復(fù)合材料-1-增強(qiáng)機(jī)理復(fù)習(xí)課程

1、復(fù)合材料-1-增強(qiáng)機(jī)理1、概述2、復(fù)合材料增強(qiáng)體3、復(fù)合材料的界面4、復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制增強(qiáng)相形狀示意圖復(fù)復(fù)合合材材料料顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)層壓復(fù)合材料層壓復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料長(zhǎng)纖維長(zhǎng)纖維增強(qiáng)增強(qiáng)短纖維短纖維增強(qiáng)增強(qiáng)定向排布定向排布混亂排布混亂排布取向性排布取向性排布1、概述、概述60006000年前人類就已年前人類就已經(jīng)會(huì)用稻草加粘土經(jīng)會(huì)用稻草加粘土作為建筑復(fù)合材料。作為建筑復(fù)合材料。水泥復(fù)合材料已廣水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為建筑，發(fā)揮著極為重要的作用。重要的作用。燕子窩：泥土-草復(fù)合材料1、概述、概述1、

2、概述、概述1、概述、概述貴、腐蝕1、概述、概述復(fù)合材料的缺點(diǎn)：復(fù)合材料的缺點(diǎn)：*制備工藝復(fù)雜，材料性能受制備工藝影響制備工藝復(fù)雜，材料性能受制備工藝影響大，而且制備方法在材料之間常常不通大，而且制備方法在材料之間常常不通用；用；*當(dāng)前復(fù)合材料的性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算值。當(dāng)前復(fù)合材料的性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算值。1、概述、概述物理相容性：物理相容性： （1 1）基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠枯d荷）基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠枯d荷均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會(huì)有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會(huì)有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。 （2 2）由于裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力）由于裂紋或

3、位錯(cuò)移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。 （3 3）對(duì)復(fù)合材料的界對(duì)復(fù)合材料的界面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的影響。面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的影響。 1、概述、概述衛(wèi)星在軌道上飛行時(shí)，要經(jīng)得起衛(wèi)星在軌道上飛行時(shí)，要經(jīng)得起太空環(huán)境劇烈的溫度交變（白天太空環(huán)境劇烈的溫度交變（白天100，夜間，夜間- 100 ），以及陽(yáng)），以及陽(yáng)面與陰面的溫度差。面與陰面的溫度差。碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)小，碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)小，可滿足這種環(huán)境的要求。可滿足這種環(huán)境的要求。1、概述、概述化學(xué)相容性：化學(xué)相容性： 對(duì)原生復(fù)合材料，在制造過(guò)程是熱力學(xué)平衡的，

4、其兩對(duì)原生復(fù)合材料，在制造過(guò)程是熱力學(xué)平衡的，其兩相化學(xué)勢(shì)相等，比表面能效應(yīng)也最小。相化學(xué)勢(shì)相等，比表面能效應(yīng)也最小。 對(duì)非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。對(duì)非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。 1 1）相反應(yīng)的自由能）相反應(yīng)的自由能 F F： 小小 2 2）化學(xué)勢(shì)）化學(xué)勢(shì)U U： 相近相近 3 3）表面能）表面能T T： 低低 4 4）晶界擴(kuò)散系數(shù)）晶界擴(kuò)散系數(shù)D D： 小小2、復(fù)合材料增強(qiáng)體、復(fù)合材料增強(qiáng)體增強(qiáng)體的性能要求：增強(qiáng)體的性能要求：1)、增強(qiáng)體應(yīng)具有能明顯提高基體某種所需特性的性能，、增強(qiáng)體應(yīng)具有能明顯提高基體某種所需特性的性能， 如高的如高的強(qiáng)度強(qiáng)度、高導(dǎo)、高導(dǎo)熱性熱

5、性、耐熱耐熱性、性、導(dǎo)電導(dǎo)電性性2)、增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。、增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。3)、增強(qiáng)體與基體有良好的潤(rùn)濕性，或通過(guò)表面處理能與基、增強(qiáng)體與基體有良好的潤(rùn)濕性，或通過(guò)表面處理能與基 體良好潤(rùn)濕性。體良好潤(rùn)濕性。增強(qiáng)體的分類增強(qiáng)體的分類纖維類增強(qiáng)體纖維類增強(qiáng)體碳纖維碳纖維顆粒類增強(qiáng)體顆粒類增強(qiáng)體晶須類增強(qiáng)體晶須類增強(qiáng)體金金 屬屬 絲絲氧化鋁纖維氧化鋁纖維碳化硅纖維碳化硅纖維硼纖維硼纖維碳化物碳化物氧化物氧化物氮化物氮化物硼化物硼化物碳化硅晶須碳化硅晶須氧化鋁晶須氧化鋁晶須 高強(qiáng)度鋼絲高強(qiáng)度鋼絲 鈹絲鈹絲 鎢絲鎢絲 不銹鋼絲不銹鋼絲玻璃纖維玻璃纖維有機(jī)纖維有機(jī)纖維從提高強(qiáng)度

6、的角度來(lái)看A、玻璃纖維、玻璃纖維玻璃纖維卷A、玻璃纖維、玻璃纖維玻璃纖維繩玻璃纖維帶玻璃纖維的制造方法有十幾種，最主要的是坩堝法和池窯法。玻璃纖維的制造方法有十幾種，最主要的是坩堝法和池窯法。1） 坩堝法坩堝法 將砂、石灰石和硼砂與玻璃原料干混后，在大約將砂、石灰石和硼砂與玻璃原料干混后，在大約 12601260熔煉爐中熔融后拉絲而得。熔煉爐中熔融后拉絲而得。3-2彈珠：均勻性、氣泡2） 池窯法池窯法3-3池窯法省去了制玻璃珠和二次熔融的過(guò)程，比坩堝法節(jié)池窯法省去了制玻璃珠和二次熔融的過(guò)程，比坩堝法節(jié)能能50%左右，生產(chǎn)穩(wěn)定，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。左右，生產(chǎn)穩(wěn)定，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。A、玻璃纖維、玻

7、璃纖維玻璃存在許多微小裂紋，裂紋的數(shù)量越多，對(duì)應(yīng)材料的強(qiáng)度就會(huì)越低。玻璃玻璃存在許多微小裂紋，裂紋的數(shù)量越多，對(duì)應(yīng)材料的強(qiáng)度就會(huì)越低。玻璃纖維，直徑達(dá)到微米級(jí)，如此小的直徑，裂紋很少、也很難出現(xiàn)，材料的缺纖維，直徑達(dá)到微米級(jí)，如此小的直徑，裂紋很少、也很難出現(xiàn)，材料的缺陷少，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度就高。陷少，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度就高。影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素：影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素： 纖維直徑和長(zhǎng)度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響纖維直徑和長(zhǎng)度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響直徑越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越高。直徑越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越高。長(zhǎng)度增加，拉伸強(qiáng)度顯著下降。長(zhǎng)度增加，拉伸強(qiáng)度顯著下降。 直徑直徑(m)性能性能457911拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa)3000 38

8、002400 29001750 21501250170010501250玻璃纖維長(zhǎng)度玻璃纖維長(zhǎng)度(mm)纖維直徑纖維直徑(m)平均拉伸強(qiáng)度平均拉伸強(qiáng)度(MPa)51315002012.512109012.7360156013720 化學(xué)組成對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響化學(xué)組成對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響含堿量越高，強(qiáng)度越低。含堿量越高，強(qiáng)度越低。無(wú)堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高無(wú)堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高20%。玻璃纖維玻璃纖維纖維直徑纖維直徑(m)拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度(MPa)無(wú)堿無(wú)堿5.012000有堿有堿4.701600無(wú)堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)鍵能大無(wú)堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快

9、、結(jié)構(gòu)鍵能大氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它主要通過(guò)破壞氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它主要通過(guò)破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)的降低氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)的降低腓尼基人生活在今天地中海東岸 Na2CO3NaHCO32H2O 有堿有堿GFGF：堿性氧化物（堿性氧化物（ K2O，Na2O）含量大于）含量大于12無(wú)堿無(wú)堿GFGF：堿性氧化物含量小于堿性氧化物含量小于2: E-GFGFGF中堿中堿GFGF：堿性氧化物含量堿性氧化物含量612低堿低堿GFGF

10、：堿性氧化物含量堿性氧化物含量 26注意：注意：堿性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纖維的堿性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纖維的熔點(diǎn)越低，越容易制備，但纖維的強(qiáng)度降低，易吸潮熔點(diǎn)越低，越容易制備，但纖維的強(qiáng)度降低，易吸潮耐酸腐蝕價(jià)格便宜強(qiáng)度高，耐熱性能好，電氣性能好，在復(fù)合材料中應(yīng)用多性能差，一般不用于增強(qiáng)材料 存放時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響存放時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響玻璃纖維存放一段時(shí)間后其強(qiáng)度會(huì)降低玻璃纖維存放一段時(shí)間后其強(qiáng)度會(huì)降低纖維的老化。纖維的老化。原因：空氣中的水分和氧氣對(duì)纖維侵蝕原因：空氣中的水分和氧氣對(duì)纖維侵蝕 施加負(fù)荷時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響施加負(fù)荷時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響玻璃纖維強(qiáng)度隨著施加負(fù)荷時(shí)間的增長(zhǎng)而

11、降低玻璃纖維強(qiáng)度隨著施加負(fù)荷時(shí)間的增長(zhǎng)而降低環(huán)境濕度較高時(shí)，尤其明顯環(huán)境濕度較高時(shí)，尤其明顯原因：吸附在微裂紋中的水分，在外力作用下，使原因：吸附在微裂紋中的水分，在外力作用下，使微裂紋擴(kuò)展速度加速。微裂紋擴(kuò)展速度加速。Na2CO3NaHCO32H2O B、碳纖維、碳纖維 碳元素的各種同素異形體碳元素的各種同素異形體( (金剛石、金剛石、石墨、非晶態(tài)的各種過(guò)渡態(tài)碳石墨、非晶態(tài)的各種過(guò)渡態(tài)碳) )。在隔絕空氣的惰性氣氛中在隔絕空氣的惰性氣氛中( (常壓下常壓下) )，元素碳在高溫下不會(huì)熔融，元素碳在高溫下不會(huì)熔融，但在但在3800K3800K以上的高溫時(shí)不經(jīng)液相，直以上的高溫時(shí)不經(jīng)液相，直接升華

12、，所以不能熔紡接升華，所以不能熔紡。 碳在各種溶劑中不溶解，所以不能碳在各種溶劑中不溶解，所以不能溶液紡絲。溶液紡絲。 B、碳纖維、碳纖維碳纖維（CF：Carbon Fiber），），是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量95%左右的稱為碳纖維；含碳量99%左右的稱為石墨纖維。B、碳纖維、碳纖維碳纖維是在上世紀(jì)碳纖維是在上世紀(jì)50年代末期發(fā)展起來(lái)。年代末期發(fā)展起來(lái)。美蘇軍事競(jìng)賽最激烈的時(shí)期，特點(diǎn)是美蘇軍事競(jìng)賽最激烈的時(shí)期，特點(diǎn)是“太空競(jìng)賽太空競(jìng)賽”、“超常規(guī)武器超常規(guī)武器”。碳纖維的出現(xiàn)解決了很多尖端武器的技術(shù)難點(diǎn)：碳纖維的出現(xiàn)解決了很多尖端武器的技術(shù)難點(diǎn)：載人飛船的推力結(jié)構(gòu)，

13、用載人飛船的推力結(jié)構(gòu)，用CF復(fù)材后使復(fù)材后使重心前移重心前移，解決了飛船的穩(wěn)定性，解決了飛船的穩(wěn)定性導(dǎo)彈穩(wěn)定裙用導(dǎo)彈穩(wěn)定裙用CF復(fù)材后使復(fù)材后使重心前移重心前移，解決了彈體的穩(wěn)定性，提高了命中精度，解決了彈體的穩(wěn)定性，提高了命中精度導(dǎo)彈的鼻錐采用導(dǎo)彈的鼻錐采用C/C復(fù)合材料，燒蝕率低且均勻，提高了命中率。復(fù)合材料，燒蝕率低且均勻，提高了命中率。宇宙飛行器天線的最佳材料，耐溫度驟變宇宙飛行器天線的最佳材料，耐溫度驟變1.制造隱身武器的最佳材料制造隱身武器的最佳材料B、碳纖維、碳纖維B、碳纖維、碳纖維B、碳纖維、碳纖維碳纖維微觀結(jié)構(gòu)：亂層石墨結(jié)構(gòu)碳纖維微觀結(jié)構(gòu)：亂層石墨結(jié)構(gòu)碳的亂層石墨結(jié)構(gòu)與石墨晶

14、體有相似之處：兩者的層平面部是由六元芳環(huán)組成。亂層石墨結(jié)構(gòu)有雜原子和缺陷存在。亂層石墨結(jié)構(gòu)的層與層之間碳原于沒(méi)有規(guī)則的固定位置，缺乏三維有序。層間距（3.36-3.44）較石墨晶體大石墨投影碳纖維微觀結(jié)構(gòu)碳纖維微觀結(jié)構(gòu)碳單質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)石墨片層微晶組成原纖維（直徑50nm，長(zhǎng)度數(shù)百納米）二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)石墨微晶（幾個(gè)或幾十個(gè)石墨片層）B、碳纖維、碳纖維密度低低力學(xué)性能高高斷裂伸長(zhǎng)率低低導(dǎo)電性好（半導(dǎo)體，石墨纖維是導(dǎo)體）好（半導(dǎo)體，石墨纖維是導(dǎo)體）耐腐蝕性好好耐輻射性好好耐疲勞性好好熱性能好好耐高溫性惰性氣氛好好氧化性氣氛400導(dǎo)熱性好，好，各向異性熱膨脹系數(shù)小，小，各向異性B、碳纖維、碳纖維有機(jī)纖

15、維法制備工藝流程圖有機(jī)纖維法制備工藝流程圖原料紡絲氧化石墨化表面處理上膠卷繞及包裝碳(石墨)纖維碳化環(huán)化反應(yīng)C C C C CN N N N NC C C C CN N N N N梯形，六元環(huán)耐熱脫氫反應(yīng)CCCCCNNNN未環(huán)化的聚合物鏈或環(huán)化后的雜環(huán)可由于氧的作用而發(fā)未環(huán)化的聚合物鏈或環(huán)化后的雜環(huán)可由于氧的作用而發(fā)生脫氫反應(yīng)，形成以下結(jié)構(gòu)：生脫氫反應(yīng)，形成以下結(jié)構(gòu)： 吸氧反應(yīng) 氧可以直接結(jié)合到預(yù)氧化絲的結(jié)氧可以直接結(jié)合到預(yù)氧化絲的結(jié)構(gòu)中，主要生成構(gòu)中，主要生成 OH，COOH，CO等，等，也可生成環(huán)氧基。也可生成環(huán)氧基。 CCCCCNNNNOOHOOOOOCCCCCHCHCHCHCHCCCC

16、CNNNNOOCCCCCHCHCHCHCHCCCCCNNNN或碳化碳化 在在4001900的的惰性氣氛惰性氣氛中進(jìn)行，是中進(jìn)行，是CF形形成的主要階段。成的主要階段。一般采用高純一般采用高純氮?dú)獾獨(dú)釴2碳化過(guò)程中的反應(yīng)：碳化過(guò)程中的反應(yīng)： 低溫區(qū)低溫區(qū)600，高溫區(qū)，高溫區(qū) 600。在低溫區(qū)，分子間產(chǎn)生脫氫、脫水而交聯(lián)，生成碳網(wǎng)結(jié)構(gòu)，末端鏈分解放出在低溫區(qū)，分子間產(chǎn)生脫氫、脫水而交聯(lián)，生成碳網(wǎng)結(jié)構(gòu)，末端鏈分解放出NH3。預(yù)氧化過(guò)程中未環(huán)化的。預(yù)氧化過(guò)程中未環(huán)化的-CN也可產(chǎn)生分子間交聯(lián)，生成也可產(chǎn)生分子間交聯(lián)，生成HCN氣體。氣體。1. 在高溫區(qū)，環(huán)開(kāi)裂，分子間交聯(lián)，生成在高溫區(qū)，環(huán)開(kāi)裂，分子

17、間交聯(lián)，生成HCN、N2，碳網(wǎng)平面擴(kuò)大。隨著溫度，碳網(wǎng)平面擴(kuò)大。隨著溫度升高，纖維中的氮含量逐漸減少。升高，纖維中的氮含量逐漸減少。石墨化（增大結(jié)晶程度）石墨化（增大結(jié)晶程度）引起纖維石墨化晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角引起纖維石墨化晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進(jìn)一步減小，以提高碳纖維的彈性模量。進(jìn)一步減小，以提高碳纖維的彈性模量。 石墨化過(guò)程中：石墨化過(guò)程中： 結(jié)晶碳含量不斷提高，可達(dá)結(jié)晶碳含量不斷提高，可達(dá)99以上以上 纖維結(jié)構(gòu)不斷完善纖維結(jié)構(gòu)不斷完善CF的亂層的亂層石墨結(jié)構(gòu)石墨結(jié)構(gòu)GrF的類似石墨的的類似石墨的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)C、碳纖維、碳纖維C、晶須、晶須10 mv 晶須

18、是微細(xì)的高純晶須是微細(xì)的高純度的單晶體，是目前度的單晶體，是目前的復(fù)合材料中應(yīng)用的的復(fù)合材料中應(yīng)用的強(qiáng)度最高的一種增強(qiáng)強(qiáng)度最高的一種增強(qiáng)材料，最接近材料的材料，最接近材料的理論強(qiáng)度。晶須的直理論強(qiáng)度。晶須的直徑很小，只有亞微米徑很小，只有亞微米和微米數(shù)量級(jí)，長(zhǎng)度和微米數(shù)量級(jí)，長(zhǎng)度10102 m。C、晶須、晶須反應(yīng)體系中存在的反應(yīng)體系中存在的催化劑液滴催化劑液滴是氣體原料和固體產(chǎn)物的媒介。是氣體原料和固體產(chǎn)物的媒介。氣相原料分子在低于二維成核臨界過(guò)飽和點(diǎn)（氣相原料分子在低于二維成核臨界過(guò)飽和點(diǎn)（P/PP/Pe e) )critcrit的條件的條件下通過(guò)氣下通過(guò)氣- -液液界面界面輸入到小液滴中，

19、使小液滴成為含有晶須氣體輸入到小液滴中，使小液滴成為含有晶須氣體原料的熔體，當(dāng)熔體達(dá)到一定的原料的熔體，當(dāng)熔體達(dá)到一定的過(guò)飽和度過(guò)飽和度時(shí)析出晶體并沉積在時(shí)析出晶體并沉積在液滴與基體的液滴與基體的界面界面上。隨著氣源的連續(xù)供給，晶須連續(xù)長(zhǎng)出，上。隨著氣源的連續(xù)供給，晶須連續(xù)長(zhǎng)出，而將小液滴抬起，直到生長(zhǎng)停止，最后小而將小液滴抬起，直到生長(zhǎng)停止，最后小液滴液滴殘留在晶須殘留在晶須頂端頂端?；w基體液相液相氣相氣相氣相氣相 VLS VLS生長(zhǎng)機(jī)理生長(zhǎng)機(jī)理晶須晶須1 12 23 34 45 5在在界面界面處生長(zhǎng)成固態(tài)處生長(zhǎng)成固態(tài)晶須晶須蒸氣蒸氣界面界面液相液相晶須晶須 VLS VLS生長(zhǎng)機(jī)理生長(zhǎng)機(jī)理

20、氣相氣相分子向分子向液滴液滴擴(kuò)散擴(kuò)散氣相分子在催化劑氣相分子在催化劑液滴液滴上發(fā)生多相上發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)反應(yīng)生成晶須新相晶須新相反應(yīng)反應(yīng)副產(chǎn)物副產(chǎn)物由由液滴液滴擴(kuò)散進(jìn)入擴(kuò)散進(jìn)入氣相氣相氣相氣相分子或分子或新相新相通過(guò)液滴輸送到通過(guò)液滴輸送到界面界面C、晶須、晶須 液相中生長(zhǎng)液相中生長(zhǎng)有蒸發(fā)有蒸發(fā)- -冷凝，冷凝， 毒化毒化- -誘導(dǎo)，電解，晶化，誘導(dǎo)，電解，晶化， 化學(xué)解理，化學(xué)解理， 從凝膠中生長(zhǎng)和熔融等生長(zhǎng)方式。從凝膠中生長(zhǎng)和熔融等生長(zhǎng)方式。-+-+電解液中晶須的生長(zhǎng)電解液中晶須的生長(zhǎng)C、晶須、晶須 氣相中生長(zhǎng)氣相中生長(zhǎng)有蒸發(fā)有蒸發(fā)凝結(jié)，氣相輸送凝結(jié)，氣相輸送+ +化學(xué)反應(yīng)生長(zhǎng)方式

21、?；瘜W(xué)反應(yīng)生長(zhǎng)方式。硅源Si+SiOSi+SiO2 2SiO +NSiO +N2 2+H+H2 2SiSi3 3N N4 4+H+H2 2O O晶須晶須COCO碳源晶須生長(zhǎng)區(qū)氮化硅晶須氣相反應(yīng)生長(zhǎng)原理氮化硅晶須氣相反應(yīng)生長(zhǎng)原理C、晶須、晶須晶須晶須直徑小直徑小，原子高，原子高度有序，度有序，強(qiáng)度強(qiáng)度接近于接近于完整晶體完整晶體的理論值，的理論值，因而具有優(yōu)良的耐因而具有優(yōu)良的耐高高溫、耐高熱、耐腐蝕溫、耐高熱、耐腐蝕性能，有優(yōu)良的性能，有優(yōu)良的機(jī)械機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性、輕強(qiáng)度、電絕緣性、輕量、高強(qiáng)度、高彈性量、高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度模量、高硬度等特性。等特性。C、晶須、晶須05101520強(qiáng)

22、度強(qiáng)度/(GN/m2)晶須晶須基體基體鋁鋁碳化硼碳化硼石墨石墨鋼鋼碳化硅碳化硅 晶須與基體材料強(qiáng)度比較晶須與基體材料強(qiáng)度比較C、晶須、晶須 對(duì)晶須對(duì)晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌補(bǔ)強(qiáng)增韌效果的影響因素效果的影響因素 界面性質(zhì)界面性質(zhì) 1. 1. 界面結(jié)合力界面結(jié)合力 2. 2. 物理匹配物理匹配 3. 3. 化學(xué)相容化學(xué)相容 晶須性能晶須性能 1. 1. 長(zhǎng)徑比長(zhǎng)徑比 2. 2. 晶須含量晶須含量 3. 3. 晶須強(qiáng)度晶須強(qiáng)度 4. 4. 晶須排布晶須排布D、顆粒、顆粒D、顆粒、顆粒3、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的界面界面形成理論界面形成理論A、潤(rùn)濕理論、潤(rùn)濕理論浸潤(rùn)性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而并不

23、能表示界面的粘結(jié)性能。一種體系的兩個(gè)組元可能有極好的浸潤(rùn)性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤(rùn)濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。界面形成理論界面形成理論當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖。 盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當(dāng)多的孔穴，粘稠的液體是無(wú)法流入的。無(wú)法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應(yīng)力集中點(diǎn)。B、機(jī)械作用理論：、機(jī)械作用理論：3、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的界面界面形成理論界面形成理論 當(dāng)復(fù)合材料不同組分表面帶有異性電荷時(shí)，將發(fā)生靜電吸引。 僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用力才有效 。表面靜電吸引結(jié)合示意圖 C、靜電理論、

24、靜電理論3、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的界面界面形成理論界面形成理論 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。 在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能（210-220J/mol）。 表面結(jié)合化學(xué)鍵示意圖 D、化學(xué)鍵理論、化學(xué)鍵理論3、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的界面界面形成理論界面形成理論 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合。界面反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合示意圖 E、界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論、界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論3、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的界面界面結(jié)合較差的復(fù)合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)的復(fù)合

25、材料則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。界面最佳態(tài)的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。3、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的界面如何最大程度吸收外力做的功是關(guān)鍵！結(jié)合較差：未加相容劑的玻纖增強(qiáng)體系。結(jié)合較差：未加相容劑的玻纖增強(qiáng)體系。中有大量的玻纖從基中有大量的玻纖從基體中拔出，證明與基體中拔出，證明與基體的粘接性較差，因體的粘接性較差，因而體系的力學(xué)性能不而體系的力學(xué)性能不高。高。怎樣通過(guò)控制界面特征對(duì)材料性能產(chǎn)生作用？怎樣通過(guò)控制界面特征對(duì)材料性能產(chǎn)生作用？A A、改變、改變?cè)鰪?qiáng)材料表面性質(zhì)。增強(qiáng)材料表面性質(zhì)。B B、向

26、基體內(nèi)添加特定的元素。向基體內(nèi)添加特定的元素。C C、在在增強(qiáng)材料的表面施加涂層。增強(qiáng)材料的表面施加涂層。表面改性前表面改性后3、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的界面結(jié)合力較好結(jié)合力較好加入相容劑的玻纖加入相容劑的玻纖增強(qiáng)體系，中玻璃增強(qiáng)體系，中玻璃纖維與基體的結(jié)合纖維與基體的結(jié)合較好，纖維拔出較較好，纖維拔出較少少.3、復(fù)合材料的界面、復(fù)合材料的界面 界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)： （1）傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的橋梁作用。 （2）阻斷效應(yīng)：基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。 （3）

27、不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場(chǎng)尺寸穩(wěn)定性等。 （4）散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。（5）誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。 界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒(méi)有的特性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要的作用。 4、增強(qiáng)原理、增強(qiáng)原理纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：1 1、增強(qiáng)纖維因直徑較小，產(chǎn)生增強(qiáng)纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低裂紋的幾率降低。2 2、纖維的表面受到基體的保護(hù)，不易在承載中纖維的表面受到基體的保護(hù)，不易在承載中 產(chǎn)生裂紋，增大承載力。產(chǎn)生裂紋，增大承載力。3 3、基體能阻止纖維的裂紋擴(kuò)展?；w能阻止纖維的裂紋擴(kuò)展。 4 4、基體對(duì)纖維的粘結(jié)作用、基體與纖維