第六章-复合材料课件

第六章复合材料概述复合材料的复合理论复合材料的界面树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料层叠复合材料第六章复合材料概述1第一节概述复合材料的涵义复合材料的用途及重要性复合材料过去、现在和未来复合材料的分类复合材料的增强材料复合材料的性能特点第一节概述复合材料的涵义2一、复合材料的涵义

复合材料：由两种或两种以上性能不同的材料组合为一个整体，从而表现出某些优于其中任何一种材料性能的材料。含两种以上的不同的化学相具有每个组分所不具备的优良性能复合材料的基本组分可划分为基体相(基体材料)和增强相(增强材料)两种。一、复合材料的涵义复合材料：由两种或两种以上3

图6.1两种或两种以上材料所组成的复合材料图6.1两种或两种以上材料所组成的复合材料4复合材料的命名复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。例如，玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“玻璃纤维环氧树脂复合材料”。为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线隔开，后面再加“复合材料“。如“玻璃／环氧复合材料”。有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同，也可简称为“玻璃纤维复合材料”或“环氧树脂复合材料”。复合材料的命名复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名5二、复合材料的用途及重要性应用领域机械工业汽车工业及交通运输化学工业航空宇航领域建筑领域二、复合材料的用途及重要性应用领域6图6.2碳纤维增强聚合物制作的导波天线图6.3碳纤维和Kevlar纤维混杂复合材料制造的赛车图6.2碳纤维增强聚合物图6.3碳纤维和Kevlar7三、复合材料过去、现在和未来20世纪40年代纤维复合材料发展成为具有工程意义的创举，60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。

60年代末树脂基高性能复合材料用于制造军用飞机的承力结构。70年代末发展用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合。

80年代开始逐渐发展陶瓷基复合材料三、复合材料过去、现在和未来20世纪40年代纤维复8第一代复合材料：玻璃强化树脂第二代复合材料：碳纤维强化塑料硼纤维强化塑料第三代复合材料：金属基和陶瓷基复合材料第一代复合材料：玻璃强化树脂9图6.4复合材料的发展简图图6.4复合材料的发展简图10复合材料的发展趋势1.由宏观复合向微观复合发展宏观复合材料包括以纤维、晶须和颗粒等尺寸较大的增强材料与基体材料复合而成。微观复合材料包括微纤增强复合材料、纳米复合材料和分子复合材料。2.向多元混杂复合和超混杂复合方向发展混杂复合是获得高性能复合材料有效而经济的方法。复合材料的发展趋势1.由宏观复合向微观复合发展113．由结构复合材料为主，向结构复合材料与功能复合材料并重的方向发展功能复合材料的最大特点是设计的自由度比一般均质功能材料大得多，功能复合材料可以任意改变复合度、连接类型和对称性，使其性能达到最佳优化值。4．由被动复合材料向主动复合材料发展5．由常规设计向仿生设计方向发展3．由结构复合材料为主，向结构复合材料与功12四、复合材料的分类按基体材料分类

分为树脂基、金属基、陶瓷基等复合材料，目前使用最多的是树脂基复合材料。按增强材料的种类和形态分类分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层叠增强复合材料等，其中纤维增强复合材料应用最广泛。按复合材料的使用性能分类

分为结构复合材料和功能复合材料两大类，目前应用最广的是结构复合材料。四、复合材料的分类按基体材料分类13

图6.5复合材料的分类图6.5复合材料的分类14五、复合材料的增强材料粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料，称为增强树料，也称为增强体、增强相、增强剂等。复合材料所用的增强材料主要有三类，即纤维及其织物、晶须和颗粒。其中碳纤维、凯芙拉(Kevlar)纤维和玻璃纤维应用最为广泛。五、复合材料的增强材料粘结在基体内以改进其机151.纤维纤维包括天然纤维和合成纤维。合成纤维分为有机纤维和无机纤维两大类。有机纤维有Kevlar纤维、尼龙纤维及聚乙烯纤维等。无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。1.纤维纤维包括天然纤维和合成纤维。16Kevlar纤维图6.6Kevlar纤维的三维取向结构表6.1Kevlar纤维的物理、机械性能Kevlar纤维图6.6Kevlar纤维的三维取向结构表17碳纤维

图6.7碳纤维的三维结构示意图碳纤维图6.7碳纤维的三维结构示意图18表6.2某些品牌碳纤维的性能表6.2某些品牌碳纤维的性能192.晶须晶须是指具有一定长径比(一般大于10)和截面积小于52×l0-5cm2的单晶纤维材料。晶须的直径可由0.1至几个微米，长度一般为数十至数千微米，但具有实用价值的晶须直径约为1~10μm，长度与直径比在5~1000之间。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。2.晶须晶须是指具有一定长径比(一般203.颗粒颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。这些颗粒增强体也称为刚性颗粒增强体或陶瓷颗粒增强体。颗粒增强体以很细的粉状(一般在l0μm以下)加入到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体，主要为金属颗粒，一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强材料的韧性。3.颗粒颗粒增强体主要是指具有高强21六、复合材料的性能特点1．比强度和比模量高六、复合材料的性能特点1．比强度和比模量高22图6.8材料的比强度随年代的变化图6.8材料的比强度随年代的变化232抗疲劳与断裂安全性能好复合材料对缺口、应力集中的敏感性小，特别是纤维增强的树脂基复合材料，基体良好的强韧性降低了裂纹扩展速度，大量的增强纤维对裂纹又有阻隔作用，使裂纹尖端变钝或改变方向，所以具有较高的疲劳强度。纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤维，借助塑韧性基体结合成一个整体，当复合材料构件由于过载或其他原因而部分纤维断裂时，载荷会重新分配到未断裂的增强纤维上，避免结构在很短的时间内突然破坏，从而使构件丧失承载能力的过程延长，故具有良好的断裂安全性。2抗疲劳与断裂安全性能好243.良好的减振性能纤维增强的复合材料的自振频率高，工作中不易发生共振现象。大量的纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，阻尼特性好，振动会很快衰减。3.良好的减振性能254.良好的高温性能图6.9各类材料的耐热温度4.良好的高温性能图6.9各类材料的耐热温度26第二节复合材料的复合理论1.复合原理纤维增强复合材料的复合原理颗粒增强复合材料的复合原理2.增强机理纤维增强颗粒增强3.增韧纤维增韧颗粒增韧第二节复合材料的复合理论1.复合原理27一、复合原理1.纤维增强复合材料的复合原理纤维增强复合材料的性能不但取决于基体和增强体的性能和相对数量，也取决于两者的结合状态，同时还与纤维在基体中的排列方式有关。①外载荷与纤维方向一致

假设：复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和直径都是均匀的，并且平行连续排列，同时纤维与基体间为理想结合，在界面上不发生滑移。一、复合原理1.纤维增强复合材料的复合原理28则在外载荷作用下纤维与基体处于等应变状态，即角标c、f、m分别代表复合材料、增强纤维和基体作用在复合树料上的总力是纤维和基体受力的总和=+则在外载荷作用下纤维与基体处于等应变状态，即=+29如果复合材料在外载荷作用下处于弹性变形状态，复合材料的载荷与变形符合虎克定律，则纤维和基体承受的应力分别为应力σf和σm分别作用在纤维的整个横截面Af和基体整个横截面Am上。因而纤维和基体所承受的载荷Ff和Fm分别为如果复合材料在外载荷作用下处于弹性变形状态，30总载荷作用于复合材料整个横截面Ac上，因而纤维和基体的体积分数(φf、φ

m)可用面积分数表示总载荷作用于复合材料整个横截面Ac上，因而31图6.10硼纤维增强铝复合材料的抗拉强度和弹性模量与纤维体积分数的关系图6.10硼纤维增强铝复合材料的抗拉强度32外载荷很大、基体材料发生塑性变形时，复合材料不再遵循虎克定律，此时基体对复合材料刚度的贡献较小，弹性模量可近似表示为图6.11单向连续纤维增强复合材料的应力一应变曲线图6.11单向连续纤维增强复合材料的33②外载荷与纤维方向垂直如果外载荷垂直于单相连续纤维增强复合材料的纤维方向，则复合材料、纤维和基体处于等应力状态，即复合材料中应变量等于各组元应变量与体积分数乘积之和，即②外载荷与纤维方向垂直如果外载荷垂直于单相34混合定律在纤维增强复合材料物理性能方面的应用利用混合定律可以对纤维增强复合材料的某些物理量进行计算。例如复合材料的密度存在下列关系式：描述沿复合材料纤维排列方向的热导率(K)和磁导率(k)混合定律在纤维增强复合材料物理性能方面的应用352.颗粒增强复合材料的复合原理颗粒增强复合材料的密度可以用混合定律表达为：角标p代表颗粒增强材料对刚性纯颗粒(尺寸为微米量级)增强的复合材料，其弹性模量随纯颗粒体积分数的增加而提高，也可由混合定律来预测，已推导出的这种复合材料弹性模量的上限数值和下限数值的关系表达式分别为上限值：下限值：2.颗粒增强复合材料的复合原理颗粒增强复合材料的密度可以36二、增强机理l.纤维增强纤维增强复合材料：指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体(树脂、金属)或脆性基体(陶瓷)经一定工艺复合而成的多相材料。目标：提高基体在室温和高温下的强度和弹性模量是纤维增强树脂基复合材料和纤维增强金属基复合材料的主要设计目标；而纤维增强陶瓷基复合材料的主要目的是提高基体材料的韧性，即增韧。二、增强机理l.纤维增强37纤维增强的复合材料的增强机理①增强纤维脆性较大，内部往往存在一些微裂纹，容易断裂，材料的强度不能被充分利用。但是如果能将脆性材料制成细纤维，因直径细小，而使产生裂纹的几率降低，有利于纤维脆件的改善和强度的提高。②纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保护作用，不易遭受损伤，不易在承裁过程中产生裂纹，使承载能力增强。纤维增强的复合材料的增强机理①增强纤维脆性较大，内部往往38③

复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但塑性好和韧性好的基体能阻止裂纹扩展。图6.12钨纤维铜基复合材料的裂纹在铜中扩展受阻③复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但39④纤维受载断裂时，断口不可能都在一个平面上，若要使整体断裂，必然有许多根纤维从基体中被拔出，因而必须克服基体对纤维的黏结力以及基体与纤维之间的摩擦力，从而使材料的抗拉强度大大提高，与此同时断裂韧度也增加。图6.13碳纤维环氧树脂复合材料断时，纤维断口不在一个平面上④纤维受载断裂时，断口不可能都在一个平面上，若要使整体断40增强纤维与基体复合时应注意的几个问题①增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。因为增强纤维的弹性模量E愈高，在同样应变量ε的条件下，所受应力越大，这样才能充分发挥纤维的增强作用，保证复合材料中承受载荷的材料是增强纤维。②基体和纤维之间要有一定黏结作用，而且应具当适当的结合强度，以保证基体所受的应力通过界面传递给纤维。结合强度小，界面很难传递载荷，纤维无法发挥主要承受载荷的作用；结合强度也不宜过大，因为复合材料受力破坏时，纤维从基体中拔出将消耗一部分能量，过大的结合强度将使纤维拔出消耗能量过程消失，降低强度并导致危险的脆性断裂。增强纤维与基体复合时应注意的几个问题①增强纤维的强度和弹性模41③纤维应有合理的含量、尺寸和分布。纤维的直径对其强度有较大影响，纤维越细．则缺陷越小，材料强度越高；同时细纤维的比表面积大，有利于增强与基体的结合力。纤维的长度t对增强有利，连续纤维比短纤纤维的增强效果好得多。对于短切纤维，只有当长度超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。纤维的排列方向应符合构件的受力要求。由于纤维的纵向比横向的抗拉强度高几十倍，应尽量使纤维的排列方向平行于应力作用方向。受力比较复杂时，纤维可以采用不同方向交叉层叠排列，以使之沿几个不同方向产生增强效果。③纤维应有合理的含量、尺寸和分布。42④

纤维应与基体的线膨胀系数相匹配。通常要求两者的线膨胀系数相近。对于韧性较低的基体(例如陶瓷和热固性树脂)，纤维的线膨胀系数应略高于基体的线膨胀系数，以便在受热后冷却时，由于纤维收缩大使基体处于受压状态而获得一定程度的保护。对于韧性较好的基体，纤维的线膨胀系数应略低于基体的线膨胀系数，以便使纤维处于压应力状态而增加韧度。⑤

纤维与基体之间要有良好的相容性。以便在高温作用下纤维与基体之间不发生化学反应，基体对纤维不产生腐蚀和损伤作用。④纤维应与基体的线膨胀系数相匹配。通常要求两者432．颗粒增强机理根据增强颗粒的尺寸大小，颗粒增强复合材料可分为弥散增强复合材料和真正颗粒(或纯颗粒)增强复合材料两类。弥散增强复合材料通常是指尺寸为100~2500Å的微细硬颗粒弥散分布在金属和合金中而形成的复合材料。纯颗粒增强复合材料是指以微米量级的颗粒增强的金属基、树脂基或陶瓷基复合材料。2．颗粒增强机理根据增强颗粒的尺寸大小，颗44弥散强化复合材料中的增强材料主要是金属氧化物、碳化物和硼化物。这些弥散分布于金属或合金基体中的硬颗粒可以有效地阻碍位错运动，产生显著的强化作用。弥散强化复合材料的复合强化机理与合金的析出强化机理相似，基体仍是承受载荷的主体。不同的是这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的硬颗粒，它们在温度升高时仍可保持其原有尺寸，因而增强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于基体金属或合金。为使弥散增强的复合材料性能达到最佳效果，除要求颗粒坚硬、稳定，与基体不发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及与基体的结合能力均是必须加以考虑的因素。弥散强化复合材料中的增强材料主要是金属氧化物45纯颗粒增强复合材料的性能受颗粒大小的影响，颗粒太大而不规则，往往引起应力集中现象而成为裂纹源，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能使之均匀分布在基体之中。在纯颗粒增强复合材料中，颗粒不是通过阻碍位错运动而使材料强化，而是借助于限制颗粒邻近基体的运动，约束基体的变形来达到强化基体的目的。因此，一般认为复合材料所受载荷并非完全由基体承担。增强颗粒也承受部分载荷。颗粒与基体间的结合力越大，增强的效果越明显，颗粒增强复合材料的性能与增强颗粒和基体的比例密切相关。纯颗粒增强复合材料的性能受颗粒大小的影响，颗46三、增韧1.纤维增韧纤维增韧：为了克服陶瓷脆性大的弱点，可以在陶瓷基体中加入纤维而制成陶瓷基复合材料，由于定向、取向或无序排布的纤维的加入，使陶瓷基复合材料韧度显著提高。①单向排布长纤维增韧

单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性，沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于横向性能。这种纤维的定向排布是根据实际工件的使用要求确定的，主要使用其纵向性能。单向排布长纤维陶瓷基复合材料中韧度的提高来自3个方面的贡献，即纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向。三、增韧1.纤维增韧47图6.14Cf/Si3N4复合材料平行于纤维方向的组织图6.15Cf/Si3N4复合材料中裂纹垂直于纤维方向扩展示意图图6.14Cf/Si3N4复合材料平行图6.15Cf/48图6.16Cf/Si3N4复合材料断口形貌的SEM照片图6.17Cf/Si3N4复合材料断口的侧面形貌图6.16Cf/Si3N4复合材料断口图6.17Cf49

②多维多向排布长纤维增韧多维多向排布长纤维增韧复合材料中纤维排布的方式有两种。一种是将纤维编织成纤维布；另一种是纤维分层单向排布。图6.18纤维布层压复合材料示意图图6.19多层纤维按不同角度层压(或缠绕)复合材料示意固②多维多向排布长纤维增韧多维多向排布长50③短纤维、晶须增韧制备短纤维增韧陶瓷基复合材料时将长纤维剪(切)短(＜3mm)，然后分散并与基体粉料混合均匀，再用热压烧结的方法制得高性能复合材料。这种短纤维增强体在与原料粉料混合时，取向是随机的，但在受压成形时，短纤维将沿压力方向转动，在最终制成的复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能上的各向异性，沿加压而方向的性能优于垂直加压面方向上的性能。③短纤维、晶须增韧制备短纤维增韧陶瓷基复51图6.20碳纤维增韧玻璃陶瓷复合材料中的纤维分布情况图6.21碳纤维增强Pyrex玻璃纤维中纤维定向排列情况图6.20碳纤维增韧玻璃陶瓷复合图6.21碳纤维增强52图6.22碳纤维含量对碳纤维增韧玻璃陶瓷复合材料断裂功的影响图6.22碳纤维含量对碳纤维增韧玻璃53晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理大体与纤维增韧陶瓷基复合材料的相同，即主要靠晶须的拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提高产生突出贡献。图6.23晶须拔出桥连及裂纹转向的SEM照片晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理大体与纤维增542．颗粒增韧颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理主要有相变增韧、裂纹转向与分叉增韧等。①相变增韧

相变增韧是发展最早的一种增韧机理。氧化锆增韧陶瓷就是利用氧化锆马氏体相变达到增韧目的的。氧化锆在一定温度和应力场作用下，亚稳定四方氧化锆颗粒转变为单斜相氧化锆。伴随着这种相变有3％~5％的体积膨胀，因而产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹扩展、达到增韧目的。2．颗粒增韧颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理55②裂纹转向与分叉增韧

裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到高强度的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转和分叉，从而减小了裂纹尖端的应力强度因子，增加了材料的断裂韧度，达到增韧目的。裂纹转向与分叉增韧不像相变增韧那样受温度的限制，因而是适合高温结构陶瓷增韧的方法。②裂纹转向与分叉增韧56第三节复合材料的界面复合材料界面的基本概念树脂基复合材料的界面金属基复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面第三节复合材料的界面复合材料界面的基本概念57复合材料界面的基本概念复合材料的界面：指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。界面是复合材料的特征界面上的化学成分和相结构是很复杂的复合材料界面的基本概念复合材料的界面：指基体58图6.24复合材料的界面图6.24复合材料的界面59界面效应传递效应阻断效应不连续效应散射和吸收效应诱导效应界面效应60一、树脂基复合材料的界面1．界面的形成树脂基复合材料界面的形成可分为两个阶段：第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程；第二阶段是树脂的同化过程，在此过程中树脂通过物理或化学的变化而固化，形成固定的界面层。界面层的性质大致包括结合力、区域(或厚度)和微观结构等方向。界向结合力存在于两相之间，并由此产生复合效果和界面强度。界面结合力可分为宏观结合力和微观结合力两种．前者主要指材料的几何因素，如表面凸凹不平、表面裂纹和孔隙等所产生的机械铰合力；后者包括化学键和次价键，化学键结合是最强的结合，通过化学反应产生。一、树脂基复合材料的界面1．界面的形成61界面及其附近区域的性能、结构都不同于组分本身。界面层是由纤维与基体之间的界面以及纤维和基体的表面薄层构成的，基体表面薄层的厚度约为增强纤维的数十倍，它在界面层中所占的比例对复合材料的力学性能有很大影响。界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力，若纤维与基体的相容性不好，界面不完整，则应力的传递面只是纤维总面积的一部分。因此，为使复合材料内部能够均匀地传递应力以显示其优异性能，要求复合材料在制造过程中形成完整的界面层。界面及其附近区域的性能、结构都不同于组分本622.界面作用机理界面对复合材料特别是对其力学性能起着极为重要的作用。界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理，目前这方面已有许多理论，但都末达到完善程度。

界面浸润理论化学键理论物理吸附理论变形层理论减弱界面局部应力作用理论2.界面作用机理界面对复合材料特别是对63①界面浸润理论

1963年Zisman首先提出了这个理论，主要论点是增强纤维被液体树脂良好浸润是极其重要的，浸润不良会在界面上产生间隙，易产生应力集中而使复合材料发生开裂，完全浸润可使基体与增强纤维的结合强度大于基体的强度，复合材料才能显示其优越的性能。①界面浸润理论1963年Zisma64②化学键理论化学键理论的主要论点是处理增强纤维表面的偶联剂既含有能与增强纤维起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能团，由此在界面上形成共价键结合，如能满足这一要求则在理论上可获最大的界面结合能。无偶联剂存在时，如果基体与纤维表面可以发生化学反应，两相之间也能形成牢固界面。这种理论的实质强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键。但是化学键理论不能解释为什么有的处理剂官能团不能与树脂反应却仍有较好的处理效果。②化学键理论化学键理论的主要论点是处理增65③物理吸附理论物理吸附理论可作为化学键理论的一种补充。物理吸附理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。物理吸附理论对上述化学键理论不能解释的问题给予了较好的解释。③物理吸附理论物理吸附理论可作为化学键理66④变形层理论变形层理论：如果纤维与基体的线膨胀系数相差较大，复合材料固化成形后在界面上会产生残余应力，这将损伤界面和影响复合材料性能。另外，在载荷作用下，界面上会出现应力集中，若界面化学键破坏，产生微裂纹，将导致复合材料性能变差。将增强纤维表面进行处理，在界面上形成一层塑性层，就可以起到松弛和减小界面应力的作用。④变形层理论变形层理论：如果纤维与基体67⑤减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应力作用理论认为，基体和增强纤维之间的处理剂提供了一种具有“自愈能力”的化学键。在载荷作用下，它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。低分子物质（主要是水)的应力浸蚀会使界面化学键断裂，而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移，使已断裂的化学键重新结合，与此同时，应力得以松弛．减缓了界面的应力集中。⑤减弱界面局部应力作用理论减弱界面局部应68二、金属基复合材料的界面1．界面的类型表6.4纤维增强金属基复合材料界面的类型二、金属基复合材料的界面1．界面的类型表6.4纤维增强金692．界面的结合纤维增强复合材料的界面结合有以下几种形式。①

机械结合机械结合是指借助增强纤维表面凸凹不平的形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应力裹紧纤维产生的摩擦阻力结合。这种结合与扩散和化学作用无关，纯属机械作用，结合强度的大小与纤维表面的粗糙程度有很大关系。

②溶解和浸润结合纤维与基体的相互作用力是短程的，作用范围只有若干原子间距大小。由于纤维表面常存在氧化膜，阻碍液态金属的浸润，这就需要对纤维表面进行处理，液态金属对纤维的浸润性也与温度有关。2．界面的结合纤维增强复合材料的界面结合有以下几种形式。70③反应结合反应结合其特征是在纤维和基体之间形成新的化合物层，即界面反应层。界面反应层往往不是单一的化合物，一般情况下，随反应程度增加，界面结合强度亦增加，但由于界面反应产物多为脆性物质，所以当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏，反而降低界面结合强度。此外某些纤维表面吸附空气发生氧化也能形成某种形式的反应结合。但有时氧化作用也会降低纤维强度而无益于界面结合，这时就应当尽量避免发生氧化反应。③反应结合反应结合其特征是在纤维和基体71④混合结合混合结合是最重要最普遍的结合形式，因为在实际复合材料中经常同时存在几种结合形式，尤其在Ⅰ类界面的复合材料中比较普遍。例如硼纤维增强铝材时，如果制造温度低，硼纤维表而氧化膜不被破坏，则形成机械结合，材料若在500℃进行热处理，可以发现在机械结合的界面上出现了AlB2，表面热处理过程中界面上发生化学反应形成了反应结合。④混合结合混合结合是最重要最普遍的结合形72三、陶瓷基复台材料的界面在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的结合也是采取机械结合、溶解和浸润结合、反应结合和混合结合的方式。陶瓷基复合材料中界面的特性同样对材料的性能起着举足轻重的作用。界面控制①改变增强材料表面的性质改变增强材料表面性质是用化学手段控制界面的方法。改变增强材料表面性质的目的都是防止强化材料与基体间的反应，从而获得最佳界面力学待性。另一个目的是改变纤维与基体间的结合力。三、陶瓷基复台材料的界面在陶瓷基复合材料中73②向基体内添加特定的元素在用烧结法制造陶瓷基复合材料的过程中，为了有助于烧结，往往在基体中添加一些特定元素。为了使纤维与基体之间发生适度反应以控制界面，也可添加一些元素。③在增强材料表面施以涂层涂层技术是实施界面控制的有效方法之一，可分为CVD法、PVD法、喷镀和喷射等。涂层技术是采用不同方法，在增强材料表面形成覆盖层，以保护增强材料不受化学侵蚀，阻碍增强材料与基体间的化学扩散和界面的化学反应，提高界面的剪切强度。②向基体内添加特定的元素74第四节树脂基复合材料概述纤维增强树脂基复合材料颗粒增强树脂基复合材料树脂基功能复合材料第四节树脂基复合材料概述75一、概述

树脂基复合材料亦称聚合物基复合材料，是目前应用最广、消耗量最大的一类复合材料。根据增强体的种类，树脂基复合材料可分为玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅纤维增强树脂基复合材料、芳纶纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料和颗粒(粉体)增强树脂基复合材料等；根据树脂的性质，可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料两种基本类型。一、概述树脂基复合材料亦称聚合物基复合材料76二、纤维增强树脂基复合材料1.玻璃纤维及其增强的树脂基复合材料①玻璃纤维玻璃脆性很大，但是将融熔态玻璃以极快的速度拉制成纤维，就具有一定的柔韧性，可纺织成纱或各种形式的玻璃布。玻璃纤维的性能特点：A抗拉强度很高B耐热性低C化学稳定性高D脆性较大二、纤维增强树脂基复合材料1.玻璃纤维及其增强的树脂基复合77②玻璃纤维增强的树脂基复合材料

玻璃纤维增强的树脂基复合材料，即玻璃钢。这种材料的发展十分迅速，年增长率达25％~30％，已成为重要的工程材料。玻璃钢分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢两类。A热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热固性树脂为基体的复合材料。热固性玻璃钢具有成形工艺简单、强度高、密度低、耐腐蚀、介电性高等特点，与热塑性玻璃钢相比，耐热性较高。热固性玻璃钢的主要缺点是弹性模量低(为结构钢的10％~20％)，刚性差。此外工作温度不能超过250℃，长期受力易发生蠕变，材质易老化。热固性玻璃钢应用极广，从各种机器的护罩到形状复杂的构件，从各种车辆的车身到不同用途的配件，以及石油化工中的耐蚀、耐压容器及管道等。②玻璃纤维增强的树脂基复合材料玻璃纤维78表6.5几种热固性玻璃钢的性能特点表6.5几种热固性玻璃钢的性能特点79B热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热塑性树脂为基体的复合材料。热塑性玻璃钢与热塑性塑料相比，强度和疲劳性能可提高2~3倍以上，冲击韧度提高2~4倍，抗蠕变能力提高2~5倍。玻璃纤维增强尼龙的刚度、强度和减摩性好，它可代替非铁金属制造轴承、轴承架和齿轮等精密零件，还可制造电工部件和汽车上的仪表盘、前后车灯。玻璃纤维增强苯乙烯类树脂广泛用于汽车内装饰品、磁带录音机底盘、空气调节器叶片等部件。玻璃纤维增强聚丙烯的强度、耐热性和抗蠕变性能好，耐水性优良，可用于制作转矩变换器、干燥器壳体等。B热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为80

2．碳纤维及其增强的树脂基复合材料①碳纤维

碳纤维由有机纤维经高温碳化而成，目前工业广泛应用聚烯腈纤维、黏胶纤维和沥青纤维制造的碳纤维。碳纤维有如下特点：A密度低，弹性模量和强度高。B高温、低温力学性能好。C具有高的耐蚀性、导电性以及低的摩擦系数。碳纤维主要缺点是脆性大，表面光滑，与树脂结合力比玻璃纤维的还差，常需要用表面氧化处理来改善与基体的结合力。2．碳纤维及其增强的树脂基复合材料①碳纤维81②碳纤维增强的树脂基复合材料碳纤维增强的树脂基复合材料中，作为基体的树脂，应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。碳纤维增强的树脂基复合材料的密度比铝的低，强度比钢的高，弹性模量比铝合金和钢的大，疲劳强度高，冲击韧性高，化学稳定性高，摩擦系数小，导热性好，总之比玻璃钢的性能优越。可用作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体和天线构架。还可用作机器的齿轮、轴承等受载、磨损件。②碳纤维增强的树脂基复合材料碳纤维增强的823.硼纤维及其增强的树脂基复合材料①硼纤维硼纤维外表为硼，心部为硼化钨。硼纤维直径约为0.1mm。硼纤维的比强度与玻璃纤维相近，模量是玻璃纤维的5倍，耐热性高。硼纤维的缺点是密度高、纤维直径大。3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料①硼纤维83②硼纤维增强的树脂基复合材料硼纤维增强树脂基复合材料中作为基体的树脂主要是环氧树脂、聚酰亚胺树脂和聚苯并咪唑。硼纤维增强树脂基复合材料抗压强度和抗剪切强度很高，抗蠕变能力强，硬度和弹性模量高，具有很高的疲劳强度和耐辐射性能。对水、有机溶剂很稳定，导热性和导电性很好。硼纤维增强树脂基复合材料主要应用于航空和宇航工业，制造翼面、仪表盘、转子、压气机叶片、直升飞机螺旋桨叶的传动轴等。②硼纤维增强的树脂基复合材料硼纤维增强树脂844.聚芳酰胺纤维及其增强的树脂基复合材料①聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维在商业上称为芳纶。聚芳酰胺纤维的抗拉强度不及碳纤维的抗拉强度，约为铝合金的5倍，密度低，比强度超过了玻璃纤维、碳纤维和硼纤维，韧性好，具有突出的抗蠕变性能，此外，还具有耐疲劳性能好、易加工、耐腐蚀和电绝缘性能好的特点。4.聚芳酰胺纤维及其增强的树脂基复合材料①聚芳酰胺纤85②聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料的界面结合力强，抗拉强度大于玻璃纤维增强的环氧树脂增强的抗拉强度，类似碳纤维增强的环氧树脂。聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料的塑性与金属的相似，耐冲击性超过碳纤维增强的环氧树脂的冲击性，减振性好，是玻璃钢的4~5倍。聚芳酰胺纤维增强树脂基复合材料的抗压强度较低。聚芳酰胺纤维增强树脂基复合材料主要用于航天、航空、造船和汽车工业。②聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料聚芳酰865.高性能天然纤维及其增强的树脂基复合材料①高性能天然纤维麻和竹类天然纤维的比强度与玻璃纤维的接近。麻和竹是价廉、可降解的有机纤维，具有可再生性。②高性能天然纤维增强的树脂基复合材料复合材料的基体材料主要是环氧树脂、脲醛树脂产品可用于轿车的内饰件、吸噪声板和轮罩等，也可用于建筑装饰、家具面板、游艇和器皿等。5.高性能天然纤维及其增强的树脂基复合材料①高性能天然876.

晶须及其增强的树脂基复合材料①晶须晶须是直径小于30μm、长度只有几毫米的针状单晶体，晶体内部几乎不存在位错，强度高，接近于理论值。晶须有金属晶须、陶瓷晶须和高分子晶须。②晶须增强的树脂基复合材料由于晶须价格昂贵，主要用于金属基复合材料，在树脂基复合材料中应用不多。6.晶须及其增强的树脂基复合材料①晶须88

三、颗粒增强树脂基复合材料树脂中加入非纤维状颗粒的复合材料，强度、弹性模量等力学性能比用纤维增强稍差，但仍然可使增强的树脂具有各种独特的性能，这些颗粒还具有改性作用。树脂中加入增强颗粒材料时，其力学性能不存在各向异性问题，性能只取决于增强颗粒的数量、形状及其与树脂的结合程度等因素。一般说来．作为增强的颗粒，以无机系为主。这类材料增强的树脂基复合材料，按用途分为合成木材、耐磨材料和功能材料。三、颗粒增强树脂基复合材料树脂中加入非纤维891．合成木材合成木材分两类：一类是以无机颗粒增强，即钙塑材料，另一类是以有机颗粒增强，即新型合成木材。①钙塑材料钙塑材料是以热塑性树脂为基体，加入碳酸钙等分散介质制得的复合材料。该材料不仅能够代替木材使用，还具有超过木材的优良性能。钙塑材料主要有3种，即聚乙烯钙塑材料、聚丙烯钙塑树料、聚氯乙烯钙塑材料。1．合成木材合成木材分两类：一类是以无机颗90②新型合成木材新型合成木材以热固性或热塑性树脂为基体，以有机填料木粉、木屑、稻壳粉、稻草屑为分散介质的颗粒增强(改性)塑料。新型合成木材的共同特点是填料量大，树脂量少，密度低，价格便宜，保温性能好有防火、防蛀、防腐蚀等性能。新型合成木材目前广泛用于制作门芯板、天花板、家具和车、船的隔板。②新型合成木材新型合成木材以热固性或热塑91四、树脂基功能复合材料1．具有电波透过功能的复合材料这种材料以玻璃纤维或玻璃布作为增强材料，以环氧树脂或不饱和聚脂作为基体而制成，该材料电波透过性好．而且具有一定强度，良好的耐天候性、耐腐蚀性，常用于制造雷达天线罩，广泛用于飞机雷达、船舶雷达、地面固定雷达，以及抛物面天线的保护罩。四、树脂基功能复合材料1．具有电波透过功能的复合材料922．具有隐身功能的复合材料

利用热塑性树脂的介电特性，用碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料具有吸收电磁被的隐身功能，可避过雷达的跟踪，是高性能结构材料，是制造先进战斗机、侦察机的理想隐身材料。3．具有导电功能的复合材料以环氧树脂作为基体，与碳纤维或碳粉并加入一定量石棉纤维制成的复合材料，具有优异的耐蚀性、良好的耐热性、良好的集尘效果，常用于使用温度较高的电集尘器的电极板。2．具有隐身功能的复合材料934．具有形状记忆功能的复合材料

形状记忆功能是指具有一定形状的制品变形后，通过加热等手段处理后又回复到初始形状的功能。目前，树脂基形状记忆功能复合材料，因其优异的综合性能已成为热门材料。这种材料的特点是成本低，化学稳定性高，可无限期地存放，损伤容限大，自适应能力强。已用于医疗、建筑、玩具、传感元件和汽车的缓冲器。4．具有形状记忆功能的复合材料形状记忆功能是945．具有磁性功能的复合材料这类复合材料作为基体的合成树脂有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、聚酰胺(尼龙)等热塑性树脂和环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺等热固性树脂，添加剂是铁氧体磁粉或稀土类磁粉。这类材料广泛用于录音带、录像带、家用电器、电子仪器仪表、磁疗设备、精密电机、微型电机、通信设备的传感器。5．具有磁性功能的复合材料这类复合材料作为基956．具有压电功能的复合材料这类复合材料是将具有高极化强度的压电陶瓷(BaTiO3)混入树脂基体中，极化后得到压电性较强的可挠树脂基压电材料，该材料已用于制造柔性机电换能器。7．具有自控发热功能的复合材料

这种材料是将一种导电粉末(如碳粉)分散在高分子树脂中，并使导电粉末构成导电通道，用这种复合材料制成扁形电缆即可缠在管道外而通电加热。它的特点在于通电后材料发热使高分子膨胀，拉断一些导电粉末通道，从而使材料电阻值增大而降低发热量，温度降低后高分子收缩又使通道复原，从而产生恒温控制的效果，这种功能材料已广泛用于石油、化工工业。6．具有压电功能的复合材料968．具有电绝缘功能的复合材料这种材料是以酚醛树脂为基体，以各种颗粒状填料为分散质的改性塑料，为克服基体的弱点，分别加入不同的填料。为克服酚醛树脂的脆性，提高力学性能，加入一定量的木粉；为提高电绝缘性和耐热性，再加入一定量的云母粉、石棉粉和石英粉；此外还需加入其他助剂，这些混合材料经加热成形制成的各种电工绝缘零件，广泛应用于低压电器、电讯工业以及蓄电池的绝缘结构件。8．具有电绝缘功能的复合材料这种材料是以酚97第五节金属基复合材料概述纤维增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料金属基功能复合材料第五节金属基复合材料概述98一、概述金属基复合材料具有高强度、高弹性模量和线膨胀系数小，工作温度高，不易燃烧，导热、导电、热稳定性好以及抗电磁干扰、抗辐射性能好等特点，可进行机械加工和采用常规方法连接，而且在较高温度下也不会放出有味、有害气体污染环境，这是树脂基复合材料所无法比拟的。但金属基复合材料存在着密度高、成本较高、某些复合材料制备工艺复杂、增强材料与基体界面易发生化学反应等缺点。金属基复合材料可分为长纤维增强型、短纤维或晶须增强型、颗粒增强型以及原位复合材料。一、概述金属基复合材料具有高强度、高99二、纤维增强金属基复合材料1．长纤维增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料是由高性能长纤维和金属或其合金组成的先进复合材料。复合材料中高强度、高弹性模量的增强纤维主要起承载作用，而金属基体则起固结纤维和传递载荷的作用。长纤维增强金属基复合材料具有各向异性特征，其程度取决于纤维在基体中的数量、分布和排列情况。长纤维增强的金属基复合材料常用的增强纤维有硼纤维、碳(石墨)纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等。基体金属主要有铝及其合金、镁及其合金、钛及其合金、铜合金、铅合金、高温合金以及新近发展的金属间化合物。二、纤维增强金属基复合材料1．长纤维增强金属基复合材料100①硼/铝复合材料

硼/铝复合材料是长纤维增强的复合材料中最早研究成功和应用的金属基复合材料。硼纤维高温强度较高。由于纤维处于500℃以上氧化后强度降低，所以预先要在硼纤维表面涂覆一层SjC或B4C，防止纤维表面氧化。硼/铝复合材料造价较高，但由于质量轻，比强度、比模量高．优异的耐疲劳性能及良好的耐蚀性能等特点，故应用广泛，主要应用于航天飞机的桁架结构、飞机的结构支柱、导弹支架、载人飞船的加压舵和太阳能电池的支撑板等。①硼/铝复合材料硼/铝复合材料是长纤维增101②石墨／铝复合材料石墨／铝复合材料具有导电性高、摩擦系数低和耐腐蚀等优点。石墨／铝复合材料主要应用于航天结构件、飞机蒙皮、直升机旋翼叶片和涡轮发动机的压气机叶片等。③石墨／镁复合材料

石墨/镁复合材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸稳定性极好，在金属基复合材料中具有最高的比强度和比模量。石墨/镁复合材料价格昂贵，主要应用于航天和航空领域，如人造卫星的抛物面天线及其支架、航天飞机的大面积蜂窝结构蒙皮、飞机的天线支架等。②石墨／铝复合材料102④碳化硅/钛复合材料

碳化硅纤维比强度、比模量高，高温下也能保持高强度，是耐热、耐氧化的纤维，它和金属反应小，润湿性好，用碳化硅纤维增强的钛基复合材料性能尤其是高温强度明显高于基体合金性能，已用于制造飞机发动机部件和涡轮叶片及火箭发动机箱。⑤氧化铝／铝复合材料

氧化铝纤维增强铝基复合材料具有高强度和高刚度，由于氧化铝纤维在氧化性气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高、耐磨性好，因此用它作增强材料的金属基复合材料的抗蠕变、抗疲劳及耐磨性都很好。这种材料已用于制作汽车发动机活塞和其他发动机零件。④碳化硅/钛复合材料103⑥其他长纤维增强的金属基复合材料除上述的长纤维增强的金属基复合材料之外，近些年相继发展了钨丝增强镍基，钨丝增强铜基，碳化硅纤维增强Ti3A1、TiAl、Ni3Al等金属间化合物，这些材料具有强度高、抗蠕变、抗冲击、耐热疲劳等优点，可以满足燃气轮机、火箭发动机对高温金属基复合材料的要求。长纤维增强的铜基、铅基复合材料作为特殊导体和电极材料，在电子行业和能源工业中具有广泛的应用前景。⑥其他长纤维增强的金属基复合材料除上述104

2．短纤维及晶须增强金属基复合材料增强材料的短纤维主要有氧化铝纤维、氧化铝-氧化硅纤维、氮化硼纤维。增强晶须主要有碳化硅晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等。这类复合材料除具有比强度、比模量高，耐高温，耐磨，线膨胀系数小等优点外，最显著的特点是可采用常规设备进行制备和二次加工。增强材料杂混无序分布的复合材料还具有各向同性的特点。这类材料的基体金属主要有铝、镁、钛和镍等。2．短纤维及晶须增强金属基复合材料增强材料105①氧化铝/铝复合材料

氧化铝短纤维增强铝基复合材料是较早研制和应用的复合材料。这种材料的高温强度、弹性模量明显优于基体金属的高温强度和弹性模量，并且线膨胀系数较低，耐磨性较高；该材料在汽车制造等行业得到了广泛应用。②碳化硅/铝复合材料

碳化硅晶须增强铝基复合材料可根据不同的使用要求，选用纯铝、铸铝、锻铝、硬铝、超硬铝以及铝捏合金等作为基体，可采用多种方法(如粉末冶金法、挤压铸造法)进行制备。这类复合材料具有良好的综合性能，具有比强度、比模量高和线膨胀系数低等特点，由于受晶须成本的影响，普遍存在成本高的问题。这类复合材料主要应用于航天、航空领域。①氧化铝/铝复合材料106③氧化铝/镍复合材料氧化铝晶须增强的镍基高温材料高温性能良好，但是由于晶须与基体的线膨胀数相差较大．致使复合时遇到困难，加之晶须价格昂贵，使得这类复合材料发展缓慢，应用有限。③氧化铝/镍复合材料107④原位复合材料原位复合材料是采用定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则的温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身析出晶须而得到晶须增强复合材料，也称自增强金属基复合材料。这类复合材料与人工合成金属基复合材料相比有以下优点：A晶须是在结晶凝固过程中析出的，两相界面结合牢固，界面强度高，同时还避免了人工复合时润湿、化学反应和相容性等问题B由于两相是在高温接近热平衡条件下缓慢生成的，因而具有良好的热稳定性；C纤维分布均匀，不存在人工复合时那种纤维难以均匀分布和易受损伤等问题；D材料易于加工，能直接铸成所需的结构。用定向凝固方式制成的高温复合材料，在性能上超过基体本身，接近共晶温度时，仍保持很高的强度和抗蠕变性能，是航天工业和制造燃气涡轮的优异材料。④原位复合材料原位复合材料是采用定向凝固108三、颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料是由一种或多种陶瓷或金属颗粒作为增强材料与金属基体组成的先进复合材料。增强颗粒通常为碳化硅、氧化硅、碳化钛、硼化钛，有时也用钨、铝、铬等金属颗粒。颗粒增强金属基复合材料的金属基体种类很多，目前常用的有铝、镁、钛及其合金，以及金属间化合物。三、颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复1091．碳化硅/铝复合材料碳化硅颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料中最早实现大规模产业化生产的品种。碳化硅/铝基复合材料密度仅为钢的1/3、钛合金的2/3，与铝合金的相近。强度比中碳钢的高，与铝合金的相近，弹性模量高于钛合金的弹性模量，比铝合金的高得多，耐磨性比铝合金的高一倍，使用最高温度可达300~350℃。目前这种材料已批量用于汽车工业与机械工业，制造大功率汽车发动机和柴油发动机的活塞环、连杆、刹车片等。还可用于制造火箭、导弹构件，红外及激光制导系统的结构件。此外，以超细碳化硅颗粒增强的铝基复合材料还是一种理想的精密仪表用高尺寸稳定性材料和精密电子器件的封装材料。1．碳化硅/铝复合材料碳化硅颗粒增强铝基复1102．碳化钛/钛复合材料碳化钛颗粒增强钛合金复合材料是由10％~25％超硬碳化钛与钛合金粉末采用粉末冶金方法复合而成的。与基体合金相比这种复合材料强度、弹性模量及抗蠕变性能均明显提高，使用温度可达500℃，可用于制造导弹壳体、导弹尾翼和发动机零部件。3.颗粒增强金属间化合物基复合材料颗粒增强金属间化合物基复合材料有TiB2/NiAl、TiB2／TiAl等，适用温度高达800℃以上，目前尚处于实验研究阶段。2．碳化钛/钛复合材料111四、金属基功能复合材料1．具有导电功能的复合材料以铜为基体，加人氧化铝颗粒利用弥散强化制成的导电新材料，在耐热性和强度方面均高于基体，而导电性几乎不下降，因而作为导电材料很快得到应用。为提高铜基导线的强度，研究用钢材代替部分铜，制成高强度钢-铜基导线。2．具有超导功能的复合材料超导线的超导性能受其直径的限制．导线直径只有小于30μm时才能保证超导性，但直径为20~30μm的超导线仅可通过几安的电流，而且这种线很易折断难以使用，为此研究出将这种导线纤维埋人铜、铝这样低电阻金属中，制成复合材料再使用的方法。这种复合材料是将超导纤维埋入铜中经挤压制成结构稳定的超导线材。四、金属基功能复合材料1．具有导电功能的复合材料1123．具有智能的复合材料金属材料使用中会因产生疲劳龟裂及蠕变而损伤。金属基智能材料不仅能检测自身的损伤．还可抑制并且有自修复功能，从而可确保结构件的使用可靠性。以铝合金作为金属基体，以硼颗粒作为复合剂所制得的复合材料，在破坏时会发出声波，可由声发射传感器接收并查出破坏位置。另一种智能复合材料是在钼基金属内复合氧化锆颗粒，当材料承受载荷，产生裂缝时，在裂缝尖端产生的高应力作用下，氧化锆诱发相变，由正方晶系的t相转变为单斜晶系的m相，同时伴随着体积膨胀，这一膨胀使微裂纹闭合，可抑制裂纹发展，使材料的断裂韧度提高。3．具有智能的复合材料金属材料使用中会因产113第六节陶瓷基复合材料碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须、氧化铝晶须、碳化硅颗粒和碳化钛颗粒的加入，使得陶瓷的强度和韧性得到很大改善，应用领域也取得突破性的扩展。目前用这些纤维、晶须、颗粒增强的陶瓷基复合材料主要用来制造人造卫星、航天飞机、星际探测器、大型运载火箭和飞机上要求耐高温、耐冲刷、密度低和强度高的结构件。纤维增强陶瓷基复合材料颗粒增强陶瓷基复合材料陶瓷基功能复台材料第六节陶瓷基复合材料碳纤维、氧化铝纤维、1141．长纤维增强陶瓷基复合材料①碳/陶瓷基复合材料

用碳纤维与陶瓷组成的复合材料，具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧度。碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400℃下长期工作；碳纤维增强石英陶瓷复合材料，冲击韧度比纯烧结石英陶瓷的大40倍、抗弯强度大5~12倍，比强度、比模量均成倍提高，能承受1200~1500℃高温气流的冲击，这类材料主要用来制造喷气飞机的涡轮叶片。②碳化硅/陶瓷基复合材料

碳化硅纤维增强的碳化硅陶瓷，与单一碳化硅陶瓷相比，断裂韧度提高5~6倍，抗弯强度提高50%以上，纤维与基体之间具有良好的结合性能。该材料已应用于喷气发动机的喷嘴。1．长纤维增强陶瓷基复合材料115③碳/碳复合材料Cf/C复合材料：利用性能优异的碳纤维增强的碳基复合材料。Cf/C复合材料的强度和刚度都相当好，能承受极高的温度和加热速度。当温度升高时，强度不下降反而上升，高温力学性能比低温时还好，其耐热性远胜过所有高温材料和复合材料，是目前使用温度最高的材料。Cf/C复合材料的失效为非脆性断裂，有极好的耐热冲击能力，密度非常低，仅为高温合金的1/4，陶瓷的一半，特别适于作宇航材料。如：固体火箭喷嘴、航天飞机头罩和前缘、超音速飞机的减速板等。Cf/C复合材料的化学稳定性好。可用于化学工业作各种反应容器、热交换管等。③碳/碳复合材料Cf/C复合材料：利1162.短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料①碳/玻璃陶瓷复合材料利用短切碳纤维增强玻璃陶瓷可提高复合材料的韧度，当碳纤维定向有序分布时可获得更高的断裂韧度。②晶须/陶瓷基复合材料常用的增强晶须是陶瓷晶须，具有很高的强度。近年来，晶须增强陶瓷基复合材料发展很快并取得了很好的韧化效果。目前常用的陶瓷晶须是SiC晶须、Si3N4晶须和Al2O3晶须，常用的基体材料有Al2O3、ZrO2、SiO2、Si3N4和莫来石等。2.短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料①碳/玻璃陶瓷复合材117二、颗粒增强陶瓷基复合材料1．氧化锆/陶瓷基复合材料

氧化锆微粒添加到氧化铝陶瓷中形成的陶瓷基复合材料，利用氧化锆相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧度。氧化锆增韧的氧化铝陶瓷与未增韧的氧化铝陶瓷相比，断裂韧度可提高l~1.4倍。用氧化氧化铝增强莫来石陶瓷较单一莫来石陶瓷在强度、断裂韧度面均有明显改善，现在这种复合陶瓷已用作发动机部件的绝热材料。2．氧化亿陶瓷基复合材料在氧化锆陶瓷中加入氧化钇微粒．可获得晶粒组织非常细小的高强度、高韧性复合陶瓷，这也是韧度最接近金属材料的陶瓷之一。二、颗粒增强陶瓷基复合材料1．氧化锆/陶瓷基复合材料118三、陶瓷基功能复台材料1．具有磁性功能的复合陶瓷

铁氧体是典型的磁性陶瓷，是由氧化铁和其他一种或多种金属氧化物组成的复合氧化物磁性材料。铁氧体的特点是电阻率比金属磁性材料的高，在交变磁场中，涡流损耗和集肤效应都比较小，此外它还具有原料丰富、工艺简单、成本低廉等优点，作为永磁、高频软磁和磁记录材料有其广阔的应用前景。三、陶瓷基功能复台材料1．具有磁性功能的复合陶瓷1192．具有导电功能的复合陶瓷将碳化硅系陶瓷粉碎后再加入少量碳粉及沥青，经加压、加热成形，即可获得导电复合陶瓷。通过改变碳的比例，可控制其电阻率。这种导电复合陶瓷可用作电阻炉的电热体，其使用温度比镍铬电阻丝的使用温度高得多。利用碳化硅复合陶瓷电阻随电压变化的非线性特征，可制成压敏电阻，可用于电子电路的稳定和异常电压控制元件。2．具有导电功能的复合陶瓷1203．具有医用生物功能的复合陶瓷

近几年我国研制成功的羟基磷灰石和生物活性微晶玻璃复合材料，化学性能稳定，具有生物活性，在材料上分布着许多约400μm的微孔，使于人体骨组织向其内部生长，使骨与材料之间呈活性结合，从而有效地解决了人工关节松动下沉问题。在长碳纤维上涂敷热解碳，植入人体后，可使韧带重新恢复功能；碳/碳复合材料具有良好的力学性能和生物相容性，其弹性模量接近人体骨骼，是颇有前途的医用生物体材料；等离子喷涂生物陶瓷涂层的人工骨与关节临床实验证明疗效良好，已广泛用于人工骨盆、肘关节、膝关节的医治工作。3．具有医用生物功能的复合陶瓷近几年我国研制成121第七节层叠复合材料层叠复合材料是由两层或更多层不同材料复合而成的。层叠增强复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声和自重等性能得到改善。双层金属复合材料塑料-金属多层复台材料夹层结构复合材料第七节层叠复合材料层叠复合材料是由两层122一、双层金属复合材料这是一种将性能不同的两种金属，用胶合或熔合(铸造、热压、焊接、喷涂)等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。最简单的双层金属复合材料是将两块线膨胀系数不同的金属板胶合在一起，用来组成悬臂梁，当温度发生变化后，由于线膨胀系数不同而产生预定的翘曲变形，可作为测量和控制温度的简易恒温器。我国生产的不锈钢-碳素钢复合钢板、合金钢-碳素钢复合钢板，可认为是层叠复合材料。

一、双层金属复合材料这是一种将性能不同的两种123二、塑料-金属多层复台材料SF型3层复合材料就是以钢为基体，烧结铜网或铜球为中间层，塑料为表面层自润滑复合材料。这种材料的物理、力学性能主要取决于基体，而摩擦、磨损性能主要取决于塑料，中间系多孔性青铜。这种复合材料比单一的塑料承载能力高20倍，导热系数高50倍，线膨胀系数低75％，有效提高了尺寸稳目前已用于汽车、矿UJ机械、化工机械等行业。

图6.25SF型3层复合材料1-塑料层2-多孔铜3-钢二、塑料-金属多层复台材料SF型3层复合材124经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量写125ThankYou在别人的演说中思考，在自己的故事里成长ThinkingInOtherPeople‘SSpeeches，GrowingUpInYourOwnStory讲师：XXXXXXXX年XX月XX日ThankYou126第六章复合材料概述复合材料的复合理论复合材料的界面树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料层叠复合材料第六章复合材料概述127第一节概述复合材料的涵义复合材料的用途及重要性复合材料过去、现在和未来复合材料的分类复合材料的增强材料复合材料的性能特点第一节概述复合材料的涵义128一、复合材料的涵义

复合材料：由两种或两种以上性能不同的材料组合为一个整体，从而表现出某些优于其中任何一种材料性能的材料。含两种以上的不同的化学相具有每个组分所不具备的优良性能复合材料的基本组分可划分为基体相(基体材料)和增强相(增强材料)两种。一、复合材料的涵义复合材料：由两种或两种以上129

图6.1两种或两种以上材料所组成的复合材料图6.1两种或两种以上材料所组成的复合材料130复合材料的命名复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。例如，玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“玻璃纤维环氧树脂复合材料”。为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线隔开，后面再加“复合材料“。如“玻璃／环氧复合材料”。有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同，也可简称为“玻璃纤维复合材料”或“环氧树脂复合材料”。复合材料的命名复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名131二、复合材料的用途及重要性应用领域机械工业汽车工业及交通运输化学工业航空宇航领域建筑领域二、复合材料的用途及重要性应用领域132图6.2碳纤维增强聚合物制作的导波天线图6.3碳纤维和Kevlar纤维混杂复合材料制造的赛车图6.2碳纤维增强聚合物图6.3碳纤维和Kevlar133三、复合材料过去、现在和未来20世纪40年代纤维复合材料发展成为具有工程意义的创举，60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。

60年代末树脂基高性能复合材料用于制造军用飞机的承力结构。70年代末发展用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合。

80年代开始逐渐发展陶瓷基复合材料三、复合材料过去、现在和未来20世纪40年代纤维复134第一代复合材料：玻璃强化树脂第二代复合材料：碳纤维强化塑料硼纤维强化塑