材料学高分子精简

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1、 本章内容 复 合 材 料 概 述 复 合 材 料 分 类 复 合 材 料 的 基 体 复 合 材 料 的 增 强 相 复 合 材 料 的 复 合 原 理 (key point) 复 合 材 料 的 成 型 工 艺 （ 一 ） 复合材料概述 三 大 材 料 ： 金 属 无 机 非 金 属 有 机 高 分 子 复 合 材 料 取 长 补 短 协 同 作 用 产 生 原 来 单 一 材 料 本 身 所 没 有 的 新 性 能无 机非 金 属材 料 有 机高 分 子材 料金 属材 料复 合材料 、 复 合 材 料 的 定 义 什 么 是 复 合 材 料 (Composition Materials

2、, Composite) ? 要 给 复 合 材 料 下 一 个 严 格 精 确 而 又 统 一 的 定 义 是 很 困 难的 。 概 括 前 人 的 观 点 ， 有 关 复 合 材 料 的 定 义 或 偏 重 于 考 虑， 或 偏 重 于 考 虑 。 ：1、 复 合 材 料 的 组 分 和 相 对 含 量 是 由 人 工 选 择 和 设 计 的 ；2、 复 合 材 料 是 以 人 工 制 造 而 非 天 然 形 成 的 （ 区 别 于 具 有 某些 复 合 材 料 形 态 特 征 的 天 然 物 质 ） ；3、 组 成 复 合 材 料 的 某 些 组 分 在 复 合 后 仍 然 保 持 其

3、固 有 的 物 理和 化 学 性 质 （ 区 别 于 化 合 物 和 合 金 ） ；4、 复 合 材 料 的 性 能 取 决 于 各 组 成 相 性 能 的 协 同 。 复 合 材 料 具有 新 的 、 独 特 的 和 可 用 的 性 能 ， 这 种 性 能 是 单 个 组 分 材 料 性能 所 不 及 或 不 同 的 ； 5、 复 合 材 料 是 各 组 分 之 间 被 明 显 界 面 区 分 的 多 相 材 料 。 基体、增强材料、界面（key point）Matrix , Reinforcement, Interface 基 体 连 续 相 增 强 材 料 分 散 相 也 称 为 增 强

4、 体 、 增 强 剂 、 增 强 相 等 显 著 增 强 材 料 的 性 能 多 数 情 况 下 ， 分 散 相 较 基 体 硬 ， 刚 度 和 强 度 较 基 体 大 。 可 以 是 纤 维 及 其 编 织 物 ， 也 可 以 是 颗 粒 状 或 弥 散 的 填 料 。 在 基 体 和 增 强 体 之 间 存 在 着 界 面 。 Schematic illustration of posite constituents （二）复合材料的分类按 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

5、 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 纤 维 增 强 复 合 材 料 种 类 玻 璃 纤 维 复 合 材 料 ；

6、 碳 纤 维 复 合 材 料 ； 有 机 纤 维 （ 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 、 芳 香 族 聚 酯 纤 维 、 聚 烯 烃 纤维 等 ） 复 合 材 料 ； 金 属 纤 维 （ 如 钨 丝 、 不 锈 钢 丝 等 ） 复 合 材 料 ； 陶 瓷 纤 维 （ 如 氧 化 铝 纤 维 、 碳 化 硅 纤 维 等 ） 复 合 材 料 。混 杂 复 合 材 料 ： 两 种 或 两 种 以 上 增 强 体 与 同 一 基 体 制 成 的 复 合 材 料 可 以 看 成 是 两 种 或 多 种 单 一 纤 维 或 颗 粒 复 合 材 料 的 相 互 复 合 ，即 复 合 材 料 的 “ 复 合

7、材 料 ” 。 按 基 体 材 料 分 类 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 ； 金 属 基 复 合 材 料 ： 以 金 属 （ 铝 、 镁 、 钛 等 ） 为 基 体 ； 无 机 非 金 属 基 复 合 材 料 ： 以 陶 瓷 材 料 （ 也 包 括 玻 璃 和水 泥 ） 为 基 体 。 按 材 料 作 用 分 类 结 构 复 合 材 料 ： 用 于 制 造 受 力 构 件 ； 功 能 复 合 材 料 ： 具 备 各 种 特 殊 性 能 （ 如 阻 尼 、导 电 、 导 磁 、 摩 擦 、

8、屏 蔽 等 ） 。 同 质 复 合 材 料 （ 增 强 材 料 和 基 体 材 料 属 于 同种 物 质 ， 如 碳 /碳 复 合 材 料 ） 异 质 复 合 材 料 （ 复 合 材 料 多 属 此 类 ） 。 复合材料系统组合分 散 相 连 续 相金 属 材 料 无 机 非 金 属 材 料 有 机 高 分 子 材 料金属材料 金 属 纤 维 纤 维 /金 属 基 复 合 材 料 钢 丝 /水 泥 复 合 材 料 增 强 橡 胶金 属 晶 须 晶 须 /金 属 基 复 合 材 料 晶 须 /陶 瓷 基 复 合 材 料金 属 片 材 金 属 /塑 料 板无机非金 属材料 陶瓷 纤 维 纤 维 /

9、金 属 基 复 合 材 料 纤 维 /陶 瓷 基 复 合 材 料晶 须 晶 须 /金 属 基 复 合 材 料 晶 须 /陶 瓷 基 复 合 材 料颗 粒 弥 散 强 化 合 金 材 料 粒 子 填 充 塑 料玻璃 纤 维 纤 维 /树 脂 基 复 合 材 料颗 粒碳 纤 维 碳 纤 维 /金 属 基 复 合 材 料 碳 纤 维 /陶 瓷 基 复 合 材 料 碳 纤 维 /树 脂 基 复 合 材 料炭 黑 颗 粒 /橡 胶 ； 颗 粒 /树 脂 基有 机高 分子 材料 有 机 纤 维 纤 维 /树 脂 基 复 合 材 料塑 料 金 属 /塑 料橡 胶 各 种 材 料 的 发 展 状 况玻 璃 钢

10、 和 树 脂 基 复 合 材 料 非 常 成 熟 广 泛 的 应 用 金 属 基 复 合 材 料 开 发 阶 段 某 些 结 构 件 的 关 键 部 位 陶 瓷 基 复 合 材 料 及 功 能 复 合 材 料 等 有 不 少 科 学 技 术 问 题 有 待 解 决 复 合 材 料 的 设 计 从 常 规 设 计 向 仿 生 设 计 发 展 仿 照 竹 子 从 表 皮 到 内 层 纤 维 由 密 排 到 疏 松 的 特 点 ， 成 功 地 制备 出 具 有 明 显 组 织 梯 度 与 性 能 梯 度 的 新 型 钢 基 耐 磨 梯 度 复 合材 料 。 仿 照 鲍 鱼 壳 的 结 构 ， 西 雅

11、 图 华 盛 顿 大 学 的 研 究 人 员 利 用 由 碳 、铝 和 硼 混 合 成 陶 瓷 细 带 制 成 了 10微 米 厚 的 薄 层 ， 由 此 得 到 的层 状 复 合 材 料 比 其 原 材 料 坚 固 40 。 仿 照 骨 骼 的 组 织 特 点 ， 人 们 制 造 了 类 似 结 构 的 风 力 发 电 机 和直 升 飞 机 的 旋 翼 ， 外 层 是 刚 度 、 强 度 高 的 碳 纤 维 复 合 材 料 ，中 层 是 玻 璃 纤 维 增 强 复 合 材 料 、 内 层 是 硬 泡 沫 塑 料 。 （三） 复合材料的基体材料 基 体 材 料 金 属 材 料 陶 瓷 材 料

12、聚 合 物 材 料 3.1 金属基体材料（key point）3.1.1 选 择 基 体 的 原 则 目 前 用 作 金 属 基 复 合 材 料 的 金 属 有 铝 及 铝 合 金 、镁 合 金 、 钛 合 金 、 镍 合 金 、 铜 与 铜 合 金 、 锌 合金 、 铅 、 钛 铝 、 镍 铝 金 属 间 化 合 物 等 。 基 体 材 料 成 分 的 选 择 对 能 否 充 分 组 合 和 发 挥 基体 金 属 和 增 强 物 性 能 特 点 ， 获 得 预 期 的 优 异 综合 性 能 ， 满 足 使 用 要 求 十 分 重 要 。 金 属 基 复 合 材 料 的 使 用 要 求金 属

13、基 复 合 材 料 构 件 的 使 用 性 能 要 求 是 选 择 金 属 基体 材 料 最 重 要 的 依 据 。 在 航 天 、 航 空 技 术 中 高 比 强 度 和 比 模 量 以 及 尺 寸 稳 定性 是 最 重 要 的 性 能 要 求 。 作 为 飞 行 器 和 卫 星 的 构 件 宜 选 用 密 度 小 的 轻 金 属 合 金 镁 合 金 和 铝 合 金 作 为 基 体 ， 与 高 强 度 、 高 模 量 的 石 墨纤 维 、 硼 纤 维 等 组 成 石 墨 /镁 、 石 墨 /铝 、 硼 /铝 复 合 材料 。 Some properties of mercially pure

14、 metals 高 性 能 发 动 机 ： 要 求 复 合 材 料 不 仅 有 高 比 强 度 和 比 模 量 ， 还要 具 有 优 良 的 耐 高 温 性 能 ， 能 在 高 温 、 氧 化 性 气 氛 中 正 常 工作 。 此 时 不 宜 选 用 一 般 的 铝 、 镁 合 金 ， 而 应 选 择 钛 合 金 、 镍合 金 以 及 金 属 间 化 合 物 作 为 基 体 材 料 。如 碳 化 硅 /钛 、 钨 丝 /镍 基 超 合 金 复 合 材 料 可 用 于 喷 气 发 动 机叶 片 、 转 轴 等 重 要 零 件 。 在 汽 车 发 动 机 中 要 求 其 零 件 耐 热 、 耐 磨

15、 、 导 热 、 一 定 的 高 温强 度 等 ， 同 时 又 要 求 成 本 低 廉 ， 适 合 于 批 量 生 产 ， 因 此 选 用铝 合 金 作 基 体 材 料 与 陶 瓷 颗 粒 、 短 纤 维 组 成 颗 粒 （ 短 纤 维 ）/铝 基 复 合 材 料 。如 碳 化 硅 /铝 复 合 材 料 、 碳 纤 维 或 氧 化 铝 纤 维 /铝 复 合 材 料 可制 作 发 动 机 活 塞 、 缸 套 等 零 件 。 工 业 集 成 电 路 需 要 高 导 热 、 低 膨 胀 的 金 属 基 复 合 材 料 作为 散 热 元 件 和 基 板 。选 用 具 有 高 导 热 率 的 银 、 铜

16、 、 铝 等 金 属 为 基 体 与 高 导 热性 、 低 热 膨 胀 的 超 高 模 量 石 墨 纤 维 、 金 刚 石 纤 维 、 碳 化硅 颗 粒 复 合 成 具 有 低 热 膨 胀 系 数 和 高 导 热 率 、 高 比 强度 、 高 比 模 量 等 性 能 的 金 属 基 复 合 材 料 ， 可 能 成 为 解决 高 集 成 电 子 器 件 的 关 键 材 料 。 金 属 基 复 合 材 料 组 成 特 点 连 续 纤 维 增 强 金 属 基 复 合 材 料 ， 纤 维 是 主 要 承 载 物 体 . 纤 维 本 身 具 有 很 高 的 强 度 和 模 量 ， 而 金 属 基 体 的

17、 强 度和 模 量 远 远 低 于 纤 维 。 连 续 纤 维 增 强 金 属 基 复 合 材 料 中 基 体 的 主 要 作 用 应 是以 充 分 发 挥 增 强 纤 维 的 性 能 为 主 ， 基 体 本 身 应 与 纤 维有 良 好 的 相 容 性 和 塑 性 ， 而 并 不 要 求 基 体 本 身 有 很 高的 强 度 。 如 碳 纤 维 增 强 铝 基 复 合 材 料 中 纯 铝 或 含 有 少 量合 金 元 素 的 铝 合 金 作 为 基 体 比 高 强 度 铝 合 金 要好 得 多 ， 使 用 后 者 制 成 的 复 合 材 料 的 性 能 反 而低 。 在 研 究 碳 铝 复

18、合 材 料 基 体 合 金 优 化 过 程 中 ， 发现 铝 合 金 的 强 度 越 高 ， 复 合 材 料 的 性 能 越 低 ，这 与 基 体 和 纤 维 的 界 面 状 态 、 脆 性 相 的 存 在 、基 体 本 身 的 塑 性 有 关 。 对 于 非 连 续 增 强 （ 颗 粒 、 晶 须 、 短 纤 维 ） 金 属基 复 合 材 料 ， 基 体 是 主 要 承 载 物 ， 基 体 的 强 度对 复 合 材 料 具 有 决 定 性 的 影 响 。 因 此 要 获 得 高 性 能 金 属 基 复 合 材 料 必 须 选 用 高强 度 铝 合 金 作 为 基 体 ， 这 与 连 续 纤

19、维 增 强 金 属基 复 合 材 料 基 体 的 选 择 完 全 不 同 。 如 颗 粒 增 强 铝 基 复 合 材 料 一 般 选 用 高 强 度 铝 合金 （ 如 A365， 6061， 7075） 为 基 体 。 基 体 金 属 与 增 强 物 的 相 容 性 金 属 基 复 合 材 料 需 要 在 高 温 下 成 型 ， 制 备 过程 中 ， 处 于 高 温 热 力 学 非 平 衡 状 态 下 的 纤 维 与 金属 之 间 很 容 易 发 生 化 学 反 应 ， 在 界 面 形 成 反 应 层 。界 面 反 应 层 大 多 是 脆 性 的 ， 当 反 应 层 达 到 一 定 厚度 后

20、， 材 料 受 力 时 将 会 因 界 面 层 的 断 裂 伸 长 小 而产 生 裂 纹 ， 并 向 周 围 纤 维 扩 展 ， 容 易 引 起 纤 维 断裂 ， 导 致 复 合 材 料 整 体 破 坏 。 因 此 ， 选 择 基 体 时 应 充 分 注 意 与 增 强 物 的 相容 性 （ 特 别 是 化 学 相 容 性 ） ， 并 尽 可 能 在 复 合材 料 成 型 过 程 中 抑 制 界 面 反 应 。 例 如 ， 对 增 强 纤 维 进 行 表 面 处 理 在 金 属 基 体 中 添 加 其 他 成 分 选 择 适 宜 的 成 型 方 法 缩 短 材 料 在 高 温 下 的 停 留

21、时 间 等 。 3.1.2 结 构 复 合 材 料 的 基 体分 为 轻 金 属 基 体 和 耐 热 合 金 基 体 用 于 450 以 下 的 轻 金 属 基 体 目 前 最 广 泛 、 最 成 熟 的 是 铝 基 和 镁 基 复 合 材 料 ， 用 于 航 天飞 机 、 人 造 卫 星 、 空 间 站 、 汽 车 发 动 机 零 件 、 刹 车 盘 等 用 于 450700 的 复 合 材 料 的 金 属 基 体 钛 合 金 具 有 比 重 轻 、 耐 腐 蚀 、 耐 氧 化 、 强 度 高 等 特 点 ， 可在 450 700 使 用 ， 用 于 航 空 发 动 机 等 零 件 。 用

22、于 1000 以 上 的 高 温 复 合 材 料 的 金 属 基 体 基 体 主 要 是 镍 基 、 铁 基 耐 热 合 金 和 金 属 间 化 合 物 。 较 成 熟的 是 镍 基 、 铁 基 高 温 合 金 ， 金 属 间 化 合 物 基 复 合 材 料 尚 处 于 研 究 阶 段 。 3.1.3 功 能 用 金 属 基 复 合 材 料 的 基 体 要 求 材 料 和 器 件 具 有 优 良 的 综 合 物 理 性 能 ， 如 同 时 具有 高 力 学 性 能 、 高 导 热 、 低 热 膨 胀 、 高 导 电 率 、 高 抗电 弧 烧 蚀 性 、 高 摩 擦 系 数 和 耐 磨 性 等

23、。 单 靠 金 属 与 合 金 难 以 具 有 优 良 的 综 合 物 理 性 能 ， 而 要靠 优 化 设 计 和 先 进 制 造 技 术 将 金 属 与 增 强 物 做 成 复 合材 料 来 满 足 需 求 。 主 要 的 金 属 基 体 是 纯 铝 及 铝 合 金 、 纯 铜 及 铜 合 金 、 银 、铅 、 锌 等 金 属 。 微 电 子 技 术 的 电 子 封 装 集 成 电 路 ： 需 用 热 膨 胀 系 数 小 、 导 热 性 好 的 材料 做 基 板 和 封 装 零 件 ， 以 便 将 热 量 迅 速 传 走 ，避 免 产 生 热 应 力 ， 来 提 高 器 件 可 靠 性 。

24、 用 于 电 子 封 装 的 金 属 基 复 合 材 料 有 ： 高 碳 化 硅颗 粒 含 量 的 铝 基 、 铜 基 复 合 材 料 ， 高 模 、 超 高模 石 墨 纤 维 增 强 铝 基 、 铜 基 复 合 材 料 ， 金 刚 石颗 粒 或 多 晶 金 刚 石 纤 维 增 强 铝 基 、 铜 基 复 合 材料 ， 硼 /铝 基 复 合 材 料 等 耐 高 温 摩 擦 的 耐 磨 材 料 碳 化 硅 、 氧 化 铝 、 石 墨 颗 粒 、 晶 须 、 纤 维 等增 强 铝 、 镁 、 铜 、 锌 、 铅 等 金 属 及 其 合 金 的金 属 基 复 合 材 料 。 高 导 热 和 耐 电

25、弧 烧 蚀 的 集 电 材 料 和 触 头材 料 碳 （ 石 墨 ） 纤 维 、 金 属 丝 、 陶 瓷 颗 粒 增 强 铝 、铜 、 银 及 合 金 等 金 属 基 复 合 材 料 。 耐 腐 蚀 的 电 池 极 板 材 料 等 3.2 陶瓷基体（供了解） 在 陶 瓷 基 体 中 添 加 其 他 成 分 （ 如 陶 瓷 粒 子 、纤 维 或 晶 须 ） 可 提 高 陶 瓷 的 韧 性 。 粒 子 增 强 虽 能 使 陶 瓷 的 韧 性 有 所 提 高 ， 但 效 果并 不 显 著 。 高 强 度 的 碳 化 硅 晶 须 容 易 掺 混 在 陶 瓷 基 体 中 ，增 强 陶 瓷 的 作 用 明

26、 显 。 用 作 基 体 材 料 的 陶 瓷 一 般 应 具 有 优 异 的 耐 高 温性 质 、 与 纤 维 或 晶 须 之 间 有 良 好 的 界 面 相 容 性以 及 较 好 的 工 艺 性 能 等 。 陶 瓷 基 复 合 材 料 （ CMC） 3.3 聚合物基体（供了解） 9.3.3.1 聚 合 物 基 体 的 种 类 不 饱 和 聚 酯 树 脂 、 环 氧 树 脂 、 酚 醛 树 脂 及 各 种热 塑 性 聚 合 物 等 。 不 饱 和 聚 酯 树 脂 是 制 造 玻 璃 纤 维 复 合 材 料 的 一种 重 要 树 脂 。 在 国 外 ， 聚 酯 树 脂 占 玻 璃 纤 维 复 合

27、 材 料 用 树 脂总 量 的 80%以 上 。 聚 酯 树 脂特 点 ： 工 艺 性 良 好 ， 室 温 下 固 化 ， 常 压 下 成 型 ，工 艺 装 置 简 单 。 树 脂 固 化 后 综 合 性 能 良 好 ， 力 学 性 能 不 如酚 醛 树 脂 或 环 氧 树 脂 。 价 格 比 环 氧 树 脂 低 得 多 ， 只 比 酚 醛 树 脂 略贵 一 些 。 不 饱 和 聚 酯 树 脂 的 缺 点 是 固 化 时 体 积 收 缩率 大 、 耐 热 性 差 等 。主 要 用 于 一 般 民 用 工 业 和 生 活 用 品 中 H O CHCH2 CH3 O C O CH CH C O O

28、 CHCH2 CH3 O C O C O OHn H O CHCH2 CH3 O C O CH CH C O O CHCH2 CH3 O CO CO OHn CCH3CH3 O CH2O CHCH2 CH3CH OO CH3 CC CHO CH CCH O OOCHCHO O n 邻 苯 型 不 饱 和 聚 酯 ：间 苯 型 不 饱 和 聚 酯 ：双 酚 型 不 饱 和 聚 酯 ： 环 氧 树 脂特 点 ： 在 加 热 条 件 下 即 能 固 化 ， 无 须 添 加 固 化 剂 。 酸 、 碱 对 固 化 反 应 起 促 进 作 用 ； 已 固 化 的 树 脂 有 良 好 的 压 缩 性 能

29、， 良 好 的 耐 水 、耐 化 学 介 质 和 耐 烧 蚀 性 能 ； 树 脂 固 化 过 程 中 有 小 分 子 析 出 ， 故 需 在 高 压 下进 行 ； 固 化 时 体 积 收 缩 率 大 ， 树 脂 对 纤 维 的 粘 附 性 不够 好 ， 但 断 裂 延 伸 率 低 ， 脆 性 大 。 CH2 CHCH2 O C CH3 CH3O O CH2CHCH2OH O C CH3 CH3 CH2 CHO CH2On n = 019 双 酚 型 环 氧 树 脂 ： CH2 CH2 O O O H2C HC CH2 H2C HC CH2 H2C HC CH2O O O n 酚 醛 环 氧 树

30、 脂 ： 酚 醛 树 脂 优 点 ： 比 环 氧 树 脂 价 格 便 宜 缺 点 ： 吸 附 性 不 好 、 收 缩 率 高 、 成 型 压 力 高 、制 品 空 隙 含 量 高 等 。 大 量 用 于 粉 状 压 塑 料 、 短 纤 维 增 强 塑 料 ， 少 量 用 于 玻 璃 纤 维 复 合 材 料 、 耐 烧 蚀 材 料 等 ，很 少 使 用 在 碳 纤 维 和 有 机 纤 维 复 合 材 料 中 。OHn + n C HOH OH CH2 n + nH2O苯酚 甲醛 酚醛树脂 3.3.2 聚 合 物 基 体 的 作 用 （ 供 了 解 ） 把 纤 维 粘 在 一 起 ； 分 配 纤

31、维 间 的 载 荷 ； 保 护 纤 维 不 受 环 境 影 响 。用 作 基 体 的 理 想 材 料 ， 其 原 始 状 态 应 该 是 低 粘 度 的 液体 ， 并 能 迅 速 变 成 坚 固 耐 久 的 固 体 ， 足 以 把 增 强 纤 维粘 住 。尽 管 纤 维 增 强 材 料 的 作 用 是 承 受 载 荷 ， 但 是 基 体 材 料的 力 学 性 能 会 明 显 地 影 响 纤 维 的 工 作 方 式 及 其 效 率 。 例 如 ， 在 没 有 基 体 的 纤 维 束 中 大 部 分 载 荷 由 最 直 的 纤 维承 受 ， 基 体 使 得 应 力 较 均 匀 地 分 配 给 所

32、有 纤 维 ， 这 是 由于 基 体 使 所 有 纤 维 经 受 同 样 的 应 变 ， 应 力 通 过 剪 切 过 程传 递 ， 这 要 求 纤 维 和 基 体 之 间 有 高 的 胶 接 强 度 ， 同 时 要求 基 体 本 身 也 具 有 高 的 剪 切 强 度 和 模 量 。 当 载 荷 主 要 由 纤 维 承 受 时 ， 复 合 材 料 总 的 延 伸 率 受 到 纤维 的 破 坏 延 伸 率 的 限 制 ， 这 通 常 为 1%1.5%。 基 体 的主 要 性 能 是 在 这 个 应 变 水 平 下 不 应 该 裂 开 。 在 纤 维 的 垂 直 方 向 ， 基 体 的 力 学 性

33、 能 和 纤 维 与 基 体 之 间的 胶 接 强 度 控 制 着 复 合 材 料 的 物 理 性 能 。 由 于 基 体 比 纤 维 弱 得 多 ， 而 柔 性 却 大 得 多 ， 所 以 在 结 构件 设 计 中 应 尽 量 避 免 基 体 直 接 横 向 受 载 。 在 高 胶 接 强 度 体 系 （ 纤 维 间 的 载 荷 传 递 效 率 高 ， 但 断裂 韧 性 差 ） 与 较 低 胶 接 强 度 体 系 （ 纤 维 间 的 载 荷 传 递效 率 不 高 ， 但 韧 性 较 高 ） 之 间 需 要 折 衷 。 在 应 力 水 平 和 方 向 不 确 定 情 况 下 使 用 或 在 纤

34、 维 排 列 精度 较 低 情 况 下 制 造 的 复 合 材 料 往 往 要 求 基 体 比 较 软 。 在 明 确 应 力 水 平 情 况 下 使 用 和 在 严 格 控 制 纤 维 排 列 情况 下 制 造 的 先 进 复 合 材 料 ， 应 通 过 使 用 高 模 量 和 高 胶接 强 度 的 基 体 以 更 充 分 地 发 挥 纤 维 的 最 大 性 能 。 （ 四 ） 复合材料的增强相（主要是供了解内容） 增 强 材 料 （ 增 强 体 、 增 强 剂 等 ） 分 散在 基 体 内 以 改 进 其 机 械 性 能 的 高 强 度 材 料 分 类 纤 维 及 其 织 物 晶 须 颗

35、粒 小 片 状 、 板 状 Types of reinforced posites 4.1 纤维增强体 天 然 纤 维 植 物 纤 维 （ 棉 花 、 麻 类 ） 、动 物 纤 维 （ 丝 、 毛 ） 和 矿 物 纤 维 （ 石 棉 ） 。 强 度 较 低 现 代 复 合 材 料 的 增 强 材 料 用 合 成 纤 维 有 机 纤 维 无 机 纤 维 。 Types of fiber reinforcement orientationone-dimensional two-dimensionalthree-dimensional 1） 有 机 纤 维 芳 香 族 酰 胺 纤 维Aromatic

36、 Polymide Fibre, Kevlar, KFKEVLAR纤 维 A 、 芳 纶 纤 维 的 ； 、 芳 纶 纤 维 的 ； 、 芳 纶 纤 维 的 。 芳 纶 纤 维 的 特 点 是 。 单 丝 强 度可 达 3773 MPa； 254mm长 的 纤 维 束 的 拉 伸 强 度为 2744 MPa， 大 约 为 铝 的 5倍 。 芳 纶 纤 维 的 ， 大 约 为 石 墨 纤 维的 6倍 ， 为 硼 纤 维 的 3倍 ， 为 玻 璃 纤 维 0.8倍 。 的 ， 可 达 1.27 1.577 MPa， 比 玻 璃纤 维 高 一 倍 ， 为 碳 纤 维 0.8倍 。 的 在 3 左 右

37、 ， 接 近 玻 璃 纤 维 ， 高 于 其他 纤 维 。 与 混 杂 将 能 大 大 纤 维 复 合 材 料 的。 的 ， 比 重 为 1.44 1.45， 只 有 铝 的 一 半 。因 此 ， 它 有 高 的 与 。 下 表 为 芳 纶 纤 维 的 基 本 性 能 有 ， ， 当 温 度 达487 时 尚 ， 但 开 始 。 因 此 ， 在 高 温 作 用 下 ， 不 发 生 变 形 ， 直 至 分解 。 如 ， 能 长 期 在 180 下 使 用 ； 在 150 下 作 用 一 周 后 、不 会 下 降 ； 即 使 在 200 下 ， 一 周 后 15 ，4 ； 另 外 ， 在 低 温

38、(-60 )不 发 生 亦 不 。 和 碳 纤 维 一 样 ， 芳 纶 纤 维 的 具 有的 特 点 。 如 ， 芳 纶 纤 维 的 在 0 100时 为 -2 10 -6 / ； 在 100 200 时 为 -4 10 6 / 。 为 59 10 -6 / 具 有 良 好 的 性 能 ， 对 中 性 化 学 药 品 的一 般 是 很 强 的 ， 但 易 受 各 种 ， 尤 其 是； 芳 纶 纤 维 的 也 不 好 ， 这 是 由 于 在 分 子 结 构 中 存在 着 ； 对 纤 维 的 影 响 ， 类 似 于 尼 龙 或 聚 酯 。 在(20 相 对 湿 度 )下 芳 纶 纤 维 的 吸 湿

39、 率 为 1 ， 但 在(85 相 对 湿 度 )下 ， 可 达 到 7 。 聚 乙 烯 纤 维 （ Polyethylene, PE） 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 分 子 量 大 于 106， 拉 伸 强 度 为 3.5GPa， 弹 性 模 量为 116GPa， 延 伸 率 为 3.4%， 密 度 为 0.97g/cm3。 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

40、 性 能 。 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 ， 可 用 于 制 做 武 器 装 甲 、 防 弹 背 心 、 航 天 航 空 部 件 等 2） 无 机 纤 维 玻 璃 纤 维 （ Glass Fibre, GF或 Gt） 由 含 有 各 种 金 属 氧 化 物 的 硅 酸 盐 类 ， 经 熔 融 后 以极 快 的 速 度 抽 丝 而 成 。 由 于 质 地 柔 软 ， 因 此 可 以 纺 织 成 各 种 玻 璃 布 、 玻璃 带 等 织 物 。 价 格 便 宜 ， 品 种 多 ， 适 于 编 织

41、各 种 玻 璃 布 ， 作 为增 强 材 料 广 泛 用 于 航 空 航 天 、 建 筑 领 域 及 日 常 用品 。 缺 点 是 不 耐 磨 ， 易 折 断 ， 易 受 机 械 损 伤 ， 长 期 放置 强 度 下 降 。 Example无 捻 玻 璃 纤 维 种 类 ： 按 用 途高 强 度 纤 维 、 低 介 电 纤 维 、 耐 化 学 药 品 纤 维 、 耐电 腐 蚀 纤 维 、 耐 碱 纤 维 ； 按 化 学 成 分碱 玻 璃 纤 维 、 中 碱 玻 璃 纤 维 、 低 碱 玻 璃 纤 维 、 无碱 玻 璃 纤 维 ； 按 单 丝 直 径 可 分 为 ： 粗 纤 维 、 初 级 纤

42、维 、 中 级 纤维 、 高 级 纤 维 。 7.4.1 聚合物基玻 璃 钢 天 线 反 射 面 玻 璃 钢 建 筑 材 料 用 于上 海 东 方 明 珠 电 视 塔 大 堂 装 潢 (1)GFRP玻 璃 钢 应 用 于 体 育 用 品 碳 纤 维 （ Carbon Fibre, CF或 Cf） （ 需 适 当关 注 ）纤 维 中 含 碳 量 在 95%左 右 的 碳 纤 维 和 含 碳 量 在99%左 右 的 石 墨 纤 维 。 生 产 碳 纤 维 的 原 料 主 要 为 人 造 丝 （ 粘 胶 纤 维 ） 、聚 丙 烯 腈 和 沥 青 三 种 ， 其 中 以 聚 丙 烯 腈 最 为 主 要

43、 。 按 力 学 性 能 可 将 碳 纤 维 分 成 高 强 度 碳 纤 维 、 高 模量 碳 纤 维 和 普 通 碳 纤 维 。 碳 纤 维 片 材 （ 复 合 材 料 ）用 于 建 筑 物 补 强 加 固 Pyrolysis（热解） of polyacrylonitrile (聚丙烯腈，PAN) to form carbon fibers (2)CFRP 碳 纤 维 增 强 聚 合 物 基 复 合 材 料 （ CFRP） CFRP在 民 用 飞 机 中 的 应 用 CFRP在 空 间 站 大 型 结 构以 及 太 阳 能 电 池 支 架 中 的 应 用 碳 纤 维 的 特 点 ：强 度 和

44、 模 量 高 、 密 度 小 ；具 有 很 好 的 耐 酸 性 ； 热 膨 胀 系 数 小 ， 甚 至 为 负 值具 有 很 好 的 耐 高 温 蠕 变 性 能 ， 一 般 在 1900 以 上才 呈 现 出 永 久 塑 性 变 形 。摩 擦 系 数 小 、 润 滑 性 好 、 导 电 性 高 。碳 纤 维 的 缺 点 ：价 格 昂 贵 ， 比 玻 璃 纤 维 贵 25倍 以 上抗 氧 化 能 力 较 差 ， 在 高 温 下 有 氧 存 在 时 会 生 成 二 氧化 碳 。 硼 纤 维 （ Boron Fibre， BF或 Bf） 通 用 的 制 备 方 法 是 在 加 热 的 钨 丝 表 面

45、 通 过 化 学 反 应沉 积 硼 层 。 硼 纤 维 的 直 径 有 100m、 140m、 200m几 种 。硼 纤 维 的 特 点 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2.42.65g/cm3， 拉 伸 强 度 为 3.25.2GPa， 弹 性 模量 为 350400GPa。 硼 纤 维 具 有 耐 高 温 和 耐 中 子 辐 射 性 能 。 硼 纤 维 的 缺 点 工 艺 复 杂 ， 不 易 大 量 生 产 ， 其 价 格 昂 贵 。 由 于 钨 丝 的 密 度

46、大 ， 硼 纤 维 的 密 度 也 大 。 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 心 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 主 要 用 于 聚 合 物 基 和 金 属 基 复 合 材 料 。 硼 纤 维 增 强 铝 基 复 合 材 料 用 于 航 天 飞 机 主 舱 体 支 柱 氧

47、化 铝 纤 维Aluminia Fibre， AF 多 晶 连 续 纤 维 ， 除 Al2O3外 常 含 有 约 15%的 SiO2。 优 点 ： 具 有 优 良 的 耐 热 性 和 抗 氧 化 性 ， 直 到 370强 度 仍 下 降 不 大 。 缺 点 ： 在 所 有 纤 维 中 密 度 最 大 。 用 途 ： 主 要 用 于 金 属 基 复 合 材 料 。 碳 化 硅 纤 维Silicon Carbide Fibre， SF 目 前 SiC纤 维 的 生 产 有 有 机 合 成 法 和 CVD法 两 种 。特 点 ： 高 强 度 高 模 量 有 良 好 的 耐 化 学 腐 蚀 性 、 耐

48、 高 温 和 耐 辐 射 性 能 。 比 碳纤 维 和 硼 纤 维 具 有 更 好 的 高 温 稳 定 性 。 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 。 - 碳 化 硅 4.2 晶须增强体 晶 须 （ Wisker） ： 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 10m， 长 度 与直 径 比 在 5 1000之 间 。 晶 须 是 含 缺 陷 很 少 的 单 晶 短 纤

49、 维 ， 其 拉 伸 强 度 接近 其 纯 晶 体 的 理 论 强 度 。 分 类 ： 金 属 晶 须 （ 如 Ni、 Fe、 Cu、 Si、 Ag、 Ti、 Cd等 ） 氧 化 物 晶 须 （ 如 MgO、 ZnO、 BeO、 Al2O3、 TiO2、Y2O3、 Cr2O3等 ） 陶 瓷 晶 须 （ 如 碳 化 物 晶 须 SiC、 TiC、 ZrC、 WC、B4C） 氮 化 物 晶 须 （ 如 TiB2、 ZrB2、 TaB2、 CrB、 NbB2等 ） 无 机 盐 类 晶 须 （ 如 K2Ti6O13和 Al18B4O33） 。 晶 须 的 制 备 方 法 ： 化 学 气 相 沉 积 （

50、 CVD） 法 溶 胶 凝 胶 法 气 液 固 （ VLS） 法 液 相 生 长 法 固 相 生 长 法 原 位 生 长 法 。 在 众 多 种 类 的 晶 须 中 ，（ Zinc Oxide Whisker, 简 写 为ZnOw） 以 其 而 倍 受 注 目 。 4.3 颗粒增强体 Particle Reinforcement 颗 粒 增 强 体 ： 用 以 改 善 基 体 材 料 性 能 的 颗 粒 状材 料 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

51、批 量 生 产 。 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 。刚 性 颗 粒 增 强 体（ Ragid Particle Reinforcement） 颗 粒 增 强 体 以 很 细 的 粉 末 （ 一 般 在 10m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 在 Al合 金 中 加 入 体 积 为 30%， 粒 径

52、为 0.3m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 。 在 Si3N4陶 瓷 中 加 入 体 积 为 20%的 TiC颗 粒 ， 可使 其 韧 性 提 高 5%。 延 性 颗 粒 增 强 体（ Ductile Particle Reinforcement） 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

53、使 材 料 的 韧 性 显 著 提 高 ， 但 高温 力 学 性 能 会 有 所 下 降 。 复 合 材 料 的 复 合 原 理 ， 是 反 映 各 种 因 素 对 复 合 材料 性 能 的 影 响 规 律 。 影 响 复 合 材 料 性 能 的 因 素 ： 工 艺 因 素 基 体 和 增 强 材 料 的 性 能 增 强 材 料 的 形 状 、 含 量 、 分 布 增 强 材 料 的 以 及 与 基 体 的 界 面 结 合 、 结 构 按 照 复 合 原 理 ， 可 以 对 所 需 要 研 究 和 开 发 的 复 合材 料 的 性 能 ， 包 括 力 学 、 物 理 、 化 学 性 能 等 进

54、 行设 计 、 预 测 和 评 估 。 （五） 复合材料的复合原理（KEY POINT） 在 复 合 材 料 中 ， 在 已 知 各 组 分 材 料 的 力 学 性 能 、物 理 性 能 的 情 况 下 ， 复 合 材 料 的 力 学 性 能 和 物 理性 能 主 要 取 决 于 组 成 复 合 材 料 的 材 料 组 分 的 体 积百 分 比 （ vol.%） ：5.1 混 合 法 则 （ mixing rule） Ni VPP 1 iicPc ： 复 合 材 料 的 某 性 能 ， 如 强 度 、 弹 性 模 量 、 热 导 率 等 ；P i ： 各 组 分 材 料 的 对 应 复 合 材

55、 料 的 某 性 能 ；V ： 组 成 复 合 材 料 各 组 分 的 体 积 百 分 比 ；i： 表 示 组 成 复 合 材 料 的 组 分 数 。 SiC/硼 硅 玻 璃 复 合 材 料 的 强 度随 纤 维 体 积 含 量 线 性 增 加 颗 粒 增 强 复 合 材 料 的弹 性 模 量 与 颗 粒 体 积 分 量 的 关 系 5.2 增 强 机 制 材 料 的 强 度 是 组 织 结 构 敏 感 的 性 能 指 标 。 因 此 ， 要 从理 论 上 正 确 预 测 复 合 材 料 的 强 度 通 常 不 太 容 易 。 较 为经 典 的 强 度 复 合 准 则 有 所 谓 shear

56、lag 模 型 ： (1-1) 式 中 ， yc和 ym分 别 表 示 复 合 材 料 和 基 体 材 料 的 屈 服 应力 。 该 模 型 的 主 要 考 虑 对 象 是 以 晶 须 和 长 径 比 As较 小的 短 纤 维 为 强 化 相 的 复 合 材 料 。 显 然 ， 式 (1-1)不 适 用 于 强 化 相 As2的 情 形 ， 因 为 在 此情 形 下 所 预 测 的 复 合 材 料 的 屈 服 强 度 将 小 于 基 体 材 料的 屈 服 强 度 。 )2/( srmymyc AVV 式 (1-1)没 有 考 虑 强 化 颗 粒 尺 寸 （ 直 径 ） 的 影 响 ， 也 不

57、能 反应 由 于 复 合 所 引 起 的 基 体 材 料 晶 粒 尺 寸 与 位 错 密 度 的 变 化等 对 材 料 强 度 有 明 显 影 响 这 一 因 素 的 效 果 。 与 经 典 复 合 准 则 的 强 化 理 论 不 同 ， 近 年 来 倾 向 于 从 微 观 组织 来 解 释 强 度 变 化 ， 即 认 为 强 化 相 的 强 化 机 制 是 如 下 几 个方 面 综 合 作 用 的 结 果 ： （ 1） 位 错 强 化 ： 由 于 基 体 与 强 化 相 的 热 膨 胀 差 所 引 起 的 淬火 时 的 位 错 密 度 增 加 。 （ 2） 颗 粒 强 化 ： 颗 粒 等 强

58、 化 相 对 位 错 的 钉 扎 作 用 与 位 错 的高 密 度 化 。 （ 3） 晶 粒 与 亚 晶 粒 强 化 ： 添 加 细 小 颗 粒 导 致 的 晶 粒 细 化 ，这 一 点 对 于 采 用 铸 造 凝 固 法 制 备 的 颗 粒 弥 散 强 化 金 属 基 复 合 材 料 的 影 响 尤 为 显 著 。 复 合 材 料 在 受 冲 击 载 荷 时 材 料 发 生 破 坏 （ 断裂 ） ， 其 韧 性 大 小 取 决 于 材 料 吸 收 冲 击 能 量 大小 和 抵 抗 裂 纹 扩 展 的 能 力 。 5.3 增 韧 机 制 5.4 韧 性 与 强 度 的 关 系 金 属 是 一

59、种 富 有 延 性 与 韧 性 的 材 料 ， 一 般 地 讲 ， 随着 强 化 相 含 量 的 增 加 ， 金 属 基 复 合 材 料 的 延 性 与 韧性 降 低 ， 即 强 度 与 弹 性 模 量 的 提 高 往 往 是 以 牺 牲延 性 与 韧 性 为 代 价 的 。 而 陶 瓷 材 料 本 身 多 为 脆 性 材 料 ， 其 塑 性 变 形 能 力 几乎 为 零 （ 某 些 特 殊 条 件 下 的 超 塑 性 现 象 除 外 ） ， 韧性 很 差 。 如 果 利 用 以 上 所 述 的 各 种 韧 化 机 制 ， 在 陶瓷 材 料 中 加 入 适 当 的 强 化 相 （ 包 括 种

60、类 的 正 确 选 择和 加 入 量 的 适 量 化 ） ， 则 可 以 在 提 高 陶 瓷 基 复 合材 料 的 强 度 的 同 时 ， 提 高 其 韧 性 ， 使 强 化 与 韧 化同 时 实 现 。 5.5 界 面 作 用 在 基 体 和 分 散 相 之 间 必 然 存 在 把 不 同 材 料 结 合 在一 起 的 接 触 面 界 面 。 复 合 材 料 的 界 面 实 质 上 是 具 有 纳 米 级 以 上 厚 度 的界 面 层 ， 有 的 还 会 形 成 与 增 强 材 料 和 基 体 有 明 显差 别 的 新 相 ， 称 之 为 界 面 相 。 界 面 的 粘 结 强 度 是 衡

61、量 复 合 材 料 中 增 强 材 料 与 基体 间 界 面 结 合 状 态 的 一 个 指 标 。 对 于 结 构 复 合 材 料 而 言 ， 界 面 粘 结 强 度 过 高 或 过弱 都 不 利 于 材 料 的 力 学 性 能 。 复 合 材 料 界 面 的 粘 结 机 制机 械 结 合 静 电 作 用界 面 扩 散 界 面 反 应一 般 地 讲 ， 复 合 材 料 界 面 结 合 形 式 分 为 三 种 类 型 ： 粘 结 结 合 ： 基 体 与 增 强 相 之 间 既 不 发 生 化 学 反 应 ， 也 不 产生 相 互 溶 解 ； 扩 散 、 溶 解 结 合 ： 基 体 与 增 强 相 之 间 不 发 生 化 学 反 应 ， 但产 生 相 互 扩 散 或 溶 解 ； 反 应 结 合 ： 基 体 与 增 强 相 之 间 发 生 化 学 反 应 ， 在 界 面 上 生成 化 合 物 。 （六）复合材料的成型工艺（略）