先进复合材料与航空航天

先进复合材料

与航空航天航空与航天飞机材料的发展变化木质和布料铝合金、钢和钛合金飞机材料的发展变化复合材料航天领域

5和平来自于有效的威慑安全需要技术支撑国际形势－－实力政策飞机性能一半取决于设计,另一半取决于材料。材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智能化、微型化、无人化、电子化等方面的发展都离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多方面的,首先是“比强度”,即强度与密度之比,同时综合考虑其他性能,例如“比刚度”、断裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性等。对于功能材料,主要是要求良好的功能特性,例如隐形性能。材料对飞机的影响及飞机对材料的要求“哥伦比亚”穿越大气层解体时的图像“哥伦比亚”航天飞机起飞时隔热片曾被撞击8复合材料在A380上的应用10

飞机的重量构成结构部件约30%燃料30~35%引擎装备约20%收益负重15~20%一架总重170吨的飞机，若减重1%，一年可节约300~600万美元

引擎减轻机翼起落架燃料结构材料减轻效益3－7倍概论

新材料发展的若干技术前沿

新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，能源动力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。金属玻璃(MetallicGlasses)终结者金属玻璃比钢强度高3倍，弹性大10倍。研究前沿：信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、集成与微加工技术，结构陶瓷以及复合材料的补强、韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制备技术。耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料西北工业大学张立同院士此项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是国际上公认的反映一个国家先进航空航天器制造能力的新型热结构材料，这也使我国成为继法国和美国之后第三个掌握此技术的国家。稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素，简称稀土。稀土金属稀土提纯样品

“中东有石油，中国有稀土”。稀土曾是让国人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开采出来的稀土资源降到“白菜价”。

AIM-9“响尾蛇”系列导弹的红外引导头关键部分使用锑化铟材料制造稀土是制造“灵巧炸弹”精密制导武器、雷达夜视镜等武器装备不可缺少的元素美国宙斯盾系统雷达使用由中国稀土所制磁铁

美国武器制造方面对稀土依赖程度非常高国际稀土之争白热化日欧美结盟施压中国;稀土开发伴随环境污染,中国基于环保节约等考虑实施稀土管制中国打响“稀土保卫战”设立国家级“特区”,我国首设稀土矿国家规划区矿区划定江西赣州;商务部降低2011年首批稀土配额11.4%,部分企业的出口配额甚至减少了三成;国务院关税税则委员会关于2011年关税实施方案的通知》（金属钕的出口关税税率由15%提高至25%纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，固态量子器件制备及纳米加工与组装技术。

SpaceelevatorCarbonNanotubes神奇玻璃能自洁超薄二氧化钛镀膜(40nm)能够分解有机污垢TiO2,光触媒，在受到大于二氧化钛能隙宽度的光线照射时（例如紫外光），内部电子会被激发，与空气的氧气和水分子发生作用，产生负氧离子和氢氧自由基。透明度，价格防皮肤癌的化妆品奥克斯尼卡公司几个月前推出一款产品，因为它含有钛氧化物纳米粒子，可以在长达8小时的时间内有效地抵挡UVA和UVB干净新鲜的衣物美国NanoHorizons公司，SmartSilver抵抗微生物和细菌侵蚀防菌绷带自动清洁和消毒的洗衣机、电冰箱和空调纳米材料的奇特用途能看电影的衣服－OLED定点杀死癌细胞的纳米药物轻巧结实的材料不会被刮花的汽车－纳米瓷透明涂料（奔驰汽车）材料智能合成与制备技术，材料表面改性技术的低成本化途径与批量生产技术，原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的设计与排布技术，材料微观结构的模型化技术、智能化控制及动态实时监测分析技术，不同层次的材料设计、性能预测和评价表征新技术。材料的设计、制备与评价技术：复合材料的发展历史树----纤维素纤维+木质素及半纤维素1、复合材料是一个需要长期科学研究的重要领域1）天然复合材料伴随着自然界的生存与发展天然材料几乎都是复合材料复合采用了自然规律29

特点:

按照需要自然地生长受了伤自己能够恢复—再生能力非常强韧的结构骨----胶原纤维的有机物+磷酸钙的无机物

生命体是多层次意义上的复合体系：生命体基本单位----细胞，是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体，各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。即使细胞膜也是有磷脂双分子层，蛋白质组成的复合功能体系。

海胆：家在喜马拉雅山上海胆有五片刀片般的牙齿，合在一起像一组大钢牙，正好长在腹部中央。它的食物是海藻，大钢牙像除草机般，将海底藻类刮得干干净净进化的复合材料-海胆牙齿进化的复合材料-贝壳木质素纤维素6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。我们住在复合材料里燕子窝：泥土-草复合材料36生活中提炼解决初级水平的装备问题2）传统复合材料与人民生活密切相关草茎与泥土的复合玻璃纤维增强塑料373）人类在材料制造方面的局限性也促使复合材料的不断发展限定在很小的特定性能及机能上人类已进入了能够制造超天然物质的复合材料阶段综合性角度，要制造像天然物质那样精巧的复合材料

人类的能力多少显得有些不够仿生复合材料发展的源泉382、复合材料的特性决定了其巨大的发展潜力1）单一成分物质,有其来自自身性质的界限高分子材料老化与耐温性金属材料的比重与加工性陶瓷材料的脆性新的成型方法和技术不断开发轻质高强（高性能）多功能（特显功能）392）复合材料发展趋势第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料第二代：1960年到1980年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-491975年先进复合材料“碳纤维增强及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。复合材料(compositematerials):由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能。复合材料的定义复合材料一词，国外起源于20世纪50年底，国内60年代；复合材料是一类成分复杂的多元多相体系，很难准确地予以定义；不同领域的复合材料有不同的含义（工业，现代材料学，狭义）复合材料的特征：可设计性。即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能；由基体组元与增强体或功能组元所组成；非均相材料。组分材料间有明显的界面；有三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）；组分材料性能差异很大组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现新性能；命名：复合材料可根据增强材料和基体材料的名称来命名，通常将增强材料放在前面，基体材料放在后面，再加上“复合材料”而构成。复合材料的命名与分类

玻璃纤维/环氧树脂复合材料玻璃/环氧复合材料环氧玻璃钢（俗称）玻璃纤维复合材料（强调增强材料）环氧树脂复合材料（强调基体材料）

C/C复合材料复合材料的分类：按基体材料分类①聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；②金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；③无机非金属基复合材料：包括陶瓷基、碳基和水泥基复合材料。按增强材料形态分类：①纤维增强复合材料：

a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；

b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；②颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；③板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体

复合材料结构示意图

a)层叠复合b)连续纤维复合c)细粒复合d)短切纤维复合按用途分类①结构复合材料：用于制造受力构件；②功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、光、电、磁、摩擦、屏蔽等）③智能复合材料混杂复合材料复合材料系统组合航空航天工业先进固体发动机－－UHTCF复合材料。飞机减速板、刹车装置－－C/C复合材料，耐高温，耐腐蚀、耐摩擦。固体火箭的外壳及喷嘴－－CF/酚醛树脂复合材料。内燃机活塞、连杆、发动机气缸－－Al2O3/Al，高温强度、疲劳强度，热稳定性。复合材料的应用

交通运输业超塑铝合金制造的汽车模型汽车车身、底盘、结构梁、驱动轴、方向盘、操纵杆、发动机罩、散热器罩等等－－聚合物基复合材料集装箱、火车车厢、冷藏车－－金属基复合材料天然气瓶－－玻璃钢建筑工业轻型结构房、卫生洁具、冷却塔、储水箱－－玻璃钢外墙、结构梁－－水泥基复合材料造船业交通艇、摩托艇、赛艇、救生艇－－纤维增强复合材料其他行业风机叶片、各种管道、撑杆、高尔夫球棒、网球拍、钓鱼杆、微波炉餐具等等－－碳纤维增强聚合物复合材料碳纤维环氧树脂复合材料降低纤维价格及开发新型纤维扩大复合材料的应用范围发展新的设计、制备方法和新的复合技术发展混杂纤维复合材料发展功能、多功能、机敏、智能复合材料纳米和仿生复合材料复合材料的进展及未来方向复合材料的增强体

增强体是结构复合材料中能提高材料力学性能的组分，在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用。增强体的基本特征：能明显提高材料的一种或几种性能具有良好的化学稳定性具有良好的润湿性

增强体的概念

颗粒状（零维）纤维、晶须状（一维）片状（二维）立体编织物（三维）无机非金属类(共价键)有机聚合物类(共价键、高分子链)金属类(金属键)。按形态分类：按化学特征分类：

增强体的分类一、玻璃纤维（GlassFibers）一种性能优异的无机非金属材料具有不燃、耐高温、电绝然、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能是将熔融的玻璃液，以极快的速度拉成细丝而成无普通玻璃的脆性，质地柔软而有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。

无机非金属纤维

玻璃纤维的制造方法主要有玻璃球法(也称为坩埚拉丝法)和直接熔融法(也称为池窑拉丝法)。分类：组成：SiO2+MetalOxides(Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3

）。有碱玻璃纤维，碱性氧化物含量>12%，也称为A玻璃纤维中碱玻璃纤维，碱性氧化物含量6~12%低碱玻璃纤维，碱性氧化物含量2~6%无碱玻璃纤维，碱性氧化物含量<2%，也称为E玻璃纤维按含碱量可分为：粗纤维，单丝直径30μm初级纤维，单丝直径30μm中级纤维，单丝直径10~20μm高级纤维，单丝直径3~10μm按单丝直径可分为：按纤维的外观可分为：无捻粗纱、有捻粗纱、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维按纤维的特性分类：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、普通玻璃纤维特性：力学性能：拉伸强度高，模量低热学性能：耐热性仅比聚合物好、良好的绝热性、热膨胀系数低电学性能：绝缘性好、良好的高频介电性能。耐介质性能：水中浸泡后，强度降低；除HF外，对酸、碱及有机溶剂有较好的耐腐蚀能力玻璃纤维纱玻璃纤维布玻璃纤维带玻璃纤维管玻璃纤维毡玻璃纤维制品种类水与玻璃纤维的化学反应过程：—Si—O—Na+H2O→—Si—OH+Na++OH-—Si—O—Si—+H2O→—Si—O—+—Si—OH—Si—O-

+H2O→—Si—OH+OH-影响玻璃纤维强度的因素直径：拉伸强度随直径降低而增加。长度：拉伸强度随长度降低而增加。化学组成：含碱量越高，强度越低。存放时间：纤维的老化，与含碱量有关。施加负荷时间：纤维的疲劳。玻纤的成型工艺和条件。瞄准新材料之王碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用。

二、碳纤维CarbonFibers分类：按先驱体原料：黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和气相生长碳纤维。碳纤维：由有机纤维如黏胶纤维、沥青纤维或聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）纤维在保护气氛（N2或Ar）下热处理碳化成含碳量90－99％的纤维。按功能：受力结构用碳纤维；耐焰（火）碳纤维；活性碳纤维（吸附活性）；导电用碳纤维；润滑用碳纤维；耐磨用碳纤维；耐腐蚀用碳纤维。高性能碳纤维（HP）中强型（MT）高强型（HT）超高强型（UHT）中模型（IM）高模型（HM）超高模型（UHM）按力学性能：通用级碳纤维（GP）UHMHMIMUHTHT拉伸模量/Gpa拉伸强度/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℃，空气中预氧化1150℃惰性气体保护PAN基碳纤维的制备过程碳纤维的性能最突出的特点是强度和模量高、密度小（1.5～2.0g/cm3),因而比强度、比模量高。耐高低温性能好，在惰性气体保护下，2000℃任保持良好的力学性能。液氮下不脆断。良好的导电导热性能，且有方向性。耐腐蚀性，除了强氧化剂如浓硝酸、次氯酸外，一般的酸碱对它的作用小，较GF具有更好的耐腐蚀性。热膨胀系数小，甚至为负值；摩擦系数小，耐水性比GF好。断裂伸长率低。碳纤维的不足之处是价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上，因此大大限制了它的推广应用。此外碳纤维的抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。1958年C.P.Talley首先用化学气相沉积（Chemicalvapourdeposition，简称CVD）方法研制成功高模量的硼纤维。现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝、碳芯或铝丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。三、硼纤维（BoronFibre，BF或Bf）2BCl3＋3H26HCl＋2B硼沉积的化学反应：硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为350~400GPa。主要用于金属基复合材料。纵向压缩强度高于任何纤维复合材料硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。直径大、质硬、不能编织，导致成型性差。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维的缺点目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。SiC纤维是高强度高模量的陶瓷纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。最高使用温度为1250℃，在1200℃其拉伸强度和弹性模量均无明显下降，因此比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。此外SiC纤维还具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。四、碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）氧化铝纤维是多晶连续陶瓷纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。具有优良的耐热性和抗氧化性，直到1370℃强度仍下降不大。缺点是在所有纤维中密度最大,3-4g/cm3

。主要用于金属基复合材料。五、氧化铝纤维（AluminiaFibre，AF或（Al2O3）f）①芳香族酰胺纤维（AromaticPolymideFibre,Aramid,Kevlar（Dupont）,KF）化学结构特点：含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体苯环与酰胺键交替排列对称性好，结晶性好分子间有氢键Kevlar

有机纤维：Kevlar纤维、聚乙烯纤维

Kevlar纤维-49的性能力学性能弹性模量高，CF＞Ef＝125Gpa≈2GF拉伸强度高，3620Mpa，与S-GF、CF-Ⅱ相当密度小，1.45g/㎝3,低于GF、CF良好的韧性各向异性抗蠕变、疲劳性能好抗压性能、抗扭性能较低－－芳纶的致命弱点。Kevlar纤维的制造过程：这种纤维用干喷湿纺法职称，具体工艺流程如下：将原料溶于浓硫酸中，制成各向异性液晶纺丝液→挤压喷丝→干湿纺→溶剂萃取与洗涤→干燥→Kevlar29纤维→在氮气保护下经550℃热处理→Kevlar49纤维2）热性能良好的热稳定性和耐低温性。Tc427℃,Tm570℃，直至分解不变形Td500℃,-196℃不变脆，仍能保持其性能。3）化学性能除强酸强碱以外，不受任何有机溶剂、油类的影响。因大量苯环存在，耐紫外光差，吸收水分后，破坏氢键，纤维强度降低。聚乙烯纤维是目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。通常聚乙烯纤维的分子量大于106，纤维的拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为100GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。在纤维材料中，聚乙烯纤维具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。其不足之处是熔点较低（约135℃）和高温容易蠕变。因此仅能在100℃以下使用。②超高相对分子量聚乙烯纤维（Polyethylene,UHMWPE）各种纤维性能比较各种纤维的柔韧性及断裂从图所示的纤维的应力一应变曲线表明，各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服。从拉断后纤维的TEM观察发现，仅Kevlar49纤维呈韧性断裂。而碳纤维和玻璃纤维几乎就是理想的脆性断裂，断裂时不发生截面积的缩小。由图还可以比较各种纤维的弹性模量大小。

比强度和比模量是纤维性能的一个重要指标。聚乙烯纤维具有最佳的比强度和比模量搭配，碳纤维的比模量最高。氧化铝纤维由于密度最大，因而比模量和比强度较低，比模量最低的是玻璃纤维。晶须（Wisker）是指具有一定长径比（一般大于10）和截面积小于52×10-5cm2的单晶纤维材料。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。

晶须增强体

金属晶须（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd）氧化物晶须（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2）陶瓷晶须（如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC）硼化物晶须（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2）无机盐类晶须（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。晶须的制备方法有化学气相沉积（CVD）法、溶胶—凝胶法、气液固（VLS）法、液相生长法、固相生长法和原位生长法等。晶须分类：1）刚性颗粒增强体（RagidParticleReinforcement）。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、氧化钛、氮化硅、石墨、细金刚石等。用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体（ParticleReinforcement）

颗粒增强体

颗粒增强体以很细的粉末（一般在10μm以下）加入到基体中起提高耐磨、耐热、强度、模量等作用。如在Al合金中加入体积为30%，粒径为0.3μm的Al2O3颗粒,材料在300℃时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。

主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。颗粒增强体成本低，易于批量生产。2）延性颗粒增强体（DuctileParticleReinforcement）复合材料设计原理复合材料设计的基本思想

环境载荷材料选择成型方法及工艺过程检验测试可靠性及成本力学分析复合材料设计

复合材料的可设计性各向异性性质弹性常数热膨胀系数材料强度复合材料的设计不均匀性对复合材料进行分析时，需首先判断材料内部的拉压特性，并结合不同的强度准则对其进行分析。此外，复合材料的几何非线性及物理非线性也是需要特殊考虑的。

复合材料设计的基本思想

对外部环境与载荷的要求选材复合材料的响应代表性单元的性能考察机械载荷热载荷潮湿环境基体材料增强材料几何形状成型方法工艺及工艺过程优化的设计细观力学方法有限元方法实验力学方法典型结构的宏观性能应力场温度场等设计变量的优化损伤及破坏分析强度准则损伤机理破坏过程复合材料的界面复合材料的界面是指基体与增强相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。

复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。复合材料界面的概念1、外力场2、基体

3、基体表面区4、相互渗透区

5、增强剂表面区6、增强剂

一、界面效应界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应：（1）传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。（3）不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。（4）散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如高弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。★界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。二、界面的结合状态和强度界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。界面结合较差的复合材料：大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。界面结合最佳态是：当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。界面结合过强的复合材料：则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。

一、物理相容性：

（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。（2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合及各类性能产生重要的影响。

复合材料组分的相容性★对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因为热膨胀系数较高的相，从较高的加工温度冷却是将受到张应力；对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。

★而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。二、化学相容性：★对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。★对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。

1）相反应的自由能

F：小

2）化学势U：相近

3）表面能T：低

4）晶界扩散系数D：小三、复合材料的界面理论

1、界面润湿理论界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。

浸润不良:会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。

良好的或完全浸润:可使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。

根据力的合成：

Lcos

=

S-

SL

粘合功可表示为：WA=

S+

L-

SL=

L（1+cos

）粘合功WA最大时：cos

=1，即

=0，液体完全平铺在固体表面。同时：

=

SL,

S=

L

润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。

2、机械作用理论：当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。

尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点。3、静电理论：当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。4、化学键理论：在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合。在理论上可获得最强的界面粘结能（210-220J/mol）。5、界面反应或界面扩散理论在复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反应，从而形成反应结合或扩散结合。四、界面的表征

1、界面结合强度的测定

1）三点弯曲法：★测定界面拉伸强度时纤维的排布

★测定界面剪切强度时纤维的排布

2）声发射（AcousticEmissin，AE）法：声发射是当固体材料在外部条件（如载荷、温度、磁场、环境介质等）发生变化时，由于其内部原因而产生的瞬时弹性应力波发射。声发射信号包括有材料内部缺陷或微观结构变化动态信息，借助灵敏的电子仪器可以检测到声发射信号。用仪器检测分析声发射信号，推断声发射源的技术称为声发射技术。富碳处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为

富SiO2处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为

2、界面结构的表征界面的微观结构、形貌和厚度可通过先进仪器观察分析。包括：俄歇电子谱仪（AES）、电子探针（EP）

X光电子能谱仪（XPS）扫描二次离子质谱仪（SSIMS）电子能量损失仪（EELS）

X射线反射谱仪（GAXP）透射电子显微镜（TEM）扫描电镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）等

TiB2纤维表面涂层SiCF/Ti复合材料界面SEM3、界面残余应力及其表征（1）界面残余应力

复合材料成型后，由于基体的固化或凝固发生体积收缩或膨胀（通常为收缩），而增强体则体积相对稳定使界面产生内应力，同时又因增强体与基体之间存在热膨胀系数的差异，在不同环境温度下界面产生热应力。这两种应力的加和总称为界面残余应力。

（A）界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理，使界面松弛而降低，但受界面结合强度的控制，在界面结合很强的情况下效果不明显。

（B）界面残余应力的存在对复合材料的力学性能有影响，其利弊与加载方向和复合材料残余应力的状态有关。已经发现，由于复合材料界面存在残余应力使之拉伸与压缩性能有明显差异。2、界面残余应力的测量主要方法X射线衍射法和中子衍射法。

★中子的穿透能力较X射线强，可用来测量界面内应力；其结果是很大区域的应力平均值。

★

X射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。目前，应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。

第四章复合材料的复合理论

一、复合材料增强机制

1、颗粒增强复合材料增强机制基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒起着阻碍基体位错运动的作用，从而降低了错的流动性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转，同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。颗粒增强复合材料的屈服强度可有下式表示：式中：

σy

－复合材料屈服强度；Gm

－基体的切变模量；

b－为柏氏矢量；d－颗粒直径；C－常数

VP

－颗粒体积分数；Gp

－颗粒的切变模量。2、弥散增强复合材料增强机制基体是承受外来载荷的主要相；颗粒起着阻碍基体位错运动的作用，从而降低了错的流动性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转，同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。弥散增强复合材料的屈服强度可由下式表示：式中：

σy

－复合材料屈服强度；Gm

－基体的切变模量；

b－为柏氏矢量；d－颗粒直径；

VP

－颗粒体积分数。3.纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维等），不是主承力相。

纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。受力分析如下：

假定：纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上。短纤维增强复合材料的拉伸强度可由下式表示：式中：σm*－与纤维的屈服应变同时发生的基体应力；

σfF

－纤维的平均拉伸应力；

Vf－纤维的体积分数；

l

－纤维的长度；

lc

－最大拉应力等于纤维断裂强度时纤维的强度，纤维的临界长度，。分析上式可得：（1）l/lc愈大，复合材料的拉伸强度愈大。当l/lc＝10时，增强效果可达到连续纤维的95%。（2）引入纤维直径d，

（l/d）c

为纤维临界长径比，当（l/d）c

10时，复合材料可获得理想的增强效果。二、复合材料的复合法则—混合定律1、混合定律：当复合材料满足以下条件:(连续纤维增强）（1）复合材料宏观上是均质的，不存在内应力；（2）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料；（3）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。复合材料力学性能同组分之间的关系

Xc=XmVm+XfVf或

Xc=XfVf+Xm（1-Vf）

式中：X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；

V：材料的体积百分比；下脚标c、m、f分别代表复合材料、基体和纤维。2、连续纤维单向增强复合材料

弹性模量、抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符合混合定律。如果考虑界面效应，通常是在纤维的影响因子前面乘以一个系数。在平行于纤维长度方向的强度计算，主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。3、短纤维增强复合材料

短纤维复合材料的强度与纤维长度的关系示意图

第五章复合材料的基体（Matrix）材料一、聚合物聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。1、热固性聚合物:通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子。

三维网状高分子示意图

主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。各种热固性树脂的固化反应机理不同，根据使用要求的差异，采用的固化条件也有很大的差异。一般的固化条件有室温固化、中温固化（120

C左右）和高温固化（170

C以上）。这类高分子通常为无定型结构。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性能和尺寸稳定性好等优点。2、热塑性聚合物:它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶、可熔，可反复加工而无化学变化。包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。这类高分子分非晶（或无定形）和结晶两类。通常结晶度在20-85%之间。具有质轻、比强度高、电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生产效率高等优点。与热固性聚合物相比，具有明显的力学松弛现象；在外力作用下形变大；具有相当大的断裂延伸率；抗冲击性能较好。

热塑性聚合物状态与温度的关系1非晶态聚合物的温度-形变曲线2

结晶态聚合物的温度-形变曲线3、常用热固性树脂：

1)环氧树脂(EP):

一种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团(—C—C—)的低聚物。

O按化学结构分类如下：缩水甘油醚

缩水甘油类缩水甘油胺

缩水甘油酯

脂环族EP

脂肪族EP环氧树脂是线型结构，必须加入固化剂使它变为不溶不熔的网状结构才有用途。常用的固化剂包括脂肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸酐等。

按固化工艺可分为三大类：1）含有活泼氢的化合物，它仍在固化时发生加成聚合反应；2）离子型引发剂，它可分阴离子和阳离子；3）交联剂，它能与双酚A型环氧树脂的氢氧基进行交联。

2)双马来酰亚胺树脂（BMI）

双马树脂是马来酸酐与芬香族二胺反应生成预聚体，再高温交联而成的一类热固性树脂。交联后的双马树脂具有不熔、不溶的特点，有高的交联度，固化后的密度在1.35

1.4g/cm3之间，玻璃化温度（Tg）在250

300

C之间，使用温度为150

200

C。热固性树脂的力学性能表

2、热塑性树脂：1）聚醚醚酮（PEEK）PEEK是一种半结晶型热塑性树脂，其玻璃化转变温度为143

C，熔点为334

C，结晶度一般在20-40%，最大结晶度为48%。PEEK在空气中的热分解温度为650

C，加工温度在370

420

C，室温弹性模量与环氧树脂相当，强度优于环氧，断裂韧性极高，具有优秀的阻燃性。

PEEK基复合材料可在250

C的温度下长期使用。2）聚苯硫醚（PPS）

结晶型聚合物，耐化学腐蚀性极好，在室温不溶任何溶剂，可长期耐热至240

C。

3）聚醚砜（PES）

非晶聚合物，玻璃化转变温度225

C，可在180

C下长期使用；有突出的耐蠕变性、尺寸稳定性；热膨胀系数与温度无关，无毒，不燃。4）热塑性聚酰亚胺聚醚酰胺（PEI）：长期使用温度为180℃。

聚酰胺酰亚胺（PAI）：Tg达280℃，长期使用温度为240

C。

高聚物特征温度：玻璃化转变温度Tg，

熔点Tm和粘流温度TfTg以下：为硬而脆或硬而韧的固体玻璃态；Tg附近：非晶高聚物转变成软而有弹性的橡胶态；半晶高聚物转变成软而韧的皮革态；热塑高聚物Tg

基本固定；热固高聚物Tg随其交联度的增加而增加。当交联度很高时，达到Tg后无明显的软化现象。Tm（结晶）：成为高粘度的流体。Tf（非晶）：成为高粘度的流体。温度及加载速度对高聚物力学性能的影响

二、金属1用于450

C以下的轻金属基体包括：铝、镁及其合金1.1

铝及其合金:铝面心立方结构，无同素异构转变。熔点为660

C，密度2.7g/cm3。塑性优异，导热、导电性能好；化学活性高，强度不高。铝合金中常用的合金元素有铜、镁、锌、锰和硅等。可分变形铝合金和铸造铝合金(ZL)。其中：变形铝合金可分为:防锈铝(LF)、硬铝（LY）、超硬铝(LC)、锻铝（LD）。★固溶处理是指通过加热使合金中第二相完全溶入

相中，并通过扩散均匀化，以固溶强化方式强化合金。

★

淬火：是指固溶处理后用水或其它介质将合金急冷至室温，获得最大饱和度的均匀固溶体。

★时效处理指通过过饱和度固溶体的分解,析出介稳定的第二相(过渡

相)并弥散分布。通过时效铝合金的强度和硬度明显提高。铝合金的相图

1.2镁及其合金:镁具有密排六方结构，密度为1.74g/cm3。镁的强度和模量都很低，但比强度、比模量较高。其室温和低温塑性较低，但高温塑性好，可进行各种形式的热变形加工。

镁的合金化也是利用固溶强化和时效强化来提

高合金的常温和高温性能。其合金化元素有铝、锌

、锆、锰和稀土等。镁合金主要有Mg-AL-Zn系和

Mg-Zn-Zr系，分变形镁合金和铸造镁合金。

镁-铝合金相图

镁-锌合金相图

2、用于450

700

C复合材料的金属基体（钛及其合金）钛的密度为4.51g/cm3，熔点1678

C，热膨胀系数7.35

10-6/K，导电和导热性差，耐腐蚀性良好。钛有两种同素异构结构。882.5

C以下为密

排六方结构（

-Ti）；882.5

C以上至熔点为体心立方结构（

-Ti）。钛合金复合材料中常用钛及钛合金成分及性能

3、用于1000

C高温复合材料的金属基体3-1高温合金高温合金是铁基、镍基和钴基高温合金的总称，在高温下具有很的持久、蠕变和疲劳强度。为了获得高强度与高蠕变抗力，合金元素必须保证产生在高温下强而稳定的显微组织。强化方式：固溶强化、弥散强化和析出硬化。

例如：奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相形成高温合金。其中：强化相可以是碳化物相、金属间化合物相或稳定化合物质点。

★铁基高温合金：可做中温使用的另部件，如700

C以下使用的发动机涡轮盘，作为高温板材的固溶强化型铁基高温合金的使用温度在900

C以下。高温合金基体的力学性能

★镍基合金：用来制造使用温度更高的、受力苛刻的热端部件，如涡轮叶片、导向叶片、燃烧室等。

★钴基高温合金广泛用作导向叶片，具有良好的抗热腐蚀性和抗冷热疲劳性能。3-2金属间化合物(IntermetallicCompound)

概念：金属与金属或金属与类金属之间形成的中间相化合物。决定金属间化合物相结构的主要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等。金属间化合物可分结构金属间化合物和功能金属间化合物两大类。常见

AB、A2B、A3B、A5B3、A7B6型等化合物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。金属间化合物晶体结构虽然复杂，但从原子结合上仍具有金属特性。然而其电子云分布并非完全均匀，存在一定方向性，具有某种程度的共价键特征，导致熔点升高及原子间键出现方向性。金属间化合物往往具有一定的固溶度，偏离当量成分，有序度降低，缺陷增加。

例如：Ti-Al系金属间化合物具有低密度、高强度、高刚度、以及良好的高温、抗蠕变和抗氧化性能。Ti-Al系金属间化合物一般分

2-Ti3Al和

-TiAl两类。

三、陶瓷陶瓷是金属与与非金属的固体化合物，以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4、BN）以及离子键和共价键的混合键结合在一起。陶瓷材料的显微结构通常由晶相、玻璃相和气相（孔）等不同的相组成。优点：陶瓷材料具有熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀、比重小强度和模量高等优点，可在各种苛刻的环境下工作；另一方面，陶瓷材料在磁、电、光、热等方面的性能和用途具有多样性和可变性，是非常重要的功能材料。陶瓷材料的致命弱点：是脆性大、韧性差，常因存在裂纹、空隙、杂质等缺陷而引起不可预测的灾难性后果。

陶瓷基复合材料是改变其脆性、提高韧性的有效途径。用于复合材料陶瓷基体主要有氧化物（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和莫来石（3Al2O32SiO2）陶瓷等。其熔点在1700

C以上，主要为单相多晶结构，还可能有少量气相（气孔）。微晶氧化物的强度较高；粗晶结构时，晶界残余应力较大，对强度不利。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低。这类材料应避免在高应力和高温环境下使用。这是因为Al2O3和ZrO2的抗热震性差；SiO2在高温下容易发生蠕变和相变等。

2、非氧化物陶瓷

主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。碳化物、硼化物的抗热氧化温度约900-1000

C，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度可达1300-1700

C。

★

氮化硅（Si3N4）属六方晶系，有

、

两种晶相。其强度和硬度高、抗热震和抗高温蠕变性好、摩擦系数小，具有良好的耐（酸、碱和有色金属）腐蚀（侵蚀）性。抗氧化温度可达1000

C，电绝缘性好。

★

-SiC属六方晶系，

-SiC属等轴晶系。高温强度高，具有很高的热传导能力以及较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。★氮化硼具有两种结构：A、类似石墨的六方结构，可作为高温自润滑材料在高温（1360

C）和高压作用下可转变成立方结构的

-氮化硼。B、

-氮化硼立方结构，耐热温度高达2000

C，硬度极高，可作为金刚石的代用品。

4、

玻璃陶瓷（微晶玻璃）许多无机玻璃可通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。对于某些玻璃反玻璃化过程可以控制，最后能够形成无残余应力的微晶玻璃。这种材料成为玻璃陶瓷。密度为2.0-2.8g/cm3,弯曲强度为70-350MPa,弹性模量为80-140GPa。玻璃陶瓷具有热膨胀系数小，力学性能好和导热系数较大等特点。如：锂铝硅（Li2O-Al203-SiO2，LAS）玻璃陶瓷的热膨胀系数几乎为零，耐热好。镁铝硅（MgO-Al203-SiO2，MAS）玻璃陶瓷的硬度高，耐磨性好。四、碳（石墨）熔点：3550

C（超过3500

C开始升华）；沸点：4200

C。

同素异形体：金刚石、石墨、无定形碳。比重：无定形碳为1.88、石墨为2.25、金刚石为3.51。

第六章复合材料增强剂(Reinforcement)

纤维及其织物、晶须、颗粒一、复合材料增强剂的特点（图7–1）1、具有很低的比重；2、组成这些化合物的元素都处在元素周期表中的第二、第三周期；3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合；4、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。不同复合材料增强剂的强度和模量

二、纤维1、无机纤维1-1、玻璃纤维（GlassFiber）玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。性能

纤维类别有碱A化学C低介电D无碱E高强度S粗纤维R高模量M拉伸强度，GPa3.13.12.53.44.584.43.5弹性模量，GPa737455718586110延伸率，%3.63.374.65.2密度，g/cm32.462.462.142.52.52.552.89玻璃纤维品种性能一览表

1-2、碳纤维

碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。含碳量95%左右的称为碳纤维；含碳量99%左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小，比强度、比模量大见下表，耐热性和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，是一类极为重要的高性能增强剂。制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维）聚丙烯腈（PAN）纤维和沥青（Pitch）等。经过分为五个阶段：1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。2）牵伸：通常在100

300

C范围内进行，控制着最终纤维的模量。3）稳定：在400

C加热氧化。显著地降低热失重，保证高度石墨化、取得更好的性能。4）碳化：在1000

2000

C范围内进行。5）石墨化：在2000

3000

C范围内进行。碳纤维制备工艺流程PAN基碳纤维制备工艺流程：PAN原丝空气中预氧化，施张力使纤维伸长约10%。(200

300

C)

1150

惰气中碳化1h，施张力约0.5N/束。

碳纤维(低模高强)2100

C石墨化惰气中1分钟，施张力约1

2N/束。石墨纤维(高模高强)

碳化过程：

有机化合物在惰性气氛中加热到1000-1500

C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。石墨化过程：

当温度升到2000

3000

C时，非碳原子进一步排除，反应形成的芳环平面逐步增加，排列也较规则，取向度显著提高，由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化，此阶段称为石墨化过程。形成的石墨纤维弹性模量大大提高。 碳纤维热处理温度与强度及弹性模量的关系不同品种碳纤维的力学性能

2、陶瓷纤维

2-1、硼纤维（BoronFiber）

制备工艺：化学气相沉积（CVD）。

2BCl3+3H2

2B

+6HCl

中心是碳纤维或钨纤维典型性能：

直径：100

140

m；抗张强度：3500MPa弹性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3状态：连续单丝。硼纤维抗氧化和高温性能较差，在400

C时可保持室温强度的80%；在高于500

C的氧化气氛中几分钟其强度就迅速下降；在650

C时将失去所有的性能。同时其成本也较高，成本下降的潜力也不大。室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就可与树脂复合，其复合材料具有较高的层间剪切强度。对于含氮化合物亲和力大于含氧化合物。但在高温下易与大多数金属反应，需要在纤维表面沉积保护涂层，如SiC和B4C等。硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。2-2、氧化铝纤维(AluminaFiber)

氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的机械性能以及耐热性和抗氧化性。制备氧化铝纤维的方法较多，有

-、

-、

-Al2O3

连续纤维和

-Al2O3

短纤维。

-Al2O3

与树脂及熔融金属的相容性好，氧化铝纤维主要用于金属基复合材料。缺点是密度较大。纤维比重(g/cm3)直径(

m)拉伸强度

(MPa)拉伸模量(GPa)最高使用温度（

C）熔点（

C）Tyco法3.99250240046020002040三M法2.511175015013002040ICI法3.43100010016002040DuPont法3.920140030011002040住友化学法3.29260025013002040各种氧化铝纤维的性能2-3、碳化硅纤维碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点同时还具有良好的抗氧化和高温性能，其室温性能可保持到1200

C。其成本下降的潜力很大。适合于制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。碳化硅纤维的制备方法有先驱体转化法和CVD法两种。1）先驱体转化法1975年由日本矢岛教授首先研制成功。有Nicalon（尼卡隆）和Tyranno（奇拉隆）两种商品。纤维呈束状，每束500根左右，每根纤维10

m左右。

聚碳硅烷纺丝聚碳硅烷纤维N2下高温处理Nicalon（尼卡隆）

2）CVD法制备SiC纤维直径：100

140

m；抗张强度：3500MPa

弹性模量：400GPa；密度：3.0

3.4g/cm3

状态：连续单丝。制备方法：将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热到1200~1300

C的同时通入适量的氯硅烷与氢气的混合反应气体反应气体在热丝上发生热解反应生成SiCCH3SiCl3+H2

SiC

+HCl

+•••

并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续SiC纤维各种SiC纤维的性能比较纤维密度（g/cm3）弹性模量（GPa）拉伸强度（MPa）比模量(GPa/g/cm3)比强度（MPa/g/cm3）Nicalon

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

晶须是指具有一定长径比和截面积小于52

10-5cm2的单晶纤维材料。其直径为0.1到几个微米,长度为数十到数千微米。但具有实用价值的晶须的直径约为1-10微米,长径比在5–100之间。晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。ZnO晶须微观形貌

SiC晶须微观形貌

晶须的制备方法有：化学气相沉积（CVD）法、溶胶-凝胶法、气液固法、液相生长法、固相生长法和原位生长法等。制备陶瓷晶须经常采用CVD法。即通过气体原料在高温下反应，并沉积在衬底上而长成晶须。例如CVD法制备SiC晶须的基本反应式为：

CH3SiCl3（g）+H2

SiC

+HCl（g）CVD法制备难溶金属氮化物和碳化物的基本反应式为：2MCl4（g）+4H2+N2=2MN（s）

+8HCl（g）MCl4（g）+CH2=MC（s）

+4HCl（g）VLS法制备SiC晶须的过程是：在预选高温将触媒固体颗粒（

30

m）熔化成液态触媒球，通入气相源(H2、CH4、SiO)，气相中的碳、硅原子被液球吸收溶解形成过饱和的碳硅溶液，以SiC的形式沉积在支撑衬底上。沉积不断进行，晶须不断生长，触媒球被生长着的晶须抬起，继续吸收、溶解和沉积。固相生长法的典型实例利用稻壳法制备SiC晶须具体反应是：

稻壳(700-900

C、无氧气氛)

SiO2(s)

+C(s)

SiO2（s）

+3C（s）

SiC

+2CO(g)晶须不仅具有优异的力学性能，而且许多晶须具有各种特殊性能，可用来制备各种性能优异的功能复合材料。晶须的成本较高，影响其应用。目前已开发出许多低成本晶须，如K2Ti6O13等。另外晶须在基体材料中的分散工艺也是目前需要解决的问题之一。

四、颗粒（Particle）

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，加入到基体材料中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。其成本低，易于批量生产。

另外，还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体（DuctileParticleReinforcement），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起到增韧作用。如Al2O3中加入Al、Ni，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能有所下降。

第七章聚合物复合材料（PMC）制备工艺7.1聚合物复合材料的分类7.1.1纤维增强（FRC）（1）按纤维形态：连续纤维和非连续纤维；（2）按铺层方式：单向；织物；三维；（3）按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维；芳纶（Kevlar）纤维；混杂纤维；7.1.2晶须增强（WRC）7.1.3粒子增强（PRC）7.2聚合物复合材料的性能（1）高比强、高比模量。（2）设计性强、成型工艺简单。（3）热膨胀系数低，尺寸稳定。（4）耐腐蚀、抗疲劳性能好。（5）减震性能好。（6）高温性能较好。（7）安全性能好。聚合物复合材料与几种金属材料的力学性能比较材料GFRP玻璃纤维增强热固性塑料（玻璃钢）CFRP碳纤维增强热固性塑料钢铝钛密度,g/cm32.01.67.82.84.5拉伸强度,GPa1.21.81.40.481.0比强度6001120180170210拉伸模量,GPa4213021077110比模量2181272725热膨胀系数(10-6/K)80.212239.07.3聚合物复合材料的制备工艺7.3.1预浸料/预混料制备预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。预混料是指不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后所形成的较厚的片（SMC、GMT）团状（BMC）或粒状半成品以及注射模塑料（IMC）。

SMC片状模塑料；

GMT玻璃毡增强热塑性塑料；

BMC团状模塑料；IMC颗粒状注射模塑料；

后浸渍技术：预浸料中树脂以粉末、纤维或包层等形式存在，对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。（1）预浸料制备：（2）预混料制造

a.SMC(片状模塑料)和BMC(团状模塑料)制造：这是一类