玻璃相和氣相（孔）等不同的相組成。優點：陶瓷材料具有熔點高、硬度大、化學穩定性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化和腐蝕、比重小強度和模量高等優點，可在各種苛刻的環境下工作；另一方面，陶瓷材料在磁、電、光、熱等方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。陶瓷材料的致命弱點：是脆性大、韌性差，常因存在裂紋、空隙、雜質等缺陷而引起不可預測的災難性后果。

陶瓷基復合材料是改變其脆性、提高韌性的有效途徑。用于復合材料陶瓷基體主要有氧化物（Al2O3等）、氮化物（Si3N4等）和碳化物（SiC等）。

1、氧化物陶瓷

氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2和莫來石（3Al2O32SiO2）陶瓷等。其熔點在1700

C以上，主要為單相多晶結構，還可能有少量氣相（氣孔）。微晶氧化物的強度較高；粗晶結構時，晶界殘余應力較大，對強度不利。氧化物陶瓷的強度隨環境溫度升高而降低。這類材料應避免在高應力和高溫環境下使用。這是因為Al2O3和ZrO2的抗熱震性差；SiO2在高溫下容易發生蠕變和相變等。

2、非氧化物陶瓷

主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特點：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很強。碳化物、硼化物的抗熱氧化溫度約900-1000

C，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度可達1300-1700

C。

★

氮化硅（Si3N4）屬六方晶系，有

、

兩種晶相。其強度和硬度高、抗熱震和抗高溫蠕變性好、摩擦系數小，具有良好的耐（酸、堿和有色金屬）腐蝕（侵蝕）性。抗氧化溫度可達1000

C，電絕緣性好。

★

-SiC屬六方晶系，

-SiC屬等軸晶系。高溫強度高，具有很高的熱傳導能力以及較好的熱穩定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性。★氮化硼具有兩種結構：A、類似石墨的六方結構，可作為高溫自潤滑材料在高溫（1360

C）和高壓作用下可轉變成立方結構的

-氮化硼。B、

-氮化硼立方結構，耐熱溫度高達2000

C，硬度極高，可作為金剛石的代用品。

4、

玻璃陶瓷（微晶玻璃）許多無機玻璃可通過適當的熱處理使其由非晶態轉變為晶態，這一過程稱為反玻璃化。對于某些玻璃反玻璃化過程可以控制，最后能夠形成無殘余應力的微晶玻璃。這種材料成為玻璃陶瓷。密度為2.0-2.8g/cm3,彎曲強度為70-350MPa,彈性模量為80-140GPa。玻璃陶瓷具有熱膨脹系數小，力學性能好和導熱系數較大等特點。如：鋰鋁硅（Li2O-Al203-SiO2，LAS）玻璃陶瓷的熱膨脹系數幾乎為零，耐熱好。鎂鋁硅（MgO-Al203-SiO2，MAS）玻璃陶瓷的硬度高，耐磨性好。四、碳（石墨）熔點：3550

C（超過3500

C開始升華）；沸點：4200

C。

同素異形體：金剛石、石墨、無定形碳。比重：無定形碳為1.88、石墨為2.25、金剛石為3.51。

第六章復合材料增強劑(Reinforcement)

纖維及其織物、晶須、顆粒一、復合材料增強劑的特點（圖7–1）1、具有很低的比重；2、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；3、它們大多數都是以結合力很強的共價鍵結合；4、具有很高的比強度、比剛度和高溫穩定性。不同復合材料增強劑的強度和模量

二、纖維1、無機纖維1-1、玻璃纖維（GlassFiber）玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經熔融后以快的速度抽絲而成。質地柔軟，可紡織成各種玻璃布、帶等。伸長率和熱膨脹系數小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價格便宜，品種多。缺點是不耐磨、易折斷，易受機械損傷。性能

纖維類別有堿A化學C低介電D無堿E高強度S粗纖維R高模量M拉伸強度，GPa3.13.12.53.44.584.43.5彈性模量，GPa737455718586110延伸率，%3.63.374.65.2密度，g/cm32.462.462.142.52.52.552.89玻璃纖維品種性能一覽表

1-2、碳纖維

碳纖維是由有機纖維經固相反應轉變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量95%左右的稱為碳纖維；含碳量99%左右的稱為石墨纖維。碳纖維比重小，比強度、比模量大見下表，耐熱性和耐腐蝕性好，成本低，批生產量大，是一類極為重要的高性能增強劑。制備碳纖維的主要原材料有人造絲（粘膠纖維）聚丙烯腈（PAN）纖維和瀝青（Pitch）等。經過分為五個階段：1）拉絲：濕法、干法或熔融紡絲法。2）牽伸：通常在100

300

C范圍內進行，控制著最終纖維的模量。3）穩定：在400

C加熱氧化。顯著地降低熱失重，保證高度石墨化、取得更好的性能。4）碳化：在1000

2000

C范圍內進行。5）石墨化：在2000

3000

C范圍內進行。碳纖維制備工藝流程PAN基碳纖維制備工藝流程：PAN原絲空氣中預氧化，施張力使纖維伸長約10%。(200

300

C)

1150

惰氣中碳化1h，施張力約0.5N/束。

碳纖維(低模高強)2100

C石墨化惰氣中1分鐘，施張力約1

2N/束。石墨纖維(高模高強)

碳化過程：

有機化合物在惰性氣氛中加熱到1000-1500

C時，非碳原子（氮、氫、氧等）將逐步被驅除，碳含量逐步增加，固相間發生一系列脫氫、環化、交鏈和縮聚等化學反應，此階段稱為脫碳過程，形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。石墨化過程：

當溫度升到2000

3000

C時，非碳原子進一步排除，反應形成的芳環平面逐步增加，排列也較規則，取向度顯著提高，由二維亂層石墨結構向三維有序結構轉化，此階段稱為石墨化過程。形成的石墨纖維彈性模量大大提高。 碳纖維熱處理溫度與強度及彈性模量的關系不同品種碳纖維的力學性能

2、陶瓷纖維

2-1、硼纖維（BoronFiber）

制備工藝：化學氣相沉積（CVD）。

2BCl3+3H2

2B

+6HCl

中心是碳纖維或鎢纖維典型性能：

直徑：100

140

m；抗張強度：3500MPa彈性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3狀態：連續單絲。硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在400

C時可保持室溫強度的80%；在高于500

C的氧化氣氛中幾分鐘其強度就迅速下降；在650

C時將失去所有的性能。同時其成本也較高，成本下降的潛力也不大。室溫下硼纖維的化學穩定性好，但表面具有活性，不需要處理就可與樹脂復合，其復合材料具有較高的層間剪切強度。對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金屬反應，需要在纖維表面沉積保護涂層，如SiC和B4C等。硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復合材料。2-2、氧化鋁纖維(AluminaFiber)

氧化鋁纖維是多晶纖維，具有很好的機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，有

-、

-、

-Al2O3

連續纖維和

-Al2O3

短纖維。

-Al2O3

與樹脂及熔融金屬的相容性好，氧化鋁纖維主要用于金屬基復合材料。缺點是密度較大。纖維比重(g/cm3)直徑(

m)拉伸強度

(MPa)拉伸模量(GPa)最高使用溫度（

C）熔點（

C）Tyco法3.99250240046020002040三M法2.511175015013002040ICI法3.43100010016002040DuPont法3.920140030011002040住友化學法3.29260025013002040各種氧化鋁纖維的性能2-3、碳化硅纖維碳化硅纖維具有很高的比強度、比剛度，耐腐蝕、抗熱震、熱膨脹系數小、熱傳導系數大等優點同時還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能可保持到1200

C。其成本下降的潛力很大。適合于制備樹脂、金屬及陶瓷基復合材料。碳化硅纖維的制備方法有先驅體轉化法和CVD法兩種。1）先驅體轉化法1975年由日本矢島教授首先研制成功。有Nicalon（尼卡隆）和Tyranno（奇拉隆）兩種商品。纖維呈束狀，每束500根左右，每根纖維10

m左右。

聚碳硅烷紡絲聚碳硅烷纖維N2下高溫處理Nicalon（尼卡隆）

2）CVD法制備SiC纖維直徑：100

140

m；抗張強度：3500MPa

彈性模量：400GPa；密度：3.0

3.4g/cm3

狀態：連續單絲。制備方法：將基體絲連續通過玻璃管狀反應器，并在加熱到1200~1300

C的同時通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應氣體反應氣體在熱絲上發生熱解反應生成SiCCH3SiCl3+H2

SiC

+HCl

+???

并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續SiC纖維各種SiC纖維的性能比較纖維密度（g/cm3）彈性模量（GPa）拉伸強度（MPa）比模量(GPa/g/cm3)比強度（MPa/g/cm3）Nicalon

CVD-W芯CVD-C芯Tyranno晶須2.603.43.02.43.22504004002807002500360036002400~2000096.2117.6133.3116.7218.8961.51058.81200.01000.0~6250.0三、晶須（Whisker）

晶須是指具有一定長徑比和截面積小于52

10-5cm2的單晶纖維材料。其直徑為0.1到幾個微米,長度為數十到數千微米。但具有實用價值的晶須的直徑約為1-10微米,長徑比在5–100之間。晶須是含缺陷很少的單晶纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。ZnO晶須微觀形貌

SiC晶須微觀形貌

晶須的制備方法有：化學氣相沉積（CVD）法、溶膠-凝膠法、氣液固法、液相生長法、固相生長法和原位生長法等。制備陶瓷晶須經常采用CVD法。即通過氣體原料在高溫下反應，并沉積在襯底上而長成晶須。例如CVD法制備SiC晶須的基本反應式為：

CH3SiCl3（g）+H2

SiC

+HCl（g）CVD法制備難溶金屬氮化物和碳化物的基本反應式為：2MCl4（g）+4H2+N2=2MN（s）

+8HCl（g）MCl4（g）+CH2=MC（s）

+4HCl（g）VLS法制備SiC晶須的過程是：在預選高溫將觸媒固體顆粒（

30

m）熔化成液態觸媒球，通入氣相源(H2、CH4、SiO)，氣相中的碳、硅原子被液球吸收溶解形成過飽和的碳硅溶液，以SiC的形式沉積在支撐襯底上。沉積不斷進行，晶須不斷生長，觸媒球被生長著的晶須抬起，繼續吸收、溶解和沉積。固相生長法的典型實例利用稻殼法制備SiC晶須具體反應是：

稻殼(700-900

C、無氧氣氛)

SiO2(s)

+C(s)

SiO2（s）

+3C（s）

SiC

+2CO(g)晶須不僅具有優異的力學性能，而且許多晶須具有各種特殊性能，可用來制備各種性能優異的功能復合材料。晶須的成本較高，影響其應用。目前已開發出許多低成本晶須，如K2Ti6O13等。另外晶須在基體材料中的分散工藝也是目前需要解決的問題之一。

四、顆粒（Particle）

具有高強度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，加入到基體材料中起提高耐磨、耐熱、強度、模量和韌性的作用。其成本低，易于批量生產。

另外，還有一種顆粒增強體稱為延性顆粒增強體（DuctileParticleReinforcement），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起到增韌作用。如Al2O3中加入Al、Ni，WC中加入Co等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學性能有所下降。

第七章聚合物復合材料（PMC）制備工藝7.1聚合物復合材料的分類7.1.1纖維增強（FRC）（1）按纖維形態：連續纖維和非連續纖維；（2）按鋪層方式：單向；織物；三維；（3）按纖維種類：玻璃纖維；碳纖維；芳綸（Kevlar）纖維；混雜纖維；7.1.2晶須增強（WRC）7.1.3粒子增強（PRC）7.2聚合物復合材料的性能（1）高比強、高比模量。（2）設計性強、成型工藝簡單。（3）熱膨脹系數低，尺寸穩定。（4）耐腐蝕、抗疲勞性能好。（5）減震性能好。（6）高溫性能較好。（7）安全性能好。聚合物復合材料與幾種金屬材料的力學性能比較材料GFRP玻璃纖維增強熱固性塑料（玻璃鋼）CFRP碳纖維增強熱固性塑料鋼鋁鈦密度,g/cm32.01.67.82.84.5拉伸強度,GPa1.21.81.40.481.0比強度6001120180170210拉伸模量,GPa4213021077110比模量2181272725熱膨脹系數(10-6/K)80.212239.07.3聚合物復合材料的制備工藝7.3.1預浸料/預混料制備預浸料是指定向排列的連續纖維（單向、織物）浸漬樹脂后所形成的厚度均勻的薄片狀半成品。預混料是指不連續纖維浸漬樹脂或與樹脂混合后所形成的較厚的片（SMC、GMT）團狀（BMC）或粒狀半成品以及注射模塑料（IMC）。

SMC片狀模塑料；

GMT玻璃氈增強熱塑性塑料；

BMC團狀模塑料；IMC顆粒狀注射模塑料；

后浸漬技術：預浸料中樹脂以粉末、纖維或包層等形式存在，對纖維的完全浸漬要在復合材料成型過程中完成。（1）預浸料制備：（2）預混料制造

a.SMC(片狀模塑料)和BMC(團狀模塑料)制造：這是一類