《工程材料及應(yīng)用》課件第8章

第8章復(fù)合材料

8.1概述8.2復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則8.3非金屬基復(fù)合材料8.4金屬基復(fù)合材料

8.1概述

8.1.1復(fù)合材料的定義與命名

1.復(fù)合材料的定義

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)為復(fù)合材料所下的定義，復(fù)合材料(CompositeMaterials)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)合材料的組分材料雖然保持其相對獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性能卻不是組分材料性能的簡單加和，而是有著重要的改進(jìn)。它既保留了原組分材料的主要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能；可以通過材料設(shè)計使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，故與一般材料的簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別。復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)材料組成?；w是構(gòu)成復(fù)合材料連續(xù)相的單一材料，如玻璃鋼中的樹脂，其作用是將增強(qiáng)材料黏合成一個整體；增強(qiáng)材料是復(fù)合材料中不構(gòu)成連續(xù)相的材料，如玻璃鋼中的玻璃纖維，它是復(fù)合材料的主要承力組分，特別是拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能主要由增強(qiáng)材料承擔(dān)，起到均衡應(yīng)力和傳遞應(yīng)力的作用，使增強(qiáng)材料的性能得到充分發(fā)揮。

2.復(fù)合材料的命名

復(fù)合材料可根據(jù)增強(qiáng)材料與基體材料的名稱來命名。將增強(qiáng)材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，后面綴以“復(fù)合材料”。例如，由玻璃纖維和環(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”；由碳纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料稱為“碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”。通常為了書寫簡便，也可僅寫增強(qiáng)材料和基體材料的縮寫名稱，中間加一半字線或斜線隔開，后面再加“復(fù)合材料”。如上述玻璃纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料，也可寫作“玻璃－環(huán)氧復(fù)合材料”，碳纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料，也可寫作“碳纖維－環(huán)氧復(fù)合材料”。有時為突出增強(qiáng)材料和基體材料，根據(jù)強(qiáng)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”。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”。

8.1.2復(fù)合材料的分類

1.按基體材料類型分類

(1)聚合物基復(fù)合材料：以有機(jī)聚合物（主要為熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠）為基體制成的復(fù)合材料。

(2)金屬基復(fù)合材料：以金屬為基體制成的復(fù)合材料，如鋁基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料等。

(3)無機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體制成的復(fù)合材料。

2.按增強(qiáng)材料類型分類

(1)玻璃纖維復(fù)合材料(玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料俗稱玻璃鋼)；

(2)碳纖維復(fù)合材料；

(3)有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、高強(qiáng)度聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；

(4)金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；

(5)陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料等。

3.增強(qiáng)材料形態(tài)分類

(1)連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的纖維，每根纖維的兩個端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處。

(2)短纖維復(fù)合材料：短纖維無規(guī)則地分散在基體材料中制成的復(fù)合材料。

(3)粒狀填料復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中制成的復(fù)合材料。

(4)編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維纖維編織物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成的復(fù)合材料。

4.按材料作用分類

(1)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件的復(fù)合材料。

(2)功能復(fù)合材料：具有各種特殊性能（如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、換能、摩擦、屏蔽等）的復(fù)合材料。

8.2復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則

8.2.1復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制

1.顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料

承受載荷的主要載體是基體，此時，增強(qiáng)材料的作用主要是阻礙基體中位錯的運(yùn)動或阻礙分子鏈的運(yùn)動。復(fù)合材料的增強(qiáng)效果與增強(qiáng)材料的直徑、分布、數(shù)量有關(guān)。一般認(rèn)為，顆粒相的直徑為0.01～0.1μm時，增強(qiáng)效果最大。若直徑太小，則容易被位錯繞過，對位錯的阻礙作用小，增強(qiáng)效果差。當(dāng)顆粒直徑大于0.1μm時，容易造成基體的應(yīng)力集中，產(chǎn)生理紋，使復(fù)合材料強(qiáng)度下降。這種性質(zhì)與金屬中第二相強(qiáng)化原理相同。

2.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

承受載荷的載體主要是增強(qiáng)纖維。這是因?yàn)椋旱谝?，增?qiáng)材料是具有強(qiáng)結(jié)合鍵的材料或硬質(zhì)材料，如陶瓷、玻璃等，增強(qiáng)相的內(nèi)部一般含有微裂紋，易斷裂，表現(xiàn)在性能上就是脆性大，但若將其制成細(xì)纖維，使纖細(xì)斷面尺寸縮小，從而降低裂紋長度和出現(xiàn)裂紋的幾率，最終使脆性降低，復(fù)合材料的強(qiáng)度明顯提高；第二，纖維在基體中的表面得到較好的保護(hù)，且纖維彼此分離，不易損傷，在承受載荷時不易產(chǎn)生裂紋，承載能力較大；第三，在承受大的載荷時，部分纖維首先承載，若過載可能發(fā)生纖維斷裂，但韌性好的基體能有效地阻止裂紋的擴(kuò)展(圖8－1為鎢纖維銅基復(fù)合材料中裂紋擴(kuò)展的受阻情況)；第四，纖維過載斷裂時，在一般情況下斷口不在同一個平面上(如圖8－2所示)，復(fù)合材料的斷裂必須使許多纖維從基體中抽出，即斷裂須克服粘結(jié)力這個阻力，因而復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度很高；第五，在三向應(yīng)力狀態(tài)下，即使是脆性組成，復(fù)合材料也能表現(xiàn)出明顯的塑性，即受力時不表現(xiàn)為脆性斷裂。圖8－1鎢纖維銅基復(fù)合材料中的裂紋在銅中擴(kuò)展受阻

圖8－2碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料斷裂時纖維端口的掃描電鏡照片

8.2.2復(fù)合材料的復(fù)合原則

1.顆粒復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)制和原則

對于顆粒復(fù)合材料，基體承受載荷時，顆粒的作用是阻礙分子鏈或位錯的運(yùn)動。增強(qiáng)的效果同樣與顆粒的體積含量、分布、尺寸等密切相關(guān)。顆粒復(fù)合材料的復(fù)合原則可概括為：(1)顆粒相應(yīng)高度均勻地彌散分布在基體中，從而起到阻礙導(dǎo)致塑性變形的分子鏈或位錯的運(yùn)動。

(2)顆粒大小應(yīng)適當(dāng)。顆粒過大本身易斷裂，同時會引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低；顆粒過小，位錯容易繞過，起不到強(qiáng)化的作用。通常，顆粒直徑為幾微米到幾十微米。

(3)顆粒的體積含量應(yīng)在20％以上，否則達(dá)不到最佳強(qiáng)化效果。

(4)顆粒與基體之間應(yīng)有一定的結(jié)合強(qiáng)度。

2.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)制和原則

由上述纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制可以得出以下復(fù)合原則：

(1)纖維增強(qiáng)相是材料的主要承載體，所以纖維相應(yīng)有高的強(qiáng)度和模量，并且要高于基體材料。

(2)基體相起粘接劑的作用，所以應(yīng)該對纖維相有潤濕性，從而把纖維有效結(jié)合起來，并保證把力通過兩者界面?zhèn)鬟f給纖維相；基體相還應(yīng)有一定的塑性和韌性，從而防止裂紋的擴(kuò)展，保護(hù)纖維相表面，以阻止纖維損傷或斷裂。

(3)纖維相與基體之間結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)高。結(jié)合力過小，受載時容易沿纖維和基體間產(chǎn)生裂紋；結(jié)合力過高，會使復(fù)合材料失去韌性而發(fā)生危險的脆性斷裂。

(4)基體與增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù)不能相差過大，以免在熱脹冷縮過程中自動削弱相互間的結(jié)合強(qiáng)度。

(5)纖維相必須有合理的含量、尺寸和分布。一般來講，基體中纖維相體積分?jǐn)?shù)越高，其增強(qiáng)效果越明顯，但過高的含量會使強(qiáng)度下降；纖維越細(xì)，則缺陷越少，其增強(qiáng)效果越明顯；連續(xù)纖維的增強(qiáng)效果大大高于短纖維，短纖維含量必須超過一定的臨界值才有明顯的強(qiáng)化效果。

(6)纖維和基體間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，以免引起纖維相性能降低而失去強(qiáng)化作用。

8.3非金屬基復(fù)合材料

8.3.1聚合物基復(fù)合材料

1.聚合物基復(fù)合材料的發(fā)展

聚合物基復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的一類。第二次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)了以玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料的復(fù)合材料，即玻璃鋼，從而使得機(jī)器零件不用金屬材料成為了現(xiàn)實(shí)。接著又相繼出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)尼龍和其他的玻璃鋼品種。但是，玻璃纖維存在模量低的缺點(diǎn)，大大限制了其應(yīng)用范圍。因此，20世紀(jì)60年代又先后出現(xiàn)了硼纖維和碳纖維增強(qiáng)塑料，從而復(fù)合材料開始大量應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代初期，聚芳酰胺纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料問世，進(jìn)一步加快了該類復(fù)合材料的發(fā)展。20世紀(jì)80年代初期，在傳統(tǒng)的熱固性樹脂復(fù)合材料基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了先進(jìn)的熱塑性復(fù)合材料。從此，聚合物基復(fù)合材料的工藝及理論不斷完善，各種材料在航空航天、汽車、建筑等各領(lǐng)域得到了全面應(yīng)用。

2.聚合物基復(fù)合材料的種類和性能

聚合物基復(fù)合材料有兩種分類方式：一種以基體性質(zhì)的不同分為熱固性樹脂復(fù)合材料、熱塑性樹脂復(fù)合材料和橡膠類復(fù)合材料；另一種是按增強(qiáng)相類型分類。具體如圖8－3所示。

圖8－3聚合物基復(fù)合材料分類

1)高溫性能好

聚合物基復(fù)合材料的耐熱性能是相當(dāng)好的，所以適宜作燒蝕材料。所謂材料的燒蝕，是指材料在高溫時，表面發(fā)生分解，引起汽化，與此同時吸收熱量，達(dá)到冷卻的目的，隨著材料的逐漸消耗，表面出現(xiàn)很高的吸熱率。例如玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂，就是一種燒蝕材料，燒蝕溫度可達(dá)1650℃。其原因是酚醛樹脂受高的入射熱時，會立刻碳化，形成耐熱性很高的碳原子骨架，而且纖維仍然被牢固地保持在其中。此外，玻璃纖維本身有部分汽化，而表面上殘留下幾乎是純的二氧化硅，它的粘結(jié)性相當(dāng)好，從而阻止了進(jìn)一步的燒蝕，并且它的導(dǎo)熱系數(shù)只有金屬的0.1%～0.3%，瞬時耐熱性好。

2)可設(shè)計性強(qiáng)、成型工藝簡單

通過改變纖維、基體的種類及相對含量、纖維集合形式及排列方式、鋪層結(jié)構(gòu)等可以滿足對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的各種設(shè)計要求。由于其制品多為整體成型，一般不需焊、鉚、切割等二次加工，工藝過程比較簡單。一次成型不僅減少了加工時間，而且零部件、緊固件和接頭的數(shù)目也隨之減少，使得結(jié)構(gòu)更加輕量化。

3.常用聚合物基復(fù)合材料的性能及應(yīng)用

由于組成聚合物基復(fù)合材料的纖維和基體的種類很多，決定了其種類和性能的多樣性，如玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料（俗稱玻璃鋼）、短切玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料、芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料、碳化硅纖維增強(qiáng)塑料、礦物纖維增強(qiáng)塑料、石墨纖維增強(qiáng)塑料、木質(zhì)纖維增強(qiáng)塑料等。下面重點(diǎn)介紹幾種常用的聚合物基復(fù)合材料的性能及應(yīng)用。

1)玻璃鋼

玻璃鋼可分為熱固性和熱塑性兩類。

(1)熱固性玻璃鋼。

熱固性玻璃鋼(代號GFRP)是指玻璃纖維（包括長纖維、布、帶、氈等）作為增強(qiáng)材料，熱固性塑料（包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等）作為基體的纖維增強(qiáng)塑料。根據(jù)基體種類不同，可將GFRP分成三類，即玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂、玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂。

GFRP的突出特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度高。它的比重為1.6～2.0，比最輕的金屬鋁還要輕，而比強(qiáng)度比高級合金鋼還高，“玻璃鋼”這個名稱便由此而來。表8－1為幾種常見熱固性玻璃鋼的性能指標(biāo)、特點(diǎn)和用途。

GFRP還具有良好的耐腐蝕性，在酸、堿、有機(jī)溶劑、海水等介質(zhì)中均很穩(wěn)定；GFRP也是一種良好的電絕緣材料，主要表現(xiàn)在它的電阻率和擊穿電壓強(qiáng)度兩項指標(biāo)都達(dá)到了電絕緣材料的標(biāo)準(zhǔn)；GFRP還具有保溫、隔熱、隔音、減振等性能；另外，GFRP不受電磁作用的影響，它不反射無線電波，微波透射性好，可用來制造掃雷艇和雷達(dá)罩。

GFRP也有不足之處，其最大的缺點(diǎn)是剛性差，它的彎曲彈性模量僅為0.2×103GPa(約是結(jié)構(gòu)鋼的1/10～1/5)；其次是GFRP的耐熱溫度低(低于250℃)、導(dǎo)熱性差、易老化等。

表8－1常用熱固性玻璃鋼的性能特點(diǎn)

(2)熱塑性玻璃鋼。

熱塑性玻璃鋼(代號FR－TP)是指玻璃纖維（包括長纖維或短切纖維）作為增強(qiáng)材料，熱塑性塑料（包括聚酰胺、聚丙烯、低壓聚乙烯、ABS樹脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料）為基體的纖維增強(qiáng)塑料。

熱塑性玻璃鋼除了具有纖維增強(qiáng)塑料的共同特點(diǎn)外，它與熱固性玻璃鋼相比較，其突出的特點(diǎn)是具有更輕的比重，一般在1.1～1.6之間，為鋼材的1/5～1/6；比強(qiáng)度高，蠕變性大大改善。例如，合金結(jié)構(gòu)鋼50CrVA的比強(qiáng)度為162.5MPa，而玻璃纖維增強(qiáng)尼龍610為179.9MPa。表8－2列出了常見熱塑性玻璃鋼的性能和用途。

表8－2常用熱塑性玻璃鋼的性能及用途

2)碳纖維增強(qiáng)塑料

碳纖維增強(qiáng)塑料于20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來，是一種強(qiáng)度、剛度、耐熱性均好的復(fù)合材料。由于碳是六方結(jié)構(gòu)的晶體，底面上的原子以結(jié)合力極強(qiáng)的共價鍵結(jié)合，所以碳纖維比玻璃纖維有更高的強(qiáng)度，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)6.9×105～2.8×106MPa，其彈性模量比玻璃纖維高幾倍以上，可達(dá)2.8×104～4×105MPa；高溫低溫性能好：在2000℃以上的高溫下，其強(qiáng)度和彈性模量基本不變，在-180℃以下時脆性也不增高；碳纖維還具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和低的摩擦系數(shù)。所以，碳纖維是很理想的增強(qiáng)劑。但是，碳纖維脆性大，與樹脂的結(jié)合力比不上玻璃纖維，通常用表面氧化處理來改善其與基體的結(jié)合力。

碳纖維環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯是常見的碳纖維增強(qiáng)塑料。由于碳纖維的優(yōu)越性，使得碳纖維增強(qiáng)塑料具有低密度、高比強(qiáng)度和比模量，還具有優(yōu)良的抗疲勞性能、減摩耐磨性、抗沖擊強(qiáng)度、耐蝕性和耐熱性。這些性能普遍優(yōu)于樹脂玻璃鋼，并在各個領(lǐng)域,特別是航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。例如：在航空航天工業(yè)中用于制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、螺旋槳、發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片、衛(wèi)星殼體等；在汽車工業(yè)中用于制造汽車外殼、發(fā)動機(jī)殼體等；在機(jī)械制造工業(yè)中用于制造軸承、齒輪等；在化學(xué)工業(yè)中用于制造管道、容器等；還可以制造紡織機(jī)梭子，X－射線設(shè)備，雷達(dá)、復(fù)印機(jī)、計算機(jī)零件，以及網(wǎng)球拍、賽車等體育用品。

3)硼纖維增強(qiáng)塑料

硼纖維增強(qiáng)塑料是指硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。硼纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維相近，但比彈性模量卻比玻璃纖維高5倍，而且耐熱性更高，無氧化條件下可達(dá)1000℃。因此，硼纖維環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都很高(優(yōu)于鋁合金、鐵合金)，并且蠕變小、硬度和彈性模量高，尤其是其疲勞強(qiáng)度很高，達(dá)340～390MPa。另外，硼纖維增強(qiáng)塑料還具有耐輻射及導(dǎo)熱極好的優(yōu)點(diǎn)。目前多用于航空航天器、宇航器的翼面、儀表盤、轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)葉片、螺旋槳葉的傳動軸等。由于該類材料制備工藝復(fù)雜、成本高，在民用工業(yè)方面的應(yīng)用不及玻璃鋼和碳纖維增強(qiáng)塑料廣泛。

4)芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料

芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)塑料的基體材料主要是環(huán)氧樹脂，其次是熱塑性塑料的聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯樹脂等。

芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的抗拉強(qiáng)度大于GFRP，而與碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂相似。它最突出的特點(diǎn)是有壓延性，與金屬相似；它的耐沖擊性超過了碳纖維增強(qiáng)塑料；自由振動的衰減性為鋼筋的8倍，是GFRP的4～5倍；耐疲勞性比GFRP或金屬鋁還好。它主要用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動機(jī)整流罩、火箭發(fā)動機(jī)外殼、防腐蝕容器、輕型船艇、運(yùn)動器械等。

5)石棉纖維增強(qiáng)塑料

石棉纖維增強(qiáng)塑料的基體材料主要有酚醛、尼龍、聚丙烯樹脂等。

石棉纖維與聚丙烯復(fù)合以后，使聚丙烯的性能大為改觀。其性能的突出特點(diǎn)是斷裂伸長率由原來純聚丙烯的200%變成10%，從而使抗拉彈性模量大大提高，是純聚丙烯的3倍；其次是耐熱性提高了，純聚丙烯的熱變形溫度為(0.46MPa)110℃，而增強(qiáng)后為140℃，提高了30℃；再次是線膨脹系數(shù)由11.3×10-5cm/cm/℃縮小到4.3×10-5cm/cm/℃，因而成型加工時尺寸穩(wěn)定性更好了。其性能見表8－3。

表8－3石棉增強(qiáng)聚丙烯的性能

6)碳化硅纖維增強(qiáng)塑料

碳化硅纖維增強(qiáng)塑料主要是指碳化硅纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合時不需要表面處理，粘結(jié)力就很強(qiáng)，材料層間剪切強(qiáng)度可達(dá)1.2MPa。碳化硅纖維增強(qiáng)塑料具有高的比強(qiáng)度和比模量，具有高的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，主要用于宇航器上的結(jié)構(gòu)件，還可用于制作飛機(jī)機(jī)冀、門、降落傳動裝置箱等。

7)其他增強(qiáng)塑料

其他增強(qiáng)塑料還有混雜纖維增強(qiáng)塑料及顆粒、薄片增強(qiáng)塑料等。

(1)混雜纖維增強(qiáng)塑料。由兩種或兩種以上纖維增強(qiáng)同一種基體的增強(qiáng)塑料，如碳纖維和玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維混雜，它具有比單一纖維增強(qiáng)塑料更優(yōu)異的綜合性能。

(2)顆粒、薄片增強(qiáng)塑料。顆粒增強(qiáng)塑料是各種顆粒與塑料的復(fù)合材料，其增強(qiáng)效果不如纖維顯著，但能改善塑料制品的某些性能，成本低。薄片增強(qiáng)塑料主要是用紙張、云母片或玻璃薄片與塑料的復(fù)合材料，其增強(qiáng)效果介于纖維增強(qiáng)與顆粒增強(qiáng)之間。

8.3.2陶瓷基復(fù)合材料

1.常用的陶瓷基復(fù)合材料

1)連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料

(1)陶瓷基復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)制。

最優(yōu)化設(shè)計的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖8－4所示，圖中OA段為低應(yīng)力水平階段，材料將發(fā)生彈性變形，A點(diǎn)對應(yīng)材料的彈性極限σe從A點(diǎn)開始偏離直線段，這與基體開裂有關(guān)。AB為第二階段，這一階段隨應(yīng)力的增大，內(nèi)部裂紋逐漸增多，B點(diǎn)對應(yīng)于材料的抗拉強(qiáng)度σb。與單相陶瓷相比(圖中虛線所示)，陶瓷基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度低，但在極限強(qiáng)度條件下的應(yīng)變值要比單相陶瓷大，這就是陶瓷基復(fù)合材料中的增韌效果。BC階段它對應(yīng)著纖維與基體的分離、纖維的斷裂和纖維被拔出的過程。

連續(xù)長纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌的陶瓷基復(fù)合材料，在軸向應(yīng)力的作用下產(chǎn)生基體的開裂、基體裂紋的增加、纖維的斷裂、纖維與基體的分離以及纖維從基體中拔出的復(fù)雜過程。

對于纖維與陶瓷基體構(gòu)成的復(fù)合材料，必須要考慮兩者之間的相容性，其中化學(xué)相容性要求纖維與基體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，物理相容性是指纖維與基體熱膨脹系數(shù)和彈性模量上要匹配。對于連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料，一般要求αf>αm、Ef>Em(α、E分別表示熱膨脹系數(shù)和彈性模量，下標(biāo)f、m分別表示纖維和基體)。

(2)常用的纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料。具體如下：

①碳纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌石英玻璃［C(f)/SiO2］。這種復(fù)合材料在強(qiáng)度和韌性方面與石英玻璃相比有了很大的提高，特別是抗彎強(qiáng)度提高了至少10倍以上，沖擊吸收功增加了兩個數(shù)量級。其主要原因是碳纖維與石英玻璃之間有好的相容性，即二者之間沒有任何化學(xué)反應(yīng)，同時碳纖維與基體的熱膨脹系數(shù)基本相當(dāng)。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌石英玻璃復(fù)合材料的性能見表8－4。

表8－4碳纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌石英玻璃

②碳化硅纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌碳化硅復(fù)合材料［SiC(f)/SiC］。

碳化硅是具有很強(qiáng)共價鍵的非氧化物材料，它具有良好的高溫強(qiáng)度和優(yōu)良的耐磨性、抗氧化性、耐蝕性，但是有很大的脆性，只有在2000℃的高溫下加入硼、碳等添加劑才能燒結(jié)。采用碳化硅纖維可以改善韌性，減小脆性，但在2000℃的高溫下碳化硅纖維的性能會變得很差。工程上一般采用化學(xué)浸入法，可以使復(fù)合材料的制作溫度降至800℃左右，用這種方法制作的碳化硅纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌碳化硅復(fù)合材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖8－5所示。

圖8－5

SiC纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌SiC材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

2)晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料

(1)晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)理。

在晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料中，作為第二相的晶須必須有高的彈性模量，且均勻分布于基體中，并與基體結(jié)合的界面良好，基體的伸長率應(yīng)大于晶須的伸長率，從而保證外載荷主要由晶須承擔(dān)。增韌效果主要靠裂紋的偏轉(zhuǎn)和晶須的拔出。裂紋偏轉(zhuǎn)是指基體中的裂紋尖端遇到晶須后發(fā)生扭曲偏轉(zhuǎn)，由直線扭曲成三維曲線，裂紋變長，從而提高韌性，如圖8－6和圖8－7所示。

圖8－6晶須引起的裂紋偏轉(zhuǎn)示意圖

圖8－7晶須拔出示意圖

(2)典型晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌陶瓷基復(fù)合材料。有以下三種：

①碳化硅晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌氮化硅復(fù)合材料［SiC(W)/Si3N4］。

碳化硅補(bǔ)強(qiáng)氮化硅復(fù)合材料是在1750℃條件下熱壓燒結(jié)而成的。這種復(fù)合材料的主要力學(xué)性能見表8－5，表中Si6、Si10分別表示以Si粉為起始料，添加6%、10%的燒結(jié)添加物；SN6表示以Si3N4為起始料，添加6%的燒結(jié)添加物。

表8－5

SiC(W)/Si3N4復(fù)合材料的力學(xué)性能

②碳化硅晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌莫來石陶瓷復(fù)合材料［SiC(W)/Mullite］。莫來石陶瓷具有很小的熱膨脹系數(shù)，低的熱導(dǎo)率和良好的抗高溫蠕變性。從作為高溫結(jié)構(gòu)材料來看，它有極大的發(fā)展?jié)摿?。但它的室溫抗彎?qiáng)度和韌性均較差。

碳化硅晶須與莫來石基體的熱膨脹系數(shù)相近，但彈性模量較高，這符合增強(qiáng)材料與基體間的相容性，用它們制成SiC(W)/Mullite復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度與晶須含量的關(guān)系如圖8－8所示。由圖可以看出，該復(fù)合材料的強(qiáng)度隨晶須含量的增多而提高，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為20%時強(qiáng)度最大，可達(dá)435MPa，比莫來石強(qiáng)度246MPa高80%，隨后強(qiáng)度逐漸下降。下降的原因主要是晶須分布不均，造成了氣孔和其他缺陷，材料致密度下降，從而使強(qiáng)度降低。

圖8－8

SiC(W)/Mullite復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度與SiC(W)含量的關(guān)系

SiC(W)/Mullite復(fù)合材料的斷裂韌度KIC隨晶須含量的變化與強(qiáng)度變化相似。在體積分?jǐn)?shù)為30%時，KIC最大，約4.6MPa·m1/2，比莫來石增大了50%，因此碳化硅和莫來石陶瓷界面的結(jié)合強(qiáng)度較高。由于晶須的加入，使得莫來石的強(qiáng)度和韌性大大提高。

③Al2O3/SiC(W)/TiC納米復(fù)合材料。

這種復(fù)合材料使用的Al2O3顆粒直徑約0.4μm；[JP]TiC顆粒直徑為0.2μm；SiC(W)顆粒直徑為0.5μm，長度為20μm。采用熱壓燒結(jié)工藝，工藝條件：溫度為1850℃，壓力為250MPa，保溫12h。SiC(W)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～10%。

TiC含量為4%時,強(qiáng)度最高約達(dá)1200MPa，斷裂韌度可達(dá)7.5MPa·m1/2

。

(3)異相顆粒彌散強(qiáng)化增韌的復(fù)相復(fù)合陶瓷。

異相顆粒彌散強(qiáng)化增韌的復(fù)相復(fù)合陶瓷是指在脆性陶瓷基體中加入一種或多種彌散相而組成的陶瓷。彌散相可以是粒狀或板條狀。

這類陶瓷的強(qiáng)度主要受下列因素影響：彌散相和基體截面的結(jié)合狀態(tài)和化學(xué)相容性；彌散相和基體間的物理性能的匹配，如熱膨脹系數(shù)和彈性模量等；彌散相的形狀、大小、體積含量、分布狀態(tài)等。

3.增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能

1)碳纖維/玻璃(玻璃陶瓷)

碳纖維增強(qiáng)硼硅玻璃、微晶玻璃和石英玻璃后，各項力學(xué)性能指標(biāo)均有改善，其中表征韌性的斷裂功明顯提高，見表8－6。碳纖維與玻璃復(fù)合還具有在高溫下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，同時，由于碳纖維的軸向熱膨脹系數(shù)為負(fù)值，所以可以通過控制碳纖維的取向和體積分?jǐn)?shù)來調(diào)節(jié)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。

表8－6單向碳纖維增韌玻璃（玻璃陶瓷）的性能

2)碳化硅晶須/氧化鋁

以熱壓燒結(jié)法制得的碳化硅晶須/氧化鋁(SiCW/Al2O3)復(fù)合材料中，當(dāng)SiCW體積分?jǐn)?shù)為20%～30%時，復(fù)合材料斷裂韌性KIC為8～8.5MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度達(dá)650MPa，在1000℃以上韌性和強(qiáng)度開始下降。

SiCW/Al2O3復(fù)合材料具有較高的蠕變應(yīng)力指數(shù)。多晶Al2O3的蠕變應(yīng)力指數(shù)約為1.6，而SiCW/Al2O3的蠕變應(yīng)力約為5.2。

3)碳化硅基復(fù)合材料

BN/SiC、C/SiC、SiC/SiC等碳化硅基復(fù)合材料具有較高的斷裂應(yīng)變和抗彎強(qiáng)度，同時具有較好的斷裂韌性和高溫抗氧化性。采用纖維多向編織的預(yù)制坯件，通過CVD或CVI制成的C/SiC、SiC/SiC復(fù)合材料，具有較好的抗壓性能和較高的層間剪切強(qiáng)度，高溫工作時熱輻射率高，可有效降低構(gòu)件的表面溫度，其機(jī)械性能隨溫度變化不大。表8－7列出了不同增強(qiáng)材料預(yù)制坯件與SiC基體復(fù)合時的斷裂韌性及斷裂韌性隨溫度的變化情況。

表8－7

SiC基復(fù)合材料熱力學(xué)性能

4.陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用

1)航天領(lǐng)域

航空飛行器一般都要求有高的推動力以及快的飛行速度等，將這些性能轉(zhuǎn)化為對材料的要求就是強(qiáng)度、密度、硬度及復(fù)合材料在高溫中的耐損傷能力。耐高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是先進(jìn)的航天領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域，在C/C復(fù)合材料表面涂覆SiC層作為耐燒蝕材料已用在美國的航天飛機(jī)上，C/SiC復(fù)合材料已作為太空飛機(jī)的主要可選材料。

2)非航天領(lǐng)域

陶瓷基復(fù)合材料在耐高溫和耐腐蝕的發(fā)動機(jī)部件、切割工具、耐磨損部件、噴嘴或噴火導(dǎo)管，以及與能源相關(guān)的如熱交換管等方面得到廣泛應(yīng)用。

增韌的氧化鋯及其他晶須和連續(xù)纖維增韌的陶瓷基復(fù)合材料由于其高硬度、低摩擦和超耐磨性而用作耐磨損部件。

在切割工具方面，已經(jīng)有TiC顆粒增強(qiáng)Si3N4、Al2O3、SiCW/Al2O3等材料，美國金屬切割工具市場的50%是由碳化鎢/鈷制成的切割工具所占領(lǐng)的。陶瓷基復(fù)合材料制作切割工具的主要優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定、超高硬度、在高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高溫中能保持良好的性能等。

在熱交換、儲存和回收領(lǐng)域，與金屬相比，陶瓷基復(fù)合材料可以在更高的溫度和更復(fù)雜的環(huán)境中使用，如以連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱蒸氣過濾部件等。此外，在汽車發(fā)動機(jī)中使用陶瓷基復(fù)合材料，它所具有的耐熱件、

高強(qiáng)度、低磨耗等等都可以有效降低燃油消耗并進(jìn)一步提高汽車行駛速度等。以陶瓷基復(fù)合材料為主要原料的陶瓷發(fā)動機(jī)已經(jīng)被開發(fā)和應(yīng)用。

8.3.3碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料是由碳纖維或各種碳織物增強(qiáng)碳，或石墨化的樹脂碳（或?yàn)r青）以及化學(xué)氣相(CVD)碳所形成的復(fù)合材料，是具有特殊性能的新型工程材料，也被稱為碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料。其組成元素為單一的碳，因而這種復(fù)合材料具有許多碳和石墨的特點(diǎn)，如密度小、導(dǎo)熱性高、膨脹系數(shù)低以及對熱沖擊不敏感。同時，該類復(fù)合材料還具有優(yōu)越的機(jī)械性能；強(qiáng)度和沖擊韌性比石墨高5～10倍，并且比強(qiáng)度非常高；隨溫度升高，這種復(fù)合材料的強(qiáng)度也升高；斷裂韌性高；化學(xué)穩(wěn)定性高，耐磨性極好。這種材料是最好的高溫復(fù)合材料，耐溫最高可達(dá)2800℃。

碳/碳復(fù)合材料的性能隨所用碳基體骨架用碳纖維性質(zhì)、骨架的類型和結(jié)構(gòu)、碳基質(zhì)所用原料及制備工藝、碳的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)、碳/碳復(fù)合材料制成工藝中各種物理和化學(xué)變化、界面變化等因素的影響而有很大差別，主要取決于碳纖維的類型、含量和取向等。表8－8為單向和正交碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料的性能。

表8－8單向和正交碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料的性能

8.4金屬基復(fù)合材料

8.4.1金屬陶瓷

1.氧化物基金屬陶瓷

氧化物基金屬陶瓷是目前應(yīng)用最多的金屬陶瓷。在這類金屬陶瓷中，通常以鉻為粘結(jié)劑，其含量不超過10%。由于鉻能和Al2O3形成固溶體，故可將Al2O3粉粒牢固地粘結(jié)起來。這類材料的熱穩(wěn)定性和抗氧化能力較好、韌性高，特別適合于作高速切削工具材料，有的還可做高溫下工作的耐磨件，如噴嘴、熱拉絲模以及耐蝕環(huán)規(guī)、機(jī)械密封環(huán)等。

氧化鋁基金屬陶瓷的特點(diǎn)是熱硬性高(達(dá)1200℃)、高溫強(qiáng)度高，抗氧化性良好，與被加工金屬材料的粘著傾向小，可提高加工精度和降低表面粗糙度。但它們的脆性仍較大，且熱穩(wěn)定性較低，主要用作工具材料，如刃具、模具、噴嘴、密封環(huán)等。

2.碳化物基金屬陶瓷

碳化物金屬陶瓷是應(yīng)用最廣泛的金屬陶瓷。通常以Co或Ni作金屬粘接劑。根據(jù)金屬含量不同，可作耐熱結(jié)構(gòu)材料或工具材料。碳化物金屬陶瓷做工具材料時，通常稱為硬質(zhì)合金。表8－9列出了常見的硬質(zhì)合金的牌號、成分、性能和基本用途。

硬質(zhì)合金一般以鈷為粘結(jié)劑，其含量為3%～8%。若含鈷量較高，則韌性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度愈好，但硬度和耐磨性稍有下降。常用的硬質(zhì)合金有WC－Co、WC－TiC－Co和WC－TiC－TaC－Co硬質(zhì)合金。其性能特點(diǎn)是硬度高，達(dá)86～93HRA(相當(dāng)于69～81HRC)，熱硬性好(工作溫度達(dá)900～1000℃)，用硬質(zhì)合金制作的刀具的切削速度比高速鋼高4～7倍，刀具壽命可提高幾倍到幾十倍。

另外，碳化物金屬陶瓷可作為耐熱材料使用，它是一種較好的高溫結(jié)構(gòu)材料。高溫結(jié)構(gòu)材料中最常用的是碳化鈦基金屬陶瓷，其粘接金屬主要是Ni、Co，含量高達(dá)60%，以滿足高溫構(gòu)件的韌性和熱穩(wěn)定性要求。其特點(diǎn)是高溫性能好，如在900℃時仍可保持較高的抗拉強(qiáng)度。碳化鈦基金屬陶瓷主要用作蝸輪噴氣發(fā)動機(jī)燃燒室、葉片、蝸輪盤以及航空、航天裝置中的某些耐熱件。

表8－9常見硬質(zhì)合金的牌號、成分、性能和用途8.4.2纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

1.纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料有高的比剛度和比強(qiáng)度，在航空航天工業(yè)中可替代中等溫度下使用的鐵合金零件。研究最多的鋁基復(fù)合材料是B/Al復(fù)合材料，還有G(石墨)/A1和SiC/Al復(fù)合材料等。它們的性能見表8－10。

表8－10鋁基復(fù)合材料的性能

1)硼纖維增強(qiáng)鋁合金

(1)硼纖維－鋁復(fù)合材料的性能特點(diǎn)。

在金屬基復(fù)合材料中，硼纖維－鋁基復(fù)合材料應(yīng)用最多、最廣。硼纖維－鋁復(fù)合材料能夠把硼纖維和鋁的最優(yōu)性能充分結(jié)合并發(fā)揮出來。有的硼纖維－鋁復(fù)合材料的彈性模量很高，特別是橫向彈性模量高于硼纖維－環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，也高于代號為LC9的超硬鋁和鈦合金Ti－6A14V。其抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度也高于硼纖維－環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。它的高溫性能和使用溫度也比LC9高。除此之外，它還有好的抗疲勞性能。

增強(qiáng)金屬基的硼纖維表面一般要涂覆SiC涂層，其原因是在制造或使用的過程中，溫度約500℃時硼纖維和基體中的鋁能夠化合形成AlB2和B2O3，這就使基體與硼纖維之間具有不相容性，而涂覆SiC后可使硼不易形成其他化合物。

(2)硼纖維－鋁復(fù)合材料的基體。

硼纖維增強(qiáng)的鋁基體可以是純鋁、變形鋁合金或是鑄造鋁合金，在工藝不同時基體性質(zhì)不一樣。例如：

用熱壓擴(kuò)散結(jié)合成形時，基體選用變形鋁合金；用熔體金屬潤浸或鑄造時，基體選用流動性好的鑄造鋁合金。

圖8－9硼－鋁復(fù)合材料的顯微組織

(3)硼纖維－鋁復(fù)合材料的顯微組織與性能。

硼纖維－鋁復(fù)合材料的顯微組織如圖8－9所示。這種復(fù)合材料是用厚度為0.07～0.13mm的多層鋁箔和直徑為0.1mm的硼纖維，經(jīng)524℃加熱，在70MPa的壓應(yīng)力作用下保持1.5h制成。

由50%(體積)涂SiC的硼纖維增強(qiáng)變形鋁合金6A02(LD2)的物理性能和力學(xué)性能見表8－11。當(dāng)硼纖維含量、直徑均不同時，對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度有較大的影響，如圖8－10所示。由圖可知，隨試驗(yàn)溫度的升高，硼纖維－鋁復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度逐漸下降。

表8－11

50%（體積）涂SiC的硼纖維增強(qiáng)變形鋁合金 6A02(LD2)的物理性能和力學(xué)性能

(4)硼纖維－鋁復(fù)合材料的應(yīng)用。

硼纖維－鋁復(fù)合材料是研究最成功、應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料。由于這種復(fù)合材料的密度小，剛度比鈦合金還高，比強(qiáng)度、比剛度更高，同時還有良好的耐蝕性與耐熱性(一般使用溫度可達(dá)300℃)，因此主要用于航天飛機(jī)蒙皮、大型壁板、長梁、加強(qiáng)肋、航空發(fā)動機(jī)葉片、導(dǎo)彈構(gòu)件等。

2)石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由石墨(碳)纖維與純鋁、變形鋁合金、鑄造鋁合金組成。這種復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、高溫強(qiáng)度好、導(dǎo)電性高、摩擦系數(shù)低和耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)，在500℃以下軸向抗拉強(qiáng)度可高達(dá)690MPa，在500℃時的比強(qiáng)度比鈦合金高1.5倍。

G/Al主要用于制造航空航天器天線、支架、油箱，飛機(jī)蒙皮、螺旋槳、蝸輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)葉片、蓄電池極板等，也可用于制造汽車發(fā)動機(jī)零件(如活塞、氣缸頭)和滑動軸承等。

圖8－10硼－鋁復(fù)合材料在不同溫度下的抗拉強(qiáng)度

(4)硼纖維－鋁復(fù)合材料的應(yīng)用。

硼纖維－鋁復(fù)合材料是研究最成功、應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料。由于這種復(fù)合材料的密度小，剛度比鈦合金還高，比強(qiáng)度、比剛度更高，同時還有良好的耐蝕性與耐熱性(一般使用溫度可達(dá)300℃)，因此主要用于航天飛機(jī)蒙皮、大