現(xiàn)代復(fù)合材料課件

現(xiàn)代複合材料第一章複合材料概述複合材料的定義和分類複合材料的性能複合材料的用途第一節(jié)複合材料的定義和分類什麼是複合材料：

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾在塑膠名詞術(shù)語(yǔ)的定義中，把複合材料定義為：“由兩種以上物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相體系”。（偏重性能）有人認(rèn)為：“由連續(xù)相的基體(如聚合物—樹(shù)脂、金屬、陶瓷等)與分散相的增強(qiáng)材料(如各種纖維、織物及粉末填料等)組合的多相材料稱為複合構(gòu)料”。（偏重結(jié)構(gòu)）材料的優(yōu)缺點(diǎn)組合示意圖複合材料的特點(diǎn)

(1)複合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過(guò)宏觀或微觀複合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的介面（相介面）。

(2)複合材料中各組元不但保持各自的固有特性而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，並賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。（3）複合材料具有可設(shè)計(jì)性。複合材料的分類

按基體分類聚合物基複合材料金屬基複合材料陶瓷基複合材料石墨基複合材料（碳/碳複合材料）水泥基複合材料

按增強(qiáng)相種類分顆粒晶須纖維無(wú)機(jī)非金屬基複合材料複合材料的分類

按增強(qiáng)相的形狀分零維（顆粒）一維（纖維）二維（片狀或平面織物）三維（立體織物）按用途分結(jié)構(gòu)複合材料功能複合材料智能複合材料

複合材料性能特點(diǎn)比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度＝強(qiáng)度/密度比模量＝模量/密度化學(xué)穩(wěn)定性好減摩、耐摩和自潤(rùn)滑性能好耐熱性高高韌性和高抗熱衝擊性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性其他特殊性能：優(yōu)良的電器絕緣材料複合材料性能比較:(1)強(qiáng)度和模量複合材料性能比較:(1)強(qiáng)度和模量(2)化學(xué)穩(wěn)定穩(wěn)定性金屬材料不耐酸、Cl-腐蝕金屬材料不耐硫化腐蝕塑膠具有良好的耐腐蝕性能陶瓷具有良好的耐硫腐蝕性能(3)減摩、耐磨和自潤(rùn)滑性能碳纖維可以增加石棉的摩擦係數(shù)，也可以降低塑膠的摩擦係數(shù)。還可以增強(qiáng)聚合物材料耐磨性能PVC增加3.8倍PTFE增加3倍PP增加2倍(3)耐熱性能

耐熱性是指材料在一定的溫度上限內(nèi)能長(zhǎng)期使用，而其力學(xué)性能保持不低於80％的一種性能指標(biāo)。目前聚合物基複合材料的最高耐溫上限為350℃，金屬基複合材料的耐溫性較好，350－1100℃。SiCAl2O3/陶瓷複合材料：1200－1400℃

SiC/Si3N4複合材料：1500℃

複合材料的用途機(jī)械汽車化學(xué)化工航空航太建築日常生活第二章增強(qiáng)相增強(qiáng)相的種類纖維及織物：有機(jī)和無(wú)機(jī)纖維、金屬纖維晶須：氧化物、氮化物和硼化物顆粒：陶瓷和金屬第一節(jié)纖維單絲(Monofilament)——指拉絲漏板每個(gè)孔中拉出的絲原紗(strand)——指多根單絲(數(shù)目由漏板的孔數(shù)決定)從漏板拉出彙集而成的單絲束，也稱纖維束絲〔Tow)、單股紗或原絲撚度(Twist)——亦稱撚數(shù)，指有撚紗或其他紗線在每米長(zhǎng)度沿著軸向的撚回效(螺旋匝數(shù))。S為左撚，逆時(shí)針，Z為右撚，順時(shí)針細(xì)度——指單絲的直徑，一般用微米表示。表示方法：重量法：用一克原紗的長(zhǎng)度來(lái)表示，稱為支數(shù)。定長(zhǎng)法：是目前國(guó)際上統(tǒng)一使用的方法，單位為Tex，系指1000米長(zhǎng)原紗的克數(shù)。

粗紗(Roing)——由若干單股有撚紗、原紗或單股無(wú)撚紗以無(wú)撚或少撚平行集束而成。無(wú)撚粗紗——有多股連續(xù)單股原紗並排合股而成(不加撚)以紗束，以構(gòu)成原紗的股數(shù)和支數(shù)表示，如40支40股、40支20股等。一段來(lái)講，無(wú)撚粗紗適於製作預(yù)浸料，因?yàn)樗嘴督笜?shù)脂，有撚纖維適於編織。短切纖維(Shortfiber)——將原絲、無(wú)撚粗紗或加撚紗切斷成或拉斷成長(zhǎng)度為35—150m(有的書(shū)中為0.6—60mm)的纖維，也稱為短纖維。長(zhǎng)徑比——短纖維長(zhǎng)度與直徑之比。

短纖維氈——由不規(guī)則的短切纖維隨意交叉重疊鋪成氈狀簿片，隨機(jī)器的移動(dòng)均勻排列，用樹(shù)脂粘結(jié)而成。連續(xù)纖維氈——由纖維本身的卷纏而形成並由少量粘合劑粘合。這種氈蓬鬆而具有彈性。纖維織物(c1oth)——用加了撚的纖維以不同方式編織的織物，依織法不同可以分為平紋布、斜紋布、緞紋布和單向布等。無(wú)緯布——用膠液將平行的纖維連在一起的布．不加任何緯向纖維。橫向粘結(jié)強(qiáng)度由樹(shù)脂決定。預(yù)浸料(Prepreg)——用於製造複合材料浸漬樹(shù)脂基體的纖維或其織物經(jīng)烘乾或預(yù)聚的一種中間材料。一、有機(jī)纖維1、kevlar纖維：芳香族醯胺纖維特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量，韌性好，密度低Kevlar49：聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲胺Kevlar29：聚對(duì)苯醯胺具有高的結(jié)晶度和取向度具有垂直於纖維軸的層狀結(jié)構(gòu)Kevlar纖維的物理性能Kevlar纖維的化學(xué)穩(wěn)定性2、超高分子量聚乙烯纖維特點(diǎn)：高比強(qiáng)度、高比模量以及耐衝擊、耐磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。但熔點(diǎn)較低(約135)，高溫容易蠕變用途：纜繩、武器裝甲、防彈背心、航太航空部件

UHMWPE纖維的衝擊強(qiáng)度幾乎與尼龍相當(dāng)，在高速衝擊下的能量吸收是芳綸纖維（PPTA）、尼龍纖維的兩倍。這種並疲勞性能非常適合製作防彈材料。二、無(wú)機(jī)纖維玻璃纖維：有堿(>12%),中堿()6-12%,低堿(2-6%)，無(wú)堿(<2%)

特點(diǎn)：耐腐蝕、高溫；便宜；不耐磨、易折斷碳纖維：熱膨脹係數(shù)小；耐高溫蠕變；自潤(rùn)滑、導(dǎo)電性高；價(jià)格高硼纖維：在鎢絲表面沉積B氧化鋁纖維：耐熱性和抗氧化性好；密度大SiC纖維玻璃纖維的結(jié)構(gòu)玻璃纖維的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)玻璃纖維的物理性能玻璃纖結(jié)的力學(xué)性能影響因素碳纖維的結(jié)構(gòu)目前廣泛採(cǎi)用的方法是在隔絕空氣和水分的情況下，加熱至1000℃左右分解碳化聚丙烯脂、黏膠纖維或?yàn)r青纖維。層與層之間的距離叫層間距，可用d表示，一股約為0.35nm[圖a]。由數(shù)層到數(shù)十層組成石墨微晶，即碳纖維的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元[見(jiàn)圖b]。再由石墨微晶組成原纖維[圖c]，其直徑為50nm左右，長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百納米，這是碳纖維的三級(jí)結(jié)構(gòu)單元。最後由原纖維組成碳纖維的單絲直徑一般為6—8um。碳纖維的性能

碳纖維的熱膨脹係數(shù)呈各向異性。平行於纖維方向是負(fù)值，為-(0.72~0.90)×10-6/℃,垂直於纖維方向是正值。碳纖維的熱導(dǎo)率也有方向性，平行纖維方向的熱導(dǎo)率約為1.6w/(m·K)；垂直於纖維方向的熱導(dǎo)率約為0.08w/(m·K)。熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降，此外，碳纖維具有良好的導(dǎo)電性。碳纖維的性能熱處理溫度的影響

隨著熱處理溫度的提高，碳纖維的電阻率隨之降低。碳纖維屬於半導(dǎo)體性質(zhì)而石墨纖維的導(dǎo)電性比鋁、銅還要高。低熱膨脹係數(shù)使碳纖維製品具有高度的尺寸穩(wěn)定性。氧化鋁纖維的性能SiC纖維的性能金屬纖維金屬纖維鋼纖維特點(diǎn)：導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性和抗衝擊性能好。纖維性能比較纖維的柔韌性及斷裂都沒(méi)有屈服

Kevlar49是韌性斷裂，其他為脆性斷裂比性能

CF的比模量最高

GF的比模量最低

PE的比強(qiáng)度和比模量配合最好熱穩(wěn)定性

CF的耐高溫性能最好

Kevalr49最差第二節(jié)晶須晶須(wisker)是指具有一定長(zhǎng)徑比(—般大於10)和截面積小於52×10－5cm2的單晶纖維材料。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。晶須的生長(zhǎng)機(jī)制VLS機(jī)制(V表提供的氣體原料，L為液體觸媒，S為固體晶須）

系統(tǒng)中存在的觸媒液滴而是氣體原料和固體產(chǎn)物之間的媒介，形成晶須的氣體原料通過(guò)氣—液界而輸入到小液滴中，使小液滴成為含有晶須氣體原料的熔體，當(dāng)熔體達(dá)到一定的過(guò)飽和度時(shí)析出晶體，並沉積在液滴與接體的介面上。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，直到停止生長(zhǎng)第三節(jié)顆粒剛性顆粒增強(qiáng)體或陶瓷顆粒增強(qiáng)體。具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，如碳化矽、氧化鋁、氮化矽、碳化硼、石墨、細(xì)金剛石等。

作用：提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量和韌性的作用。延性顆粒增強(qiáng)體，主要為金屬顆粒。

作用：增強(qiáng)材料的韌性。但高溫力學(xué)性能會(huì)有所下降。顆粒增韌機(jī)制

顆粒增強(qiáng)體可以通過(guò)三種機(jī)制產(chǎn)生增韌效果當(dāng)材料受到破壞應(yīng)力時(shí)，裂紋尖端處的顆粒發(fā)生顯著的物理變化，如晶型轉(zhuǎn)變、體積改變、裂紋產(chǎn)生與增殖等，它們均能消耗能量，從而提高複合材料的韌性。這種增韌機(jī)制稱為相變?cè)鲰g和微裂紋增韌。複合材料中的第二相顆粒使裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生改變，如裂紋偏轉(zhuǎn)、彎曲、分叉、裂紋橋接或裂紋釘紮等，從而產(chǎn)生增韌效果。以上兩種機(jī)制同時(shí)發(fā)生，此時(shí)稱為混合增韌。第四節(jié)增強(qiáng)材料的表面處理

作用：改善增強(qiáng)材料與基體的浸漬性相與介面的結(jié)合強(qiáng)度聚合物基複合材料（1）偶聯(lián)劑處理：有機(jī)矽烷，鈦酸脂（2）等離子處理：（3）氧化處理金屬基複合材料對(duì)於金屬基複合材料，對(duì)纖維進(jìn)行表面處理的目的主要是改善纖維的浸潤(rùn)性，抑制纖維與金屬基體之間介面發(fā)生反應(yīng)形成介面反應(yīng)層，如利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在硼纖維表面沉積形成碳化矽或碳化硼塗層，可以抑制熱壓成型時(shí)硼纖維與錢之間的介面反應(yīng)。對(duì)氧化鋁纖維表面則可沉積鎳或鎳合金層。第三章複合理論第一節(jié)複合原則材料組元的選擇依據(jù)：複合材料的性能1、顆粒增強(qiáng)複合材料的原則(1)顆粒應(yīng)高度彌散均勻地分散在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(金屬、陶瓷基體)或分子鏈的運(yùn)動(dòng)(聚合物基體)。

(2)顆粒直徑的大小要合適，因?yàn)轭w粒直徑過(guò)大會(huì)引起應(yīng)力集中或本身破碎導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低；顆粒直徑太小，則起不到大的強(qiáng)化作用。因此，一般粒徑為幾微米到幾十微米。(3)顆粒的數(shù)量一般大於20％，數(shù)量太少，達(dá)不到最佳的強(qiáng)化效果。2．纖維增強(qiáng)複合材料的原則(1)纖維的強(qiáng)度和模量都要高於基體，即纖維應(yīng)具有高模量和高強(qiáng)度，因?yàn)槌齻€(gè)別情況外，在多數(shù)情況下承載主要是靠增強(qiáng)纖維。

(2)纖維與基體之間要有一定的粘結(jié)作用，兩者之間結(jié)合要保證所受的力通過(guò)介面?zhèn)鬟f給纖維。

(3)纖維與基體的熱膨脹係數(shù)不能相差過(guò)大。

(4)纖維與基體之間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，特別是不發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，否則將引起纖維性能降低而失去強(qiáng)化作用。

(5)纖維所占的體積、纖維的尺寸和分佈必須適宜。製備方法的選擇原則：(1)所選的工藝方法對(duì)材料組元的損傷最小(2)能使任何形式的增強(qiáng)材料(纖維、顆粒、晶須)均勻分佈或按預(yù)設(shè)計(jì)要求規(guī)則排列；(3)使最終形成的複合材料在性能上達(dá)到充分發(fā)揮各組元的作用，即達(dá)到揚(yáng)長(zhǎng)避短，而且各單元組元仍保留著固有的特性。第二節(jié)複合材料的介面設(shè)計(jì)原則

複合材料的介面，並不是個(gè)理想的幾何面。實(shí)驗(yàn)證明，複合材料相與相之間的兩相交接區(qū)是一個(gè)具有相當(dāng)厚度的介面層，兩相的接觸會(huì)引起多種介面效應(yīng)，隨介面層的結(jié)構(gòu)和性能不同於它兩側(cè)鄰兩側(cè)相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，具有如下特點(diǎn)：具有一定厚度性能在厚度方向上有梯度變化隨環(huán)境條件變化而改變介面效應(yīng)介面層的存在，導(dǎo)致介面效應(yīng)的發(fā)生(1)分割效應(yīng)：—個(gè)連續(xù)體被分割成許多社區(qū)域，從而對(duì)基體力學(xué)性能造成影響。(2)不連續(xù)件止：在介面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)性和介面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻，介電特性，耐熱性，尺寸穩(wěn)定性等。(3)散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、衝擊波等在介面產(chǎn)生的散射和吸收.(4)感應(yīng)效應(yīng)：在介面上產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)，特別是應(yīng)變、內(nèi)應(yīng)力和由此引出的現(xiàn)象介面設(shè)計(jì)原則

適度粘接的介面層介面的作用：（1）把施加在整體上的力，由基體通過(guò)介面層傳遞到增強(qiáng)材料組元。（2）在一定的應(yīng)力條件下能夠脫粘，以及使增強(qiáng)纖維從基體拔出併發(fā)生摩擦。這樣就可以借助脫粘增大表面能、拔出和摩擦功等形式來(lái)吸收外加載荷的能量以達(dá)到提高其抗破壞能力。合適性質(zhì)的介面層一種是介面層的模量應(yīng)介於增強(qiáng)材料與基體材料之間，最好形成梯度過(guò)渡。另一種觀點(diǎn)是介面層的模量低於增強(qiáng)材料與基體，最好是一種類似橡膠的彈性體，在受力時(shí)有較大的形變。介面對(duì)性能的影響聚合物基複合材料的介面設(shè)計(jì)關(guān)?。涸鰪?qiáng)介面的浸潤(rùn)性金屬基複合材料的介面設(shè)計(jì)關(guān)?。海?）對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理，增強(qiáng)浸漬性和防止介面反應(yīng)（2）選擇金屬元素。改變基體的合金成分，造成某一元素在介面上富集形成阻擋層來(lái)控制介面反應(yīng)。陶瓷基複合材料的介面設(shè)計(jì)關(guān)?。盒枰环N既能提供介面粘接又能發(fā)生脫粘的介面層，這樣才能充分改善陶瓷材料韌性差的缺點(diǎn)。第三節(jié)複合材料介面理論浸潤(rùn)性熱力學(xué)原理：體系自由能減小

力平衡原理

介面粘結(jié)

粘結(jié)(或稱粘合、粘著、粘接)是指不同種類的兩種材料相互接觸並結(jié)合在一起的一種現(xiàn)象。1、機(jī)械作用理論機(jī)械作用機(jī)理如下圖所示，當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸後，由於表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖。表面越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，因此機(jī)械粘結(jié)作用越有效。2、靜電作用理論

當(dāng)複合材料的基體及增強(qiáng)材料的表面帶有異性電荷時(shí)，在基體與增強(qiáng)材料之間將發(fā)生靜電吸引力。靜電互作用的距離很短，僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用力才有效。因此表面的污染等將大大減弱這種粘結(jié)作用。3、化學(xué)作用理論

化學(xué)作用是指增強(qiáng)材料表面的化學(xué)基團(tuán)(圖中標(biāo)有x面)與基體表面的相容基團(tuán)(標(biāo)有R面)之間的化學(xué)粘結(jié)?；瘜W(xué)作用理論最成功的應(yīng)用是偶聯(lián)劑利用於增強(qiáng)材料表面與聚合物基體的粘結(jié)。4、介面反應(yīng)或介面擴(kuò)散理論複合材料的基體與增強(qiáng)材料間可以發(fā)生原子或分子的互擴(kuò)散或發(fā)生反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或互擴(kuò)散結(jié)合。第四節(jié)力學(xué)性能複合原理顆粒增強(qiáng)纖維增強(qiáng)晶須增強(qiáng)4.1顆粒增強(qiáng)原理

彌散增強(qiáng)原理彌散增強(qiáng)複合材料是由彌散微粒與基體複合而成。其增強(qiáng)機(jī)理與金屬材料析出強(qiáng)化機(jī)理相似，可用位錯(cuò)（鏈段）繞過(guò)理論解釋。載荷主要由基體承擔(dān)，彌散微粒阻礙基體的位錯(cuò)（鏈段）運(yùn)動(dòng)，微粒阻礙總體位錯(cuò)（鏈段）運(yùn)動(dòng)能力越大，增強(qiáng)效果愈大。4.2顆粒增強(qiáng)原理顆粒增強(qiáng)複合材料是由尺寸較大(＞1um)的堅(jiān)硬顆粒與基體複合而成，其增強(qiáng)原理與彌散增強(qiáng)原理有區(qū)別。在顆粒增強(qiáng)複合材料中，雖然載荷主要由基體承擔(dān)，但顆粒也承受載荷並約束基體的變形，顆粒阻止基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力越大，增強(qiáng)效果越好。在外載荷的作用下，基體內(nèi)位錯(cuò)滑移在基體／顆粒介面上受到阻滯，並在顆粒上產(chǎn)生應(yīng)力集中，其值為

σi=nσ

根據(jù)位錯(cuò)理論，應(yīng)力集中因數(shù)為因此

Gm為基體的剪切模量，

b為柏氏向量

Df為顆粒之間的距離為

如果σi

＝σ

P(顆粒強(qiáng)度)時(shí)，顆粒開(kāi)始破壞，產(chǎn)生裂紋，引起複合材料變形

σ

P=Gp/C(C為常數(shù))顆粒增強(qiáng)複合材料的屈服強(qiáng)度為將體視學(xué)關(guān)係式代入得到4.3單向連續(xù)纖維增強(qiáng)原理複合材料性能與組分性能、組分分佈以及組分間的物理、化學(xué)作用有關(guān)。複合材料性能可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定，理論和半實(shí)驗(yàn)的方法可以用於預(yù)測(cè)複合材料中系統(tǒng)變數(shù)的影響，但是不十分可靠，特別在單向複合材料的橫向性能方面不準(zhǔn)確。然而，數(shù)學(xué)模型在研究某些單向複合材料縱向性能方面相當(dāng)精確的。4.3.1縱向強(qiáng)度和剛度

(1)複合材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線的初始階段連續(xù)纖維增強(qiáng)複合材料層板受沿纖維方向的拉伸應(yīng)力作用，假設(shè)纖維性能和直徑是均勻的、連續(xù)的並全部相互平行；纖維／基體之間的結(jié)合是完美的，在介面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)發(fā)生；忽略纖維和基體之間的熱膨脹係數(shù)、泊松比以及彈性變形差所引起的附加應(yīng)力。整個(gè)材料的縱向應(yīng)變可以認(rèn)為是相同的，即複合材料、纖維和基體具有相向的應(yīng)變

在沿纖維方向的外加載荷由纖維和基體共同承擔(dān)，應(yīng)有

對(duì)於平行纖維的複合材料，體積分?jǐn)?shù)等於面積分?jǐn)?shù)複合材料、纖維、基體的應(yīng)變相同．對(duì)應(yīng)變求導(dǎo)數(shù)，得到

dσ/de表示在給定應(yīng)變時(shí)相應(yīng)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率。如果材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線是線性的。則斜率是常數(shù)，可以用相應(yīng)的彈性模量代人，得到(2)複合材料初始變形後的行為

一般複合材料的變形有4個(gè)階段：①纖維和基體均為線彈性變形；②纖維繼續(xù)線彈性變形，基體非線性變形；③纖維和基體都是非線性變形；④隨纖維斷裂，複合材料斷裂。對(duì)於合屬基複合材料來(lái)說(shuō)，由於基體的塑性變形，第二階段可能占複合材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的相當(dāng)部分。(3)斷裂強(qiáng)度對(duì)於縱向受載的單向纖維複合材料，當(dāng)纖維達(dá)到其斷裂應(yīng)變值時(shí)，複合材料開(kāi)始斷裂。當(dāng)基體斷裂應(yīng)變大於纖維斷裂應(yīng)變時(shí)，理論計(jì)算時(shí)一般假設(shè)所有的纖維在同一應(yīng)變值斷裂，如果纖維的斷裂應(yīng)變值比基體的小，在纖維體積分?jǐn)?shù)足夠大時(shí)，基體不能承擔(dān)纖維斷裂轉(zhuǎn)移的全部裁荷，則複合材料斷裂。這種條件下，複合材料縱向斷裂強(qiáng)度可以認(rèn)為與纖維斷裂應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的複合材料應(yīng)力相等，從混合法則，得到複合材料縱向斷裂強(qiáng)度

是纖維的強(qiáng)度．是對(duì)應(yīng)纖維斷裂應(yīng)變值的基體應(yīng)力在纖維體積分?jǐn)?shù)很小時(shí)，基體能夠承擔(dān)纖維斷裂後所轉(zhuǎn)移的全部載荷，隨基體應(yīng)變?cè)黾樱w進(jìn)一步承載，並假設(shè)在複合材料應(yīng)變高於纖維斷裂應(yīng)變時(shí)纖維完全不能承載。這時(shí)複合材料的斷裂強(qiáng)度為

式中是基體強(qiáng)度。聯(lián)立以上二式，得到纖維控制複合材料斷裂所需的最小體積分?jǐn)?shù)

當(dāng)基體斷裂應(yīng)變小於纖維斷裂應(yīng)變時(shí)，纖維斷裂應(yīng)變值比基體大的情況與纖維增強(qiáng)陶瓷基複合材料的情況一致。在纖維體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，纖維不能承擔(dān)基體斷裂後所轉(zhuǎn)移的載荷，則在基體斷裂的同時(shí)複合材料斷裂，由混合法則得到複合材料縱向斷裂強(qiáng)度為對(duì)應(yīng)基體斷裂應(yīng)變時(shí)纖維承受的應(yīng)力

當(dāng)纖維維體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，纖維能夠承擔(dān)基體斷裂後所轉(zhuǎn)移的全部載荷．假如基體能夠繼續(xù)傳遞載荷，則複合材料可以進(jìn)一步承載，直至纖維斷裂，這時(shí)複合材料的斷裂強(qiáng)度為

同樣的方法，可以得到控制複合材料斷裂所需的最小纖維體積分?jǐn)?shù)為4.3.2橫向剛度和強(qiáng)度(1)Halpin—Tsia公式複合材料橫向彈性模量其中

ξ是與纖維幾何、堆積幾何及載荷條件有關(guān)的參數(shù)，纖維截面為圓形和正方形時(shí)等於2，矩形纖維為2a/b,a/b是截面尺寸，a處理加載方向(2)橫向強(qiáng)度與縱向強(qiáng)度不同的是，纖維對(duì)橫向強(qiáng)度不僅沒(méi)有增強(qiáng)作用，反而有相反作用，使得複合材料的斷裂應(yīng)變比未增強(qiáng)基體低得多。如果複合材料的橫向強(qiáng)度受基體強(qiáng)度控制，即基體的橫向強(qiáng)度乘以衰減因數(shù)S，那麼S可以看作是應(yīng)力集中係數(shù)SCF或者應(yīng)變集中係數(shù)SMF，在忽略泊松效應(yīng)時(shí)為：第五節(jié)其他物理性能的複合原理目前尚未掌據(jù)所有物理性能的複合規(guī)律。已經(jīng)瞭解得比較清楚的是一些單純加和性(符合線性法則)的簡(jiǎn)單物理性能，如密度、比熱容、介電常數(shù)、導(dǎo)磁率等。其中導(dǎo)電率、電阻、導(dǎo)磁率和熱傳導(dǎo)等物理性能的複合法則與力學(xué)性能一樣，混合物定律大致是成立的。6.1熱導(dǎo)率（1）單向複合材料縱向和橫向的熱導(dǎo)率可按以下兩式估算式中，K為熱導(dǎo)率；下標(biāo)L、T分別表示縱向和橫向；f、m分別表示纖維和基體(2)二維隨機(jī)短纖維複合材料纖維排布平面法線方向的熱導(dǎo)率為

式中，S11為形狀因數(shù)，與短纖維的形狀有關(guān)。如果短纖維是橢圓形截面的粒狀體(a1,a2<<a3)，則如短纖維為圓形截面，則(3)三維隨機(jī)短纖維複合材料這種複合材料可視為各向同性的，其熱導(dǎo)率為對(duì)於圓形截面的柱形短纖維(4)顆粒複合材料當(dāng)顆粒為球狀時(shí)，複合材料的熱導(dǎo)率為6.2熱膨脹係數(shù)當(dāng)兩種各向同性材料複合後，體系的熱膨脹係數(shù)αc

式中，a1,a2為組成複合材料組分的熱膨脹係數(shù)；K為特定彈性常數(shù)；Φ為體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)兩種材料的泊松比相等時(shí)，可用E代替K對(duì)於物理常數(shù)差別不是很大的多層複合體系，可採(cǎi)用加和公式作為近似計(jì)算式PMC性能特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(1)高比強(qiáng)度、高比模量(2)可設(shè)計(jì)性(3)耐腐蝕(4)熱膨脹係數(shù)低，尺寸穩(wěn)定(5)耐疲勞缺點(diǎn)材料昂貴在濕熱環(huán)境下性能變化衝擊性能差PMC複合材料的分類

以基體性質(zhì)不同分：熱塑性樹(shù)脂基複合材料和熱塑性樹(shù)脂基複合材料另一種按增強(qiáng)劑類型及在複合材料中分布狀態(tài)分類第二節(jié)聚合物基體

一、概述1、基體的作用◆將纖維粘合成整體並使纖維位置固定，在纖維間傳遞載荷，並使載荷均勻◆決定複合材料的一些性能。如複合材料的高溫使用性能(耐熱性)、橫向性能、剪切性能、耐介質(zhì)性能(如耐水、耐化學(xué)品性能)等◆決定複合材料成型工藝方法及工藝參數(shù)選擇◆保護(hù)纖維免受各種損傷◆對(duì)複合材料一些性能有重要影響，如縱向位伸、尤其是壓縮性能，疲勞性能，斷裂韌性等。2、基體的分類按樹(shù)脂熱行為可分為：熱固性及熱塑性兩類按樹(shù)脂特性及用途分為：一般用途樹(shù)脂、耐熱性樹(shù)脂、耐候性樹(shù)脂、阻燃樹(shù)脂按成型工藝分為：手糊用樹(shù)脂、噴射用樹(shù)脂、膠衣用樹(shù)脂、纏繞用樹(shù)脂、拉擠用樹(shù)脂、RTM用樹(shù)脂、SMC用樹(shù)脂3、固態(tài)高聚物的三態(tài)溫度對(duì)聚合物力學(xué)性能的影響溫度對(duì)聚合物力學(xué)性能的影響4、基體的選擇原則能夠滿足產(chǎn)品的使用需要，如使用溫度、強(qiáng)度、剛度、耐藥品性、耐腐蝕性等。對(duì)纖維具有良好浸潤(rùn)性和粘接力。容易操作，如要求膠液具有足夠長(zhǎng)的適用期、預(yù)浸料具有足夠長(zhǎng)的貯存期、固化收縮小等。低毒性、低刺激性。價(jià)格合理。二、熱固性基體

熱固性基體主要是不飽合聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂，不飽合聚脂樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂主要用於玻璃纖維增強(qiáng)塑膠，其中聚酯樹(shù)脂用量最大，約占總量的80％，而環(huán)氧樹(shù)脂則一般用作耐腐蝕性或先進(jìn)複合材料基體。1、不飽合聚酯樹(shù)脂(UP—UnsaturatedPo1yesterResin)

不飽合聚酯是由不飽合二元酸或酸酐、飽合二元酸或酸酐與二元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的低聚物。特點(diǎn)：固化收縮率較大、耐熱性較差，價(jià)格較便宜不飽合聚酯的性能取決於單體類型和比例，飽和二元酸與不飽和二元酸比例越大，則樹(shù)脂韌性越好，但耐熱性越差。通用不飽合聚酯是由順丁烯二酸酐、鄰苯二甲酸酐與1，2—丙二醇合成。增稠劑：鹼土金屬氧化物或氫氧化物固化劑：引發(fā)劑(如過(guò)氧化物)＋苯乙烯(或MMA)2、環(huán)氧樹(shù)脂(EP)環(huán)氧樹(shù)脂是—種分子中各有兩個(gè)或兩個(gè)以上活性環(huán)氧基團(tuán)的低聚物。特點(diǎn)：適應(yīng)性濕(可選擇的品種、固化劑、改性劑等種類很多)、工藝件好、粘接力大、成型收縮率低、化學(xué)穩(wěn)定性好

雙酚A型環(huán)氧是由雙酚A與環(huán)氧氯丙烷經(jīng)縮聚而成環(huán)氧樹(shù)脂的固化

環(huán)氧樹(shù)脂的固化可以通過(guò)催化劑使環(huán)氧基相互連接而固化，也可以用有能與環(huán)氧基反應(yīng)的官能團(tuán)的反應(yīng)性固化劑固化。常用固化劑包括脂肪族或芳香族胺類，有機(jī)多元酸或酸酐等。伯胺固比的機(jī)制是胺上的活潑氫與環(huán)氧基反應(yīng)：環(huán)氧樹(shù)脂的增韌增韌劑：改善樹(shù)脂的衝擊強(qiáng)度和耐熱衝擊性能，減少固化時(shí)反應(yīng)熱和收縮率。但會(huì)使樹(shù)脂耐熱性、電性能、耐化學(xué)腐蝕性及某些力學(xué)性能的下降。端羧基液體丁腈橡膠(CTBN)增韌機(jī)制：3、聚醯亞胺樹(shù)脂(PI)PI是由芳香族四酸二酐與芳香族二氨經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的。二胺與四羧酸二酯的熔融法制備聚醯亞胺合成反應(yīng)由二酐和二胺合成聚醯亞胺過(guò)程中的主要反應(yīng)4、雙馬樹(shù)脂雙馬樹(shù)脂(BMI)是由馬來(lái)酸酐與芳香族二胺反應(yīng)生成預(yù)聚體，再高溫交聯(lián)而成的一類熱固性PI樹(shù)脂特點(diǎn)：優(yōu)異的綜合性能，使用溫度範(fàn)圍寬(－65—230度，超過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂)，配方選擇範(fàn)圍大，工藝性好，價(jià)格較低等。缺點(diǎn)是較脆，斷裂韌性低雙馬樹(shù)脂單體可在熱催化作用下自聚,併發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),生成高度交聯(lián)的聚雙馬網(wǎng)路固化後的雙馬樹(shù)脂具有良好的耐高溫、耐輻射、耐濕熱、吸濕率低和熱膨脹係數(shù)小等優(yōu)點(diǎn),既具有與環(huán)氧樹(shù)脂相似的加工性能,又具有與聚酞亞胺相當(dāng)?shù)哪透邷匦?。但固化以後交?lián)密度極高,使得材料的脆性大、耐衝擊和應(yīng)力開(kāi)裂的能力較差,無(wú)法滿足作為負(fù)重結(jié)構(gòu)材料所需的韌性及抗衝擊性。5、酚醛樹(shù)脂(PF)

酚醛樹(shù)脂是由酚類(主要是苯酚)和醛類(主要是甲醛)聚合生成的一類樹(shù)脂，它是最早工業(yè)化的熱固性合成樹(shù)脂。特點(diǎn)：合成方便，價(jià)格低廉，固化物具有阻燃性、耐燒蝕性、低發(fā)煙性和耐熱性等特點(diǎn)

三、熱塑性基體

原則上，所有的熱塑性樹(shù)脂，如聚烯烴、聚醚、聚醯胺、聚脂、聚碸等都可作為複合材料基體。1、聚醚醚酮(PEEK)特點(diǎn)：（1）優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性（2）模量與環(huán)氧樹(shù)脂相當(dāng)，強(qiáng)度憂於環(huán)氧，而斷裂韌性高一個(gè)數(shù)量級(jí)（3）耐化學(xué)腐蝕性，不溶於任何溶劑、阻燃性好，極好的耐輻射性2、熱塑性聚醯亞胺

聚醚醯亞胺(PEI)：長(zhǎng)期使用溫度為180℃，具有良好的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐水解性和加工工藝性，可溶在鹵代烷、DMF等溶劑中。聚醯胺醯亞胺(PAI)：是一種熔體粘度很高的熱塑性樹(shù)脂，通常也稱假熱塑性枷B。具有優(yōu)異的耐熱性，其Tg可達(dá)280℃，長(zhǎng)期使用溫度達(dá)240℃3、聚苯硫醚(PPS)耐化學(xué)腐蝕性極好，僅次於氟塑膠，在室溫下不溶任何有機(jī)溶劑。具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，可長(zhǎng)期耐熱至240℃。熔體粘度低，易於通過(guò)須浸漬、層壓制成複合材料。但是在高溫下長(zhǎng)期使用，會(huì)被空氣中的氧氧化而發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，結(jié)晶度降低，甚至失去熱塑性性質(zhì)。

3、聚醚碸(PES)在180℃溫度下長(zhǎng)期使用，在一100℃一200℃溫度區(qū)間內(nèi)，模量變化很小，優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，熱膨脹係數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，無(wú)毒、不燃、發(fā)煙率低、耐輻射性好，耐150℃蒸汽，耐酸堿和油類，但可被濃硝酸、濃硫酸、鹵代烴腐蝕或溶解，在酮類溶劑中開(kāi)裂。第三節(jié)PMC的介面

一、PMC介面表徵

PMC介面層結(jié)構(gòu)主要包括增強(qiáng)劑表面、與基體的反應(yīng)層或偶聯(lián)劑參與的反應(yīng)層，以及接近反應(yīng)層的基體過(guò)渡層。介面表徵的目的：要瞭解增強(qiáng)劑表面的組成、結(jié)構(gòu)及物理、化學(xué)性質(zhì)，基體與增強(qiáng)劑表面的作用，偶聯(lián)劑與增強(qiáng)劑及基體作用，介面層性質(zhì)，介面粘接強(qiáng)度的大小以及殘餘應(yīng)力的大小及作用等。介面化學(xué)結(jié)構(gòu)的表徵

現(xiàn)代分析技術(shù)，如電子顯微鏡(SEM和TEM)、光電子能譜(ESCA，AES)、紅外光譜(FTIR)和拉曼(Raman)光譜、二次離子質(zhì)譜(SIMS)、色譜等介面物理性能的表徵

二、PMC介面特點(diǎn)大多數(shù)介面為物理粘接，粘接強(qiáng)度較低PMC一般在較低溫度下使用，故介面可保持相對(duì)穩(wěn)定PMC中增強(qiáng)本體一般不與基體反應(yīng)

三、PMC介面設(shè)計(jì)

PMC介面設(shè)計(jì)的基本原則是：改善浸潤(rùn)性，提高介面粘接強(qiáng)度。提高PMC的介面粘接強(qiáng)度對(duì)其大多數(shù)性能是有利的。目前對(duì)PMC介面研究的主要目的是改善增強(qiáng)劑與基體的浸潤(rùn)性，提高介面粘接力。改善PMC表面浸潤(rùn)性的方法3.1使用偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑一端與玻璃纖維表面結(jié)合，另一端可溶解擴(kuò)散於介面區(qū)域的樹(shù)脂，與樹(shù)脂大分子鏈發(fā)生糾纏或形成互穿高聚物網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，達(dá)到最好的介面粘附，而且偶聯(lián)劑本身應(yīng)含有長(zhǎng)的柔軟鏈節(jié)，以便形成柔性的有利於應(yīng)力弛豫的介面層，提高其吸收和分散沖布能，使複合材料具有很好的抗衝擊強(qiáng)度。CompanyLogo①納米SiO2粒子改性環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能1%加入量塑性最好，2%加入量強(qiáng)度最高CompanyLogo納米SiO2粒子改性環(huán)氧樹(shù)脂的斷口形貌

（a）未改性環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑(b)1%二氧化矽

(c)2%二氧化矽(d)5%二氧化矽abcdCompanyLogo②

偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂製備與研究偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)示意圖CompanyLogo偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)示意圖及改性原理a.自縮聚為SiO2剛性顆粒b.油性端與環(huán)氧樹(shù)脂基體反應(yīng)c.油性端與基體橋接保證剛性顆粒的穩(wěn)定性CompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂的FT-IR3300吸收峰減弱，1100處寬化CompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂的的剪切拉伸強(qiáng)度CompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸斷面SEM分析(A)為純環(huán)氧樹(shù)脂(B)2wt.%SiO2/EP(C)3wt.%SiO2/EP(D)5wt.%SiO2/EPCompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂的能譜分析A.5%SiO2/EP；B.7%SiO2/EPCompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂的能譜分析A為S元素分佈B為Si元素分佈CompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂的穩(wěn)定性研究A剪切拉伸試驗(yàn)對(duì)比第1組：無(wú)包覆SiO2/EP，2%SiO2/EP；第2組：KH580/EP2%SiO2/EP第3組：KH580/EP3%SiO2/EP

；第4組：KH580/EP5%SiO2/EPCompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹(shù)脂靜置一周後的SEM圖圖A為SiO2含量7%KH580/EP複合材料一周前圖B為SiO2含量7%KH580/EP複合材料一周後3.2增強(qiáng)劑表面活化

通過(guò)各種表面處理方法，如表面氧化、等離子體處理，可在惰性的表面上引入活性官能團(tuán)如—COOH、—OH、C＝O、—NH2等等。一方面，這些活性官能團(tuán)可與基體中活性基團(tuán)反應(yīng)，另一方面也可提高纖維與基體相容性，提高粘接強(qiáng)度。

通過(guò)Ｈ2Ｏ2處理後,在ＣＮＴｓ的表面有大量的官能團(tuán)產(chǎn)生.在3600ｃｍ-1處的峰表明有羥基—ＯＨ,而1600ｃｍ-1處的峰表明有羧基—ＣＯＯＨ.CompanyLogo酸化處理對(duì)CNTs基團(tuán)的影響CompanyLogo酸化對(duì)CNTs的水分散性的影響onemonthlaterAB

50μg/mL的碳納米管在蒸餾水中的分散情況：（A）剛剛超聲的分散情況左：untreatedCNTs右：ActivatedCNTs

（B）靜置一個(gè)月後的分散情況左：untreatedCNTs右：ActivatedCNTsCompanyLogo酸化CNTs的水分散性-TEMTEMgraphofuntreatedCNTsandAcidCNTs（A）untreatedCNTs；（B）ActivatedCNTsBACompanyLogoCNTs改性環(huán)氧樹(shù)脂的FT-IR圖中：碳納米管含量為0.5%－1.5%時(shí)，-OH的吸收振動(dòng)峰幾乎為零；而對(duì)於純環(huán)氧樹(shù)脂卻有明顯的吸收峰，顯然可以看出：碳納米管上的羧基和環(huán)氧樹(shù)脂的羥基發(fā)生了反應(yīng)，從而使環(huán)氧樹(shù)脂基體中的羥基基本反應(yīng)完全。CompanyLogoCNTs改性F51環(huán)氧樹(shù)脂剪切強(qiáng)度固化工藝：100℃/2h+150℃/13hCompanyLogoCNTs改性F51環(huán)氧樹(shù)脂衝擊強(qiáng)度129CompanyLogoCNTs改性F51環(huán)氧樹(shù)脂的斷口形貌ABFEDC(A)pureepoxyresin;(B)0.5%CNTs/epoxycomposite;(C)1%CNTs/epoxycomposite;(D)1.5%CNTs/epoxycomposite;(E)and(F)2%CNTs/epoxycompositeCNTs的強(qiáng)韌化機(jī)制CNT的橋接作用CNT的脫粘和拔出CNT的斷裂

脫粘拔出斷裂的三個(gè)CNTs

GanLinHwang.AFM.2004.14.No.53.3使用聚合物塗層使用一些聚合物塗層－－它與增強(qiáng)纖維和基體都有良好的涅潤(rùn)性，也是改善PMC介面粘接狀況的一種有效方法?？梢杂萌芤簤T敷、電化學(xué)聚合、接枝以及等離子體聚合的方法獲得聚合物塗層。CompanyLogo

（1）包覆碳納米管改性F51環(huán)氧樹(shù)脂研究將CNTs-COOH分散在彈性包覆體中，超聲波攪拌使CNTs-COOH分佈均勻並使其接枝到彈性體上將上述包覆彈性體加入到環(huán)氧樹(shù)脂中，超聲攪拌分佈均勻CompanyLogo包覆CNTs-COOH的FT-IR圖中，3500cm-1是羥基吸收峰，1100cm-1是C-O-C的伸縮振動(dòng)峰，隨著碳納米管含量的增加，羥基吸收峰減弱，C-O的吸收峰增強(qiáng)，說(shuō)明碳納米管和PU包覆體產(chǎn)生了化學(xué)交聯(lián)。CompanyLogo包覆CNTs改性F51剪切強(qiáng)度ThestressofepoxymodifiedwithPU-CNTsCompanyLogo包覆CNTs改性F51衝擊強(qiáng)度CompanyLogo137SEMimagesoffracturedsurfaceof15%PUgraftepoxyandepoxymodifiedwithPU-CNTs(A)PU/EP(B)(1%CNTs-PU)/EP(C)(2%CNTs-PU)/EP(D)(3%CNTs-PU)/EP(E)(3%CNTs-PU)/EPCompanyLogo（2）改性酚醛樹(shù)脂製備與研究①無(wú)包覆納米SiO2改性酚醛樹(shù)脂CompanyLogo納米SiO2改性酚醛樹(shù)脂F(xiàn)T-IR在3500和1077附近的吸收峰變化很大，表明有羥基交聯(lián)反應(yīng)CompanyLogo加入量為1%時(shí)具有最佳的強(qiáng)度，1MPaCompanyLogo納米SiO2改性酚醛樹(shù)脂斷口形貌

酚醛樹(shù)脂木材粘結(jié)劑的表面形貌(a)純酚醛樹(shù)脂的表面形貌(b)1%nano-SiO2/酚醛樹(shù)脂的表面形貌(c)5%nano-SiO2/酚醛樹(shù)脂的表面形貌CompanyLogo②PVA包覆SiO2改性酚醛樹(shù)脂

矽溶膠的粒子結(jié)構(gòu)及表面CompanyLogo矽溶膠結(jié)構(gòu)及SiO2/PVA改性酚醛樹(shù)脂原理聚乙烯醇包覆SiO2顆粒示意圖

柔性層間隔剛性SiO2顆粒結(jié)構(gòu)圖CompanyLogo水解縮聚反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，使無(wú)機(jī)網(wǎng)路延長(zhǎng)，形成帶有有機(jī)基團(tuán)的無(wú)機(jī)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)CompanyLogoSiO2/PVA/PF性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)分析SiO2/PVA/PF材料剪切拉伸強(qiáng)度強(qiáng)度可達(dá)3MPa以上CompanyLogo

不同材料粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比CompanyLogoSiO2/PVA/PF雜化材料拉伸剪切斷面的SEM分析A.純酚醛樹(shù)脂B.1%SiO2/PVA/PFC.3%SiO2/PVA/PFD.4%SiO2/PVA/PFCompanyLogoA.2%SiO2/PVA/PF；B.3%SiO2/PVA/PF；C.5%SiO2/PVA/PFCompanyLogoSiO2/PVA/PF材料穩(wěn)定性研究

不同SiO2含量的雜化材料的力學(xué)性能隨時(shí)間變化，圖為一周前後力學(xué)性能下降的情況第四節(jié)PMC製備工藝一、預(yù)浸料及預(yù)混料製造工藝預(yù)浸料通常是指定向排列的連續(xù)纖維(單向、織物)等浸漬樹(shù)脂後所形成的厚度均勻的薄片狀半成品。預(yù)混料是指由不連續(xù)纖維浸漬樹(shù)脂或與樹(shù)脂混合後所形成的較厚的片狀、團(tuán)狀或粒狀半成品，包括片狀模塑膠(SMC，GMT)、團(tuán)狀模塑膠(BMC)和注射模塑膠(IMC)。預(yù)浸料及預(yù)混料的基本特徵1、預(yù)浸料製造熱固性預(yù)浸料製造

根據(jù)浸漬設(shè)備或製造方式不同，熱固性FRP預(yù)浸料的製造分輪鼓纏繞法和陣列排鋪法；按浸漬樹(shù)脂狀態(tài)分濕法(溶液預(yù)浸法)和幹法(熱熔預(yù)浸法)。輪鼓纏繞法工藝原理

濕法陣列排鋪法是原理是許多平行排列的纖維束(或織物)同時(shí)進(jìn)入膠槽，浸漬樹(shù)脂後由擠膠器除去多餘膠液，經(jīng)烘乾爐除去溶劑後，加隔離紙並經(jīng)輥壓整平，最後收卷。

幹法浸漬工藝也稱熱熔預(yù)浸法(Hotmeltimpregnating)，是在熱熔預(yù)浸機(jī)上進(jìn)行的，其工藝原理是熔融態(tài)樹(shù)脂從漏槽流到隔離紙上，通過(guò)刮刀後在隔離紙上形成一層厚度均勻的膠膜，經(jīng)導(dǎo)向輥與平行排列的纖維或織物壓合，通過(guò)熱鼓時(shí)樹(shù)脂熔融並浸漬纖維，再經(jīng)輥壓使樹(shù)脂充分浸漬纖維，冷卻後收卷。熱塑性預(yù)浸料製造

溶液預(yù)浸是將熱塑性高分子溶於適當(dāng)?shù)娜軇┲校蛊淇梢話?cǎi)用類似於熱固性樹(shù)脂的濕法浸漬技術(shù)進(jìn)行浸漬，將溶劑除去後即得到浸漬良好的預(yù)浸料。優(yōu)點(diǎn)：可使纖維完全被樹(shù)脂浸漬並獲得良好的纖維分佈，可採(cǎi)用傳統(tǒng)的熱固性樹(shù)脂的設(shè)備和類似的涅漬工藝。缺點(diǎn)：成本較高並造成環(huán)境污染，殘留溶劑很難除盡

熔融預(yù)浸是將熔融態(tài)樹(shù)脂由擠出機(jī)擠到持殊的模具中浸漬連續(xù)通過(guò)的纖維束或織物。優(yōu)點(diǎn)：可以適用很多熱塑性樹(shù)脂缺點(diǎn)：要求樹(shù)脂的粘度低，穩(wěn)定性好

膜層疊工藝原理是：增強(qiáng)劑與樹(shù)脂薄膜交替鋪層，在高溫、高壓下使樹(shù)脂熔融並浸漬纖維，製成平板或其他一些形狀簡(jiǎn)單的製品(如雷達(dá)罩)。增強(qiáng)劑一般採(cǎi)用織物．這樣在高溫、高壓浸演過(guò)程中不易變形。優(yōu)點(diǎn)：適用性強(qiáng)、工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：纖維浸漬狀態(tài)和分佈不良、製品性能不高，需要高溫、高壓長(zhǎng)時(shí)間的成型，以及不能製造複雜形狀和大型製品。

粉末浸漬是將熱塑性樹(shù)脂製成粒度與纖維直徑相當(dāng)?shù)奈⒓?xì)粉末，通過(guò)流態(tài)化床技術(shù)使樹(shù)脂粉末直接分散到纖維束中，經(jīng)熱壓熔融即可製成充分浸漬的預(yù)浸料。優(yōu)點(diǎn)：預(yù)浸料有一定柔軟性、鋪層工藝性好，成型工藝性好SMC及BMC製造2、預(yù)混料製造

BMC的生產(chǎn)方法很多，最常用是捏合法，即在捏合機(jī)(槳葉式混合器)中，將短切纖維、填料與液態(tài)樹(shù)脂(如UP)或樹(shù)脂溶液(如PF溶於乙醇)充分?jǐn)嚢杌靹?，移出後〔晾乾溶?，即得產(chǎn)品。GMT及IMC製造二、袋壓成型將鋪層鋪放在模具中，蓋上柔軟的隔離膜，在熱壓下固化。經(jīng)過(guò)所需的固化週期後材料形成具有一定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。四、纏繞成型五、拉擠成型六、模壓成型SMC模壓成型製品性能七、纖維增強(qiáng)熱塑性塑膠(FRTP)成型技術(shù)

原理上，用於熱固性FRP的製品成型技術(shù)大多數(shù)也適於FRTP，但所需鋪助材料和工藝過(guò)程則有較大區(qū)別。而有些熱固性FRP製品成型技術(shù)則一般不能用於FRTP如手糊成型、噴射成型等。要解決的問(wèn)題主要有二個(gè)方面：一是纖維的浸漬；纖維的浸漬可以在纏繞時(shí)進(jìn)行，如使用粉末浸漬纖維束、混雜纖維束或現(xiàn)場(chǎng)熔融浸漬，但這樣很難制得高質(zhì)量製品，且纏繞速度受到限制。另一途徑是使用預(yù)浸漬纖維束(如APC—2)．這樣易得高質(zhì)量製品，且纏繞速度較快。二是紗片間的粘合。纏繞時(shí)要使紗片中的樹(shù)脂溶化並有足夠的流動(dòng)性以便紗片與下層及相鄰紗片很好地融合，為此，一般採(cǎi)用集中加熱和輥壓技術(shù)。

八、其他成型方法注射成型

多用於短纖維增強(qiáng)塑膠(主要為熱塑性，少量為熱固性)製品生產(chǎn)，增強(qiáng)纖維主要為短切玻璃纖維、其次為短切碳纖維(幾毫米長(zhǎng))，纖維含量通常有20%和30％噴射成型

將混有引發(fā)劑的樹(shù)脂和混有促進(jìn)劑的樹(shù)脂分別從噴槍兩側(cè)噴出或混合後噴出，同時(shí)將玻璃纖維粗紗用切斷器切斷並從噴槍中心噴出，與樹(shù)脂一起均勻地沉積在模具上，待材料在摸具上沉積一定厚度後，手輥壓實(shí)。除去氣泡並使纖維浸透樹(shù)脂，最後固化成製品。

八、其他成型方法

樹(shù)脂傳溫成型

RTM(ResinTransferMoulding)是先將增強(qiáng)劑置於摸具中形成一定的形狀，再將樹(shù)脂注射進(jìn)入摸具、浸漬纖維並固化的一種複合材料生產(chǎn)工藝，是FRP的主要成型工藝之一。其最大特點(diǎn)是污染小，為閉模操作系統(tǒng)，另外在製品可設(shè)計(jì)性、可方向性增強(qiáng)、製品綜合性能方面優(yōu)於SMC、BMC。增強(qiáng)反應(yīng)注射成型

RRM(ReinforccdReactionInjectionMoulding)是將兩種能起快速固化反應(yīng)的原料，分別與短切纖維增強(qiáng)材料混合成漿料．在流動(dòng)性很好的液態(tài)情況下混合並注入模具，在模具中兩組分迅速反應(yīng)固化，脫模得到製品的一種複合材料成型工藝，多用於汽車工業(yè)。

第五節(jié)FRP的力學(xué)性能一、靜態(tài)力學(xué)性能

特點(diǎn)：（1）與位置和方向有關(guān)（2）一般直到斷裂都是完全彈性的，沒(méi)有屈服點(diǎn)或塑性區(qū)，一般斷裂應(yīng)變很小，與金屬比，斷裂功小、韌性差。（3）縱向模量和拉伸強(qiáng)度可由混合定律計(jì)算

El=EfVf+EmVm

σLu=σfuVf+σmVm

橫向模量ET和GLT可由半經(jīng)驗(yàn)的Halpin-Tsai公式估算

FRP的橫向拉伸強(qiáng)度受基體或纖維與基體介面控制，由於存在應(yīng)力集個(gè)，故低於基體強(qiáng)度。（4）FRP的高溫力學(xué)性能主要受基體控制，基體的效變形溫度高、模量的高溫保持率高，則其複合材料的高溫性能就好。

二、疲勞性能

所有材料在低於靜態(tài)強(qiáng)度假限的動(dòng)載荷作用下，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間都要破壞，這一現(xiàn)象彌材料的疲分。通常用疲勞壽命N或疲勞強(qiáng)度SN來(lái)表示材料的疲勞性．並以所加應(yīng)力幅值或最大應(yīng)力與應(yīng)力迴圈次數(shù)的關(guān)係曲線(稱S—N曲線)表示。影響S－N曲線的因素

纖維類型及體積分?jǐn)?shù)；②基體類型；

鋪層形式；④介面性質(zhì)；⑤載荷形式；⑥平均應(yīng)力；⑦交變應(yīng)力頻率；⑧環(huán)境條件

在同樣的試驗(yàn)條件下，F(xiàn)RP的疲勞性能一般優(yōu)於金屬。而高模量的CF，KF或BF增強(qiáng)塑膠疲勞性能優(yōu)於GFRP。因?yàn)檠}合材料模量越低，則產(chǎn)生同樣大小應(yīng)力的應(yīng)變就大，因而更易發(fā)生疲勞損傷?？v向疲勞強(qiáng)度隨纖維含量的增加而增加三、衝擊和韌性常用的用於表徵複合材料韌性的方法有三種即衝擊強(qiáng)度（Charpy和Izod衝擊試驗(yàn)）、斷裂韌性Gc及衝擊後壓縮強(qiáng)度(CAI)衝擊破壞模式FRP的能量吸收包括(a)纖維破壞；(b)基體變形和開(kāi)裂；(c)纖維脫膠；（d)纖維拔出；(e)分層裂紋等典型材料衝擊強(qiáng)度第一節(jié)概述

一、MMC的沿革與發(fā)展二、MMC的分類1、按增強(qiáng)材料形態(tài)分類纖維增強(qiáng)金屬基複合材料顆粒和晶須增強(qiáng)金屬基複合材料2、按金屬基體分類鋁基複合材料鈦基複合材料鎂基複合材料高溫合金複合材料金屬間化合物複合材料第二節(jié)金屬基體一、鋁及鋁合金

鋁的基本特點(diǎn)：熔點(diǎn)660℃，密度2.7g/cm3具有面心立方結(jié)構(gòu)．所以其塑性優(yōu)異，適合各種形式的冷、熱加工導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，約為銅的60％左右化學(xué)活性高，在大氣中鋁表面與氧形成一層薄而又緻密的氧化鋁膜，防止鋁繼續(xù)氧化強(qiáng)度低鋁合金的分類鋁合金的熱處理：淬火和時(shí)效鋁合金的力學(xué)性能二、鈦及鈦合金鈦的特點(diǎn)：熔點(diǎn)1678℃，密度4.51g/cm3重量輕、比強(qiáng)度高。純鈦的強(qiáng)度可通過(guò)冷作硬化和合金化而得到顯著的提高．如50％的冷變形可使強(qiáng)度提高60％，適當(dāng)合金化和熱處理，則抗拉強(qiáng)度可達(dá)1200—1400MPa，含有氫、碳、氧、鐵和鎂等雜質(zhì)元素的工業(yè)純鈦抗拉強(qiáng)度可提高到700MPa，並仍能保持良好的塑性和韌性。高溫性能優(yōu)良。合金化後的耐熱性顯著提高，可以作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等，長(zhǎng)期使用最高溫度已達(dá)540℃在大氣和海水中有優(yōu)異的耐蝕性．在硫酸、鹽酸、硝酸相氫氧化納等介質(zhì)中都很穩(wěn)定導(dǎo)電與導(dǎo)熱性差.導(dǎo)熱係數(shù)只有銅的1／l7和鋁的l／10，比電阻為銅的25倍常用鈦合金的性能三、鎂及鎂合金

特點(diǎn)：密度1.74g/cm3由於其密度低，比強(qiáng)度、比剛度較高，鎂具有密排六方結(jié)構(gòu)，室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好可進(jìn)行各類形式的熱變形加工。減震性能好，能承受較大的衝擊振動(dòng)負(fù)荷四、金屬間化合物具有反常的溫度強(qiáng)度效應(yīng)脆性很大第三節(jié)MMC製備工藝

根據(jù)各種製備方法的基本特點(diǎn)，金屬基複合材料的製備工藝分為四大類，即(1)固態(tài)法；(2)液態(tài)法；(3)噴塗與噴射沉積法；(4)原位複合法。

一、固態(tài)法1．?dāng)U散結(jié)合在一定溫度的壓力下，把新鮮清潔表面的相同或不相同的金屆，通過(guò)表面原子的互相擴(kuò)散而連接在一起。工藝流程關(guān)鍵步驟纖維的排布；複合材料的疊臺(tái)和真空封裝；熱壓纖維排布採(cǎi)用有機(jī)粘接劑。將增強(qiáng)纖維的單絲或多絲的條帶分別浸潰加熱後易揮發(fā)的有機(jī)粘接劑，按複合材料的設(shè)計(jì)要求的間距排列在全屬基體的薄板或箔上，形成預(yù)製件採(cǎi)用帶槽的薄板或箔片，將纖維排布在其中採(cǎi)用等離子噴塗。即先在金屬基體箔片上用排布好一層纖維，然後再噴塗一層與基體金屬相同的金屬纖維表面經(jīng)化學(xué)或物理處理，在基體金屬熔池中充分地浸漬形成金屬基複合絲疊合與封裝為了防止複合材料在熱壓中的氧化，疊合好的複合材料坯科應(yīng)真空封裝於金屬模套中。為了便於複合材料在熱壓後與金屬模套的分離，在金屬模套的內(nèi)壁徐上雲(yún)母粉類的塗料以利分離，注意不能塗與金屬基體發(fā)生反應(yīng)的塗料。熱壓

在真空或保護(hù)氣氛下直接放入熱壓模或平板進(jìn)行熱壓合熱壓工藝參數(shù)主要為：熱壓溫度、壓力和時(shí)間擴(kuò)散結(jié)合的優(yōu)缺點(diǎn)：工藝相對(duì)複雜，纖維排布、疊合以及封裝手工操作多，成本高。能按照複合材料的鋪層要求排布。在熱壓時(shí)可通過(guò)控制工藝參數(shù)的辦法來(lái)控制介面反應(yīng)2．粉末冶金適用於連續(xù)、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)．也可用於短纖維、顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)的金屬基複合材料長(zhǎng)纖維增強(qiáng)：將纖維和金屬粉末按比例混合，密封在容器中，然後進(jìn)行熱等靜壓其他增強(qiáng)相粉末冶金的優(yōu)點(diǎn)工藝過(guò)程溫度低，可以控制介面反應(yīng)增強(qiáng)材料(纖維、顆粒或晶須)與基體金屬粉末可以任何比例混合，纖維含量最高可達(dá)75％，顆粒含量可達(dá)50％以上對(duì)浸潤(rùn)性和密度差的要求較小採(cǎi)用熱等靜壓工藝時(shí)，其組織細(xì)化、細(xì)密、均勻，一般不會(huì)產(chǎn)生偏析、偏聚等缺陷，可使空隙和其他內(nèi)部缺陷得到明顯改善，從而提高複合材料的性能可以用傳統(tǒng)的加工方法進(jìn)行二次加工粉末冶金的缺點(diǎn)工藝過(guò)程比較複雜，金屬基體必須製成金屬粉末，增加了工藝的複雜性和成本在製備鋁基複合材料時(shí)，還要防止鋁金屬粉末引起的爆炸二、液態(tài)法1．壓鑄壓鑄成型(Squeezecasting)，是指在壓力的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬基複合材料或金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強(qiáng)材料須制體的孔隙中，在壓力下快速凝固成型而製備金屬基複合材料的工藝方法。普通壓鑄工藝過(guò)程

將包含有增強(qiáng)材料的金屬熔體倒入預(yù)熱模具中後迅速加壓，壓力約為70—l00MPa，使液態(tài)金屬基複合材料在壓力下凝固。待複合材料完全固化後頂出，即制得所需形狀及尺寸的金屬基複合材料的坯料或壓鑄件。增強(qiáng)材料預(yù)製體的壓鑄工藝過(guò)程將熔融金屬注入裝有增強(qiáng)材料(長(zhǎng)、短纖維，顆?；蚓ы?的預(yù)製件模具中，並在壓力下使之滲入預(yù)製件的間隙，在高壓下迅速凝固成金屬基複合材料壓鑄法的優(yōu)點(diǎn)其組織細(xì)化、無(wú)氣孔，可以獲得比一般金屬模鑄件性能優(yōu)良的壓鑄件。工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，材料的品質(zhì)高且穩(wěn)定易於工業(yè)化生產(chǎn)。2．半固態(tài)複合鑄造將顆粒加入處?kù)栋牍虘B(tài)的金屬基體中，通過(guò)攪拌使顆粒在金屬基體中均勻分佈，並取得良好的介面結(jié)合，然後澆注成型或?qū)牍虘B(tài)複合材料注入摸具進(jìn)行壓鑄成型。3．熔滲

將增強(qiáng)材料製成多孔預(yù)製體，置基體金屬熔體的上方或內(nèi)部，利用毛細(xì)力的使熔體作用滲入預(yù)製中。也可將預(yù)製體和基體金屬坯料裝入一可通入流動(dòng)氮?dú)獾募訜釥t中。通過(guò)加熱，基體金屬熔化，自發(fā)滲透入網(wǎng)絡(luò)狀增強(qiáng)材料預(yù)製體中三、噴塗與噴射沉積

噴塗沉積主要應(yīng)用於纖維增強(qiáng)金屬基複合材料的須制層的製備，也可以獲得複合層狀複合材料的坯料。噴射沉積則主要用於製備顆粒增強(qiáng)金屬基複合材料。噴射與噴塗沉積工藝的最大特點(diǎn)是增強(qiáng)材料與基體金屬的潤(rùn)濕性要求低；增強(qiáng)材料與熔融金屬基體的接觸時(shí)間短，介面反應(yīng)量少。噴塗沉積製備纖維增強(qiáng)金屬基複合材料時(shí)，纖維的分佈均勻，獲得的薄單層纖維增強(qiáng)預(yù)製層可以很容易地通過(guò)擴(kuò)散結(jié)合工藝形成複合材料結(jié)構(gòu)形狀和板材。噴塗與噴射沉積工藝，可以與各種陶瓷纖維或顆粒複合，即基體金屬的選擇範(fàn)圍廣。1、噴塗沉積

噴塗沉積(spraydeposition)主要原理是以等離子體或電弧加熱金屬粉末或金屬線、絲，甚至增強(qiáng)材料的粉末，通過(guò)噴塗氣體噴塗沉積到沉積基板上。2、噴射沉積（Ospray）

將基體金屬熔煉後，在壓力作用下通過(guò)噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體外流的作用下．液態(tài)金屬被分散為細(xì)小的液滴，形成“霧化錐”，同時(shí)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴咀向“霧化錐”噴入增強(qiáng)顆粒，使之與金屬液滴一齊在一基板上沉積並快速凝固形成顆粒增強(qiáng)金屬基複合材料。四、原位複合1．共晶合金定向凝固原理：共晶合金定向凝固時(shí)，參與共晶反應(yīng)的兩相同時(shí)以棒狀(纖維狀)或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成。2．直接金屬氧化法唯一基體法：將金屬熔體（鋁和鈦）加熱到較高的溫度，向其中通入反應(yīng)性氣體（氧氣或氮?dú)猓?，加入促使氧化反?yīng)的合金元素Si和Mg，使熔化金屬通過(guò)顯微通道滲透到氧化層外邊，並順序氧化，即鋁被氧化，但液鋁的滲透通道未被堵塞■多孔預(yù)成型體氧化法3.反應(yīng)生成法利用各種金屬粉末、液體與非金屬粉末或氣體反應(yīng)生成金屬或金屬間化合物基體的複合材料。Ti+C+Al=Al+TiC

Ti+B+Al=Al+TiB2

Ti+C+Ni+Al=Ni3Al+TiC第四節(jié)MMC介面一、MMC介面類型與介面結(jié)合1．金屬基複合材料介面類型介面層的形貌

Cf/Ni中Ni向碳纖維擴(kuò)散層Bf/6Al-4Ti-V中的介面反應(yīng)層

2．金屬基複合材料介面結(jié)合(1)機(jī)械結(jié)合屬於無(wú)溶解又不互相反應(yīng)的第I類介面。主要依靠增強(qiáng)材料與基體表面的摩擦力而結(jié)合。研究表明，經(jīng)過(guò)表面蝕的增強(qiáng)材料所構(gòu)成的複合材料的強(qiáng)度要高2—3倍。但是這種介面結(jié)合僅限於受載應(yīng)力平行於增強(qiáng)材料表面時(shí)才能承載。(2)浸潤(rùn)與溶解結(jié)合

基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生潤(rùn)濕，並伴隨一定程度的相互溶解而產(chǎn)生的—種結(jié)合，其介面是第II類。一般增強(qiáng)材料與基體有一定的潤(rùn)濕性，在浸潤(rùn)後產(chǎn)生局部的互溶才有一定結(jié)合力。如果互相溶解嚴(yán)重，以至於損傷了增強(qiáng)材料，則會(huì)改變?cè)鰪?qiáng)材料的結(jié)構(gòu)，削弱了增強(qiáng)材料的性能，從而降低複臺(tái)材料的性能。(3)化學(xué)反應(yīng)結(jié)合

大多數(shù)金屬基複合材料，在熱力學(xué)上是非平衡體系，也就是在增強(qiáng)材料與基體介面存在化學(xué)勢(shì)梯度。增強(qiáng)材料與基體之間只要存在有利的動(dòng)力學(xué)條件，就可能發(fā)生擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)。增強(qiáng)材料與基體介面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在介面上生成新的化合物層，也就是介面層。這種結(jié)合形式就形成了第III類介面。這是主要的結(jié)合方式。適度的反應(yīng)層可以增加介面的強(qiáng)度，但生成過(guò)量的脆性層有害。(4)混合結(jié)合

在一定的溫度和應(yīng)力條件下，第I類介面可能緩慢向第II類和第III類介面轉(zhuǎn)變。二、MMC介面穩(wěn)定性

對(duì)介面的要求要求其在製備過(guò)程中獲得良好的介面與結(jié)合，並且不削弱增強(qiáng)材料要求其在使用過(guò)程中，尤其是在高溫長(zhǎng)時(shí)間使用條件下，能夠保持這種良好的介面與結(jié)合，以保持其性能的穩(wěn)定性1.介面溶解與析出

具有第II類介面的複合材料在製備過(guò)程和高溫使用過(guò)程中，增強(qiáng)材料與金屬基體在介面會(huì)發(fā)生互相溶解，也可能發(fā)生溶解後析出現(xiàn)象，因此採(cǎi)取適當(dāng)?shù)拇胧┦乖鰪?qiáng)材料減少發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的溶解，就可以提高複合材料的性能穩(wěn)定性。介面溶解的防止塗覆加入合金元素減小溶解度粉末冶金製備的w絲／Ni複合材料，在1100℃左右使用50小時(shí)後，鎢絲發(fā)生溶解，造成鎢絲直徑僅為原來(lái)的60%，大大影響鎢絲的增強(qiáng)作用。為此，可採(cǎi)用鎢絲塗覆阻擋層或在鎳基合金中添加少量臺(tái)金元素，如鈦和鋁，可以起到一定的防止鎢絲溶入鎳基臺(tái)金的作用。介面析出的危害Cf/Ni複合材料，在600℃高溫下，在介面碳先溶入鎳，而後又析出，析出的碳是石墨結(jié)構(gòu)，密度增大而在介面留下空隙，給鎳提供了滲入碳纖維擴(kuò)散聚集的位置，而且隨溫度的提高鎳滲入量增加，嚴(yán)重?fù)p傷了碳纖維，使其強(qiáng)度嚴(yán)重下降2．介面反應(yīng)

介面反應(yīng)是影響具有第III類介面的複合材料介面穩(wěn)定性的化學(xué)因素。當(dāng)介面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成大量脆性化合物時(shí)，就會(huì)削弱增強(qiáng)材料的增強(qiáng)作用，尤其是在高溫使用條件下，這種介面反應(yīng)的不穩(wěn)定性會(huì)造成複合材料的脆性破壞。介面反應(yīng)的地點(diǎn)基體與反應(yīng)產(chǎn)物介面層之間的邊界上反應(yīng)產(chǎn)物介面層與增強(qiáng)材料之間的邊界上上述兩種邊界上同時(shí)產(chǎn)生介面反應(yīng)的形式(1)連續(xù)介面反應(yīng)反應(yīng)物的量(或介面層厚度)會(huì)隨溫度的變化和時(shí)間的長(zhǎng)短發(fā)生變化(2)交換式反應(yīng)

當(dāng)增強(qiáng)材料與含有兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物後，反應(yīng)產(chǎn)物還會(huì)與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生介面的不穩(wěn)定硼纖維增強(qiáng)合鋁較高的鈦合金(Ti一8A1—1Mo一1V)

首先是含鋁的鈦合金與硼反應(yīng)：

Ti(Al)+B=(Ti,Al)B2

形成的(Ti，A1)B2介面反應(yīng)產(chǎn)物與鈦繼續(xù)進(jìn)行交換反應(yīng)：

(Ti,Al)B2+Ti

=TiB2+Ti(Al)

這樣，介面反應(yīng)物中的鋁又會(huì)重新富集於基體合金一側(cè)，甚至形成Ti3Al金屬間反應(yīng)物(3)暫穩(wěn)態(tài)介面的變化

暫穩(wěn)態(tài)介面的變化一般是由於增強(qiáng)材料表面局部氧化所造成的。在硼纖維增強(qiáng)鋁中，由於硼纖維上吸附有氧，並與之生成BO2，當(dāng)這層氧化物在擴(kuò)散結(jié)合時(shí)末受到破壞，但它是不穩(wěn)定的。在一定溫度下，由於鋁與氧親和力強(qiáng)，可以還原BO2，生成Al2O3，這種介面結(jié)合亦稱之為氧化結(jié)。在長(zhǎng)期熱效應(yīng)的作用下，介面上的BO2氧化膜會(huì)發(fā)生球化，介面結(jié)合狀態(tài)發(fā)生變化。三、MMC介面浸潤(rùn)與介面反應(yīng)控制1.增強(qiáng)材料的表面處理增強(qiáng)材料的表面性質(zhì)的類型：第一類增強(qiáng)材料的表面能很低，極不容易被基體熔體所潤(rùn)濕，但又能與某些金屬基體發(fā)生強(qiáng)烈的介面反應(yīng)。這類增強(qiáng)材料主要有碳纖維與氧化鋁類纖維、顆粒和晶須。第二類增強(qiáng)材料較易於被基體所潤(rùn)濕，也能與某些金屬基體反應(yīng)，但比第一類穩(wěn)定得多，主要有碳化矽和碳化硼類增強(qiáng)材料。日前尚未發(fā)現(xiàn)既能滿足潤(rùn)濕要求，又不與金屬基體發(fā)生介面反應(yīng)的惰性增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料的表面處理－－表面塗覆塗覆的作用改善增強(qiáng)材料與基體的潤(rùn)濕性和粘著性防止增強(qiáng)材料與基體之間的擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)減輕增強(qiáng)材料與基體之間的熱應(yīng)力集中2．金屬基體改性

在某些金屬基複合材料體系中，採(cǎi)用基體合金中添加某些合金元素以改善增強(qiáng)材料與基體之間的浸潤(rùn)條件或有效控制介面反應(yīng)的方法為基體改性。基體改性方法：第一種是控制介面反應(yīng)。加入改性合金元素應(yīng)使介面發(fā)生反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)速度常數(shù)盡可能小，以保持第III類介面的穩(wěn)定性。第二種是改善介面浸潤(rùn)性。添加可與增強(qiáng)材料表面進(jìn)行一定程度介面反應(yīng)，從而形成一層很薄的反應(yīng)層的合金元素，提高增強(qiáng)材料的表面能，以增加其與基體的潤(rùn)濕性；或者在基體中添加的合金元素盡可能不與增強(qiáng)材料表面發(fā)生介面反應(yīng)，但可降低基體液相的表面能。合金元素對(duì)硼纖維介面反應(yīng)速度常數(shù)的影響沒(méi)有影響

稀釋劑明顯降低通過(guò)基體改性增強(qiáng)潤(rùn)濕性Al2O3f與Al的潤(rùn)濕角:660℃

180980℃

60

Al2O3f與Al-4.5Cu-3Mg的完全潤(rùn)濕，生成MgO·Al2O3尖晶石

Al2O3f與Al-2~3Li的完全潤(rùn)濕，生成LiAlO2

第五節(jié)MMC的性能1．高比強(qiáng)度、比模量2．高韌性和高衝擊性能

基體中的裂紋頂端的最大應(yīng)力接近基體的抗拉強(qiáng)度，而低於纖維的斷裂應(yīng)力時(shí)，裂紋或在介面擴(kuò)展鈍化，或因基體的塑性剪切變形而鈍化，從而改善了複合材料的斷裂韌性

3.對(duì)溫度變化和熱衝擊的敏感性低

4.表面耐久性好，表面缺陷敏感性低表面堅(jiān)實(shí)耐久，尤其是顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基複合材料?？梢宰鳛楣こ虡?gòu)件中的耐磨件使用。在陶瓷基複合材料中，由於腐蝕或擦傷等引起的小裂紋可使其強(qiáng)度劇烈降低。這是由於陶瓷的彈性模量高，但塑性和韌性低，不能象金屬基複合材料中的基體那樣可以借助塑性變形來(lái)使缺口或裂紋鈍化，而造成應(yīng)力集中，引起破壞。聚合物基複合材料基體的強(qiáng)度和硬度與金屬基體相比部相當(dāng)?shù)停癫羵?、磨損等對(duì)其表面都有顯著影響。5．導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好6．良好的熱匹配性

有些纖維，如硼纖維與基合金的熱膨脹係數(shù)接近，在硼纖維增強(qiáng)鈦基複合材料中熱應(yīng)力可以降至很低。碳纖維增強(qiáng)鋁基複合材料經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)後，可使複合材料的熱膨脹係數(shù)接近零。這樣，複合材料在重量上比鋁輕，但強(qiáng)度和剛度卻有很大的提高，而且不會(huì)因溫度差造成變形。7．性能再現(xiàn)性好及製備工藝可借鑒金屬材料二、纖維增強(qiáng)金屬基複合材料的性能1．強(qiáng)度與模量（FRMMC）

FRMMC的強(qiáng)度和模量高，耐高溫性能好，但斷裂應(yīng)變與金屬基體相比要低得多，只有0.01－0.02。因此在沿纖維軸向拉伸時(shí)(縱向)，對(duì)於脆性纖維增強(qiáng)MMC的抗拉強(qiáng)度會(huì)偏離複合混合法則σm

*為纖維斷裂應(yīng)變基體的強(qiáng)度

Al2O3纖維含量與性能的關(guān)係纖維方向?qū)π阅艿挠绊憸囟葘?duì)FRMMC的影響

雖然FRMMC在高溫下強(qiáng)度和模量有所下降，但和基體金屬相比，其強(qiáng)度和模量有顯著提高。如40％W-2％ThO2鎢絲增強(qiáng)鎳基高溫合金在1100℃下的100小時(shí)高溫持久強(qiáng)度(193MPa)，要比基體合金(28MPa)高8.44倍。2．衝擊性能纖維含量影響不大纖維含量和方向的影響

纖維性能的影響

提高韌性：採(cǎi)用大直徑的纖維或者纖維束溫度和熱歷史的影響3．蠕變與疲勞金屬纖維增強(qiáng)陶瓷纖維增強(qiáng)的蠕變性能

在含有陶瓷纖維的金屬基複合材料中，如SiCf／Al或Al2O3f/Al，由於相應(yīng)工作使用溫度範(fàn)圍相對(duì)纖維和基體的熔點(diǎn)分別為0.1-0.3Tf和0.4-0.7Tm。這時(shí)金屬基體蠕變要比纖維高幾個(gè)數(shù)量級(jí),纖維呈彈性變形，因此蠕變速率不能達(dá)到穩(wěn)定值，而是會(huì)逐漸下降，趨於一個(gè)平衡值後而趨於零。由於硼纖維和其他陶瓷纖維的抗蠕變性能優(yōu)異，因此陶瓷纖維增強(qiáng)金屬基複合材料的抗蠕變性能要比基體合金優(yōu)異。疲勞強(qiáng)度

三、顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基複合材料的性能1.強(qiáng)度與模量顆粒增強(qiáng)（PRMMC）σmu

：基體的抗拉強(qiáng)度

σmy：基體的屈服強(qiáng)度Ip/dp：顆粒的長(zhǎng)徑比晶須增強(qiáng)（WRMMC）PRMMC和WRMMC模量符合混合法則第一節(jié)概述陶瓷複合材

料的韌性第二節(jié)陶瓷基體一、氧化鋁陶瓷性能特點(diǎn)：（1）硬度高，耐磨性好（2）耐高溫性能好（3）耐腐蝕性好（4）電絕緣性好二、氮化矽陶瓷

以反應(yīng)燒結(jié)（Si粉＋95%N2＋5%H2）或熱壓燒結(jié)（Si3N4+MgO）製備性能特點(diǎn)：（1）強(qiáng)度高（2）抗熱震性和抗高溫蠕變性能也比其他陶瓷好（3）硬度高，摩擦係數(shù)小，只有0.1－0.2，是一種極優(yōu)良的耐磨材料（4）自潤(rùn)滑性（5）良好的耐腐蝕性，除氫氟酸外，能耐所有的無(wú)機(jī)酸和某些減溶液的腐蝕，並能抵抗熔融有色金屬(如鋁、錫、鋅、鎳、金、銀、銅等)的侵蝕（6）抗氧化溫度可達(dá)1000（7）氮化矽的電絕緣性也很好Si3N4+Al2O3

三、碳化矽陶瓷

由反應(yīng)燒結(jié)法（α-SiC+C粉燒結(jié)）和熱壓燒結(jié)（SiC+促進(jìn)劑）法制備特點(diǎn)：較高的高溫強(qiáng)度較高的熱導(dǎo)率較好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性四、玻璃陶瓷含有大量微晶體的玻璃稱為微晶玻璃或玻璃陶瓷。常用的玻璃陶瓷有鋰鋁矽（Li2O-Al2O3-SiO2，LAS）和鎂鋁矽(MgO-Al2O3-SiO2，MAS)兩個(gè)體系。特點(diǎn)：低密度，2.0-2.8g/cm3高彈性模量（80－140GPa）和彎曲強(qiáng)度(70-350MPa)第三節(jié)陶瓷粉末的燒結(jié)

粉末狀物料在壓制成型後，含有大量氣孔，顆粒之間接觸面積較小，強(qiáng)度也比較低。經(jīng)過(guò)高溫作用後，坯體中顆粒相互燒結(jié)，介面逐漸擴(kuò)大成為晶界，最後數(shù)個(gè)晶粒結(jié)合在一起，產(chǎn)生再結(jié)晶與聚集再結(jié)晶，使晶粒長(zhǎng)大。氣孔體積縮小，大部分甚至全部從體坯中排出，體收縮而緻密，強(qiáng)度增加，成堅(jiān)固整體。上述整個(gè)過(guò)程叫燒結(jié)過(guò)程。燒結(jié)是一複雜的物理化學(xué)過(guò)程，除物理變化外，有的還伴隨有化學(xué)變化，如固相反應(yīng)。這種由固相反應(yīng)促進(jìn)的燒結(jié)，又稱反應(yīng)燒結(jié)。高純物質(zhì)通常在燒結(jié)溫度下基本上無(wú)液相出現(xiàn)；而多組分物系在燒結(jié)溫度下常有液相存在，稱為液相燒結(jié)。一、燒結(jié)過(guò)程科布爾(Coble)把繞結(jié)過(guò)程劃分為初期、中期、末期三個(gè)階段初期：晶界不移動(dòng)，也就是晶粒不成長(zhǎng)中期：晶界開(kāi)始移動(dòng)，晶粒開(kāi)始成長(zhǎng)，氣孔成三維連通狀末期：還體浙趨緻密，當(dāng)相對(duì)密度達(dá)95%左右，氣孔逐漸封閉，成為不連續(xù)狀態(tài)二、燒結(jié)動(dòng)力

任何系統(tǒng)都有向最低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，所以這種表面自由能的降低，在很多情況下就成為物質(zhì)燒結(jié)的主要?jiǎng)恿Α４送飧叨确稚⑽锪系谋砻孢€存在嚴(yán)重歪曲，內(nèi)部也具有比較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)缺陷，這些都促使晶格活化，性質(zhì)點(diǎn)易於遷移，從而構(gòu)成燒結(jié)動(dòng)力的另一部分。燒結(jié)作用力分析表面張力產(chǎn)生的作用於ABCD表面上切線方向的力，可由表面張力定義求出由表可以看出，曲面壓力隨顆粒半徑之降低而增加，隨曲面圓內(nèi)角