1、第一章概論物質(zhì)與材料材料：具有滿意指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)人類（材料）進展的四大階段：石器時代-青銅時代T鐵器時代T人工合成時代復(fù)合材料的定義與特點復(fù)合材料：由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，用適當?shù)墓に嚪椒ńM 合起來，而得到的具有復(fù)合效應(yīng)的多相固體材料。特點：人為選擇復(fù)合材料的組分和比例，具有極強的可設(shè)計性。組分保存各自固有的物化特性復(fù)合材料的性能不僅取決于各組分性能，同時與復(fù)合效應(yīng)有關(guān)組分間存在這明顯的界面,并可在界面處發(fā)生反響形成過渡層,是一種多相材 料簡述復(fù)合材料的特點。比強度、比模量大耐疲憊性能好，聚合物基復(fù)合材料中，纖維與基體的界面能阻擋裂紋的擴展, 破

2、壞是漸漸進展的，破壞前有明顯的預(yù)兆。減震性好，復(fù)合材料中的基體界面具有吸震力量,因而振動阻尼高。耐燒蝕性能好,因其比熱大、熔融熱和氣化熱大，高溫下能汲取大量熱能， 是良好的耐燒蝕材料。工藝性好，制造制品的工藝簡潔，并且過載時平安性好。4. 3. 2碳纖維CF具有沿纖維軸擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶結(jié)構(gòu)，使其與樹脂的界面結(jié)合力不大，尤 其是石墨碳纖維，外表處理方法有：1）氧化法（氣相、液相、陽極電解氧化）2）外表晶須化法（將CF在高溫的晶須生長爐中外表沉積生長晶須，提高CF與 基體的粘結(jié)力3）蒸汽沉積法（高溫裂解乙快或甲烷生成的碳沉積在CF上，沉積的碳活性大， 增加界面結(jié)合力）4）電沉積法（電化學(xué)法使聚合

3、物沉積在CF外表）5）等離子體法4界面表征方法（表征界面的形態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)、剩余應(yīng)力、結(jié)合強度）界面形態(tài)的表征.透射電鏡TEM是把經(jīng)加速和聚集的電子束（波長很短）投射到特別薄的樣品（nm級別）上， 電子與樣品中的原子碰撞而轉(zhuǎn)變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與柱 品的密度、厚度相關(guān),因此可以形成明暗不同的襯度，影像將在放大、聚焦后在 成像器件上顯示出來。TEM的區(qū)分力可達0.2nm。襯度：兩像點間的明暗差異（質(zhì)厚襯度、相位襯度、衍射襯度）.掃描電鏡SEM （界面形貌和界面層斷裂面觀看）掃描電鏡從原理上講就是采用聚焦得特別細的高熊曳土兔在試樣上掃描，激發(fā)出 各種物理信息（二次電子）。通過對

4、這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測 試試樣外表形貌的觀看。二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。界面微觀結(jié)構(gòu)的表征：指界面區(qū)域的結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)和其他聚集態(tài)結(jié)構(gòu)界面微觀結(jié)構(gòu)：拉曼光譜、ATM;結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)：TEM,HRTEMATM原子力顯微鏡：當針尖與樣品充分接近相互之間存在相互斥力時，檢測該斥 力可獲得外表物質(zhì)的組分分布和外表結(jié)構(gòu)，一般狀況下區(qū)分率也在納米級水平界面成分的表征：化學(xué)元素的組成（TEM和SEM,XRD）還有俄歇能譜AES, X光電子能譜XPS第五章聚合物基復(fù)材1. 1分類增加體：晶須、顆粒、纖維（BF,GF,CF芳綸纖維增加聚合物基復(fù)材）按基體分：熱固性樹脂基（環(huán)氧樹脂、酚醛樹

5、脂、聚酰亞胺），熱塑性樹脂基（聚 酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚烯燼）1.2特點優(yōu)點：高比強度比模量（機械強度超過金屬）抗疲憊性能好（纖維與基體的界面能阻擋裂紋的擴展，破壞有征兆減振性能好高的自振頻率避開早期破壞，界面吸振力量耐燒蝕性卓越，比熱容大，高溫下汲取大量熱可設(shè)計性強，成型工藝簡潔缺點：抗沖擊強度差，橫向強度低，韌性差第六章陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷耐高溫、硬度高、耐磨損、耐腐蝕、脆性化學(xué)鍵是介于共價鍵和離子鍵的混合鍵,元素電負性差越大，離子鍵越強脆性緣由：位錯在共價鍵中移動的派納力大。2強韌化途徑：顆粒彌散增韌、纖維（晶須）補強增韌、層狀復(fù)合增韌、氧化 倍相變增韌顆粒彌散強化機理：其次相粒子與

6、基體晶粒間的彈性模量和熱膨脹系數(shù)上的差 異，在冷卻中粒子和基體四周形成剩余應(yīng)力場，應(yīng)力場與擴展裂紋簡短交互作用, 從而使裂紋偏轉(zhuǎn),對基體起增韌作用彌散相選擇:高熔點、高硬度的碳化硅、碳化硼、氮化硼等，基體是氧化鋁、氧 化錯,有最正確尺寸、外形、分布和數(shù)量，彌散相在基體中溶解度低，不發(fā)生化學(xué) 反響，與基體結(jié)合強度良好。纖維（晶須）增韌選擇：纖維在基體中勻稱分散，彈性模量和熱膨脹系數(shù)匹配， 良好的化學(xué)相容性，適量的纖維體積分數(shù)6碳碳復(fù)合材料石墨特點：耐高溫、導(dǎo)熱性好、彈性模量高、耐燒蝕但韌性差碳碳復(fù)材特點：.復(fù)材全部由碳組成，在不同T下保持良好的物化性能、力學(xué)性能.高比強度比模量.高燒蝕熱，低燒蝕

7、速率，燒蝕勻稱，耐3000高溫，導(dǎo)熱性好.耐磨損耐疲憊，性能穩(wěn)定，耐腐蝕，耐氧化性差5,具有良好的生物相容性性能：1力學(xué)性能：脆性材料，有假塑性效應(yīng)（增加體的取向變化）；平行纖維 軸向上強度和模量高，偏離方向上降低；纖維體積分數(shù)增加，強度、模量增加。 應(yīng)用：火箭發(fā)動機噴管、剎車裝置、機身材料，航空航天結(jié)構(gòu)部件，可作為熱防 護材料，減重，提高載荷。制備工藝：粉體制備、增加體制備和預(yù)處理、成型（模壓、擠壓、流延成型、注 射成型）和燒結(jié)組成與命名以增加體和基體共同命名時：玻璃纖維增加環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料p、w、干下標T顆粒、晶須、纖維MMCs金屬基復(fù)合材料，聚合物基復(fù)合材料PMCs,陶瓷基復(fù)合材料CM

8、Cs分類按基體：聚合物基，金屬基，無機非金屬基（陶瓷、玻璃、水泥、 石墨）復(fù)合材料按纖維增加體種類：玻璃纖維、碳纖維、有機纖維、陶瓷纖維_ 按增加體形態(tài)：連續(xù)纖維，短纖維，顆粒，晶須增加近代的復(fù)合材料以1942年制出的玻璃纖維增加塑料為起點其次章增加體增加體（起到增韌、耐磨、耐熱、耐蝕等提高和改善性能的作用）纖維是具有較大長徑比的材料，具有較高的強度，良好的柔曲性，高比強度，高 比模量，與基體相容性好，本錢低工藝學(xué)好玻璃纖維：非晶型無機纖維，二氧化硅（形成骨架，高熔點）和其他元素的堿金 屬氧化物（二氧化硅提高GF化學(xué)穩(wěn)定性，堿金屬降低熔點和穩(wěn)定性，改善制備 工藝） 性能T力學(xué)：無屈服無塑性，脆

9、性特征，拉伸強度高，模量較低，直徑越小，長度越 短，含堿量越低，拉伸強度越高，與水作用強度降低T熱性能：耐熱性較高，玻璃纖維熱處理使微裂紋增加，強度降低T電性能：電絕緣性能優(yōu)，在纖維外表涂石墨或金屬成為導(dǎo)電纖維T玻璃耐酸堿、有機溶劑性能好，玻璃纖維耐蝕性能變差E無堿玻璃纖維：絕緣，機械性能強，耐水性好C中堿玻璃纖維：耐酸性好（酸與硅酸鹽生成氧化硅保護膜），耐水性差，A有堿玻璃纖維結(jié)構(gòu)：微晶結(jié)構(gòu)假說和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說，GF為無定形結(jié)構(gòu)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，各 向同性。直徑在微米級別。制備：培蝸法，池窯法（節(jié)能50%）硼纖維半導(dǎo)體性質(zhì)，硬度僅次于金剛石，在芯材（鴇絲）上沉積不定型的原子硼，具有 高強度、高模

10、量和高硬度,脆性材料，高溫性能好,耐磨損耐腐蝕，抗壓縮性 能好制備：鹵化硼反響法（鴇絲和碳絲）T碳芯硼和鴇芯硼，結(jié)構(gòu)取決于硼的沉積條 件，溫度改善：需要對硼纖維外表（外表能高）進行涂層（碳化硅）阻擋界面的有害反響結(jié)構(gòu)：無定形硼，12個硼原子組成的20面體，碳纖維是有機纖維經(jīng)過固相反響轉(zhuǎn)變而成的多晶纖維狀聚合物碳，無機非金屬材料（不 屬于有機、無極纖維），直徑約8微米，密度小分類：按原絲類型分為聚丙烯月青PAN基（拉伸強度高）、粘膠基（拉伸模量大）、 瀝青基、木質(zhì)素纖維基及其他有機纖維基碳纖維制備：有機纖維碳化法（并非全部有機纖維都能制備碳纖維）拉絲（紡絲）T牽引T穩(wěn)定化（加熱預(yù)氧化處理）T碳化

11、（惰性氣氛10002000, 形成碳纖維，非碳原子被移除）T石墨化（靈氣下20003000石墨化結(jié)晶，碳 纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槭w維）T外表處理（碳的活性低，提高外表活性）石墨化程度隨溫度上升而提高，模量也隨之增加性能：吸水率低，汲取有毒氣體，耐磨，具有低密度、高強度、高模量、耐高 溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高導(dǎo)熱、低熱膨脹具有柔順性和可編織性（有脆性， 抗沖擊性和抗氧化性差,裂縫、空穴、氣泡）碳化硅纖維：陶瓷纖維，直徑0.11微米性能：吸波力量強（吸波隱身）高比強度、比模量、高溫抗氧化性、耐燒蝕性、耐沖擊性好制備：化學(xué)氣相沉積法：碳化硅沉積在芯絲外表晶須：直徑小于3微米的單晶體生長的短纖維特點：單晶直

12、徑小缺陷少，強度高、模量大，有陶瓷晶須（氧化鋁和碳化硅晶須） 和金屬（銅、鐵、鍥）晶須制備：焦化法（原料稻谷制備碳化硅晶須）、CVD （碳化硅）、氣相反響法（氧 化鋁晶須和石墨晶須）電弧法（碳及石墨晶須）、氣固法、氣液固法（碳化硅及 碳晶須）顆粒（零維）增加體（增加效果不及晶須和纖維）分類：剛性顆粒（陶瓷顆粒）有碳化硅、碳化鐵、碳化硼、石墨等可提高復(fù)合材 料的高溫性能、耐磨性能、硬度和耐蝕性能-制造熱結(jié)構(gòu)零件、軸承延性顆粒：金屬顆粒加入陶瓷、玻璃等脆性基體增加韌性6有機高分子纖維：芳香族聚酰胺纖維（芳香族聚酰胺樹脂紡成的纖維）、芳 香族聚酯纖維，超高分子量聚乙烯纖維PPTA （聚對苯二甲酰對苯

13、二胺）高模量、耐高溫、低密度韌性好，比強度極高， 耐酸堿，耐水性差，耐磨性好，絕緣（溶解性差，耐光性差，抗壓強度低）第三章符合理論3.2復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)是指將組分A、B兩種材料復(fù)合起來，得到同時具有兩種組分的性能特 征的綜合效果。2.1線性效應(yīng).平均效應(yīng)（混合效應(yīng)）：復(fù)材的某項性能Kc二組成各組分的性能乘以該組分的 體積分數(shù)之和.平行效應(yīng)：Kc與某一組分的性能相當.相補效應(yīng)：組分復(fù)合后，互補缺點產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能.相抵效應(yīng)：（負的效應(yīng)）2.2非線性效應(yīng).相乘效應(yīng)：把兩種具有能量（信息）轉(zhuǎn)換功能的組分復(fù)合起來,使相同的功 能得到復(fù)合，而不同的功能得到新的轉(zhuǎn)換。如壓磁效應(yīng)X磁阻效應(yīng)T壓阻效應(yīng).誘導(dǎo)

14、效應(yīng)：在復(fù)材兩相的界面上,一項對另一項產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，形成新的界 面層上有特別結(jié)構(gòu)，使復(fù)材在傳遞載荷的力量上有特別性.系統(tǒng)效應(yīng)：將不具備某種性能的各組分復(fù)合后產(chǎn)生單個組分不具有的逝性熊.共振效應(yīng)：A組分與另一組份復(fù)合后使其大局部性能受到抑制，某一性能能充 分發(fā)揮.3復(fù)合材料的增加機制3.1顆粒（p）增加機制顆粒在基體中彌散勻稱分布，阻礙位錯運動，提高位錯密度強化基體，提高強度。顆粒切過機制（顆粒直徑較大，自身強度不高）顆粒與基體的界面結(jié)合良好，外加應(yīng)力足夠大，位錯可以通過顆粒，發(fā)生位錯切 過現(xiàn)象。顆粒阻礙位錯運動的力量越強，強化效果越好。顆粒未切過機制（顆粒尺寸在nm級別，自身強度高）顆粒彌散分

15、布在基體中，無法被位錯切過，外加載荷由基體擔(dān)當。1）奧羅萬機制（高溫高外加應(yīng)力）：位錯通過彌散顆粒消失拱彎現(xiàn)象，留下位 錯環(huán)，尺寸約小，強化效果越好2）位錯攀移機制（高溫低外加應(yīng)力）局部和完整攀移（位錯攀移越過粒子后從粒子處脫離的最大外力脫離門檻應(yīng)力）和攀移門檻 應(yīng)力（位錯攀移粒子時所需應(yīng)力）是奧羅萬應(yīng)力（位錯通過顆粒的臨界應(yīng)力）和松弛參數(shù)K的函數(shù)K0. 94,是局部門檻應(yīng)力顆粒增加的其他機制Hall-Petch強化是通過增加體顆粒的釘扎作用（可釘扎基體的位錯、晶界,亞晶界），細化基體晶粒的細晶強化作用（非直接的強化機制）2）剩余應(yīng)力場強化機制：顆粒與基體存在的膨脹系數(shù)的差異會在顆粒四周產(chǎn)生剩

16、余應(yīng)力場，導(dǎo)致在基體中擴展的裂紋偏轉(zhuǎn)方向時需消耗更多的能量，使復(fù)材增 韌補強。3）位錯強化機制：剩余應(yīng)力場使得基體中的位錯密度增加從而強化基體影響顆粒強化的因素：顆粒的自身性質(zhì)、與基體的結(jié)合界面、基體的性質(zhì)、制 備工藝3. 2纖維增加原理纖維增加復(fù)材的基體一般是聚合物，結(jié)構(gòu)設(shè)計一般為層板理論：纖維增加復(fù)材是 由單向?qū)悠鶕?jù)肯定的挨次疊放而成的。復(fù)材的性能與組分性能、組分分布、組 分間的物化作用有關(guān)。單向長纖維1）縱向強度與剛度初始階段時：可認為基體、纖維、復(fù)材具有相同的應(yīng)變，沿纖維方向的應(yīng)力由 纖維與基體共同擔(dān)當 混合法那么：纖維和基體對復(fù)材的應(yīng)力、彈性模量的貢獻正比于各自的體積分數(shù) 組分材料

17、的載荷承載比與纖維的體積比和纖維與基體的彈性模量比有關(guān)，在給定 的纖維/基體系統(tǒng)中，應(yīng)提高纖維的體積分數(shù) 斷裂強度：當基體的斷裂應(yīng)變纖維的斷裂應(yīng)變（纖維先斷裂）：當Vf （纖維體積分數(shù)）小, 基體能夠擔(dān)當纖維斷裂后轉(zhuǎn)移的全部載荷；V千大，基體不能承載，復(fù)材斷裂陶瓷基復(fù)合材料的強韌機理陶瓷脆性大，加入顆粒、晶須和纖維增加強度和增韌纖維：碳纖維（應(yīng)用多，采納有機母體的熱氧化和石墨化制?。┎ＡЮw維本錢低廉，外表的保護膜可增加與基體的連接增加體硼纖維無定形結(jié)構(gòu)，強度為晶體硼的一般晶須：碳化硅、氧化鋁、氮化硅顆粒：增韌效果不及晶須和纖維，但制備工藝簡潔，有碳化硅晶須的強韌機理：晶須橋聯(lián)、晶須拔出（主要形

18、式）與裂紋轉(zhuǎn)向纖維增韌:纖維脫黏、纖維拔出（主要）、纖維橋聯(lián)晶須橋聯(lián)：基體消失裂紋后，連續(xù)承載外界載荷在基體裂紋相對的兩面之間形成橋聯(lián)結(jié)構(gòu),晶須產(chǎn)生一個使基體閉合的作用力消耗外載荷使材料韌性增加裂紋偏轉(zhuǎn)：晶須對裂紋的擴展產(chǎn)生阻擋作用，使裂紋擴展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，晶須長 徑比越大，增韌效果愈好。第四章復(fù)合材料的界面理論界面：組分材料間存在著結(jié)合層，該層具有肯定的厚度，結(jié)構(gòu)不同于基體和增加體，另成一相或多相。（基體與增加體之間化學(xué)成分有顯著變化的、能夠彼 此結(jié)合傳遞載荷的微小區(qū)域）界面分類：共格、半共格、非共格機械結(jié)合界面：靠增加體與基體間摩擦力結(jié)合，溶解與潤濕結(jié)合界面，界面 發(fā)生原子集中和溶解，反響結(jié)合界面：界面發(fā)生化學(xué)反響交換反響結(jié)合界面， 發(fā)生化學(xué)反響并通過集中發(fā)生元素交換混合結(jié)合界面界面作用：傳遞載荷，阻斷裂紋擴展、位錯運動、緩解應(yīng)力集中，物理性能不連 續(xù)性，誘導(dǎo)