华科大复合材料课件

复合材料参考书张玉龙主编，先进复合材料制造技术手册，机械工业出版社，2003.6沃丁柱主编，复合材料大全，化学工业出版社，2001.1吴人洁主编，复合材料，天津大学出版社，2000.12徐国财，张立德主编，纳米复合材料，化学工业出版社，2002.3贾成厂主编，陶瓷基复合材料导论，冶金工业出版社，2002.1第一章前言一、材料的发展与人类社会的进步

材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。二十一世纪将是一个新材料时代。

二、

复合材料的提出现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。三、复合材料的发展历史和意义

1、复合材料的发展历史

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；

20世纪40年代，美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种广泛应用的较现代化复合材料。

2、复合材料的意义现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如：火箭壳体材料对射程的影响如下四、课程的重点和要求

学习重点是使学生能够较全面和系统地理解复合材料及其力学的重要基本概念和理论，各类复合材料的性能、成型工艺、界面特征和结构设计，同时具有初步的复合材料设计能力。为学生今后在材料领域的学习和研究奠定较坚实的基础。

第二章复合材料概述

一、复合材料的定义和特点：

1、复合材料的定义：

ISO定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料应满足下面三个条件：（1）组元含量大于5%；（2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；（3）通过各种方法混合而成。

2、复合材料的特点：

1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。

2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。

3）复合材料具有可设计性。

3、复合材料的基本结构模式复合材料由基体和增强剂两个组分构成：基体：构成复合材料的连续相；增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。

二、复合材料的分类

1、按性能分类

：

普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、

SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合材料。先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到

400MPa/(g/cm3)和40GPa/(g/cm3)以上。2、按基体材料分类：聚合物复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳碳复合材料水泥基复合材料3、按用途分类结构复合材料功能复合材料结构

/功能一体化复合材料4、按增强剂分类颗粒增强复合材料晶须增强复合材料短纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料混杂纤维增强复合材料三向编织复合材料

四、复合材料的基本性能（优点）：

1、高比强度、高比模量（刚度）：比强度=强度/密度MPa/（g/cm3）,

比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。

2、良好的高温性能：

目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350

C；金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在350

1100

C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达1400

C；

碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800

C。

3、良好的尺寸稳定性：加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。

4、良好的化学稳定性：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。

5、良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善

6、良好的功能性能

第三章

复合材料界面

一、复合材料界面

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。

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

1、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，如强弹性、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。2、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。界面最佳态的衡量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。

二、复合材料组分的相容性

1、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。

★

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时将受到张应力；

★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。2、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：

L

cos

=

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SEM（黄线为连续线扫描）

3、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，从而降低了位错的移动性。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，从而降低了位错的流动性。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（不考虑界面效应时）

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=Xm

Vm

+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

第五章复合材料基体（Matrix）材料一、聚合物及其分类聚合物包括：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。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EP

—缩水甘油类缩水甘油胺EP

缩水甘油酯EP

—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，玻璃化转变温度为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

C。

聚酰胺酰亚胺（PAI）：Tg

达280

C，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Tf

在Tg以下：为硬而脆或硬而韧的固体（玻璃态）；在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）、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（铝、镁及其合金）

1-1

铝及其合金: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)。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，保证高度石墨和取得更好的性能。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：这是一类可直接进行模压成型而不需要事先进行固化、干燥等其它工序的纤维增强热固性模塑料。其组成包括短切玻璃纤维、树脂、引发剂、固化剂或催化剂、填料等。

SMC一般用专用SMC机组制造；

BMC用捏合法制造。b.GMT(玻璃毡增强热塑性塑料)制造：

GMT是一种类似于热固性SMC的复合材料半成品。所采用的增强剂是无碱玻璃、无纺毡或连续纤维。制造工艺有熔融浸渍法和悬浮浸渍法。c.IMC(颗粒状注射模塑料)制造：

IMC一般使用双螺杆挤出机制造，由切割机切断，长度一般为3–6mm。7.3.2成型工艺（1）手糊成型用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单的成型工艺。用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中，通过浇、刷或喷的方法加上树脂；

纱或毡也可在铺放前用树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方法赶出其中的空气。如此反复，直到所需厚度。固化通常在常温、常压下进行，也可适当加热，或常温时加入催化剂或促进剂以加快固化。（2）压力成型：

a.袋压成型：真空袋成型；压力袋成型；

袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型的工艺之一。将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等，在热压下固化。经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构形状的构件

。

b.热压罐成型工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物，在真空条件下在热压罐中加热、加压固化。固化压力通常在0.35-0.7MPa。1-橡皮囊；2-成型套；3-模具；4-毛坯；

5-弓形夹；

6-热压罐；

7-底板；

（3）缠绕成型：缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。

（4）拉挤成型：是高效率生产连续、恒定截面复合型材的一种自动化工艺技术。其特点是：连续纤维浸渍树脂后，通过具有一定截面形状的模具成型并固化。（5）模压成型：对模模压成型是最普通的模压成型技术。它一般分为三类：坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料模压。

（6）挤出成型是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的热塑性塑料（粉料或粒料）从料斗进入挤出机加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的连续体。

挤出成型工艺示意图

（7）注射成型注射成型是热塑性塑料制品的常用成型方法，多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要为短切纤维，纤维含量通常有20％、30%两种。（8）喷射成型这是一种半机械化成型技术。它是将混有引发剂的树脂和混有促进剂的树脂分别从喷枪两侧喷出或混合后喷出，同时将纤维用切断器切断并从喷枪中心喷出，与树脂一起均匀地沉积在模具上，待材料在模具上沉积一定厚度后，用手辊压实，除去气泡并使纤维浸透树脂，最后固化成制品。

喷射成型原理图

（9）树脂传递成型：先将增强剂置于模具中形成一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化的一种复合材料生产工艺，是FRP（纤维增强塑料）的主要成型工艺之一。特点是：污染小，为闭模操作系统，另外在制品可设计性、可方向性增强、制品综合性能方面优于SMC、BMC。

树脂传递成型示意图

7.3.3PMC的界面

(1)PMC的界面特点：（A）大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）

也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。（B）PMC的界面一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。（C）PMC中增强剂本身一般不与基体材料反应。(2)PMC界面设计基本原则：改善浸润性、提高界面结合强度。

(A)使用偶联剂偶联剂是一种化合物，其分子两端含有不同的基团，一端可与增强剂发生化学或物理作用，另一端则能与基体材料发生化学或物理作用，从而使增强剂与基体靠偶联剂的偶联紧密地结合在一起。(B)增强剂表面（活化）处理由于碳纤维本身的结构特征（沿纤维轴向择优取向的同质多晶）以及石墨表面能低，纤维不能被树脂很好浸润。可通过适当的表面处理以改变纤维

表面形态、结构，使其表面能提高，以改善浸润性或使表面生成一些能与树脂反应形成化学键的活性官能团，如引入-COOH、-OH、-NH2、

C=O等，从而提高纤维与基体的相容性以及结合强度。(C)使用聚合物涂层改善基体和纤维的润湿性以及界面粘接状态；改善界面应力状态。使用溶液涂敷、电化学及等离子聚合等方法可获得聚合物涂层。第八章金属基复合材料（MMC）制备工艺8.1概述

8.1.1金属基复合材料的研究重点

1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；

2）增强相/基体的界面优化、界面设计；

3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；

4）新型增强剂的研究开发；

5）复合材料的扩大应用。

8.1.2

金属基复合材料制备工艺的分类：

1）固态法：真空热压扩散结合、热等静压、超塑性成型/扩散结合、模压、粉末冶金法。

2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。

3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。

4）原位生长法。8.1.3连续增强相金属基复合材料的制备工艺

铝合金——固态、液态法碳纤维镁合金——

固态、液态法硼纤维钛合金——

固态法

SiC纤维高温合金——固态法氧化铝纤维金属间化合物——固态法8.1.4不连续增强相金属基复合材料的制备工艺

铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法颗粒镁合金—液态法晶须钛合金—固态、液态法、原位生长法短纤维高温合金—原位生长法金属间化合物—粉末冶金、原位生长法8.2先驱（预制）丝（带、板）的制备

8.2.1粉末法纤维/基体复合丝

首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体，然后将纤维通过带有一定孔径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。

8.2.2PVD法纤维/基体复合丝

采用磁控溅射等物理气相沉积（PVD）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，形成纤维/基体复合丝。

PVD法纤维/基体复合丝原理图

8.2.3等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：

8.2.5熔池法纤维/基体复合丝

这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。

对石墨纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相Al4C3生成。8.3金属基复合材料（MMC）制备方法8.3.1粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。其优点如下：

1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；

2）可根据要求设计复合材料的性能；

3）利于增强相与金属基体的均匀混合。

4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；

5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。8.3.2固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）

（1）真空热压扩散结合

（2）热等静压（HIP）热等静压制备金属基复合材料管材示意图

（3）模压成型模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材。

8.3.3液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）（1）压铸法在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。（2）半固态复合铸造将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。（3）喷射成型法

喷射沉积工艺是一种80年代逐渐成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工艺。该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成“雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。

喷射成型法示意图

（4）无压浸渗法美国Lanxide公司开发的一种新工艺。将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。然后一齐均装入可通入流氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。无压浸渗法制备Al2O3（f）/Al复合材料工艺原理示意图

8.3.4原位（Insitu）生长（复合）法增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的认识润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。

（1）共晶合金定向凝固：共晶合金定向凝固要求合金成分为共晶或接近共晶成分，开始为二元合金，后发展为三元单变共晶，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。定向凝固时，参与共晶反应的

和

相同时从液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规则排列生成（上图）。定向凝固共晶合金复合材料的原位生长必须满足三个条件：

（1）有温度梯度（GL）的加热方式；

（2）满足平面凝固条件；GL/VI=mL（CE–C0）/DL

式中：GL：液相温度梯度；VI：凝固速度；

mL：液相线斜率；CE：共晶成分：

C0：合金成分；DL：溶质在液相中的扩散系数。

（3）两相的成核和生长要协调进行。（2）反应生长法（XDTM）

该工艺可生成颗粒、晶须或共同增强的金属和金属间化合物基复合材料。根据所选择的原位生长的增强相的类别或形态，选择基体和增强相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成预制体，并加热到熔化或自蔓延燃烧（SHS）反应发生的温度时，预制体的组成元素进行放热反应，以生成在基体中弥散的微观增强颗粒、晶须和片晶等

例如：

Al+Ti+B

TiB2+AlTiB2/AlAl+Ti+C

TiC+Al

TiC/AlFe2O3+Al

Al2O3+Fe+850KJAl2O3/Fe反应生长法（XDTM）工艺原理示意图

8.4金属基复合材料的界面和界面设计

8.4.1金属基复合材料的界面

类

型

1类

型

2类

型

3纤维与基体互不反应亦不溶解纤维与基体互不反应但相互溶解纤维与基体反应形成界面反应层钨丝

/铜Al2O3

纤维

/铜Al2O3

纤维

/银硼纤维（BN表面涂层）

/铝不锈钢丝

/铝SiC纤维

/铝硼纤维

/铝硼纤维

/镁镀铬的钨丝

/铜碳纤维

/镍钨丝

/镍合金共晶体丝

/同一合金钨丝

/铜

–钛合金碳纤维

/铝（

580C）Al2O3

纤维

/钛硼纤维

/钛硼纤维

/钛-铝SiC纤维

/钛SiO2

纤维

/钛8.4.2金属基复合材料的界面优化以及界面设计

改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。从界面优化的观点来看，增强剂与基体的在润湿后又能发生适当的界面反应，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。金属基复合材料的界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：8.4.2.1增强剂的表面改性处理增强材料的表面改性（涂层）处理可起到以下作用：（1）改善增强剂的力学性能，保护增强剂的外来物理和化学损伤（保护层）；（2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；（3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应(阻挡层)（4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）；（5）促进增强剂与基体的（化学）结合（牺牲层）。常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：

PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。常用纤维涂层种类：SiC纤维

—

富碳涂层、SCS涂层等；硼纤维

—

SiC涂层、B4C等；碳纤维

—TiB2涂层、C/SiC复合涂层等。8.4.2.2金属基体改性（添加微量合金元素）

在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。（1）控制界面反应。

（2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间。（3）改善增强剂与基体的润湿性。

8.4.3金属基复合材料的性能

复合材料增强相含量VoL%抗拉强度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3BF/AlCVDSiCF

/AlNicalonSiCF

/AlCF/AlFPAl2O3F/AlSumicaAl2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVDSiCF/TiBF/Ti505035~4035505018~202035451200~15001300~1500700~900500~800650900500~620400~5101500~17501300~1500200~220210~23095~110100138~100210~2302202.62.85~3.02.62.43.32.92.82.83.93.7第九章陶瓷基复合材料9.1陶瓷基复合材料概述

特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。陶瓷基复合材料使材料的韧性大大