現(xiàn)代復(fù)合材料課件

現(xiàn)代復(fù)合材料第一章復(fù)合材料概述復(fù)合材料的定義和分類復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的用途第一節(jié)復(fù)合材料的定義和分類什么是復(fù)合材料：

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾在塑料名詞術(shù)語的定義中，把復(fù)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—樹脂、金屬、陶瓷等)與分散相的增強材料(如各種纖維、織物及粉末填料等)組合的多相材料稱為復(fù)合構(gòu)料”。（偏重結(jié)構(gòu)）材料的優(yōu)缺點組合示意圖復(fù)合材料的特點

(1)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面（相界面）。

(2)復(fù)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，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良持殊性能。（3）復(fù)合材料具有可設(shè)計性。復(fù)合材料的分類

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

按增強相種類分顆粒晶須纖維無機非金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料的分類

按增強相的形狀分零維（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)復(fù)合材料功能復(fù)合材料智能復(fù)合材料

復(fù)合材料性能特點比強度和比模量高比強度＝強度/密度比模量＝模量/密度化學(xué)穩(wěn)定性好減摩、耐摩和自潤滑性能好耐熱性高高韌性和高抗熱沖擊性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性其它特殊性能：優(yōu)良的電器絕緣材料復(fù)合材料性能比較:(1)強度和模量復(fù)合材料性能比較:(1)強度和模量(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料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、耐磨和自潤滑性能碳纖維可以增加石棉的摩擦系數(shù)，也可以降低塑料的摩擦系數(shù)。還可以增強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)能長期使用，而其力學(xué)性能保持不低于80％的一種性能指標(biāo)。目前聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為350℃，金屬基復(fù)合材料的耐溫性較好，350－1100℃。SiCAl2O3/陶瓷復(fù)合材料：1200－1400℃

SiC/Si3N4復(fù)合材料：1500℃

復(fù)合材料的用途機械汽車化學(xué)化工航空航天建筑日常生活第二章增強相增強相的種類纖維及織物：有機和無機纖維、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)從漏板拉出匯集而成的單絲束，也稱纖維束絲〔Tow)、單股紗或原絲捻度(Twist)——亦稱捻數(shù)，指有捻紗或其它紗線在每米長度沿著軸向的捻回效(螺旋匝數(shù))。S為左捻，逆時針，Z為右捻，順時針細度——指單絲的直徑，一般用微米表示。表示方法：重量法：用一克原紗的長度來表示，稱為支數(shù)。定長法：是目前國際上統(tǒng)一使用的方法，單位為Tex，系指1000米長原紗的克數(shù)。

粗紗(Roing)——由若干單股有捻紗、原紗或單股無捻紗以無捻或少捻平行集束而成。無捻粗紗——有多股連續(xù)單股原紗并排合股而成(不加捻)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。一段來講，無捻粗紗適于制作預(yù)浸料，因為它易于浸透樹脂，有捻纖維適于編織。短切纖維(Shortfiber)——將原絲、無捻粗紗或加捻紗切斷成或拉斷成長度為35—150m(有的書中為0.6—60mm)的纖維，也稱為短纖維。長徑比——短纖維長度與直徑之比。

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，隨機器的移動均勻排列，用樹脂粘結(jié)而成。連續(xù)纖維氈——由纖維本身的卷纏而形成并由少量粘合劑粘合。這種氈蓬松而具有彈性。纖維織物(c1oth)——用加了捻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)強度由樹脂決定。預(yù)浸料(Prepreg)——用于制造復(fù)合材料浸漬樹脂基體的纖維或其織物經(jīng)烘干或預(yù)聚的一種中間材料。一、有機纖維1、kevlar纖維：芳香族酰胺纖維特點：高強度、高模量，韌性好，密度低Kevlar49：聚對苯撐對苯二甲胺Kevlar29：聚對苯酰胺具有高的結(jié)晶度和取向度具有垂直于纖維軸的層狀結(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：高比強度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。但熔點較低(約135)，高溫容易蠕變用途：纜繩、武器裝甲、防彈背心、航天航空部件

UHMWPE纖維的沖擊強度幾乎與尼龍相當(dāng)，在高速沖擊下的能量吸收是芳綸纖維（PPTA）、尼龍纖維的兩倍。這種并疲勞性能非常適合制作防彈材料。二、無機纖維玻璃纖維：有堿(>12%),中堿()6-12%,低堿(2-6%)，無堿(<2%)

特點：耐腐蝕、高溫；便宜；不耐磨、易折斷碳纖維：熱膨脹系數(shù)??；耐高溫蠕變；自潤滑、導(dǎo)電性高；價格高硼纖維：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)目前廣泛采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、黏膠纖維或瀝青纖維。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，即碳纖維的二級結(jié)構(gòu)單元[見圖b]。再由石墨微晶組成原纖維[圖c]，其直徑為50nm左右，長度達數(shù)百納米，這是碳纖維的三級結(jié)構(gòu)單元。最后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

碳纖維的熱膨脹系數(shù)呈各向異性。平行于纖維方向是負值，為-(0.72~0.90)×10-6/℃,垂直于纖維方向是正值。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)；垂直于纖維方向的熱導(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。碳纖維屬于半導(dǎo)體性質(zhì)而石墨纖維的導(dǎo)電性比鋁、銅還要高。低熱膨脹系數(shù)使碳纖維制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：導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性和抗沖擊性能好。纖維性能比較纖維的柔韌性及斷裂都沒有屈服

Kevlar49是韌性斷裂，其它為脆性斷裂比性能

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)是指具有一定長徑比(—般大于10)和截面積小于52×10－5cm2的單晶纖維材料。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。晶須的生長機制VLS機制(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)熔體達到一定的過飽和度時析出晶體，并沉積在液滴與接體的界面上。隨著氣源的連續(xù)供給，晶須連續(xù)長出，而將小液滴抬起，直到停止生長第三節(jié)顆粒剛性顆粒增強體或陶瓷顆粒增強體。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、碳化硼、石墨、細金剛石等。

作用：提高耐磨、耐熱、強度、模量和韌性的作用。延性顆粒增強體，主要為金屬顆粒。

作用：增強材料的韌性。但高溫力學(xué)性能會有所下降。顆粒增韌機制

顆粒增強體可以通過三種機制產(chǎn)生增韌效果當(dāng)材料受到破壞應(yīng)力時，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，從而提高復(fù)合材料的韌性。這種增韌機制稱為相變增韌和微裂紋增韌。復(fù)合材料中的第二相顆粒使裂紋擴展路徑發(fā)生改變，如裂紋偏轉(zhuǎn)、彎曲、分叉、裂紋橋接或裂紋釘扎等，從而產(chǎn)生增韌效果。以上兩種機制同時發(fā)生，此時稱為混合增韌。第四節(jié)增強材料的表面處理

作用：改善增強材料與基體的浸漬性相與界面的結(jié)合強度聚合物基復(fù)合材料（1）偶聯(lián)劑處理：有機硅烷，鈦酸脂（2）等離子處理：（3）氧化處理金屬基復(fù)合材料對于金屬基復(fù)合材料，對纖維進行表面處理的目的主要是改善纖維的浸潤性，抑制纖維與金屬基體之間界面發(fā)生反應(yīng)形成界面反應(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硅或碳化硼涂層，可以抑制熱壓成型時硼纖維與錢之間的界面反應(yīng)。對氧化鋁纖維表面則可沉積鎳或鎳合金層。第三章復(fù)合理論第一節(jié)復(fù)合原則材料組元的選擇依據(jù)：復(fù)合材料的性能1、顆粒增強復(fù)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)致塑性變形的位錯運動(金屬、陶瓷基體)或分子鏈的運動(聚合物基體)。

(2)顆粒直徑的大小要合適，因為顆粒直徑過大會引起應(yīng)力集中或本身破碎導(dǎo)致材料強度降低；顆粒直徑太小，則起不到大的強化作用。因此，一般粒徑為幾微米到幾十微米。(3)顆粒的數(shù)量一般大于20％，數(shù)量太少，達不到最佳的強化效果。2．纖維增強復(fù)合材料的原則(1)纖維的強度和模量都要高于基體，即纖維應(yīng)具有高模量和高強度，因為除個別情況外，在多數(shù)情況下承載主要是靠增強纖維。

(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界面?zhèn)鬟f給纖維。

(3)纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不能相差過大。

(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)生強烈的反應(yīng)，否則將引起纖維性能降低而失去強化作用。

(5)纖維所占的體積、纖維的尺寸和分布必須適宜。制備方法的選擇原則：(1)所選的工藝方法對材料組元的損傷最小(2)能使任何形式的增強材料(纖維、顆粒、晶須)均勻分布或按預(yù)設(shè)計要求規(guī)則排列；(3)使最終形成的復(fù)合材料在性能上達到充分發(fā)揮各組元的作用，即達到揚長避短，而且各單元組元仍保留著固有的特性。第二節(jié)復(fù)合材料的界面設(shè)計原則

復(fù)合材料的界面，并不是個理想的幾何面。實驗證明，復(fù)合材料相與相之間的兩相交接區(qū)是一個具有相當(dāng)厚度的界面層，兩相的接觸會引起多種界面效應(yīng)，隨界面層的結(jié)構(gòu)和性能不同于它兩側(cè)鄰兩側(cè)相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，具有如下特點：具有一定厚度性能在厚度方向上有梯度變化隨環(huán)境條件變化而改變界面效應(yīng)界面層的存在，導(dǎo)致界面效應(yīng)的發(fā)生(1)分割效應(yīng)：—個連續(xù)體被分割成許多小區(qū)域，從而對基體力學(xué)性能造成影響。(2)不連續(xù)件止：在界面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)性和界面摩擦出現(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、沖擊波等在界面產(chǎn)生的散射和吸收.(4)感應(yīng)效應(yīng)：在界面上產(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)象界面設(shè)計原則

適度粘接的界面層界面的作用：（1）把施加在整體上的力，由基體通過界面層傳遞到增強材料組元。（2）在一定的應(yīng)力條件下能夠脫粘，以及使增強纖維從基體拔出并發(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吸收外加載荷的能量以達到提高其抗破壞能力。合適性質(zhì)的界面層一種是界面層的模量應(yīng)介于增強材料與基體材料之間，最好形成梯度過渡。另一種觀點是界面層的模量低于增強材料與基體，最好是一種類似橡膠的彈性體，在受力時有較大的形變。界面對性能的影響聚合物基復(fù)合材料的界面設(shè)計關(guān)?。涸鰪娊缑娴慕櫺越饘倩鶑?fù)合材料的界面設(shè)計關(guān)?。海?）對增強材料進行表面處理，增強浸漬性和防止界面反應(yīng)（2）選擇金屬元素。改變基體的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻擋層來控制界面反應(yīng)。陶瓷基復(fù)合材料的界面設(shè)計關(guān)?。盒枰环N既能提供界面粘接又能發(fā)生脫粘的界面層，這樣才能充分改善陶瓷材料韌性差的缺點。第三節(jié)復(fù)合材料界面理論浸潤性熱力學(xué)原理：體系自由能減小

力平衡原理

界面粘結(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并結(jié)合在一起的一種現(xiàn)象。1、機械作用理論機械作用機理如下圖所示，當(dāng)兩個表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機械互鎖。表面越粗糙，互鎖作用越強，因此機械粘結(jié)作用越有效。2、靜電作用理論

當(dāng)復(fù)合材料的基體及增強材料的表面帶有異性電荷時，在基體與增強材料之間將發(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)作用是指增強材料表面的化學(xué)基團(圖中標(biāo)有x面)與基體表面的相容基團(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)劑利用于增強材料表面與聚合物基體的粘結(jié)。4、界面反應(yīng)或界面擴散理論復(fù)合材料的基體與增強材料間可以發(fā)生原子或分子的互擴散或發(fā)生反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或互擴散結(jié)合。第四節(jié)力學(xué)性能復(fù)合原理顆粒增強纖維增強晶須增強4.1顆粒增強原理

彌散增強原理彌散增強復(fù)合材料是由彌散微粒與基體復(fù)合而成。其增強機理與金屬材料析出強化機理相似，可用位錯（鏈段）繞過理論解釋。載荷主要由基體承擔(dān)，彌散微粒阻礙基體的位錯（鏈段）運動，微粒阻礙總體位錯（鏈段）運動能力越大，增強效果愈大。4.2顆粒增強原理顆粒增強復(fù)合材料是由尺寸較大(＞1um)的堅硬顆粒與基體復(fù)合而成，其增強原理與彌散增強原理有區(qū)別。在顆粒增強復(fù)合材料中，雖然載荷主要由基體承擔(dān)，但顆粒也承受載荷并約束基體的變形，顆粒阻止基體位錯運動的能力越大，增強效果越好。在外載荷的作用下，基體內(nèi)位錯滑移在基體／顆粒界面上受到阻滯，并在顆粒上產(chǎn)生應(yīng)力集中，其值為

σi=nσ

根據(jù)位錯理論，應(yīng)力集中因子為因此

Gm為基體的剪切模量，

b為柏氏矢量

Df為顆粒之間的距離為

如果σi

＝σ

P(顆粒強度)時，顆粒開始破壞，產(chǎn)生裂紋，引起復(fù)合材料變形

σ

P=Gp/C(C為常數(shù))顆粒增強復(fù)合材料的屈服強度為將體視學(xué)關(guān)系式代入得到4.3單向連續(xù)纖維增強原理復(fù)合材料性能與組分性能、組分分布以及組分間的物理、化學(xué)作用有關(guān)。復(fù)合材料性能可以通過實驗測量確定，理論和半實驗的方法可以用于預(yù)測復(fù)合材料中系統(tǒng)變量的影響，但是不十分可靠，特別在單向復(fù)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復(fù)合材料縱向性能方面相當(dāng)精確的。4.3.1縱向強度和剛度

(1)復(fù)合材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線的初始階段連續(xù)纖維增強復(fù)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)的并全部相互平行；纖維／基體之間的結(jié)合是完美的，在界面無相對滑動發(fā)生；忽略纖維和基體之間的熱膨脹系數(shù)、泊松比以及彈性變形差所引起的附加應(yīng)力。整個材料的縱向應(yīng)變可以認(rèn)為是相同的，即復(fù)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

對于平行纖維的復(fù)合材料，體積分?jǐn)?shù)等于面積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料、纖維、基體的應(yīng)變相同．對應(yīng)變求導(dǎo)數(shù)，得到

dσ/de表示在給定應(yīng)變時相應(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)復(fù)合材料初始變形后的行為

一般復(fù)合材料的變形有4個階段：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，復(fù)合材料斷裂。對于合屬基復(fù)合材料來說，由于基體的塑性變形，第二階段可能占復(fù)合材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的相當(dāng)部分。(3)斷裂強度對于縱向受載的單向纖維復(fù)合材料，當(dāng)纖維達到其斷裂應(yīng)變值時，復(fù)合材料開始斷裂。當(dāng)基體斷裂應(yīng)變大于纖維斷裂應(yīng)變時，理論計算時一般假設(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，基體不能承擔(dān)纖維斷裂轉(zhuǎn)移的全部裁荷，則復(fù)合材料斷裂。這種條件下，復(fù)合材料縱向斷裂強度可以認(rèn)為與纖維斷裂應(yīng)變值對應(yīng)的復(fù)合材料應(yīng)力相等，從混合法則，得到復(fù)合材料縱向斷裂強度

是纖維的強度．是對應(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，基體能夠承擔(dān)纖維斷裂后所轉(zhuǎn)移的全部載荷，隨基體應(yīng)變增加，基體進一步承載，并假設(shè)在復(fù)合材料應(yīng)變高于纖維斷裂應(yīng)變時纖維完全不能承載。這時復(fù)合材料的斷裂強度為

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

當(dāng)基體斷裂應(yīng)變小于纖維斷裂應(yīng)變時，纖維斷裂應(yīng)變值比基體大的情況與纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的情況一致。在纖維體積分?jǐn)?shù)較小時，纖維不能承擔(dān)基體斷裂后所轉(zhuǎn)移的載荷，則在基體斷裂的同時復(fù)合材料斷裂，由混合法則得到復(fù)合材料縱向斷裂強度為對應(yīng)基體斷裂應(yīng)變時纖維承受的應(yīng)力

當(dāng)纖維維體積分?jǐn)?shù)較大時，纖維能夠承擔(dān)基體斷裂后所轉(zhuǎn)移的全部載荷．假如基體能夠繼續(xù)傳遞載荷，則復(fù)合材料可以進一步承載，直至纖維斷裂，這時復(fù)合材料的斷裂強度為

同樣的方法，可以得到控制復(fù)合材料斷裂所需的最小纖維體積分?jǐn)?shù)為4.3.2橫向剛度和強度(1)Halpin—Tsia公式復(fù)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等于2，矩形纖維為2a/b,a/b是截面尺寸，a處理加載方向(2)橫向強度與縱向強度不同的是，纖維對橫向強度不僅沒有增強作用，反而有相反作用，使得復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變比未增強基體低得多。如果復(fù)合材料的橫向強度受基體強度控制，即基體的橫向強度乘以衰減因子S，那么S可以看作是應(yīng)力集中系數(shù)SCF或者應(yīng)變集中系數(shù)SMF，在忽略泊松效應(yīng)時為：第五節(jié)其它物理性能的復(fù)合原理目前尚未掌據(jù)所有物理性能的復(fù)合規(guī)律。已經(jīng)了解得比較清楚的是一些單純加和性(符合線性法則)的簡單物理性能，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)等物理性能的復(fù)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）單向復(fù)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)二維隨機短纖維復(fù)合材料纖維排布平面法線方向的熱導(dǎo)率為

式中，S11為形狀因子，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)三維隨機短纖維復(fù)合材料這種復(fù)合材料可視為各向同性的，其熱導(dǎo)率為對于圓形截面的柱形短纖維(4)顆粒復(fù)合材料當(dāng)顆粒為球狀時，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為6.2熱膨脹系數(shù)當(dāng)兩種各向同性材料復(fù)合后，體系的熱膨脹系數(shù)αc

式中，a1,a2為組成復(fù)合材料組分的熱膨脹系數(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，可用E代替K對于物理常數(shù)差別不是很大的多層復(fù)合體系，可采用加和公式作為近似計算式PMC性能特點優(yōu)點(1)高比強度、高比模量(2)可設(shè)計性(3)耐腐蝕(4)熱膨脹系數(shù)低，尺寸穩(wěn)定(5)耐疲勞缺點材料昂貴在濕熱環(huán)境下性能變化沖擊性能差PMC復(fù)合材料的分類

以基體性質(zhì)不同分：熱塑性樹脂基復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料另一種按增強劑類型及在復(fù)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◆將纖維粘合成整體并使纖維位置固定，在纖維間傳遞載荷，并使載荷均勻◆決定復(fù)合材料的一些性能。如復(fù)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◆決定復(fù)合材料成型工藝方法及工藝參數(shù)選擇◆保護纖維免受各種損傷◆對復(fù)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、基體的分類按樹脂熱行為可分為：熱固性及熱塑性兩類按樹脂特性及用途分為：一般用途樹脂、耐熱性樹脂、耐候性樹脂、阻燃樹脂按成型工藝分為：手糊用樹脂、噴射用樹脂、膠衣用樹脂、纏繞用樹脂、拉擠用樹脂、RTM用樹脂、SMC用樹脂3、固態(tài)高聚物的三態(tài)溫度對聚合物力學(xué)性能的影響溫度對聚合物力學(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、強度、剛度、耐藥品性、耐腐蝕性等。對纖維具有良好浸潤性和粘接力。容易操作，如要求膠液具有足夠長的適用期、預(yù)浸料具有足夠長的貯存期、固化收縮小等。低毒性、低刺激性。價格合理。二、熱固性基體

熱固性基體主要是不飽合聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂，不飽合聚脂樹脂、酚醛樹脂主要用于玻璃纖維增強塑料，其中聚酯樹脂用量最大，約占總量的80％，而環(huán)氧樹脂則一般用作耐腐蝕性或先進復(fù)合材料基體。1、不飽合聚酯樹脂(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：固化收縮率較大、耐熱性較差，價格較便宜不飽合聚酯的性能取決于單體類型和比例，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：堿土金屬氧化物或氫氧化物固化劑：引發(fā)劑(如過氧化物)＋苯乙烯(或MMA)2、環(huán)氧樹脂(EP)環(huán)氧樹脂是—種分子中各有兩個或兩個以上活性環(huán)氧基團的低聚物。特點：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)氧樹脂的固化

環(huán)氧樹脂的固化可以通過催化劑使環(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，有機多元酸或酸酐等。伯胺固比的機制是胺上的活潑氫與環(huán)氧基反應(yīng)：環(huán)氧樹脂的增韌增韌劑：改善樹脂的沖擊強度和耐熱沖擊性能，減少固化時反應(yīng)熱和收縮率。但會使樹脂耐熱性、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)增韌機制：3、聚酰亞胺樹脂(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酰亞胺合成反應(yīng)由二酐和二胺合成聚酰亞胺過程中的主要反應(yīng)4、雙馬樹脂雙馬樹脂(BMI)是由馬來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樹脂特點：優(yōu)異的綜合性能，使用溫度范圍寬(－65—230度，超過環(huán)氧樹脂)，配方選擇范圍大，工藝性好，價格較低等。缺點是較脆，斷裂韌性低雙馬樹脂單體可在熱催化作用下自聚,并發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),生成高度交聯(lián)的聚雙馬網(wǎng)絡(luò)固化后的雙馬樹脂具有良好的耐高溫、耐輻射、耐濕熱、吸濕率低和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點,既具有與環(huán)氧樹脂相似的加工性能,又具有與聚酞亞胺相當(dāng)?shù)哪透邷匦?。但固化以后交?lián)密度極高,使得材料的脆性大、耐沖擊和應(yīng)力開裂的能力較差,無法滿足作為負重結(jié)構(gòu)材料所需的韌性及抗沖擊性。5、酚醛樹脂(PF)

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

三、熱塑性基體

原則上，所有的熱塑性樹脂，如聚烯烴、聚醚、聚酰胺、聚脂、聚砜等都可作為復(fù)合材料基體。1、聚醚醚酮(PEEK)特點：（1）優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性（2）模量與環(huán)氧樹脂相當(dāng)，強度憂于環(huán)氧，而斷裂韌性高一個數(shù)量級（3）耐化學(xué)腐蝕性，不溶于任何溶劑、阻燃性好，極好的耐輻射性2、熱塑性聚酰亞胺

聚醚酰亞胺(PEI)：長期使用溫度為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。聚酰胺酰亞胺(PAI)：是一種熔體粘度很高的熱塑性樹脂，通常也稱假熱塑性枷B。具有優(yōu)異的耐熱性，其Tg可達280℃，長期使用溫度達240℃3、聚苯硫醚(PPS)耐化學(xué)腐蝕性極好，僅次于氟塑料，在室溫下不溶任何有機溶劑。具有良好的機械性能和熱穩(wěn)定性，可長期耐熱至240℃。熔體粘度低，易于通過須浸漬、層壓制成復(fù)合材料。但是在高溫下長期使用，會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、聚醚砜(PES)在180℃溫度下長期使用，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，熱膨脹系數(shù)與溫度無關(guān)，無毒、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，在酮類溶劑中開裂。第三節(jié)PMC的界面

一、PMC界面表征

PMC界面層結(jié)構(gòu)主要包括增強劑表面、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)層的基體過渡層。界面表征的目的：要了解增強劑表面的組成、結(jié)構(gòu)及物理、化學(xué)性質(zhì)，基體與增強劑表面的作用，偶聯(lián)劑與增強劑及基體作用，界面層性質(zhì)，界面粘接強度的大小以及殘余應(yīng)力的大小及作用等。界面化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征

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)、色譜等界面物理性能的表征

二、PMC界面特點大多數(shù)界面為物理粘接，粘接強度較低PMC一般在較低溫度下使用，故界面可保持相對穩(wěn)定PMC中增強本體一般不與基體反應(yīng)

三、PMC界面設(shè)計

PMC界面設(shè)計的基本原則是：改善浸潤性，提高界面粘接強度。提高PMC的界面粘接強度對其大多數(shù)性能是有利的。目前對PMC界面研究的主要目的是改善增強劑與基體的浸潤性，提高界面粘接力。改善PMC表面浸潤性的方法3.1使用偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑一端與玻璃纖維表面結(jié)合，另一端可溶解擴散于界面區(qū)域的樹脂，與樹脂大分子鏈發(fā)生糾纏或形成互穿高聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，達到最好的界面粘附，而且偶聯(lián)劑本身應(yīng)含有長的柔軟鏈節(jié)，以便形成柔性的有利于應(yīng)力弛豫的界面層，提高其吸收和分散沖布能，使復(fù)合材料具有很好的抗沖擊強度。CompanyLogo①納米SiO2粒子改性環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能1%加入量塑性最好，2%加入量強度最高CompanyLogo納米SiO2粒子改性環(huán)氧樹脂的斷口形貌

（a）未改性環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑(b)1%二氧化硅

(c)2%二氧化硅(d)5%二氧化硅abcdCompanyLogo②

偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹脂制備與研究偶聯(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)氧樹脂的FT-IR3300吸收峰減弱，1100處寬化CompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹脂的的剪切拉伸強度CompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹脂的拉伸斷面SEM分析(A)為純環(huán)氧樹脂(B)2wt.%SiO2/EP(C)3wt.%SiO2/EP(D)5wt.%SiO2/EPCompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹脂的能譜分析A.5%SiO2/EP；B.7%SiO2/EPCompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹脂的能譜分析A為S元素分布B為Si元素分布CompanyLogo偶聯(lián)劑改性環(huán)氧樹脂的穩(wěn)定性研究A剪切拉伸試驗對比第1組：無包覆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)氧樹脂靜置一周后的SEM圖圖A為SiO2含量7%KH580/EP復(fù)合材料一周前圖B為SiO2含量7%KH580/EP復(fù)合材料一周后3.2增強劑表面活化

通過各種表面處理方法，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如—COOH、—OH、C＝O、—NH2等等。一方面，這些活性官能團可與基體中活性基團反應(yīng)，另一方面也可提高纖維與基體相容性，提高粘接強度。

通過Ｈ2Ｏ2處理后,在ＣＮＴｓ的表面有大量的官能團產(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CNTs基團的影響CompanyLogo酸化對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）靜置一個月后的分散情況左：untreatedCNTs右：ActivatedCNTsCompanyLogo酸化CNTs的水分散性-TEMTEMgraphofuntreatedCNTsandAcidCNTs（A）untreatedCNTs；（B）ActivatedCNTsBACompanyLogoCNTs改性環(huán)氧樹脂的FT-IR圖中：碳納米管含量為0.5%－1.5%時，-OH的吸收振動峰幾乎為零；而對于純環(huán)氧樹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)氧樹脂的羥基發(fā)生了反應(yīng)，從而使環(huán)氧樹脂基體中的羥基基本反應(yīng)完全。CompanyLogoCNTs改性F51環(huán)氧樹脂剪切強度固化工藝：100℃/2h+150℃/13hCompanyLogoCNTs改性F51環(huán)氧樹脂沖擊強度129CompanyLogoCNTs改性F51環(huán)氧樹脂的斷口形貌ABFEDC(A)pureepoxyresin;(B)0.5%CNTs/epoxycomposite;(C)1%CNTs/epoxycomposite;(D)1.5%CNTs/epoxycomposite;(E)and(F)2%CNTs/epoxycompositeCNTs的強韌化機制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CNTs

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

（1）包覆碳納米管改性F51環(huán)氧樹脂研究將CNTs-COOH分散在彈性包覆體中，超聲波攪拌使CNTs-COOH分布均勻并使其接枝到彈性體上將上述包覆彈性體加入到環(huán)氧樹脂中，超聲攪拌分布均勻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，說明碳納米管和PU包覆體產(chǎn)生了化學(xué)交聯(lián)。CompanyLogo包覆CNTs改性F51剪切強度ThestressofepoxymodifiedwithPU-CNTsCompanyLogo包覆CNTs改性F51沖擊強度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）改性酚醛樹脂制備與研究①無包覆納米SiO2改性酚醛樹脂CompanyLogo納米SiO2改性酚醛樹脂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%時具有最佳的強度，1MPaCompanyLogo納米SiO2改性酚醛樹脂斷口形貌

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

硅溶膠的粒子結(jié)構(gòu)及表面CompanyLogo硅溶膠結(jié)構(gòu)及SiO2/PVA改性酚醛樹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)進行，使無機網(wǎng)絡(luò)延長，形成帶有有機基團的無機交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)CompanyLogoSiO2/PVA/PF性能測試與結(jié)構(gòu)分析SiO2/PVA/PF材料剪切拉伸強度強度可達3MPa以上CompanyLogo

不同材料粘結(jié)強度對比CompanyLogoSiO2/PVA/PF雜化材料拉伸剪切斷面的SEM分析A.純酚醛樹脂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)性能隨時間變化，圖為一周前后力學(xué)性能下降的情況第四節(jié)PMC制備工藝一、預(yù)浸料及預(yù)混料制造工藝預(yù)浸料通常是指定向排列的連續(xù)纖維(單向、織物)等浸漬樹脂后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)纖維浸漬樹脂或與樹脂混合后所形成的較厚的片狀、團狀或粒狀半成品，包括片狀模塑料(SMC，GMT)、團狀模塑料(BMC)和注射模塑料(IMC)。預(yù)浸料及預(yù)混料的基本特征1、預(yù)浸料制造熱固性預(yù)浸料制造

根據(jù)浸漬設(shè)備或制造方式不同，熱固性FRP預(yù)浸料的制造分輪鼓纏繞法和陣列排鋪法；按浸漬樹脂狀態(tài)分濕法(溶液預(yù)浸法)和干法(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)同時進入膠槽，浸漬樹脂后由擠膠器除去多余膠液，經(jīng)烘干爐除去溶劑后，加隔離紙并經(jīng)輥壓整平，最后收卷。

干法浸漬工藝也稱熱熔預(yù)浸法(Hotmeltimpregnating)，是在熱熔預(yù)浸機上進行的，其工藝原理是熔融態(tài)樹脂從漏槽流到隔離紙上，通過刮刀后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，通過熱鼓時樹脂熔融并浸漬纖維，再經(jīng)輥壓使樹脂充分浸漬纖維，冷卻后收卷。熱塑性預(yù)浸料制造

溶液預(yù)浸是將熱塑性高分子溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲校蛊淇梢圆捎妙愃朴跓峁绦詷渲臐穹ńn技術(shù)進行浸漬，將溶劑除去后即得到浸漬良好的預(yù)浸料。優(yōu)點：可使纖維完全被樹脂浸漬并獲得良好的纖維分布，可采用傳統(tǒng)的熱固性樹脂的設(shè)備和類似的涅漬工藝。缺點：成本較高并造成環(huán)境污染，殘留溶劑很難除盡

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

膜層疊工藝原理是：增強劑與樹脂薄膜交替鋪層，在高溫、高壓下使樹脂熔融并浸漬纖維，制成平板或其它一些形狀簡單的制品(如雷達罩)。增強劑一般采用織物．這樣在高溫、高壓浸演過程中不易變形。優(yōu)點：適用性強、工藝及設(shè)備簡單；缺點：纖維浸漬狀態(tài)和分布不良、制品性能不高，需要高溫、高壓長時間的成型，以及不能制造復(fù)雜形狀和大型制品。

粉末浸漬是將熱塑性樹脂制成粒度與纖維直徑相當(dāng)?shù)奈⒓毞勰?，通過流態(tài)化床技術(shù)使樹脂粉末直接分散到纖維束中，經(jīng)熱壓熔融即可制成充分浸漬的預(yù)浸料。優(yōu)點：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制造2、預(yù)混料制造

BMC的生產(chǎn)方法很多，最常用是捏合法，即在捏合機(槳葉式混合器)中，將短切纖維、填料與液態(tài)樹脂(如UP)或樹脂溶液(如PF溶于乙醇)充分?jǐn)嚢杌靹颍瞥龊蟆擦栏扇軇?，即得產(chǎn)品。GMT及IMC制造二、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)過所需的固化周期后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模壓成型制品性能七、纖維增強熱塑性塑料(FRTP)成型技術(shù)

原理上，用于熱固性FRP的制品成型技術(shù)大多數(shù)也適于FRTP，但所需鋪助材料和工藝過程則有較大區(qū)別。而有些熱固性FRP制品成型技術(shù)則一般不能用于FRTP如手糊成型、噴射成型等。要解決的問題主要有二個方面：一是纖維的浸漬；纖維的浸漬可以在纏繞時進行，如使用粉末浸漬纖維束、混雜纖維束或現(xiàn)場熔融浸漬，但這樣很難制得高質(zhì)量制品，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)量制品，且纏繞速度較快。二是紗片間的粘合。纏繞時要使紗片中的樹脂溶化并有足夠的流動性以便紗片與下層及相鄰紗片很好地融合，為此，一般采用集中加熱和輥壓技術(shù)。

八、其它成型方法注射成型

多用于短纖維增強塑料(主要為熱塑性，少量為熱固性)制品生產(chǎn)，增強纖維主要為短切玻璃纖維、其次為短切碳纖維(幾毫米長)，纖維含量通常有20%和30％噴射成型

將混有引發(fā)劑的樹脂和混有促進劑的樹脂分別從噴槍兩側(cè)噴出或混合后噴出，同時將玻璃纖維粗紗用切斷器切斷并從噴槍中心噴出，與樹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后，手輥壓實。除去氣泡并使纖維浸透樹脂，最后固化成制品。

八、其它成型方法

樹脂傳溫成型

RTM(ResinTransferMoulding)是先將增強劑置于摸具中形成一定的形狀，再將樹脂注射進入摸具、浸漬纖維并固化的一種復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，是FRP的主要成型工藝之一。其最大特點是污染小，為閉模操作系統(tǒng)，另外在制品可設(shè)計性、可方向性增強、制品綜合性能方面優(yōu)于SMC、BMC。增強反應(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材料混合成漿料．在流動性很好的液態(tài)情況下混合并注入模具，在模具中兩組分迅速反應(yīng)固化，脫模得到制品的一種復(fù)合材料成型工藝，多用于汽車工業(yè)。

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

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

El=EfVf+EmVm

σLu=σfuVf+σmVm

橫向模量ET和GLT可由半經(jīng)驗的Halpin-Tsai公式估算

FRP的橫向拉伸強度受基體或纖維與基體界面控制，由于存在應(yīng)力集個，故低于基體強度。（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，則其復(fù)合材料的高溫性能就好。

二、疲勞性能

所有材料在低于靜態(tài)強度假限的動載荷作用下，經(jīng)過不同時間都要破壞，這一現(xiàn)象彌材料的疲分。通常用疲勞壽命N或疲勞強度SN來表示材料的疲勞性．并以所加應(yīng)力幅值或最大應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(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界面性質(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

在同樣的試驗條件下，F(xiàn)RP的疲勞性能一般優(yōu)于金屬。而高模量的CF，KF或BF增強塑料疲勞性能優(yōu)于GFRP。因為復(fù)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向疲勞強度隨纖維含量的增加而增加三、沖擊和韌性常用的用于表征復(fù)合材料韌性的方法有三種即沖擊強度（Charpy和Izod沖擊試驗）、斷裂韌性Gc及沖擊后壓縮強度(CAI)沖擊破壞模式FRP的能量吸收包括(a)纖維破壞；(b)基體變形和開裂；(c)纖維脫膠；（d)纖維拔出；(e)分層裂紋等典型材料沖擊強度第一節(jié)概述

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

鋁的基本特點：熔點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致密的氧化鋁膜，防止鋁繼續(xù)氧化強度低鋁合金的分類鋁合金的熱處理：淬火和時效鋁合金的力學(xué)性能二、鈦及鈦合金鈦的特點：熔點1678℃，密度4.51g/cm3重量輕、比強度高。純鈦的強度可通過冷作硬化和合金化而得到顯著的提高．如50％的冷變形可使強度提高60％，適當(dāng)合金化和熱處理，則抗拉強度可達1200—1400MPa，含有氫、碳、氧、鐵和鎂等雜質(zhì)元素的工業(yè)純鈦抗拉強度可提高到700MPa，并仍能保持良好的塑性和韌性。高溫性能優(yōu)良。合金化后的耐熱性顯著提高，可以作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用，如航空發(fā)動機的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片等，長期使用最高溫度已達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)熱系數(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：密度1.74g/cm3由于其密度低，比強度、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，但高溫塑性好可進行各類形式的熱變形加工。減震性能好，能承受較大的沖擊振動負荷四、金屬間化合物具有反常的溫度強度效應(yīng)脆性很大第三節(jié)MMC制備工藝

根據(jù)各種制備方法的基本特點，金屬基復(fù)合材料的制備工藝分為四大類，即(1)固態(tài)法；(2)液態(tài)法；(3)噴涂與噴射沉積法；(4)原位復(fù)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，通過表面原子的互相擴散而連接在一起。工藝流程關(guān)鍵步驟纖維的排布；復(fù)合材料的疊臺和真空封裝；熱壓纖維排布采用有機粘接劑。將增強纖維的單絲或多絲的條帶分別浸潰加熱后易揮發(fā)的有機粘接劑，按復(fù)合材料的設(shè)計要求的間距排列在全屬基體的薄板或箔上，形成預(yù)制件采用帶槽的薄板或箔片，將纖維排布在其中采用等離子噴涂。即先在金屬基體箔片上用排布好一層纖維，然后再噴涂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復(fù)合絲疊合與封裝為了防止復(fù)合材料在熱壓中的氧化，疊合好的復(fù)合材料坯科應(yīng)真空封裝于金屬模套中。為了便于復(fù)合材料在熱壓后與金屬模套的分離，在金屬模套的內(nèi)壁徐上云母粉類的涂料以利分離，注意不能涂與金屬基體發(fā)生反應(yīng)的涂料。熱壓

在真空或保護氣氛下直接放入熱壓?；蚱桨暹M行熱壓合熱壓工藝參數(shù)主要為：熱壓溫度、壓力和時間擴散結(jié)合的優(yōu)缺點：工藝相對復(fù)雜，纖維排布、疊合以及封裝手工操作多，成本高。能按照復(fù)合材料的鋪層要求排布。在熱壓時可通過控制工藝參數(shù)的辦法來控制界面反應(yīng)2．粉末冶金適用于連續(xù)、長纖維增強．也可用于短纖維、顆粒或晶須增強的金屬基復(fù)合材料長纖維增強：將纖維和金屬粉末按比例混合，密封在容器中，然后進行熱等靜壓其它增強相粉末冶金的優(yōu)點工藝過程溫度低，可以控制界面反應(yīng)增強材料(纖維、顆?；蚓ы?與基體金屬粉末可以任何比例混合，纖維含量最高可達75％，顆粒含量可達50％以上對浸潤性和密度差的要求較小采用熱等靜壓工藝時，其組織細化、細密、均勻，一般不會產(chǎn)生偏析、偏聚等缺陷，可使空隙和其它內(nèi)部缺陷得到明顯改善，從而提高復(fù)合材料的性能可以用傳統(tǒng)的加工方法進行二次加工粉末冶金的缺點工藝過程比較復(fù)雜，金屬基體必須制成金屬粉末，增加了工藝的復(fù)雜性和成本在制備鋁基復(fù)合材料時，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)金屬基復(fù)合材料或金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強材料須制體的孔隙中，在壓力下快速凝固成型而制備金屬基復(fù)合材料的工藝方法。普通壓鑄工藝過程

將包含有增強材料的金屬熔體倒入預(yù)熱模具中后迅速加壓，壓力約為70—l00MPa，使液態(tài)金屬基復(fù)合材料在壓力下凝固。待復(fù)合材料完全固化后頂出，即制得所需形狀及尺寸的金屬基復(fù)合材料的坯料或壓鑄件。增強材料預(yù)制體的壓鑄工藝過程將熔融金屬注入裝有增強材料(長、短纖維，顆?；蚓ы?的預(yù)制件模具中，并在壓力下使之滲入預(yù)制件的間隙，在高壓下迅速凝固成金屬基復(fù)合材料壓鑄法的優(yōu)點其組織細化、無氣孔，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)備簡單，成本低，材料的質(zhì)量高且穩(wěn)定易于工業(yè)化生產(chǎn)。2．半固態(tài)復(fù)合鑄造將顆粒加入處于半固態(tài)的金屬基體中，通過攪拌使顆粒在金屬基體中均勻分布，并取得良好的界面結(jié)合，然后澆注成型或?qū)牍虘B(tài)復(fù)合材料注入摸具進行壓鑄成型。3．熔滲

將增強材料制成多孔預(yù)制體，置基體金屬熔體的上方或內(nèi)部，利用毛細力的使熔體作用滲入預(yù)制中。也可將預(yù)制體和基體金屬坯料裝入一可通入流動氮氣的加熱爐中。通過加熱，基體金屬熔化，自發(fā)滲透入網(wǎng)絡(luò)狀增強材料預(yù)制體中三、噴涂與噴射沉積

噴涂沉積主要應(yīng)用于纖維增強金屬基復(fù)合材料的須制層的制備，也可以獲得復(fù)合層狀復(fù)合材料的坯料。噴射沉積則主要用于制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料。噴射與噴涂沉積工藝的最大特點是增強材料與基體金屬的潤濕性要求低；增強材料與熔融金屬基體的接觸時間短，界面反應(yīng)量少。噴涂沉積制備纖維增強金屬基復(fù)合材料時，纖維的分布均勻，獲得的薄單層纖維增強預(yù)制層可以很容易地通過擴散結(jié)合工藝形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形狀和板材。噴涂與噴射沉積工藝，可以與各種陶瓷纖維或顆粒復(fù)合，即基體金屬的選擇范圍廣。1、噴涂沉積

噴涂沉積(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，甚至增強材料的粉末，通過噴涂氣體噴涂沉積到沉積基板上。2、噴射沉積（Ospray）

將基體金屬熔煉后，在壓力作用下通過噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體外流的作用下．液態(tài)金屬被分散為細小的液滴，形成“霧化錐”，同時通過一個或多個噴咀向“霧化錐”噴入增強顆粒，使之與金屬液滴一齊在一基板上沉積并快速凝固形成顆粒增強金屬基復(fù)合材料。四、原位復(fù)合1．共晶合金定向凝固原理：共晶合金定向凝固時，參與共晶反應(yīng)的兩相同時以棒狀(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（氧氣或氮氣），加入促使氧化反應(yīng)的合金元素Si和Mg，使熔化金屬通過顯微通道滲透到氧化層外邊，并順序氧化，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復(fù)合材料。Ti+C+Al=Al+TiC

Ti+B+Al=Al+TiB2

Ti+C+Ni+Al=Ni3Al+TiC第四節(jié)MMC界面一、MMC界面類型與界面結(jié)合1．金屬基復(fù)合材料界面類型界面層的形貌

Cf/Ni中Ni向碳纖維擴散層Bf/6Al-4Ti-V中的界面反應(yīng)層

2．金屬基復(fù)合材料界面結(jié)合(1)機械結(jié)合屬于無溶解又不互相反應(yīng)的第I類界面。主要依靠增強材料與基體表面的摩擦力而結(jié)合。研究表明，經(jīng)過表面蝕的增強材料所構(gòu)成的復(fù)合材料的強度要高2—3倍。但是這種界面結(jié)合僅限于受載應(yīng)力平行于增強材料表面時才能承載。(2)浸潤與溶解結(jié)合

基體與增強相之間發(fā)生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解而產(chǎn)生的—種結(jié)合，其界面是第II類。一般增強材料與基體有一定的潤濕性，在浸潤后產(chǎn)生局部的互溶才有一定結(jié)合力。如果互相溶解嚴(yán)重，以至于損傷了增強材料，則會改變增強材料的結(jié)構(gòu)，削弱了增強材料的性能，從而降低復(fù)臺材料的性能。(3)化學(xué)反應(yīng)結(jié)合

大多數(shù)金屬基復(fù)合材料，在熱力學(xué)上是非平衡體系，也就是在增強材料與基體界面存在化學(xué)勢梯度。增強材料與基體之間只要存在有利的動力學(xué)條件，就可能發(fā)生擴散和化學(xué)反應(yīng)。增強材料與基體界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上生成新的化合物層，也就是界面層。這種結(jié)合形式就形成了第III類界面。這是主要的結(jié)合方式。適度的反應(yīng)層可以增加界面的強度，但生成過量的脆性層有害。(4)混合結(jié)合

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

對界面的要求要求其在制備過程中獲得良好的界面與結(jié)合，并且不削弱增強材料要求其在使用過程中，尤其是在高溫長時間使用條件下，能夠保持這種良好的界面與結(jié)合，以保持其性能的穩(wěn)定性1.界面溶解與析出

具有第II類界面的復(fù)合材料在制備過程和高溫使用過程中，增強材料與金屬基體在界面會發(fā)生互相溶解，也可能發(fā)生溶解后析出現(xiàn)象，因此采取適當(dāng)?shù)拇胧┦乖鰪姴牧蠝p少發(fā)生嚴(yán)重損傷的溶解，就可以提高復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性。界面溶解的防止涂覆加入合金元素減小溶解度粉末冶金制備的w絲／Ni復(fù)合材料，在1100℃左右使用50小時后，鎢絲發(fā)生溶解，造成鎢絲直徑僅為原來的60%，大大影響鎢絲的增強作用。為此，可采用鎢絲涂覆阻擋層或在鎳基合金中添加少量臺金元素，如鈦和鋁，可以起到一定的防止鎢絲溶入鎳基臺金的作用。界面析出的危害Cf/Ni復(fù)合材料，在600℃高溫下，在界面碳先溶入鎳，而后又析出，析出的碳是石墨結(jié)構(gòu)，密度增大而在界面留下空隙，給鎳提供了滲入碳纖維擴散聚集的位置，而且隨溫度的提高鎳滲入量增加，嚴(yán)重損傷了碳纖維，使其強度嚴(yán)重下降2．界面反應(yīng)

界面反應(yīng)是影響具有第III類界面的復(fù)合材料界面穩(wěn)定性的化學(xué)因素。當(dāng)界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成大量脆性化合物時，就會削弱增強材料的增強作用，尤其是在高溫使用條件下，這種界面反應(yīng)的不穩(wěn)定性會造成復(fù)合材料的脆性破壞。界面反應(yīng)的地點基體與反應(yīng)產(chǎn)物界面層之間的邊界上反應(yīng)產(chǎn)物界面層與增強材料之間的邊界上上述兩種邊界上同時產(chǎn)生界面反應(yīng)的形式(1)連續(xù)界面反應(yīng)反應(yīng)物的量(或界面層厚度)會隨溫度的變化和時間的長短發(fā)生變化(2)交換式反應(yīng)

當(dāng)增強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)物后，反應(yīng)產(chǎn)物還會與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不穩(wěn)定硼纖維增強合鋁較高的鈦合金(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界面反應(yīng)產(chǎn)物與鈦繼續(xù)進行交換反應(yīng)：

(Ti,Al)B2+Ti

=TiB2+Ti(Al)

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

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

在某些金屬基復(fù)合材料體系中，采用基體合金中添加某些合金元素以改善增強材料與基體之間的浸潤條件或有效控制界面反應(yīng)的方法為基體改性?；w改性方法：第一種是控制界面反應(yīng)。加入改性合金元素應(yīng)使界面發(fā)生反應(yīng)時的反應(yīng)速度常數(shù)盡可能小，以保持第III類界面的穩(wěn)定性。第二種是改善界面浸潤性。添加可與增強材料表面進行一定程度界面反應(yīng)，從而形成一層很薄的反應(yīng)層的合金元素，提高增強材料的表面能，以增加其與基體的潤濕性；或者在基體中添加的合金元素盡可能不與增強材料表面發(fā)生界面反應(yīng)，但可降低基體液相的表面能。合金元素對硼纖維界面反應(yīng)速度常數(shù)的影響沒有影響

稀釋劑明顯降低通過基體改性增強潤濕性Al2O3f與Al的潤濕角:660℃

180980℃

60

Al2O3f與Al-4.5Cu-3Mg的完全潤濕，生成MgO·Al2O3尖晶石

Al2O3f與Al-2~3Li的完全潤濕，生成LiAlO2

第五節(jié)MMC的性能1．高比強度、比模量2．高韌性和高沖擊性能

基體中的裂紋頂端的最大應(yīng)力接近基體的抗拉強度，而低于纖維的斷裂應(yīng)力時，裂紋或在界面擴展鈍化，或因基體的塑性剪切變形而鈍化，從而改善了復(fù)合材料的斷裂韌性

3.對溫度變化和熱沖擊的敏感性低

4.表面耐久性好，表面缺陷敏感性低表面堅實耐久，尤其是顆粒、晶須增強金屬基復(fù)合材料常可以作為工程構(gòu)件中的耐磨件使用。在陶瓷基復(fù)合材料中，由于腐蝕或擦傷等引起的小裂紋可使其強度劇烈降低。這是由于陶瓷的彈性模量高，但塑性和韌性低，不能象金屬基復(fù)合材料中的基體那樣可以借助塑性變形來使缺口或裂紋鈍化，而造成應(yīng)力集中，引起破壞。聚合物基復(fù)合材料基體的強度和硬度與金屬基體相比部相當(dāng)?shù)停癫羵?、磨損等對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系數(shù)接近，在硼纖維增強鈦基復(fù)合材料中熱應(yīng)力可以降至很低。碳纖維增強鋁基復(fù)合材料經(jīng)過設(shè)計后，可使復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)接近零。這樣，復(fù)合材料在重量上比鋁輕，但強度和剛度卻有很大的提高，而且不會因溫度差造成變形。7．性能再現(xiàn)性好及制備工藝可借鑒金屬材料二、纖維增強金屬基復(fù)合材料的性能1．強度與模量（FRMMC）

FRMMC的強度和模量高，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(縱向)，對于脆性纖維增強MMC的抗拉強度會偏離復(fù)合混合法則σm

*為纖維斷裂應(yīng)變基體的強度

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

雖然FRMMC在高溫下強度和模量有所下降，但和基體金屬相比，其強度和模量有顯著提高。如40％W-2％ThO2鎢絲增強鎳基高溫合金在1100℃下的100小時高溫持久強度(193MPa)，要比基體合金(28MPa)高8.44倍。2．沖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：采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陶瓷纖維增強的蠕變性能

在含有陶瓷纖維的金屬基復(fù)合材料中，如SiCf／Al或Al2O3f/Al，由于相應(yīng)工作使用溫度范圍相對纖維和基體的熔點分別為0.1-0.3Tf和0.4-0.7Tm。這時金屬基體蠕變要比纖維高幾個數(shù)量級,纖維呈彈性變形，因此蠕變速率不能達到穩(wěn)定值，而是會逐漸下降，趨于一個平衡值后而趨于零。由于硼纖維和其它陶瓷纖維的抗蠕變性能優(yōu)異，因此陶瓷纖維增強金屬基復(fù)合材料的抗蠕變性能要比基體合金優(yōu)異。疲勞強度

三、顆粒、晶須增強金屬基復(fù)合材料的性能1.強度與模量顆粒增強（PRMMC）σmu

：基體的抗拉強度

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

料的韌性第二節(jié)陶瓷基體一、氧化鋁陶瓷性能特點：（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、氮化硅陶瓷

以反應(yīng)燒結(jié)（Si粉＋95%N2＋5%H2）或熱壓燒結(jié)（Si3N4+MgO）制備性能特點：（1）強度高（2）抗熱震性和抗高溫蠕變性能也比其它陶瓷好（3）硬度高，摩擦系數(shù)小，只有0.1－0.2，是一種極優(yōu)良的耐磨材料（4）自潤滑性（5）良好的耐腐蝕性，除氫氟酸外，能耐所有的無機酸和某些減溶液的腐蝕，并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1000（7）氮化硅的電絕緣性也很好Si3N4+Al2O3

三、碳化硅陶瓷

由反應(yīng)燒結(jié)法（α-SiC+C粉燒結(jié)）和熱壓燒結(jié)（SiC+促進劑）法制備特點：較高的高溫強度較高的熱導(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硅（Li2O-Al2O3-SiO2，LAS）和鎂鋁硅(MgO-Al2O3-SiO2，MAS)兩個體系。特點：低密度，2.0-2.8g/cm3高彈性模量（80－140GPa）和彎曲強度(70-350MPa)第三節(jié)陶瓷粉末的燒結(jié)

粉末狀物料在壓制成型后，含有大量氣孔，顆粒之間接觸面積較小，強度也比較低。經(jīng)過高溫作用后，坯體中顆粒相互燒結(jié)，界面逐漸擴大成為晶界，最后數(shù)個晶粒結(jié)合在一起，產(chǎn)生再結(jié)晶與聚集再結(jié)晶，使晶粒長大。氣孔體積縮小，大部分甚至全部從體坯中排出，體收縮而致密，強度增加，成堅固整體。上述整個過程叫燒結(jié)過程。燒結(jié)是一復(fù)雜的物理化學(xué)過程，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)過程科布爾(Coble)把繞結(jié)過程劃分為初期、中期、末期三個階段初期：晶界不移動，也就是晶粒不成長中期：晶界開始移動，晶粒開始成長，氣孔成三維連通狀末期：還體浙趨致密，當(dāng)相對密度達95%左右，氣孔逐漸封閉，成為不連續(xù)狀態(tài)二、燒結(jié)動力

任何系統(tǒng)都有向最低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢，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)的主要動力。此外高度分散物料的表面還存在嚴(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)點易于遷移，從而構(gòu)成燒結(jié)動力的另一部分。燒結(jié)作用力分析表面張力產(chǎn)生的作用于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