1、復(fù) 合 材 料 概 論材 料 與 化 工 學(xué) 院目 錄1、概述 6、金屬基復(fù)合材料2、基體材料 7、陶瓷基復(fù)合材料3、增強(qiáng)材料 8、水泥基復(fù)合材料4、復(fù)合界面 9、C/C復(fù)合材料5、聚合物基復(fù)合材料 10、混雜纖維復(fù)合材料1、概 述 一、定義 由兩種或兩種以上，物理化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的多相固體材料。復(fù)合材料的組成相： 增強(qiáng)相 - 纖維、晶須、顆粒。（不連續(xù)相） 基體相 - 金屬、陶瓷、聚合物。（連續(xù)相）增強(qiáng)相：一般具有很高的力學(xué)性能（強(qiáng)度、彈性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受載荷或顯示功能?；w相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐熱性等。主要作用是將增強(qiáng)相固結(jié)成一個整體，起

2、傳遞和均衡應(yīng)力的作用。例如：天然木材 - 纖維素纖維 + 木質(zhì)素鋼筋混凝土- 砂、石、鋼筋 + 水泥玻璃鋼 - 玻璃纖維 + 熱固性樹脂 C/C復(fù)合材料 - 石墨碳纖維 + 熱解碳或樹脂碳 （耐燒蝕）1、按基體材料分 樹脂基：聚酯、環(huán)氧、聚碳酸酯、聚酰亞胺等 60年代 金屬基：Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co及其合金 70年代 陶瓷基：Al2O3、ZrO2及非氧化物 80年代 2、按增強(qiáng)相形狀分 顆粒 均布、各向同性 纖維（長、短纖維和晶須） 各向異性或同性 層片 各向異性二、復(fù)合材料的分類3.按應(yīng)用目的分 樹脂基 250 金屬基 600 陶瓷基 金屬基 樹脂基、耐熱性 樹脂基: 60 25

3、0 金屬基: 400 600 陶瓷基: 1000 1500、耐自然老化 陶瓷基 金屬基 樹脂基2、取決于基體相的性能、導(dǎo)熱導(dǎo)電性 金屬基 陶瓷基 樹脂基、耐蝕性 陶瓷基和樹脂基 金屬基、工藝性及生產(chǎn)成本 陶瓷基 金屬基 樹脂基 1、設(shè)計的三個層次： 單層設(shè)計 - 微觀力學(xué)方法 層合體設(shè)計 - 宏觀力學(xué)方法 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計 - 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 單層材料的性能 取決于增強(qiáng)相、基體相和結(jié)合界面的力學(xué)性能，增強(qiáng)相的含量、分布方向等。 設(shè)計內(nèi)容包括正確選擇原料的種類和配比。四、復(fù)合材料設(shè)計特點層合體設(shè)計層合體的性能 取決于單層材料的力學(xué)性能和鋪層方法（厚度、纖維交叉方式、順序等）。 設(shè)計內(nèi)容包括：對鋪層方案

4、作出合理的安排。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能 取決于層合體的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)幾何、組合與連接方式。 設(shè)計內(nèi)容：最終確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、連接方法等。2、特點： 性能可設(shè)計性強(qiáng) （可調(diào)因素多） 材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)聯(lián) 性能預(yù)測性差 如: 加和法 沒有考慮界面結(jié)合的影響，預(yù)測性很差。2. 基體材料基體的作用: 固結(jié)增強(qiáng)相，均衡載荷和傳遞應(yīng)力,保持基本性質(zhì)。選材原則： 強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能，只作一般性考慮。 兩者相容性，環(huán)境適應(yīng)性，工藝性，重點考慮。 相容性： 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，潤濕性好，膨脹系數(shù)差要小，以確保兩相界面具有足夠的結(jié)合力。環(huán)境適應(yīng)性： 耐熱、耐蝕、抗老化和適當(dāng)?shù)挠捕?。工藝性?制備是否方便，成本是否廉

5、等。一、聚合物基特點： 一般在室溫或低溫下進(jìn)行復(fù)合成型，工藝性好； 可選擇的增強(qiáng)材料范圍廣泛，成本最低。研究與應(yīng)用： 發(fā)展最早，品種最多，應(yīng)用最廣。可選材料： 幾乎所有的熱固性、熱塑性聚合物。包括橡膠、粘結(jié)劑。1、熱固性聚合物 （-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-）.不飽和聚酯樹脂 由飽和二元酸、不飽和二元酸與二元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)合成的線 型預(yù)聚體。 + a.結(jié)構(gòu)特征： 飽和二元酸結(jié)構(gòu) 不飽和二元酸結(jié)構(gòu)b.固化： 固化劑 - 乙烯、苯乙烯、丁二烯等單體。 引發(fā)劑 - 過氧化物（加熱固化） 促進(jìn)劑 - 苯胺類和有機(jī)鈷。室溫固化。c.特點 粘度低，工藝性好。 綜合性能好，價廉，用量約占8

6、0% 。 苯乙烯等揮發(fā)大有毒，體積收縮大，耐熱性、強(qiáng)度 和模量較低。 一般不與高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合，與玻璃纖維復(fù)合制 作次受力件。雙酚型 CH2 - CH - CH2Cl + n(HO - - R - - OH) (2)、環(huán)氧樹脂環(huán)氧氯丙烷二酚基化合物堿O通式：線性預(yù)聚體 CH2 - CH - CH2 O - - R - - O nO其中R: CH3- C -CH3A 丙基- CH2 - F 亞甲基O- S -OS 砜 雙酚型環(huán)氧含硬性苯環(huán)，鏈剛性較高，只能用聚合度低的樹脂。耐熱性好，強(qiáng)度高，韌性差。固化特點： 環(huán)氧活性基都在鏈兩端，固化交聯(lián)點不高。b. 非雙酚型 鏈內(nèi)含有環(huán)氧基，交聯(lián)密度高，結(jié)

7、合強(qiáng)度及耐熱性均提高。 三聚氰酸環(huán)氧含三氮雜環(huán)，有自熄性，耐電弧性好。 c. 胺基環(huán)氧 結(jié)構(gòu)中含高極性的酰胺鍵（-NHCO-），粘結(jié)性好，力學(xué)性能較高；但耐水性差，電性能有所下降。 d. 脂環(huán)族環(huán)氧 結(jié)構(gòu)中不含苯環(huán)，含脂環(huán) ，穩(wěn)定性更高，熱學(xué)性能好，耐紫外線，不易老化。粘度低，工藝性好。 e. 脂肪族環(huán)氧 - 高韌性環(huán)氧 無六環(huán)狀硬性結(jié)構(gòu)，沖擊韌性好，但與纖維結(jié)合力較差。 環(huán)氧樹脂固化： 環(huán)氧樹脂分子中都含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，可與多種固化劑交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 常用固化劑： 二元胺類、二元酸酐類。若選用芳香族胺或咪唑類固化劑，強(qiáng)度及耐熱性可進(jìn)一步提高，但沖擊韌性會有一定的影響。 潛伏劑： 單組份

8、產(chǎn)品可加入潛伏劑，如雙氰胺，室溫下可存放6個月，145 165下，80min可固化。環(huán)氧樹脂特點： 粘附力好，韌性較好，收縮率低。復(fù)合材料 強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定。 電性能好。介電強(qiáng)度高，耐電弧優(yōu)良的絕緣材料。 耐酸堿耐溶劑性強(qiáng)。 熱穩(wěn)定性良好。(3)酚醛樹脂 由酚 和醛 縮合而成。 酚/醛 0.9，堿催化可得體型熱固性樹脂。固化： 加熱固化 加固化劑，如六次甲基四胺或有機(jī)酸。 堿性固化劑仍需加熱，酸性固化劑可室溫固化。OH C - HOH153特點： 耐熱性高，可達(dá)315。價格最低。粘附性較 差，收縮率大,氣孔率高，性脆。改性： 引入柔性鏈。如：聚乙烯醇縮丁醛 降低樹脂中 -OH 基的含量。如：以

9、苯胺或二甲 苯取代部分苯酚。提高電性能。 硼酸改性酚。吸水性、耐熱性、脆性和電學(xué)性能 均提高。 應(yīng)用：酚醛樹脂一般不與碳纖維復(fù)合，與玻璃纖維復(fù)合后，多用于電器絕緣材料。由于酚醛樹脂碳含量高78，碳化收率達(dá)63，因此可用于制作燒蝕材料，用于導(dǎo)彈、航天器再入大氣層的防護(hù)層。 2.熱塑性聚合物 與熱固性聚合物相比： 力學(xué)性能、耐熱性、抗老化性等都較差。 工藝簡單、周期短、成本低、密度小、應(yīng)用廣。 CH3 聚丙烯 CH - CH2 n 柔性無極性鏈。與纖維浸潤性、結(jié)合力較差。復(fù)合增強(qiáng)效果有限。原料來源廣泛，價格低，普通民用。 . 聚酰胺（尼龍）CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH 鏈中含大

10、量酰胺鍵，鏈間以氫鍵連接。結(jié)合力強(qiáng)，強(qiáng)度高，耐磨性好。使用溫度 200；S+6處于最高價，抗氧化，耐輻射；抗蠕變，尺寸穩(wěn)定。成型溫度太高，達(dá)300。 可與碳纖維復(fù)合。用于宇航和汽車工業(yè)。 此外：耐高溫的聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺等雜環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合物，耐溫可達(dá)300400，也常作為復(fù)合材料的基材。 Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Co、Zn、Pb及其合金，金屬間化合物（TiAl、NiAl等） 選材原則： 1使用要求 航天航空：選輕金屬 Al、Mg及其合金 高性能發(fā)動機(jī)： Ti、Ni及其合金 汽車發(fā)動機(jī)活塞汽缸套： Al合金 工模具： Fe、Co、Ni、Ag、Cu 集成電路散熱元件： Ag、Cu、A

11、l 二. 金屬基材料2.環(huán)境溫度15%） 中堿玻璃纖維 Na2O (10.512.5%) 用量少 無堿玻璃纖維 E Ca-Al-B-Si系 用量大 高強(qiáng)玻璃纖維 S Mg-Al-Si系 或B2O3系 高彈玻璃纖維 M S系中加入BeO一. 玻璃纖維GF2.GF的制備制玻璃球鉑金坩堝熔融小漏孔拉絲 （102、204、408孔）涂浸潤劑并股成紗紡織成布、氈或帶。 粗紗 30m 無捻粗紗、無紡布 初級紗 20m 短切纖維、纖維氈 中級紗 1020m 高級紗 310m 紡織 浸潤劑作用：使纖維柔順，防止磨損。常用的有： 石蠟乳液 復(fù)合前須清除 聚醋酸乙烯酯 不必清除 改性有機(jī)硅類 不必清除3.GF的性

12、能(1).力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度：比塊玻璃高一個數(shù)量級； 直徑d, 強(qiáng)度；長度，強(qiáng)度。 彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的1/3倍。 因密度低2.5，比模量高。 斷裂延伸率：低 3%(2).熱學(xué)性能 導(dǎo)熱系數(shù)：比塊玻璃低12個數(shù)量級 耐熱性：普通Na-Ca-Si玻纖 500; 耐熱玻纖(石英，高硅氧) KF GF 抗沖擊性能很好。 熱學(xué)性能 長期使用 200 熱膨脹系數(shù)縱向為負(fù) 化學(xué)性能 耐中性化學(xué)品腐蝕，吸水率高。2.應(yīng)用航天航空：溫度不高的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)受力件軍事：防彈器件民用：高彈輕質(zhì)體育用品，纜索、輪胎、皮帶的加強(qiáng)纖維。四.其它纖維1. SiC纖維采用化學(xué)氣相沉積法，將SiC沉積在W絲或C纖維表 面而

13、得。強(qiáng)度、模量與C纖維相近，耐高溫達(dá)1000，耐腐蝕、耐輻射?？捎糜谝竽蜔岬母邚?qiáng)度結(jié)構(gòu)件，主要與金屬基和陶瓷基復(fù)合。特點：共價鍵，相容性好，與基體結(jié)合強(qiáng)度高。2.B纖維氣相法將B沉積在W絲或C纖維表面而得。拉伸強(qiáng)度不高300MPa突出特點：彈性模量高，相容性較好。主要用于金屬和陶瓷增強(qiáng)。3.Al2O3纖維熔融垂直拉單晶的方法制備，價貴;高溫不存在氧化問題，與金屬等復(fù)合容易;抗拉強(qiáng)度比GF高3倍，電學(xué)性能優(yōu)良；不足之處是密度高3.20g/cm34. 晶須 陶瓷晶須 金屬晶須是目前強(qiáng)度最高的品種，接近理論強(qiáng)度，比相應(yīng)的長纖維高一個數(shù)量級。復(fù)合增強(qiáng)效果不及長纖維，只能作為補(bǔ)強(qiáng)劑使用。價貴，用量有限

14、。 EA21047964. 復(fù)合界面復(fù)合材料性能的關(guān)鍵取決于兩相的結(jié)合界面。因為相與相通過界面偶合，它起著傳遞應(yīng)力，阻斷裂紋擴(kuò)展，散射吸收各種電磁波，電偶腐蝕等作用。復(fù)合過程中，液體材料通過潤濕、滲透、 擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)形成一層成分、結(jié)構(gòu)不 同于兩相的過渡層微區(qū)界面。基體擴(kuò)散層化合物層 擴(kuò)散層纖維基體纖維1.物理結(jié)合 （機(jī)械咬合 + 次價鍵結(jié)合）液態(tài)基體滲入纖維表面微孔，固化后形成咬合界面。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理結(jié)合。極性樹脂如：酚醛、聚酰胺、環(huán)氧等，與極性纖維具有良好的潤濕性，并可形成次價鍵結(jié)合。非極性樹脂如：聚乙烯、聚丙烯。聚四氟乙烯等，結(jié)合力弱，復(fù)合效果差。CF表面極性差

15、，經(jīng)氧化后可提高結(jié)合力。一典型界面結(jié)合總之：物理結(jié)合是一種比較弱的結(jié)合方式。樹脂基復(fù)合材料若不經(jīng)特殊處理，多為物理結(jié)合。金屬基部分以物理方式結(jié)合。陶瓷基幾乎不以這種方式結(jié)合。2.擴(kuò)散融合兩相成分不同，經(jīng)擴(kuò)散或熔融形成過渡層，性質(zhì)介于兩相之間，結(jié)合力較強(qiáng)。金屬與陶瓷基復(fù)合溫度較高，小分子和原子易于擴(kuò)散，較常見。3.化學(xué)結(jié)合化學(xué)鍵結(jié)合力強(qiáng)。但當(dāng)兩相親合力過強(qiáng)，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，界面形成較厚的脆性化合物時，性能反而下降。樹脂基復(fù)合材料：為提高兩相的潤濕性和結(jié)合力，通常采用偶聯(lián)劑處理纖維表面，或?qū)⑴悸?lián)劑直接加到液態(tài)樹脂中，以便形成化學(xué)鍵結(jié)合。金屬與陶瓷材料：化學(xué)鍵結(jié)合常見。多數(shù)情況在界面上形成化合物層

16、，脆性大，對力學(xué)性能不利。尤其是高溫使用的材料，應(yīng)防止延續(xù)反應(yīng)。二. 增強(qiáng)材料的表面處理為改善纖維表面的浸潤性，提高界面結(jié)合力，對纖維進(jìn)行的預(yù)處理 表面改性。要點：不同的復(fù)合體系應(yīng)采用不同的處理方法。 樹脂基 提高化學(xué)結(jié)合 金屬及陶瓷基 抑制化學(xué)反應(yīng)1玻璃纖維GF成分為SiO2，表面吸水后成-OH，可與含-OH、 COOH、-Cl的偶聯(lián)劑反應(yīng)成醚鍵結(jié)合。偶聯(lián)劑通式： R - M X M - 中心離子 Cr+3、 Si+4、 Ti+3等高價金屬離子。 R - 可與聚合物交聯(lián)的基團(tuán)。如不飽和雙鍵、氨基、環(huán)氧、 巰基等。 X - 可與玻纖表面醚化的活性基團(tuán)。如：-Cl、-OH、 -COOH、-OCH

17、3、-OC2H5。 - Si O - SiOHOH2.碳纖維 氧化法 - 提高表面粗造度和極性。 沉積法 - CVD沉積碳晶須。 電聚合法 - 接枝高分子支鏈3芳綸等有機(jī)纖維 等離子處理，使苯環(huán)氧化成 -COOH、 -OH ；或接枝聚合生成高分子支鏈。4. 與金屬基復(fù)合的纖維目的： 提高浸潤性，抑制化學(xué)反應(yīng)。 CF、BF與金屬反應(yīng)活性高，化學(xué)相容性差； 氮化物、碳化物纖維反應(yīng)活性較低； Al2O3反應(yīng)活性最低。措施： 降低復(fù)合溫度，減少高溫停留時間。 涂覆隔離層。如CF、BF表面涂SiC。 鍍覆金屬層，改善浸潤性。如Al2O3纖維鍍Cu、Ni等。 5. 聚合物基復(fù)合材料 一. 基本性能 具有較

18、高的比強(qiáng)度和比模量。 抗疲勞性能好，安全性高。 減振、隔音、保溫、隔熱。 彈性模量不夠高、斷裂延伸率小、抗沖擊強(qiáng)度差、橫向強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度低。 手工勞動強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定。 二. 品種1、GF增強(qiáng)熱固性塑料（GFRP）- 玻璃鋼 、聚酯玻璃鋼 加工性能最好。低粘度，可室溫固化；價低，用量占80% 。、環(huán)氧玻璃鋼 綜合力學(xué)性能最好，耐蝕性好；粘度大，施工困難。酚醛玻璃鋼 耐熱性最好, 50% 、尺寸穩(wěn)定性提高3、高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)塑料 、C纖維增強(qiáng)塑料 比強(qiáng)度，比模量最高的材料；耐腐蝕耐熱都很 好?？箾_擊性差，價格昂貴。 、芳綸纖維增強(qiáng)塑料 與塑料相容性好，價格適中，應(yīng)用前景廣泛。 抗拉強(qiáng)度與C纖

19、維相當(dāng)，沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)高于C纖維； 振動衰減是玻璃鋼的45倍。 抗壓性能差。、B纖維增強(qiáng)塑料 突出優(yōu)點是剛度好，價格比C纖維還貴。、SiC纖維增強(qiáng)塑料 突出優(yōu)點是與樹脂相容性好。碳纖維頭盔地鐵閘瓦芳綸纖維增強(qiáng)C纖維增強(qiáng) 包括：材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。 材料設(shè)計：根據(jù)使用要求，選取原材料；安排合適的工藝路線，將其制成滿足性能要求的材料。 結(jié)構(gòu)設(shè)計：確定構(gòu)件的最終構(gòu)型、幾何尺寸、組合關(guān)系等，使之 滿足力學(xué)性能，安全壽命，可加工性和經(jīng)濟(jì)性要求。 設(shè)計過程：三、聚合物基復(fù)合材料設(shè)計確定設(shè)計條件原料選擇單層設(shè)計層合板設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗校核材料設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計使用性能成分/結(jié)構(gòu)加工工藝材料性能1設(shè)計條件 載荷情況 環(huán)境

20、條件：溫度，濕度，腐蝕等。可能引起的強(qiáng)度 下降。（如GF、KF耐濕性差） 功能性要求：如燒蝕、潤滑、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防雷電、 抗電磁干擾、透光等。 構(gòu)件形狀限制：緊湊性、可靠性，施工性和經(jīng)濟(jì)性。 靜載 - 強(qiáng)度，剛度。動載 - 抗沖擊強(qiáng)度。交變 - 疲勞強(qiáng)度。2原料選擇原則：滿足性能要求，廉價，易于獲得。GFKFCF 特殊要求： 高強(qiáng)度，高剛度 高性能CF、BF 高抗沖擊 GF、KF 低溫性能 CF 尺寸穩(wěn)定 KF、CF 透波，吸波 GF、KF、Al2O3基體材料樹脂的選?。菏芰Y(jié)構(gòu)件首選熱固性樹脂；大量使用、連續(xù)擠壓次受力件可選熱塑性樹脂（如建筑裝飾）。610%。邊緣包層沖擊載荷區(qū)以0層承載，

21、45層分散應(yīng)力均衡負(fù)荷。厚度變化區(qū)以階梯過渡。沖擊載荷分散應(yīng)力主承載5、結(jié)構(gòu)設(shè)計 一般采用迭代法，適當(dāng)修改。、平緩過度，防止突變。、合理拆分與合并。、壁厚 15 濕度 - 20% 粒徑1m）增強(qiáng)效果較低。 層片：二維方向，垂直片方向（裂紋核心）。 纖維：單向明顯，橫向影響不大。3、纖維選擇要點 高強(qiáng)度、高模量。（明顯高于金屬基體） 耐熱性高 （如：KF不宜選用） 價格低 （比較突出的制約因素） 相容性好 （膨脹系數(shù)相近，高溫惰性）W、Mo絲： 密度高Be絲： 價很高GF： 與金屬相容性不好Al2O3 ： 拉籽晶價高，單晶表面擦傷敏感C纖維： 細(xì)紗難浸潤，與多數(shù)金屬反應(yīng)，抗折性差B纖維： 以W絲

22、或C纖維作底，CVD沉積，價高SiC和B4C： 以W絲或C纖維作底，CVD沉積，價高化學(xué)相容性好，與基體結(jié)合好，抗高溫儒變。以上纖維強(qiáng)度、彈性模量較高，價高且各有不足：1、制造方法 單層復(fù)合 + 層疊熱壓 金屬薄與纖維粘接或等離子噴涂焊合成單層，裁剪、疊片、熱壓。 粉末冶金法 如：硬質(zhì)合金 鑄造法 （比重偏析） 汽缸套、活塞 電鍍（鑄）法 金剛石金屬磨頭2、技術(shù)關(guān)鍵與難點 防止高溫氧化。 高壓纖維易損傷，斷裂。 二、制造方法及關(guān)鍵技術(shù) 纖維的均勻分布。 控制界面反應(yīng)。 三、鋁基復(fù)合材料大型運(yùn)載工具的首選材料。如波音747、757、767常用：B/Al、C/Al、SiC/AlSiC纖維密度較B高

23、30，強(qiáng)度較低，但相容性好。C纖維紗細(xì)，難滲透浸潤，抗折性差，反應(yīng)活性較高?；w材料可選變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結(jié)鋁。它們塑性好制備鋁薄易。四、鎳基復(fù)合材料熔點高，耐氧化性好，使用溫度可達(dá)1000。BF、CF耐氧化性差，多選用-Al2O3晶須。制備方法：熱壓法、液態(tài)滲透法、粉末冶金法。為提高潤濕性，可使晶須表面金屬化。如濺射或電鍍 五、鈦基復(fù)合材料 鈦及其合金是比強(qiáng)度、比剛度最好的基材，耐蝕性和耐高溫性也很好，易做耐熱件。（低于相變溫度） 但鈦薄難制，化學(xué)活性高，與C纖維和B纖維反應(yīng)生成TiC和TiB2白亮層 。解決辦法： 高速工藝 - 縮短高溫停留時間 低溫工藝 - 850熱壓15分鐘 表

24、面包覆 - 涂SiC 合金化 - 提高基體穩(wěn)定性1、存在問題 浸潤性差，難滲透。 易曲折，熱壓難。 相容性差。 電偶腐蝕。六、C纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料2、解決方法 電鍍Ta、Ni、Ag包覆 涂覆SiC、TiC、B4C等 壓滲法 復(fù)合纖維制備 C纖維具有很好的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和自潤滑性能，價格也較B纖維有優(yōu)勢，應(yīng)用前景光明。C纖維壓滲Al涂Ni碳纖維拉絲復(fù)合Al 原位生長晶須。采用控制熔體冷凝速度，在金屬基體內(nèi)生長出晶須。 如：Al基：Al2O3、AlN；Ti基：TiN、TiC優(yōu)點： 增強(qiáng)纖維分布均勻 基體與纖維結(jié)合力強(qiáng) 熱穩(wěn)定性好 易于加工，直接鑄造成型七、自增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料鋁木復(fù)合板銅包鋼

25、導(dǎo)線鎳/不銹鋼鈦/銅復(fù)合陶瓷/鋼復(fù)合管鋁蜂窩復(fù)合板金屬基復(fù)合材料實例7. 陶瓷基復(fù)合材料 一、增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理負(fù)載轉(zhuǎn)移：纖維熱膨脹系數(shù)高于基體時，基體受預(yù)壓應(yīng)力而強(qiáng)化。預(yù)應(yīng)力效應(yīng)：高彈纖維承受比基體更大的應(yīng)力，強(qiáng)度、韌性提高。拔出效應(yīng)：復(fù)合材料破斷，纖維從基體中拔出要消耗部分能量。 裂紋擴(kuò)展受阻：纖維阻止裂紋擴(kuò)展，消耗部分能量。 裂紋轉(zhuǎn)向：裂紋尖端受阻鈍化而轉(zhuǎn)向，要消耗更多的表面能。 纖維斷裂：高強(qiáng)度纖維斷裂，要消耗更大的能量。 二、各種纖維增強(qiáng)陶瓷基1金屬纖維 W、Mo、Ta、Nb、Cr、Fe、Ni、Co、不銹鋼絲。 如：Mo、Ta /Al2O3 ； W/TiC、TaC、HfC、ZrC W、Mo

26、/ZrO2、ThO2 ； W（涂SiC）/Si3N4 2陶瓷纖維 C、SiC(W)、B4C(W) 、BN、Al2O3(W)纖維或晶須。 可與Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4陶瓷復(fù)合。(1)性能特點 使用溫度范圍廣，高溫強(qiáng)度高，耐熱沖擊，抗儒變。(2)、影響增強(qiáng)效果的因素 尺寸因素 纖維過細(xì)反應(yīng)活性高，過粗相當(dāng)于裂紋。2030m好。長纖維增強(qiáng)效果好，晶須長/徑5為好。 排列方向: 與主應(yīng)力平行。 纖維（晶須）含量及均勻性 含量：斷裂韌性，但密度，強(qiáng)度。 均勻性：強(qiáng)度，斷裂韌性影響不大。 相容性 纖維熱膨脹系數(shù)應(yīng)約大于基體。 纖維彈性模量應(yīng)高于基體。 兩相化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，陶瓷基以共價鍵化合

27、物為好。如SiC、Si3N4、BN等。 界面性質(zhì) 界面結(jié)合力應(yīng)適中。1瓷漿澆鑄法 短纖維混合分散在陶瓷漿體中，澆鑄，吸水，干燥，燒結(jié)。 工藝簡單，成本低，增強(qiáng)效果有限。（致密度不夠）2熱壓燒結(jié)法 短纖維與陶瓷粉末混合，模壓成型，熱壓燒結(jié)。 結(jié)合力好，但纖維易受損。三、成型工藝3浸漬法 長纖維編織或纏繞成型，浸漬陶瓷漿，干燥燒結(jié)。 工藝簡單，燒結(jié)密度低。 發(fā)展方向： 1高性能陶瓷纖維和晶須的制備技術(shù)。 2纖維和晶須的表面處理技術(shù)。 3長纖維陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)。 4界面結(jié)合強(qiáng)度與材料強(qiáng)度韌性的關(guān)系。 5復(fù)合比與材料強(qiáng)度韌性的關(guān)系。 6重視纖維晶須和顆粒共復(fù)合的協(xié)同效應(yīng)。 7. 玻璃-陶瓷基體的

28、研究。四應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向8. 水泥基復(fù)合材料 一、水泥的基本特性與增強(qiáng)方法 剛/柔比高；抗壓/抗拉比高；W/C比高。 增強(qiáng)（韌）方法： 加入高強(qiáng)度集料 混凝土 纖維增韌 （要求纖維粗，較長） 聚合物改性 浸漬填充、聚合物取代或部分取代水泥基體。1、混凝土 以水泥為基，加入砂、石，鋼筋。 骨料要求強(qiáng)度高，耐堿性好，與基體有良好的結(jié)合，價廉。 鋼筋與水泥相容性好，耐堿。為提高鋼筋強(qiáng)度和結(jié)合力，近年來要求冷拉、表面軋槽。二、水泥基復(fù)合材料種類2、纖維增強(qiáng)水泥可用纖維見下表： 為防止Ca(OH)2和水對纖維的不利影響，水泥中需摻入礦渣、火山灰或粉煤灰等活性填料。技術(shù)要點：基體強(qiáng)度要高 強(qiáng)度取決于基體

29、，選高標(biāo)號水泥。膨脹系數(shù)要適當(dāng) af am ，產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。纖維足量 纖維相互交錯搭接，產(chǎn)生疊加效應(yīng)。彈性模量要匹配 Ef Em3、聚合物改性 (1)、聚合物浸漬 將已干固的混凝土構(gòu)件，浸入聚合物單體或預(yù)聚體溶液中使其滲入空隙，通過加熱聚合、固化形成聚合物填充。提高密度、強(qiáng)度和韌性。 (2)、聚合物混凝土 （可歸入聚合物基復(fù)合材料） 聚合物完全取代水泥，作為集料的結(jié)合劑。 常用聚合物：環(huán)氧、脲醛、糠醛、聚酯樹脂等。 性能好，價格高。適合于特殊工程。(3)、聚合物水泥混凝土特點：抗折強(qiáng)度明顯，抗壓強(qiáng)度。韌性 ，剛度、脆性?？?jié)B透性、耐侵蝕性。粘補(bǔ)性好。工藝簡單，成本低。 聚合物部分取代水泥。要求

30、聚合物具有親水性，在水中或能溶解或能分散成乳液。 加入狀態(tài)可以是單體、聚合物乳液、聚合物粉末。三、 成型工藝1、混凝土設(shè)計與施工設(shè)計過程： 原料選擇 工程計算 實驗校核調(diào)整初定配方：水 : 灰 : 砂 : 石 0.5 : 1 : 1.5 : 3實驗校核：強(qiáng)度實驗與和易性實驗調(diào)整：提高水泥標(biāo)號或用量，可提高強(qiáng)度。 提高水量、降低石料用量，可提高和易性。最終配方中水泥用量、W/C需滿足耐久性要求。最終配方滿足耐久性要求預(yù)應(yīng)力技術(shù)2、纖維增強(qiáng)水泥的成型 (1)、直接噴射法 砂漿配比：W/C = 0.30.4 ； S/C =0.51 耐堿短切纖維：1250mm ；含量約35% 。 (2)、噴射脫水法

31、上法經(jīng)減壓，脫去多余水份，提高密度和強(qiáng)度。(3)、預(yù)混料澆鑄法 纖維與砂漿混合，鑄模成型。(4)、壓力法 預(yù)混料鑄模后，加壓脫水。(5)、離心成型法 離心成型 + 脫水。 適合于回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，纖維可進(jìn)行表面集中增強(qiáng)。 3聚合物水泥砂漿及混凝土的成型 砂漿配比 （一般用于表面工程） C/S = 1/21/3 P/C = 520% W/C = 0.30.6 按和易性確定 混凝土配比 P/C = 515% W/C = 0.30.5 S+G/C = 57 S/S+G = 4050%9. C/C復(fù)合材料 一. 簡述高熔點材料 W：Tm = 3500； TaC、HfC：Tm = 4000； C石：升華 3800C/C復(fù)合材料始于火箭發(fā)動機(jī)噴嘴大型石墨件的改進(jìn)。C/C復(fù)合材料具有極好的燒蝕性、生物相容性。應(yīng)用：再入大氣層的航天飛行器熱防護(hù)材料，飛機(jī)、汽車的制動片，高速軸承、人造骨骼、心臟瓣膜等。二. 成型加工技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)： 提高致密度和均勻性。 纖維織物密度 d = 0.2 0.8，