复合材料力学复合材料的基体材料(标准版).pdf

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1、复复 合合 材材 料料 力力 学学 主讲教师：刘震磊 沈阳航空航天大学 DMTLAB.BLOG.163.COM 2 第一第一章：复合材料章：复合材料 1.1复合材料概述 1.定义 复合材料是由两种或者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。（国际标准 化组织International Organization for Standardization, ISO） 在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体； 另一相为分散相，称为增强材料。 复合材料 基体材料（连续相）：黏结保护分散相和传递应力。 增强材料（分散相）：抵抗变形和破坏。 3 2.复合材料的命名 规范命名： 增强

2、材料（在前）+基体材料（在后）+复合材料 例：玻璃纤维环氧树脂复合材料 简化命名： 增强材料（简写）/基体材料（简写）+复合材料 例：玻璃/环氧复合材料 强调命名： 为突出增强材料或者基体材料，视强调的组分不同可称为 “玻璃纤维复合材料”或“环氧树脂复合材料” 4 3.复合材料的分类 按增强材料形态分类： 连续纤维复合材料：作为分散相的纤维，每根纤维的两 个端点都位于复合材料的边界处。 短纤维复合材料：短纤维无规则的分布在基体材料中制 成的复合材料。 颗粒填料复合材料：微小颗粒无规则地分散在基体材料 中制成的复合材料。 编制复合材料：以平面二维或立体三维纤维编织物为增 强材料与基体复合而成的复

3、合材料。 复合材料性能的综合比较复合材料性能的综合比较 使用温度使用温度 强度强度 耐老化耐老化 导热性导热性 W/(W/(mKmK) ) 耐化学耐化学 腐蚀腐蚀 工艺工艺 树脂基复 合材料 60250 可设计 最差 0.350.45 最好最好 成熟成熟 金属基复 合材料 400600 可设计 一般 5065 一般 一般 陶瓷基复 合材料 10001501000150 0 0 可设计 最好最好 0.73.5 最好最好 复杂 5 4.复合材料的基本性能 复合材料是由多相材料复合而成，其共同性能特点是： 1.可综合发挥各种组成材料的优点，是一种材料具有多种 性能（或者具有天然材料没有的性能）。 2

4、.可按照对材料性能的需要进行材料的设计和制造。 3.可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。 影响复合材料性能的因素：（试说出5个影响因素？） 1.增强材料的性能、含量和分布情况。（3个变量） 2.基体材料的性能和含量。（2个变量） 3.增强材料与基体材料之间的相界面。（1个变量） 4.复合材料产品的成型工艺和结构设计。（2个变量） 6 复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础 复合材料不仅是材料，更确切的说是结构，是用纤维等增 强的层合结构。 一次结构：由基体和增强材料复合而成的单层材料。其力 学性能取决于，组份材料的力学性能、相几何（各种材料 的形状、分布、含量）和界面区的性能。

5、二次结构：由单层材料层合而成的层合体。其力学性能取 决于单层材料的力学性能和铺层几何（单层的厚度、铺设 方向、铺层序列）。 三次结构：就是通常所说的工程结构或产品结构。其力学 性能取决于层合体的力学性能和结构几何。 7 复合材料复合材料结构设计基础结构设计基础 同样，复合材料设计也可分为三个层次 单层材料设计：包括正确选用增强材料、基体材 料及其配比。该层次决定单层板的性能。 铺层设计：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：最后确定产品结构的形状和尺寸。 这三个层次，互为前提、互相影响、互相依赖。 设计人员必须把材料性能和结构性能同时考虑， 并将它们统一在同一

6、个设计方案中。 8 复合材料复合材料结构设计基础结构设计基础 复合材料力学：主要在单层板和层合板这两个结构层次 上展开，研究内容可以分为微观力学和宏观力学两大部 分。 微观力学：主要研究纤维、基体组分性能与单层板性能 的关系。 宏观力学：主要研究层合板的刚度、强度和温室环境的 影响等。 关系：微观力学在解释机理、发掘材料本质，特别是在 提出设计和改进复合材料方案中十分重要。但微观力学 总是在某些假定的基础上建立起分析模型以模拟复合材 料，所以微观力学的分析结果必须用宏观试验来验证。 9 10 第二章 复合材料的基体材料 金属材料金属材料 陶瓷材料陶瓷材料 聚合物材料聚合物材料 11 2.1 金

7、属材料 现代科学技术的发展对材料性能的要求越来现代科学技术的发展对材料性能的要求越来 越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的 发展，使得发展，使得单一材料单一材料难以满足实际工程的要求，难以满足实际工程的要求， 这促进了金属基复合材料的迅猛发展。这促进了金属基复合材料的迅猛发展。 12 1 与传统金属材与传统金属材 料相比，金属料相比，金属 基复合材料具基复合材料具 有较高的比强有较高的比强 度、比刚度和度、比刚度和 耐磨性耐磨性 2 与树脂基复合材与树脂基复合材 料相比，金属基料相比，金属基 复合材料具有优复合材料具有优 良的导电、导热良的导电、

8、导热 性，高温性能好，性，高温性能好， 可焊接可焊接 3 与陶瓷材料相与陶瓷材料相 比，金属基复合比，金属基复合 材料具有高韧性材料具有高韧性 和高冲击性能、和高冲击性能、 热膨胀系数小等热膨胀系数小等 优点优点 13 航空、航天领域航空、航天领域 轻质、高强结构材轻质、高强结构材 料：料：如如B/Al复合材料复合材料 电子领域电子领域 低热膨胀系数、低热膨胀系数、 高导热系数高导热系数 14 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 15 国产太行战机用涡轮风扇航空发动机国产太行战机用涡轮风扇航空发动机高温高性能高铌钛铝合金材料高温高

9、性能高铌钛铝合金材料 16 2.1.1 选择基体的原则选择基体的原则 金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料 的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合 金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属 间化合物等。间化合物等。 基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥 基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综 合性能十分重要。合性能十分重要。 17 1 金属基复合材料金属基复合材料

10、的使用要求的使用要求 2 金属基复合材料金属基复合材料 组成的特点组成的特点 3 基体金属与增强基体金属与增强 体的相容性体的相容性 18 1 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求 不同领域、不同工况下对复合材料构件的性不同领域、不同工况下对复合材料构件的性 能要求不同。能要求不同。 航天航空领域航天航空领域： 高高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小 如：如：镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量 的石墨纤维、硼纤维进行复合。的石墨纤维、硼纤维进行复合。 19 高性能发动机高性能发动机： 高高比强度、比模量

11、、耐高温性、抗氧化比强度、比模量、耐高温性、抗氧化 如：如：钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体，钛基合金、镍基合金以及金属间化合物作基体， 如碳化硅如碳化硅/钛、钨丝钛、钨丝/镍基超合金复合材料用于喷气镍基超合金复合材料用于喷气 发动机叶片、涡轮叶片、转轴、火箭发动机箱体发动机叶片、涡轮叶片、转轴、火箭发动机箱体 材料。材料。 20 汽车发动机汽车发动机： 耐热耐热、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉、耐磨、导热、一定高温强度、成本低廉 如：如：选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维进 行复合，如碳化硅行复合，如碳化硅/铝，碳纤维铝，碳纤维/铝，氧

12、化铝铝，氧化铝/铝等铝等 复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。 21 工业集成电路工业集成电路： 高高导热、低膨胀导热、低膨胀 如：如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀 的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒 复合，用作散热元件和基板。复合，用作散热元件和基板。 22 针对不同的增强体系，应充分分析和考虑针对不同的增强体系，应充分分析和考虑 增强物的特点来正确选择基体合金材料。增强物的特点来正确选择基体合金材料。 2 金属基复合材料组成特点金属基复合材料组成特点 2

13、3 对于对于连续纤维增强连续纤维增强的金属基复合材料：的金属基复合材料： 基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性 能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而能，基体本身与纤维有良好的相容性和塑性，而 不要求基体本身有高强度，可选用不要求基体本身有高强度，可选用铝、镁铝、镁作基体。作基体。 24 对于对于非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）非连续纤维增强（颗粒、晶须、短纤维）的的 金属基复合材料：金属基复合材料： 基体是主要承载物，要求基体有很高的强度，基体是主要承载物，要求基体有很高的强度， 可选用高强度的可选用高强度的铝合金（如，铝合金（如，A365，6

14、061， 7075）而不用铝作为基体。而不用铝作为基体。 25 3 基体金属与增强物的相容性基体金属与增强物的相容性 金属基复合材金属基复合材 料高温成型料高温成型 纤维与金属发生化学反应，纤维与金属发生化学反应， 在界面形成反应层在界面形成反应层 脆性界面反应层受力产生的裂纹引起脆性界面反应层受力产生的裂纹引起 复合材料结构破坏复合材料结构破坏 界面破坏产生原因：界面破坏产生原因： 26 在选择基体时，应充分注意与增强物的在选择基体时，应充分注意与增强物的 相容性（特别是化学相容性），并考虑到尽相容性（特别是化学相容性），并考虑到尽 可能在金属基复合材料成型过程中，抑制界可能在金属基复合材料

15、成型过程中，抑制界 面反应。面反应。 27 如何增强基体如何增强基体 与增强物的相与增强物的相 容性？容性？ A 对增强纤维进行表面处理改性对增强纤维进行表面处理改性 B 在金属基体中添加其他成分在金属基体中添加其他成分 C 选择适宜的成型方法选择适宜的成型方法 28 注意注意：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨）：在用铁、镍作为基体时，不适宜用碳（石墨） 纤维作为增强物。纤维作为增强物。 因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化，因为，铁、镍元素在高温时能有效促使碳纤维石墨化， 破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能破坏了碳纤维的结构，使其丧失原有的强度，而不能 提高复合材

16、料的综合性能。提高复合材料的综合性能。 29 2.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体 结构复合材料的基体大致可分为结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体轻金属基体和和耐热合金基体耐热合金基体两大类。两大类。 （1） 用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体铝、铝、 镁合金镁合金 （2） 用于用于450700的复合材料的金属的复合材料的金属 基体基体钛合金钛合金 （3） 用于用于1000以上的高温复合材料的以上的高温复合材料的 金属基体金属基体镍基、铁基耐热合金镍基、铁基耐热合金 和金属间化合物和金属间化合物 30 1 用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体铝、镁合金铝、

17、镁合金 铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天铝基和镁基复合材料，已广泛应用于航天 飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、 刹车盘等方面。刹车盘等方面。 31 各种牌号铝、镁合金的成分和性能各种牌号铝、镁合金的成分和性能 32 2 用于用于450700以下的复合材料基体以下的复合材料基体钛合金钛合金 钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、 强度高等特点，用碳化硅纤维增强的钛基复合强度高等特点，用碳化硅纤维增强的钛基复合 材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航材料可制成叶片和传动轴等零件用于高性能航 空发动机。空发动

18、机。 33 钛合金的成分和性能钛合金的成分和性能 34 3 用于用于1000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体 镍基、铁基耐热合金和金属间化合物镍基、铁基耐热合金和金属间化合物 镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中，镍基高温合金广泛应用于各种燃气轮机中， 用钨丝、钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空用钨丝、钍钨丝增强的镍基可用于高性能航空 发动机叶片。发动机叶片。 35 高温金属基复合材料的基体合金成分和性能高温金属基复合材料的基体合金成分和性能 36 目前已有应用的功能金属基复合材料目前已有应用的功能金属基复合材料（不含双金属复合不含双金属复合 材料材料）主要有用于微电子技

19、术的电子封装和热沉材料主要有用于微电子技术的电子封装和热沉材料、高导高导 热热、耐电弧烧蚀的集电材料耐电弧烧蚀的集电材料、耐高温摩擦的耐磨材料耐高温摩擦的耐磨材料、耐腐耐腐 蚀的电池极板材料等等蚀的电池极板材料等等。主要选用的金属基体是纯铝及铝合主要选用的金属基体是纯铝及铝合 金金、纯铜及铜合金纯铜及铜合金、银银、铅铅、锌等金属锌等金属。 功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导 热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧 烧蚀性差等缺点。烧蚀性差等缺点。 2.1.3 功能用金

20、属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体 37 用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合用于电子封装：高碳化硅颗粒增强铝基、铜基复合 材料，高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼材料，高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝铝 复合材料等。复合材料等。 用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶用于耐磨零部件：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶 须、纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合须、纤维等增强的铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合 材料。材料。 用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、用于集成电路：碳纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、 铜、银及合金材料。铜、银及合金材料。 38

21、2.2 陶瓷材料 传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的传统陶瓷是指陶器和瓷器，主要由含二氧化硅的 天然硅酸盐矿物质制成。天然硅酸盐矿物质制成。 现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、现代陶瓷：高纯度、高性能的氧化物、碳化物、 硼化物、氮化物等。硼化物、氮化物等。 39 单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因存在单一的陶瓷存在脆性大，韧性差，很容易因存在 的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。的裂纹、空隙、杂质等缺陷而破碎。 在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子，纤维 或晶须，可提高陶瓷的韧性。或晶须，可提高陶瓷的韧性。 40 作为基体材料使用的陶瓷

22、，应具有：优作为基体材料使用的陶瓷，应具有：优 良的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的良的耐高温性质、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等。界面相容性以及较好的工艺性能等。 常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、 非氧化物陶瓷等。非氧化物陶瓷等。 41 1 微晶玻璃微晶玻璃 微晶玻璃是微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中 形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶 材料，又称为玻璃陶瓷。材料，又称为玻璃陶

23、瓷。 微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相 的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中 了玻璃与陶瓷的特点。了玻璃与陶瓷的特点。 典型代表：典型代表：Li2O-Al2O3-SiO2 42 微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数 较大等特点，同时还具有一定的机械强度。较大等特点，同时还具有一定的机械强度。 43 为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤 维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配

24、，维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配， 化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应具化学性能相容，并且用于增强的纤维或晶须应具 有良好的惰性不被基体液相腐蚀。有良好的惰性不被基体液相腐蚀。 常见的有：常见的有：碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化碳纤维、碳化硅纤维（晶须）、氧化 铝纤维铝纤维增强微晶玻璃基复合材料。增强微晶玻璃基复合材料。 44 应用较多的有：应用较多的有：Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2， 莫来石（莫来石（3Al2O3-2SiO2）等。具有高强度、高）等。具有高强度、高 硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能，但脆 性大。性大。 主

25、要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。主要的增强物为：陶瓷颗粒或晶须。 2 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 45 Al2O3（刚玉）（刚玉）典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温 和高温强度。和高温强度。 ZrO2使用温度达使用温度达20002200，主要用作耐火坩锅，主要用作耐火坩锅， 反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型：反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型： 立方结构（立方结构（C相）、四方结构（相）、四方结构（t相）和单斜结构（相）和单斜结构（m相），相）， 加入适量的稳定剂后，加入适量的稳定剂后，t相可以亚稳定状态存在于室温，相可以亚稳定状态存在于室温

26、， 称部分稳定称部分稳定ZrO2。在压力作用下发生。在压力作用下发生t-m马氏体转变，称马氏体转变，称 应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力应力诱导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力 场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用的稳定场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用的稳定 剂有剂有MgO、Y2O3等。等。 46 3 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 指不含氧的指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。等。 自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶自然界比较少，需要人工合成，是先进陶瓷特别是金属陶 瓷的主要成分和晶相，主

27、要由共价键结合而成，也有一定瓷的主要成分和晶相，主要由共价键结合而成，也有一定 的金属键成分。的金属键成分。 共价键结合能比较高共价键结合能比较高材料有高的耐火度、高的硬度材料有高的耐火度、高的硬度 （有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能（有的接近金刚石）、高的耐磨性，但脆性大，抗氧化能 力低。力低。 47 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷(Si3N4) 共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高 纯的纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反的固相烧结极为困难。因此，常用反 应烧结和热压烧结。前者是将应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的粉以适

28、当的 方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约约 1350）。后者是将加适当的助烧剂）。后者是将加适当的助烧剂 (MgO,Al2O3,16001700) 烧结。烧结。 48 氮化硼和氮化钛陶瓷氮化硼和氮化钛陶瓷 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷 BN有两种晶型：六方有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此结构，性能与石墨相似，因此 有白石墨之称。有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的硬度不高，是唯一易于机械加工的 陶瓷。高温（陶瓷。高温（15002000)高压（高压（69103MPa ）下可）下可 转化为立方转化为立方BN(CBN）。）。CBN的硬度接近于

29、金刚石，是的硬度接近于金刚石，是 极好的耐磨材料。极好的耐磨材料。 49 氮化钛陶瓷氮化钛陶瓷 TiN是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点是一种新型的结构材料，硬度大、高熔点 （2950）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。）、化学稳定性好，而且金黄色金属光泽。 是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰是一种很好的耐火耐磨材料及受人欢迎的代金装饰 材料。材料。 TiN还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材还有导电性，可用作熔盐电极以及电触头等材 料；料；TiN具有较高的超导临界温度，还是一种优良具有较高的超导临界温度，还是一种优良 的超导材料。的超导材料。 50 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 材

30、材 料料 制备温制备温 度（度（） 抗弯强度抗弯强度 （室温三点）（室温三点）Mpa 密度密度 /g cm-3 弹性模量弹性模量 /MPa 线膨胀系数线膨胀系数 /(201000) 反应烧结反应烧结SiC 1600 1700 159424 3.093.12 380420103 5.24.410-6 热压热压SiC 1800 2000 718760 3.193.2 440103 4.810-6 CVD SiC涂层涂层 1200 1800 731993 2.953.21 480103 重结晶重结晶SiC 1600 1700 170 2.6 206103 烧结烧结SiC （掺（掺SiCB4C ） 1

31、950 2100 280 3.11 烧结烧结SiC （掺（掺B） 1950 2100 540 3.1 4.910-6 51 碳化硼和碳化钛陶瓷碳化硼和碳化钛陶瓷 碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷 碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa， 仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐 碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻 型装甲陶瓷等。型装甲陶瓷等。 B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得：粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得： B2O3+CB4C B4C陶瓷难以烧

32、结，原因是烧成温度范围窄，温度陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度 过低，烧结不致密，温度太高易导致过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。分解。 52 碳化硼和碳化钛陶瓷碳化硼和碳化钛陶瓷 碳化钛陶瓷碳化钛陶瓷 碳化钛结晶为面心立方晶格（碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型型)。晶格常数为。晶格常数为 0.4319nm，密度为，密度为4.934.9 g cm-3 ，熔点为，熔点为3160 3250，1.15K时时TiC呈现超导特性，呈现超导特性，TiC莫氏硬度莫氏硬度9 10，弹性模量，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。，可用作耐磨材料。 TiC粉末制粉末制 取方法：取方法： 2

33、TiO2+C=Ti2O3+CO Ti2O3+C=2TiO+CO TiO+2C=TiC+CO TiC陶瓷的烧结方法主要有热压法。透明的陶瓷的烧结方法主要有热压法。透明的TiC陶瓷是陶瓷是 较好的光学功能材料。较好的光学功能材料。 53 二硅化钼陶瓷二硅化钼陶瓷 MoSi2是介于无机非金属与金属间化合物之是介于无机非金属与金属间化合物之 间的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点间的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点 2030，800 以上发生氧化反应形成以上发生氧化反应形成SiO2保保 护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温 连接材料。连接材料。 54

34、2.3.1 基体材料的组分及作用基体材料的组分及作用 1. 聚合物基体：聚合物基体： 基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工 艺及价格。艺及价格。 要求：要求：具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老 化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。 2.3 聚合物材料聚合物材料 55 2 辅助剂：辅助剂： （1）交联剂（引发剂、促进剂）交联剂（引发剂、促进剂） 交联剂交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型

35、分子相互 键合交联成网络结构的物质。键合交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键促进或调节聚合物分子链间共价键 或离子键形成的物质。也称为固化剂。或离子键形成的物质。也称为固化剂。 引发剂引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发 烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚 酯的交联固化和高分子交联反应。酯的交联固化和高分子交联反应。 促进剂促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的一种：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的一种 用量

36、较少的物质。用量较少的物质。 56 （2）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。）稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。 非活性稀非活性稀释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加 入量为入量为1060%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯如：丙酮、乙醇、甲苯、苯 活性活性稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为 10%。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚 57 （3） 增韧（增塑）剂增韧（增塑）剂 降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。降低树脂刚性、提

37、高塑性，将导致强度和耐热性下降。 如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺 等。等。 （4）触变剂）触变剂 提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成 流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入 量为量为13%。 如：活性如：活性SiO2(白炭黑白炭黑)、膨润土、聚氯乙烯粉。、膨润土、聚氯乙烯粉。 58 （5） 填料填料 降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨 性能、导电、导热等）。性能、导电、导热等）

38、。 如如：CaCO3、滑石粉、石英粉、金属粉。、滑石粉、石英粉、金属粉。 （6） 颜料颜料 用量用量约约0.55% 要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好，要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好， 不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂 固化。固化。 59 3 基体的作用基体的作用 均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）；均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）； 保护纤维，防止纤维磨损；保护纤维，防止纤维磨损； 赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）；赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻

39、燃、抗辐射）； 决定复合材料生产工艺、成型方法。决定复合材料生产工艺、成型方法。 60 4 基体材料的选用原则基体材料的选用原则 产品性能产品性能 工艺性能工艺性能 成本及来源成本及来源 基体材料基体材料 综合决定综合决定 61 2.3.2 基体材料的结构和性能基体材料的结构和性能 结构特点：结构特点： （1）分子链很大（）分子链很大（103105个结构单元）：线形的，支链的，个结构单元）：线形的，支链的， 网状的网状的 （2）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基）链长有限的聚合物分子中含有官能团或端基 （3）聚合物分子间的作用力：）聚合物分子间的作用力： 若分子链中化学键有一定的内旋转自由

40、度，则柔性大，反之，若分子链中化学键有一定的内旋转自由度，则柔性大，反之， 则呈刚性。则呈刚性。 62 一、力学性能一、力学性能 1. 强度与模量强度与模量 主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏 是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。 纤维弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂；纤维弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂； 纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强 度高。度高。 2.

41、 树脂内聚强度树脂内聚强度 固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并 达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性 性能性能 63 3. 树脂断裂延伸率树脂断裂延伸率 聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变 普弹形变：普弹形变：由聚合物分子的键长和键角改变引起，由聚合物分子的键长和键角改变引起， 变形较小（变形较小（1%） 高弹形变：高弹形变：由大分子链的链段移动引起，是聚合物主由大分子链的链段移动引起，是聚合物主 要变形

42、形式（要变形形式（Tg以上）以上） 强迫高弹形变（强迫高弹形变（Tg以下）：以下）：在外力作用量够大，时间在外力作用量够大，时间 是够长条件下出现是够长条件下出现 决定因素：决定因素：大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度 64 4. 树脂体积收缩率：树脂体积收缩率：物理收缩、化学收缩物理收缩、化学收缩 固化收缩率：固化收缩率：环氧树脂环氧树脂12%；聚酯树脂；聚酯树脂46%；酚醛树脂；酚醛树脂810% 影响因素：影响因素：固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度；固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度； 基体固化后的网络结构的紧密程度；基体固化后的

43、网络结构的紧密程度； 固化过程中有无小分子释放。固化过程中有无小分子释放。 降低收缩率方法：降低收缩率方法：调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子 间填充密实，固化后有紧密的空间网络。间填充密实，固化后有紧密的空间网络。 65 固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下，固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下， 发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固 态树脂的全过程。态树脂的全过程。 凝胶：凝胶： 定型：定型： 熟化：熟化： 液态树脂液态树脂 可溶线型小分子可溶线型小分子 固态树脂固态树脂 不溶

44、不熔体型结构大分子不溶不熔体型结构大分子 固化固化 粘流态树脂粘流态树脂 半固态凝胶半固态凝胶 失去流动性失去流动性 凝胶时间手糊时间凝胶时间手糊时间 凝胶凝胶 硬度、形状硬度、形状 表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学 性能性能 固 化 阶 段 固 化 阶 段 66 二、耐热性能二、耐热性能 复合材料耐热性：复合材料耐热性：温度升高，性能变化温度升高，性能变化 物理性能：模量、强度、变形物理性能：模量、强度、变形 化学性能：失重、分解、氧化化学性能：失重、分解、氧化 树脂耐热性树脂耐热性 物理耐热性：在一定温度条件下，仍然保持物理耐

45、热性：在一定温度条件下，仍然保持 其作为基体材料的强度其作为基体材料的强度 化学耐热性：树脂发生热老化时的温度范围化学耐热性：树脂发生热老化时的温度范围 聚合物受热变化聚合物受热变化 物理变化：变形、软化、流动、熔融物理变化：变形、软化、流动、熔融 化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等 67 提高树脂耐热性方法：提高树脂耐热性方法： 增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构；增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构； 进行结晶：进行结晶：-C-O-C-, -OH, -NH2等；等； 进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。进行交联：交联键增加

46、，提高分子间作用力。 68 三、耐腐蚀性能三、耐腐蚀性能 树脂的腐蚀树脂的腐蚀 物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降 影响因素：影响因素： 树脂结构树脂结构 树脂含量树脂含量 树脂固化交联密度树脂固化交联密度 化学作用：化学键破坏或新的化学键化学作用：化学键破坏或新的化学键 69 四、介电性能四、介电性能 树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料. 极性大的分子一般介电常数也大极性大的分子一般介电常数也大 影响因素：影响因素： 树脂大分子的极性：极性增加，电绝缘性下降；树脂大分子的极性：极性增加

47、，电绝缘性下降； 固化树脂杂质含量及种类固化树脂杂质含量及种类 70 2.3.3 热固性树脂基复合材料热固性树脂基复合材料 树脂加热后产生树脂加热后产生化学变化化学变化，逐渐硬化成型，再受热也，逐渐硬化成型，再受热也 不软化，也不能溶解。热固性树脂其分子结构为体型，不软化，也不能溶解。热固性树脂其分子结构为体型， 它包括大部分的缩合树脂，热固性树脂有酚醛、环氧、它包括大部分的缩合树脂，热固性树脂有酚醛、环氧、 氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。 71 聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。 饱和聚酯：饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键没有非芳族的不

48、饱和键 不饱和聚酯：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、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。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：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。聚酯树脂。 不饱和不饱和聚酯树脂主要应用于玻璃纤维复合材料。聚酯树脂主要应用于玻璃纤维复合材料。 72 主要特点： 工艺性能好，粘度低可在室温下成型；工艺性能好，粘度低可在室温下成型； 价格低廉；价格低廉； 固化时体积收缩率大，成型时气味和毒性较大；固化时体积收缩率大，成型时气味和毒性较大； 耐热性、强度和模量较低，易变形耐热性、强度和模量较低，易变形 73 常用不饱和聚酯树脂常用不饱和聚酯树脂 牌号牌号 主要成分主要成分 技术指标技术指标 性能与用途性能与用途 FL191 丙二醇丙二醇/苯乙烯苯乙烯 苯酐苯酐/顺酐顺酐 酸值酸值：2838 mgKOH/g 粘度粘度：0.250.45