第四部分-无机复合与生物材料

第四部分无机复合与生物材料,复合材料无机生物材料,第九章无机复合材料,概述粒子改性复合材料陶瓷基纤维复合材料陶瓷基晶须复合材料碳/碳复合材料梯度功能复合材料,9.1概述,材料复合的目的是为提高和改善材料的综合性能复合材料已成为当今材料研究和应用领域的热点,复合材料通常包括基体相和增强相，基体相为连续相，将改善性能的增强相固结成一体，是传递应力的主体；增强相则往往起到承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用,复合材料既能保持原组成材料的重要特性，又可通过复合效应产生原组分不具备的许多优良性能,9.1.1复合材料的分类,复合材料三要素,增强相材料状态,基体材料,复合方式,复合材料分类,9.1.2复合材料的特点,1.比强度和比模量高,2.抗疲劳性能好,碳纤维复合材料,玻璃纤维复合材料,基材,不但增强相本身的优异抗疲劳性能会使复合材料增益（碳纤维复合材料），增强相与基体相的界面往往也能有效阻止初发疲劳裂纹的扩展(如玻纤复合材料),疲劳次数,3.高温性能好,含高熔点增强材料的复合材料其高温下的强度和模量往往也较高,氧化铝晶须,碳纤维,硼纤维,钠玻璃纤维,SiC纤维,钨纤维,4.减振性能好,复合材料为多相体系，其大量的界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振，故振动波在复合材料中的衰减快，提高了减振性能,9.2粒子改性复合材料,这类复合材料主要是基体承受载荷,在基体中呈高度分散状态的增强相粒子，可阻碍聚合物中大分子链的运动；阻止金属产生位错；屏蔽陶瓷裂纹，以此起到强化基体的作用,9.2.1复合原理,粒子增强复合材料的密度满足混合律,cfiif11f22fnn,粒子增强复合材料的力学性质则不仅受构成相的性质支配，而且强烈依赖于复合产生的叠加、结构、界面等复合效应。对于立方体粒子增强的复合材料，模量近似为,9.2.2陶瓷基粒子复合材料（p-CMC）,添加一种或一种以上异相粒子是陶瓷采用最多的强化增韧改性方法，特点是工艺简单，粒子尺寸及分布容易控制，成效明显,1.力学性能影响因素,弥散粒子与基体的界面结合状态,弥散相增强粒子与基体间的性能匹配情况，即热膨胀系数、弹性模量和韧性（断裂能）等的区别,几何因素，如弥散粒子大小、形状、体积比、分散状态、位置等,2.强化增韧机理,（1）dpdm,基体（m）和弥散相（p）晶粒尺寸（d）和热膨胀系数（）匹配不同，强化增韧机制亦不同,可能的机制是裂纹的偏折或分枝,（2）dpEm使基体预置压应力，提高强度和韧性,9.3.2f-CMC常用纤维,9.3.3f-CMC制备方法,1.短纤维成型烧结法,将熔体喷吹或离心法制备的短纤维与陶瓷粉料（或浆料）混合后成型烧结而成。混合时运用超声工艺可使纤维分散更均匀，制件性能更好,2.长纤维预成型法,先将长纤维预编织（三维或二维叠层）形成骨架，再通过陶瓷粉料填充、料浆或溶胶浸渍后的烧结，或用CVD法将陶瓷基料成分沉积填充于纤维骨架间（无需烧结）等方法制备f-CMC其中，CVD法可制备出各种形状复杂的f-CMC,三维编织,增强纤维预编织方法,双轴编织,三轴编织,9.3.4应用例SiC纤维f-CMC,（SiC纤维由在钨丝上沉积SiC制得）,9.4陶瓷基晶须复合材料（w-CMC）,与f-CMC相比，w-CMC在制备工艺上较方便，且已有高品质SiCSi3N4晶须工业产品,使w-CMC的大规模的制备和应用成为可能,9.4.1晶须强化增韧的机理,w-CMC中，晶须产生强化增韧作用的前提是晶须能有效分担载荷，为此，1）晶须要均匀分散在陶瓷基体中；2）晶须和基体的界面结合必须足够强，以保证载荷的转移和基体的断裂延伸率大于晶须,w-CMC中，强化增韧主要是靠裂纹的偏折和晶须的拔出：,导致裂纹偏折的增强相形状不同，增韧效果亦明显不同,当裂纹尖端的应力场使两相界面结合变得足够弱，就会产生晶须拔出现象。同时，在裂纹尖端处，晶须的桥联作用使应力集中显著降低，亦使基体得以增韧,9.4.2晶须强化增韧的条件,（1）mw,这种条件下，w-CMC制备冷却时，两相界面的晶须侧受压应力，基体侧则为张应力，从而使界面获得力学结合反之若wm，则无有效界面结合,（2）晶须的半径RRc,即使满足条件（1）,若基体侧的张应力过大，基体侧产生的微裂纹也将有损于界面结合。防止微裂纹产生的的条件是晶须半径须小于某一临界值,基体的断裂韧性,泊松比,烧结温度与室温差值,晶须与基体的线膨胀系数差值,（3）晶须分散均匀,晶须若分散不均，将严重影响整体烧结过程：在晶须聚集区，会形成气孔和大缺陷；而在缺少晶须的区域，也不会有晶须的强化增韧作用因此，晶须分散对f-CMC至关重要,9.4.3应用例SiC晶须的强化增韧作用,9.5碳/碳复合材料（Cf/C）,Cf/C是以碳素材料为基体相的碳纤维复合材料。不但强度和刚度相当好，而且能承受极高的温度和升温速率，高温力学性能甚至好于室温，耐磨、抗疲劳和化学稳定性也令人侧目，成为高温结构材料的翘楚,9.5.1碳/碳复合材料的制备,酚醛树脂、环氧树脂,糠醛（高碳）树脂,甲烷热解碳沉积,双向、多向、极向编织成型,9.5.2性能与应用,（1）抗烧蚀性能突出,烧蚀是飞行器再入大气层时，在热气流的机械作用下，藉由表层材料的质量迁移产生的热耗损过程。Cf/C是最好的抗烧蚀材料，特点是烧蚀量小，烧蚀（碳升华）耗热高，可对被覆体进行最有效的再入保护,（2）耐摩擦性能优异,Cf/C虽质轻，但特别耐磨，极好的高温力学性能确保其能够经受高速摩擦所产生的高温作用，是性能优异的高速刹车片材料,由于高温机械强度高、电阻大，可用作大型薄壁发热体，如热等静压机中壁厚仅几毫米的Cf/C发热元件，可在2500下工作还可制作螺钉、螺栓、螺母等高温紧固件,（3）耐用的电热和高温机械部件材料,（4）轻质高强的汽车材料,随着能源形势恶化，车体轻量化成为发展趋势，于是轻质高强的Cf/C成为未来车用材料的理想选材，可制成各种汽车零部件：1）发动机系统的推杆、连杆、摇杆、油盘、水泵叶轮、活塞等；2）传动系统的传动轴、万轮箍、变速箱、加速装置及罩等；底盘系统的底盘、悬置件、弹簧片、框架、横梁、散热器等；车体中的车顶内外衬、箱板、侧门等,（5）Cf/C在航天飞机上的应用,减轻重量：2268kg,方向舵和减速板机身挡遮板,Cf/C鼻锥帽,Cf/C机翼前缘,副翼,9.6梯度功能复合材料(Functionalgradientmaterials,FG