復(fù)合材料概論個(gè)人整理版(考試專用)

第一章總論1.2復(fù)合材料的定義什么是復(fù)合材料?(CompositionMaterials,Composite)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料＝基體(連續(xù)相)＋增強(qiáng)材料(分散相)1.3復(fù)合材料的命名復(fù)合材料在世界各國還沒有統(tǒng)一的名稱和命名方法，比較共同的趨勢是根據(jù)增強(qiáng)體和基體的名稱來命名，通常有以下三種情況：（1）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)以基體材料的名稱為主如樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)以增強(qiáng)體材料的名稱為主如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料等。（3）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料并用。這種命名方法常用來表示某一種具體的復(fù)合材料，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面。例如：“玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”，或簡稱為“玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料”。碳纖維和金屬基體構(gòu)成的復(fù)合材料叫“金屬基復(fù)合材料”，也可寫為“碳/金屬復(fù)合材料”。碳纖維和碳構(gòu)成的復(fù)合材料叫“碳/碳復(fù)合材料”。國外還常用英文編號(hào)來表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics）表示纖維增強(qiáng)塑料，而玻璃纖維/環(huán)氧則表示為GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)1.4復(fù)合材料的分類按增強(qiáng)材料形態(tài)分類：連續(xù)纖維復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料、粒狀填料復(fù)合材料、編織復(fù)合材料、其他:層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體按增強(qiáng)纖維種類分類：玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料、金屬纖維復(fù)合材料、陶瓷纖維復(fù)合材料、混雜復(fù)合材料。按基體材料分類：聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料按材料作用分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、基體材料和增強(qiáng)體材料、功能復(fù)合材料同質(zhì)復(fù)合材料：增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料。異質(zhì)復(fù)合材料：前面提及的復(fù)合材料多屬此類。1.5復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的特點(diǎn)：1.可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能；2.可按對(duì)材料性能的需要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和制造；3.可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品。復(fù)合材料性能的影響因素：取決于增強(qiáng)相的性能、含量及分布狀況，基體相的性能、含量，以及它們之間的的界面結(jié)合、成型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。聚合物基復(fù)合材料的主要性能（１）比強(qiáng)度大、比模量大；（２）耐疲勞性能好；（３）減震性好；（４）過載時(shí)安全性好；（3）聚合物的耐蝕性能復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性能與樹脂的類別、性能、含量（尤其是表面）有很大的關(guān)系。（4）聚合物的介電性能聚合物具有良好的電絕緣性能。一般而言，樹脂大分子的極性越大，則介電常數(shù)越大、電阻率越小、擊穿電壓越小、介質(zhì)損耗角越大，材料的介電性能越差。（5）聚合物的其他物理性能2.3.3熱固性樹脂1．不飽和聚酯樹脂由飽和二元酸、不飽和二元酸與二元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的線型預(yù)聚體。a.結(jié)構(gòu)特征飽和二元酸結(jié)構(gòu)不飽和二元酸結(jié)構(gòu)b.固化交聯(lián)劑——乙烯、苯乙烯、丁二烯等單體。引發(fā)劑——過氧化物。促進(jìn)劑——苯胺類和有機(jī)鈷。c.固化特點(diǎn)固化是一放熱反應(yīng)，其過程可分為三個(gè)階段：膠凝階段（2）硬化階段（3）完全固化階段d.特點(diǎn)（1）粘度低，工藝性好。（2）綜合性能好，價(jià)廉，用量約占80%（3）苯乙烯等揮發(fā)大有毒，體積收縮大，耐熱性、強(qiáng)度和模量較低。（4）一般不與高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合，與玻璃纖維復(fù)合制作次受力件。2．環(huán)氧樹脂a.雙酚型通式：線性預(yù)聚體通式：線性預(yù)聚體雙酚型環(huán)氧含硬性苯環(huán),鏈剛性較高,只能用聚合度低的樹脂。耐熱性好,強(qiáng)度高,韌性差。固化特點(diǎn)：環(huán)氧活性基都在鏈兩端，固化交聯(lián)度不高。b.非雙酚型鏈內(nèi)含有環(huán)氧基,交聯(lián)密度高,結(jié)合強(qiáng)度及耐熱性均提高。三聚氰酸環(huán)氧含三氮雜環(huán)，有自熄性，耐電弧性好。c.胺基環(huán)氧結(jié)構(gòu)中含高極性的酰胺鍵（-NHCO-），粘結(jié)性好，力學(xué)性能較高；但耐水性差，電性能有所下降。d.脂環(huán)族環(huán)氧結(jié)構(gòu)中不含苯環(huán)，含脂環(huán)，穩(wěn)定性更高，熱學(xué)性能好，耐紫外線，不易老化。粘度低，工藝性好。e.脂肪族環(huán)氧——高韌性環(huán)氧無六環(huán)狀硬性結(jié)構(gòu)，沖擊韌性好，但與纖維結(jié)合力較差。環(huán)氧樹脂固化：環(huán)氧樹脂分子中都含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，可與多種固化劑交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。常用固化劑：二元胺類、二元酸酐類。若選用芳香族胺或咪唑類固化劑，強(qiáng)度及耐熱性可進(jìn)一步提高，但沖擊韌性會(huì)有一定的影響。環(huán)氧樹脂特點(diǎn)：（1）粘附力好，韌性較好，收縮率低。復(fù)合材料強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定。（2）電性能好。介電強(qiáng)度高，耐電弧優(yōu)良的絕緣材料。（3）耐酸堿耐溶劑性強(qiáng)。（4）熱穩(wěn)定性良好。3．酚醛樹脂酚/醛<0.9，堿催化可得體型熱固性樹脂。固化：（1）加熱固化（2）加固化劑，如六次甲基四胺或有機(jī)酸。堿性固化劑仍需加熱，酸性固化劑可室溫固化。特點(diǎn)：耐熱性高，可達(dá)315℃改性：（1）引入柔性鏈。如：聚乙烯醇縮丁醛（2）降低樹脂中-OH基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高電性能。（3）硼酸改性酚。吸水性、耐熱性、脆性和電學(xué)性能均提高。2.3.4熱塑性樹脂與熱固性聚合物相比：（1）力學(xué)性能、耐熱性、抗老化性等較差。（2）工藝簡單、周期短、成本低、密度小、應(yīng)用廣。柔性無極性鏈。與纖維浸潤性、結(jié)合力較差。復(fù)合增強(qiáng)效果有限。原料來源廣泛，價(jià)格低，普通民用。2.聚酰胺（尼龍）鏈中含大量酰胺基，鏈間以氫鍵連接。結(jié)合力強(qiáng)，強(qiáng)度高，耐磨性好，化學(xué)穩(wěn)定性好。使用溫度<100℃，吸水率高。常用品種：尼龍6、66、1010、610等。3.聚碳酸酯剛性苯環(huán)，Tm=225～250℃,Tg=145℃4.聚砜以砜和苯環(huán)連結(jié)成硬性鏈，可在100～150℃下長期使用，Tg>200℃；S+6處于最高價(jià)，抗氧化，耐輻射；抗蠕變，尺寸穩(wěn)定。成型溫度太高，達(dá)300第三章復(fù)合材料的增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)，均稱為增強(qiáng)材料。3.1玻璃纖維（GlassFibre）3.1.1概述3.1.2玻璃纖維的分類以玻璃原料成分分類：有堿玻璃纖維ANa-Ca-Si系普通玻璃（Na2O>15%）中堿玻璃纖維Na2O(10.5～12.5%)用量少無堿玻璃纖維ECa-Al-B-Si系用量大高強(qiáng)玻璃纖維SMg-Al-Si系或B2O3系高彈玻璃纖維MS系中加入BeO以單絲直徑分類：粗纖維30μm無捻粗紗、無紡布初級(jí)纖維20μm短切纖維、纖維氈中級(jí)纖維10～20μm高級(jí)纖維3～10μm紡織超細(xì)纖維<4μm以纖維外觀分類：無捻粗砂、有捻粗砂、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉、磨細(xì)纖維等以纖維特性分類：高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維3.1.2玻璃纖維的性能1.力學(xué)性能a.抗拉強(qiáng)度：比塊玻璃高一個(gè)數(shù)量級(jí)；直徑d↘，強(qiáng)度↗；長度↗，強(qiáng)度↘。b.彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的1/3倍。因密度低～2.5，比模量高。c.斷裂延伸率：低～3%

2.熱學(xué)性能a.導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱系數(shù)比塊玻璃低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。b.耐熱性：普通Na-Ca-Si玻纖<500℃耐熱玻纖(石英，高硅氧)可達(dá)2000℃3.電性能堿玻璃電絕緣性差，隨溫度、濕度↗，絕緣性↘。無堿玻璃電絕緣性好。4.耐蝕性纖維比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性差。加入網(wǎng)絡(luò)形成體可改善耐蝕性。a.無堿玻璃耐水性好。b.中堿玻璃耐酸性好。c.無堿和中堿玻纖耐堿性相近。3.1.3玻璃纖維的制備→制玻璃球→鉑金坩堝熔融→小漏孔拉絲（102、204、408孔）→涂浸潤劑→并股成紗→紡織成布、氈或帶。浸潤劑作用：使纖維柔順，防止磨損。常用的有：石蠟乳液復(fù)合前須清除聚醋酸乙烯酯不必清除改性有機(jī)硅類不必清除3.2碳纖維（CarbonFibre）3.2.1概述由有機(jī)纖維經(jīng)高溫固相反應(yīng)（脫氫、交聯(lián)、環(huán)化、石墨化）而得，主要成分為碳的無機(jī)纖維。具有重量輕、強(qiáng)度高、模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小、自潤滑、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。由于價(jià)格高，一般用于要求高強(qiáng)、耐高溫的重要結(jié)構(gòu)件，如航天航空、高檔體育器材中。3.2.2碳纖維的分類根據(jù)碳纖維的性能分類：分高強(qiáng)、高模、中模和低性能碳纖維聚丙烯腈基纖維高、中性能碳纖維人造絲基(粘膠)纖維瀝青基纖維低性能碳纖維；其它(多環(huán)結(jié)構(gòu)的天然纖維)根據(jù)原絲類型分類：（1）聚丙烯腈基纖維；（2）粘膠基碳纖維；（3）瀝青基碳纖維；（4）木質(zhì)素纖維基碳纖維；（5）其他有機(jī)纖維基(各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)碳纖維。根據(jù)碳纖維功能分類：（1）受力結(jié)構(gòu)用碳纖維（2）耐焰碳纖維（3）活性碳纖維(吸附活性)（4）導(dǎo)電用碳纖維（5）潤滑用碳纖維（6）耐磨用碳纖維3.2.3碳纖維的制造（1）碳化法——生產(chǎn)長纖維拉絲：濕法、干法或熔融狀態(tài)；牽伸：100～300℃；穩(wěn)定：400℃加熱氧化；碳化：1000～2000℃；石墨化：2000～3000（2）氣相法——生產(chǎn)短纖維在惰性氣氛中小分子有機(jī)物（如烴或芳烴等）在高溫下沉積成纖維。3.2.4碳纖維的性能1.力學(xué)性能（1）強(qiáng)度約為GF的2倍。（2）模量約為GF的3～5倍。（3）密度低1.7～2，所以比強(qiáng)度、比模量高。（4）斷裂延伸率0.5～2%。2.熱學(xué)性能：升華溫度高達(dá)3800℃，耐高溫性好。熱膨脹系數(shù)小，縱向?yàn)樨?fù)。3.物理性能：導(dǎo)熱、導(dǎo)電、自潤滑。4.化學(xué)性能：耐酸堿性強(qiáng)，高溫抗氧化性差。C纖維電極電位為正,與金屬復(fù)合易引起電化學(xué)腐蝕。3.3芳綸纖維（Kevlar,KF）高強(qiáng)度有機(jī)纖維，由對(duì)苯二酰與對(duì)苯二胺縮聚而成。結(jié)構(gòu)與尼龍相似，含大量的高極性酰胺鍵，但含苯環(huán)硬性鏈。3.3.1芳綸纖維的性能1.力學(xué)性能（1）拉伸強(qiáng)度高。（2）沖擊性能好，GF>KF>CF。（3）彈性模量高，CF>KF>GF。（4）斷裂延伸率在3%左右。（5）密度小1.44~1.45，比強(qiáng)度和比模量高。2.熱學(xué)性能：長期使用<200℃3.化學(xué)性能：耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。3.3.2應(yīng)用航天航空：溫度不高的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)受力件；軍事：防彈器件；民用：如造船業(yè)、汽車、體育用品繩索。3.4其他纖維3.4.1碳化硅纖維（SiliconCarbideFibre，SF）SF的制造主要有化學(xué)氣相沉積法和燒結(jié)法。高強(qiáng)度、高模量,耐高溫、耐腐蝕、耐輻射。可用于要求耐熱的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，主要與金屬基和陶瓷基復(fù)合。3.4.2硼纖維（BoronFibre，BF）氣相法將B沉積在W絲或C纖維表面而得。高強(qiáng)度、高模量、密度小，相容性好。主要用于金屬和樹脂增強(qiáng)。3.4.3氧化鋁纖維（AluminiaFibre，AF）熔融垂直拉單晶的方法制備，價(jià)貴。具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性。不足之處是密度大3.20g/cm3。主要用于金屬基增強(qiáng)。3.4.4晶須：陶瓷晶須、金屬晶須是目前強(qiáng)度最高的品種，接近理論強(qiáng)度，比相應(yīng)的長纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)。復(fù)合增強(qiáng)效果不及長纖維，只能作為補(bǔ)強(qiáng)劑使用。價(jià)貴，用量有限。①纖維的柔韌性及斷裂各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈服碳纖維和玻璃纖維幾乎就是理想的脆性斷裂，斷裂時(shí)不發(fā)生截面積的縮小。②比性能比強(qiáng)度和比模量是纖維性能的一個(gè)重要指標(biāo)。③熱穩(wěn)定性纖維的熱穩(wěn)定性與熔點(diǎn)有關(guān)。一般來講，材料的熔點(diǎn)越高，熱穩(wěn)定性就越好。在沒有空氣和氧氣的條件下，碳纖維具有非常好的耐高溫性能。第四章復(fù)合材料的界面4.1概述復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)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，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)。（1）傳遞效應(yīng)（2）阻斷效應(yīng)（3）不連續(xù)效應(yīng)（4）散射和吸收效應(yīng)（5）誘導(dǎo)效應(yīng)4.2典型界面結(jié)合4.2.1物理結(jié)合（機(jī)械咬合+次價(jià)鍵結(jié)合）液態(tài)基體滲入纖維表面微孔，固化后形成咬合界面。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理結(jié)合。極性樹脂如：酚醛、聚酰胺、環(huán)氧等，與極性纖維具有良好的潤濕性，并可形成次價(jià)鍵結(jié)合。非極性樹脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，結(jié)合力弱，復(fù)合效果差。CF表面極性差，經(jīng)氧化后可提高結(jié)合力?？傊何锢斫Y(jié)合是一種比較弱的結(jié)合方式。樹脂基復(fù)合材料若不經(jīng)特殊處理，多為物理結(jié)合。金屬基部分以物理方式結(jié)合。陶瓷基幾乎不以這種方式結(jié)合。4.2.2擴(kuò)散融合兩相成分不同，經(jīng)擴(kuò)散或熔融形成過渡層，性質(zhì)介于兩相之間，結(jié)合力較強(qiáng)。金屬與陶瓷基復(fù)合溫度較高，小分子和原子易于擴(kuò)散，較常見。4.2.3化學(xué)結(jié)合化學(xué)鍵結(jié)合力強(qiáng)。但當(dāng)兩相親合力過強(qiáng)，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，界面形成較厚的脆性化合物時(shí)，性能反而下降。樹脂基復(fù)合材料：為提高兩相的潤濕性和結(jié)合力，通常采用偶聯(lián)劑處理纖維表面，或?qū)⑴悸?lián)劑直接加到液態(tài)樹脂中，以便形成化學(xué)鍵結(jié)合。金屬與陶瓷基復(fù)合材料：化學(xué)鍵結(jié)合常見。多數(shù)情況在界面上形成化合物層，脆性大，對(duì)力學(xué)性能不利。尤其是高溫使用的材料，應(yīng)防止界面反應(yīng)。4.3增強(qiáng)材料的表面處理為改善纖維表面的浸潤性，提高界面結(jié)合力，對(duì)纖維進(jìn)行的預(yù)處理——表面改性。要點(diǎn)：不同的復(fù)合體系應(yīng)采用不同的處理方法。樹脂基——提高化學(xué)結(jié)合金屬及陶瓷基——抑制界面反應(yīng)4.3.1玻璃纖維GF成分為SiO2，表面吸水后成-OH，可與含-OH、－COOH、-Cl的偶聯(lián)劑反應(yīng)成醚鍵結(jié)合。偶聯(lián)劑通式：R-M–XM——中心離子Cr3+、Si4+、Ti3+等高價(jià)金屬離子。R——可與聚合物交聯(lián)的基團(tuán)。如不飽和雙鍵、氨基、環(huán)氧、巰基等。X——可與玻纖表面醚化的活性基團(tuán)。如：-Cl、-OH、-COOH、-OCH3、-OC2H5。表面處理劑處理玻璃纖維的方法：Ⅰ前處理法——增強(qiáng)型浸潤劑Ⅱ后處理法——國內(nèi)外普遍采用的處理方法。Ⅲ遷移法4.3.2碳纖維氧化法——提高表面粗糙度和極性。沉積法——CVD沉積碳晶須。電聚合法——接枝高分子支鏈。4.3.3芳綸等有機(jī)纖維等離子處理，使苯環(huán)氧化成-COOH、-OH、OOH等；或接枝聚合生成高分子支鏈。4.3.4與金屬基復(fù)合的纖維目的：提高浸潤性，抑制界面反應(yīng)。CF、BF與金屬反應(yīng)活性高，化學(xué)相容性差；氮化物、碳化物纖維反應(yīng)活性較低；Al2O3反應(yīng)活性最低。措施：（1）降低復(fù)合溫度，減少高溫停留時(shí)間。（2）涂覆隔離層。如CF、BF表面涂SiC。（3）鍍覆金屬層，改善浸潤性。如Al2O3纖維鍍Cu、Ni等。第五章聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料是以有機(jī)聚合物為基體，連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料組合而成。聚合物基復(fù)合材料的性能：1.具有較高的比強(qiáng)度和比模量2.抗疲勞性能好3.減震性能好4.高溫性能好5.安全性好6.可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡單5.1.1玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料（GFRP）GFRP俗稱玻璃鋼。根據(jù)基體種類不同，GFRP分成三類：（1）環(huán)氧玻璃鋼（2）酚醛玻璃鋼（3）聚酯玻璃鋼GFRP的特點(diǎn)：（1）比重小(1.6～2.0)、比強(qiáng)度高；（2）良好的耐蝕性；（3）良好的絕緣性；（4）不受電磁作用的影響；（5）保溫、隔熱、隔音、減震等。其缺點(diǎn)是剛性差、耐熱性差、導(dǎo)熱性差、易老化。（1）環(huán)氧玻璃鋼綜合力學(xué)性能最好，耐蝕性好；粘度大，加工困難。（2）酚醛玻璃鋼耐熱性最好，<350℃長期使用，短期可達(dá)1000℃（3）聚酯玻璃鋼加工性能最好，低粘度，可室溫固化，價(jià)低，用量占80%；固化收縮大，耐酸堿性差。5.1.2玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（FR-TP）FR-TP的特點(diǎn)：（1）比重最輕1.1～1.6；（2）抗蠕變性明顯提高；（3）熱學(xué)性能大大改善>50%；（4）尺寸穩(wěn)定性提高。5.1.3高強(qiáng)度、高模量纖維增強(qiáng)塑料高強(qiáng)度、高模量纖維增強(qiáng)塑料的特點(diǎn)：（1）比重輕、強(qiáng)度高、模量高和低的熱膨脹系數(shù)；（2）加工工藝簡單；（3）價(jià)格昂貴。1.碳纖維增強(qiáng)塑料強(qiáng)度、剛度、耐熱性均好；粘結(jié)性差，且各向異性，價(jià)貴。2.芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料有壓延性、與金屬相似；耐沖擊、耐疲勞、抗震。3.硼纖維增強(qiáng)塑料突出優(yōu)點(diǎn)是剛度好，高強(qiáng)高模纖維增強(qiáng)塑料中性能最好；價(jià)貴。4.碳化硅纖維增強(qiáng)塑料：突出優(yōu)點(diǎn)是與樹脂相容性好。5.2聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.2.1概述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件：（1）結(jié)構(gòu)性能要求①結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全；②提供裝置各種配件、儀器等附件的空間；③隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護(hù)內(nèi)部物體。（2）載荷情況①靜載荷—強(qiáng)度，剛度②沖擊載荷—抗沖擊強(qiáng)度③交變載荷—疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命（3）環(huán)境條件①力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動(dòng)、聲音等；②物理?xiàng)l件：壓力、溫度、濕度等；③氣象條件：風(fēng)雨、冰雪、日光等；④大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等。條件①和②主要影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，條件③和④主要影響結(jié)構(gòu)的腐蝕、磨損、老化等。（4）結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性結(jié)構(gòu)可靠性分析可分為結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度可靠性和結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠性?？偝杀咀畹蜁r(shí)（即經(jīng)濟(jì)性最好）的可靠性為最合理。5.2.2材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)，指選用幾種原材料（基體材料和增強(qiáng)材料）組合制成具有所要求性能的材料的過程。材料設(shè)計(jì)包括原料選擇、單層設(shè)計(jì)和層合板設(shè)計(jì)。1.原料選擇（1）原材料選擇原則①比強(qiáng)度、比剛度高；②材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)；③滿足結(jié)構(gòu)特殊性要求；④滿足工藝性要求；⑤成本低、效益高。（2）纖維選擇選擇纖維時(shí)，首先要確定纖維的類別，其次要確定纖維的品種規(guī)格。①高強(qiáng)度，高剛度高性能CF、BF②高抗沖擊GF、KF③低溫性能CF④尺寸穩(wěn)定KF、CF⑤透波，吸波GF、KF、Al2O3（3）樹脂選擇目前可供選擇的樹脂主要有兩類：一類為熱固性樹脂，另一類為熱塑性樹脂。樹脂的選擇按如下要求選?。孩倌茉诮Y(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作；②具有一定的力學(xué)性能；③斷裂伸長率大于或接近纖維斷裂伸長率；④具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能；⑤具有一定的工藝性。①受力結(jié)構(gòu)件首選熱固性樹脂，大量使用、連續(xù)擠壓次受力件可選熱塑性樹脂（如建筑裝飾）；②<150℃③150～400℃,聚酰亞胺或雙馬來酰亞胺樹脂；④內(nèi)裝飾件，酚醛樹脂（阻燃性好）。2.單層設(shè)計(jì)目的：為層合板設(shè)計(jì)提供依據(jù)——強(qiáng)度、剛度。一般過程：確定復(fù)合比→性能預(yù)測→實(shí)驗(yàn)校核（1）確定復(fù)合比復(fù)合比一般是根據(jù)單層的承力性質(zhì)或單層的使用性能選取的。（2）剛度預(yù)測與核定理論推測，實(shí)驗(yàn)核定。（3）強(qiáng)度預(yù)測與核定橫向強(qiáng)度預(yù)測困難，以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)?？v向拉伸強(qiáng)度(纖維延伸率小，首先斷裂)4.層合板設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定鋪層取向，鋪層順序，層合厚度。鋪設(shè)技術(shù)要點(diǎn)：①對(duì)稱鋪設(shè)：與主應(yīng)力方向、厚度中心對(duì)稱。②均勻鋪設(shè)：相鄰層間角盡可能小，以防內(nèi)應(yīng)力過大。③最小鋪設(shè)比例>6～10%。④邊緣包層。⑤沖擊載荷區(qū)以0o層承載，±45o層分散應(yīng)力均衡負(fù)荷。⑥厚度變化區(qū)以階梯過渡。5.2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則（1）按使用載荷設(shè)計(jì)、按設(shè)計(jì)載荷校核；（2）使用載荷——使用許用值，設(shè)計(jì)載荷——設(shè)計(jì)許用值；（3）復(fù)合材料失效準(zhǔn)則只適用于單層；（4）無剛度要求，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和平均值；有剛度要求則需要選取B基準(zhǔn)值。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的工藝性要求工藝性包括構(gòu)件的制造工藝性和裝配工藝性。3.許用值與安全系數(shù)的確定許用值包括使用許用值和設(shè)計(jì)許用值。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在保證安全的條件下，應(yīng)盡可能降低安全系數(shù)。設(shè)計(jì)值=安全系數(shù)×使用值安全系數(shù)選取：?玻璃纖維2～3?高強(qiáng)度纖維1.5～2?民用取上限，軍事用途可取低些。4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的其他因素復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除要考慮強(qiáng)度和剛度、穩(wěn)定性、連接接頭設(shè)計(jì)等以外，還需考慮熱應(yīng)力、防腐蝕、防雷擊、抗沖擊等因素。5.4聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用5.4.1GFRP的應(yīng)用GFPR在石油化工工業(yè)、建筑業(yè)、造船業(yè)、鐵路運(yùn)輸、汽車制造業(yè)、冶金工業(yè)、宇航工業(yè)等都有廣泛應(yīng)用。第六章金屬基復(fù)合材料6.1金屬基復(fù)合材料的種類和基本性能與下列材料相比：?金屬及合金高的比強(qiáng)度，比剛度?聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐熱性好?陶瓷材料高韌性和高沖擊強(qiáng)度6.1.1金屬基復(fù)合材料的種類1.按基體分類鋁基復(fù)合材料ρ=2.7f.c.c.Tm=660℃鎳基復(fù)合材料ρ=8.9f.c.c.Tm=1453℃鈦基復(fù)合材料ρ=4.5h.c.p.(b.c.c.)Tm=1668℃，更高的比強(qiáng)度，比模量，耐腐蝕。(Tα/β=883鎂基復(fù)合材料ρ=1.7h.c.pTm=649℃2.按增強(qiáng)體分類顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料體積比>20%，粒徑、粒間距>1μm。層狀增強(qiáng)復(fù)合材料與大尺寸增強(qiáng)物的性能接近，增強(qiáng)物缺陷成為裂紋核心。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料各向異性?；w性能對(duì)橫向影響大。6.1.2金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的性質(zhì)對(duì)纖維狀增強(qiáng)體性能的要求如下：?高強(qiáng)度；?高模量；?容易制造和價(jià)格低廉；?化學(xué)穩(wěn)定性好；?纖維的尺寸和形狀；?性能的再現(xiàn)性與一致性；?抗損傷或抗磨損性能。以上各種纖維各有不足：W、Mo絲：密度高Be絲：價(jià)很高GF：與金屬相容性不好Al2O3：提拉子晶，價(jià)高，對(duì)磨損敏感C纖維：細(xì)紗難浸潤，與多數(shù)金屬反應(yīng)，抗折性差B纖維：以W或C絲作底，CVD沉積，價(jià)高SiC和B4C：以W或C絲作底，CVD沉積，價(jià)高，對(duì)表面磨損敏感6.1.3金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度1.縱向強(qiáng)度復(fù)合材料強(qiáng)度同組分性能間的關(guān)系可用如下的公式表示：當(dāng)弱纖維斷裂時(shí)，引起三種重要的變化：?由于破斷纖維失去強(qiáng)度，而使該處截面上的強(qiáng)度降低。?破斷纖維裂紋周圍的靜應(yīng)力集中會(huì)降低材料的有效強(qiáng)度。?破斷纖維失去載荷時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力波會(huì)使復(fù)合材料受到?jīng)_擊，從而降低該處橫面上的瞬時(shí)承載能力。2.橫向強(qiáng)度在預(yù)測橫向模量值時(shí)，所采用的假設(shè)如下：?兩組元在達(dá)到斷裂應(yīng)力前都是線彈性的；?界面結(jié)合是完好的；?纖維排列是規(guī)則的。由此可以推導(dǎo)出材料的橫向剛度E22和復(fù)合材料橫向平面泊松比如下：6.1.4復(fù)合材料組分的相容性物理相容性問題一般都和壓力變化，或熱變化時(shí)反映材料伸縮性能的材料常數(shù)有關(guān)。化學(xué)相容性問題主要與復(fù)合材料加工過程中的界面結(jié)合、界面化學(xué)反應(yīng)以及環(huán)境的化學(xué)反應(yīng)等因素有關(guān)。6.3鋁基復(fù)合材料6.3.1鋁基復(fù)合材料的特點(diǎn)大型運(yùn)載工具的首選材料。如波音747、757、767常用：B/Al、C/Al、SiC/Al6.3.2硼鋁復(fù)合材料1.增強(qiáng)纖維對(duì)增強(qiáng)纖維的主要要求是比模量高、比強(qiáng)度高、性能重復(fù)性好、價(jià)格低以及易于制造成復(fù)合材料。硼纖維是用化學(xué)氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制成的。由于硼纖維的表面具有高的殘余壓縮應(yīng)力，因此纖維易操作處理，并對(duì)表面磨損和腐蝕不敏感，這是硼纖維的一項(xiàng)很有意義的特性。此外，硼纖維還具有良好的高溫性能。2.基體鋁合金具有良好的綜合性能。目前普遍使用的鋁合金有變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結(jié)鋁等。其中最普遍的是采用變形鋁為基體用固態(tài)熱壓法制得的復(fù)合材料。6.3.3機(jī)械性能1.彈性模量硼鋁復(fù)合材料的縱向彈性模量E11，可用混合定則公式相當(dāng)精確地計(jì)算即E11=EF·VF+EM·VM式中F和M表示纖維和基體，V表示體積百分比。橫向彈性模量的關(guān)系較為復(fù)雜，但理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值符合。2.強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變特性（1）軸向拉伸硼-鋁復(fù)合材料的軸向拉伸特性取決于增強(qiáng)纖維的性能和復(fù)合材料的纖維含量。復(fù)合材料軸向強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變受纖維性能制約。硼鋁復(fù)合材料具有很高的抗拉強(qiáng)度，這主要是由于增強(qiáng)纖維的抗拉強(qiáng)度高。硼鋁復(fù)合材料軸向抗拉強(qiáng)度還隨溫度的變化而變化。（2）橫向拉伸在構(gòu)件中所用的硼-鋁復(fù)合材料的橫向拉伸性能是重要的考慮因素。復(fù)合材料的橫向性能對(duì)基體和纖維兩者的性能都是敏感的。所有硼-鋁復(fù)合材料的橫向拉伸特性可以根據(jù)斷口的形貌分為三種常見的類型。?基體破裂?基體破裂和縱向纖維劈裂；?基體破裂和纖維-基體界面破裂。3.蠕變及持久強(qiáng)度在500oC以下，單向增強(qiáng)硼－鋁復(fù)合材料的軸向蠕變和持久強(qiáng)度超過目前所有的工程合金。這是由于硼纖維特殊的抗蠕變性能所致。硼纖維直到650oC測不到蠕變，其815oC的蠕變率仍大大低于冷拉鎢絲。4.缺口拉伸強(qiáng)度及斷裂韌性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的斷裂過程比單一材料復(fù)雜，它是各向異性和不均勻性復(fù)雜作用的結(jié)果。硼－鋁復(fù)合材料的缺口不敏感性和斷裂韌性是突出的，研究中觀察到兩種缺口鈍化機(jī)理。6.4鎳基復(fù)合材料?熔點(diǎn)高，耐氧化性好，使用溫度可達(dá)1000℃?BF、CF耐氧化性差，多選用α-Al2O3晶須。?制備方法：熱壓法、液態(tài)滲透法、粉末冶金法。?為提高潤濕性，可使晶須表面金屬化。如濺射或電鍍。6.5鈦基復(fù)合材料鈦及其合金是比強(qiáng)度、比剛度最好的基材，耐蝕性和耐高溫性也很好，易做耐熱件。（低于相變溫度）但鈦薄難制，化學(xué)活性高，與C纖維和B纖維反應(yīng)生成TiC和TiB2白亮層。解決辦法：?高速工藝——縮短高溫停留時(shí)間?低溫工藝——830℃?表面包覆——涂SiC?合金化——提高基體穩(wěn)定性6.6石墨纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料C纖維具有很好的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和自潤滑性能，價(jià)格也較B纖維有優(yōu)勢，應(yīng)用前景光明。1.存在問題?浸潤性差，難滲透。?易曲折，熱壓難。?相容性差。?電偶腐蝕。2.解決方法?電鍍Ta、Ni、Ag包覆。?涂覆SiC、TiC、B4C等。?壓滲法。?復(fù)合纖維制備。6.7自增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料原位生長晶須。采用控制熔體冷凝速度，在金屬基體內(nèi)生長出晶須。如：Al基：Al2O3、AlN；Ti基：TiN、TiC優(yōu)點(diǎn)：?增強(qiáng)纖維分布均勻?基體與纖維結(jié)合力強(qiáng)?熱穩(wěn)定性好?易于加工，直接鑄造成型6.8金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用1.纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要性能特點(diǎn)是比強(qiáng)度、比模量和高溫性能好等。特別適用于航空航天工業(yè)中應(yīng)用，如航天飛機(jī)主艙骨架支柱、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、尾翼、空間站結(jié)構(gòu)材料。在汽車結(jié)構(gòu)、保險(xiǎn)杠、活塞連桿，自行車(賽車)車架以及體育運(yùn)動(dòng)其它器械上也得到了應(yīng)用。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，如硼纖維增強(qiáng)鋁、碳化硅纖維增強(qiáng)鈦、鎢絲增強(qiáng)高溫合金以及高溫定向凝固共晶復(fù)合材料，常作為航空航天動(dòng)力結(jié)構(gòu)材料，像發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，一般需要在高溫下能長時(shí)間經(jīng)受應(yīng)力作用，因此FRMMc的蠕變與疲勞性能是其重要性能。2.顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用顆粒及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是目前應(yīng)用范圍最廣，開發(fā)前景最大的一種金屬基復(fù)合材料。這類復(fù)合材料的金屬基大多數(shù)是采用密度較低的鋁、鎂和鐵合金，以便提高復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，其中較為成熟、應(yīng)用較多的是鋁基復(fù)合材料。這類復(fù)合材料所采用的增強(qiáng)材料為碳化硅、碳化硼、氧化鋁顆粒或晶須，其中以SiC為主。顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料除了用于軍事工業(yè)，如制造輕質(zhì)裝甲、導(dǎo)彈飛翼和直升機(jī)部件外，主要用于汽車工業(yè)，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸活塞、噴油咀部件、制動(dòng)裝置等。第七章陶瓷基復(fù)合材料7.1陶瓷基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體1．陶瓷基復(fù)合材料的基體常用的陶瓷基體主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。目前研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，它們具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、重量輕和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。氧化物——主要由離子鍵結(jié)合，也有一定成分的共價(jià)鍵。其結(jié)構(gòu)取決于結(jié)合鍵類型、各種離子的大小以及在極小空間保持電中性的要求。陶瓷最重要的氧化物是幾種簡單類型的氧化物AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等（A，B表示陽離子）。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：氧離子（一般比陽離子大）進(jìn)行緊密排列、金屬陽離子位于一定的間隙中，最重要的是四面體和八面體間隙。Al2O3（剛玉）典型的純氧化物陶瓷。有較高室溫和高溫強(qiáng)度。ZrO2使用溫度達(dá)2000～2200℃，主要用作耐火坩鍋，反應(yīng)堆的絕緣材料，金屬表面的防護(hù)涂層等。有三種晶型：立方結(jié)構(gòu)（C相）、四方結(jié)構(gòu)（t相）和單斜結(jié)構(gòu)（m莫來石（3Al2O3·2SiO2~2Al2O3·SiO2)，一般1550～1600℃燒成，純的莫來石要在1750℃尖晶石（AR2O4，A代表二價(jià)元素離子，R代表三價(jià)元素），典型的有鎂鋁尖晶石。非氧化物——主要由共價(jià)鍵結(jié)合而成，也有一定的金屬鍵成分。Si3N4為共價(jià)鍵化合物。BN有兩種晶型：六方BN結(jié)構(gòu)，性能與石墨相似，因此有白石墨之稱。HBN硬度不高，是唯一易于機(jī)械加工的陶瓷。高溫（1500～2000℃)高壓（6~9×103MPa）下可轉(zhuǎn)化為立方BN(CBN）。CBNB4C屬于六方晶系。重量輕，硬度高（50GPa，僅次于金剛石），耐磨性好，熱穩(wěn)定性好，耐酸，耐堿性。TiC結(jié)晶為面心立方晶格（NaCl型)。晶格常數(shù)為0.4319nm，密度為4.93～4.9g·cm-3，熔點(diǎn)為3160～3250℃，1.15K時(shí)TiC呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，TiC莫氏硬度9～10，彈性模量322MPaTiN硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好，具有金黃色光澤，是一種很好的耐火耐磨材料及代金裝飾材料。另具有導(dǎo)電性，及較高的超導(dǎo)臨界溫度，是一種優(yōu)良的超導(dǎo)材料。MoSi2是介于無機(jī)非金屬與金屬間化合物之間的材料，結(jié)合方式為共價(jià)鍵與金屬鍵。熔點(diǎn)2030℃，800℃以上發(fā)生氧化反應(yīng)形成2．陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)體陶瓷基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，通常也稱為增韌體。從幾何尺寸上增強(qiáng)體可分為纖維(長、短纖維)、晶須和顆粒三類。纖維增強(qiáng)體：常用的有碳纖維、玻璃纖維、硼纖維等。晶須增強(qiáng)體：常用的有SiC、Al2O3及Si3N4等。顆粒增強(qiáng)體：常用的有SiC、Si3N4等。7.2陶瓷基復(fù)合材料的成型加工技術(shù)陶瓷基復(fù)合材料的制造方法分傳統(tǒng)的制備技術(shù)和新的制備技術(shù)。傳統(tǒng)技術(shù)包括冷壓-燒結(jié)法、反應(yīng)燒結(jié)法、熱壓法等。新技術(shù)如滲透、直接氧化、以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的CVD、CVI、溶膠-凝膠、聚合物熱解、自蔓延高溫合成（SHS）等。7.3陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì)1.界面的特點(diǎn)陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。2.界面的作用陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。3.界面性能的改善為獲得最佳的界面結(jié)合強(qiáng)度，希望完全避免界面反應(yīng)或盡量降低界面間的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。因此，經(jīng)常采用涂層的方法限制界面反應(yīng)的發(fā)生，防止界面結(jié)合過強(qiáng)和脆性界面層的形成。4.增韌機(jī)理顆粒增韌非相變第二相顆粒增韌假設(shè)第二相顆粒與基體不存在化學(xué)反應(yīng)，熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場是陶瓷得到增韌的主要根源之一。延性顆粒增韌在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷裂韌性，其增韌機(jī)理包括由于裂紋尖端形成的塑性變形區(qū)導(dǎo)致裂紋尖端屏蔽以及由延性顆粒形成的延性裂紋橋。研究表明當(dāng)基體與延性顆粒的α、E相等時(shí)，利用延性裂紋橋可達(dá)最佳增韌效果。但當(dāng)a和E值相差足夠大時(shí)，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)繞過金屬顆粒，增韌效果較差。納米顆粒增強(qiáng)增韌將納米顆粒加入到陶瓷中時(shí)，材料的強(qiáng)度和韌性大大改善。增強(qiáng)顆粒與基體顆粒的尺寸匹配與殘余應(yīng)力是納米復(fù)合材料中的重要增強(qiáng)、增韌機(jī)理。相變?cè)鲰g當(dāng)將氧化鋯顆粒加入其它陶瓷基體中時(shí)，氧化鋯的相變使陶瓷的韌性增加。纖維、晶須增韌裂紋偏轉(zhuǎn)由于纖維周圍的應(yīng)力場，基體中的裂紋一般難以穿過纖維，相對(duì)而言它更易繞過纖維并盡量貼近纖維表面擴(kuò)展，即裂紋偏轉(zhuǎn)。裂紋偏轉(zhuǎn)可繞著增強(qiáng)體傾斜偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)后裂紋受的拉應(yīng)力往往低于偏轉(zhuǎn)前的裂紋，而且裂紋的擴(kuò)展路徑增長，裂紋擴(kuò)展中需消耗更多的能量因而起到增韌作用。脫粘（De-bonding）復(fù)合材料在纖維脫粘后產(chǎn)生了新的表面，因此需要能量。盡管單位面積的表面能很小，但所有脫粘纖維總的表面能則很大。纖維拔出（Pull–out）纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維首先脫粘才能拔出。纖維拔出會(huì)使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減緩了裂紋的擴(kuò)展。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌作用。纖維拔出能總大于纖維脫粘能，纖維拔出的增韌效果要比纖維脫粘更強(qiáng)。因此，纖維拔出是更重要的增韌機(jī)理。纖維橋接（FiberBridge）對(duì)于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。這時(shí)緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋，使兩岸連在一起。這會(huì)在裂紋表面產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，以抵消外加應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展，起到增韌作用。7.4陶瓷基復(fù)合材料的性能1.室溫力學(xué)性能（1）拉伸強(qiáng)度及彈性模量單向連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的拉伸失效有兩種形式：（a）突然失效。若纖維強(qiáng)度較低，界面結(jié)合較強(qiáng)，基體裂紋穿過纖維擴(kuò)展，導(dǎo)致突然失效。（b）塑性失效。若纖維強(qiáng)度較高，界面結(jié)合較弱，基體裂紋沿著纖維擴(kuò)展。纖維失效前纖維/基體界面在基體的裂紋尖端和尾部脫粘。（2）斷裂韌性隨纖維含量增加，斷裂韌性KIC增加。纖維拔出與裂紋偏轉(zhuǎn)是復(fù)合材料韌性提高的主要機(jī)制。纖維過量后，局部分散不均勻，相對(duì)密度降低，氣孔率增加，其抗彎強(qiáng)度反而降低。（3）壓縮與彎曲強(qiáng)度對(duì)于脆性材料，用彎曲和壓縮試驗(yàn)更能表征材料的強(qiáng)度性能。（4）影響因素增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)：復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)符合混合定律的線性關(guān)系。但當(dāng)纖維含量超過一定量時(shí)，纖維局部分布不均，氣孔率增加，導(dǎo)致材料力學(xué)性能偏離混合定律的線性關(guān)系。Phlips等提出如下經(jīng)驗(yàn)公式修正偏差：Em=Em0（1–1.9r+0.9r2）式中Em：有孔隙材料的彈性模量；Em0：無孔隙材料的彈性模量；r：基體中的孔隙率。熱膨脹系數(shù)：當(dāng)基體熱膨脹系數(shù)大于纖維熱膨脹系數(shù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維與基體界面結(jié)合的減弱甚至脫離。但適當(dāng)減弱界面結(jié)合，則有利于裂紋的擴(kuò)展或沿晶界偏轉(zhuǎn)或鈍化和分散裂紋尖端造成的應(yīng)力集中。密度：彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都隨復(fù)合材料的密度增加而增加。密度的增加不僅提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度，而且改變了應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀。顆粒含量和粒徑：顆粒含量對(duì)材料彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性提高效果不是太大，但粒徑的影響卻較大。復(fù)合材料的性能隨著粒徑增大而增大，但隨著粒徑的進(jìn)一步增大，其性能反而下降；這是由于材料的致密度下降，同時(shí)引進(jìn)了更多的缺陷的緣故。2.高溫力學(xué)性能（1）強(qiáng)度（2）蠕變（3）熱沖擊性（熱震性）材料在經(jīng)受劇烈的溫度變化或在一定起始溫度范圍內(nèi)冷熱交替作用而不致破壞的能力稱為抗熱震性，也稱之為耐熱沖擊性或熱穩(wěn)定性?？篃嵴鹦耘c材料本身的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、抗張強(qiáng)度及材料中氣相、玻璃相及其晶相的粒度有關(guān)。陶瓷基復(fù)合材料改善了材料的抗熱震性。7.5陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用CMC在非航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主要包括:高溫和腐蝕性環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)部件、切削刀具鑲塊、耐磨損零部件、噴管和排氣管、熱交換器管束等。目前,用TiC顆粒增強(qiáng)的Si3N4,用SiC晶須增強(qiáng)的Al2O3復(fù)合材料制造的切削刀具鑲塊已成功進(jìn)入國際市場。在耐磨損零部件制造中采用CMC，具有較高的硬度、低摩擦系數(shù)、好的抗磨蝕性，且在高溫和高速下保持很好的機(jī)械性能。這些應(yīng)用包括葉片、舵片、密封裝置、噴管、軸承和導(dǎo)向裝置等。在熱交換器和蓄熱器應(yīng)用中采用CMC，可以比金屬材料承受更高的溫度和侵蝕環(huán)境。在汽車上使用CMC可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，從而提高燃料的燃燒效率。CMC的這種應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn):良好的隔熱性、耐腐蝕和磨損、強(qiáng)度高、韌性好、密度低、摩擦系數(shù)小、耐熱沖擊、成本低。CMC在航空航天領(lǐng)