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1、材料科学概论材料科学概论(giln)第一页，共69页。q概述概述 q复合复合(fh)材料的复合材料的复合(fh)理论理论 q复合复合(fh)材料的界面材料的界面q树脂基复合树脂基复合(fh)材料材料q金属基复合金属基复合(fh)材料材料q陶瓷基复合陶瓷基复合(fh)材料材料 第六章第六章 复合材料复合材料(f h ci(f h ci lio)lio)第二页，共69页。一、复合材料的涵义一、复合材料的涵义 现现代代科科学学技技术术的的发发展展，对对工工程程材材料料提提出出了了越越来来越越高高的的要要求求，而而且且有有的的要要求求之之间间甚甚至至是是相相互互矛矛盾盾的的。在在这这种种情情况况下下，
2、单单一一的的材材料料已已不不能能满满足足需需要要，于于是是高高性性能能复复合合材材料料应应运运而而生生。复复合合材材料料就就是是由由两两种种或或更更多多种种物物理理性性能能、化化学学性性能能、力力学学性性能能和和加加工工性性能能不不同同的的物物质质，经经人人工工组组合合而而成成的的多多相相固固体体材材料料。复复合合材材料料的的基基本本组组成成可可分分为为(fn wi)基基体体相相和和增增强强相相两种两种第一节第一节 概述概述(i sh)(i sh)第三页，共69页。（1）按按基基体体材材料料分分类类：分分为为树树脂脂基基、金金属属基基、陶陶瓷瓷基基等复合材料，使用最多的是树脂基复合材料。等复合
3、材料，使用最多的是树脂基复合材料。（2）按按增增强强材材料料的的种种类类和和形形态态分分类类：可可分分为为纤纤维维增增强强复复合合材材料料、颗颗粒粒增增强强复复合合材材料料和和层层叠叠增增强强复复合合材材料料等等，其中纤维增强复合材料应用其中纤维增强复合材料应用(yngyng)最为广泛。最为广泛。（3）按按复复合合材材料料的的使使用用性性能能分分类类：可可分分为为结结构构复复合合材材料料和和功功能能复复合合材材料料。前前者者主主要要用用于于工工程程结结构构和和机机械械结结构构，主主要要利利用用材材料料的的力力学学性性能能；后后者者具具有有某某种种特特殊殊的的物物理理性性能能或或化化学学性性能能
4、等等，作作为为功功能能材材料料使使用用。目目前前应用应用(yngyng)最广的是结构复合材料。最广的是结构复合材料。二、复合材料二、复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)的分的分类类第四页，共69页。1.比强度和比模量高比强度和比模量高 比比强强度度是是材材料料的的抗抗拉拉强强度度与与密密度度之之比比，比比模模量量是是材材料料的的弹弹性性模模量量与与密密度度之之比比。从从教教材材129页页表表6-1中中可可知知，复复合合材材料料的的比比强强度度和和比比模模量量普普遍遍高高于于常常用用金金属属材材料料的的。这这一一点点在在航航天天、航航空空领领域域具具有有重重要要的的意意义义(
5、yy)。如如美美国国的的波波音音飞飞机机上上，大大量量采采用用石石墨墨纤纤维维增增强强复复合合材材料料构构件件，比比采采用用金金属属材材料料质质量量减轻达减轻达2038。三、复合材料的性能三、复合材料的性能(xngnng)(xngnng)特点特点第五页，共69页。2.抗疲劳与断裂安全性能抗疲劳与断裂安全性能(xngnng)好好 复复合合材材料料对对缺缺口口、应应力力集集中中的的敏敏感感性性小小，特特别别是是纤纤维维增增强强的的树树脂脂基基复复合合材材料料，基基体体良良好好的的强强韧韧性性降降低低了了裂裂纹纹扩扩展展速速度度，大大量量的的纤纤维维对对裂裂纹纹又又有有阻阻隔隔作作用用，具具有有较高
6、的疲劳强度。较高的疲劳强度。纤纤维维增增强强复复合合材材料料中中存存在在大大量量相相对对独独立立的的纤纤维维，借借助助塑塑韧韧性性基基体体结结合合成成一一个个整整体体，当当复复合合材材料料构构件件由由于于过过载载或或其其他他原原因因而而使使部部分分纤纤维维断断裂裂时时，载载荷荷会会重重新新分分配配到到未未断断裂裂的的增增强强纤纤维维上上，故故具具有有良良好好的断裂安全性。的断裂安全性。第六页，共69页。3.良好良好(lingho)的减振性能的减振性能 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：有两方面的原因：纤维增强复合材料的自振频率高
7、，一般工作条件下很难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达到这样的高频率，因此这种材料制成的构件(gujin)在工作状态下不易发生共振现象；在工作状态下不易发生共振现象；大量的纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，阻尼特大量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。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。测的仪器、仪表方面得到广泛应用。第七页，共69页。4.良好良好(lingho)的高温性能的高温性能q复合材料中增强
8、材料的熔点都较高，而且在高温下仍然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。保持较高的高温强度和弹性模量。q如今高性能树脂基复合材料的使用温度已达如今高性能树脂基复合材料的使用温度已达200200300300，金属基复合材料耐热温度为，金属基复合材料耐热温度为300300500500，而陶瓷基复，而陶瓷基复合材料的有效承载温度可达合材料的有效承载温度可达10001000以上。以上。q树脂基复合材料和金属基复合材料的使用温度远远高于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单一(dny)(dny)的基体材料，例如，铝合金在的基体材料，例如，铝合金在4
9、00400时，其时，其强度大幅下降，而用碳纤维或硼纤维增强铝，强度大幅下降，而用碳纤维或硼纤维增强铝，400400的强的强度和弹性模量几乎与室温下相同。度和弹性模量几乎与室温下相同。第八页，共69页。四、复合材料四、复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)的现的现状与未来状与未来 复复合合材材料料的的研研究究开开始始于于19401940年年，研研究究的的材材料料是是玻玻璃璃纤纤维维增增强强不不饱饱和和聚聚酯酯树树脂脂。在在1960-1960-19701970年年间间研研制制了了许许多多新新型型纤纤维维与与晶晶须须。用用这这些些纤纤维维（晶晶须须）增增强强的的的的树树脂脂基基复复
10、合合材材料料，以以其其密密度度低低、强强度度高高、弹弹性性模模量量高高、线线膨膨胀胀系系数数小小、耐耐多多种种介介质质(jizh)(jizh)腐腐蚀蚀的的特特点点被被广广泛泛应应用用于于航天、航空、汽车制造和建筑领域。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。未来复合材料的发展趋势有以下几个特点。第九页，共69页。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(boku)：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
11、体相构成的原位复合材料，也称自增强复合材料。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。第十页，共69页。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(mb)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
12、果。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。第十一页，共69页。3.由结构复合材料为主，向结构材料与功能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
13、料，功能方向发展，使材料不仅是结构材料，承受一定的载荷，而且承受一定的载荷，而且(r qi)还具有某种还具有某种或多种综合功能。例如先进军用飞机的隐或多种综合功能。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轻质高强度的结构，又具有吸收雷达波和红外线的功能。红外线的功能。第十二页，共69页。4.由被动复合材料向主动复合材料发展由被动复合材料向主动复合材料发展 目前使用目前使用(shyng)的人工材料基本上属于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被动材料，即在外界作用下只能被动承受这种作用或被动
14、做出相应反应。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，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、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，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行支持作用的材料和起驱动作用的材料复合
15、材料一起成为机敏复合材料，然后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。与外接电路装置构成机敏（智能）系统。第十三页，共69页。5.由常规设计向仿生设计方向发展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时，生物材料可为我们提供良好的设计思路。路。如现代直升飞机的旋翼结构为：内层是硬泡如现代直升飞机的旋翼结构为：内层是硬泡沫塑料，中层是玻璃纤维增强的复合材料，沫塑料，中层是玻璃纤维增强的复合材料，外层是刚度、强度外层是刚度、强度(qingd)高的碳纤维复高的碳纤维复合材
16、料。这就是仿照骨骼的结构设计的。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照生物体的功能机制设计出新的功能复合材料。材料。第十四页，共69页。一、复合一、复合(fh)原理原理 1、纤维增强复合、纤维增强复合(fh)材料的复合材料的复合(fh)原理原理 第二节第二节 复合材料复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)的复合理论的复合理论 第十五页，共69页。二、增强二、增强(zngqing)机理机理1、纤维增强、纤维增强1）定义：由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强）定义：由高
17、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。强度和弹性模量。2）机理：）机理：将脆性材料制成细纤维，因直径细小，而使产生裂纹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的几率降低，有利于纤维脆性的改善和强度的提高。高。纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体的纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保护作用，不易遭受损伤，不易在承载保护作用，不易遭受损伤，不易在承载(ch
18、ngzi)过程中产生裂纹，使承载过程中产生裂纹，使承载(chngzi)能能力增强。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。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，同时断裂韧度也增使材料的抗拉强度大大提高，同时断裂韧度也增加。加。第十六页，共69页。3）增强纤维与基体复合时应注意的问题：）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。增强纤维的
19、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基体和纤维之间要有一定的黏结(ninji)作用，作用，而且应具有一定的结合强度。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。纤维与基体之间要有良好的相容性。第十七页，共69页。2、颗粒增强、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）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）。合材料和真正颗粒增强复合材料（微米量级）。弥散增强复合材料指尺寸
20、为弥散增强复合材料指尺寸为1002500的微细颗粒弥的微细颗粒弥散分布在金属和合金中形成的复合材料。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。基、树脂基或陶瓷基复合材料。2）机理：）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颗粒可以有效地阻碍(z i)位错运动，产生显著的位错运动，产生显著的强化作用。其复合强化机理
21、与合金中的析出强化机强化作用。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。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。颗粒不是通过阻碍体之中。颗粒不是通过阻碍(z i)位错运动而使材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，一般束基体的变形来达到强化基体的目的。因此，一般认为增强颗粒承受部分载荷颗
22、粒与基体间的结合力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。越大，增强的效果越明显。第十八页，共69页。三、增韧机理三、增韧机理(j l)1、纤维增韧、纤维增韧1）定义：为了克服陶瓷脆性大的弱点，可以在陶）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，瓷基体中加入纤维制成的陶瓷基复合材料，由于由于(yuy)定向、取向或无序排布的纤维的加定向、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，这就是纤入，陶瓷基复合材料韧度显著提高，这就是纤维增韧。维增韧。2）机理：）机理：单向排布长纤维增韧单向排布长纤维增韧 单向排布长纤维增韧陶瓷
23、基复合材料具有各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向异性，沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于横向性能。于横向性能。实际上，在断裂过程中纤维的断裂并非发生在实际上，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。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、纤中韧度的提高来自个方面，即纤维拔出、纤维断裂和裂纹转向。维断裂和裂纹转向。第十九
24、页，共69页。q多维多向排布长纤维增韧多维多向排布长纤维增韧q 单向排列纤维增韧陶瓷只是纵向性能优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便产生了多向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)。q 纤维排布有两种方式：一种是将纤维编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；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
25、布，层间纤维成一定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状用纤维缠绕的方法制成所需形状的壳层状构件。件。q 二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料(f(f h ci lio)h ci lio)的韧化机理与单向排布复合材料的韧化机理与单向排布复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)一样，也主要是靠纤维的断一样，也主要是靠纤维的断裂、纤维的拔出与裂纹转向使其韧度
26、及强度比裂、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。基体材料大幅度提高。第二十页，共69页。q短纤维、晶须增韧短纤维、晶须增韧 q 长纤维增韧固然有其优越性，但制备长纤维增韧固然有其优越性，但制备(zhbi)(zhbi)工艺复杂，工艺技术难度大，特别是纤维工艺复杂，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、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。晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。q 将长纤维剪短，然后分散并与基体粉料将长纤维剪短，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混匀，热压烧结后制得。这种方
27、法制得的复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能上的中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能上的各向异性。各向异性。q 晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理大体与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拔出桥连与裂纹转向机制对韧性的提高产生突出贡献。献。第二十一页，共69页。2、颗粒增韧、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。韧性、裂纹转向与分叉增韧等。1）相变增韧）相变增韧 以
28、以ZrO2马氏体相变来说明增韧机理。马氏体相变来说明增韧机理。ZrO2在一定在一定温度和应力场作用下，亚稳定四方温度和应力场作用下，亚稳定四方tZrO2颗粒转颗粒转变变(zhunbin)为单斜相为单斜相mZrO2。伴随着这种相。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。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，从度的颗粒的阻碍，使扩展方
29、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。断裂韧度，达到了增韧的目的。第二十二页，共69页。一、树脂基复合材料的界面一、树脂基复合材料的界面 界面的形成可分为两个阶段：一是基体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。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，并通过界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过它传
30、递应力。它传递应力。（1）界面浸润理论）界面浸润理论 1963年年Zisman首先首先(shuxin)提出了这个提出了这个理论，主要论点是增强纤维被液体树脂良理论，主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。才能显示其优越性能。第三节第三节 复合材料复合材料(f h ci(f h ci lio)lio)的
31、界面的界面第二十三页，共69页。（2）化学键理论）化学键理论 主主要要论论点点是是处处理理增增强强纤纤维维表表面面的的偶偶连连剂剂既既含含有有能能与与增增强强纤纤维维起起化化学学作作用用的的官官能能团团，又又含含有有能能与与树树脂脂基基体体(j t)起起化化学学作作用用的的官官能能团团，由由此此在在界界面面上上形形成成共共价价键键结结合合，如如能能满满足足这这一一要要求求则则在在理理论论上上可可获获得得最最大大的的界界面面结结合合能能。这这种种理理论论的的实实质质即即强强调调增增加加界界面面的的化化学学作作用用是是改改进进复复合合材料性能的关键。材料性能的关键。（3）变形层理论）变形层理论 如
32、如果果纤纤维维与与基基体体(j t)的的线线膨膨胀胀系系数数相相差差较较大大，复复合合材材料料固固化化后后在在界界面面上上会会产产生生残残余余应应力力，这这将将损损伤伤界界面面和和影影响响复复合合材材料料的的性性能能。另另外外，在在载载荷荷作作用用下下，界界面面上上会会出出现现应应力力集集中中，若若界界面面化化学学键键破破坏坏，产产生生微微裂裂纹纹，将将导导致致复复合合材材料料性性能能变变差差。将将增增强强纤纤维维表表面面进进行行处处理理，在在界界面面上上形形成成一一层层塑塑性性层层，就就可可以以起起到到松松弛弛和和减减小小界界面面应应力力的的作作用，这种理论称为变形层理论。用，这种理论称为变
33、形层理论。第二十四页，共69页。（4）物理吸附理论）物理吸附理论 可可作作为为化化学学键键理理论论的的补补充充。这这种种理理论论认认为为，增增强强纤纤维维与与基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。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）减弱界面局部应力作用理论 该该理理论论认认为为，基基体体和和增增强强纤纤维维之之间间的的处处理理剂剂提提供供了了一一种种具具有有“自自愈愈能能力力”的的化化学学键键。在在载载荷荷作作用用下下，它它处处于于不不断断形形成成与与断断裂裂的的动动态态平平衡衡状状态态。低低分分子子物物质质的的应应力力浸浸蚀蚀会会
34、使使界界面面化化学学键键断断裂裂，而而在在应应力力作作用用下下处处理理剂剂能能沿沿增增强强纤纤维维表表面面滑滑移移，使使已已断断裂裂的的化化学学键键重重新新结结合合，与与此此同同时时，应应力力得得到到松弛，减缓了界面的应力集中。松弛，减缓了界面的应力集中。除除上上述述理理论论之之外外，还还有有尚尚需需实实验验验验证证的的拘拘束束(jsh)层层理理论论和扩散层理论。和扩散层理论。第二十五页，共69页。二、金属基复合材料二、金属基复合材料(f h ci lio)的界面的界面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，
35、如Al2O3纤维/钛 （1）机械结合(jih)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(jih)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(jih)强度比用表面光滑的纤维制成的复合材料的结合(jih)强度高约23倍。第二十六页，共69页。（2）溶解和浸润结合）溶解和浸润结合 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。用范围只有若干原子间距大小。（3）反应结合）反应结合 纤维与基体相互反应形成界
36、面反应层纤维与基体相互反应形成界面反应层，其特征是纤维和基，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，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，反而面上的残余应力可使界面破坏，反而(fn r)降低界面结合降低界面结合强度。强度。（4）混合结合）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是最重要最普遍的结合形式，因为在实际
37、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，造温度低，硼纤维表面氧化膜不被破坏，则形成机械结合，材料若在材料若在500进行热处理，可以发现在机械结合的界面上进行热处理，可以发现在机械结合的界面上出现了出现了AlB2，表面热处理过程中界面上发生化学反应形成，表面热处理过程中界面上发生化学反应形成了反应结合。了反应结合。第二十七页，共69页。三、陶瓷基复合材料三、陶瓷基复合材料(f h ci lio)的界的界面面 在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的结合也是采在陶瓷基复合材
38、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。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。重的作用。1、改变增强材料表面的性质、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改变增强材料表面性质是用化学手段(shudun)控制界面的控制界面的方法。方法。例如，在例如，在SiC晶须表面形成富碳结构的方法，在纤维表面晶须表面形成富碳结构的方法，在纤维表面以以CVD方法或方法或PVD方法施以方法施以BN或碳的涂层等。采用这种
39、方法或碳的涂层等。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。与基体间的结合力。第二十八页，共69页。2、向基体内添加特定的元素、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的过程中，为在用烧结法制造陶瓷基复合材料的过程中，为了有助于烧结，往往在基体中添加一些特定元素。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，为了使纤维与基体之间发生适度反应以控制界
40、面，也可添加一些元素。在也可添加一些元素。在SiC纤维强化玻璃陶瓷纤维强化玻璃陶瓷（lAS）中，如果采用通常的）中，如果采用通常的PAS成分的基体，晶化成分的基体，晶化处理时会在界面上产生裂纹，而添加很少量的处理时会在界面上产生裂纹，而添加很少量的Nb时，时，热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米的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，改变了脆裂相，获得最佳界面，提高了韧度，改变了脆裂性能。性能。3、在增强材料表面施以涂层、在增强材料表面施以涂层 涂层技术是实施涂层技术是实施(shsh)界面控制的有效方法之界面控制的有效方法之一，可分为一，可分为CVD
41、法、法、PVD法、喷镀和喷射等。法、喷镀和喷射等。第二十九页，共69页。一、概述一、概述树脂基复合材料又称聚合物基复合材料，是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目前应用最广、消耗量最大的一类复合材料。料。根据增强体的类型，可分为玻璃纤维增强树根据增强体的类型，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合材脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅料、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树脂基复合材料、晶须增强树脂
42、基复合材料和颗粒增强树脂基复合材料等类型；根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。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、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不饱和聚酯树脂和有机(yuj)硅树脂；常硅树脂；常用的热塑性树脂有：尼龙类树脂、聚烯烃用的热塑性树脂有：尼龙类树脂、聚烯烃类树脂、苯乙烯类树脂、聚醚酮类树脂和类树脂、苯乙烯类树脂、聚醚酮类树脂和热塑性聚酯类树脂。热塑性聚酯类树脂。第四节第四节 树脂树脂(shzh)(shzh)基复合基复合材料
43、材料第三十页，共69页。二、纤维二、纤维(xinwi)增强树脂基复合增强树脂基复合材料材料（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。玻璃纤维的性能特点有：抗拉强度(qingd)很高。纤维越细，强度(qingd)越高。耐热性低。化学稳定性高。脆性较大。第三十一页，共69页。（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 玻璃纤维增强的树脂基复合材料，即玻璃钢。玻璃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。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
44、纤维为增强材料和以热固性树脂为基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。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
45、，还可制造电工轴承、轴承架和齿轮等精密零件，还可制造电工(dingng)部件和汽车上的仪表盘、前后车灯。部件和汽车上的仪表盘、前后车灯。第三十二页，共69页。（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(chl)来改善与基体的结合力。第三十三页，共69页。（2）碳纤维增强的树脂基复合材料）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、
46、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。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，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，系数小，导热性好，总之比玻璃钢的性能优越，是一种是一种(y zhn)新型结构材料。新型结构材料。应用：可以用作宇宙飞行器和外层材料，人造卫星应用：可以用作宇宙飞行器和外层材料，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
47、。器的齿轮、轴承等受载、磨损件。第三十四页，共69页。（1）硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上制取的，纤维外表面(biomin)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。第三十五页，共69页。（2）硼纤维增强的树脂基复合材料）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
48、特性：硼纤维增强树脂基复合材料的抗压强度(kn y qin d)和抗剪切强度很高，抗蠕变能力强，硬度和抗剪切强度很高，抗蠕变能力强，硬度和弹性模量高，并且具有很高的疲劳强度和耐辐射和弹性模量高，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纤维是半导体，所以其复合材料的导热性和导电性都很好。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、航工业，制造翼面、仪表盘、转子、压气机片叶片、
49、直升机螺旋浆叶的传动轴等。直升机螺旋浆叶的传动轴等。第三十六页，共69页。（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(ji gng)、耐腐蚀和电绝缘性能好等特点。第三十七页，共69页。（2）聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料）聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料(f h ci lio)特性：聚芳酰胺纤维本身是聚合物，所以与树脂基体特性：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。这种纤维相容
50、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维增强的树脂基复合材料(f h ci lio)的塑性与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，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，但抗压强度减振性好，耐疲劳性也比玻璃钢的好，但抗压强度较低。较低。应用：目前这种复合材料应用：目前这种复合材料(f h ci lio)主要用于航天主要用于航天、航空、造船和汽