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1、第第7章章 无机非金属材料基复合材料无机非金属材料基复合材料1 所谓的复合材料是指把两所谓的复合材料是指把两种以上在宏观上不同的材料，种以上在宏观上不同的材料，合理的进行复合，在新制得的合理的进行复合，在新制得的材料中，原来各材料的特性得材料中，原来各材料的特性得到充分的应用，并且得到了单到充分的应用，并且得到了单一材料所不具有的新特性，一材料所不具有的新特性，如如果从微观上看，我们所使用的果从微观上看，我们所使用的材料很少不是复合的，我们在材料很少不是复合的，我们在这里所说的复合材料则是按上这里所说的复合材料则是按上述定义复合得到的材料。述定义复合得到的材料。复复合合材材料料船船体体7.1
2、概述概述2复合材料的起源可追溯到古埃及人在复合材料的起源可追溯到古埃及人在粘土中加入植物纤维所制成的土坯。粘土中加入植物纤维所制成的土坯。大约大约100万年以前，人们开始使用以沙万年以前，人们开始使用以沙做骨料，用水或水泥固结的混凝土，做骨料，用水或水泥固结的混凝土，它是现代建筑领域不可缺少的材料。它是现代建筑领域不可缺少的材料。混凝土具有一定的抗压强度，但比较混凝土具有一定的抗压强度，但比较脆，在张力作用下容易产生裂纹而破脆，在张力作用下容易产生裂纹而破裂。裂。在混凝土中加入钢筋，大大提高了材在混凝土中加入钢筋，大大提高了材料的拉伸抗力，成为广泛应用的钢筋料的拉伸抗力，成为广泛应用的钢筋混凝
3、土。在橡胶中加入纤维混凝土。在橡胶中加入纤维/钢丝，既钢丝，既保持了橡胶的柔软性，又提高了材料保持了橡胶的柔软性，又提高了材料的强度和耐磨性能。的强度和耐磨性能。7.1 概述概述3现代复合材料的发展起源于现代复合材料的发展起源于1942年美国空军用于制造飞机构件的年美国空军用于制造飞机构件的玻璃纤维增强和聚脂玻璃纤维增强和聚脂，即玻璃钢，以后提高玻璃纤维性能的工作，即玻璃钢，以后提高玻璃纤维性能的工作有了很大的发展，硼纤维有了很大的发展，硼纤维/碳纤维碳纤维/碳化硅纤维碳化硅纤维/各种耐热氧化物纤各种耐热氧化物纤维与晶须的相继出现，推动着复合材料的研究与开发工作。维与晶须的相继出现，推动着复合
4、材料的研究与开发工作。复合材料的复合目的复合材料的复合目的:提高材料强度提高材料强度得到热性能得到热性能/电性能电性能/磁性能和其他各种性能的最优化磁性能和其他各种性能的最优化.7.1 概述概述4根据复合材料的基体的不同及发展历史根据复合材料的基体的不同及发展历史:玻璃纤维增强塑料（玻璃纤维增强塑料（GFRP）称作第一代复合材料）称作第一代复合材料硼纤维和碳纤维增强的塑料（硼纤维和碳纤维增强的塑料（BFRP,GFRP）称作第二代复合材料。）称作第二代复合材料。高性能纤维增强金属与陶瓷成为第三代复合材料。高性能纤维增强金属与陶瓷成为第三代复合材料。硼纤维硼纤维玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维7.1
5、概述概述5 7.1.1 复合材料的分类复合材料的分类1、按基体材料分类、按基体材料分类，可分为聚合物，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。基、陶瓷基和金属基复合材料。2、按增强相形状分类、按增强相形状分类，可分为纤，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。料和层状复合材料。3、按复合材料的性能分类、按复合材料的性能分类，可分，可分为结构复合材料和功能复合材料。为结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒颗粒Al2O3片片Al2O3纤维纤维增增强强相相三三种种类类型型无机非金属材料基复合材料主要无机非金属材料基复合材料主要包括陶瓷基复合材料（包括陶瓷
6、基复合材料（CMC）、）、碳基复合材料、玻璃基复合材料碳基复合材料、玻璃基复合材料和水泥基复合材料等。和水泥基复合材料等。7.1 概述概述6无机非金属材料基复合材料无机非金属材料基复合材料还可以按其使用温度分还可以按其使用温度分:高温陶瓷基复合材料高温陶瓷基复合材料（它以多晶陶瓷为基体，耐受温度为（它以多晶陶瓷为基体，耐受温度为1000100014001400）;低温陶瓷基复合材料低温陶瓷基复合材料（它以玻璃及玻璃陶瓷为基体，耐受（它以玻璃及玻璃陶瓷为基体，耐受温度在温度在10001000以下）。以下）。尽管相对而言，无机非金属材料基复合材料目前产量还不尽管相对而言，无机非金属材料基复合材料目
7、前产量还不大，但陶瓷基复合材料和碳基复合材料是耐高温及高力学大，但陶瓷基复合材料和碳基复合材料是耐高温及高力学性能的首选材料，例如碳碳复合材料是目前耐温最高的材性能的首选材料，例如碳碳复合材料是目前耐温最高的材料。水泥基复合材料则在建筑材料中越来越显示其重要性。料。水泥基复合材料则在建筑材料中越来越显示其重要性。下面简要介绍几类常见的无机非金属复合材料。下面简要介绍几类常见的无机非金属复合材料。7.1 概述概述77.1.2 无机非金属材料基复合材料无机非金属材料基复合材料碳基复合材料碳基复合材料 碳碳复合材料的碳碳复合材料的基体是碳基体是碳，用，用碳碳纤维增强纤维增强的复合材料。从光学显微的复
8、合材料。从光学显微镜尺度来看，碳碳复合材料由碳纤镜尺度来看，碳碳复合材料由碳纤维、基体碳、碳纤维维、基体碳、碳纤维/基体碳界面层、基体碳界面层、纤维裂纹和孔隙四部分构成。纤维裂纹和孔隙四部分构成。优点：优点：热膨胀系数低、导热好、耐热冲击、抗蠕变优异等优异特性。热膨胀系数低、导热好、耐热冲击、抗蠕变优异等优异特性。缺点：缺点：碳碳复合材料中的孔隙与显微裂纹可明显降低其力学强度和碳碳复合材料中的孔隙与显微裂纹可明显降低其力学强度和抗氧化性能。抗氧化性能。孔隙和裂纹的数量要根据碳碳复合材料的使用性能要求加以控制。孔隙和裂纹的数量要根据碳碳复合材料的使用性能要求加以控制。7.1 概述概述8用途：用途
9、：已发展成为核能和航空航天飞行器中不可缺少的关键材已发展成为核能和航空航天飞行器中不可缺少的关键材料，如飞机刹车片。利用它的生物相容性和低维性，可以制造料，如飞机刹车片。利用它的生物相容性和低维性，可以制造人造肢体。人造肢体。飞机用刹车片飞机用刹车片汽车用刹车片汽车用刹车片7.1 概述概述9重返温度高达重返温度高达1650，碳尖锥在服役期间不仅毫无损伤，而且使用，碳尖锥在服役期间不仅毫无损伤，而且使用一次相当于热解一次，强度会逐渐提高。尖锥是用两层的一次相当于热解一次，强度会逐渐提高。尖锥是用两层的预浸布预浸布制制造的。先用造的。先用石墨纤维布石墨纤维布浸泡酚醛树脂，进行高温浸泡酚醛树脂，进行
10、高温热解热解，驱除气体和，驱除气体和水分后酚醛树脂转化为水分后酚醛树脂转化为石墨石墨。这一阶段的复合材料是软胶。将此材。这一阶段的复合材料是软胶。将此材料浸渍糠醇后再热解，浸渍三次，热解三次，使其密度、强度和模料浸渍糠醇后再热解，浸渍三次，热解三次，使其密度、强度和模量逐次提高。再在表面涂以二氧化硅和三氧化二铝，烧结后就在表量逐次提高。再在表面涂以二氧化硅和三氧化二铝，烧结后就在表面形成一层面形成一层碳化硅涂层碳化硅涂层。最后，再用硅酸四乙氧脂浸渍表面，水解、。最后，再用硅酸四乙氧脂浸渍表面，水解、干燥后又使涂层含有一定量的二氧化硅。干燥后又使涂层含有一定量的二氧化硅。碳碳复合材料碳碳复合材料
11、1986年首次用于年首次用于发动机的燃烧喷管发动机的燃烧喷管,其最显赫的其最显赫的应用是宇宙飞船重返大气层的应用是宇宙飞船重返大气层的尖锥。尖锥。7.1 概述概述10 碳碳复合材料密度只有碳碳复合材料密度只有1.3g/cm3,1.3g/cm3,具有很高的比强度。具有很高的比强度。其强度与模量可依据用途在较大范围内调节。普通碳碳复其强度与模量可依据用途在较大范围内调节。普通碳碳复合材料的强度可以高达合材料的强度可以高达450MPa,450MPa,连续纤维材料的强度为连续纤维材料的强度为600MPa600MPa，“先进先进”碳碳复合材料的强度可以高达碳碳复合材料的强度可以高达2100MPa2100
12、MPa。典型的模量值在典型的模量值在125125175GPa175GPa的范围内。就高温强度而言，的范围内。就高温强度而言，碳碳复合材料是碳碳复合材料是20002000以上最强的材料，更可贵的是，温以上最强的材料，更可贵的是，温度越高，碳材料的强度越高。度越高，碳材料的强度越高。但高温氧化是其弱点，基体但高温氧化是其弱点，基体与纤维界面的氧化更甚。与纤维界面的氧化更甚。7.1 概述概述11金属陶瓷家族中最著名的成员是钴黏合的碳化物。碳化物与金属陶瓷家族中最著名的成员是钴黏合的碳化物。碳化物与钴等金属一起球磨，一方面减少碳化物的粒度，一方面将金钴等金属一起球磨，一方面减少碳化物的粒度，一方面将金
13、属涂到陶瓷表面。涂饰好的粉末按粒度分级，取所需粒度压属涂到陶瓷表面。涂饰好的粉末按粒度分级，取所需粒度压成型坯。型坯在真空下或氢气氛中烧结。所谓烧结实质是将成型坯。型坯在真空下或氢气氛中烧结。所谓烧结实质是将金属熔融，把陶瓷粒子彻底金属熔融，把陶瓷粒子彻底“焊焊”在一起。在一起。金属陶瓷金属陶瓷金属陶瓷是金属与陶瓷的结合体。金属陶瓷是金属与陶瓷的结合体。其其分散相是陶瓷颗粒分散相是陶瓷颗粒，多为碳化物，如，多为碳化物，如碳化钛、碳化物等。基体是一种金属碳化钛、碳化物等。基体是一种金属或几种金属的混合物，如镍、钴、铬、或几种金属的混合物，如镍、钴、铬、钼等。实际上金属起到黏合剂的作用，钼等。实际
14、上金属起到黏合剂的作用，将坚硬的陶瓷粒子粘合在一起。将坚硬的陶瓷粒子粘合在一起。7.1 概述概述12金属陶瓷比任何工具钢都硬，压缩强度高于大多数工程材料，金属陶瓷比任何工具钢都硬，压缩强度高于大多数工程材料，耐磨性能极佳。可作切削工具，可作任何软、硬表面的摩擦耐磨性能极佳。可作切削工具，可作任何软、硬表面的摩擦件。如果单纯使用陶瓷，因为其脆性，不能用作切削工具、件。如果单纯使用陶瓷，因为其脆性，不能用作切削工具、模具或振动强烈的机器部件。而金属陶瓷中的模具或振动强烈的机器部件。而金属陶瓷中的金属提供了韧金属提供了韧性性，陶瓷提供了硬度与强度陶瓷提供了硬度与强度，这种复合产生了性能上的协同，这种
15、复合产生了性能上的协同效应。效应。金属含量越低，陶瓷粒度越细（金属含量越低，陶瓷粒度越细（1um）,耐磨性能越好。所有耐磨性能越好。所有金属陶瓷都具有室内耐腐蚀性，含有镍和铬的金属陶瓷可耐化金属陶瓷都具有室内耐腐蚀性，含有镍和铬的金属陶瓷可耐化学环境的腐蚀。学环境的腐蚀。7.1 概述概述13无机胶凝复合材料无机胶凝复合材料解决的方法：加入粗、细骨料（如沙和卵石等）制成混凝土解决的方法：加入粗、细骨料（如沙和卵石等）制成混凝土以提高水泥的强度和韧性。但随着混凝土强度的提高，它的以提高水泥的强度和韧性。但随着混凝土强度的提高，它的脆性也表现的更为明显。脆性也表现的更为明显。7.1 概述概述以水泥为
16、代表的无机胶凝复合以水泥为代表的无机胶凝复合材料脆性特点：材料脆性特点：抗拉强度低（只有抗压强度的抗拉强度低（只有抗压强度的1/201/10）；）；其制品及构件在受拉应力系统或其制品及构件在受拉应力系统或冲击载荷情况下，极易脆性破坏。冲击载荷情况下，极易脆性破坏。14新型的无机胶凝复合材料：以混凝土或水泥砂浆为基体，在新型的无机胶凝复合材料：以混凝土或水泥砂浆为基体，在其中掺入纤维形成的复合材料，称为纤维水泥与纤维混凝土。其中掺入纤维形成的复合材料，称为纤维水泥与纤维混凝土。纤维种类：包括金属纤维（如不锈钢纤维、低碳钢纤维）、纤维种类：包括金属纤维（如不锈钢纤维、低碳钢纤维）、无机纤维（如玻璃
17、纤维、硼纤维、碳纤维）、合成纤维（如无机纤维（如玻璃纤维、硼纤维、碳纤维）、合成纤维（如尼龙、聚酯、聚丙烯等纤维）、植物纤维（如竹、麻纤维）。尼龙、聚酯、聚丙烯等纤维）、植物纤维（如竹、麻纤维）。由于钢纤维能有效提高混凝土的韧性与强度，能成批生产，由于钢纤维能有效提高混凝土的韧性与强度，能成批生产，价格便宜，施工方便，一直是研究和应用的重点。价格便宜，施工方便，一直是研究和应用的重点。7.1 概述概述157.1.3 复合材料特点：复合材料特点：复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设计的计的;复合材料是经人工制造而非天然形成的复合材料是经人工
18、制造而非天然形成的;组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）理和化学性质（区别于化合物和合金）;复合材料的性能取决于各组成的协同。复合材料具有复合材料的性能取决于各组成的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的。料性能所不及或不同的。复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。7.1 概述概述167.2.1 复合材料的结构复合材料的结构复合材料由两种以上以及它们之间的界面构
19、成。组分材料复合材料由两种以上以及它们之间的界面构成。组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相增强相和和基体相基体相。增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结。增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构与组成也被视为复合材料的构与组成也被视为复合材料的“相相”，即，即界面相。界面相。7.2 复合材料结构复合材料结构17增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。复合材料中的形态来区分的。增强相或增强体：增强相或增强体：复合材料承受外加载荷时是主要承
20、载相，复合材料承受外加载荷时是主要承载相，组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状、具有较高组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状、具有较高的强度、模量、硬度和脆性。它们在复合材料中呈分散形式，的强度、模量、硬度和脆性。它们在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称为被基体相隔离包围，因此也称为分散相分散相；基体相：基体相：是包围增强相并相对较软和韧的关联材料。按增强是包围增强相并相对较软和韧的关联材料。按增强体的几何形态可把复合材料分为三类，即纤维增强复合材料、体的几何形态可把复合材料分为三类，即纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层片增强复合材料，颗粒增强复合材料、层片增强复
21、合材料，7.2 复合材料结构复合材料结构7.2.1 复合材料的结构复合材料的结构18纤维复合材料纤维复合材料又分为连续纤维和非连续纤维（包括晶又分为连续纤维和非连续纤维（包括晶须和短切纤维）增强复合材料。连续纤维复合材料又分须和短切纤维）增强复合材料。连续纤维复合材料又分为单向纤维、无纬布叠层（正交、斜交）、二维织物层为单向纤维、无纬布叠层（正交、斜交）、二维织物层合、多相编织复合材料和混杂纤维复合材料。合、多相编织复合材料和混杂纤维复合材料。碳纤维复合材料机盖碳纤维复合材料机盖7.2 复合材料结构复合材料结构7.2.1 复合材料的结构复合材料的结构19颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料的增强体
22、是不同尺寸的颗粒（球形的增强体是不同尺寸的颗粒（球形或者非球形）。按照分散相的尺寸大小和间距又可分或者非球形）。按照分散相的尺寸大小和间距又可分为弥散增强复合材料（颗粒等效直径为为弥散增强复合材料（颗粒等效直径为0.010.1um，颗粒间距为颗粒间距为0.010.3um）和粒子增强复合材料（颗粒）和粒子增强复合材料（颗粒等效直径为等效直径为150um，颗粒间距为，颗粒间距为125um）。）。高体份（高体份（60-70%）碳化硅颗粒）碳化硅颗粒,铝基复合材料电子封装件铝基复合材料电子封装件 7.3 复合材料结构复合材料结构20层状增强复合材料层状增强复合材料的增强体是长与宽尺寸相近的薄片。薄片增
23、的增强体是长与宽尺寸相近的薄片。薄片增强体由天然、人造和在复合材料工艺过程中自身生长三种途径强体由天然、人造和在复合材料工艺过程中自身生长三种途径获得。天然片状增强体的典型代表是云母，人造片状增强体如获得。天然片状增强体的典型代表是云母，人造片状增强体如有机玻璃（又称玻璃鳞片）、铝、银二硼化铝等。有机玻璃（又称玻璃鳞片）、铝、银二硼化铝等。层状复合材料隔热的隔热层状复合材料隔热的隔热 7.2 复合材料结构复合材料结构7.2.1 复合材料的结构复合材料的结构 石墨片石墨片21叠层复合材料叠层复合材料指复合材料中的增强相是分层铺叠的，即按相指复合材料中的增强相是分层铺叠的，即按相互平行的层面配置增
24、强相，而各层之间通过基体材料连接。互平行的层面配置增强相，而各层之间通过基体材料连接。叠层复合材料中的叠层复合材料中的“层层”，可以是前述的单向无纬布、浸胶，可以是前述的单向无纬布、浸胶纤维布，如玻璃纤维布、碳纤维布或棉布、合成纤维布、石纤维布，如玻璃纤维布、碳纤维布或棉布、合成纤维布、石棉布等。也可以是片状材料，如纸张、木材以及前述的铝箔棉布等。也可以是片状材料，如纸张、木材以及前述的铝箔（在混杂叠层复合材料中）。叠层复合材料在其层面方向可（在混杂叠层复合材料中）。叠层复合材料在其层面方向可以提供优良的性能。以提供优良的性能。7.2 复合材料结构复合材料结构7.2.1 复合材料的结构复合材料
25、的结构22（）轻质高强，比强度和比刚度高（）轻质高强，比强度和比刚度高（）轻质高强，比强度和比刚度高（）轻质高强，比强度和比刚度高 、增强剂增强剂或者或者基体基体是比重小的物质，或两者的比重都是比重小的物质，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；不高，且都不是完全致密的；、增强剂多是强度很高的纤维。、增强剂多是强度很高的纤维。比强度比强度比强度比强度（指（指强度强度与与密度密度的比值）和的比值）和比弹性模量比弹性模量比弹性模量比弹性模量是各类是各类材料中最高的。材料中最高的。7.3 复合材料基本特性复合材料基本特性1 1、复合材料的特性、复合材料的特性、复合材料的特性、复合材料的特性复合材料
26、是由多种组复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。于单一组分的材料。(2)(2)可设计性好可设计性好可设计性好可设计性好 复合材料可以复合材料可以根据不同的用途要求根据不同的用途要求根据不同的用途要求根据不同的用途要求，灵活地进行产品设，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。计，具有很好的可设计性。23(4)(4)耐腐蚀性能好耐腐蚀性能好耐腐蚀性能好耐腐蚀性能好 聚合物基复合材料具有优异聚合物基复合材料具有优异的的耐酸性能耐酸性能耐酸性能耐酸性能、耐海水性能耐海水性能、也能也能耐耐耐耐碱碱碱碱、盐盐盐盐和和有机溶剂有机溶剂有机溶剂有机溶剂。因此它是
27、一。因此它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的种优良的耐腐蚀材料，用其制造的化工管道化工管道、贮罐贮罐、塔器塔器等具有较长等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。的使用寿命、极低的维修费用。(3)(3)电性能好电性能好电性能好电性能好复合材料具有优良的电性复合材料具有优良的电性能，通过能，通过选择不同的树脂基体选择不同的树脂基体选择不同的树脂基体选择不同的树脂基体、增强材料增强材料增强材料增强材料和和辅助材料辅助材料辅助材料辅助材料，可以将，可以将其制成其制成绝缘材料绝缘材料或或导电材料导电材料。7.3 复合材料基本特性复合材料基本特性不饱和聚脂树脂玻璃纤维增强模塑料不饱和聚脂树脂玻璃纤维增强模塑
28、料 247.3 复合材料基本特性复合材料基本特性(5)(5)热性能良好热性能良好热性能良好热性能良好玻璃纤维增强的聚玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有合物基复合材料具有较较较较低的导热系数低的导热系数低的导热系数低的导热系数，是一种是一种优良的绝热材料。优良的绝热材料。(6)(6)工艺性能优良工艺性能优良工艺性能优良工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能优良的工艺性能优良的工艺性能优良的工艺性能，能，能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造，复杂、数量少制品的
29、制造，25(7)(7)长期耐热性长期耐热性长期耐热性长期耐热性金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300 左左右。右。(9)(9)老化现象老化现象老化现象老化现象在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用，会导致的作用，会导致复合材料的性能变差复合材料的性能变差复合材料的性能变差复合
30、材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。即发生所谓的老化现象。7.3 复合材料基本特性复合材料基本特性26(1)(1)在航空、航天方面的应用在航空、航天方面的应用在航空、航天方面的应用在航空、航天方面的应用 由于复合材料的由于复合材料的轻质高强轻质高强轻质高强轻质高强持性，使其在航空航天领域得持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。肋和加强筋等主承力构件。7.4 7.4 复合材料的
31、应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状A400MA400M、波音、波音787787飞机，复合材飞机，复合材料分别占飞机结构重量的料分别占飞机结构重量的36%36%和和50%50%，27氮化硅结构陶瓷被用作航氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦天飞机的防热瓦硼纤维金属基复合材料制成的硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件火箭履轴的管道输送部件7.4.1、复合材料的应用、复合材料的应用7.4 7.4 复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状28美国美国B-2B-2隐形轰炸机表面为具隐形
32、轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复有良好吸波性能的碳纤维复合材料合材料由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆7.4 7.4 复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状29赛车赛车(2)(2)在交通运输方面的应用在交通运输方面的应用在交通运输方面的应用在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的只有钢制汽车的14，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。收冲击能量，保护人员的安全。7.4 7
33、.4 复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状30(3)(3)在化学工业方面的应用在化学工业方面的应用在化学工业方面的应用在化学工业方面的应用在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。例如，在酸性介聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。(4)(4)在电气工业方面的应用在电气工业方面的应用在电气工业方面的应用在电气工业方面的应用聚
34、合物基复合材料是一种优异聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被广泛地用于电机、的电绝缘材料，被广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、绝缘电工器材的制造，如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。高压绝缘子、带电操作工具等。7.4 7.4 复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状31 (5)(5)在建筑工业方面的应用在建筑工业方面的应用在建筑工业方面的应用在建筑工业方面的应用玻璃纤维增强的聚合物基复合材料玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢玻璃钢)具有力学性能具有力学
35、性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。(6)(6)在机械工业方面的应用在机械工业方面的应用在机械工业方面的应用在机械工业方面的应用 复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。(7)(7)在体育用品方面的应用在体育用品方面的应用在体育用品方面的应用在体育用品方面的应用在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车
36、、赛艇、在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。7.4 7.4 复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状32(1)(1)降低成本降低成本降低成本降低成本由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。料的成本，其应用前景将是非常广阔的。7.4.2 7.4.2 复合材料今后的发展方向复合材料今后的发展方向复合材料今后的发展方向复合材料今后的发展方向 (2)(2)高性能复合材料的研制
37、高性能复合材料的研制高性能复合材料的研制高性能复合材料的研制 高性能复合材料是指具有高性能复合材料是指具有高强度高强度高强度高强度、高模量高模量高模量高模量、耐高温耐高温耐高温耐高温等特性等特性的复合材料。的复合材料。(3)(3)功能性复合材料功能性复合材料功能性复合材料功能性复合材料 功能复合材料是指具有功能复合材料是指具有导电导电导电导电、超导超导超导超导、微波微波微波微波、摩擦摩擦摩擦摩擦、吸声吸声吸声吸声、阻尼阻尼阻尼阻尼、烧蚀烧蚀烧蚀烧蚀等功能的复合材料。等功能的复合材料。7.4 7.4 复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状
38、33(4)(4)智能复合材料智能复合材料智能复合材料智能复合材料 智能复合材料是指具有智能复合材料是指具有感知感知感知感知、识别识别识别识别及及处理能力处理能力处理能力处理能力的复合材料。的复合材料。在技术上是通过在技术上是通过传感器传感器传感器传感器、驱动器驱动器驱动器驱动器、控制器控制器控制器控制器来实现复合材料的来实现复合材料的上述能力。上述能力。(5)(5)仿生复合材料仿生复合材料仿生复合材料仿生复合材料仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显成功地制备出具有明显组织梯度组织梯度组织梯度组织梯度与与性能梯度性能梯度性能
39、梯度性能梯度的新型梯度的新型梯度复合材料。复合材料。7.5 7.5 复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状34(6)(6)环保型复合材料环保型复合材料环保型复合材料环保型复合材料 从环境保护的角度看，目前的复合材料大多注重材料从环境保护的角度看，目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，调的问题。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，是复合材料今后的发展方向之是复合材料今后的发展方向之。7.4 7.4
40、复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状复合材料的应用与研究现状35为什么陶瓷材料多表现为脆为什么陶瓷材料多表现为脆性性?离子键离子键 无滑移或位错无滑移或位错共价键共价键不能松弛应力不能松弛应力裂纹生成及扩散所需能量小裂纹生成及扩散所需能量小7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料36陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(Ceramic matric composite)是是在陶瓷基体在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料。主要以中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料。主要以高性能的陶瓷为基体，通过加入颗粒、晶须、连续纤维和高性能的陶瓷为基体，通过加入颗
41、粒、晶须、连续纤维和层状材料等增强体而形成的复合材料。层状材料等增强体而形成的复合材料。增韧陶瓷阀门增韧陶瓷阀门增韧陶瓷刀片增韧陶瓷刀片7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料37陶瓷基复合材料有陶瓷基复合材料有:（1）异相颗粒弥散强化陶瓷复合材料）异相颗粒弥散强化陶瓷复合材料（2）纤维增韧增强陶瓷复合材料）纤维增韧增强陶瓷复合材料（3）原位生长陶瓷复合材料）原位生长陶瓷复合材料（4）梯度功能陶瓷复合材料）梯度功能陶瓷复合材料（5）纳米陶瓷复合材料）纳米陶瓷复合材料7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料38陶瓷基复合材料的强韧机理陶瓷基复合材料的强韧机理多相复合材料的设计三项原则多相复合材料的设计三
42、项原则:相之间在化学上相容性相之间在化学上相容性相之间在物理上的相容性相之间在物理上的相容性热膨胀系数热膨胀系数 匹配匹配弹性模量弹性模量复合材料的显微结构的设计复合材料的显微结构的设计7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料39颗粒包括氧化物和非氧化物颗粒，颗粒包括氧化物和非氧化物颗粒，也可以是金属、金属间化合物颗也可以是金属、金属间化合物颗粒。粒。强韧化机理强韧化机理（1）颗粒能抑制基体的晶粒长）颗粒能抑制基体的晶粒长大形成细晶。大形成细晶。如如SiC颗粒弥散在颗粒弥散在Si3N4基体中，基体中，可以在一定的程度上抑制可以在一定的程度上抑制Si3N4晶粒的长大，从而获得细晶粒的晶粒的长大，从而
43、获得细晶粒的显微结构。显微结构。1、颗粒弥散增韧陶瓷基复合材料、颗粒弥散增韧陶瓷基复合材料SiC颗粒弥散在颗粒弥散在Si3N4基体基体7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料402)微裂纹增韧微裂纹增韧 影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗粒的弹性模量、热膨胀系数以及两相的化学相容性。其颗粒的弹性模量、热膨胀系数以及两相的化学相容性。其中化学相容性是复合的前提。两相间不能有过度的化学反中化学相容性是复合的前提。两相间不能有过度的化学反应，同时保证具有合适的界面结合强度。弹性模量只在材应，同时保证具有合适的界面结合强度。弹性模量只在材料受外力
44、作用时产生微观应力再分布效应；热膨胀系数失料受外力作用时产生微观应力再分布效应；热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷得配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源到增韧的主要根源1、颗粒弥散增韧陶瓷基复合材料、颗粒弥散增韧陶瓷基复合材料7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料41ZrO2从四方相到单斜相转变效应的氧化锆多晶体（从四方相到单斜相转变效应的氧化锆多晶体（TZP）陶瓷材料，在室温下有较高的强度和断裂韧性，但在高温陶瓷材料，在室温下有较高的强度和断裂韧性，但在高温下由于相变的消失，强度急剧下降。下由于相变的消失，强度急剧下降。2、ZrO2微裂纹
45、强化陶瓷基复合材料微裂纹强化陶瓷基复合材料单斜相单斜相(m)ZrO2，1170 C 四方相四方相(t)ZrO2；2370 C 立方相立方相ZrO2。ZTA性能随性能随ZrO2体积含量的变化体积含量的变化 7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料42图图1相变增韧示意图相变增韧示意图 图图2 ZTA中应力诱变韧化导致性中应力诱变韧化导致性能随能随ZrO2体积含量的变化体积含量的变化 7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料43金属颗粒和金属间化合物颗粒高温性能不好，但在低温条件下金属颗粒和金属间化合物颗粒高温性能不好，但在低温条件下可以显著地改善中低温时的韧性。可以显著地改善中低温时的韧性。增韧机理：裂
46、纹桥联、颗粒塑性变形、颗粒拔出、裂纹偏转和增韧机理：裂纹桥联、颗粒塑性变形、颗粒拔出、裂纹偏转和裂纹终止于颗粒。裂纹终止于颗粒。3金属颗粒和金属间化合物颗粒的弥散强化金属颗粒和金属间化合物颗粒的弥散强化裂纹终止于颗粒裂纹终止于颗粒裂纹的分岔裂纹的分岔裂纹偏转裂纹偏转颗粒塑性变形颗粒塑性变形7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料44 桥联桥联7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料45 拔出功增韧拔出功增韧颗粒的拔出颗粒的拔出7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料46通过有效的分散、复合使纳米颗粒均匀弥散地保留在陶瓷基通过有效的分散、复合使纳米颗粒均匀弥散地保留在陶瓷基质中而得到的复合材料。质中而得到的
47、复合材料。一般分三类：一般分三类：A、基体、基体晶粒内晶粒内弥散纳米粒子第二相（高温、低温力学）弥散纳米粒子第二相（高温、低温力学）B、基体、基体晶粒间晶粒间弥散纳米粒子第二相（高温、低温力学）弥散纳米粒子第二相（高温、低温力学）C、基体与第二相、基体与第二相同为纳米晶粒同为纳米晶粒（加工性、超塑性）（加工性、超塑性）4、纳米强韧化机理、纳米强韧化机理7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料47晶界间晶界间晶粒内部晶粒内部7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料48要求：要求：尽量满足纤维（晶须）与基体陶瓷的化学相容性和物尽量满足纤维（晶须）与基体陶瓷的化学相容性和物理相容性。理相容性。化学相容性化学
48、相容性是指在制造和使用温度下纤维与基体两者不发生是指在制造和使用温度下纤维与基体两者不发生化学反应及不引起性能退化化学反应及不引起性能退化物理相容性物理相容性是指两者的膨胀系数和弹性模量匹配，通常希望是指两者的膨胀系数和弹性模量匹配，通常希望纤维的膨胀系数和弹性模量高于基体，使基体的残余应力为纤维的膨胀系数和弹性模量高于基体，使基体的残余应力为压应力。压应力。5、纤维增韧陶瓷材料机理、纤维增韧陶瓷材料机理7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料49 纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式l纤维无规排列时，能获得基本各纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤向同性的复
49、合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的织，可获得各方向力学性能均优的材料。材料。7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料50纤维桥联基体裂纹的应力纤维桥联基体裂纹的应力-应变曲线应变曲线航天飞机防热瓦的纤维质纤维结构航天飞机防热瓦的纤维质纤维结构7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料51用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目
50、前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须晶须(如如SiC 和和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。能起到陶瓷材料增韧的作用。ZnO晶须晶须自增韧自增韧Si3N4陶瓷陶瓷6、晶须增韧、晶须增韧7.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料52 调整陶瓷工艺或其热处理过程，使陶瓷的晶粒生长成具有调整陶瓷工艺或其热处理过程，使陶瓷的晶粒生长成具有一定长径比的柱状和板状形态，即原位生长，使其产生类似与一定长径比的柱状和板状形态，即原位生长，使其产生类似与晶须增强的的效果。原位生长可以避免由于等轴晶粒与外加的晶须增强的的效果。原位生长可以避免由于等轴晶粒与外