1、复复 合合 材材 料料 概概 论论Survey of Composite Materials Institute of Materials Science and Engineering Email:rongfengg126材料科学与工程学院：关荣锋 教授目目 录录第一章 总论 第二章 复合材料的基体材料第三章 复合材料的增强材料第四章 复合材料的界面第五章 聚合物基复合材料第六章 金属基复合材料第七章 陶瓷基复合材料第八章 水泥基复合材料第九章 碳/碳复合材料第十章 混杂纤维复合材料第一章第一章 总总 论论1.1 复合材料的发展概况1.2 复合材料的命名和分类1.3 复合材料的基本性能1.4
2、 复合材料复合原理1.5 复合材料结构设计基础1.1 复合材料的发展概况 近代复合材料的发展从基体上来看，首先发展的是软基体，然后逐渐发展较硬的和硬的基体，即从树脂到金属到陶瓷基体，现在复合材料有树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三个大类。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大。第一章第一章 总总 论论 例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，
3、发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。复合材料的发展概况 树脂基复合材料（Resin Matrix Composite）也称纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，我国俗称玻璃钢。树脂基复合材料 1932年年RMC在美国出现在美国出现 1940年年开始用于军用飞机上开始用于军用飞机上 1950年年真
4、空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升机的螺旋桨真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升机的螺旋桨 60年代年代规模化、连续化生产规模化、连续化生产70年代后年代后各种成型工艺逐渐成熟，工业迅速发展各种成型工艺逐渐成熟，工业迅速发展树脂基复合材料（RMC)发展历史树脂基复合材料生产流程 金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称MMC)的性能既优于金属材料也优于树脂基复合材料。它既具有金属的性能，也有树脂基复合材料无法达到的使用温度高、剪切强度高、阻燃、不老化、不吸湿、不放气、耐磨损、导电、导热等金属属性，是外层空间结构及一些工业领域中有广泛应用前景的材料，因而继树
5、脂基复合材料之后，掀起了开发研究金属基复合材料的热潮。金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料的发展概况20世纪60年代在RMC的成型方法基础上初步发展 20世纪70年代开发出新的增强材料，得到很大发展 20世纪80年代新型高性能增强纤维的出现，如化学气相沉积法SiC纤维、纺丝SiC纤维和表面带TiB、TiC、SiC等涂层的系列石墨纤维，并发展了可以将铝、镍、金属间化合物等性能较高的金属作为基体的成型工艺，从而进一步推动了金属基复合材料的发展。陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite，简称CMC)，是80年代开始逐渐发展起来的，时间不长但发展十分迅速。陶瓷材料本身强度
6、高、硬度大、耐高温、抗氧化、有很好的耐磨性和耐化学腐蚀性，热膨胀系小、密度小，这些优异的性能是一般金属材料、高分子材料和它们的复合材料所不具备的。但由于其致命的弱点脆性，限制了它的应用，如果这一问题能得到很好的解决，它将是极为理想的高温结构材料，因而被称为“材料的梦想”。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 其中，SiC得到比较成功的应用，国防部与宇航局（NASA）开展的陶瓷燃气轮发动机研究课题研制的转子、叶片、燃烧室涡形管等件已通过热试验，法国SEP公司用陶瓷基复合材料制成的SCD-SEP火箭试验发动机已经过点火试车，由于使用了陶瓷基复合材料使结构减轻了50。复合材料的定义 除上述三种主要的复合材料
7、外，还有碳碳复合材料与无机胶凝材料基复合材料。最后，我们可以给复合材料下一个定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。从上述定义中可以得出，复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后中的产物为固体时才称为复合材料。按增强材料形态分：连续纤维复合材料短纤维复合材料粒状填料复合材料编织复合材料1.2 复合材料的命名和分类 按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强型复合材料。按增强原理分玻璃纤维复合材料有机纤维复合材料碳纤维复合材料金属纤维复合材料陶瓷纤维复合材
8、料按增强纤维种类分按增强纤维种类分按基体材料分：树脂基热固性树脂基热塑性树脂基环氧树脂复合材料酚醛树脂复合材料不饱和聚酯基，脲醛基复合材料等聚苯硫酸基复合材料聚丙烯基复合材聚醚酮复合材料金属基铝基复合材料钛基复合材料镁基复合材料银基复合材料铜基复合材料锌基复合材料铅基复合材料无机非金属基陶瓷基复合材料玻璃陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳基复合材料纳米陶瓷基复合材料按基体材料分：按材料作用分：结构复合材料功能复合材料 此外，还有同质复合材料和异质复合材料。增强材料和基体材料属于同种物质的复合材料为同质复合材料，如碳/碳复合材料。前面提到的复合材料多属于异质复合材料。复合材料的共同特点：可设计性 材
9、料设计是最近20年才提出的概念，复合材料的性能可设计性是材料科学进展的一大成果，复合材料的力学机械及热声光电防腐抗老化等物理化学性能都可以按制件的使用要求和环境条件，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，最大限度的达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。1.3 复合材料的基本性能材料与结构的同一性 复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说是材料不如说是结构更为恰当。传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，再加工过程中材料不发生组分和化学变化，而复合材料构件与材料是同时形成的，这样结构的整体性好，可大幅度减少零部件和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠性。复合材料的
10、共同特点：发挥复合效应的优越性 复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，但它并不是几种材料简单的复合，而是按复合效应形成新的性能，这种复合效应是复合材料仅有的。材料性能对复合工艺的依赖性 复合材料结构在形成过程中发生复杂的物理化学变化，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大，同时也由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，所以一般来说复合材料构件的性能分散性也是比较大的。复合材料的共同特点：1.3.1 聚合物基复合材料的主要性能比强度高、比模量大 下表给出了聚合物基复合材料与其他几种材料性能的比较，从中可以看出其抗张强度和弹性模量优于其他几种材料。材料材料密度密度抗张强度抗张
11、强度103Mpa103Mpa弹性模量弹性模量105Mpa105Mpa比强度比强度107cm107cm比模量比模量109cm109cm钢钢7.87.81.031.032.12.10.130.130.270.27铝合金铝合金2.82.80.470.470.750.750.170.170.260.26钛合金钛合金4.54.50.960.961.141.140.210.210.250.25玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料2.02.01.061.060.40.40.530.530.200.20碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料1.451.451.501.501.41.41.031.030.970.9
12、7碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料1.61.61.071.072.42.40.670.671.51.5有机纤维有机纤维/环氧复合材料环氧复合材料1.41.41.41.40.80.81.01.00.570.57硼纤维硼纤维/环氧复合材料环氧复合材料2.12.11.381.382.12.10.660.661.01.0硼纤维硼纤维/铝复合材料铝复合材料2.652.651.01.02.02.00.380.380.570.57聚合物基复合材料与其他材料性能的比较耐磨疲劳性好 聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展，因此，疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始逐渐扩展到结合面上，破
13、坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度的2050，而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其抗张强度的7080。主要性能减震性好 受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与结构材料比模量的平方根成正比。复合材料的比模量高，故具有高的自振频率。同时，复合材料界面具有吸振能力，使材料的振动阻尼很高。主要性能过载时安全性好 复合材料中有大量增强纤维，当材料过载而有少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短时间内不致于失去承载能力。具有多种功能性（1）耐烧蚀性好 （2）有良好的摩擦性（3）高度的电绝缘性（4）优良的耐腐蚀性能（5）有特殊的光学、电学、磁学
14、性能主要性能有很好的加工工艺性 复合材料可以采用手糊成型模压成型缠绕成型注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品。但是，耐高温性能耐老化性能及材料强度的一致性等有待于进一步研究提高。主要性能1.3.2 金属基复合材料的主要性能高比强度高比模量 由于基体中加入了适量的高强度高模量低密度的纤维晶须颗粒等增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能的连续纤维硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。典型金属基复合材料与基体合金性能的比较导热、导电性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的百分比，一般在60以上，因此仍能保持金属所具有的良好的导热和导电性。良好的导热性可
15、以有效的传热，减少构件受热后产生的温度梯度，迅速散热，这对尺寸稳定性要求高的构件和高集成度的电子器件尤为重要。良好的导电性可以防止飞行器构件产生的静电聚集问题。主要性能 金属基复合材料中所用的增强物均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量。加入适量的增强物不仅可以提高材料的强度和模量，同时可以使其热膨胀系数明显下降。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到48时，其CTE为零，在温度变化时这种复合材料不会发生热变形。热膨胀系数小，尺寸稳定性好主要性能主要性能良好的高温性能 金属基复合材料的增强纤维、晶须、颗粒在高温下都具有很高的高温强度和模量，特别是连续纤维增强金属基复合材料，纤维强
16、度在高温下基本不下降。如石墨纤维增强铝基复合材料在500下，仍具有600Mpa的高温强度，而铝基体在300强度已下降到100Mpa以下。耐磨损性好 由于金属基复合材料中加入了大量的陶瓷增强物，陶瓷材料具有硬度高、耐磨、化学性能稳定的优点，不仅可以提高材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。SiC/Al复合材料由于优良的高耐磨性在吃车、机械、电子封装中有广泛的应用。主要性能主要性能良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是界面状态，最佳的界面结合状态既可以有效地传递载
17、荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂性能。据美国宇航公司报道，C/Al复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为0.7左右。不吸潮、不老化、气密性好 由于金属基性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越。主要性能1.3.3 陶瓷基复合材料的主要性能 陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小。但陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。当高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。水泥混凝土制品在压缩强度、热能等方面具有优异的性能，但抗拉伸强度低，破
18、坏前的许用应变小，通过用钢筋增强后，一直作为常用的建筑材料。目前，人们一般在水泥中引入高模量、高强度、轻质纤维或晶须增强混凝土，提高混凝土制品的抗拉性能，降低其质量，提高耐腐蚀性能。1.3.4 水泥基复合材料的主要性能三种复合材料性能的比较材料材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料树脂基复合材料使用温度使用温度()4006001000150060250硬度硬度中中高高低低耐老化性耐老化性中中优优差差导热性导热性(w/mk)50650.73.50.350.45耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性差差优优优优生产工艺生产工艺一般一般复杂复杂成熟成熟生产成本生产成本中等中等最
19、高最高最低最低1.4 复合材料复合原理 为了提高符合材料的力学性能引入的增强体主要有三种形式：颗粒、晶须和纤维。如何达到预期的性能（如高强度、高刚度、重量轻），抑制不期望的特性（如低延性），就需要研究复合材料的复合原理。复合材料中基体与增强材料间的相互作用是通过所形成界面的性质和强度而表现出来的，界面不仅是两种材料的几何交界面，而且是具有一定厚度的界面层，在这一区域化学成分发生急剧的变化，存在着复杂的物理、化学和力学作用。基体和增强材料之间的结合可分为：机械结合，润湿和扩散，反应结合和混合结合。基体与增强材料间的相互作用复合原理基体与增强材料之间的相容性 相容性是指复合材料在制造和使用过程中各
20、组分之间相互协调、配合的程度。它关系到各组分材料能否有效地发挥作用，也关系到复合材料整体结构和性能是否稳定。相容性包括两大方面：物理相容性和化学相容性。物理相容性：物理相容要求复合材料在承受应力作用和温度变化时，各组分材料的力学性能和其它的物理性能相互协调，主要包括力学相容和热相容。化学相容性：化学相容相对复杂，首先是热力学相容问题，其次是基体与增强材料之间的化学反应，对金属基复合材料来说，这个问题显得尤为重要。复合原理1.5 复合材料结构设计基础 近几十年复合材料技术的发展为科学家和工作师开辟了新的领域。复合材料应用范围迅速扩大，特别是先进复合材料在高性能结构上的应用，大大促进了复合材料力学
21、、复合材料的结构力学的迅速发展，进一步增强了复合材料结构设计能力。材料设计、结构设计和工艺设计同时进行结构特性的可设计性材质的各向异性材料的非均匀性较低的层间性能线弹性性能材料特性的分散性1）结构设计特点 从固体力学角度，可将复合材料分为三个“结构层次”：一次结构、二次结构、三次结构。所谓“一次结构”是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何（各相材料的形状、分布、含量）和界面区的性：所谓“二次结构“是指由单层材料合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性和铺层几何（各单层的厚度、铺设方向、铺层序列）；“三次结构”是指通常所说的工程结构或产品结构，
22、其力学性能决定于层合体的力学性和结构几何。2）结构设计层次 复合材料设计也可分为三个层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计。单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能；铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，该层次决定层合板的性能；结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。这三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。因此，复合材料及其结结构的设计打破了材料研究和结构研究的传统界限。设计人员必须把材料性能和结构性一起考虑，换言之，材设计和结构设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方案中。三个层次 将单层复合材料作为地结构来分析，必须承认材料的多相性，以研究
23、各相材料之间的相互作用。这种研究方法称为“微观力学”方法。在研究单位层复合材料时，也可以假定材料是均匀的，而将各相材料的影响仅仅作为复合材料的平均表现性能来考虑，这种研究方法称为“宏观力学”的方法。将层合复合材料作为结构来分析，必须承认材料在板厚度方向的非均质性，亦即承认层合板是由若干单层板所构成这一事实，由此发展起来的理论称为“层合理论”。3）研究方法4）结构设计条件结构设计条件包括以下几个方面：结构的基本性能要求结构承受的载荷情况对结构形状和尺寸的限制条件使用环境条件满足结构使用的寿命要求工艺成型方法经济性考虑满足维修性要求本章小结1.掌握复合材料的定义、命名及分类方法；2.掌握三种复合材
24、料的基本性能；3.了解复合材料的结构设计特点、层次及条件。本章为总论，介绍了复合材料的最基本的知识，我们应该掌握以下内容：第二章第二章 复合材料的基体材料复合材料的基体材料2.1 金属材料2.2 无机胶凝材料2.3 陶瓷材料2.4 聚合物材料第二章第二章 复合材料的基体材料复合材料的基体材料2.1 金属材料 基体是金属基复合材料的主要组成之一，起着固结增强物、传递和承受载荷的作用。在颗粒增强金属基复合材料中基体是承受外载荷的主要组成，即使在纤维增强金属基复合材料中，基体对力学性能的贡献也远大于它在聚合物基和陶瓷基复合材料中的贡献。复合材料的比强度、比刚度、耐高温、耐介质、导电、导热等性能则更与
25、基体密切相关，其中有些主要由基体决定。基体在复合材料中占有很大的体积比（如下表所 示），因此在设计和制造复合材料是，需充分了解金属基体的化学、物理特性，及与增强材料的相容性，以便正确合理地选择材料和制备方法、确定工艺参数。金属基体材料种类材料种类基体含量基体含量连续纤维增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料5070颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料8090短纤维增强金属基复合材料短纤维增强金属基复合材料大于大于70晶须增强金属基复合材料晶须增强金属基复合材料8090几种金属基复合材料的基体含量 金属与合金的品种繁多，目前可作为复合材料基体的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合
26、金、铜及铜合金、锌合金、铅、铝钛和铝镍金属间化合物等。基体种类及成分的正确选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强材料的性能特点，获得预期的优异的综合性能以满足使用要求十分重要。在选择基体金属时应考虑以下几个方面。2.1.1 选择金属基体的原则 金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体的最重要依据。宇航、航空、先进武器、电子、汽车等领域对复合材料构件的性能要求有很大的差别。金属基复合材料的使用要求选择金属基体的原则 在航天、航空领域高比强度、比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求。宜选用密度小的轻金属合金镁合金和铝合金作为基体。高性能发动机则要求复合材料不仅有高的比强度、比模量，而且具有优良
27、的耐高温持久性能，能在高温氧化性气氛中长期正常工作。宜选择钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作为基体材料。电子集成电路需要高导电、高导热、低热膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板，通常选用导电和导热性能优异的银、铜、铝等为基体材料与导电导热、低热膨胀的高模量石墨纤维等组成复合材料。选择金属基体的原则 对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载组分，它们本身具有很高的强度和模量，如高强度碳纤维的最高强度已达7GMpa。金属基体的强度和模量远远低于纤维，因此在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是充分发挥纤维性能，基体应有好的塑性，与纤维有良好的相容性，而并不要求具有高的强度和弹性模
28、量。金属基复合材料的组成特点 金属基复合材料有连续增强和非连续增强两种，由于增强材料的性质和增强机制的不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载部分，基体的强度对复合材料的性能具有决定性的影响。因此，欲获得高性能的复合材料必须选用高强度的、能热处理强化的合金为基体。金属基复合材料的组成特点不同铝合金性能与复合材料性能的比较基体与增强材料的相容性 在金属基复合材料的制备过程中，金属基体与增强材料在高温复合过程中会发生不同程度的界面反应，生成脆性反应产物，基体金属中含有的不同类型的合金元素也会与增强材料发生不同程度的反应，生成各类反应
29、产物，这些产物往往对性能有害，也就是基体与增强材料的化学相容性不好，因此应尽可能选择既有利基体与增强材料润湿复合，又有利于形成合适的、稳定的界面的合金元素。如在SiCp/Al复合材料中添加适量的Mg，能显著改善复合材料的界面润湿性，增加反应活性，提高复合材料的性能。2.1.2 结构复合材料的金属基体 用于各种航天、航空、汽车、先进武器等结构件的复合材料一般均要求有高的比强度和比刚度，因此大多选用铝及铝合金和镁及镁合金作为基体，铝、镁复合材料只能在低于450使用，在发动机、燃气轮机中需要的是耐热结构材料，要求复合材料零件在高温下连续安全工作，工作温度在6501200左右，复合材料应有良好的抗氧化
30、、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性能。钛合金基复合材料可用到650，而镍、钴基复合材料可用到1200以下，正在研发中的金属间化合物基复合材料可在更高温度下使用。2.1.3 功能用金属基复合材料的基体 功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视。这些高技术领域的发展要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如电子领域的集成电路，由于电子器件的集成度越来越高，单位体积中的元件数不断增多，功率增大，势必产生很多的热量，要求材料热膨胀系数小，导热性好的材料做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，提高器件可靠性。功能用金属基复合材料所用的金属基体
31、均具有良好的导热、导电和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。通过在这些基体中加入合适的增强物就可以得到优异的综合物理性能，满足各种特殊需要。如在纯铝中加入导热性好、弹性模量大、热膨胀系数小的石墨纤维、碳化硅颗粒就可使这类复合材料具有很高的导热系数和很小的热膨胀系数，满足了集成电路封装散热的需要。功能用金属基复合材料的基体 用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量的铝基（SiCp/Al）、铜基（SiCp/Cu）复合材料，高模量石墨纤维增强铝基（Gr/Al）、铜基(Gr/Cu)复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维铝、铜复合材料，硼/铝复合材料等，其基体主要是纯铝和纯铜。
32、功能用金属基复合材料的基体2.2 无机胶凝材料 无机胶凝材料主要包括水泥，石膏，菱苦土和水玻璃等。在无机胶凝材料基增强塑料中，研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。它是以水泥净浆，砂浆或混凝土为基体，以短切纤维或连续纤维为增强材料组成的。用无机胶凝材料作基体制成纤维增强塑料尚是一种处于发展阶段的新型结构材料，其长期耐久性尚待进一步提高，其成型工艺尚待进一步完善，以应用领域有待进一步开发。水泥基体材料的特征1）水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由数“埃”到数百 “埃”。孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，也会影响纤维与基体的界面粘接。无机胶凝材料2）纤维与水泥的弹性模量比不大，因水泥的弹性模量比
33、树脂 的高，对多数有机纤维而言，与水泥的弹性模量比甚至小于1，这意味着在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应远不如纤维增强树脂。3）水泥基材的断裂延伸率较低，仅是树脂基材的1/101/20,故在纤维尚未从水泥基材中拔出拉断前，水泥基材即行开裂。4）水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料，与纤维成点接触，故纤维的掺量受到很大的限制。树脂基体在未固化前是粘稠液体，可较好的浸透纤维中，故纤维的掺量可高些。5）水泥基材成碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维是不利的。水泥基体材料的特征2.3 陶瓷材料 传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃，水泥，搪瓷，砖瓦等人造无机非金属材料。由于这些材料都是以含
34、二氧化碳的天然硅酸盐矿物值质为原料制成的，所以陶瓷材料也是硅酸盐材料。随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的新型陶瓷，它们不仅含有氧化物，还有碳化物，硼化物和氮化物等。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，耐热性、抗老化性皆佳。通常陶瓷是绝缘体，在高温下也可以导电，但比金属导电性差得多。虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点，即脆性强，韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。用作基体材料使用的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能
35、等。常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。陶瓷材料 玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种陶瓷材料。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即具有非晶态结构是玻璃的特征之一。在玻璃坯体的烧结过程中，由于复杂的物理化学反应产生不平衡的酸性或碱性氧化物的熔融液相，其黏度较大，并在冷却过程中进一步是迅速增大。一般当黏度增大到一定程度时，熔体硬化并转变为具有固体性质的无定形物体即玻璃。此时相应的温度称玻璃化转变温度（Tg）。当温度低于Tg时，玻璃表现出脆性。加热时玻璃熔体的黏度降低，在达到某一黏度（约 Pa.s）所对应的温度时，玻璃显著软化，这一温
36、度称为软化温度（Tf）。Tg和Tf的高低主要取决于玻璃的成分。12102.3.1 玻璃 2.3.2 玻璃陶瓷 许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。由于反玻璃化使玻璃称为多晶体，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度，所以通常应当避免发生反玻璃化过程。但由于某些玻璃，反玻璃化过程可以控制，最后能够得到无残余应力的微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷。为了实现反玻璃化，需要加入成核剂（如TiO2）。玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、力学性能好和导热系数较大等特点，玻璃陶瓷基复合材料的研究在国内外都受到重视。8102.3.3 氧化物陶瓷 作为基体材料使用的
37、氧化物陶瓷主要有Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石（即富铝红柱石，化学式为3Al2O3.2SiO2）等，它们的熔点在2000以上。氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，除晶相外，可能还含有少量气相（气孔），微晶氧化物的轻度较高，粗晶结构时，晶界面上的残余应力较大，对强度不利，氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000以下降低较小。这类陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用，这是由于3Al2O3和ZrO2的抗震性较差，SiO2在高温下容易发生蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的抗蠕变性能和较低的热膨胀系数，但使用温度也不宜超过1200。2.3.4 非氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷是指不含
38、氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。他们的特点是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。碳化物和硼化物的抗热氧化温度约9001000。氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达13001700。氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温（1360）和高压作用下可转变成立方结构的氮化硼，耐热温度高达2000，硬度极高，可作为金刚石的代用品。2.4 聚合物材料2.4.1 聚合物基体的种类、组分和作用1.聚合物基体的种类 作为复合材料基体的聚合物的种类很多，经常应用的有不饱和聚酯树脂、环氧树脂及各种热塑性聚合物。不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的另一种重要树脂。聚酯树脂有以下特点：工
39、艺性良好，它能在室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。固化后的树脂综合性能良好，但力学性能不如酚醛树脂或酚醛树脂。它的价格比环氧树脂低得多。其缺点是固化时体积收缩率大，耐热性差等。主要用于一般民用工业和生活用品中。聚合物基体的种类 环氧树脂的合成起始于30年代，40年代开始工业化生产。由于环氧树脂具有一系列的可贵性能，所以发展很快，它广法用于碳纤维复合材料及其它纤维复合材料。酚醛是最早实现工业化生产的一种树脂。它的特点是在加热条件下既能固化，无须添加固化剂，固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不好，已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能，但断裂延伸率低，脆性大。所以
40、酚醛树脂大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料。聚合物基体的种类 除上述几类热固性树脂外，近年来又研究和发展了用热塑性聚合物做碳纤维复合材料的基体材料，其中耐高温聚酰亚胺有着重要意义。其它热塑性聚合物除了用于玻璃纤维复合材料外，也开始用于碳纤维复合材料，这对于扩大碳纤维复合材料的应用无疑是一个很大的推动。聚合物基体的种类2.聚合物基体的组分 聚合物是聚合物基复合树脂的主要组分。一般来说，基体很少是单一的聚合物，往往除了主要组分聚合物以外，还包含其它辅助材料。在基体材料中，其它的组分还有固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。由于这些组分的加入，使复合材料具有各种各样的使用性能，改进了工艺性，降低了成本，
41、扩大了应用范围。在复合材料发展过程中，辅助材料的研究是很重要的，可以说没有辅助材料的配合就没有复合材料工业的发展。3.聚合物基体的作用 复合材料中的基体有三种作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。当载荷主要由纤维承受时，复合材料总的延伸率受到纤维的破坏延伸率的限制，这通常为11.5，基体的主要性能是在这个应变水平下不应该裂开。与未增强体系相比，先进复合材料树脂体系趋于在低破坏应变和高模量的脆性方式下工作。在纤维的垂直方向，基体的力学性能和纤维与基体之间的胶接强度控制着复合材料的物理性能。由于基体比纤维弱得多，而柔性却大得多，所以在复合材料结构件设计中应尽量避免基体得直接
42、横向受载。基体以及基体/纤维的相互作用能明显地影响裂纹在复合材料中的扩展。若基体的剪切强度和模量以及纤维/基体的胶接强度过高，则裂纹可以穿过纤维和基体扩展而不转向，从而这种复合材料像是脆性材料，并且其破坏的试件将呈现出整齐的端面。若胶接强度过低，则其纤维将表现得像纤维束，并且这种复合材料将很弱。对于中等得胶接强度横跨树脂或纤维扩展的裂纹会在另面转向，并且沿着纤维方向扩展，这就导致吸收相当多的能量，以这种形式破坏的复合材料是韧性材料。聚合物基体的作用 在高胶接强体系（纤维间地载荷传递效率高，但断裂韧性差）与胶接强度较低的体系（纤维间的载荷传递效率不高，但由较高的韧性）之间需要折衷。在应力水平和方
43、向不确定的情况下使用的或在纤维排列精度较低的情况下制造的复合材料往往要求基体比较软，同时不太严格。在明确的应力水平情况下使用的和在严格的控制纤维排列情况下制造的先进复合材料，应通过使用高模量和高胶接强度的基体以更充分地发挥纤维地最大性能。聚合物基体的作用2.4.2 聚合物的结构与性能1.聚合物的结构聚合物的结构有以下主要特点：1）聚合物的分子链由很大数目的结构单元组成，每个结 构单元相当于一个小分子。这些结构单元可以是相同的（均聚物）也可以是不同的（共聚物），它们通过共价键连成不同的结构，如线型的、支链的或网状的结构。2）链长有限的聚合物分子含有官能团或端基，其中端基与其它可反应基团的反应以及
44、反应后的性能是非常重要的，即使在聚合物间存在程度很小的交联，也将对其物理，力学性能产生很大影响。3）聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能由密切关系。聚合物的结构2.聚合物的性能聚合物的力学性能 聚合物的力学性能与复合材料的力学性能有着密切的关系。一般复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高，决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力，聚合物材料的破坏，无非是聚合物主链上化学键的断裂或是聚合物分子链间相互作用力的破坏。热塑性树脂与热固性树脂在分子结构上的显著差别就是前者是线型结构后者为体型网状结构。由于分子结构上的差别，使热塑性树脂在力学性能上有以下几个特点
45、：1）具有明显的力学松弛现象；2）在外力作用下形变较大，当应变速度不太大时，可具 有相当大的断裂延伸力；3）抗冲击性能较好。聚合物的力学性能聚合物的耐热性能（a）聚合物的结构与耐热性 从聚合物结构上分析，为改善材料的耐热性能，聚合物需具有刚性分子链，结晶性或交联结构。为提高耐热性，首先是选用能产生交联结构的聚合物，如聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等。此外，工艺条件的选择会影响聚合物的交联密度，因而影响耐热性。第二个途径是增加高分子链的刚性。可通过减少单键引进共价双键、叁键或环状结构来实现。（b）聚合物的热稳定性 聚合物的热稳定性也是一种度量聚合物耐热性能的指标。在高温下加热聚合物可以
46、引起两类反应：降解和交联。降解指聚合物主链的断裂，它导致相对分子质量下降，使材料的物理力学性能变坏。交联是指某些聚合物交联过度而使聚合物变硬、发脆，使物理力学性能变坏。聚合物的结构与耐热性关于提高聚合物热稳定性的途径由以下几种：提高聚合物分子链的键能，避免弱键存在，如CH键中的氢完全为氟原子所取代而形成CF键，则可大大提高聚合物的热稳定性。如果在聚合物链中尽量引入较大比例的芳环和杂环，可以增加聚合物的热稳定性，聚合物的分子结构含有“梯形”、“螺形”和“片状”结构，并有好的热稳定性。聚合物的结构与耐热性聚合物的耐腐蚀性能常用热固性树脂的耐化学腐蚀性能见下表：性能性能酚醛酚醛聚酯聚酯环氧环氧有机硅
47、有机硅吸水率吸水率24h（）（）0.120.360.150.600.100.14少少弱酸的影响弱酸的影响轻微轻微轻微轻微无无轻微轻微强酸的影响强酸的影响被侵蚀被侵蚀被侵蚀被侵蚀被侵蚀被侵蚀被侵蚀被侵蚀弱碱的影响弱碱的影响轻微轻微轻微轻微无无轻微轻微强碱的影响强碱的影响分解分解 分解分解轻微轻微被侵蚀被侵蚀有机溶剂的影响有机溶剂的影响部分侵蚀部分侵蚀部分侵蚀部分侵蚀耐腐蚀耐腐蚀部分侵蚀部分侵蚀聚合物的介电性能性能性能酚醛酚醛聚酯聚酯环氧环氧有机硅有机硅密度密度,g/,g/1.30-1.321.30-1.321.10-1.461.10-1.461.11-1.231.11-1.231.70-1.90
48、1.70-1.90体积电阻率体积电阻率,.cm,.cm-介电强度介电强度,kV/mm,kV/mm14-1614-1615-2015-2016-2016-207.37.3介电常数介电常数,60Hz,60Hz6.5-7.56.5-7.53.0-4.43.0-4.43.83.84.0-5.04.0-5.0功率常数功率常数,60Hz,60Hz0.10-0.150.10-0.150.0030.0030.0010.0010.0060.006耐电弧性，耐电弧性，s s100-125100-12512512550-18050-180-12101310141016101710111013103cm 聚合物作为一
49、种有机材料具有良好的电绝缘性能。常用热固性树脂的介电性能见下表：2.4.3 热固性树脂1.不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂及其特点 不饱和聚酯树脂是指具有线型结构的，主链上同时具有重复酯键的及不饱和双键的一类聚合物。不饱和聚酯的种类很多。按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型和丙烯酸型聚酯树脂。不饱和聚酯树脂在热固性树脂中是工业化较早，产量较多的一类，主要应用于玻璃纤维复合材料。不饱和聚酯树脂的主要优点是：1）工艺性能良好；2）固化后树脂的综合性能良好；3）价格低廉。主要缺点是：固化时体积收缩率大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形。不饱和聚酯树脂的特点不饱和聚酯树脂
50、的固化特点 不饱和聚酯树脂的固化是一个放热反应，其过程可以分为三个阶段。1）胶凝阶段 从加入促进剂后到树脂变成凝胶状态的一段时间。这是固化过程最重要的阶段，其影响因素主要有阻聚剂、引发剂和促进剂的加入量，环境温度和湿度，树脂的体积等。2）硬化阶段 从树脂开始胶凝到一定硬度，能把制品从模具上取下为止的一段时间。3）完全固化阶段 在室温下，这段时间可能要几天至几星期，这段时间越长，制品吸水率越小，性能越好。在碱土金属氧化物或氢氧化物，例如MgO,Ca(OH)2等作用下，不饱和聚树脂很快稠化，形成凝胶状物，这种能使不饱和聚酯树脂粘度增加的物质称为增粘剂。它使起始粘度为0.11.0Pa.s的粘性液体状
