先進(jìn)復(fù)合材料

與航空航天航空與航天飛機(jī)材料的發(fā)展變化木質(zhì)和布料鋁合金、鋼和鈦合金飛機(jī)材料的發(fā)展變化復(fù)合材料航天領(lǐng)域

5和平來(lái)自于有效的威懾安全需要技術(shù)支撐國(guó)際形勢(shì)－－實(shí)力政策飛機(jī)性能一半取決于設(shè)計(jì),另一半取決于材料。材料的優(yōu)劣對(duì)速度、高度、航程、機(jī)動(dòng)性、隱身性、服役壽命、安全可靠性、可維修性等性能起無(wú)可置疑的重大影響?，F(xiàn)代和未來(lái)飛機(jī)在高速化、機(jī)動(dòng)化、隱形化、智能化、微型化、無(wú)人化、電子化等方面的發(fā)展都離不開(kāi)航空材料的相應(yīng)發(fā)展。飛機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的性能要求是多方面的,首先是“比強(qiáng)度”,即強(qiáng)度與密度之比,同時(shí)綜合考慮其他性能,例如“比剛度”、斷裂韌度、疲勞強(qiáng)度、耐熱性、耐蝕性等。對(duì)于功能材料,主要是要求良好的功能特性,例如隱形性能。材料對(duì)飛機(jī)的影響及飛機(jī)對(duì)材料的要求“哥倫比亞”穿越大氣層解體時(shí)的圖像“哥倫比亞”航天飛機(jī)起飛時(shí)隔熱片曾被撞擊8復(fù)合材料在A380上的應(yīng)用10

飛機(jī)的重量構(gòu)成結(jié)構(gòu)部件約30%燃料30~35%引擎裝備約20%收益負(fù)重15~20%一架總重170噸的飛機(jī)，若減重1%，一年可節(jié)約300~600萬(wàn)美元

引擎減輕機(jī)翼起落架燃料結(jié)構(gòu)材料減輕效益3－7倍概論

新材料發(fā)展的若干技術(shù)前沿

新型金屬材料：交通運(yùn)輸用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，能源動(dòng)力用高溫耐蝕材料，新型有序金屬間化合物的脆性控制與韌化技術(shù)以及高可靠性生產(chǎn)制備技術(shù)。金屬玻璃(MetallicGlasses)終結(jié)者金屬玻璃比鋼強(qiáng)度高3倍，彈性大10倍。研究前沿：信息功能陶瓷的新制備技術(shù)和多功能化及系統(tǒng)集成技術(shù)，高性能陶瓷薄膜、異質(zhì)薄膜的制備、集成與微加工技術(shù)，結(jié)構(gòu)陶瓷以及復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)、韌化技術(shù)，先進(jìn)陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制備技術(shù)。耐高溫長(zhǎng)壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料西北工業(yè)大學(xué)張立同院士此項(xiàng)目研制的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料是國(guó)際上公認(rèn)的反映一個(gè)國(guó)家先進(jìn)航空航天器制造能力的新型熱結(jié)構(gòu)材料，這也使我國(guó)成為繼法國(guó)和美國(guó)之后第三個(gè)掌握此技術(shù)的國(guó)家。稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素—鑭（La）、鈰（Ce）、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個(gè)元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素—鈧（Sc）和釔（Y）共17種元素，稱(chēng)為稀土元素，簡(jiǎn)稱(chēng)稀土。稀土金屬稀土提純樣品

“中東有石油，中國(guó)有稀土”。稀土曾是讓國(guó)人倍感自豪的優(yōu)勢(shì)資源，而今卻略顯尷尬。由于國(guó)際市場(chǎng)的壓價(jià)行為，以犧牲環(huán)境為代價(jià)開(kāi)采出來(lái)的稀土資源降到“白菜價(jià)”。

AIM-9“響尾蛇”系列導(dǎo)彈的紅外引導(dǎo)頭關(guān)鍵部分使用銻化銦材料制造稀土是制造“靈巧炸彈”精密制導(dǎo)武器、雷達(dá)夜視鏡等武器裝備不可缺少的元素美國(guó)宙斯盾系統(tǒng)雷達(dá)使用由中國(guó)稀土所制磁鐵

美國(guó)武器制造方面對(duì)稀土依賴程度非常高國(guó)際稀土之爭(zhēng)白熱化日歐美結(jié)盟施壓中國(guó);稀土開(kāi)發(fā)伴隨環(huán)境污染,中國(guó)基于環(huán)保節(jié)約等考慮實(shí)施稀土管制中國(guó)打響“稀土保衛(wèi)戰(zhàn)”設(shè)立國(guó)家級(jí)“特區(qū)”,我國(guó)首設(shè)稀土礦國(guó)家規(guī)劃區(qū)礦區(qū)劃定江西贛州;商務(wù)部降低2011年首批稀土配額11.4%,部分企業(yè)的出口配額甚至減少了三成;國(guó)務(wù)院關(guān)稅稅則委員會(huì)關(guān)于2011年關(guān)稅實(shí)施方案的通知》（金屬釹的出口關(guān)稅稅率由15%提高至25%納米材料：主要是納米材料制備與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，固態(tài)量子器件制備及納米加工與組裝技術(shù)。

SpaceelevatorCarbonNanotubes神奇玻璃能自潔超薄二氧化鈦鍍膜(40nm)能夠分解有機(jī)污垢TiO2,光觸媒，在受到大于二氧化鈦能隙寬度的光線照射時(shí)（例如紫外光），內(nèi)部電子會(huì)被激發(fā)，與空氣的氧氣和水分子發(fā)生作用，產(chǎn)生負(fù)氧離子和氫氧自由基。透明度，價(jià)格防皮膚癌的化妝品奧克斯尼卡公司幾個(gè)月前推出一款產(chǎn)品，因?yàn)樗锈佈趸锛{米粒子，可以在長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)的時(shí)間內(nèi)有效地抵擋UVA和UVB干凈新鮮的衣物美國(guó)NanoHorizons公司，SmartSilver抵抗微生物和細(xì)菌侵蝕防菌繃帶自動(dòng)清潔和消毒的洗衣機(jī)、電冰箱和空調(diào)納米材料的奇特用途能看電影的衣服－OLED定點(diǎn)殺死癌細(xì)胞的納米藥物輕巧結(jié)實(shí)的材料不會(huì)被刮花的汽車(chē)－納米瓷透明涂料（奔馳汽車(chē)）材料智能合成與制備技術(shù)，材料表面改性技術(shù)的低成本化途徑與批量生產(chǎn)技術(shù)，原位復(fù)合技術(shù)、仿生技術(shù)、原子尺度上的設(shè)計(jì)與排布技術(shù)，材料微觀結(jié)構(gòu)的模型化技術(shù)、智能化控制及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析技術(shù)，不同層次的材料設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)表征新技術(shù)。材料的設(shè)計(jì)、制備與評(píng)價(jià)技術(shù)：復(fù)合材料的發(fā)展歷史樹(shù)----纖維素纖維+木質(zhì)素及半纖維素1、復(fù)合材料是一個(gè)需要長(zhǎng)期科學(xué)研究的重要領(lǐng)域1）天然復(fù)合材料伴隨著自然界的生存與發(fā)展天然材料幾乎都是復(fù)合材料復(fù)合采用了自然規(guī)律29

特點(diǎn):

按照需要自然地生長(zhǎng)受了傷自己能夠恢復(fù)—再生能力非常強(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)骨----膠原纖維的有機(jī)物+磷酸鈣的無(wú)機(jī)物

生命體是多層次意義上的復(fù)合體系：生命體基本單位----細(xì)胞，是細(xì)胞膜、細(xì)胞基質(zhì)、細(xì)胞核的復(fù)合體，各自擔(dān)任營(yíng)養(yǎng)、信息表達(dá)和力學(xué)支撐的作用。即使細(xì)胞膜也是有磷脂雙分子層，蛋白質(zhì)組成的復(fù)合功能體系。

海膽：家在喜馬拉雅山上海膽有五片刀片般的牙齒，合在一起像一組大鋼牙，正好長(zhǎng)在腹部中央。它的食物是海藻，大鋼牙像除草機(jī)般，將海底藻類(lèi)刮得干干凈凈進(jìn)化的復(fù)合材料-海膽牙齒進(jìn)化的復(fù)合材料-貝殼木質(zhì)素纖維素6000年前人類(lèi)就已經(jīng)會(huì)用稻草加粘土作為建筑復(fù)合材料。水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用。我們住在復(fù)合材料里燕子窩：泥土-草復(fù)合材料36生活中提煉解決初級(jí)水平的裝備問(wèn)題2）傳統(tǒng)復(fù)合材料與人民生活密切相關(guān)草莖與泥土的復(fù)合玻璃纖維增強(qiáng)塑料373）人類(lèi)在材料制造方面的局限性也促使復(fù)合材料的不斷發(fā)展限定在很小的特定性能及機(jī)能上人類(lèi)已進(jìn)入了能夠制造超天然物質(zhì)的復(fù)合材料階段綜合性角度，要制造像天然物質(zhì)那樣精巧的復(fù)合材料

人類(lèi)的能力多少顯得有些不夠仿生復(fù)合材料發(fā)展的源泉382、復(fù)合材料的特性決定了其巨大的發(fā)展?jié)摿?）單一成分物質(zhì),有其來(lái)自自身性質(zhì)的界限高分子材料老化與耐溫性金屬材料的比重與加工性陶瓷材料的脆性新的成型方法和技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)（高性能）多功能（特顯功能）392）復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料第二代：1960年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料1965年英國(guó)科學(xué)家研制出碳纖維1971年美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)出開(kāi)芙拉-491975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)及開(kāi)芙拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。第四代：1990年以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。復(fù)合材料(compositematerials):由兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的組分通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的一種多相材料，它既保持了原組分材料的主要特點(diǎn)又顯示了原組分材料所沒(méi)有的新性能。復(fù)合材料的定義復(fù)合材料一詞，國(guó)外起源于20世紀(jì)50年底，國(guó)內(nèi)60年代；復(fù)合材料是一類(lèi)成分復(fù)雜的多元多相體系，很難準(zhǔn)確地予以定義；不同領(lǐng)域的復(fù)合材料有不同的含義（工業(yè)，現(xiàn)代材料學(xué)，狹義）復(fù)合材料的特征：可設(shè)計(jì)性。即通過(guò)對(duì)原材料的選擇、各組分分布設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，使原組分材料優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，因而呈現(xiàn)了出色的綜合性能；由基體組元與增強(qiáng)體或功能組元所組成；非均相材料。組分材料間有明顯的界面；有三種基本的物理相（基體相、增強(qiáng)相和界面相）；組分材料性能差異很大組成復(fù)合材料后的性能不僅改進(jìn)很大，而且還出現(xiàn)新性能；命名：復(fù)合材料可根據(jù)增強(qiáng)材料和基體材料的名稱(chēng)來(lái)命名，通常將增強(qiáng)材料放在前面，基體材料放在后面，再加上“復(fù)合材料”而構(gòu)成。復(fù)合材料的命名與分類(lèi)

玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)氧玻璃鋼（俗稱(chēng)）玻璃纖維復(fù)合材料（強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)材料）環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料（強(qiáng)調(diào)基體材料）

C/C復(fù)合材料復(fù)合材料的分類(lèi)：按基體材料分類(lèi)①聚合物基復(fù)合材料:以有機(jī)聚合物（熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂及橡膠等）為基體；②金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；③無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料：包括陶瓷基、碳基和水泥基復(fù)合材料。按增強(qiáng)材料形態(tài)分類(lèi)：①纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：

a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長(zhǎng)纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處；

b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無(wú)規(guī)則地分散在基體材料中；②顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；③板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

a)層疊復(fù)合b)連續(xù)纖維復(fù)合c)細(xì)粒復(fù)合d)短切纖維復(fù)合按用途分類(lèi)①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件；②功能復(fù)合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、光、電、磁、摩擦、屏蔽等）③智能復(fù)合材料混雜復(fù)合材料復(fù)合材料系統(tǒng)組合航空航天工業(yè)先進(jìn)固體發(fā)動(dòng)機(jī)－－UHTCF復(fù)合材料。飛機(jī)減速板、剎車(chē)裝置－－C/C復(fù)合材料，耐高溫，耐腐蝕、耐摩擦。固體火箭的外殼及噴嘴－－CF/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料。內(nèi)燃機(jī)活塞、連桿、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸－－Al2O3/Al，高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性。復(fù)合材料的應(yīng)用

交通運(yùn)輸業(yè)超塑鋁合金制造的汽車(chē)模型汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)、結(jié)構(gòu)梁、驅(qū)動(dòng)軸、方向盤(pán)、操縱桿、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、散熱器罩等等－－聚合物基復(fù)合材料集裝箱、火車(chē)車(chē)廂、冷藏車(chē)－－金屬基復(fù)合材料天然氣瓶－－玻璃鋼建筑工業(yè)輕型結(jié)構(gòu)房、衛(wèi)生潔具、冷卻塔、儲(chǔ)水箱－－玻璃鋼外墻、結(jié)構(gòu)梁－－水泥基復(fù)合材料造船業(yè)交通艇、摩托艇、賽艇、救生艇－－纖維增強(qiáng)復(fù)合材料其他行業(yè)風(fēng)機(jī)葉片、各種管道、撐桿、高爾夫球棒、網(wǎng)球拍、釣魚(yú)桿、微波爐餐具等等－－碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料降低纖維價(jià)格及開(kāi)發(fā)新型纖維擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用范圍發(fā)展新的設(shè)計(jì)、制備方法和新的復(fù)合技術(shù)發(fā)展混雜纖維復(fù)合材料發(fā)展功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料納米和仿生復(fù)合材料復(fù)合材料的進(jìn)展及未來(lái)方向復(fù)合材料的增強(qiáng)體

增強(qiáng)體是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中能提高材料力學(xué)性能的組分，在復(fù)合材料中起著增加強(qiáng)度、改善性能的作用。增強(qiáng)體的基本特征：能明顯提高材料的一種或幾種性能具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性具有良好的潤(rùn)濕性

增強(qiáng)體的概念

顆粒狀（零維）纖維、晶須狀（一維）片狀（二維）立體編織物（三維）無(wú)機(jī)非金屬類(lèi)(共價(jià)鍵)有機(jī)聚合物類(lèi)(共價(jià)鍵、高分子鏈)金屬類(lèi)(金屬鍵)。按形態(tài)分類(lèi)：按化學(xué)特征分類(lèi)：

增強(qiáng)體的分類(lèi)一、玻璃纖維（GlassFibers）一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料具有不燃、耐高溫、電絕然、拉伸強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能是將熔融的玻璃液，以極快的速度拉成細(xì)絲而成無(wú)普通玻璃的脆性，質(zhì)地柔軟而有彈性，可并股、加捻、紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。

無(wú)機(jī)非金屬纖維

玻璃纖維的制造方法主要有玻璃球法(也稱(chēng)為坩堝拉絲法)和直接熔融法(也稱(chēng)為池窯拉絲法)。分類(lèi)：組成：SiO2+MetalOxides(Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3

）。有堿玻璃纖維，堿性氧化物含量>12%，也稱(chēng)為A玻璃纖維中堿玻璃纖維，堿性氧化物含量6~12%低堿玻璃纖維，堿性氧化物含量2~6%無(wú)堿玻璃纖維，堿性氧化物含量<2%，也稱(chēng)為E玻璃纖維按含堿量可分為：粗纖維，單絲直徑30μm初級(jí)纖維，單絲直徑30μm中級(jí)纖維，單絲直徑10~20μm高級(jí)纖維，單絲直徑3~10μm按單絲直徑可分為：按纖維的外觀可分為：無(wú)捻粗紗、有捻粗紗、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細(xì)纖維按纖維的特性分類(lèi)：高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、普通玻璃纖維特性：力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度高，模量低熱學(xué)性能：耐熱性僅比聚合物好、良好的絕熱性、熱膨脹系數(shù)低電學(xué)性能：絕緣性好、良好的高頻介電性能。耐介質(zhì)性能：水中浸泡后，強(qiáng)度降低；除HF外，對(duì)酸、堿及有機(jī)溶劑有較好的耐腐蝕能力玻璃纖維紗玻璃纖維布玻璃纖維帶玻璃纖維管玻璃纖維氈玻璃纖維制品種類(lèi)水與玻璃纖維的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：—Si—O—Na+H2O→—Si—OH+Na++OH-—Si—O—Si—+H2O→—Si—O—+—Si—OH—Si—O-

+H2O→—Si—OH+OH-影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素直徑：拉伸強(qiáng)度隨直徑降低而增加。長(zhǎng)度：拉伸強(qiáng)度隨長(zhǎng)度降低而增加?；瘜W(xué)組成：含堿量越高，強(qiáng)度越低。存放時(shí)間：纖維的老化，與含堿量有關(guān)。施加負(fù)荷時(shí)間：纖維的疲勞。玻纖的成型工藝和條件。瞄準(zhǔn)新材料之王碳纖維碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強(qiáng)度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕性強(qiáng)、比耐熱鋼耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。碳纖維主要被制成碳纖維增強(qiáng)塑料這種復(fù)合材料來(lái)應(yīng)用。

二、碳纖維CarbonFibers分類(lèi)：按先驅(qū)體原料：黏膠基碳纖維、瀝青基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維和氣相生長(zhǎng)碳纖維。碳纖維：由有機(jī)纖維如黏膠纖維、瀝青纖維或聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）纖維在保護(hù)氣氛（N2或Ar）下熱處理碳化成含碳量90－99％的纖維。按功能：受力結(jié)構(gòu)用碳纖維；耐焰（火）碳纖維；活性碳纖維（吸附活性）；導(dǎo)電用碳纖維；潤(rùn)滑用碳纖維；耐磨用碳纖維；耐腐蝕用碳纖維。高性能碳纖維（HP）中強(qiáng)型（MT）高強(qiáng)型（HT）超高強(qiáng)型（UHT）中模型（IM）高模型（HM）超高模型（UHM）按力學(xué)性能：通用級(jí)碳纖維（GP）UHMHMIMUHTHT拉伸模量/Gpa拉伸強(qiáng)度/Gpa含碳量/%﹥400300~400180~200200~350200~250﹥1.7﹥1.72.7~3.0﹥2.762.0~2.7599.899.096.594.599.0200-300℃，空氣中預(yù)氧化1150℃惰性氣體保護(hù)PAN基碳纖維的制備過(guò)程碳纖維的性能最突出的特點(diǎn)是強(qiáng)度和模量高、密度?。?.5～2.0g/cm3),因而比強(qiáng)度、比模量高。耐高低溫性能好，在惰性氣體保護(hù)下，2000℃任保持良好的力學(xué)性能。液氮下不脆斷。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，且有方向性。耐腐蝕性，除了強(qiáng)氧化劑如濃硝酸、次氯酸外，一般的酸堿對(duì)它的作用小，較GF具有更好的耐腐蝕性。熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值；摩擦系數(shù)小，耐水性比GF好。斷裂伸長(zhǎng)率低。碳纖維的不足之處是價(jià)格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上，因此大大限制了它的推廣應(yīng)用。此外碳纖維的抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時(shí)會(huì)生成二氧化碳。1958年C.P.Talley首先用化學(xué)氣相沉積（Chemicalvapourdeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)CVD）方法研制成功高模量的硼纖維?，F(xiàn)在硼纖維通用的制備方法是在加熱的鎢絲、碳芯或鋁絲表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)沉積硼層。硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm幾種。三、硼纖維（BoronFibre，BF或Bf）2BCl3＋3H26HCl＋2B硼沉積的化學(xué)反應(yīng)：硼纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.4~2.65g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa。主要用于金屬基復(fù)合材料。縱向壓縮強(qiáng)度高于任何纖維復(fù)合材料硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，其價(jià)格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。直徑大、質(zhì)硬、不能編織，導(dǎo)致成型性差。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結(jié)果表明，碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此需在表面沉積SiC層，稱(chēng)之為Bosic纖維。硼纖維的缺點(diǎn)目前SiC纖維的生產(chǎn)有有機(jī)合成法和CVD法兩種。SiC纖維是高強(qiáng)度高模量的陶瓷纖維，有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。最高使用溫度為1250℃，在1200℃其拉伸強(qiáng)度和彈性模量均無(wú)明顯下降，因此比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。此外SiC纖維還具有半導(dǎo)體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。四、碳化硅纖維（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）氧化鋁纖維是多晶連續(xù)陶瓷纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到1370℃強(qiáng)度仍下降不大。缺點(diǎn)是在所有纖維中密度最大,3-4g/cm3

。主要用于金屬基復(fù)合材料。五、氧化鋁纖維（AluminiaFibre，AF或（Al2O3）f）①芳香族酰胺纖維（AromaticPolymideFibre,Aramid,Kevlar（Dupont）,KF）化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：含有大量苯環(huán)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，為處于拉伸狀態(tài)的剛性伸直鏈晶體苯環(huán)與酰胺鍵交替排列對(duì)稱(chēng)性好，結(jié)晶性好分子間有氫鍵Kevlar

有機(jī)纖維：Kevlar纖維、聚乙烯纖維

Kevlar纖維-49的性能力學(xué)性能彈性模量高，CF＞Ef＝125Gpa≈2GF拉伸強(qiáng)度高，3620Mpa，與S-GF、CF-Ⅱ相當(dāng)密度小，1.45g/㎝3,低于GF、CF良好的韌性各向異性抗蠕變、疲勞性能好抗壓性能、抗扭性能較低－－芳綸的致命弱點(diǎn)。Kevlar纖維的制造過(guò)程：這種纖維用干噴濕紡法職稱(chēng)，具體工藝流程如下：將原料溶于濃硫酸中，制成各向異性液晶紡絲液→擠壓噴絲→干濕紡→溶劑萃取與洗滌→干燥→Kevlar29纖維→在氮?dú)獗Ｗo(hù)下經(jīng)550℃熱處理→Kevlar49纖維2）熱性能良好的熱穩(wěn)定性和耐低溫性。Tc427℃,Tm570℃，直至分解不變形Td500℃,-196℃不變脆，仍能保持其性能。3）化學(xué)性能除強(qiáng)酸強(qiáng)堿以外，不受任何有機(jī)溶劑、油類(lèi)的影響。因大量苯環(huán)存在，耐紫外光差，吸收水分后，破壞氫鍵，纖維強(qiáng)度降低。聚乙烯纖維是目前國(guó)際上最新的超輕、高比強(qiáng)度、高比模量纖維，成本也比較低。通常聚乙烯纖維的分子量大于106，纖維的拉伸強(qiáng)度為3.5GPa，彈性模量為100GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。在纖維材料中，聚乙烯纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。其不足之處是熔點(diǎn)較低（約135℃）和高溫容易蠕變。因此僅能在100℃以下使用。②超高相對(duì)分子量聚乙烯纖維（Polyethylene,UHMWPE）各種纖維性能比較各種纖維的柔韌性及斷裂從圖所示的纖維的應(yīng)力一應(yīng)變曲線表明，各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈服。從拉斷后纖維的TEM觀察發(fā)現(xiàn)，僅Kevlar49纖維呈韌性斷裂。而碳纖維和玻璃纖維幾乎就是理想的脆性斷裂，斷裂時(shí)不發(fā)生截面積的縮小。由圖還可以比較各種纖維的彈性模量大小。

比強(qiáng)度和比模量是纖維性能的一個(gè)重要指標(biāo)。聚乙烯纖維具有最佳的比強(qiáng)度和比模量搭配，碳纖維的比模量最高。氧化鋁纖維由于密度最大，因而比模量和比強(qiáng)度較低，比模量最低的是玻璃纖維。晶須（Wisker）是指具有一定長(zhǎng)徑比（一般大于10）和截面積小于52×10-5cm2的單晶纖維材料。具有實(shí)用價(jià)值的晶須直徑約為1～10μm，長(zhǎng)度與直徑比在5～1000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。

晶須增強(qiáng)體

金屬晶須（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd）氧化物晶須（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2）陶瓷晶須（如碳化物晶須SiC、TiC、ZrC、WC）硼化物晶須（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2）無(wú)機(jī)鹽類(lèi)晶須（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。晶須的制備方法有化學(xué)氣相沉積（CVD）法、溶膠—凝膠法、氣液固（VLS）法、液相生長(zhǎng)法、固相生長(zhǎng)法和原位生長(zhǎng)法等。晶須分類(lèi)：1）剛性顆粒增強(qiáng)體（RagidParticleReinforcement）。顆粒增強(qiáng)體主要是指具有高強(qiáng)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、氧化鈦、氮化硅、石墨、細(xì)金剛石等。用以改善基體材料性能的顆粒狀材料，稱(chēng)為顆粒增強(qiáng)體（ParticleReinforcement）

顆粒增強(qiáng)體

顆粒增強(qiáng)體以很細(xì)的粉末（一般在10μm以下）加入到基體中起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量等作用。如在Al合金中加入體積為30%，粒徑為0.3μm的Al2O3顆粒,材料在300℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度仍可達(dá)220MPa，并且所加入的顆粒越細(xì)，復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度越高。

主要為金屬顆粒，加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中增強(qiáng)其韌性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學(xué)性能會(huì)有所下降。顆粒增強(qiáng)體的特點(diǎn)是選材方便，可根據(jù)不同的性能要求選用不同的顆粒增強(qiáng)體。顆粒增強(qiáng)體成本低，易于批量生產(chǎn)。2）延性顆粒增強(qiáng)體（DuctileParticleReinforcement）復(fù)合材料設(shè)計(jì)原理復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本思想

環(huán)境載荷材料選擇成型方法及工藝過(guò)程檢驗(yàn)測(cè)試可靠性及成本力學(xué)分析復(fù)合材料設(shè)計(jì)

復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性各向異性性質(zhì)彈性常數(shù)熱膨脹系數(shù)材料強(qiáng)度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)不均勻性對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行分析時(shí)，需首先判斷材料內(nèi)部的拉壓特性，并結(jié)合不同的強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行分析。此外，復(fù)合材料的幾何非線性及物理非線性也是需要特殊考慮的。

復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本思想

對(duì)外部環(huán)境與載荷的要求選材復(fù)合材料的響應(yīng)代表性單元的性能考察機(jī)械載荷熱載荷潮濕環(huán)境基體材料增強(qiáng)材料幾何形狀成型方法工藝及工藝過(guò)程優(yōu)化的設(shè)計(jì)細(xì)觀力學(xué)方法有限元方法實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法典型結(jié)構(gòu)的宏觀性能應(yīng)力場(chǎng)溫度場(chǎng)等設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化損傷及破壞分析強(qiáng)度準(zhǔn)則損傷機(jī)理破壞過(guò)程復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。

復(fù)合材料的界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米。復(fù)合材料界面的概念1、外力場(chǎng)2、基體

3、基體表面區(qū)4、相互滲透區(qū)

5、增強(qiáng)劑表面區(qū)6、增強(qiáng)劑

一、界面效應(yīng)界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：（1）傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的橋梁作用。（2）阻斷效應(yīng)：基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。（3）不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場(chǎng)尺寸穩(wěn)定性等。（4）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)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。（5）誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如高彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等?！锝缑嫘?yīng)是任何一種單一材料所沒(méi)有的特性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要的作用。二、界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響。對(duì)于每一種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。界面結(jié)合較差的復(fù)合材料：大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合最佳態(tài)是：當(dāng)受力發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)的復(fù)合材料：則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。

一、物理相容性：

（1）基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠枯d荷均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會(huì)有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。（2）由于裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。（3）基體與增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)的差異對(duì)復(fù)合材料的界面結(jié)合及各類(lèi)性能產(chǎn)生重要的影響。

復(fù)合材料組分的相容性★對(duì)于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。這是因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)較高的相，從較高的加工溫度冷卻是將受到張應(yīng)力；對(duì)于脆性材料的增強(qiáng)相，一般都是抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。

★而對(duì)于像鈦這類(lèi)高屈服強(qiáng)度的基體，一般卻要求避免高的殘余熱應(yīng)力，因此熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差太大。二、化學(xué)相容性：★對(duì)原生復(fù)合材料，在制造過(guò)程是熱力學(xué)平衡的，其兩相化學(xué)勢(shì)相等，比表面能效應(yīng)也最小?！飳?duì)非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。

1）相反應(yīng)的自由能

F：小

2）化學(xué)勢(shì)U：相近

3）表面能T：低

4）晶界擴(kuò)散系數(shù)D：小三、復(fù)合材料的界面理論

1、界面潤(rùn)濕理論界面潤(rùn)濕理論是基于液態(tài)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn)親和，即物理和化學(xué)吸附作用。

浸潤(rùn)不良:會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降。

良好的或完全浸潤(rùn):可使界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。

根據(jù)力的合成：

Lcos

=

S-

SL

粘合功可表示為：WA=

S+

L-

SL=

L（1+cos

）粘合功WA最大時(shí)：cos

=1，即

=0，液體完全平鋪在固體表面。同時(shí)：

=

SL,

S=

L

潤(rùn)濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。

2、機(jī)械作用理論：當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖。

盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當(dāng)多的孔穴，粘稠的液體是無(wú)法流入的。無(wú)法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應(yīng)力集中點(diǎn)。3、靜電理論：當(dāng)復(fù)合材料不同組分表面帶有異性電荷時(shí)，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用力才有效。4、化學(xué)鍵理論：在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能（210-220J/mol）。5、界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合。四、界面的表征

1、界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定

1）三點(diǎn)彎曲法：★測(cè)定界面拉伸強(qiáng)度時(shí)纖維的排布

★測(cè)定界面剪切強(qiáng)度時(shí)纖維的排布

2）聲發(fā)射（AcousticEmissin，AE）法：聲發(fā)射是當(dāng)固體材料在外部條件（如載荷、溫度、磁場(chǎng)、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時(shí)，由于其內(nèi)部原因而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號(hào)包括有材料內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)信息，借助靈敏的電子儀器可以檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)。用儀器檢測(cè)分析聲發(fā)射信號(hào)，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱(chēng)為聲發(fā)射技術(shù)。富碳處理的SiCF/Al拉伸過(guò)程中的AE行為

富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過(guò)程中的AE行為

2、界面結(jié)構(gòu)的表征界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過(guò)先進(jìn)儀器觀察分析。包括：俄歇電子譜儀（AES）、電子探針（EP）

X光電子能譜儀（XPS）掃描二次離子質(zhì)譜儀（SSIMS）電子能量損失儀（EELS）

X射線反射譜儀（GAXP）透射電子顯微鏡（TEM）掃描電鏡（SEM）、拉曼光譜（Raman）等

TiB2纖維表面涂層SiCF/Ti復(fù)合材料界面SEM3、界面殘余應(yīng)力及其表征（1）界面殘余應(yīng)力

復(fù)合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強(qiáng)體則體積相對(duì)穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)又因增強(qiáng)體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱(chēng)為界面殘余應(yīng)力。

（A）界面殘余應(yīng)力可以通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強(qiáng)度的控制，在界面結(jié)合很強(qiáng)的情況下效果不明顯。

（B）界面殘余應(yīng)力的存在對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有影響，其利弊與加載方向和復(fù)合材料殘余應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合材料界面存在殘余應(yīng)力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。2、界面殘余應(yīng)力的測(cè)量主要方法X射線衍射法和中子衍射法。

★中子的穿透能力較X射線強(qiáng)，可用來(lái)測(cè)量界面內(nèi)應(yīng)力；其結(jié)果是很大區(qū)域的應(yīng)力平均值。

★

X射線衍射法只能測(cè)定樣品表面的殘余應(yīng)力。目前，應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。

第四章復(fù)合材料的復(fù)合理論

一、復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制

1、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制基體和顆粒共同承受外來(lái)載荷；顆粒起著阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了錯(cuò)的流動(dòng)性。另外，復(fù)合材料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度可有下式表示：式中：

σy

－復(fù)合材料屈服強(qiáng)度；Gm

－基體的切變模量；

b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；C－常數(shù)

VP

－顆粒體積分?jǐn)?shù)；Gp

－顆粒的切變模量。2、彌散增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制基體是承受外來(lái)載荷的主要相；顆粒起著阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了錯(cuò)的流動(dòng)性。另外，復(fù)合材料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。彌散增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度可由下式表示：式中：

σy

－復(fù)合材料屈服強(qiáng)度；Gm

－基體的切變模量；

b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；

VP

－顆粒體積分?jǐn)?shù)。3.纖維（包括晶須、短纖維）復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制基體：通過(guò)界面將載荷有效地傳遞到增強(qiáng)相（晶須、纖維等），不是主承力相。

纖維：承受由基體傳遞來(lái)的有效載荷，主承力相。受力分析如下：

假定：纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比相同；在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不同形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，通過(guò)界面將外力傳遞到纖維上。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可由下式表示：式中：σm*－與纖維的屈服應(yīng)變同時(shí)發(fā)生的基體應(yīng)力；

σfF

－纖維的平均拉伸應(yīng)力；

Vf－纖維的體積分?jǐn)?shù)；

l

－纖維的長(zhǎng)度；

lc

－最大拉應(yīng)力等于纖維斷裂強(qiáng)度時(shí)纖維的強(qiáng)度，纖維的臨界長(zhǎng)度，。分析上式可得：（1）l/lc愈大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度愈大。當(dāng)l/lc＝10時(shí)，增強(qiáng)效果可達(dá)到連續(xù)纖維的95%。（2）引入纖維直徑d，

（l/d）c

為纖維臨界長(zhǎng)徑比，當(dāng)（l/d）c

10時(shí)，復(fù)合材料可獲得理想的增強(qiáng)效果。二、復(fù)合材料的復(fù)合法則—混合定律1、混合定律：當(dāng)復(fù)合材料滿足以下條件:(連續(xù)纖維增強(qiáng)）（1）復(fù)合材料宏觀上是均質(zhì)的，不存在內(nèi)應(yīng)力；（2）各組分材料是均質(zhì)的各向同性及線彈性材料；（3）各組分之間粘結(jié)牢靠，無(wú)空隙，不產(chǎn)生相對(duì)滑移。復(fù)合材料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系

Xc=XmVm+XfVf或

Xc=XfVf+Xm（1-Vf）

式中：X：材料的性能，如強(qiáng)度、彈性模量、密度等；

V：材料的體積百分比；下腳標(biāo)c、m、f分別代表復(fù)合材料、基體和纖維。2、連續(xù)纖維單向增強(qiáng)復(fù)合材料

彈性模量、抗張強(qiáng)度、泊松比、剪切強(qiáng)度等性能均符合混合定律。如果考慮界面效應(yīng)，通常是在纖維的影響因子前面乘以一個(gè)系數(shù)。在平行于纖維長(zhǎng)度方向的強(qiáng)度計(jì)算，主要考慮基體的強(qiáng)度和纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。3、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度的關(guān)系示意圖

第五章復(fù)合材料的基體（Matrix）材料一、聚合物聚合物包括：熱固性聚合物和熱塑性聚合物。1、熱固性聚合物:通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預(yù)聚體，經(jīng)加熱或加固化劑發(fā)生交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)并經(jīng)過(guò)凝膠化和固化階段后，形成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀高分子。

三維網(wǎng)狀高分子示意圖

主要包括：環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹(shù)脂等。各種熱固性樹(shù)脂的固化反應(yīng)機(jī)理不同，根據(jù)使用要求的差異，采用的固化條件也有很大的差異。一般的固化條件有室溫固化、中溫固化（120

C左右）和高溫固化（170

C以上）。這類(lèi)高分子通常為無(wú)定型結(jié)構(gòu)。具有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。2、熱塑性聚合物:它們是一類(lèi)線形或有支鏈的固態(tài)高分子，可溶、可熔，可反復(fù)加工而無(wú)化學(xué)變化。包括各種通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龍、聚碳酸酯等）和特種耐高溫聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。這類(lèi)高分子分非晶（或無(wú)定形）和結(jié)晶兩類(lèi)。通常結(jié)晶度在20-85%之間。具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、電絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨潤(rùn)滑性好，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。與熱固性聚合物相比，具有明顯的力學(xué)松弛現(xiàn)象；在外力作用下形變大；具有相當(dāng)大的斷裂延伸率；抗沖擊性能較好。

熱塑性聚合物狀態(tài)與溫度的關(guān)系1非晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線2

結(jié)晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線3、常用熱固性樹(shù)脂：

1)環(huán)氧樹(shù)脂(EP):

一種分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上活性環(huán)氧基團(tuán)(—C—C—)的低聚物。

O按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類(lèi)如下：縮水甘油醚

縮水甘油類(lèi)縮水甘油胺

縮水甘油酯

脂環(huán)族EP

脂肪族EP環(huán)氧樹(shù)脂是線型結(jié)構(gòu)，必須加入固化劑使它變?yōu)椴蝗懿蝗鄣木W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才有用途。常用的固化劑包括脂肪族或芳香族胺類(lèi)，有機(jī)多元酸或酸酐等。

按固化工藝可分為三大類(lèi)：1）含有活潑氫的化合物，它仍在固化時(shí)發(fā)生加成聚合反應(yīng)；2）離子型引發(fā)劑，它可分陰離子和陽(yáng)離子；3）交聯(lián)劑，它能與雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的氫氧基進(jìn)行交聯(lián)。

2)雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI）

雙馬樹(shù)脂是馬來(lái)酸酐與芬香族二胺反應(yīng)生成預(yù)聚體，再高溫交聯(lián)而成的一類(lèi)熱固性樹(shù)脂。交聯(lián)后的雙馬樹(shù)脂具有不熔、不溶的特點(diǎn)，有高的交聯(lián)度，固化后的密度在1.35

1.4g/cm3之間，玻璃化溫度（Tg）在250

300

C之間，使用溫度為150

200

C。熱固性樹(shù)脂的力學(xué)性能表

2、熱塑性樹(shù)脂：1）聚醚醚酮（PEEK）PEEK是一種半結(jié)晶型熱塑性樹(shù)脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143

C，熔點(diǎn)為334

C，結(jié)晶度一般在20-40%，最大結(jié)晶度為48%。PEEK在空氣中的熱分解溫度為650

C，加工溫度在370

420

C，室溫彈性模量與環(huán)氧樹(shù)脂相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于環(huán)氧，斷裂韌性極高，具有優(yōu)秀的阻燃性。

PEEK基復(fù)合材料可在250

C的溫度下長(zhǎng)期使用。2）聚苯硫醚（PPS）

結(jié)晶型聚合物，耐化學(xué)腐蝕性極好，在室溫不溶任何溶劑，可長(zhǎng)期耐熱至240

C。

3）聚醚砜（PES）

非晶聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度225

C，可在180

C下長(zhǎng)期使用；有突出的耐蠕變性、尺寸穩(wěn)定性；熱膨脹系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，無(wú)毒，不燃。4）熱塑性聚酰亞胺聚醚酰胺（PEI）：長(zhǎng)期使用溫度為180℃。

聚酰胺酰亞胺（PAI）：Tg達(dá)280℃，長(zhǎng)期使用溫度為240

C。

高聚物特征溫度：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，

熔點(diǎn)Tm和粘流溫度TfTg以下：為硬而脆或硬而韌的固體玻璃態(tài)；Tg附近：非晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而有彈性的橡膠態(tài)；半晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而韌的皮革態(tài)；熱塑高聚物Tg

基本固定；熱固高聚物Tg隨其交聯(lián)度的增加而增加。當(dāng)交聯(lián)度很高時(shí)，達(dá)到Tg后無(wú)明顯的軟化現(xiàn)象。Tm（結(jié)晶）：成為高粘度的流體。Tf（非晶）：成為高粘度的流體。溫度及加載速度對(duì)高聚物力學(xué)性能的影響

二、金屬1用于450

C以下的輕金屬基體包括：鋁、鎂及其合金1.1

鋁及其合金:鋁面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。熔點(diǎn)為660

C，密度2.7g/cm3。塑性優(yōu)異，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好；化學(xué)活性高，強(qiáng)度不高。鋁合金中常用的合金元素有銅、鎂、鋅、錳和硅等?？煞肿冃武X合金和鑄造鋁合金(ZL)。其中：變形鋁合金可分為:防銹鋁(LF)、硬鋁（LY）、超硬鋁(LC)、鍛鋁（LD）?！锕倘芴幚硎侵竿ㄟ^(guò)加熱使合金中第二相完全溶入

相中，并通過(guò)擴(kuò)散均勻化，以固溶強(qiáng)化方式強(qiáng)化合金。

★

淬火：是指固溶處理后用水或其它介質(zhì)將合金急冷至室溫，獲得最大飽和度的均勻固溶體。

★時(shí)效處理指通過(guò)過(guò)飽和度固溶體的分解,析出介穩(wěn)定的第二相(過(guò)渡

相)并彌散分布。通過(guò)時(shí)效鋁合金的強(qiáng)度和硬度明顯提高。鋁合金的相圖

1.2鎂及其合金:鎂具有密排六方結(jié)構(gòu)，密度為1.74g/cm3。鎂的強(qiáng)度和模量都很低，但比強(qiáng)度、比模量較高。其室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好，可進(jìn)行各種形式的熱變形加工。

鎂的合金化也是利用固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化來(lái)提

高合金的常溫和高溫性能。其合金化元素有鋁、鋅

、鋯、錳和稀土等。鎂合金主要有Mg-AL-Zn系和

Mg-Zn-Zr系，分變形鎂合金和鑄造鎂合金。

鎂-鋁合金相圖

鎂-鋅合金相圖

2、用于450

700

C復(fù)合材料的金屬基體（鈦及其合金）鈦的密度為4.51g/cm3，熔點(diǎn)1678

C，熱膨脹系數(shù)7.35

10-6/K，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性差，耐腐蝕性良好。鈦有兩種同素異構(gòu)結(jié)構(gòu)。882.5

C以下為密

排六方結(jié)構(gòu)（

-Ti）；882.5

C以上至熔點(diǎn)為體心立方結(jié)構(gòu)（

-Ti）。鈦合金復(fù)合材料中常用鈦及鈦合金成分及性能

3、用于1000

C高溫復(fù)合材料的金屬基體3-1高溫合金高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總稱(chēng)，在高溫下具有很的持久、蠕變和疲勞強(qiáng)度。為了獲得高強(qiáng)度與高蠕變抗力，合金元素必須保證產(chǎn)生在高溫下強(qiáng)而穩(wěn)定的顯微組織。強(qiáng)化方式：固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和析出硬化。

例如：奧氏體基體和彌散分布于其中的強(qiáng)化相形成高溫合金。其中：強(qiáng)化相可以是碳化物相、金屬間化合物相或穩(wěn)定化合物質(zhì)點(diǎn)。

★鐵基高溫合金：可做中溫使用的另部件，如700

C以下使用的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)，作為高溫板材的固溶強(qiáng)化型鐵基高溫合金的使用溫度在900

C以下。高溫合金基體的力學(xué)性能

★鎳基合金：用來(lái)制造使用溫度更高的、受力苛刻的熱端部件，如渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、燃燒室等。

★鈷基高溫合金廣泛用作導(dǎo)向葉片，具有良好的抗熱腐蝕性和抗冷熱疲勞性能。3-2金屬間化合物(IntermetallicCompound)

概念：金屬與金屬或金屬與類(lèi)金屬之間形成的中間相化合物。決定金屬間化合物相結(jié)構(gòu)的主要因素有電負(fù)性、尺寸因素和電子濃度等。金屬間化合物可分結(jié)構(gòu)金屬間化合物和功能金屬間化合物兩大類(lèi)。常見(jiàn)

AB、A2B、A3B、A5B3、A7B6型等化合物；根據(jù)組成元素，可分為鋁化物、硅化物和鈹化物。金屬間化合物晶體結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但從原子結(jié)合上仍具有金屬特性。然而其電子云分布并非完全均勻，存在一定方向性，具有某種程度的共價(jià)鍵特征，導(dǎo)致熔點(diǎn)升高及原子間鍵出現(xiàn)方向性。金屬間化合物往往具有一定的固溶度，偏離當(dāng)量成分，有序度降低，缺陷增加。

例如：Ti-Al系金屬間化合物具有低密度、高強(qiáng)度、高剛度、以及良好的高溫、抗蠕變和抗氧化性能。Ti-Al系金屬間化合物一般分

2-Ti3Al和

-TiAl兩類(lèi)。

三、陶瓷陶瓷是金屬與與非金屬的固體化合物，以離子鍵（如MgO、Al2O3）、共價(jià)鍵（金剛石、Si3N4、BN）以及離子鍵和共價(jià)鍵的混合鍵結(jié)合在一起。陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)通常由晶相、玻璃相和氣相（孔）等不同的相組成。優(yōu)點(diǎn)：陶瓷材料具有熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化和腐蝕、比重小強(qiáng)度和模量高等優(yōu)點(diǎn)，可在各種苛刻的環(huán)境下工作；另一方面，陶瓷材料在磁、電、光、熱等方面的性能和用途具有多樣性和可變性，是非常重要的功能材料。陶瓷材料的致命弱點(diǎn)：是脆性大、韌性差，常因存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等缺陷而引起不可預(yù)測(cè)的災(zāi)難性后果。

陶瓷基復(fù)合材料是改變其脆性、提高韌性的有效途徑。用于復(fù)合材料陶瓷基體主要有氧化物（Al2O3等）、氮化物（Si3N4等）和碳化物（SiC等）。

1、氧化物陶瓷

氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2和莫來(lái)石（3Al2O32SiO2）陶瓷等。其熔點(diǎn)在1700

C以上，主要為單相多晶結(jié)構(gòu)，還可能有少量氣相（氣孔）。微晶氧化物的強(qiáng)度較高；粗晶結(jié)構(gòu)時(shí)，晶界殘余應(yīng)力較大，對(duì)強(qiáng)度不利。氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高而降低。這類(lèi)材料應(yīng)避免在高應(yīng)力和高溫環(huán)境下使用。這是因?yàn)锳l2O3和ZrO2的抗熱震性差；SiO2在高溫下容易發(fā)生蠕變和相變等。

2、非氧化物陶瓷

主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特點(diǎn)：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很強(qiáng)。碳化物、硼化物的抗熱氧化溫度約900-1000

C，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度可達(dá)1300-1700

C。

★

氮化硅（Si3N4）屬六方晶系，有

、

兩種晶相。其強(qiáng)度和硬度高、抗熱震和抗高溫蠕變性好、摩擦系數(shù)小，具有良好的耐（酸、堿和有色金屬）腐蝕（侵蝕）性?？寡趸瘻囟瓤蛇_(dá)1000

C，電絕緣性好。

★

-SiC屬六方晶系，

-SiC屬等軸晶系。高溫強(qiáng)度高，具有很高的熱傳導(dǎo)能力以及較好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性?！锏鹁哂袃煞N結(jié)構(gòu)：A、類(lèi)似石墨的六方結(jié)構(gòu)，可作為高溫自潤(rùn)滑材料在高溫（1360

C）和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方結(jié)構(gòu)的

-氮化硼。B、

-氮化硼立方結(jié)構(gòu)，耐熱溫度高達(dá)2000

C，硬度極高，可作為金剛石的代用品。

4、

玻璃陶瓷（微晶玻璃）許多無(wú)機(jī)玻璃可通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊溆煞蔷B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這一過(guò)程稱(chēng)為反玻璃化。對(duì)于某些玻璃反玻璃化過(guò)程可以控制，最后能夠形成無(wú)殘余應(yīng)力的微晶玻璃。這種材料成為玻璃陶瓷。密度為2.0-2.8g/cm3,彎曲強(qiáng)度為70-350MPa,彈性模量為80-140GPa。玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)性能好和導(dǎo)熱系數(shù)較大等特點(diǎn)。如：鋰鋁硅（Li2O-Al203-SiO2，LAS）玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，耐熱好。鎂鋁硅（MgO-Al203-SiO2，MAS）玻璃陶瓷的硬度高，耐磨性好。四、碳（石墨）熔點(diǎn)：3550

C（超過(guò)3500

C開(kāi)始升華）；沸點(diǎn)：4200

C。

同素異形體：金剛石、石墨、無(wú)定形碳。比重：無(wú)定形碳為1.88、石墨為2.25、金剛石為3.51。

第六章復(fù)合材料增強(qiáng)劑(Reinforcement)

纖維及其織物、晶須、顆粒一、復(fù)合材料增強(qiáng)劑的特點(diǎn)（圖7–1）1、具有很低的比重；2、組成這些化合物的元素都處在元素周期表中的第二、第三周期；3、它們大多數(shù)都是以結(jié)合力很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合；4、具有很高的比強(qiáng)度、比剛度和高溫穩(wěn)定性。不同復(fù)合材料增強(qiáng)劑的強(qiáng)度和模量

二、纖維1、無(wú)機(jī)纖維1-1、玻璃纖維（GlassFiber）玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)熔融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟，可紡織成各種玻璃布、帶等。伸長(zhǎng)率和熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價(jià)格便宜，品種多。缺點(diǎn)是不耐磨、易折斷，易受機(jī)械損傷。性能

纖維類(lèi)別有堿A化學(xué)C低介電D無(wú)堿E高強(qiáng)度S粗纖維R高模量M拉伸強(qiáng)度，GPa3.13.12.53.44.584.43.5彈性模量，GPa737455718586110延伸率，%3.63.374.65.2密度，g/cm32.462.462.142.52.52.552.89玻璃纖維品種性能一覽表

1-2、碳纖維

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量95%左右的稱(chēng)為碳纖維；含碳量99%左右的稱(chēng)為石墨纖維。碳纖維比重小，比強(qiáng)度、比模量大見(jiàn)下表，耐熱性和耐腐蝕性好，成本低，批生產(chǎn)量大，是一類(lèi)極為重要的高性能增強(qiáng)劑。制備碳纖維的主要原材料有人造絲（粘膠纖維）聚丙烯腈（PAN）纖維和瀝青（Pitch）等。經(jīng)過(guò)分為五個(gè)階段：1）拉絲：濕法、干法或熔融紡絲法。2）牽伸：通常在100

300

C范圍內(nèi)進(jìn)行，控制著最終纖維的模量。3）穩(wěn)定：在400

C加熱氧化。顯著地降低熱失重，保證高度石墨化、取得更好的性能。4）碳化：在1000

2000

C范圍內(nèi)進(jìn)行。5）石墨化：在2000

3000

C范圍內(nèi)進(jìn)行。碳纖維制備工藝流程PAN基碳纖維制備工藝流程：PAN原絲空氣中預(yù)氧化，施張力使纖維伸長(zhǎng)約10%。(200

300

C)

1150

惰氣中碳化1h，施張力約0.5N/束。

碳纖維(低模高強(qiáng))2100

C石墨化惰氣中1分鐘，施張力約1

2N/束。石墨纖維(高模高強(qiáng))

碳化過(guò)程：

有機(jī)化合物在惰性氣氛中加熱到1000-1500

C時(shí)，非碳原子（氮、氫、氧等）將逐步被驅(qū)除，碳含量逐步增加，固相間發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，此階段稱(chēng)為脫碳過(guò)程，形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。石墨化過(guò)程：

當(dāng)溫度升到2000

3000

C時(shí)，非碳原子進(jìn)一步排除，反應(yīng)形成的芳環(huán)平面逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著提高，由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，此階段稱(chēng)為石墨化過(guò)程。形成的石墨纖維彈性模量大大提高。 碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系不同品種碳纖維的力學(xué)性能

2、陶瓷纖維

2-1、硼纖維（BoronFiber）

制備工藝：化學(xué)氣相沉積（CVD）。

2BCl3+3H2

2B

+6HCl

中心是碳纖維或鎢纖維典型性能：

直徑：100

140

m；抗張強(qiáng)度：3500MPa彈性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3狀態(tài)：連續(xù)單絲。硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在400

C時(shí)可保持室溫強(qiáng)度的80%；在高于500

C的氧化氣氛中幾分鐘其強(qiáng)度就迅速下降；在650

C時(shí)將失去所有的性能。同時(shí)其成本也較高，成本下降的潛力也不大。室溫下硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就可與樹(shù)脂復(fù)合，其復(fù)合材料具有較高的層間剪切強(qiáng)度。對(duì)于含氮化合物親和力大于含氧化合物。但在高溫下易與大多數(shù)金屬反應(yīng)，需要在纖維表面沉積保護(hù)涂層，如SiC和B4C等。硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復(fù)合材料。2-2、氧化鋁纖維(AluminaFiber)

氧化鋁纖維是多晶纖維，具有很好的機(jī)械性能以及耐熱性和抗氧化性。制備氧化鋁纖維的方法較多，有

-、

-、

-Al2O3

連續(xù)纖維和

-Al2O3

短纖維。

-Al2O3

與樹(shù)脂及熔融金屬的相容性好，氧化鋁纖維主要用于金屬基復(fù)合材料。缺點(diǎn)是密度較大。纖維比重(g/cm3)直徑(

m)拉伸強(qiáng)度

(MPa)拉伸模量(GPa)最高使用溫度（

C）熔點(diǎn)（

C）Tyco法3.99250240046020002040三M法2.511175015013002040ICI法3.43100010016002040DuPont法3.920140030011002040住友化學(xué)法3.29260025013002040各種氧化鋁纖維的性能2-3、碳化硅纖維碳化硅纖維具有很高的比強(qiáng)度、比剛度，耐腐蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)同時(shí)還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能可保持到1200

C。其成本下降的潛力很大。適合于制備樹(shù)脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。碳化硅纖維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和CVD法兩種。1）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法1975年由日本矢島教授首先研制成功。有Nicalon（尼卡?。┖蚑yranno（奇拉?。﹥煞N商品。纖維呈束狀，每束500根左右，每根纖維10

m左右。

聚碳硅烷紡絲聚碳硅烷纖維N2下高溫處理Nicalon（尼卡?。?/p>

2）CVD法制備SiC纖維直徑：100

140

m；抗張強(qiáng)度：3500MPa

彈性模量：400GPa；密度：3.0

3.4g/cm3

狀態(tài)：連續(xù)單絲。制備方法：將基體絲連續(xù)通過(guò)玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱到1200~1300

C的同時(shí)通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應(yīng)生成SiCCH3SiCl3+H2

SiC

+HCl

+???

并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)SiC纖維各種SiC纖維的性能比較纖維密度（g/cm3）彈性模量（GPa）拉伸強(qiáng)度（MPa）比模量(GPa/g/cm3)比強(qiáng)度（MPa/g/cm3）Nicalon

CVD-W芯CVD-C芯Tyranno晶須2.603.43.02.43.22504004002807002500360036002400~2000096.2117.6133.3116.7218.8961.51058.81200.01000.0~6250.0三、晶須（Whisker）

晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比和截面積小于52

10-5cm2的單晶纖維材料。其直徑為0.1到幾個(gè)微米,長(zhǎng)度為數(shù)十到數(shù)千微米。但具有實(shí)用價(jià)值的晶須的直徑約為1-10微米,長(zhǎng)徑比在5–100之間。晶須是含缺陷很少的單晶纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。ZnO晶須微觀形貌

SiC晶須微觀形貌

晶須的制備方法有：化學(xué)氣相沉積（CVD）法、溶膠-凝膠法、氣液固法、液相生長(zhǎng)法、固相生長(zhǎng)法和原位生長(zhǎng)法等。制備陶瓷晶須經(jīng)常采用CVD法。即通過(guò)氣體原料在高溫下反應(yīng)，并沉積在襯底上而長(zhǎng)成晶須。例如CVD法制備SiC晶須的基本反應(yīng)式為：

CH3SiCl3（g）+H2

SiC

+HCl（g）CVD法制備難溶金屬氮化物和碳化物的基本反應(yīng)式為：2MCl4（g）+4H2+N2=2MN（s）

+8HCl（g）MCl4（g）+CH2=MC（s）

+4HCl（g）VLS法制備SiC晶須的過(guò)程是：在預(yù)選高溫將觸媒固體顆粒（

30

m）熔化成液態(tài)觸媒球，通入氣相源(H2、CH4、SiO)，氣相中的碳、硅原子被液球吸收溶解形成過(guò)飽和的碳硅溶液，以SiC的形式沉積在支撐襯底上。沉積不斷進(jìn)行，晶須不斷生長(zhǎng)，觸媒球被生長(zhǎng)著的晶須抬起，繼續(xù)吸收、溶解和沉積。固相生長(zhǎng)法的典型實(shí)例利用稻殼法制備SiC晶須具體反應(yīng)是：

稻殼(700-900

C、無(wú)氧氣氛)

SiO2(s)

+C(s)

SiO2（s）

+3C（s）

SiC

+2CO(g)晶須不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且許多晶須具有各種特殊性能，可用來(lái)制備各種性能優(yōu)異的功能復(fù)合材料。晶須的成本較高，影響其應(yīng)用。目前已開(kāi)發(fā)出許多低成本晶須，如K2Ti6O13等。另外晶須在基體材料中的分散工藝也是目前需要解決的問(wèn)題之一。

四、顆粒（Particle）

具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，加入到基體材料中起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量和韌性的作用。其成本低，易于批量生產(chǎn)。

另外，還有一種顆粒增強(qiáng)體稱(chēng)為延性顆粒增強(qiáng)體（DuctileParticleReinforcement），主要為金屬顆粒，一般是加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中起到增韌作用。如Al2O3中加入Al、Ni，WC中加入Co等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學(xué)性能有所下降。

第七章聚合物復(fù)合材料（PMC）制備工藝7.1聚合物復(fù)合材料的分類(lèi)7.1.1纖維增強(qiáng)（FRC）（1）按纖維形態(tài)：連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維；（2）按鋪層方式：?jiǎn)蜗?；織物；三維；（3）按纖維種類(lèi)：玻璃纖維；碳纖維；芳綸（Kevlar）纖維；混雜纖維；7.1.2晶須增強(qiáng)（WRC）7.1.3粒子增強(qiáng)（PRC）7.2聚合物復(fù)合材料的性能（1）高比強(qiáng)、高比模量。（2）設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)單。（3）熱膨脹系數(shù)低，尺寸穩(wěn)定。（4）耐腐蝕、抗疲勞性能好。（5）減震性能好。（6）高溫性能較好。（7）安全性能好。聚合物復(fù)合材料與幾種金屬材料的力學(xué)性能比較材料GFRP玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料（玻璃鋼）CFRP碳纖維增強(qiáng)熱固性塑料鋼鋁鈦密度,g/cm32.01.67.82.84.5拉伸強(qiáng)度,GPa1.21.81.40.481.0比強(qiáng)度6001120180170210拉伸模量,GPa4213021077110比模量2181272725熱膨脹系數(shù)(10-6/K)80.212239.07.3聚合物復(fù)合材料的制備工藝7.3.1預(yù)浸料/預(yù)混料制備預(yù)浸料是指定向排列的連續(xù)纖維（單向、織物）浸漬樹(shù)脂后所形成的厚度均勻的薄片狀半成品。預(yù)混料是指不連續(xù)纖維浸漬樹(shù)脂或與樹(shù)脂混合后所形成的較厚的片（SMC、GMT）團(tuán)狀（BMC）或粒狀半成品以及注射模塑料（IMC）。

SMC片狀模塑料；

GMT玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料；

BMC團(tuán)狀模塑料；IMC顆粒狀注射模塑料；

后浸漬技術(shù)：預(yù)浸料中樹(shù)脂以粉末、纖維或包層等形式存在，對(duì)纖維的完全浸漬要在復(fù)合材料成型過(guò)程中完成。（1）預(yù)浸料制備：（2）預(yù)混料制造

a.SMC(片狀模塑料)和BMC(團(tuán)狀模塑料)制造：這是一類(lèi)