第六章復(fù)合材料

第六章復(fù)合材料概述復(fù)合材料的復(fù)合理論復(fù)合材料的界面樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料層疊復(fù)合材料第一節(jié)概述復(fù)合材料的涵義復(fù)合材料的用途及重要性復(fù)合材料過去、現(xiàn)在和未來復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的增強材料復(fù)合材料的性能特點一、復(fù)合材料的涵義

復(fù)合材料：由兩種或兩種以上性能不同的材料組合為一個整體，從而表現(xiàn)出某些優(yōu)于其中任何一種材料性能的材料。含兩種以上的不同的化學(xué)相具有每個組分所不具備的優(yōu)良性能復(fù)合材料的基本組分可劃分為基體相(基體材料)和增強相(增強材料)兩種。

圖6.1兩種或兩種以上材料所組成的復(fù)合材料復(fù)合材料的命名復(fù)合材料可根據(jù)增強材料與基體材料的名稱來命名。例如，玻璃纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料稱為“玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”。為書寫簡便，也可僅寫增強材料和基體材料的縮寫名稱，中間加一斜線隔開，后面再加“復(fù)合材料“。如“玻璃／環(huán)氧復(fù)合材料”。有時為突出增強材料和基體材料，視強調(diào)的組分不同，也可簡稱為“玻璃纖維復(fù)合材料”或“環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”。二、復(fù)合材料的用途及重要性應(yīng)用領(lǐng)域機械工業(yè)汽車工業(yè)及交通運輸化學(xué)工業(yè)航空宇航領(lǐng)域建筑領(lǐng)域圖6.2碳纖維增強聚合物制作的導(dǎo)波天線圖6.3碳纖維和Kevlar纖維混雜復(fù)合材料制造的賽車三、復(fù)合材料過去、現(xiàn)在和未來20世紀(jì)40年代纖維復(fù)合材料發(fā)展成為具有工程意義的創(chuàng)舉，60年代，在技術(shù)上臻于成熟，在許多領(lǐng)域開始取代金屬材料。

60年代末樹脂基高性能復(fù)合材料用于制造軍用飛機的承力結(jié)構(gòu)。70年代末發(fā)展用高強度、高模量的耐熱纖維與金屬復(fù)合。

80年代開始逐漸發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料第一代復(fù)合材料：玻璃強化樹脂第二代復(fù)合材料：碳纖維強化塑料硼纖維強化塑料第三代復(fù)合材料：金屬基和陶瓷基復(fù)合材料圖6.4復(fù)合材料的發(fā)展簡圖復(fù)合材料的發(fā)展趨勢1.由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展宏觀復(fù)合材料包括以纖維、晶須和顆粒等尺寸較大的增強材料與基體材料復(fù)合而成。微觀復(fù)合材料包括微纖增強復(fù)合材料、納米復(fù)合材料和分子復(fù)合材料。2.向多元混雜復(fù)合和超混雜復(fù)合方向發(fā)展混雜復(fù)合是獲得高性能復(fù)合材料有效而經(jīng)濟的方法。3．由結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為主，向結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與功能復(fù)合材料并重的方向發(fā)展功能復(fù)合材料的最大特點是設(shè)計的自由度比一般均質(zhì)功能材料大得多，功能復(fù)合材料可以任意改變復(fù)合度、連接類型和對稱性，使其性能達(dá)到最佳優(yōu)化值。4．由被動復(fù)合材料向主動復(fù)合材料發(fā)展5．由常規(guī)設(shè)計向仿生設(shè)計方向發(fā)展四、復(fù)合材料的分類按基體材料分類

分為樹脂基、金屬基、陶瓷基等復(fù)合材料，目前使用最多的是樹脂基復(fù)合材料。按增強材料的種類和形態(tài)分類分為纖維增強復(fù)合材料、顆粒增強復(fù)合材料和層疊增強復(fù)合材料等，其中纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用最廣泛。按復(fù)合材料的使用性能分類

分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類，目前應(yīng)用最廣的是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

圖6.5復(fù)合材料的分類五、復(fù)合材料的增強材料粘結(jié)在基體內(nèi)以改進(jìn)其機械性能的高強度材料，稱為增強樹料，也稱為增強體、增強相、增強劑等。復(fù)合材料所用的增強材料主要有三類，即纖維及其織物、晶須和顆粒。其中碳纖維、凱芙拉(Kevlar)纖維和玻璃纖維應(yīng)用最為廣泛。1.纖維纖維包括天然纖維和合成纖維。合成纖維分為有機纖維和無機纖維兩大類。有機纖維有Kevlar纖維、尼龍纖維及聚乙烯纖維等。無機纖維包括玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維等。Kevlar纖維圖6.6Kevlar纖維的三維取向結(jié)構(gòu)表6.1Kevlar纖維的物理、機械性能碳纖維

圖6.7碳纖維的三維結(jié)構(gòu)示意圖表6.2某些品牌碳纖維的性能2.晶須晶須是指具有一定長徑比(一般大于10)和截面積小于52×l0-5cm2的單晶纖維材料。晶須的直徑可由0.1至幾個微米，長度一般為數(shù)十至數(shù)千微米，但具有實用價值的晶須直徑約為1~10μm，長度與直徑比在5~1000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。3.顆粒顆粒增強體主要是指具有高強度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，如碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨、細(xì)金剛石等。這些顆粒增強體也稱為剛性顆粒增強體或陶瓷顆粒增強體。顆粒增強體以很細(xì)的粉狀(一般在l0μm以下)加入到金屬基和陶瓷基中起提高耐磨、耐熱、強度、模量和韌性的作用。還有一種顆粒增強體稱為延性顆粒增強體，主要為金屬顆粒，一般是加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中增強材料的韌性。六、復(fù)合材料的性能特點1．比強度和比模量高圖6.8材料的比強度隨年代的變化2抗疲勞與斷裂安全性能好復(fù)合材料對缺口、應(yīng)力集中的敏感性小，特別是纖維增強的樹脂基復(fù)合材料，基體良好的強韌性降低了裂紋擴展速度，大量的增強纖維對裂紋又有阻隔作用，使裂紋尖端變鈍或改變方向，所以具有較高的疲勞強度。纖維增強復(fù)合材料中存在大量相對獨立的纖維，借助塑韌性基體結(jié)合成一個整體，當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件由于過載或其他原因而部分纖維斷裂時，載荷會重新分配到未斷裂的增強纖維上，避免結(jié)構(gòu)在很短的時間內(nèi)突然破壞，從而使構(gòu)件喪失承載能力的過程延長，故具有良好的斷裂安全性。3.良好的減振性能纖維增強的復(fù)合材料的自振頻率高，工作中不易發(fā)生共振現(xiàn)象。大量的纖維與基體界面有吸收振動能量的作用，阻尼特性好，振動會很快衰減。4.良好的高溫性能圖6.9各類材料的耐熱溫度第二節(jié)復(fù)合材料的復(fù)合理論1.復(fù)合原理纖維增強復(fù)合材料的復(fù)合原理顆粒增強復(fù)合材料的復(fù)合原理2.增強機理纖維增強顆粒增強3.增韌纖維增韌顆粒增韌一、復(fù)合原理1.纖維增強復(fù)合材料的復(fù)合原理纖維增強復(fù)合材料的性能不但取決于基體和增強體的性能和相對數(shù)量，也取決于兩者的結(jié)合狀態(tài)，同時還與纖維在基體中的排列方式有關(guān)。①外載荷與纖維方向一致

假設(shè)：復(fù)合材料中基體是連續(xù)的、均勻的，纖維的性質(zhì)和直徑都是均勻的，并且平行連續(xù)排列，同時纖維與基體間為理想結(jié)合，在界面上不發(fā)生滑移。則在外載荷作用下纖維與基體處于等應(yīng)變狀態(tài)，即角標(biāo)c、f、m分別代表復(fù)合材料、增強纖維和基體作用在復(fù)合樹料上的總力是纖維和基體受力的總和=+如果復(fù)合材料在外載荷作用下處于彈性變形狀態(tài)，復(fù)合材料的載荷與變形符合虎克定律，則纖維和基體承受的應(yīng)力分別為應(yīng)力σf和σm分別作用在纖維的整個橫截面Af和基體整個橫截面Am上。因而纖維和基體所承受的載荷Ff和Fm分別為總載荷作用于復(fù)合材料整個橫截面Ac上，因而纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)(φf、φ

m)可用面積分?jǐn)?shù)表示圖6.10硼纖維增強鋁復(fù)合材料的抗拉強度和彈性模量與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系外載荷很大、基體材料發(fā)生塑性變形時，復(fù)合材料不再遵循虎克定律，此時基體對復(fù)合材料剛度的貢獻(xiàn)較小，彈性模量可近似表示為圖6.11單向連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線②外載荷與纖維方向垂直如果外載荷垂直于單相連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的纖維方向，則復(fù)合材料、纖維和基體處于等應(yīng)力狀態(tài)，即復(fù)合材料中應(yīng)變量等于各組元應(yīng)變量與體積分?jǐn)?shù)乘積之和，即混合定律在纖維增強復(fù)合材料物理性能方面的應(yīng)用利用混合定律可以對纖維增強復(fù)合材料的某些物理量進(jìn)行計算。例如復(fù)合材料的密度存在下列關(guān)系式：描述沿復(fù)合材料纖維排列方向的熱導(dǎo)率(K)和磁導(dǎo)率(k)2.顆粒增強復(fù)合材料的復(fù)合原理顆粒增強復(fù)合材料的密度可以用混合定律表達(dá)為：角標(biāo)p代表顆粒增強材料對剛性純顆粒(尺寸為微米量級)增強的復(fù)合材料，其彈性模量隨純顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而提高，也可由混合定律來預(yù)測，已推導(dǎo)出的這種復(fù)合材料彈性模量的上限數(shù)值和下限數(shù)值的關(guān)系表達(dá)式分別為上限值：下限值：二、增強機理

l.纖維增強纖維增強復(fù)合材料：指由高強度、高彈性模量的脆性纖維作增強體與韌性基體(樹脂、金屬)或脆性基體(陶瓷)經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。目標(biāo)：提高基體在室溫和高溫下的強度和彈性模量是纖維增強樹脂基復(fù)合材料和纖維增強金屬基復(fù)合材料的主要設(shè)計目標(biāo)；而纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的主要目的是提高基體材料的韌性，即增韌。纖維增強的復(fù)合材料的增強機理①增強纖維脆性較大，內(nèi)部往往存在一些微裂紋，容易斷裂，材料的強度不能被充分利用。但是如果能將脆性材料制成細(xì)纖維，因直徑細(xì)小，而使產(chǎn)生裂紋的幾率降低，有利于纖維脆件的改善和強度的提高。②纖維處于基體之中，彼此隔離，纖維表面受到基體的保護(hù)作用，不易遭受損傷，不易在承裁過程中產(chǎn)生裂紋，使承載能力增強。③

復(fù)合材料受到較大應(yīng)力時，一些有裂紋的纖維可能斷裂，但塑性好和韌性好的基體能阻止裂紋擴展。圖6.12鎢纖維銅基復(fù)合材料的裂紋在銅中擴展受阻④纖維受載斷裂時，斷口不可能都在一個平面上，若要使整體斷裂，必然有許多根纖維從基體中被拔出，因而必須克服基體對纖維的黏結(jié)力以及基體與纖維之間的摩擦力，從而使材料的抗拉強度大大提高，與此同時斷裂韌度也增加。圖6.13碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料斷時，纖維斷口不在一個平面上增強纖維與基體復(fù)合時應(yīng)注意的幾個問題①增強纖維的強度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。因為增強纖維的彈性模量E愈高，在同樣應(yīng)變量ε的條件下，所受應(yīng)力越大，這樣才能充分發(fā)揮纖維的增強作用，保證復(fù)合材料中承受載荷的材料是增強纖維。②基體和纖維之間要有一定黏結(jié)作用，而且應(yīng)具當(dāng)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強度，以保證基體所受的應(yīng)力通過界面?zhèn)鬟f給纖維。結(jié)合強度小，界面很難傳遞載荷，纖維無法發(fā)揮主要承受載荷的作用；結(jié)合強度也不宜過大，因為復(fù)合材料受力破壞時，纖維從基體中拔出將消耗一部分能量，過大的結(jié)合強度將使纖維拔出消耗能量過程消失，降低強度并導(dǎo)致危險的脆性斷裂。③纖維應(yīng)有合理的含量、尺寸和分布。纖維的直徑對其強度有較大影響，纖維越細(xì)．則缺陷越小，材料強度越高；同時細(xì)纖維的比表面積大，有利于增強與基體的結(jié)合力。纖維的長度t對增強有利，連續(xù)纖維比短纖纖維的增強效果好得多。對于短切纖維，只有當(dāng)長度超過一定的臨界值時，才能有明顯的強化效果。纖維的排列方向應(yīng)符合構(gòu)件的受力要求。由于纖維的縱向比橫向的抗拉強度高幾十倍，應(yīng)盡量使纖維的排列方向平行于應(yīng)力作用方向。受力比較復(fù)雜時，纖維可以采用不同方向交叉層疊排列，以使之沿幾個不同方向產(chǎn)生增強效果。④

纖維應(yīng)與基體的線膨脹系數(shù)相匹配。通常要求兩者的線膨脹系數(shù)相近。對于韌性較低的基體(例如陶瓷和熱固性樹脂)，纖維的線膨脹系數(shù)應(yīng)略高于基體的線膨脹系數(shù)，以便在受熱后冷卻時，由于纖維收縮大使基體處于受壓狀態(tài)而獲得一定程度的保護(hù)。對于韌性較好的基體，纖維的線膨脹系數(shù)應(yīng)略低于基體的線膨脹系數(shù)，以便使纖維處于壓應(yīng)力狀態(tài)而增加韌度。⑤

纖維與基體之間要有良好的相容性。以便在高溫作用下纖維與基體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，基體對纖維不產(chǎn)生腐蝕和損傷作用。

2．顆粒增強機理根據(jù)增強顆粒的尺寸大小，顆粒增強復(fù)合材料可分為彌散增強復(fù)合材料和真正顆粒(或純顆粒)增強復(fù)合材料兩類。彌散增強復(fù)合材料通常是指尺寸為100~2500?的微細(xì)硬顆粒彌散分布在金屬和合金中而形成的復(fù)合材料。純顆粒增強復(fù)合材料是指以微米量級的顆粒增強的金屬基、樹脂基或陶瓷基復(fù)合材料。彌散強化復(fù)合材料中的增強材料主要是金屬氧化物、碳化物和硼化物。這些彌散分布于金屬或合金基體中的硬顆?？梢杂行У刈璧K位錯運動，產(chǎn)生顯著的強化作用。彌散強化復(fù)合材料的復(fù)合強化機理與合金的析出強化機理相似，基體仍是承受載荷的主體。不同的是這些細(xì)小彌散的硬顆粒并非借助于相變產(chǎn)生的硬顆粒，它們在溫度升高時仍可保持其原有尺寸，因而增強效果可在高溫下持續(xù)較長時間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能明顯優(yōu)于基體金屬或合金。為使彌散增強的復(fù)合材料性能達(dá)到最佳效果，除要求顆粒堅硬、穩(wěn)定，與基體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外，顆粒的尺寸、形狀、體積分?jǐn)?shù)以及與基體的結(jié)合能力均是必須加以考慮的因素。純顆粒增強復(fù)合材料的性能受顆粒大小的影響，顆粒太大而不規(guī)則，往往引起應(yīng)力集中現(xiàn)象而成為裂紋源，通常選擇尺寸較小的顆粒，并且盡可能使之均勻分布在基體之中。在純顆粒增強復(fù)合材料中，顆粒不是通過阻礙位錯運動而使材料強化，而是借助于限制顆粒鄰近基體的運動，約束基體的變形來達(dá)到強化基體的目的。因此，一般認(rèn)為復(fù)合材料所受載荷并非完全由基體承擔(dān)。增強顆粒也承受部分載荷。顆粒與基體間的結(jié)合力越大，增強的效果越明顯，顆粒增強復(fù)合材料的性能與增強顆粒和基體的比例密切相關(guān)。三、增韌1.纖維增韌纖維增韌：為了克服陶瓷脆性大的弱點，可以在陶瓷基體中加入纖維而制成陶瓷基復(fù)合材料，由于定向、取向或無序排布的纖維的加入，使陶瓷基復(fù)合材料韌度顯著提高。①單向排布長纖維增韌

單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向異性，沿纖維長度方向上的縱向性能大大高于橫向性能。這種纖維的定向排布是根據(jù)實際工件的使用要求確定的，主要使用其縱向性能。單向排布長纖維陶瓷基復(fù)合材料中韌度的提高來自3個方面的貢獻(xiàn)，即纖維拔出、纖維斷裂及裂紋轉(zhuǎn)向。圖6.14Cf/Si3N4復(fù)合材料平行于纖維方向的組織圖6.15Cf/Si3N4復(fù)合材料中裂紋垂直于纖維方向擴展示意圖圖6.16Cf/Si3N4復(fù)合材料斷口

形貌的SEM照片圖6.17Cf/Si3N4復(fù)合材料斷口的側(cè)面形貌

②

多維多向排布長纖維增韌多維多向排布長纖維增韌復(fù)合材料中纖維排布的方式有兩種。一種是將纖維編織成纖維布；另一種是纖維分層單向排布。圖6.18纖維布層壓復(fù)合材料示意圖圖6.19多層纖維按不同角度層壓

(或纏繞)復(fù)合材料示意固③

短纖維、晶須增韌制備短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料時將長纖維剪(切)短(＜3mm)，然后分散并與基體粉料混合均勻，再用熱壓燒結(jié)的方法制得高性能復(fù)合材料。這種短纖維增強體在與原料粉料混合時，取向是隨機的，但在受壓成形時，短纖維將沿壓力方向轉(zhuǎn)動，在最終制成的復(fù)合材料中，短纖維沿加壓面擇優(yōu)取向，因而產(chǎn)生性能上的各向異性，沿加壓而方向的性能優(yōu)于垂直加壓面方向上的性能。圖6.20碳纖維增韌玻璃陶瓷復(fù)合材料中的纖維分布情況圖6.21碳纖維增強Pyrex玻璃纖維中纖維定向排列情況圖6.22碳纖維含量對碳纖維增韌玻璃陶瓷復(fù)合材料斷裂功的影響晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料的增韌機理大體與纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的相同，即主要靠晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機制對韌性提高產(chǎn)生突出貢獻(xiàn)。圖6.23晶須拔出橋連及裂紋轉(zhuǎn)向的SEM照片2．顆粒增韌顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料的韌化機理主要有相變增韌、裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌等。①相變增韌

相變增韌是發(fā)展最早的一種增韌機理。氧化鋯增韌陶瓷就是利用氧化鋯馬氏體相變達(dá)到增韌目的的。氧化鋯在一定溫度和應(yīng)力場作用下，亞穩(wěn)定四方氧化鋯顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嘌趸?。伴隨著這種相變有3％~5％的體積膨脹，因而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而抵消外加應(yīng)力，阻止裂紋擴展、達(dá)到增韌目的。②裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌

裂紋在陶瓷材料中不斷擴展，裂紋前沿遇到高強度的顆粒的阻礙，使擴展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，從而減小了裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，增加了材料的斷裂韌度，達(dá)到增韌目的。裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌不像相變增韌那樣受溫度的限制，因而是適合高溫結(jié)構(gòu)陶瓷增韌的方法。第三節(jié)復(fù)合材料的界面復(fù)合材料界面的基本概念樹脂基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面陶瓷基復(fù)合材料的界面復(fù)合材料界面的基本概念復(fù)合材料的界面：指基體與增強物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面是復(fù)合材料的特征界面上的化學(xué)成分和相結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的圖6.24復(fù)合材料的界面界面效應(yīng)傳遞效應(yīng)阻斷效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)一、樹脂基復(fù)合材料的界面

1．界面的形成樹脂基復(fù)合材料界面的形成可分為兩個階段：第一階段是基體與增強纖維的接觸與浸潤過程；第二階段是樹脂的同化過程，在此過程中樹脂通過物理或化學(xué)的變化而固化，形成固定的界面層。界面層的性質(zhì)大致包括結(jié)合力、區(qū)域(或厚度)和微觀結(jié)構(gòu)等方向。界向結(jié)合力存在于兩相之間，并由此產(chǎn)生復(fù)合效果和界面強度。界面結(jié)合力可分為宏觀結(jié)合力和微觀結(jié)合力兩種．前者主要指材料的幾何因素，如表面凸凹不平、表面裂紋和孔隙等所產(chǎn)生的機械鉸合力；后者包括化學(xué)鍵和次價鍵，化學(xué)鍵結(jié)合是最強的結(jié)合，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。界面及其附近區(qū)域的性能、結(jié)構(gòu)都不同于組分本身。界面層是由纖維與基體之間的界面以及纖維和基體的表面薄層構(gòu)成的，基體表面薄層的厚度約為增強纖維的數(shù)十倍，它在界面層中所占的比例對復(fù)合材料的力學(xué)性能有很大影響。界面層使纖維與基體形成一個整體，并通過它傳遞應(yīng)力，若纖維與基體的相容性不好，界面不完整，則應(yīng)力的傳遞面只是纖維總面積的一部分。因此，為使復(fù)合材料內(nèi)部能夠均勻地傳遞應(yīng)力以顯示其優(yōu)異性能，要求復(fù)合材料在制造過程中形成完整的界面層。

2.界面作用機理界面對復(fù)合材料特別是對其力學(xué)性能起著極為重要的作用。界面作用機理是指界面發(fā)揮作用的微觀機理，目前這方面已有許多理論，但都末達(dá)到完善程度。

界面浸潤理論化學(xué)鍵理論物理吸附理論變形層理論減弱界面局部應(yīng)力作用理論①界面浸潤理論

1963年Zisman首先提出了這個理論，主要論點是增強纖維被液體樹脂良好浸潤是極其重要的，浸潤不良會在界面上產(chǎn)生間隙，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂，完全浸潤可使基體與增強纖維的結(jié)合強度大于基體的強度，復(fù)合材料才能顯示其優(yōu)越的性能。②化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論的主要論點是處理增強纖維表面的偶聯(lián)劑既含有能與增強纖維起化學(xué)作用的官能團(tuán)，又含有能與樹脂基體起化學(xué)作用的官能團(tuán)，由此在界面上形成共價鍵結(jié)合，如能滿足這一要求則在理論上可獲最大的界面結(jié)合能。無偶聯(lián)劑存在時，如果基體與纖維表面可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩相之間也能形成牢固界面。這種理論的實質(zhì)強調(diào)增加界面的化學(xué)作用是改進(jìn)復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。但是化學(xué)鍵理論不能解釋為什么有的處理劑官能團(tuán)不能與樹脂反應(yīng)卻仍有較好的處理效果。③物理吸附理論物理吸附理論可作為化學(xué)鍵理論的一種補充。物理吸附理論認(rèn)為，增強纖維與樹脂基體之間的結(jié)合屬于機械鉸合和基于次價鍵作用的物理吸附。物理吸附理論對上述化學(xué)鍵理論不能解釋的問題給予了較好的解釋。④變形層理論變形層理論：如果纖維與基體的線膨脹系數(shù)相差較大，復(fù)合材料固化成形后在界面上會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這將損傷界面和影響復(fù)合材料性能。另外，在載荷作用下，界面上會出現(xiàn)應(yīng)力集中，若界面化學(xué)鍵破壞，產(chǎn)生微裂紋，將導(dǎo)致復(fù)合材料性能變差。將增強纖維表面進(jìn)行處理，在界面上形成一層塑性層，就可以起到松弛和減小界面應(yīng)力的作用。⑤減弱界面局部應(yīng)力作用理論減弱界面局部應(yīng)力作用理論認(rèn)為，基體和增強纖維之間的處理劑提供了一種具有“自愈能力”的化學(xué)鍵。在載荷作用下，它處于不斷形成與斷裂的動態(tài)平衡狀態(tài)。低分子物質(zhì)（主要是水)的應(yīng)力浸蝕會使界面化學(xué)鍵斷裂，而在應(yīng)力作用下處理劑能沿增強纖維表面滑移，使已斷裂的化學(xué)鍵重新結(jié)合，與此同時，應(yīng)力得以松弛．減緩了界面的應(yīng)力集中。二、金屬基復(fù)合材料的界面1．界面的類型表6.4纖維增強金屬基復(fù)合材料界面的類型

2．界面的結(jié)合纖維增強復(fù)合材料的界面結(jié)合有以下幾種形式。①

機械結(jié)合機械結(jié)合是指借助增強纖維表面凸凹不平的形態(tài)而產(chǎn)生的機械鉸合，以及借助基體收縮應(yīng)力裹緊纖維產(chǎn)生的摩擦阻力結(jié)合。這種結(jié)合與擴散和化學(xué)作用無關(guān)，純屬機械作用，結(jié)合強度的大小與纖維表面的粗糙程度有很大關(guān)系。

②

溶解和浸潤結(jié)合纖維與基體的相互作用力是短程的，作用范圍只有若干原子間距大小。由于纖維表面常存在氧化膜，阻礙液態(tài)金屬的浸潤，這就需要對纖維表面進(jìn)行處理，液態(tài)金屬對纖維的浸潤性也與溫度有關(guān)。③反應(yīng)結(jié)合反應(yīng)結(jié)合其特征是在纖維和基體之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層。界面反應(yīng)層往往不是單一的化合物，一般情況下，隨反應(yīng)程度增加，界面結(jié)合強度亦增加，但由于界面反應(yīng)產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，所以當(dāng)界面層達(dá)到一定厚度時，界面上的殘余應(yīng)力可使界面破壞，反而降低界面結(jié)合強度。此外某些纖維表面吸附空氣發(fā)生氧化也能形成某種形式的反應(yīng)結(jié)合。但有時氧化作用也會降低纖維強度而無益于界面結(jié)合，這時就應(yīng)當(dāng)盡量避免發(fā)生氧化反應(yīng)。④混合結(jié)合混合結(jié)合是最重要最普遍的結(jié)合形式，因為在實際復(fù)合材料中經(jīng)常同時存在幾種結(jié)合形式，尤其在Ⅰ類界面的復(fù)合材料中比較普遍。例如硼纖維增強鋁材時，如果制造溫度低，硼纖維表而氧化膜不被破壞，則形成機械結(jié)合，材料若在500℃進(jìn)行熱處理，可以發(fā)現(xiàn)在機械結(jié)合的界面上出現(xiàn)了AlB2，表面熱處理過程中界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成了反應(yīng)結(jié)合。三、陶瓷基復(fù)臺材料的界面在陶瓷基復(fù)合材料中，增強材料與基體之間的結(jié)合也是采取機械結(jié)合、溶解和浸潤結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合和混合結(jié)合的方式。陶瓷基復(fù)合材料中界面的特性同樣對材料的性能起著舉足輕重的作用。界面控制①改變增強材料表面的性質(zhì)改變增強材料表面性質(zhì)是用化學(xué)手段控制界面的方法。改變增強材料表面性質(zhì)的目的都是防止強化材料與基體間的反應(yīng)，從而獲得最佳界面力學(xué)待性。另一個目的是改變纖維與基體間的結(jié)合力。②向基體內(nèi)添加特定的元素在用燒結(jié)法制造陶瓷基復(fù)合材料的過程中，為了有助于燒結(jié)，往往在基體中添加一些特定元素。為了使纖維與基體之間發(fā)生適度反應(yīng)以控制界面，也可添加一些元素。③在增強材料表面施以涂層涂層技術(shù)是實施界面控制的有效方法之一，可分為CVD法、PVD法、噴鍍和噴射等。涂層技術(shù)是采用不同方法，在增強材料表面形成覆蓋層，以保護(hù)增強材料不受化學(xué)侵蝕，阻礙增強材料與基體間的化學(xué)擴散和界面的化學(xué)反應(yīng)，提高界面的剪切強度。第四節(jié)樹脂基復(fù)合材料概述纖維增強樹脂基復(fù)合材料顆粒增強樹脂基復(fù)合材料樹脂基功能復(fù)合材料一、概述

樹脂基復(fù)合材料亦稱聚合物基復(fù)合材料，是目前應(yīng)用最廣、消耗量最大的一類復(fù)合材料。根據(jù)增強體的種類，樹脂基復(fù)合材料可分為玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料、碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料、硼纖維增強樹脂基復(fù)合材料、碳化硅纖維增強樹脂基復(fù)合材料、芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材料、晶須增強樹脂基復(fù)合材料和顆粒(粉體)增強樹脂基復(fù)合材料等；根據(jù)樹脂的性質(zhì)，可分為熱固性樹脂基復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料兩種基本類型。二、纖維增強樹脂基復(fù)合材料1.玻璃纖維及其增強的樹脂基復(fù)合材料①玻璃纖維玻璃脆性很大，但是將融熔態(tài)玻璃以極快的速度拉制成纖維，就具有一定的柔韌性，可紡織成紗或各種形式的玻璃布。玻璃纖維的性能特點：A抗拉強度很高B耐熱性低C化學(xué)穩(wěn)定性高D脆性較大②

玻璃纖維增強的樹脂基復(fù)合材料

玻璃纖維增強的樹脂基復(fù)合材料，即玻璃鋼。這種材料的發(fā)展十分迅速，年增長率達(dá)25％~30％，已成為重要的工程材料。玻璃鋼分為熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼兩類。A熱固性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強材料和以熱固性樹脂為基體的復(fù)合材料。熱固性玻璃鋼具有成形工藝簡單、強度高、密度低、耐腐蝕、介電性高等特點，與熱塑性玻璃鋼相比，耐熱性較高。熱固性玻璃鋼的主要缺點是彈性模量低(為結(jié)構(gòu)鋼的10％~20％)，剛性差。此外工作溫度不能超過250℃，長期受力易發(fā)生蠕變，材質(zhì)易老化。熱固性玻璃鋼應(yīng)用極廣，從各種機器的護(hù)罩到形狀復(fù)雜的構(gòu)件，從各種車輛的車身到不同用途的配件，以及石油化工中的耐蝕、耐壓容器及管道等。表6.5幾種熱固性玻璃鋼的性能特點B熱塑性玻璃鋼熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強材料和以熱塑性樹脂為基體的復(fù)合材料。熱塑性玻璃鋼與熱塑性塑料相比，強度和疲勞性能可提高2~3倍以上，沖擊韌度提高2~4倍，抗蠕變能力提高2~5倍。玻璃纖維增強尼龍的剛度、強度和減摩性好，它可代替非鐵金屬制造軸承、軸承架和齒輪等精密零件，還可制造電工部件和汽車上的儀表盤、前后車燈。玻璃纖維增強苯乙烯類樹脂廣泛用于汽車內(nèi)裝飾品、磁帶錄音機底盤、空氣調(diào)節(jié)器葉片等部件。玻璃纖維增強聚丙烯的強度、耐熱性和抗蠕變性能好，耐水性優(yōu)良，可用于制作轉(zhuǎn)矩變換器、干燥器殼體等。

2．碳纖維及其增強的樹脂基復(fù)合材料①碳纖維

碳纖維由有機纖維經(jīng)高溫碳化而成，目前工業(yè)廣泛應(yīng)用聚烯腈纖維、黏膠纖維和瀝青纖維制造的碳纖維。碳纖維有如下特點：

A密度低，彈性模量和強度高。

B高溫、低溫力學(xué)性能好。

C具有高的耐蝕性、導(dǎo)電性以及低的摩擦系數(shù)。碳纖維主要缺點是脆性大，表面光滑，與樹脂結(jié)合力比玻璃纖維的還差，常需要用表面氧化處理來改善與基體的結(jié)合力。②碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料中，作為基體的樹脂，應(yīng)用最多的是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯。碳纖維增強的樹脂基復(fù)合材料的密度比鋁的低，強度比鋼的高，彈性模量比鋁合金和鋼的大，疲勞強度高，沖擊韌性高，化學(xué)穩(wěn)定性高，摩擦系數(shù)小，導(dǎo)熱性好，總之比玻璃鋼的性能優(yōu)越?？捎米饔钪骘w行器的外層材料，人造衛(wèi)星和火箭的機架、殼體和天線構(gòu)架。還可用作機器的齒輪、軸承等受載、磨損件。3.硼纖維及其增強的樹脂基復(fù)合材料①硼纖維硼纖維外表為硼，心部為硼化鎢。硼纖維直徑約為0.1mm。硼纖維的比強度與玻璃纖維相近，模量是玻璃纖維的5倍，耐熱性高。硼纖維的缺點是密度高、纖維直徑大。②硼纖維增強的樹脂基復(fù)合材料硼纖維增強樹脂基復(fù)合材料中作為基體的樹脂主要是環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂和聚苯并咪唑。硼纖維增強樹脂基復(fù)合材料抗壓強度和抗剪切強度很高，抗蠕變能力強，硬度和彈性模量高，具有很高的疲勞強度和耐輻射性能。對水、有機溶劑很穩(wěn)定，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性很好。硼纖維增強樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空和宇航工業(yè)，制造翼面、儀表盤、轉(zhuǎn)子、壓氣機葉片、直升飛機螺旋槳葉的傳動軸等。4.聚芳酰胺纖維及其增強的樹脂基復(fù)合材料①聚芳酰胺纖維聚芳酰胺纖維在商業(yè)上稱為芳綸。聚芳酰胺纖維的抗拉強度不及碳纖維的抗拉強度，約為鋁合金的5倍，密度低，比強度超過了玻璃纖維、碳纖維和硼纖維，韌性好，具有突出的抗蠕變性能，此外，還具有耐疲勞性能好、易加工、耐腐蝕和電絕緣性能好的特點。②聚芳酰胺纖維增強的樹脂基復(fù)合材料聚芳酰胺纖維增強的樹脂基復(fù)合材料的界面結(jié)合力強，抗拉強度大于玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂增強的抗拉強度，類似碳纖維增強的環(huán)氧樹脂。聚芳酰胺纖維增強的樹脂基復(fù)合材料的塑性與金屬的相似，耐沖擊性超過碳纖維增強的環(huán)氧樹脂的沖擊性，減振性好，是玻璃鋼的4~5倍。聚芳酰胺纖維增強樹脂基復(fù)合材料的抗壓強度較低。聚芳酰胺纖維增強樹脂基復(fù)合材料主要用于航天、航空、造船和汽車工業(yè)。5.高性能天然纖維及其增強的樹脂基復(fù)合材料①高性能天然纖維麻和竹類天然纖維的比強度與玻璃纖維的接近。麻和竹是價廉、可降解的有機纖維，具有可再生性。②高性能天然纖維增強的樹脂基復(fù)合材料復(fù)合材料的基體材料主要是環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂產(chǎn)品可用于轎車的內(nèi)飾件、吸噪聲板和輪罩等，也可用于建筑裝飾、家具面板、游艇和器皿等。6.

晶須及其增強的樹脂基復(fù)合材料①晶須晶須是直徑小于30μm、長度只有幾毫米的針狀單晶體，晶體內(nèi)部幾乎不存在位錯，強度高，接近于理論值。晶須有金屬晶須、陶瓷晶須和高分子晶須。②晶須增強的樹脂基復(fù)合材料由于晶須價格昂貴，主要用于金屬基復(fù)合材料，在樹脂基復(fù)合材料中應(yīng)用不多。

三、顆粒增強樹脂基復(fù)合材料樹脂中加入非纖維狀顆粒的復(fù)合材料，強度、彈性模量等力學(xué)性能比用纖維增強稍差，但仍然可使增強的樹脂具有各種獨特的性能，這些顆粒還具有改性作用。樹脂中加入增強顆粒材料時，其力學(xué)性能不存在各向異性問題，性能只取決于增強顆粒的數(shù)量、形狀及其與樹脂的結(jié)合程度等因素。一般說來．作為增強的顆粒，以無機系為主。這類材料增強的樹脂基復(fù)合材料，按用途分為合成木材、耐磨材料和功能材料。

1．合成木材合成木材分兩類：一類是以無機顆粒增強，即鈣塑材料，另一類是以有機顆粒增強，即新型合成木材。①

鈣塑材料鈣塑材料是以熱塑性樹脂為基體，加入碳酸鈣等分散介質(zhì)制得的復(fù)合材料。該材料不僅能夠代替木材使用，還具有超過木材的優(yōu)良性能。鈣塑材料主要有3種，即聚乙烯鈣塑材料、聚丙烯鈣塑樹料、聚氯乙烯鈣塑材料。②

新型合成木材新型合成木材以熱固性或熱塑性樹脂為基體，以有機填料木粉、木屑、稻殼粉、稻草屑為分散介質(zhì)的顆粒增強(改性)塑料。新型合成木材的共同特點是填料量大，樹脂量少，密度低，價格便宜，保溫性能好有防火、防蛀、防腐蝕等性能。新型合成木材目前廣泛用于制作門芯板、天花板、家具和車、船的隔板。四、樹脂基功能復(fù)合材料1．具有電波透過功能的復(fù)合材料這種材料以玻璃纖維或玻璃布作為增強材料，以環(huán)氧樹脂或不飽和聚脂作為基體而制成，該材料電波透過性好．而且具有一定強度，良好的耐天候性、耐腐蝕性，常用于制造雷達(dá)天線罩，廣泛用于飛機雷達(dá)、船舶雷達(dá)、地面固定雷達(dá)，以及拋物面天線的保護(hù)罩。2．具有隱身功能的復(fù)合材料

利用熱塑性樹脂的介電特性，用碳纖維增強的熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有吸收電磁被的隱身功能，可避過雷達(dá)的跟蹤，是高性能結(jié)構(gòu)材料，是制造先進(jìn)戰(zhàn)斗機、偵察機的理想隱身材料。

3．具有導(dǎo)電功能的復(fù)合材料以環(huán)氧樹脂作為基體，與碳纖維或碳粉并加入一定量石棉纖維制成的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的耐蝕性、良好的耐熱性、良好的集塵效果，常用于使用溫度較高的電集塵器的電極板。4．具有形狀記憶功能的復(fù)合材料

形狀記憶功能是指具有一定形狀的制品變形后，通過加熱等手段處理后又回復(fù)到初始形狀的功能。目前，樹脂基形狀記憶功能復(fù)合材料，因其優(yōu)異的綜合性能已成為熱門材料。這種材料的特點是成本低，化學(xué)穩(wěn)定性高，可無限期地存放，損傷容限大，自適應(yīng)能力強。已用于醫(yī)療、建筑、玩具、傳感元件和汽車的緩沖器。5．具有磁性功能的復(fù)合材料這類復(fù)合材料作為基體的合成樹脂有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、聚酰胺(尼龍)等熱塑性樹脂和環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、三聚氰胺等熱固性樹脂，添加劑是鐵氧體磁粉或稀土類磁粉。這類材料廣泛用于錄音帶、錄像帶、家用電器、電子儀器儀表、磁療設(shè)備、精密電機、微型電機、通信設(shè)備的傳感器。6．具有壓電功能的復(fù)合材料這類復(fù)合材料是將具有高極化強度的壓電陶瓷(BaTiO3)混入樹脂基體中，極化后得到壓電性較強的可撓樹脂基壓電材料，該材料已用于制造柔性機電換能器。7．具有自控發(fā)熱功能的復(fù)合材料

這種材料是將一種導(dǎo)電粉末(如碳粉)分散在高分子樹脂中，并使導(dǎo)電粉末構(gòu)成導(dǎo)電通道，用這種復(fù)合材料制成扁形電纜即可纏在管道外而通電加熱。它的特點在于通電后材料發(fā)熱使高分子膨脹，拉斷一些導(dǎo)電粉末通道，從而使材料電阻值增大而降低發(fā)熱量，溫度降低后高分子收縮又使通道復(fù)原，從而產(chǎn)生恒溫控制的效果，這種功能材料已廣泛用于石油、化工工業(yè)。8．具有電絕緣功能的復(fù)合材料這種材料是以酚醛樹脂為基體，以各種顆粒狀填料為分散質(zhì)的改性塑料，為克服基體的弱點，分別加入不同的填料。為克服酚醛樹脂的脆性，提高力學(xué)性能，加入一定量的木粉；為提高電絕緣性和耐熱性，再加入一定量的云母粉、石棉粉和石英粉；此外還需加入其他助劑，這些混合材料經(jīng)加熱成形制成的各種電工絕緣零件，廣泛應(yīng)用于低壓電器、電訊工業(yè)以及蓄電池的絕緣結(jié)構(gòu)件。第五節(jié)金屬基復(fù)合材料概述纖維增強金屬基復(fù)合材料顆粒增強金屬基復(fù)合材料金屬基功能復(fù)合材料一、概述金屬基復(fù)合材料具有高強度、高彈性模量和線膨脹系數(shù)小，工作溫度高，不易燃燒，導(dǎo)熱、導(dǎo)電、熱穩(wěn)定性好以及抗電磁干擾、抗輻射性能好等特點，可進(jìn)行機械加工和采用常規(guī)方法連接，而且在較高溫度下也不會放出有味、有害氣體污染環(huán)境，這是樹脂基復(fù)合材料所無法比擬的。但金屬基復(fù)合材料存在著密度高、成本較高、某些復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜、增強材料與基體界面易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等缺點。金屬基復(fù)合材料可分為長纖維增強型、短纖維或晶須增強型、顆粒增強型以及原位復(fù)合材料。二、纖維增強金屬基復(fù)合材料1．長纖維增強金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料是由高性能長纖維和金屬或其合金組成的先進(jìn)復(fù)合材料。復(fù)合材料中高強度、高彈性模量的增強纖維主要起承載作用，而金屬基體則起固結(jié)纖維和傳遞載荷的作用。長纖維增強金屬基復(fù)合材料具有各向異性特征，其程度取決于纖維在基體中的數(shù)量、分布和排列情況。長纖維增強的金屬基復(fù)合材料常用的增強纖維有硼纖維、碳(石墨)纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等?；w金屬主要有鋁及其合金、鎂及其合金、鈦及其合金、銅合金、鉛合金、高溫合金以及新近發(fā)展的金屬間化合物。①硼/鋁復(fù)合材料

硼/鋁復(fù)合材料是長纖維增強的復(fù)合材料中最早研究成功和應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料。硼纖維高溫強度較高。由于纖維處于500℃以上氧化后強度降低，所以預(yù)先要在硼纖維表面涂覆一層SjC或B4C，防止纖維表面氧化。硼/鋁復(fù)合材料造價較高，但由于質(zhì)量輕，比強度、比模量高．優(yōu)異的耐疲勞性能及良好的耐蝕性能等特點，故應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于航天飛機的桁架結(jié)構(gòu)、飛機的結(jié)構(gòu)支柱、導(dǎo)彈支架、載人飛船的加壓舵和太陽能電池的支撐板等。②石墨／鋁復(fù)合材料石墨／鋁復(fù)合材料具有導(dǎo)電性高、摩擦系數(shù)低和耐腐蝕等優(yōu)點。石墨／鋁復(fù)合材料主要應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)件、飛機蒙皮、直升機旋翼葉片和渦輪發(fā)動機的壓氣機葉片等。③石墨／鎂復(fù)合材料

石墨/鎂復(fù)合材料密度低、線膨脹系數(shù)為零，尺寸穩(wěn)定性極好，在金屬基復(fù)合材料中具有最高的比強度和比模量。石墨/鎂復(fù)合材料價格昂貴，主要應(yīng)用于航天和航空領(lǐng)域，如人造衛(wèi)星的拋物面天線及其支架、航天飛機的大面積蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮、飛機的天線支架等。④碳化硅/鈦復(fù)合材料

碳化硅纖維比強度、比模量高，高溫下也能保持高強度，是耐熱、耐氧化的纖維，它和金屬反應(yīng)小，潤濕性好，用碳化硅纖維增強的鈦基復(fù)合材料性能尤其是高溫強度明顯高于基體合金性能，已用于制造飛機發(fā)動機部件和渦輪葉片及火箭發(fā)動機箱。⑤氧化鋁／鋁復(fù)合材料

氧化鋁纖維增強鋁基復(fù)合材料具有高強度和高剛度，由于氧化鋁纖維在氧化性氣氛中穩(wěn)定，能在高溫下保持其強度、剛度，且硬度高、耐磨性好，因此用它作增強材料的金屬基復(fù)合材料的抗蠕變、抗疲勞及耐磨性都很好。這種材料已用于制作汽車發(fā)動機活塞和其他發(fā)動機零件。⑥其他長纖維增強的金屬基復(fù)合材料除上述的長纖維增強的金屬基復(fù)合材料之外，近些年相繼發(fā)展了鎢絲增強鎳基，鎢絲增強銅基，碳化硅纖維增強Ti3A1、TiAl、Ni3Al等金屬間化合物，這些材料具有強度高、抗蠕變、抗沖擊、耐熱疲勞等優(yōu)點，可以滿足燃?xì)廨啓C、火箭發(fā)動機對高溫金屬基復(fù)合材料的要求。長纖維增強的銅基、鉛基復(fù)合材料作為特殊導(dǎo)體和電極材料，在電子行業(yè)和能源工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2．短纖維及晶須增強金屬基復(fù)合材料增強材料的短纖維主要有氧化鋁纖維、氧化鋁-氧化硅纖維、氮化硼纖維。增強晶須主要有碳化硅晶須、氧化鋁晶須、氮化硅晶須等。這類復(fù)合材料除具有比強度、比模量高，耐高溫，耐磨，線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點外，最顯著的特點是可采用常規(guī)設(shè)備進(jìn)行制備和二次加工。增強材料雜混無序分布的復(fù)合材料還具有各向同性的特點。這類材料的基體金屬主要有鋁、鎂、鈦和鎳等。①氧化鋁/鋁復(fù)合材料

氧化鋁短纖維增強鋁基復(fù)合材料是較早研制和應(yīng)用的復(fù)合材料。這種材料的高溫強度、彈性模量明顯優(yōu)于基體金屬的高溫強度和彈性模量，并且線膨脹系數(shù)較低，耐磨性較高；該材料在汽車制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。②碳化硅/鋁復(fù)合材料

碳化硅晶須增強鋁基復(fù)合材料可根據(jù)不同的使用要求，選用純鋁、鑄鋁、鍛鋁、硬鋁、超硬鋁以及鋁捏合金等作為基體，可采用多種方法(如粉末冶金法、擠壓鑄造法)進(jìn)行制備。這類復(fù)合材料具有良好的綜合性能，具有比強度、比模量高和線膨脹系數(shù)低等特點，由于受晶須成本的影響，普遍存在成本高的問題。這類復(fù)合材料主要應(yīng)用于航天、航空領(lǐng)域。③氧化鋁/鎳復(fù)合材料氧化鋁晶須增強的鎳基高溫材料高溫性能良好，但是由于晶須與基體的線膨脹數(shù)相差較大．致使復(fù)合時遇到困難，加之晶須價格昂貴，使得這類復(fù)合材料發(fā)展緩慢，應(yīng)用有限。④原位復(fù)合材料原位復(fù)合材料是采用定向凝固方法，使液態(tài)金屬和合金在有規(guī)則的溫度梯度場中進(jìn)行冷卻凝固，金屬基體自身析出晶須而得到晶須增強復(fù)合材料，也稱自增強金屬基復(fù)合材料。這類復(fù)合材料與人工合成金屬基復(fù)合材料相比有以下優(yōu)點：

A晶須是在結(jié)晶凝固過程中析出的，兩相界面結(jié)合牢固，界面強度高，同時還避免了人工復(fù)合時潤濕、化學(xué)反應(yīng)和相容性等問題

B由于兩相是在高溫接近熱平衡條件下緩慢生成的，因而具有良好的熱穩(wěn)定性；

C纖維分布均勻，不存在人工復(fù)合時那種纖維難以均勻分布和易受損傷等問題；

D材料易于加工，能直接鑄成所需的結(jié)構(gòu)。用定向凝固方式制成的高溫復(fù)合材料，在性能上超過基體本身，接近共晶溫度時，仍保持很高的強度和抗蠕變性能，是航天工業(yè)和制造燃?xì)鉁u輪的優(yōu)異材料。三、顆粒增強金屬基復(fù)合材料顆粒增強金屬基復(fù)合材料是由一種或多種陶瓷或金屬顆粒作為增強材料與金屬基體組成的先進(jìn)復(fù)合材料。增強顆粒通常為碳化硅、氧化硅、碳化鈦、硼化鈦，有時也用鎢、鋁、鉻等金屬顆粒。顆粒增強金屬基復(fù)合材料的金屬基體種類很多，目前常用的有鋁、鎂、鈦及其合金，以及金屬間化合物。1．碳化硅/鋁復(fù)合材料碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中最早實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的品種。碳化硅/鋁基復(fù)合材料密度僅為鋼的1/3、鈦合金的2/3，與鋁合金的相近。強度比中碳鋼的高，與鋁合金的相近，彈性模量高于鈦合金的彈性模量，比鋁合金的高得多，耐磨性比鋁合金的高一倍，使用最高溫度可達(dá)300~350℃。目前這種材料已批量用于汽車工業(yè)與機械工業(yè)，制造大功率汽車發(fā)動機和柴油發(fā)動機的活塞環(huán)、連桿、剎車片等。還可用于制造火箭、導(dǎo)彈構(gòu)件，紅外及激光制導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件。此外，以超細(xì)碳化硅顆粒增強的鋁基復(fù)合材料還是一種理想的精密儀表用高尺寸穩(wěn)定性材料和精密電子器件的封裝材料。2．碳化鈦/鈦復(fù)合材料碳化鈦顆粒增強鈦合金復(fù)合材料是由10％~25％超硬碳化鈦與鈦合金粉末采用粉末冶金方法復(fù)合而成的。與基體合金相比這種復(fù)合材料強度、彈性模量及抗蠕變性能均明顯提高，使用溫度可達(dá)500℃，可用于制造導(dǎo)彈殼體、導(dǎo)彈尾翼和發(fā)動機零部件。

3.顆粒增強金屬間化合物基復(fù)合材料顆粒增強金屬間化合物基復(fù)合材料有TiB2/NiAl、TiB2／TiAl等，適用溫度高達(dá)800℃以上，目前尚處于實驗研究階段。四、金屬基功能復(fù)合材料1．具有導(dǎo)電功能的復(fù)合材料以銅為基體，加人氧化鋁顆粒利用彌散強化制成的導(dǎo)電新材料，在耐熱性和強度方面均高于基體，而導(dǎo)電性幾乎不下降，因而作為導(dǎo)電材料很快得到應(yīng)用。為提高銅基導(dǎo)線的強度，研究用鋼材代替部分銅，制成高強度鋼-銅基導(dǎo)線。2．具有超導(dǎo)功能的復(fù)合材料超導(dǎo)線的超導(dǎo)性能受其直徑的限制．導(dǎo)線直徑只有小于30μm時才能保證超導(dǎo)性，但直徑為20~30μm的超導(dǎo)線僅可通過幾安的電流，而且這種線很易折斷難以使用，為此研究出將這種導(dǎo)線纖維埋人銅、鋁這樣低電阻金屬中，制成復(fù)合材料再使用的方法。這種復(fù)合材料是將超導(dǎo)纖維埋入銅中經(jīng)擠壓制成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的超導(dǎo)線材。

3．具有智能的復(fù)合材料金屬材料使用中會因產(chǎn)生疲勞龜裂及蠕變而損傷。金屬基智能材料不僅能檢測自身的損傷．還可抑制并且有自修復(fù)功能，從而可確保結(jié)構(gòu)件的使用可靠性。以鋁合金作為金屬基體，以硼顆粒作為復(fù)合劑所制得的復(fù)合材料，在破壞時會發(fā)出聲波，可由聲發(fā)射傳感器接收并查出破壞位置。另一種智能復(fù)合材料是在鉬基金屬內(nèi)復(fù)合氧化鋯顆粒，當(dāng)材料承受載荷，產(chǎn)生裂縫時，在裂縫尖端產(chǎn)生的高應(yīng)力作用下，氧化鋯誘發(fā)相變，由正方晶系的t相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡本档膍相，同時伴隨著體積膨脹，這一膨脹使微裂紋閉合，可抑制裂紋發(fā)展，使材料的斷裂韌度提高。第六節(jié)陶瓷基復(fù)合材料碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳化硅晶須、氧化鋁晶須、碳化硅顆粒和碳化鈦顆粒的加入，使得陶瓷的強度和韌性得到很大改善，應(yīng)用領(lǐng)域也取得突破性的擴展。目前用這些纖維、晶須、顆粒增強的陶瓷基復(fù)合材料主要用來制造人造衛(wèi)星、航天飛機、星際探測器、大型運載火箭和飛機上要求耐高溫、耐沖刷、密度低和強度高的結(jié)構(gòu)件。纖維增強陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基功能復(fù)臺材料1．長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料①碳/陶瓷基復(fù)合材料

用碳纖維與陶瓷組成的復(fù)合材料，具有很高的高溫強度、彈性模量和較高的韌度。碳纖維增強的氮化硅陶瓷可在1400℃下長期工作；碳纖維增強石英陶瓷復(fù)合材料，沖擊韌度比純燒結(jié)石英陶瓷的大40倍、抗彎強度大5~12倍，比強度、比模量均成倍提高，能承受1200~1500℃高溫氣流的沖擊，這類材料主要用來制造噴氣飛機的渦輪葉片。②碳化硅/陶瓷基復(fù)合材料

碳化硅纖維增強的碳化硅陶瓷，與單一碳化硅陶瓷相比，斷裂韌度提高5~6倍，抗彎強度提高50%以上，纖維與基體之間具有良好的結(jié)合性能。該材料已應(yīng)用于噴氣發(fā)動機的噴嘴。③碳/碳復(fù)合材料

Cf/C復(fù)合材料：利用性能優(yōu)異的碳纖維增強的碳基復(fù)合材料。

Cf/C復(fù)合材料的強度和剛度都相當(dāng)好，能承受極高的溫度和加熱速度。當(dāng)溫度升高時，強度不下降反而上升，高溫力學(xué)性能比低溫時還好，其耐熱性遠(yuǎn)勝過所有高溫材料和復(fù)合材料，是目前使用溫度最高的材料。

Cf/C復(fù)合材料的失效為非脆性斷裂，有極好的耐熱沖擊能力，密度非常低，僅為高溫合金的1/4，陶瓷的一半，特別適于作宇航材料。如：固體火箭噴嘴、航天飛機頭罩和前緣、超音速飛機的減速板等。

Cf/C復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性