1、材料科学概论,概述 复合材料的复合理论 复合材料的界面 树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料,第六章 复合材料,一、复合材料的涵义现代科学技术的发展，对工程材料提出了越来越高的要求，而且有的要求之间甚至是相互矛盾的。在这种情况下，单一的材料已不能满足需要，于是高性能复合材料应运而生。复合材料就是由两种或更多种物理性能、化学性能、力学性能和加工性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。复合材料的基本组成可分为基体相和增强相两种。,第一节 概述,（1）按基体材料分类：分为树脂基、金属基、陶瓷基等复合材料，使用最多的是树脂基复合材料。 （2）按增强材料的种类和形态分类：可分为纤维增强复
2、合材料、颗粒增强复合材料和层叠增强复合材料等，其中纤维增强复合材料应用最为广泛。（3）按复合材料的使用性能分类：可分为结构复合材料和功能复合材料。前者主要用于工程结构和机械结构，主要利用材料的力学性能；后者具有某种特殊的物理性能或化学性能等，作为功能材料使用。目前应用最广的是结构复合材料。,二、复合材料的分类,1.比强度和比模量高比强度是材料的抗拉强度与密度之比，比模量是材料的弹性模量与密度之比。从教材129页表6-1中可知，复合材料的比强度和比模量普遍高于常用金属材料的。这一点在航天、航空领域具有重要的意义。如美国的波音飞机上，大量采用石墨纤维增强复合材料构件，比采用金属材料质量减轻达203
3、8。,三、复合材料的性能特点,2.抗疲劳与断裂安全性能好复合材料对缺口、应力集中的敏感性小，特别是纤维增强的树脂基复合材料，基体良好的强韧性降低了裂纹扩展速度，大量的纤维对裂纹又有阻隔作用，具有较高的疲劳强度。纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤维，借助塑韧性基体结合成一个整体，当复合材料构件由于过载或其他原因而使部分纤维断裂时，载荷会重新分配到未断裂的增强纤维上，故具有良好的断裂安全性。,3.良好的减振性能,纤维增强的复合材料具有良好的减振性能，主要有两方面的原因： 纤维增强复合材料的自振频率高，一般工作条件下很难达到这样的高频率，因此这种材料制成的构件在工作状态下不易发生共振现象； 大量
4、的纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，阻尼特性好，振动很很快衰减。复合材料良好的减振性能，使其在精密控制和精密检测的仪器、仪表方面得到广泛应用。,4.良好的高温性能,复合材料中增强材料的熔点都较高，而且在高温下仍然保持较高的高温强度和弹性模量。 如今高性能树脂基复合材料的使用温度已达200300，金属基复合材料耐热温度为300500，而陶瓷基复合材料的有效承载温度可达1000以上。 树脂基复合材料和金属基复合材料的使用温度远远高于单一的基体材料，例如，铝合金在400时，其强度大幅下降，而用碳纤维或硼纤维增强铝，400的强度和弹性模量几乎与室温下相同。,四、复合材料的现状与未来,复合材料的研究开
5、始于1940年，研究的材料是玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂。在1960-1970年间研制了许多新型纤维与晶须。用这些纤维（晶须）增强的的树脂基复合材料，以其密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小、耐多种介质腐蚀的特点被广泛应用于航天、航空、汽车制造和建筑领域。未来复合材料的发展趋势有以下几个特点。,1.由宏观复合向微观复合发展 目前使用的复合材料是以尺寸较大的增强体与基体复合而成的宏观复合材料，近期已研究出尺寸较小的增强体与新型微观复合材料。微观复合材料包括：微纤增强复合材料、纳米复合材料和分子复合材料。 微纤增强复合材料是指复合材料在加工过程中内部析出的细微增强相与基体相构成的原位复合材料，也
6、称自增强复合材料。 纳米复合材料是极具潜力的新型复合材料，因为其中增强材料尺寸小到纳米数量级，必然具有巨大界面能，其内部微结构也会因尺寸小而发生变化，这些因素将会导致复合材料性能的改善。 分子复合材料已在树脂基复合材料上实现，即用刚性棒状高分子水平上与柔性树脂复合。,2.向多元混杂复合和超混杂复合方向发展多元混杂复合是复合材料发展的一个重要方向，混杂复合是获得高性能复合材料有效而经济的方法，有两方面的原因： 因为混杂复合兼有两种或多种材料的特征，在性能方面可起到互相弥补的作用，由此扩大了材料设计的自由度。 另外，采用价格昂贵的高性能增强纤维与一般性能的廉价纤维混杂使用，可望受到较好的经济效果。
7、 目前，混杂复合已趋于多样化，对增强体，在混杂的纤维增强体中又加入颗粒增强体；基体也混杂了属性不同的材料，成为混杂体。 今年出现的以铝板和纤维增塑材料交替层叠的材料，成为超混杂材料。这类材料的特点是耐疲劳性能很好。,3.由结构复合材料为主，向结构材料与功能复合材料并重的方向发展 在材料科学工作者的努力下，具有优良物理性能、化学特性的功能复合材料不断被研制开发出来。功能复合材料正在向多功能方向发展，使材料不仅是结构材料，承受一定的载荷，而且还具有某种或多种综合功能。例如先进军用飞机的隐身蒙皮就是一种多功能复合材料，它既是轻质高强度的结构，又具有吸收雷达波和红外线的功能。,4.由被动复合材料向主动
8、复合材料发展 目前使用的人工材料基本上属于被动材料，即在外界作用下只能被动承受这种作用或被动做出相应反应。 正在致力于研究的是具有主动性的材料，它的初级形式为机敏材料，具有感觉、处理和执行功能，以及自诊断、自适应和自修补作用。其高级形式为智能材料，它能够根据作用力的大小和环境作出优化反应，起到自决策作用。这类材料基本上把起传感器作用的敏感材料、起执行支持作用的材料和起驱动作用的材料复合材料一起成为机敏复合材料，然后与外接电路装置构成机敏（智能）系统。,5.由常规设计向仿生设计方向发展 生物材料大多是复合材料，在复合材料设计时，生物材料可为我们提供良好的设计思路。 如现代直升飞机的旋翼结构为：内
9、层是硬泡沫塑料，中层是玻璃纤维增强的复合材料，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料。这就是仿照骨骼的结构设计的。 仿生不仅可以丰富我们的设计思路，还可参照生物体的功能机制设计出新的功能复合材料。,一、复合原理1、纤维增强复合材料的复合原理,第二节 复合材料的复合理论,二、增强机理,1、纤维增强 1）定义：由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。其目的是提高材料在室温和高温下的强度和弹性模量。 2）机理： 将脆性材料制成细纤维，因直径细小，而使产生裂纹的几率降低，有利于纤维脆性的改善和强度的提高。 纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保护作
10、用，不易遭受损伤，不易在承载过程中产生裂纹，使承载能力增强。 复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但塑性很和韧性好的基体能组织裂纹的扩展。 纤维受载断裂时，断口不可能都在一个平面上，从而使材料的抗拉强度大大提高，同时断裂韧度也增加。,3）增强纤维与基体复合时应注意的问题： 增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。 基体和纤维之间要有一定的黏结作用，而且应具有一定的结合强度。 纤维应有合理的含量、尺寸和分布。 纤维应与基体的线膨胀系数相匹配。 纤维与基体之间要有良好的相容性。,2、颗粒增强 1）分类：根据增强颗粒的尺寸大小，分为弥散增强复合材料和真正颗粒增强复合材料（微米量级）。
11、 弥散增强复合材料指尺寸为1002500的微细颗粒弥散分布在金属和合金中形成的复合材料。 真正颗粒增强复合材料指以微米量级的颗粒增强的金属基、树脂基或陶瓷基复合材料。 2）机理： 弥散强化复合材料的增强体主要是金属氧化物、碳化物和硼化物，这些弥散分布于金属或合金基体中的硬颗粒可以有效地阻碍位错运动，产生显著的强化作用。其复合强化机理与合金中的析出强化机理相似，基体仍是承受载荷的主体。 纯颗粒增强复合材料的性能受颗粒大小的影响，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能使之均匀分布在基体之中。颗粒不是通过阻碍位错运动而使材料强化，而是借助于限制颗粒临近基体的运动，约束基体的变形来达到强化基体的目的。因此
12、，一般认为增强颗粒承受部分载荷颗粒与基体间的结合力越大，增强的效果越明显。,三、增韧机理,1、纤维增韧 1）定义：为了克服陶瓷脆性大的弱点，可以在陶瓷基体中加入纤维制成的 陶瓷基复合材料，由于定向、取向或无序排布的纤维的加入，陶瓷基复合材料韧度显著提高，这就是纤维增韧。 2）机理： 单向排布长纤维增韧单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性，沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于横向性能。实际上，在断裂过程中纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面，在裂纹的发展过程中会出现裂纹转向。裂纹转向的结果，使韧度进一步提高。综上所述，在单向排布长纤维陶瓷基复合材料中韧度的提高来自个方面，即纤维拔出、纤维断裂和
13、裂纹转向。,多维多向排布长纤维增韧单向排列纤维增韧陶瓷只是纵向性能优越，横向显著低于纵向，然而在许多陶瓷构件中要求在二维甚至三维都要求有高性能，于是便产生了多向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维排布有两种方式：一种是将纤维编制成纤维布，这种材料在二维方向上性能优越；另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。前一种材料用于平板构件或曲率半径较大的壳体构件，后一种材料可以根据构件的形状用纤维缠绕的方法制成所需形状的壳层状构件。二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料的韧化机理与单向排布复合材料一样，也主要是靠纤维的断裂、纤维的拔出与裂纹转向使其韧度及强度比基体材料大幅度提高。,短纤维、晶须增韧 长纤维增
14、韧固然有其优越性，但制备工艺复杂，工艺技术难度大，特别是纤维很难在基体中均匀分布。因此，才发展了短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。将长纤维剪短，然后分散并与基体粉料混匀，热压烧结后制得。这种方法制得的复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能上的各向异性。晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理大体与纤维增韧陶瓷基复合材料的相同，即主要靠晶须的拔出桥连与裂纹转向机制对韧性的提高产生突出贡献。,2、颗粒增韧颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理主要有相变韧性、裂纹转向与分叉增韧等。1）相变增韧以ZrO2马氏体相变来说明增韧机理。ZrO2在一定温度和应力场作用下，亚稳定四方tZrO2颗粒转变为单斜相m
15、ZrO2。伴随着这种相变有的体积膨胀，因而产生了压缩应力，从而抵消外加应力，组织裂纹扩展，达到增韧目的。 2）裂纹转向与分叉增韧裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到高强度的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转和分叉，从而减小了裂纹前端的应力强度因子，增加了材料的断裂韧度，达到了增韧的目的。,一、树脂基复合材料的界面1.界面的形成界面的形成可分为两个阶段：一是基体与增强纤维的接触与浸润过程，二是树脂的固化过程，在此过程中树脂通过物理或化学的变化而固化，形成固体的界面层。界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力。 2.界面作用机理 （1）界面浸润理论1963年Zisman首先提出了这个理论，主
16、要论点是增强纤维被液体树脂良好浸润是极其重要的，浸润不良会在界面上产生间隙，易产生应力集中而使复合材料发生开裂，完全浸润可使基体与增强纤维的结合强度大于基体的强度，复合材料才能显示其优越性能。,第三节 复合材料的界面,（2）化学键理论主要论点是处理增强纤维表面的偶连剂既含有能与增强纤维起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能团，由此在界面上形成共价键结合，如能满足这一要求则在理论上可获得最大的界面结合能。这种理论的实质即强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键。 （3）变形层理论如果纤维与基体的线膨胀系数相差较大，复合材料固化后在界面上会产生残余应力，这将损伤界面和影响复合
17、材料的性能。另外，在载荷作用下，界面上会出现应力集中，若界面化学键破坏，产生微裂纹，将导致复合材料性能变差。将增强纤维表面进行处理，在界面上形成一层塑性层，就可以起到松弛和减小界面应力的作用，这种理论称为变形层理论。,（4）物理吸附理论可作为化学键理论的补充。这种理论认为，增强纤维与基体之间的结合属于机械铰合和基于次键作用的物理吸附。 （5）减弱界面局部应力作用理论该理论认为，基体和增强纤维之间的处理剂提供了一种具有“自愈能力”的化学键。在载荷作用下，它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。低分子物质的应力浸蚀会使界面化学键断裂，而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移，使已断裂的化学键重新结合，
18、与此同时，应力得到松弛，减缓了界面的应力集中。除上述理论之外，还有尚需实验验证的拘束层理论和扩散层理论。,二、金属基复合材料的界面,1.界面的类型 纤维与基体不反应亦不溶解，如SiC纤维（CVD）/铝 纤维与基体不反应但相互溶解，如碳纤维/铜 纤维与基体反应形成界面反应层，如Al2O3纤维/钛 2.界面的结合 （1）机械结合是指借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应力裹紧纤维产生的摩擦力组合。这种结合作用与扩散和化学作用无关，纯属机械作用。例如经过表面刻蚀处理的纤维制成的金属基复合材料，其结合强度比用表面光滑的纤维制成的复合材料的结合强度高约23倍。,（2）溶解和浸
19、润结合纤维与基体不反应但相互溶解，相互作用力是短程的，作用范围只有若干原子间距大小。 （3）反应结合纤维与基体相互反应形成界面反应层 ，其特征是纤维和基体之间形成新的化合物层，即界面反应层。一般情况下，随反应程度的增加，界面结合强度亦增加，但由于界面反应产物多为脆性物质，所以当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏，反而降低界面结合强度。 （4）混合结合是最重要最普遍的结合形式，因为在实际复合材料中经常同时存在几种结合形式。例如硼纤维增强铝材时，如果制造温度低，硼纤维表面氧化膜不被破坏，则形成机械结合，材料若在500进行热处理，可以发现在机械结合的界面上出现了AlB2，表面热处理过
20、程中界面上发生化学反应形成了反应结合。,三、陶瓷基复合材料的界面,在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的结合也是采取机械结合、溶解和浸润结合、反应结合和混合结合的方式。陶瓷基复合材料中界面的特性同样对材料的性能起着举足轻重的作用。 1、改变增强材料表面的性质 改变增强材料表面性质是用化学手段控制界面的方法。例如，在SiC晶须表面形成富碳结构的方法，在纤维表面以CVD方法或PVD方法施以BN或碳的涂层等。采用这种方法的目的是防止强化材料与基体间的反应，从而获得最佳界面力学特性。改变增强材料表面性质的另一个目的是改变纤维与基体间的结合力。,2、向基体内添加特定的元素 在用烧结法制造陶瓷基复合材料
21、的过程中，为了有助于烧结，往往在基体中添加一些特定元素。为了使纤维与基体之间发生适度反应以控制界面，也可添加一些元素。在SiC纤维强化玻璃陶瓷（lAS）中，如果采用通常的PAS成分的基体，晶化处理时会在界面上产生裂纹，而添加很少量的Nb时，热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米的NbC相，获得最佳界面，提高了韧度，改变了脆裂性能。3、在增强材料表面施以涂层涂层技术是实施界面控制的有效方法之一，可分为CVD法、PVD法、喷镀和喷射等。,一、概述 树脂基复合材料又称聚合物基复合材料，是目前应用最广、消耗量最大的一类复合材料。 根据增强体的类型，可分为玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复
22、合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅纤维增强树脂基复合材料、芳纶纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料和颗粒增强树脂基复合材料等类型；根据树脂的性质，可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。 常用的热固性树脂有；环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂和有机硅树脂；常用的热塑性树脂有：尼龙类树脂、聚烯烃类树脂、苯乙烯类树脂、聚醚酮类树脂和热塑性聚酯类树脂。,第四节 树脂基复合材料,二、纤维增强树脂基复合材料,1.玻璃纤维及其增强的树脂基复合材料 （1）玻璃纤维玻璃脆性很大，但是将熔融态玻璃以极快的速度拉制成纤维，就具有一定的柔韧性，可纺织成纱或各种形式的玻璃布。玻璃纤维的性能特
23、点有： 抗拉强度很高。纤维越细，强度越高。 耐热性低。 化学稳定性高。 脆性较大。,（2）玻璃纤维增强的树脂基复合材料玻璃纤维增强的树脂基复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢两类。 热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热固性树脂为基体的复合材料。热固性玻璃钢应用极广，从各种机器的护罩到形状复杂的构件，从各种车辆的车身到不同用途的配件，以及石油化工中的耐蚀、耐压容器及管道等。 热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热塑性树脂为基体的复合材料。玻璃纤维增强尼龙可替代非铁金属制造轴承、轴承架和齿轮等精密零件，还可制造电工部件和汽车上的仪表盘、前后车灯。,2.碳纤维及其增强的树脂
24、基复合材料 （1）碳纤维碳纤维由有机纤维经高温碳化而成，工业广泛应用聚烯腈纤维、黏胶纤维和沥青纤维制造的碳纤维。 碳纤维的特点： 密度低，弹性模量高和强度高。 高温、低温力学性能好。 具有高的耐蚀性、导电性以及低的摩擦系数。 它的主要缺点是脆性大，表面光滑，与树脂结合力比玻璃纤维的还差，常需要表面处理来改善与基体的结合力。,（2）碳纤维增强的树脂基复合材料 基体：这类材料的基体树脂用的最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。 特性：这类材料的密度低，强度高，弹性模量大，疲劳强度高，冲击韧度高，化学稳定性高。摩擦系数小，导热性好，总之比玻璃钢的性能优越，是一种新型结构材料。 应用：可以用作宇宙飞
25、行器和外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体和天线构架。还可以用作机器的齿轮、轴承等受载、磨损件。,3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料 （1）硼纤维 是由硼气相沉积在钨丝上制取的，纤维外表面为硼，心部为硼化钨。 硼纤维的密度为2.6gcm-3，抗拉强度高达3.45103MPa，弹性模量为4.14105MPa。比强度与玻璃纤维的接近，但比模量较玻璃纤维的高5倍，而且耐热性高。硼纤维的缺点是密度高，纤维直径大。,（2）硼纤维增强的树脂基复合材料 基体：这类材料主要用的的基体树脂是环氧树脂、聚羡压胺树脂和聚苯并咪唑 。 特性：硼纤维增强树脂基复合材料的抗压强度和抗剪切强度很高，抗蠕变能力强，硬度和弹性
26、模量高，并且具有很高的疲劳强度和耐辐射性能。对水、有机溶剂、润滑剂等很稳定。由于硼纤维是半导体，所以其复合材料的导热性和导电性都很好。 应用：硼纤维增强树脂基复合材料主要用于航空和宇航工业，制造翼面、仪表盘、转子、压气机片叶片、直升机螺旋浆叶的传动轴等。,4.聚芳酰胺纤维及其增强的树脂基复合材料 （1）聚芳酰胺纤维 在商业上称为芳纶。据称是由苯二酰氯和对苯二胺缩聚而成的。 聚芳酰胺纤维的抗拉强度不及碳纤维的抗拉强度，密度低，比密度超高了玻璃纤维、碳纤维和硼纤维的比密度，韧性好；抗蠕变性能突出，还具有耐疲劳性能好、易加工、耐腐蚀和电绝缘性能好等特点。,（2）聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料 特性
27、：聚芳酰胺纤维本身是聚合物，所以与树脂基体相容性好，能形成结合力强的理想界面。这种纤维增强的环氧树脂，抗拉强度大于玻璃纤维增强的环氧树脂，类似碳纤维增强的环氧树脂。聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料的塑性与金属的相似，耐冲击性超过碳纤维树脂的耐冲击性，减振性好，耐疲劳性也比玻璃钢的好，但抗压强度较低。 应用：目前这种复合材料主要用于航天、航空、造船和汽车工业。,5.高性能天然纤维及其增强的树脂基复合材料 （1）高性能天然纤维 麻和竹类天然纤维因其抗拉强度比其他天然纤维的高，可称其为高性能天然纤维。 虽然麻和竹类的抗拉强度比玻璃纤维的低，但是麻尤其是苎麻纤维的比强度与玻璃纤维的接近，竹的性能可与单
28、向玻璃纤维聚酯板和中碳钢的性能媲美。 （2）高性能天然纤维增强的树脂基复合材料这些复合材料中的基体主要是环氧树脂、脲醛树脂。其产品已用于轿车的内饰品、吸噪声板和轮廓等。国内也开展了一些工作，但处于研究阶段，没有很多的工程应用，主要用于建筑装饰、家具面板、游艇和器皿等。,6.晶须及其增强的树脂基复合材料 （1）晶须 晶须是直径小于30m、长度只有只有几毫米的针状单晶体，其晶体内部几乎不存在位错，所以强度高，接近于理论强度值。 晶须有金属晶须、陶瓷晶须和高分子晶须。 铁晶须已投入生产；陶瓷晶须强度极高，此外还有密度低、弹性模量高、耐热性能好等特点，是极有发展前途的增强晶须。高分子晶须与环氧树脂的复
29、合工艺还在研究中。 （2）晶须增强的树脂基复合材料晶须价格昂贵，主要用于金属基复合材料，在树脂基复合材料中应用不多。,三、颗粒增强树脂基复合材料,树脂中加入非纤维状增强颗粒的复合材料，强度、弹性模量等力学性能比用纤维增强稍差，但仍然可使增强的树脂具有各种独特性能，这些颗粒还具有改性作用。按用途可将这类增强颗粒分为合成木材、耐磨材料和功能材料。 1.合成木材 （1）钙塑材料 定义：它是以热塑性树脂为基体，由无机颗粒增强（改性），加入碳酸钙等分散介质制得的复合材料。 特性：不仅能代替木材，钙塑材料的吸水率比木材的低515，耐腐蚀，还具有保温、吸音、抗震等性能，成本较低。 种类：主要有种，即聚乙烯钙
30、塑材料、聚丙烯钙塑材料、聚氯乙烯钙塑材料，此外还有用ABS树脂、低压聚乙烯作为基体的钙塑材料。 应用：用于制作地板、墙板、家具，以及车辆、船舶、房屋等内装饰材料，此外还可制成保温板、隔音板等。,（2）新型合成木材 定义：以热固性或热塑性树脂为基体，以有机填料木粉、木屑、稻壳粉、稻草屑为分散介质的颗粒增强塑料应运而生。 特性：这类材料的特点是填料量大，树脂量少，密度低，价格便宜，保温性能好，同时具有防火、防蛀、防腐蚀等性能。 应用：目前广泛应用于制作门芯板、天花板、家具和车、船的隔板。,2.耐磨材料 定义：以热固性酚醛树脂与合成橡胶为基体，以石棉、铁粉、石墨、硫酸钡、氧化铝非分散介质的复合材料。
31、 特性：它的摩擦系数高，耐磨性好，使用寿命长。 应用：可用于飞机、汽车、地铁车辆的刹车片、摩擦垫板和离合器等耐磨件。,四、树脂基功能复合材料,1.具有电波透过功能的复合材料 定义：以玻璃纤维或玻璃布作为增强材料，以环氧树脂或不饱和聚脂作为基体而制成。 特性：该材料电波透过性好，而且具有一定强度，良好的耐天候性。 种类：主要有种，即聚乙烯钙塑材料、聚丙烯钙塑材料、聚氯乙烯钙塑材料，此外还有用ABS树脂、低压聚乙烯作为基体的钙塑材料。 应用：常用于制造雷达天线罩，广泛用于飞机雷达、船舶雷达、地面固定雷达，以及抛物面天线的保护罩。,2.具有隐身功能的复合材料利用热塑性树脂的介电性能，用碳纤维增强的热
32、塑性树脂基复合材料具有吸收电磁波的隐身功能，可避开雷达的跟踪，是高性能结构材料，是制造先进电动机、侦查机的理想隐身材料。 3.具有导电功能的复合材料以环氧树脂作为基体，与碳纤维或碳粉并加入一点量石棉纤维制成的复合材料，具有优异的耐蚀性、良好的导热性、良好的集尘效果，常用于使用温度较高的电集尘器的电极板。,4.具有形状记忆功能的复合材料形状记忆功能是指具有一定形状的制品变形后，通过加热等手段处理后又恢复到初始形状的功能。这种材料的特点是成本低，化学稳定性高，可无限期地存放，损伤容限大，自适应能力强。已用于医疗、建筑、玩具、传感器件和汽车的缓冲器。 5.具有磁性功能的复合材料以聚乙烯、聚丙烯、聚氯
33、乙烯、氯化聚乙烯、聚酰胺（尼龙）等热塑性树脂和环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺等热固性树脂为基体，添加铁氧体磁粉或稀土类磁粉制成。广泛用于录音带、录像带、家用电器、电子仪器仪表、磁疗设备、精密电机、微型电机、通讯设备的传感器。,6.具有压电功能的复合材料这类复合材料是将具有高极化强度的压电陶瓷(BaTiO3)混入树脂基体中，极化后得到的压电性较强的可挠树脂基压电材料，该材料已用于制造柔性机电换能器。 7.具有自控发热功能的复合材料将一种导电粉末分散在高分子树脂中，并使导电粉构成导电通道，用这种复合材料制成扁形电缆可缠在管道外面通电加热。它的特点是通电后材料发热使高分子膨胀，拉断一些导电粉末通道从而
34、使材料电阻值增大而降低发热量，温度降低后高分子收缩又使通道复原，从而产生恒温控制的效果，已广泛用于石油、化工工业。,8.具有电绝缘功能的复合材料以酚醛树脂为基体，以各种颗粒状填料为分散质的改性塑料，为克服基体的弱点，分别加入不同的填料。为克服酚醛树脂的脆性，加入一定量的木粉；为提高电绝缘性和耐热性，再加入一定量的云母、石棉粉和石英粉；此外还需加入其他助剂。可制成各种电工绝缘零件，广泛用于低压电器、电讯工业以及蓄电池的绝缘结构构件。,一、概述 近十年来，航天、航空、电子以及先进武器系统的迅速发展对材料的耐热性及其他性能都提出了更高的要求，使得金属基复合材料取得了长足发展。这是因为金属基复合材料除
35、具有与树脂基复合材料相同的高强度、高弹性模量和线膨胀系数小等特点外，还具有工作温度高，不易燃烧，导热、导电、热稳定性高以及抗电磁干扰、抗辐射性能好的特点，这类材料还可进行机械加工和采用常规方法连接，而且适用于高温状态。但是它也有一些缺点：如密度高、成本高、制备工艺复杂等。但是这些不完善的方面正在加以改善。 金属基复合材料分为长纤维增强型、短纤维或晶须增强、颗粒增强型以及原位复合材料。,第五节 金属基复合材料,二、纤维增强金属基复合材料,1.长纤维增强的树脂基复合材料 是由高性能长纤维和金属或其它合金组成的先进复合材料。增强纤维起承载作用，金属基体则起固结纤维和传递载荷的作用。 长纤维增强的金属
36、基复合材料常用的增强纤维有硼纤维、碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等。基体主要有铝及其合金、镁及其合金、钛及其合金、铜合金、铅合金、高温合金以及新近发展的金属间化合物。,（1）硼/铝复合材料 是长纤维增强的复合材料中最早研究成功的金属基复合材料。 硼/铝复合材料虽然造价较高，但由于质量轻，比强度、比模量高，优异的耐疲劳性能以及良好的耐腐蚀性能等特点。 广泛应用于航天飞机的桁架结构、飞机的结构支柱、导弹支架、载人飞船的加压舵和太阳能电池的支撑板等。 （2）石墨/铝复合材料 具有导电性高、摩擦系数低和耐腐蚀等优点。200500时，轴向抗拉强度达690MPa，而在500时，轴向比强度为钛合金的1.5倍
37、。 主要用于航天结构件、飞机蒙皮、直升机旋翼叶片和涡轮发动机的压气机叶片等。,（3）石墨/镁复合材料 该材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸稳定性极好，在金属基复合材料中具有最高的比强度和比模量。 由于材料的价格昂贵，主要用于航天和航空领域，如人造卫星的抛物面天线及其支架、航天飞机的大面积蜂窝结构蒙皮、飞机的天线支架等。 （4）碳化硅/钛复合材料 此复合材料的性能尤其是高温强度明显高于基体合金性能。 已用于制造飞机发动机部件和涡轮叶片及火箭发动机箱。但是目前这一复合材料的挖掘及性能的全面掌握和认识还是有待研究的。,（5）氧化铝/铝复合材料 此材料具有高强度和高刚度，由于氧化铝纤维在氧化性气氛中稳定
38、，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高、耐磨性好，因此用它作增强材料的金属基复合材料的抗蠕变、抗疲劳及耐磨性都很好。 已用于制作汽车发动机活塞和其它发动机零件。 （6）其它长纤维增强的金属基复合材料 除了上述的之外，还有钨丝增强镍基，钨丝增强铜基，碳化硅纤维增强Ti3Al等金属间化合物，这些材料具有强度高、抗蠕变、抗冲击、耐热疲劳等优点。 燃气轮机、火箭发动机对高温金属基复合材料的要求。 长纤维增强的铜基、铅基复合材料作为特殊导体和电极材料，在电子行业和能源工业中有广泛的应用前景。,2.短纤维及晶须增强金属基复合材料 短纤维主要有氧化铝纤维、氧化铝氧化硅纤维、氮化硅纤维，增强晶须主要有碳化硅晶
39、须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等。 这类复合材料除具有比强度、比模量高，耐高温，耐磨，线膨胀系数小等优点外，最显著的特点是可采用常规设备进行制备和二次加工。 这类材料的基体金属主要有镁、铝、钛和镍等。,（1）氧化铝/铝复合材料 氧化铝短纤维增强铝基复合材料是较早研制和应用的复合材料。 这种材料的高温强度、弹性模量明显优于基体金属的高温强度和弹性模量，并且线膨胀系数小，耐磨性较高。 该材料广泛用于汽车制造行业，如汽车发动机零件。 （2）碳化硅/铝复合材料 具有良好的综合性能，具有比强度、比模量高和线膨胀系数小等特点，由于受晶须成本的影响，普遍存在成本高的问题。 主要用于航空、航天领域。,（3）氧化铝
40、/镍复合材料氧化铝晶须密度低、熔点高、高温强度优异，因而用它来增强的镍基高温材料高温性能良好，但是优于晶须与晶体的线膨胀系数相差较大，复合时较为困难，晶须价格昂贵，致使这类复合材料发展缓慢，应用受限。 （4）原位复合材料 采用定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则的温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身析出晶须而得到晶须增强复合材料，也称自增强金属基复合材料。 用定向凝固方式制成的高温复合材料，在性能上超过基体本身，接近共晶温度时，仍保持很高的强度和抗蠕变性能。 是航天工业和制造燃气涡轮的优异材料。,三、颗粒增强金属基复合材料,颗粒增强金属基复合材料是一种或多种陶瓷或金属颗粒作为增强材料与金属
41、基体组成的先进复合材料。 增强颗粒通常为碳化硅、氧化硅、碳化钛、硼化钛，有时也用钨、钼、铬等金属颗粒。 金属基体有铝、镁、钛及其合金，以及金属间化合物。 1.碳化钛/钛复合材料 这种复合材料的强度、弹性模量及抗蠕变性能均比基体合金明显提高，使用温度高达500。 可用于制造弹壳、导弹尾翼和发动机零部件。,2.碳化硅/铝复合材料 这种复合材料的密度仅为钢的1/3、钛合金的2/3，与铝合金的相近，强度比中碳钢的高，与钛合金的相近，弹性模量高于钛合金的弹性模量，耐磨性比铝合金的高一倍，使用温度高达300350。 目前这种材料已批量用于汽车工业和机械工业，制造大功率汽车发动机和柴油发动机的活塞环、连杆、
42、刹车片等。还可用于制造火箭、导弹构件，红外及激光制导系统的结构件。此外，以超细碳化硅颗粒增强的铝基复合材料还是一种理想的精密仪表用高尺寸稳定性材料和精密电子器件的封装材料。 3.颗粒增强金属间化合物基复合材料 有TiB2/NiAl、TiB2/TiAl等，它们的适用温度高达800以上，目前尚处于实验研究阶段。,四、金属基功能复合材料,1.具有导电功能的复合材料 以铜为基体，加入氧化铝颗粒利用弥散强化制成的导电新材料，在耐热性和强度方面均高于基体，而导电性几乎不下降。 近年来，已制成钢铜基导线，广泛用于输电线、架空地铁线、通信线。 2.具有超导功能的复合材料 将直径为2030m的超导线埋入铜、铝这
43、样的低电阻金属中，制成超导复合材料。,3.具有智能的复合材料 金属基智能材料不仅能检测自身的损伤，还可抑制并且有自修复功能。 例如以铝合金为金属基体，以硼颗粒作为复合剂所制得的复合材料，在破坏时会发出声波，可由声发射传感器接收并查出破坏位置。 还有一种智能材料是在钼基金属内复合氧化锆颗粒，当材料承受载荷，产生裂缝时，在裂缝尖端产生的高应力作用下，氧化锆诱发相变，由正方晶系的t相转变为单斜晶系的m相，同时伴随着体积膨胀，这一膨胀使裂纹闭合，可抑制裂纹的发展。,陶瓷材料具有很高的抗氧化性、耐热性、耐磨性和耐蚀性，但脆性大、韧性差使它的应用受到了极大的限制。 直到近代，碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维
44、、碳化硅晶须、碳化硅颗粒的加入，使得陶瓷的强度和韧性得到很大的改善，应用领域也取得突破性进展。 目前用这些纤维、晶须、颗粒增强的陶瓷基复合材料主要用来制造人造卫星、航天飞机、星际探测器、大型运载火箭和飞机上要求耐高温、耐冲刷、密度低和强度高的构件。,第六节 陶瓷基复合材料,一、纤维增强陶瓷基复合材料 1.长纤维增强陶瓷基复合材料 （1）碳/陶瓷基复合材料 用碳纤维与陶瓷组成的复合材料，具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧度，如碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400下长期工作。 这类材料主要用来制造喷气飞机的涡轮叶片。 （2）碳化硅/陶瓷基复合材料 碳化硅纤维可与多种陶瓷复合，如用碳化硅纤维增强的
45、碳化硅陶瓷，断裂韧度比单一碳化硅陶瓷提高56倍，抗弯强度提高50以上，并且纤维与基体之间具有良好的结合性能。 目前该材料已用于喷气发动机的喷嘴上。,（3）碳/碳复合材料 利用碳纤维增强的碳基复合材料，简称为Cf/C复合材料。的强度和刚度都相当高，并且能承受极高的温度和极高的即热速度；有极好的耐热冲击力，密度低，化学稳定性好。 由于这种材料具有诸多优点，应用领域极为广泛。如应用于宇航材料，各种反应器、热交换管等。,2.短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料 （1）碳/玻璃陶瓷复合材料 短纤维增强玻璃陶瓷可使这一复合材料的韧度大大提高，当短纤维定向有序分布时可获得更高的断裂韧度。 碳纤维增强的硼硅酸盐玻璃
46、陶瓷的强度已达到铸铁的水平。 （2）晶须/陶瓷基复合材料 增强晶须是陶瓷晶须，这种晶须是位错很少的陶瓷小单晶，具有很高的强度，是一种非常理想的陶瓷基复合材料中的增强增韧材料，近年来晶须增强陶瓷基复合材料发展很快并取得很好的韧化效果。 目前常用的陶瓷晶须是SiC晶须、Si3N4晶须和Al2O3晶须，常用的基体材料是Al2O3、ZrO2、SiO2、Si3N4和莫来石等。,二、颗粒增强陶瓷基复合材料 1.氧化锆/陶瓷基复合材料 氧化锆微粒添加到氧化铝陶瓷中形成的陶瓷基复合材料。利用氧化锆相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧度。用氧化锆增强莫来石陶瓷较单一莫来石陶瓷在强度、断裂韧度方面均有明显改善，这种复合
47、陶瓷已用作发动机部件的绝热材料。 2.氧化铱/陶瓷基复合材料 在氧化锆陶瓷中加入氧化铱微粒，可获得晶粒组织非常细小的高强度、高韧性复合陶瓷，这也是韧度最接近金属材料的陶瓷之一，日本已利用这种复合陶瓷制造刀具、喷嘴、导向装置和泵等。,三、陶瓷基功能复合材料 1.具有磁性功能的复合材料 铁氧体是典型的磁性陶瓷，是由氧化铁和其他一种或多种金属氧化物组成的复合氧化物磁性材料。这种材料原料丰富、工艺简单、成本低廉，作为永磁、高频软磁和磁记录材料具有极其广阔的应用前景。 2.具有导电功能的复合陶瓷 将碳化硅系陶瓷粉碎后再加入碳粉及沥青，经加压、加热成形，即可获得导电复合陶瓷。这种导电陶瓷可用于电阻炉的电热
48、体，同时也可制成压敏电阻，用于电子电路的稳定和异常电压控制元件。,（3）具有医用生物功能的复合陶瓷 近几年我国研制成功的羟基磷石灰和生物活性微晶玻璃复合材料，化学性能稳定，具有生物活性，能够有效地解决了人工关节松动下沉问题；碳/碳复合材料具有良好的力学性能和生物相容性，其弹性模量接近人体骨骼，是颇有前途的医用生物材料。,层叠复合材料是由两层或更多层不同材料复合而成的。可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声和自重等性能得到改善。 一、双层金属复合材料 这是一种将性能不同的两种金属，用胶合或熔和（锻造、热压、焊接、喷涂）等方法复合在以期，以满足某种性能要求的材料。 这类材料有不锈钢碳素钢复合钢板、
49、合金钢碳素钢复合钢板等。,第七节 层叠复合材料,二、塑料金属多层复合材料 P157图6-21是SF型3层复合材料的简图，它是以钢为基体，烧结铜网或铜球为中间层，塑料为表面层的一种自润滑复合材料。 这种材料比单一的塑料承载能力高20倍，导热系数高50倍，线膨胀系数低75，有效提高了尺寸稳定性。 可用作高应力、高温及低温和无润滑油的各种轴承。目前已用于汽车、矿山机械、化工机械等行业。 三、夹层结构复合材料 夹层结构复合材料是由两层薄而强的面板（或称蒙皮），中间夹一层轻而弱的芯子组成。 这种结构的特点是密度低，有较高的刚度和抗压稳定性，可按需要选择面板、芯子的材料，以得到绝热、隔声、绝缘等性能。 这种结构的复合材料已用于飞机上的天线罩隔板、机翼以及车厢、运输容器等。,
