Chapter 9 Composites

复合材料复合材料

Chapter 9Chapter 9 Composites Composites

1Chapter 9 Composites

本章内容

1. 复合材料概述2. 复合材料分类3. 复合材料的基体4. 复合材料的增强相5. 复合材料的复合原理6. 复合材料的成型工艺

Chapter 9 Composites 2

学习目的

• 掌握复合材料的特点；• 了解复合材料中基体和增强相的种类、

特点和要求；• 理解复合材料的复合原理，包括混合法

则、增韧机制和界面作用；• 了解复合材料的成型工艺。


参考书目• 王荣国主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学

出版社， 1999• 闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出

版社， 1998• 鲁云，先进复合材料，机械工业出版

社， 2004• ASM International, Engineered materials

handbook, Composites, Vol.1, Metals, Park, 1987


9.1 复合材料概述• 三大材料：

– 金属– 无机非金属– 有机高分子

• 复合材料– 取长补短– 协同作用– 产生原来单一材料没有本身所没有的新性能

无机非金属材料

有机高分子

材料

金属材料

复合材

料


复合材料的定义• 国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料

• 《材料大词典》：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。


• 《材料科学技术百科全书》：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。


• 复合材料的特点：

• 1 ）复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；

• 2 ）复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；

• 3 ）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。


基体和增强材料Matrix and Reinforcement

• 基体——连续相• 增强材料——分散相

– 也称为增强体、增强剂、增强相等– 显著增强材料的性能– 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。– 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。

• 在基体和增强体之间存在着界面。


Schematic illustration of composite constituents


复合材料历史• 古代－近代－先进复合材料• 天然复合材料

– 竹、贝壳，树木和竹子：纤维素和木质素的复合体 – 动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成

• 古代：使用、效仿 – 半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今– 漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年– 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆


近现代：• 第一代： 1940 年到 1960 年，玻璃纤维增强塑料• 第二代： 1960 年到 1980 年，先进复合材料 1965 年英国科学家研制出碳纤维 1971 年美国杜邦公司开发出开芙拉 -49

1975 年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。

• 第三代： 1980 年到 1990 年，碳纤维增强金属基复合材料以铝基复合材料的应用最为广泛。• 第四代： 1990 年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。


9.2 复合材料的分类按增强材料形态分类1 、纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端

点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在

基体材料中；2 、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3 、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为

增强材料与基体复合而成。

其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体


Classes of composites


纤维增强复合材料种类① 玻璃纤维复合材料；② 碳纤维复合材料；③ 有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；④ 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤ 陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。

混杂复合材料：•两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料•可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。


按基体材料分类

① 聚合物基复合材料 : 以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；

② 金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；

③ 无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。


按材料作用分类

① 结构复合材料：用于制造受力构件；② 功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、

导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。

• 同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳 / 碳复合材料）

• 异质复合材料（复合材料多属此类）。


复合材料系统组合分散相

连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料

金属材料

金属纤维纤维 / 金属基复合材料钢丝 / 水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须 / 金属基复合材料晶须 / 陶瓷基复合材料金属片材金属 / 塑料板

无机非金属材料

陶瓷

纤维纤维 / 金属基复合材料纤维 / 陶瓷基复合材料晶须晶须 / 金属基复合材料晶须 / 陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料

玻璃

纤维纤维 / 树脂基复合材料颗粒

碳纤维碳纤维 / 金属基复合材

料碳纤维 / 陶瓷基复合材

料碳纤维 / 树脂基复合材料

炭黑颗粒 / 橡胶；颗粒 / 树脂基

有机高分子材

料

有机纤维纤维 / 树脂基复合材料塑料金属 / 塑料橡胶


• 各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料

非常成熟广泛的应用

金属基复合材料开发阶段某些结构件的关键部位

陶瓷基复合材料及功能复合材料等尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决


复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展• 仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制

备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。

• 仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了 10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固 40％。

• 仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。


9.3 复合材料的基体材料复合材料的原材料：• 基体材料

– 金属材料– 陶瓷材料– 聚合物材料

• 增强材料– 纤维– 晶须– 颗粒


9.3.1 金属基体材料

9.3.1.1 选择基体的原则

• 目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。

• 基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能，满足使用要求十分重要。


① 金属基复合材料的使用要求——金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体

材料最重要的依据。

• 在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。

• 作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金—镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨 / 镁、石墨 / 铝、硼 / 铝复合材料。


• 高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。

如碳化硅 / 钛、钨丝 / 镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。

• 在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维） / 铝基复合材料。

如碳化硅 / 铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维 / 铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。


• 工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。

选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。


② 金属基复合材料组成特点

• 连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维。

• 连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。


• 如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料基体合金优化过程中，发现铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。


• 对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。因此要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如A365 ， 6061 ， 7075 ）为基体。


③ 基体金属与增强物的相容性

金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。


—— 因此，选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。

• 例如，对增强纤维进行表面处理

在金属基体中添加其他成分

选择适宜的成型方法

缩短材料在高温下的停留时间等。


9.3.1.2 结构复合材料的基体分为轻金属基体和耐热合金基体① 用于 450℃ 以下的轻金属基体

– 目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等

② 用于 450~700℃ 的复合材料的金属基体– 钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可

在 450～ 700℃ 使用，用于航空发动机等零件。

③ 用于 1000℃ 以上的高温复合材料的金属基体– 基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。


9.3.1.3 功能用金属基复合材料的基体

• 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。

• 单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合材料来满足需求。

• 主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。


• 微电子技术的电子封装– 集成电路：需用热膨胀系数小、导热性好的

材料做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，来提高器件可靠性。

– 用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料，硼 / 铝基复合材料等


• 耐高温摩擦的耐磨材料– 碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等

增强铝、镁、铜、锌、铅等金属及其合金的金属基复合材料。

• 高导热和耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料– 碳（石墨）纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、

铜、银及合金等金属基复合材料。• 耐腐蚀的电池极板材料等


9.3.2 陶瓷基体• 在陶瓷基体中添加其他成分（如陶瓷粒子、

纤维或晶须）可提高陶瓷的韧性。– 粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果

并不显著。– 高强度的碳化硅晶须容易掺混在陶瓷基体中，

增强陶瓷的作用明显。– 用作基体材料的陶瓷一般应具有优异的耐高温

性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。


陶瓷基复合材料（ CMC ）


CMC 的应用


C/C 在航天领域中的应用

C/C 作为刹车盘

碳 /碳复合材料（ C/C ）


9.3.3 聚合物基体

9.3.3.1 聚合物基体的种类• 不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。

• 不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的 80%以上。


① 聚酯树脂特点：

– 工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。

– 树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。

– 价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。

– 不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等。

主要用于一般民用工业和生活用品中


H O CHCH2

CH3

O C

O

CH

CH

C

O

O CHCH2

CH3

O C

O

C

O

OH

n

H O CHCH2

CH3

O C

O

CH

CH

C

O

O CHCH2

CH3

O C

O

C

O

OH

n

C

CH3

CH3

O CH2O CHCH2

CH3

CH OO

CH3

CC CH

O

CH CCH

O

O

O

CHCHO

O

n

邻苯型不饱和聚酯：

间苯型不饱和聚酯：

双酚Ａ型不饱和聚酯：


② 环氧树脂特点：

– 在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；

– 已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；

– 树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；

– 固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。


CH2 CHCH2 O C

CH3

CH3O

O CH2CHCH2

OH

O C

CH3

CH3

CH2 CHO CH2

On

n = 0~19

双酚Ａ型环氧树脂：

CH2 CH2

O O O

H2C

HCCH2

H2CHC

CH2H2C

HCCH2

O O O

n

酚醛环氧树脂：


③ 酚醛树脂

• 优点：比环氧树脂价格便宜

• 缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。

• 大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，

• 少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。

OH

n+ n C H

O

H

OH

CH2

n+ nH2O

±½·Ó ¼×È© ·ÓÈ©Ê÷Ö¬


9.3.3.2 聚合物基体的作用– 把纤维粘在一起；– 分配纤维间的载荷；– 保护纤维不受环境影响。

用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。

尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。


• 例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的纤维承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪切过程传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度，同时要求基体本身也具有高的剪切强度和模量。

• 当载荷主要由纤维承受时，复合材料总的延伸率受到纤维的破坏延伸率的限制，这通常为 1%~1.5% 。基体的主要性能是在这个应变水平下不应该裂开。

• 在纤维的垂直方向，基体的力学性能和纤维与基体之间的胶接强度控制着复合材料的物理性能。

• 由于基体比纤维弱得多，而柔性却大得多，所以在结构件设计中应尽量避免基体直接横向受载。


• 在高胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率高，但断裂韧性差）与较低胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率不高，但韧性较高）之间需要折衷。

• 在应力水平和方向不确定情况下使用或在纤维排列精度较低情况下制造的复合材料往往要求基体比较软。

• 在明确应力水平情况下使用和在严格控制纤维排列情况下制造的先进复合材料，应通过使用高模量和高胶接强度的基体以更充分地发挥纤维的最大性能。


9.4 复合材料的增强相• 增强材料（增强体、增强剂等）——分散在基体内以改进其机械性能的高强度材料

• 分类– 纤维及其织物– 晶须– 颗粒– 小片状、板状


Types of reinforced composites


9.4.1 纤维增强体

• 天然纤维——植物纤维（棉花、麻类）、动物纤维（丝、毛）和矿物纤维（石棉）。– 强度较低

• 现代复合材料的增强材料用合成纤维– 有机纤维

– 无机纤维。


Types of fiber reinforcement orientation


one-dimensional two-dimensional

three-dimensional

1 ）有机纤维① 芳香族酰胺纤维

Aromatic Polymide Fibre, Kevlar, KF• 特点：高强度、高模量和韧性好等• 密度较低，而比强度极高，超过玻璃纤维、碳纤维

和硼纤维• 比模量与碳纤维相近，超过玻璃、钢、铝等。由于

韧性好，它不象碳纤维、硼纤维那样脆，因而便于纺织。

• 常和碳纤维混杂，提高纤维复合材料的耐冲击性。• Kevlar 纤维属于自熄性材料。



KEVLAR 纤维

http://img.diytrade.com/cdimg/114543/5292759/0/1204452612.jpg

http://www.entparadise.com/forum/read.php?tid=8055

http://www.chinabike.net/newbbs/dispbbs.asp?boardID=35&ID=134240

http://www.cycleway.net/bbs/dispbbs.asp?boardid=11&id=1434

② 聚乙烯纤维（ Polyethylene, PE ）• 目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。

• 通常分子量大于 106，拉伸强度为 3.5GPa，弹性模量为 116GPa，延伸率为 3.4%，密度为0.97g/cm3。

• 具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。

• 不足之处是熔点较低（约 135℃ ）和高温容易蠕变。因此仅能在 100℃ 以下使用，

• 可用于制做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等 54Chapter 9 Composites

2 ）无机纤维① 玻璃纤维（ Glass Fibre, GF 或 Gt ）• 由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。

• 由于质地柔软，因此可以纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。

• 价格便宜，品种多，适于编织各种玻璃布，作为增强材料广泛用于航空航天、建筑领域及日常用品。

• 缺点是不耐磨，易折断，易受机械损伤，长期放置强度下降。


Example

无捻玻璃纤维


种类：• 按用途高强度纤维、低介电纤维、耐化学药品纤维、耐电腐蚀纤维、耐碱纤维；

• 按化学成分碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维；

• 按单丝直径可分为：粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维。


7.4.1 聚合物基

玻璃钢天线反射面

玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢


(1)GFRP

玻璃钢应用于体育用品


② 碳纤维（ Carbon Fibre, CF 或 Cf ）纤维中含碳量在 95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。

• 生产碳纤维的原料主要为人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯烃和沥青三种，其中以聚丙烯烃最为主要。

• 按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。


碳纤维的结构模型Polymer Matrix Composites ， PMC

普通型高强度型高弹性模量型


碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固


Pyrolysis （热解） of polyacrylonitrile ( 聚丙烯腈， PAN) to form carbon fibers


(2)CFRP

碳纤维增强聚合物基复合材料（ CFRP ）

CFRP 在民用飞机中的应用

CFRP 在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用


碳纤维的特点：强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值具有很好的耐高温蠕变性能，一般在 1900℃ 以上才呈现出永久塑性变形。

摩擦系数小、润滑性好、导电性高。

碳纤维的缺点：价格昂贵，比玻璃纤维贵 25倍以上抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧

化碳。65Chapter 9 Composites

③ 硼纤维（ Boron Fibre ， BF 或 Bf ）• 通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。

• 硼纤维的直径有 100 mμ 、 140 mμ 、 200 mμ 几种。

硼纤维的特点• 硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为 3.2~5.2GPa ，弹性模量为 350~400GPa 。

• 硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。66Chapter 9 Composites

硼纤维的缺点• 工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。• 由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。• 目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降 5%，但成本降低 25%。

• 硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积 SiC层，称之为 Bosic

纤维。• 硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。


硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱


④ 氧化铝纤维Aluminia Fibre ， AF

• 多晶连续纤维，除 Al2O3外常含有约 15% 的 SiO2。

• 优点：具有优良的耐热性和抗氧化性，直到 370℃强度仍下降不大。

• 缺点：在所有纤维中密度最大。

• 用途：主要用于金属基复合材料。


http://cntcd.com/book/a2006528152113.gif

⑤ 碳化硅纤维Silicon Carbide Fibre ， SF

• 目前 SiC 纤维的生产有有机合成法和 CVD 法两种。

特点：• 高强度高模量

• 有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。

• 具有半导体性能。

• 与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。


α- 碳化硅71Chapter 9 Composites

9.4.2 晶须增强体• 晶须（ Wisker ）：具有一定长径比（一般大于

10 ）和截面积小于 52×10-5cm2 的单晶纤维材料。

• 具有实用价值的晶须直径约为 1 ～ 10μm ，长度与直径比在 5 ～ 1000之间。

• 晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。


分类：• 金属晶须（如 Ni 、 Fe 、 Cu 、 Si 、 Ag 、 Ti 、 Cd

等）• 氧化物晶须（如MgO 、 ZnO 、 BeO 、 Al2O3 、 TiO2 、

Y2O3 、 Cr2O3等）

• 陶瓷晶须（如碳化物晶须 SiC 、 TiC 、 ZrC 、 WC 、B4C ）

• 氮化物晶须（如 TiB2 、 ZrB2 、 TaB2 、 CrB 、 NbB2

等）• 无机盐类晶须（如 K2Ti6O13 和 Al18B4O33）。


晶须的制备方法：• 化学气相沉积（ CVD ）法• 溶胶—凝胶法• 气液固（ VLS ）法• 液相生长法• 固相生长法• 原位生长法。


9.4.3 颗粒增强体 Particle Reinforcement

• 颗粒增强体：用以改善基体材料性能的颗粒状材料

• 颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。

• 颗粒增强体成本低，易于批量生产。


• 具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒– 如碳化硅、氧化铝、氮化

硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。

刚性颗粒增强体（ Ragid Particle Reinforcement ）


• 颗粒增强体以很细的粉末（一般在 10 mμ 以下）加入到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用– 在 Al 合金中加入体积为 30% ，粒径为 0.3 mμ

的 Al2O3颗粒 , 材料在 300℃时的拉伸强度仍可达 220MPa ，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。

– 在 Si3N4陶瓷中加入体积为 20% 的 TiC颗粒，可使其韧性提高 5% 。


延性颗粒增强体（ Ductile Particle Reinforcement ）

• 主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性– 如 Al2O3中加入 Al ， WC 中加入 Co 等。

• 金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。


• 复合材料的复合原理，是反映各种因素对复合材料性能的影响规律。

• 影响复合材料性能的因素：– 工艺因素– 基体和增强材料的性能– 增强材料的形状、含量、分布– 增强材料的以及与基体的界面结合、结构

• 按照复合原理，可以对所需要研究和开发的复合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。

9.5 复合材料的复合原理


• 在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（ vol.% ）：

9.5.1 混合法则（ mixing rule ）

N

iVPP

1iic

Pc ：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；Pi ：各组分材料的对应复合材料的某性能；V ：组成复合材料各组分的体积百分比；i ：表示组成复合材料的组分数。


SiC/硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加


颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系


• 复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。

以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。

9.5.2 增韧机制


纤维脱粘

纤维搭桥

纤维拔出


9.5.3 界面作用• 在基体和分散相之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面－界面。

• 复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为界面相。

• 界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的一个指标。

• 对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或过弱都不利于材料的力学性能。


复合材料界面的粘结方式

机械结合

静电作用

界面扩散

界面反应


9.6 复合材料的成型工艺9.6.1 聚合物基复合材料的成型工艺

——聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。

• 成型工艺包括两方面– 成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状，

– 固化，即使已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。


目前在生产中采用的成型工艺方法有：

1. 手糊成型—显法铺层2. 真空袋压法成型3. 压力袋成型4. 树脂注射和树脂传递成型5. 喷射成型6. 真空辅助树脂注射成型7. 夹层结构成型8. 模压成型


9. 注射成型10.挤出成型11.纤维缠绕成型12.拉挤成型13.连续板材成型14.层压或卷制成型15.热塑性片状模塑料热冲压成型16.离心浇铸成型


挤出成型示意图1-转动机构； 2-止推轴承； 3- 料斗； 4-冷却

系统；5-加热器； 6-螺杆； 7- 机筒； 8-滤板； 9-

机头孔型90

9.6.2 金属基复合材料的成型技术工艺研究主要内容：①金属基体与增强材料的结合和结合方式；②金属基体 / 增强材料界面和界面产物在工艺过程

中的形成及控制；③增强材料在金属基体中的分布；④防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；⑤优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。


• 根据各种方法的基本特点把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：

① 固态法；

② 液态法；

③ 喷射与喷涂沉积法；

④ 原位复合法。


常用的金属基复合材料制备工艺


雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图 94Chapter 9 Composites

9.6.3 陶瓷基复合材料的制备工艺1．纤维增强陶瓷基复合材料的制备1 ）泥浆烧铸法

这种方法是在陶瓷泥浆中把纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老，不受制品形状的限制，但对提高产品性能的效果不显著，成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。


2 ）热压烧结法•将长纤维切短（＜ 3mm ），然后分散并与基体粉未混合，再进行热压烧结。这种短纤维增强体在与基体粉末混合时取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结过程中，短纤维在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动，导致在最终制得的复合材料中短纤维沿加压面择优取向，这也就产生了材料性能上一定程度的各向异性。•这种方法制备的陶瓷基复合材料的纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法。


3 ）浸渍法•适用于长纤维。•首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。•优点 : 纤维取向可自由调节，即前面所述的单向排布及多向排布等。•缺点 : 不能制造大尺寸制品，而且所得制品的致密度较低。


例子： ① 碳纤维增强氧化镁

以氧化镁为基体，碳纤堆为增强体（体积含量为 10%左右），在 1200℃进行热压成型获得复合材料，它的抗破坏能力比纯氧化镁高出 10倍以上。

由于碳纤维与氧化镁的热膨胀系数相差－个数量级，所以这种复合材料具有较多裂纹，实用价值不大。


② 石墨纤维增强 LiO·Al2O3·nSiO2

用石墨纤维作增强体，以氧化锂、氧化铝和石英组成的复盐为基体。

把复盐先制成泥浆，然后使其附着在石墨纤维毡上，把这种毡片无规则地积层，并在 1375~ 1425℃热压 5 分钟，压力为 7MPa 。

所得复合材料与基体材料相比更耐力学冲击和耐热冲击。


③ 碳纤维增强无定型二氧化硅基体为无定型二氧化硅，增强体为碳纤维，

碳纤维的含量约 50%左右。这种复合材料沿纤维方向的弯曲模量可达 150GPa ，而且在 800℃时仍能保持在 100GPa ，在室温和 800℃时的弯曲强度却达到了 300MPa 。

在冷水和 1200℃之间进行热冲击实验，基体没有产生裂纹。实验后测定的强度与实验前完相同。冲击功为 1.1J/cm2 。


2 ．晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备•晶须与颗料的尺寸均很小，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。•制备工艺比长纤维复合材料简便得多，也不需像长纤维复合材料那样的纤维缠绕或编织用的复杂专用设备。只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。


工艺过程：1 ）配料•把几种原料粉末混合配成坯料的方法可分为干法和温法两种。 •新型陶瓷领域混合处理加工的微米级、亚微米级粉末方法由于效率和可靠性等原因大多采用湿法。•湿法主要以水作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系原料混合时，为防止原料的氧化则使用有机溶剂。混合装置一般采用专用球磨机。


2 ）成型混好后的料浆在成型时有三种不同的情况： ① 经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序； ② 把结合剂添加于料浆中，不干燥坯料，保持浆状供给成型工序； ③ 用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序。


3) 烧结•从生坯中除去粘合剂后的陶瓷素坯烧固成致密制品的过程叫烧结。•烧结窑炉的类型

– 间歇式：放入窑炉内生坯的硬化、烧结、冷却及制品取出等工序是间歇进行的

– 连续式。


4) 精加工•烧结后的许多制品还需进行精加工。•提高烧成品的尺寸精度

– 主要用金刚石砂轮进行磨削加工•提高烧成品的表面平滑性

– 用磨料进行研磨加工。


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