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1、题目：五种复合材料的特点及其研究与开发所面临的主要挑战撰稿人姓名：王 江学号:5 0 8 0 5 1 9 0 4 6班级:F 0 8 0 5 1 0 2院系：材料科学院工程学院撰稿时间:2 0 1 0.1 2.2 5引言 复合材料一词出现在20世纪50年代。Richardson在所著的polymer Engineering composites书中定义：复合材料是不同的材料结合在一起、形成一种结构较为复杂的材料。这种材料的组成成分应保持同一性，在性能上必须有重要的改进或不同于原组成成分的性质。中国复合材料学科的开拓者胡振渭教授曾对复合材料做过较为简明的定义：“复合材料是由两种或两种以上不同性质
2、或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没有的新性能的一种多相材料”。上述所列的学者对复合材料的定义，尽管从材料的组成与性质上进行了较为科学和全面的描述，但都忽略了作为复合材料的重要特点可设计性。师昌绪院士主编的材料大辞典对复合材料给出了较全面完整的定义：“复合材料是由有机高分子、无机非金属和金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的混合有本质的区别”。近代复合材料的发展从
3、基体上来看，首先发展的是软基体，然后逐渐发展较硬和硬的基体，即从树脂到金属到陶瓷基体。现代复合材料形成了树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。下面把复合材料分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料以及混凝土基复合材料并分别陈述其性能特点以及它们在研究应用过程中所遇到的主要挑战。一、聚合物基复合材料 聚合物基复合材料是以聚合物为基体的复合材料。复合材料中研究最早、发展最快的一类复合材料。在现代复合材料领域中占有重要的地位，在国民经济建设中发挥了越来越重要的作用。聚合物基体的结构形式可分为：热固性树脂基复合材料，热塑性树脂基复合材料。1、热固性树脂基复合
4、材料 热固性树脂复合材料的制造方法：手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、RTM成型法(注射成型法)等。1.1不饱和聚酯树脂聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键。不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键,由不饱和二元羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。不饱和聚酯树脂在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。1.2环氧树脂 分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。分子结构是以分子链中含有活泼
5、的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。1.3酚醛树脂 酚类化合物与醛类化合物缩聚而得的树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。 2、 热塑性树脂基复合材料 具有线型或支链型结构的一类有机高分子化合物，受热软化(或熔化)，冷却变硬，这个过程可反复进行。热塑性复合材料的制造方法：模压成型法、注射成型法、RTM成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。3、主要性能特点 与传统的金属材料相比，它具有如下几个优点：a)高比强度、高比模量。用它来代替金属
6、材料可达到明显的减重效果。b)可设计性。由于控制FRP性能的因素很多，增强剂性能、基本类型、铺层方式等都可以根据使用目的和要求不同而进行选择，因而易于对PMC结构进行最优化设计。c)热膨胀系数低，尺寸稳定。FRP具有比金属材料低得多的热膨胀系数，CFRP的热膨胀系数接近0。c)耐腐蚀。FRP的耐腐蚀性比金属材料如钢、铝要好得多。d)耐疲劳。多数金属材料的疲劳极限仅为其拉伸强度的30%-50%，而CFRP复合材料可达到70%-80%。4、在研究是所遇到的主要挑战a)材料昂贵。由于原料价格以及生产费用高，导致FRP制品成本高，应用受到限制。b)在湿热环境下性能变化。由基体聚合物或增强纤维带来的吸湿
7、及老化现象是FRP的一个明显缺点。c)冲击性能差。FRP一般都是脆性的，断裂韧性一般明显低于金属，各种能量的冲击会导致FRP出现不可见的内部损伤，甚至可见的破坏，因而，FRP的加工和使用必须格外小心。二、金属基复合材料1、定义及其介绍 金属基复合材料是以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。按所用的基体金属的不同，使用温度范围为3501200。其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。例如碳纤维增强铝复合材料其比强度34107mm，比模量为68109mm，又如石墨纤
8、维增强镁不仅比模量可达1.51010mm，而且其热膨胀系数几乎接近零。2、金属基复合材料的分类 1）按增强材料分类： 纤维增强金属基复合材料、颗粒、晶须增强金属基复合材料。 2）按基体材料分类： 铝基复合材料、镁基复合材料、 钛基复合材料、高温合金基复合材料、金属间化合物基复合材料。3、金属基复合材料的研究重点 1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能； 2）增强相/基体的界面优化、界面设计； 3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本； 4）新型增强剂的研究开发； 5）复合材料的扩大应用。 4、金属基复合材料的共同性能a)高比强度、比模量 与结构陶瓷和聚合物材料相比，金
9、属材料的高强度在复合材料中得到更好的利用。下图为金属基复合材料的力学性能一览表由上表可知，金属基复合材料的强度与模量大致可分为三个水平。（1）高性能水平：如硼纤维与CVD碳化硅纤维增强的铝和钛，单项增强的抗拉强度在1200MPa以上，模量在200GPa以上。（2）中等性能水平：如纺丝碳化硅纤维与碳纤维增强铝等，抗拉强度在600-1000Pa,模量在100-500Pa之间。（3）较低性能水平：如晶须、颗粒或短纤维增强铝等，拉伸强度在400-600MPa，模量在95-130GPa。b)高韧性和高冲击性能 一般金属基复合材料中所使用的增强材料，无论是纤维或是颗粒，都比较脆，其本身的耐冲击性能差。因此
10、金属基复合材料相对聚合基、陶瓷基复合材料而言，具有高韧性和冲击性能。c)对温度变化和热冲击性的敏感度低 和聚合物基复合材料相比，金属基的物理和机械性能具有高温稳定性，及温度变化不敏感，这是作为高温结构材料很重要的性质。d)表面耐久性好，表面缺陷敏感度低 金属基复合材料中金属基对表面裂纹的敏感性比聚合物或陶瓷要小得多，表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合材料可以作为工程构件中的耐磨件使用。f)导热导电性能好 金属基复合材料的导热、导电性能是聚合物基、陶瓷基结构复合材料无法相比的，它可以使局部的高温热源和集中电荷很好扩散消除。g)良好的热比配性 尽管多数金属及其合金的热膨胀系数与各种增强材
11、料相差较大，但有些纤维，如硼纤维与钛合金的热膨胀系数接近，在硼纤维增强钛基复合材料中热应力可以降到很低。h）性能再现好及制备工艺可借鉴金属材料 金属基的特性之一就是其性能再现好，而且许多金属材料的制备方法都在金属基复合材料中得到了应用，并且为开发新的制备方法开拓新的制备方法。5、金属基复合材料发展前景预测 金属基复合材料要在未来取得进一步的发展, 并列人规模生产品种的行列, 还有一段艰难的路程, 但是由于它性能优势的存在, 是有明确发展前景的, 这就需要广大材料研究工作者进行深人细致的基础研究, 探索新的工艺方法并开拓新的有针对性的应用范围。在界面研究方面, 应致力于发展更有力的分析手段, 在
12、对界面结构认识清楚的基础上进行界面优化设计, 克服金属基复合材料突出的界面问题, 并力求研究结果有助于改善生产应用问题, 其他基础性问题如凝固过程的研究等也应围绕生产实际过程, 提出有效的措施, 这样才真正起到促进金属基复合材料的迅速发展的作用。 就当前的实际情况来看, 颗粒和短纤维增强的复合材料是有生命力的, 并已在汽车工业等方面初步获得应用但是其制备科学仁尚留下大量问题有待解决例如熔体浸润过程中的流变学问题, 铸造过程中气体吸附、脱附过程, 增强体均匀分布与温度场、应力场、塑性流动场以及两相体积分数的关系, 二次加工和超塑性加工过程中增强体与基体之间的相互作用行为, 以及微结构的变化等都是
13、需要研究的问题。此外需要指出的是, 原位复合是有发展有前途的, 但是, 目前在原位反应时, 除了所预计生成的增强体外, 仍不免其他副反应夹杂物存在, 同时对增强体的体积分数也难以精确控制,因而影响材料质量稳定性这些都是急待解决的问题。三、陶瓷基复合材料1、定义及介绍 陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能
14、阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。 2、陶瓷基复合材料的室温力学性能a)拉伸强度及弹性模量 与金属基和聚合物基复合材料不同，对于陶瓷基复合材料来说陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变，因此最初的失效往往是陶瓷基体的开裂，这种开裂是由晶体中存在的缺陷引起的。b)压缩及弯曲强度 对于脆性材料，用弯曲试验及压缩试验更能表征材料的强度性能。特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。颗粒增韧陶瓷基复合材料的弹性模量和强度
15、均较整体陶瓷材料提高，但力 位移曲线形状不发生变化；而纤维陶瓷基复合材料不仅使其弹性模量和强度大大提高，而且还改变了力 位移曲线的形状。纤维陶瓷基复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。c)断裂韧性 断裂韧性反应含裂纹材料或材料的抗裂纹失稳扩展的能力，可用裂纹失稳扩展导致断裂时的应力强度因子Kic来表示。d)影响因素（1） 增强相的体积分量（2） 热膨胀系数（3） 密度（4） 界面（5） 颗粒粒径3、 陶瓷基复合材料的高温力学性能a） 强度 SiC/MAS玻璃陶瓷复合材料的抗弯强度比无纤维增强的MAS基体高约10倍，弹性模量提高约2倍。复合材料的抗弯强度自室温至700摄氏度
16、保持不变，700摄氏度后，强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随温度升高而从室温的137GPa降至850摄氏度的80GPa。b)蠕变 陶瓷材料的蠕变（Creep）速率可表示为：也称Norton公式，其中代表蠕变速率，代表施加的应力，n代表蠕变应力指数，A常数，Q蠕变激活能，R气体常数，T绝对温度。应力指数n及蠕变激活能是两个与蠕变有关的量。对于陶瓷材料来说，若应力指数为3-5时为位错攀移机制起作用；若n为1-2，则扩散机制起作用；对于单晶陶瓷，通常发生纯位错蠕变；对于多晶，则晶界滑动，晶粒及晶界上空位运动和位错机制蠕变过程。C)热冲击性（热震性）大多数陶瓷在经受剧烈的冷热变化时，容易发生开裂
17、而破坏。材料经受剧烈的温度变化或在一定起始温度范围内冷热交替作用而不破坏的能力称之为抗热震性，也称之为耐冲击性或热稳定性。抗热震性与材料本身的热膨胀系数、弹性模量、导热系数、抗张强度及材料中气相、玻璃相及其晶粒的晶相的粒度有关。4、 今后面对的问题及前景展望现在看来，人们已开始对陶瓷基复合材料的结构、性能及制造技术等问题进行科学系统的研究，但这其中还有许多尚未研究情楚的问题。因此，从这一方面来说，还需要陶瓷专家们对理论问题进一步研究。另一方面，陶瓷的制备过程是一个十分复杂的工艺过程，其品质影响因素众多。所以，如何进一步稳定陶瓷的制造工艺，提高产品的可靠性与一致性，则是进一步扩大陶瓷应用范围所面
18、临的问题。新型材料的开发与应用已成为当今科技进步的一个重要标志，陶瓷基复合材料正以其优良的性能引起人们的重视，可以预见，随着对其理论问题的不断深入研究和制备技术的不断开发与完善，它的应用范围将不断扩大，它的应用前景是十分光明的。4、 水泥基复合材料1、 定义及介绍水泥基复合材料是以硅酸盐水泥为基体，以耐碱玻璃纤维、通用合成纤维、各种陶瓷纤维、碳和芳纶等高性能纤维、金属丝以及天然植物纤维和矿物纤维为增强体，加入填料、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料。它包括：混凝土、纤维增强水泥基复合材料和聚合物改性混凝土。2、 刚纤维混凝土的抗压性能a) 试验方法及试验尺寸 国际上测定混凝土抗压强度所采用的
19、混凝土试件有圆柱体和立方体两种。我国采用立方体强度作为作为混凝土强度的基本指标，因为这种试件的强度最稳定。按照照规程的规定，钢纤维混凝土立方体的抗压强度应用边长为150mm的立方体试件。b)钢纤维混凝土抗压性能分析1） 影响钢纤维混凝土抗压强度的因数：A,纤维体积含量的影响B，纤维长径比对抗压强度的影响C，基体混凝土粗骨料粒径对抗压强度的影响2） 钢纤维混凝土的抗压机理根据钢纤维混凝土材料组织结构的破坏程度可将破坏分为4级。第一级为混凝土破坏，第二级为砂浆破坏，第三极为硬化浆体的解体破坏，第四级为纤维拔出破坏。3） 钢纤维混凝土的弹性模量实验表明，钢纤维的掺入对基体混凝土的弹性模量甚微。C)抗
20、压强度的计算公式对不同品种的普通短钢纤维混凝土立方体抗压强度所做的对比试验统计得出：_钢纤维混凝土的抗压强度；混凝土的抗压强度；纤维含量特征系数3、 钢纤维混凝土的抗拉性能 规程给出钢纤维混凝土抗拉强度计算公式为：；其中：钢纤维混凝土的抗拉强度(MPa)；普通混凝土的抗拉强度（MPa）钢纤维对抗拉强度的影响因素，可通过试验确定。4、 钢纤维混凝土的弯曲性能 钢纤维混凝土的抗折强度与初裂抗弯强度均随纤维综合含量特征系数的增大而增大。但由于钢纤维的阻裂增强作用及边壁效应，其抗折强度远高于后者。同时其正折面强度的尺寸效应也比普通混凝土显著。规程规定：钢纤维混凝土抗折强度设计值按下式确定：； 其中：钢
21、纤维混凝土的抗折强度； -普通混凝土的抗折强度； 钢纤维对抗折强度的影响因数。5、 纤维-基体界面性能改善途径A) 降低水灰比与使用减水剂B) 硅灰的掺入C) 用聚合物做增强剂D) 改进纤维外形6、 我国钢纤维混凝土研究和应用中的挑战A) 还需要开发生产价廉质优的钢纤维品种B) 工程应用中突出矛盾是普通钢纤维混凝土对混凝土的主控强度指标立方体抗压强度的增强多用不大。C) 应加大钢纤维混凝土局部和部分增强混凝土结构构件的研究D) 关于钢纤维混凝土结构性能的实验研究和设计理论研究E) 关于混合纤维混凝土的研究F) 关于施工技术和监管质量方面的研究5、 碳基复合材料1、定义及介绍碳基复合材料是以碳纤
22、维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。碳基复合材料有两种制备方法：一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或煤沥青，再经碳化和石墨处理，它的基体是石墨碳，呈层状条带结构，性能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇或酚醛等热固性树脂，只经碳化处理，它的基体是玻璃碳，即无定型碳结构，性能是各向同性的；另一是CVD法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳。碳/碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。2、 碳/碳复合材料性能C/C复合材料的性能主要取决于碳纤维的种类、取向、含量和制备工艺等。C/C复合材料的高强、高模量的
23、特性主要来自碳纤维，碳纤维强度的利用率一般可达2550%。C/C复合材料在温度高达1627摄氏度时仍能保持其室温的强度，甚至还有所提高，这是目前工程材料中唯一能保持这一特性的材料。碳纤维在C/C复合材料中取向明显影响材料的强度，一般情况下单向增强复合材料强度在沿纤维方向强度最大，但横向性能差，正交增强可可减少纵横强度的差异。密度低的碳纤维和碳基组成C/C复合材料和金属基、陶瓷基戏那个比，其强度在1000摄氏度以上温度时优于其他材料。C/C复合材料中碳纤维与碳基体的界面匹配影响其力学性能。C/C基体复合材料断裂应变及断裂应力通常要低于碳纤维，甚至在制备过程中热应力也会是碳基发生显微开裂。C/C复
24、合材料都是由碳元素组成，所以具有碳材料所特有的耐烧蚀、抗热震、高导热率和低热膨胀系数性能等。而且他还有优异的摩擦磨损性能。3、C/C复合材料的发展前景C/C复合材料在使用中两大缺点是成本高、抗氧化能力差。目前正通过工艺改进，缩短制造周期，发展返修技术来降低成本，进一步提高材料的耐热性和抗氧化能力。下面简要介绍国际上近年来在这些方面的研究动态。A) 工艺技术改进：近年来在C/C复合材料制造过程中, 已打破了传统的树脂法和CVD 法之间的界限, 而是两种方法并用, 这样有利于强化致密过程和使用返修技术。在成型件制备方面也有新的发展。用46cm和0.0150.3cm的两种长度的碳纤维在流化床上混合,
25、 然后在模子里加入液体进行超声振动, 使长纤维与刹车盘表面近似平行的平面随机取向分布, 而短纤维在刹车盘容积内随机取向 。这种方法纤维利用率高, 刹车盘刚性好, 抗磨损, 成本低。B)提高材料的耐热性和抗氧化能力碳在正常大气压下于450就开始氧化, 650 以后显著氧化 用于飞机刹车盘时抗氧化技术是实用的关键之一当飞机在中止起飞制动时, 刹车盘表面温度高达2000。复合材料的抗氧化技术一般分为机械方法和化学方法。机械方法是用不锈钢罩把刹车盘非摩擦表面包起来, 以防氧化。化学方法又分为抗氧化涂层和抗氧化处理。抗氧化涂层一般使用等离子喷涂、CVD 、固体渗金属、电镀、化学镀、涂镀等技术。采用自愈型
26、有机抗氧化涂料也是常用的方法之一。抗氧化处理就是提高材料本身的抗氧化能力。一种方法是用磷酸或硼酸及其金属盐进行浸溃处理，另一种方法是用硼和硼化钨颗粒涂复在碳布上, 在碳化和石墨化时, 碳与含硼添加剂生产“ 原地” 产物, 提高了材料的抗氧化能力和抗压抗弯强度。 日本碳素公司已研制出一种称为“Nikaron”的硅一碳纤维咖。这种纤维在1200 以上也不会降低强度, 抗氧化能力强。直径为巧微米的纤维密度为2.55g/ , 抗拉强度为2942MPa。如果能用这类纤维作增强材料, 用C/SIC,C/TIC,C/BN等混合基体,一定能研制出新型耐高温抗氧化的复合材料。相信这是高级C/C复合材料今后发展的方向。