陶瓷基复合材料

1、第七章第七章 无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料一、纤维的分类-按化学组成分无机纤维：有机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、晶须、石棉纤维及金属纤维等芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维等1.1.玻璃纤维玻璃纤维 玻璃纤维玻璃纤维（GF:Glass Fiber），）， GF于1893年在美国研制成功，并于1938年在美国实现工业化。自从1946年GF/环氧树脂复合材料成功的应用于固体火箭发动机的壳体，由于军事工业的需求，GF及其复合材料在50年代以后得到了迅猛发展，目前有30多个国家生产GF，品种有40005000种。 我国于1958年开始生产GF，

2、发展速度很快，但产品等级比较低，对某些高性能的GF目前还不能自主生产。玻璃纤维单丝玻璃纤维单丝的扫描电镜照片玻璃纤维卷短切玻璃纤维玻璃纤维绳玻璃纤维带玻璃纤维布普通玻璃：普通玻璃： SiO2、CaO、Na2O钾玻璃：钾玻璃： SiO2、CaO、K2O硼酸盐玻璃：硼酸盐玻璃： SiO2、B2O3（热稳定性好，机械强度高，耐腐蚀）（热稳定性好，机械强度高，耐腐蚀）一般一般SiO2含量高就叫硅酸盐玻璃，含量高就叫硅酸盐玻璃， B2O3含量高就叫硼酸盐玻璃含量高就叫硼酸盐玻璃1.1 GF1.1 GF的组成的组成硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃1.2 GF1.2 GF的分类的分类有碱有碱GFGF：碱性氧化物（碱性氧

3、化物（ K2O，Na2O）含量大于）含量大于12: A-GF无碱无碱GFGF：碱性氧化物含量小于碱性氧化物含量小于2: E-GFGFGF一、按含碱量分一、按含碱量分中碱中碱GFGF：碱性氧化物含量碱性氧化物含量612低碱低碱GFGF：碱性氧化物含量碱性氧化物含量 26注意：注意：碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮耐酸腐蚀价格便宜强度高，耐热性能好，电气性能好，在复合材料中应用多性能差，一般不用于增强材料1.2 GF1.2 GF的分类的分类高强高强GFGF：S

4、trenghth GF（S-GF）高模高模GFGF：Moduls GF (M-GF) GFGF二、按纤维特性分二、按纤维特性分低介低介GFGF：Dielectirc GF (D-GF)耐腐蚀耐腐蚀GFGF：Corrosion GF (C-GF)注意：注意：GF纤维的特性是由纤维的组成和结构决定的。纤维的特性是由纤维的组成和结构决定的。耐碱耐碱GFGF：Alkali-resistance GF (AR-GF)4GPa100GPa4.0,TanEm，最好Ef2Em（使载荷从基体向纤维传递）2. 选用热膨胀系数相匹配的系列，通常f m （给基体预加压应力）3. 选用断裂韧性大于基体的纤维（阻止裂纹扩

5、展）4. 考虑适当弱的纤维基体界面或控制适当的纤维直径（使扩展的裂纹弯曲）5. 剪切变形后应使体积膨胀（考虑相变韧化）6. 纤维与基体在制备条件下不发生有害反应，纤维性能不降低2.1 2.1 纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。如碳化硅、氮化陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。如碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。轻和价格低等优点。化学键往往是介于离子键与共价化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。键之间的混合键。 纤维增强陶瓷基复合材料是改善陶瓷材料韧性的纤维增强陶瓷基复合

6、材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段。重要手段。1 1、纤维增强陶瓷基复合材料增强体分布、纤维增强陶瓷基复合材料增强体分布 按按纤维排布方式纤维排布方式的不同，又可将其分为的不同，又可将其分为单向排布单向排布长纤维复合材料长纤维复合材料和和多向排布纤维复合材料多向排布纤维复合材料。 裂纹垂直于纤维方向扩展示意图裂纹垂直于纤维方向扩展示意图1）单向排布长纤维复合材料）单向排布长纤维复合材料 单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性

7、能。 在实际构件中，主要是使用其纵向性能。在实际构件中，主要是使用其纵向性能。 在单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料中，在单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料中，当裂纹扩展遇到纤当裂纹扩展遇到纤维时会受阻维时会受阻，这时，如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应，这时，如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。力。 当外加应力进一步提高时，由于基体与纤维间的界面离解，当外加应力进一步提高时，由于基体与纤维间的界面离解，同时又由于同时又由于纤维的强度高于基体的强度纤维的强度高于基体的强度，从而使纤维从基体中，从而使纤维从基体中拔出。拔出。 当拔出的长度达到某一临界值时，会使纤维发生断裂。当拔出的长度达到某一

8、临界值时，会使纤维发生断裂。因因此，此，裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功和纤拔出功和纤维断裂功维断裂功，这样，使得材料的断裂更为困难，从而起到了增韧这样，使得材料的断裂更为困难，从而起到了增韧的作用。的作用。 实际材料断裂过程中，实际材料断裂过程中，纤维的断裂并非发生在同一裂纹平纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面，这样主裂纹还将因纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向。面，这样主裂纹还将因纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向。这也同样会使裂纹的扩展阻力增加，从而使韧性进一步提高。这也同样会使裂纹的扩展阻力增加，从而使韧性进一步提高。 2 2）多向排布纤

9、维增韧复合材料）多向排布纤维增韧复合材料 单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越，性能较为优越，而其横向性能显著低于纵向性能，所以只而其横向性能显著低于纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。适用于单轴应力的场合。 而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上均具有优而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上均具有优良的性能，良的性能，这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。合材料。纤维层纤维层基基体体纤维布层压复合材料示意图纤维布层压复合材料示意图 这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越

10、，而这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂直于纤维排布面方向上的性能较差。在垂直于纤维排布面方向上的性能较差。 一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。 二维多向排布纤维增韧复合材料二维多向排布纤维增韧复合材料 这种复合材料中，纤维的排布方式有两种。这种复合材料中，纤维的排布方式有两种。 一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根据需要的厚度一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型，将单层或若干层进行热压烧结成型，如下图所示。如下图所示。 另一种是另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度

11、纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，如下图所示。如下图所示。纤维层纤维层基体基体多层纤维按不同角度方向层压示意图多层纤维按不同角度方向层压示意图 这种复合材料可根据构件的形状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需这种复合材料可根据构件的形状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形状的壳层状构件。要形状的壳层状构件。而前一种材料成型板状构件曲率不宜太大。而前一种材料成型板状构件曲率不宜太大。 这种二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料的韧化机理与单向排布纤这种二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料的韧化机理与单向排布纤维复合材料是一样的，维复合材料是一样的，主要也是靠纤维的拔出与裂纹转向机制，使其主要也是靠纤维的拔出与裂纹转向

12、机制，使其韧性及强度比基体材料大幅度提高韧性及强度比基体材料大幅度提高。 这种材料最初是从宇航用三向这种材料最初是从宇航用三向C/C复合材料开始的，现已发展到复合材料开始的，现已发展到三向石英三向石英/石英等陶瓷复合材料。石英等陶瓷复合材料。右图为三向正交右图为三向正交C/C纤维编织结构纤维编织结构示意图。它是按直角坐标将多束纤示意图。它是按直角坐标将多束纤维分层交替编织而成。维分层交替编织而成。 由于每束纤维呈直线伸展，不由于每束纤维呈直线伸展，不存在相互交缠和绕曲，因而使纤维存在相互交缠和绕曲，因而使纤维可以充分发挥最大的结构强度。可以充分发挥最大的结构强度。 这种三维多向编织结构还可以这

13、种三维多向编织结构还可以通过调节纤维束的根数和股数、相通过调节纤维束的根数和股数、相邻束间的间距、织物的体积密度以邻束间的间距、织物的体积密度以及纤维的总体积分数等参数及纤维的总体积分数等参数进行设进行设计以满足性能要求。计以满足性能要求。XYZ三向三向C/C编织结构示意图编织结构示意图 三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料2.2.纤维增强陶瓷基复合材料的加工纤维增强陶瓷基复合材料的加工 纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，如基体、纤维及二者之间的结合等。从基体方面看，与气孔的尺寸及数目、裂纹的大小及一些其他缺陷有关；从纤维方面看，与纤维中杂质、纤维氧化

14、程度、损伤及其他固有缺陷有关；从基体与纤维结合看，与界面及结合效果、纤维在基体中的取向及基体与纤维的热膨胀系数差有关。正因为有如此多影响因素，实际中针对不同材料，成型技术也会不同。目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型方法纤维增强陶瓷基复合材料的成型方法主要有以下几种：1、料浆浸渗、料浆浸渗-热压烧结法热压烧结法2、直接氧化沉积法、直接氧化沉积法3、化学气相浸渗法、化学气相浸渗法4、先驱转化法、先驱转化法5、反应性熔体浸渗法、反应性熔体浸渗法6、定向凝固法、定向凝固法 料浆浸渗热压烧结法的优点：料浆浸渗热压烧结法的优点：v烧结时间短，制造成本低；烧结时间短，制造成本低；v复合材料的致密度和性能

15、高；复合材料的致密度和性能高；v尤其适合纤维增强的玻璃和玻璃陶瓷基复合材料尤其适合纤维增强的玻璃和玻璃陶瓷基复合材料v复合材料的结构和形状受限复合材料的结构和形状受限v复合材料的高度和尺寸受限复合材料的高度和尺寸受限v不适合于固相烧结的材料体系不适合于固相烧结的材料体系不足之处：不足之处：2、直接氧化沉积法、直接氧化沉积法 （Direct Oxidating Deposition ） 利用熔融金属氧化来制备陶瓷基复合材料的一种方法，利用熔融金属氧化来制备陶瓷基复合材料的一种方法，这种工艺最早是由美国这种工艺最早是由美国Lanxide公司发明的，故又称公司发明的，故又称LANXIDE法，其制品已

16、经用作坦克防护装甲材料。法，其制品已经用作坦克防护装甲材料。 它是将纤维预制体置于熔融金属上，金属液的一面在虹它是将纤维预制体置于熔融金属上，金属液的一面在虹吸作用下浸渍到预制体中，另一面在吸作用下浸渍到预制体中，另一面在12001400C的高温的高温下被空气氧化生成陶瓷，沉积和包裹在纤维周围，而形成下被空气氧化生成陶瓷，沉积和包裹在纤维周围，而形成纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维增韧陶瓷基复合材料。直接氧化沉积法：直接氧化沉积法：v工艺相对简单工艺相对简单v对纤维损伤小，对纤维损伤小，v可以制备复杂形状的零部件可以制备复杂形状的零部件v不可避免地有金属残存，影响材料的高温性能。不可避免地有金属残

17、存，影响材料的高温性能。不足之处：不足之处：3、化学气相浸渗法、化学气相浸渗法(Chemical Vapor Infiltration，简称，简称CVI法）法）定义：定义： 在在CVI过程中，反应物是以气体的形式存在，过程中，反应物是以气体的形式存在，能渗入到纤维预制体的内部发生化学反应，并原能渗入到纤维预制体的内部发生化学反应，并原位进行气相沉积在纤维表面形成位进行气相沉积在纤维表面形成SiC基体。基体。 发展历程：发展历程：vCVI法起源于二十世纪六十年代中期，是在化学气相沉积法（法起源于二十世纪六十年代中期，是在化学气相沉积法（CVD法）法）方法基础上发展起来的一种制备陶瓷基复合材料的新

18、方法。方法基础上发展起来的一种制备陶瓷基复合材料的新方法。v1962年由年由Bickerdike等人提出了等人提出了CVI法之后，首先成功地应用于法之后，首先成功地应用于C/C复合材料的制造；复合材料的制造；v七十年代初期，七十年代初期，Fitzer和和Naslain分别在德国分别在德国Karsruhe大学和法国大学和法国Bordeaux大学利用大学利用CVI法进行法进行SiC陶瓷基复合材料的制备；陶瓷基复合材料的制备；v1984年年Lackey在美国在美国Oak Ridge国家实验室（国家实验室（ORNL）提出了）提出了FCVI（Forced CVI）法制备陶瓷基复合材料；）法制备陶瓷基复合

19、材料；v有关有关CVI基础理论和模型的研究直到二十世纪八十年代后期才开展。基础理论和模型的研究直到二十世纪八十年代后期才开展。v从二十世纪九十年代开始西北工业大学等单位开展了系统深入的研究从二十世纪九十年代开始西北工业大学等单位开展了系统深入的研究工作。工作。 典型的典型的CVI设备系统示意图设备系统示意图 v能在较低温度进行高温材料的制备，能在较低温度进行高温材料的制备，SiC陶瓷材料的烧结温度通常高陶瓷材料的烧结温度通常高达达2000以上，而采用以上，而采用CVI法则能在法则能在9001100的温度下制备出高纯的温度下制备出高纯度和高致密度的度和高致密度的SiC陶瓷：陶瓷： CH3SiCl

20、3(v)excess H2(v)SiC(s)+3HCl(v)+excess H2(v) v能制备出硅化物、碳化物、硼化物、氮化物和氧化物等多种陶瓷材能制备出硅化物、碳化物、硼化物、氮化物和氧化物等多种陶瓷材料，并能实现微观尺度上化学成份的设计与制造。料，并能实现微观尺度上化学成份的设计与制造。v能制备出形状复杂、近净尺寸能制备出形状复杂、近净尺寸(near-net-shape)和纤维体积分数高和纤维体积分数高（Vf60%）的复合材料部件。）的复合材料部件。v制备过程中由于没有机械载荷的作用，纤维的性能损伤程度小。制备过程中由于没有机械载荷的作用，纤维的性能损伤程度小。CVI的突出优点是：的突出

21、优点是：v生产周期长，生产周期长，v复合材料的致密度不高（通常都存在复合材料的致密度不高（通常都存在1015的孔隙率）。的孔隙率）。 CVI的主要缺点是：的主要缺点是：CVI法制备的法制备的Cf/SiC陶瓷基复合材料的显微结构陶瓷基复合材料的显微结构4、先驱转化法、先驱转化法(Polymer Impregnation Pyrolysis，简称，简称PIP法法) 定义：定义： 先驱转化法是以有机聚合物先驱体先驱转化法是以有机聚合物先驱体(如聚碳硅烷如聚碳硅烷)溶溶解或熔化后，在真空气压的作用下浸渍到纤维预制解或熔化后，在真空气压的作用下浸渍到纤维预制体内部，然后经过干燥或交联固化，再经过高温处理

22、体内部，然后经过干燥或交联固化，再经过高温处理使有机聚合物热解转化制备陶瓷使有机聚合物热解转化制备陶瓷(碳化硅碳化硅)。对先驱体的基本要求：对先驱体的基本要求：v可操作性：可操作性：在常温下应为液态，或在常温下虽为固态，但在常温下应为液态，或在常温下虽为固态，但可溶、可熔，在将其作为先驱体使用的工艺过程中（如浸渍、可溶、可熔，在将其作为先驱体使用的工艺过程中（如浸渍、纺丝、作陶瓷胶粘剂、作涂层等）具有适当的流动性；纺丝、作陶瓷胶粘剂、作涂层等）具有适当的流动性；v室温下性质稳定：室温下性质稳定：长期放置不发生交联变性，最好能在潮长期放置不发生交联变性，最好能在潮湿和氧化环境下保存；湿和氧化环境

23、下保存；v陶瓷转化率高：陶瓷转化率高：陶瓷转化率指的是从参加裂解的有机聚合陶瓷转化率指的是从参加裂解的有机聚合物中获得陶瓷的比例，以大于物中获得陶瓷的比例，以大于80为好，应不低于为好，应不低于50。v容易获得且价格低廉，聚合物的合成工艺简单，产率高容易获得且价格低廉，聚合物的合成工艺简单，产率高；v裂解产物和副产物均无毒，也不致有其他危险性。裂解产物和副产物均无毒，也不致有其他危险性。 聚碳硅烷的热解转化过程：聚碳硅烷的热解转化过程： 聚碳硅烷（聚碳硅烷（polycarbosilane，简记为，简记为PCS）通过裂解可以转化为碳化硅。通过裂解可以转化为碳化硅。 v200350 低分子量物质蒸

24、发；低分子量物质蒸发；v300500 发生去氢或去氢缩合反应；发生去氢或去氢缩合反应；v550850 侧链基团降解，形成无定形三维网络结构；侧链基团降解，形成无定形三维网络结构；v8501050 形成无定形网状结构的反应结束；形成无定形网状结构的反应结束；v10501300 出现平均晶粒尺寸为出现平均晶粒尺寸为2nm的的-SiC结晶，结晶，同时生成游离碳及同时生成游离碳及-SiO2；v13001600 -SiC晶粒长大，晶粒长大，Si-O键含量下降。键含量下降。 不同不同温度下处理的温度下处理的PCS的的XRD谱谱 PIP法的主要特点是：法的主要特点是：v先驱有机聚合物具有可设计性：先驱有机聚

25、合物具有可设计性：能够对先驱有机聚合物的能够对先驱有机聚合物的组成、结构进行设计与优化，从而实现对陶瓷及陶瓷基复组成、结构进行设计与优化，从而实现对陶瓷及陶瓷基复合材料的可设计性。合材料的可设计性。v可对复合材料的增强体与基体实现理想的复合：可对复合材料的增强体与基体实现理想的复合：在先驱有在先驱有机聚合物转化成陶瓷的过程中，其结构经历了从有机线型机聚合物转化成陶瓷的过程中，其结构经历了从有机线型结构到三维有机网络结构，从三维有机网络结构到三维无结构到三维有机网络结构，从三维有机网络结构到三维无机网络结构，进而到陶瓷纳米微晶结构的转变，因而通过机网络结构，进而到陶瓷纳米微晶结构的转变，因而通过

26、改变工艺条件对不同的转化阶段实施检测与控制，有可能改变工艺条件对不同的转化阶段实施检测与控制，有可能获得陶瓷基体与增强体间的理想复合。获得陶瓷基体与增强体间的理想复合。PIP法的主要特点是：法的主要特点是：v良好的工艺性：良好的工艺性：先驱有机聚合物具有树脂材料的一般共性，先驱有机聚合物具有树脂材料的一般共性，如可溶、可熔、可交联、固化等。利用这些特性，可以在陶瓷如可溶、可熔、可交联、固化等。利用这些特性，可以在陶瓷及陶瓷基复合材料制备的初始工序中借鉴与引用某些塑料和树及陶瓷基复合材料制备的初始工序中借鉴与引用某些塑料和树脂基复合材料的成型工艺技术，再通过烧结制成陶瓷和陶瓷基脂基复合材料的成型

27、工艺技术，再通过烧结制成陶瓷和陶瓷基复合材料的各种构件。它便于制备增强体单向、二维或三维配复合材料的各种构件。它便于制备增强体单向、二维或三维配置与分布的纤维增强复合材料。浸渍先驱有机聚合物的增强体置与分布的纤维增强复合材料。浸渍先驱有机聚合物的增强体预制件，在未烧结之前具有可加工性，通过车、削、磨、钻孔预制件，在未烧结之前具有可加工性，通过车、削、磨、钻孔等机械加工技术能够方便地修整其形状和尺寸。等机械加工技术能够方便地修整其形状和尺寸。v烧结温度低：烧结温度低：先驱有机聚合物转化为陶瓷的烧结温度远远低先驱有机聚合物转化为陶瓷的烧结温度远远低于相同成分的陶瓷粉末烧结的温度。于相同成分的陶瓷粉

28、末烧结的温度。 先驱体转化法也存在一些缺点：先驱体转化法也存在一些缺点：v先驱体在干燥（或交联固化）和热解过程中，由于溶剂和先驱体在干燥（或交联固化）和热解过程中，由于溶剂和低分子组分的挥发，导致基体的收缩率很大，微结构不致密，低分子组分的挥发，导致基体的收缩率很大，微结构不致密，并有伴生裂纹出现；并有伴生裂纹出现；v受先驱体转化率的限制，为了获得密度较高的陶瓷基复合受先驱体转化率的限制，为了获得密度较高的陶瓷基复合材料，必须经过反复浸渍热解，工艺成本较高；材料，必须经过反复浸渍热解，工艺成本较高；v很难获得高纯度和化学计量的陶瓷基体。很难获得高纯度和化学计量的陶瓷基体。 5、反应性熔体浸渗法

29、、反应性熔体浸渗法 (Reactive Melt Infiltration，简称，简称RMI法法) 起源于多孔体的封填和金属基复合材料的制备。起源于多孔体的封填和金属基复合材料的制备。 在采用在采用RMI法制备法制备SiC陶瓷基复合材料过程中，将陶瓷基复合材料过程中，将金属金属Si熔化后，在毛细管力的作用下熔化后，在毛细管力的作用下Si熔体渗入到多熔体渗入到多孔孔C材料内部，并同时与基体碳发生化学反应生成材料内部，并同时与基体碳发生化学反应生成SiC陶瓷基体。陶瓷基体。 实例：竹木陶瓷实例：竹木陶瓷浸渍剂浸渍剂v制备周期很短，是一种典型的低成本制造技术；制备周期很短，是一种典型的低成本制造技术

30、；v能够制备出几乎完全致密的复合材料；能够制备出几乎完全致密的复合材料；v在制备过程中不存在体积变化。在制备过程中不存在体积变化。 RMI法的优法的优点：点：v金属硅熔体渗入到多孔金属硅熔体渗入到多孔C/C复合材料中在与基体碳反应的过复合材料中在与基体碳反应的过程中，也不可避免地与碳纤维反应，从而造成对纤维的损伤，程中，也不可避免地与碳纤维反应，从而造成对纤维的损伤，复合材料的力学性能较低；复合材料的力学性能较低；v由于复合材料内部一定量的游离由于复合材料内部一定量的游离Si的存在，会降低材料的高的存在，会降低材料的高温力学性能。温力学性能。 RMI法的缺点：法的缺点：6、定向凝固法、定向凝固

31、法 (Directional Solidification，简称，简称DS法法) 定向凝固法通常用于定向凝固法通常用于自生复合材料的制备自生复合材料的制备。 自生复合材料是利用材料体系中的不同组元晶体生长的特自生复合材料是利用材料体系中的不同组元晶体生长的特点，在特定的烧结工艺条件下获得具有类似纤维状增强相，这点，在特定的烧结工艺条件下获得具有类似纤维状增强相，这类复合材料的增强相和基体之间存在天然的物理化学相容性，类复合材料的增强相和基体之间存在天然的物理化学相容性，是一种很有发展前途的复合材料。是一种很有发展前途的复合材料。 应用特设装置，使熔体沿固定方向顺序凝固的过程，其条应用特设装置，

32、使熔体沿固定方向顺序凝固的过程，其条件是要保证热流只向着凝固界面推移的逆方向传输。件是要保证热流只向着凝固界面推移的逆方向传输。 实例：定向凝固共晶陶瓷自生复合材料（实例：定向凝固共晶陶瓷自生复合材料（Directional solidified eutectic ceramic in-situ composites)v定向凝固自生复合材料是指在定向凝固过程中，增强相定向凝固自生复合材料是指在定向凝固过程中，增强相和基体直接从准热力学平衡条件下的液相中生长出来的复和基体直接从准热力学平衡条件下的液相中生长出来的复合材料，因而合材料，因而具有很高的热力学稳定性具有很高的热力学稳定性；v各组成相的

33、择优取向使得材料在生长方向具有很好的强各组成相的择优取向使得材料在生长方向具有很好的强度和抗蠕变性；度和抗蠕变性；v这种材料的制备可避免人工复合材料制备过程中遇到的这种材料的制备可避免人工复合材料制备过程中遇到的诸如复合技术、污染、湿润和界面反应等问题，特别提到诸如复合技术、污染、湿润和界面反应等问题，特别提到的无须使用价格昂贵的纤维，因而具有独特的优越性。的无须使用价格昂贵的纤维，因而具有独特的优越性。 定向凝固法的优点：定向凝固法的优点：2.2 2.2 纤维增强混凝土纤维增强混凝土 纤维增强混凝土，或称纤维混凝土，是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，

34、均匀地掺合在混凝土中而组成的一种新型水泥基复合材料的总称，是兴起于20世纪后半叶的一种新型土木工程材料。 1. 纤维在混凝土中的作用在混凝土中掺入均匀分布的纤维后，明显提高混凝土的性能。纤维在混凝土中主要起着以下三方面的作用：（1）阻裂作用（2）增强作用（3）增韧作用75（1）阻裂作用 纤维可阻碍混凝土中微裂缝的产生与扩展，这种阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性阶段，也存在于混凝土的硬化阶段。 水泥基体在浇注后的24 h内抗拉强度低，若处于约束状态，当其所含水分急剧蒸发时，极易生成大量裂缝，此时，均匀分布于混凝土中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力，从而阻止或减少裂缝的生成。 混凝土硬化后，

35、若仍处于约束状态，因周围环境温度与湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大量裂缝，在此情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成。76（2）增强作用 混凝土不仅抗拉强度低，而且因存在内部缺陷而往往难于保证。当混凝土中加入适量的纤维后，可使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度及疲劳强度等有一定的提高。77（3）增韧作用 纤维混凝土在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可横跨裂缝承受拉应力并可使混凝土具有良好的韧性。韧性是表征材料抵抗变形性能的重要指标，一般用混凝土的荷载挠度曲线或拉应力应变曲线下的面积来表示的。782. 常用的纤维混凝土钢纤维混凝土钢纤维混凝土 普通钢纤维混凝土的纤

36、维体积率在1%2%之间，较之普通混凝土，抗拉强度提高40%80%，抗弯强度提高60%120%，抗剪强度提高50%一100%，钢纤维混凝土的抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度，随着纤维掺量的提高而明显增加，对提高受弯构件的承载能力，起很大作用。 79 工程中常用的纤维混凝土有钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、合成纤维混凝土。 钢纤维混凝土的抗压强度，随着纤维掺量的增加而稍有增加，一般在025%之间，但抗压韧性却大幅度提高。钢纤维混凝土的破坏改变了混凝土脆性破坏的形式，由脆性破坏变为近似于延性断裂，在断裂前出现较大变形，裂缝扩展速度较慢，提高了混凝土的韧性和抗裂性。 在动荷载作用下，钢纤维混凝土在裂缝扩展时

37、，首先是钢纤维克服基材的粘结力而被拔出，或是钢纤维达到屈服而被拉断。这都需要消耗大量的能量。因此，钢纤维混凝土能提高抗冲击性能。 钢纤维混凝土的轴心抗压强度、受压弹性模量和泊松比与普通混凝土相比，均相差不多；但钢纤维混凝土的极限应变大于普通混凝土。80 玻璃纤维混凝土玻璃纤维混凝土 玻璃纤维增强混凝土,是在混凝土基体中均匀分散一定比例的特定玻璃纤维，使混凝土的韧性得到改善，抗弯性抗压比得到提高的一种特种混凝土。组成组成材料：材料： 玻璃纤维混凝土的原材料与普通混凝土有很大的区别： 耐碱玻璃纤维：提高玻璃纤维的耐碱蚀能力，提高耐久性。（原因：与其它纤维相比,玻璃纤维易被水泥中的水化产物腐蚀） 低碱水泥：其中低碱硫铝酸盐水泥是目前在GRC中应用最多的一种水泥，对玻璃纤维的腐蚀作用较低，