1、第五章第五章 復合材料基體（復合材料基體（Matrix）材料材料 一、聚合物及其分類一、聚合物及其分類 聚合物包括：熱固性聚合物和熱塑性聚合物。 1、熱固性聚合物: 通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預聚體，經(jīng)加通常為分子量較小的液態(tài)或固態(tài)預聚體，經(jīng)加熱或加固化劑發(fā)生交聯(lián)化學反應并經(jīng)過凝膠化熱或加固化劑發(fā)生交聯(lián)化學反應并經(jīng)過凝膠化和固化階段后，形成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀高分子。 主要包括：環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹脂等。主要包括：環(huán)氧、酚醛、雙馬、聚酰亞胺樹脂等。 各種熱固性樹脂的固化反應機理不同，根據(jù)使各種熱固性樹脂的固化反應機理不同，根據(jù)使 用要求的差異，采用的固化條件也有很大的差異。用要求的差

2、異，采用的固化條件也有很大的差異。 一般的固化條件有室溫固化、中溫固化（一般的固化條件有室溫固化、中溫固化（120120 C C左右）左右） 和高溫固化（和高溫固化（170170 C C以上）。這類高分子通常為無定以上）。這類高分子通常為無定 型結構。具有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性型結構。具有耐熱性好、剛度大、電性能、加工性 能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點。能和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 2 2、熱塑性聚合物、熱塑性聚合物: : 它們是一類線形或有支鏈的固態(tài)高分子，它們是一類線形或有支鏈的固態(tài)高分子， 可溶可熔，可溶可熔，可反復加工而無化學變化。可反復加工而無化學變化。 包括各種通用塑料（聚丙烯、聚氯

3、乙烯等）包括各種通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等） 、工程塑料（尼龍、聚碳酸酯等）和特種耐高溫、工程塑料（尼龍、聚碳酸酯等）和特種耐高溫 聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。 這類高分子分非晶（或無定形）和結晶兩類。這類高分子分非晶（或無定形）和結晶兩類。 通常結晶度在通常結晶度在20-85% 20-85% 之間。具有質(zhì)輕、比強度高、之間。具有質(zhì)輕、比強度高、 電絕緣、化學穩(wěn)定性、耐磨潤滑性好，生產(chǎn)效率高電絕緣、化學穩(wěn)定性、耐磨潤滑性好，生產(chǎn)效率高 等優(yōu)點。與熱固性聚合物相比，具有明顯的力學松等優(yōu)點。與熱固性聚合物相比，具有明顯的力學松 弛現(xiàn)象；在外力作用下

4、形變大；具有相當大的斷裂弛現(xiàn)象；在外力作用下形變大；具有相當大的斷裂 延伸率；抗沖擊性能較好。延伸率；抗沖擊性能較好。 熱塑性聚合物狀態(tài)與溫度的關系熱塑性聚合物狀態(tài)與溫度的關系 1 1 非晶態(tài)聚合物的溫度非晶態(tài)聚合物的溫度- - 形變曲線形變曲線 2 2 結晶態(tài)聚合物的溫度結晶態(tài)聚合物的溫度- - 形變曲線形變曲線3、常用、常用熱固性樹脂：熱固性樹脂： （1)1)環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 ( (EP):EP): 一種分子中含有兩個或兩個以上活性環(huán)氧一種分子中含有兩個或兩個以上活性環(huán)氧基團基團 ( (CC) CC) 的低聚物的低聚物 。 O O 按化學結構分類如下：按化學結構分類如下： 縮水甘油醚縮水甘

5、油醚 EPEP 縮水甘油類縮水甘油類 縮水甘油胺縮水甘油胺 EPEP 縮水甘油酯縮水甘油酯 EPEP 脂環(huán)族脂環(huán)族EP EP 脂肪族脂肪族EPEP 環(huán)氧樹脂是線型結構，必須加入固化劑使它變?yōu)榄h(huán)氧樹脂是線型結構，必須加入固化劑使它變?yōu)椴蝗懿蝗鄣木W(wǎng)狀結構才有用途。不溶不熔的網(wǎng)狀結構才有用途。常用的固化劑包括脂常用的固化劑包括脂肪族或芳香族胺類，有機多元酸或酸酐等。肪族或芳香族胺類，有機多元酸或酸酐等。 按固化工藝可分為三大類：按固化工藝可分為三大類： 1 1）含有活潑氫的化合物，它仍在固化時發(fā)生加成）含有活潑氫的化合物，它仍在固化時發(fā)生加成聚合反應；聚合反應； 2 2）離子型引發(fā)劑，它可分陰離子和

6、陽離子；）離子型引發(fā)劑，它可分陰離子和陽離子； 3 3）交聯(lián)劑，它能與雙酚）交聯(lián)劑，它能與雙酚A A型環(huán)氧樹脂的氫氧基進行型環(huán)氧樹脂的氫氧基進行交聯(lián)。交聯(lián)。 （2) 2) 雙馬來酰亞胺樹脂（雙馬來酰亞胺樹脂（BMIBMI） 雙馬樹脂是馬來酸酐與芬香族二胺反應生成雙馬樹脂是馬來酸酐與芬香族二胺反應生成 預聚體，再高溫交聯(lián)而成的一類熱固性樹脂。預聚體，再高溫交聯(lián)而成的一類熱固性樹脂。 交聯(lián)后的雙馬樹脂具有不熔、不溶的特點，交聯(lián)后的雙馬樹脂具有不熔、不溶的特點， 有高的交聯(lián)度，固化后的密度在有高的交聯(lián)度，固化后的密度在1.351.35 1.4 1.4 g/cmg/cm3 3 之間，玻璃化溫度（之間，

7、玻璃化溫度（TgTg）在在 250 250 300 300 C C 之之 間，使用溫度為間，使用溫度為150 150 200 200 C C。 熱固性樹脂的力學性能表熱固性樹脂的力學性能表 2 2、 熱塑性樹脂：熱塑性樹脂： 1 1）聚醚醚酮（）聚醚醚酮（PEEKPEEK） PEEK PEEK是一種半結晶型熱塑性樹脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變是一種半結晶型熱塑性樹脂，其玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度為溫度為143143 C C ，熔點為熔點為334334 C C，結晶度一般在結晶度一般在20-40%20-40%， 最大結晶度為最大結晶度為48 % 48 % 。 PEEKPEEK在空氣中的熱分解溫度為在空氣中的熱分解溫度

8、為650650 C C，加工溫度在加工溫度在 370 370 420420 C C，室溫彈性模量與環(huán)氧樹脂相當，強度優(yōu)于室溫彈性模量與環(huán)氧樹脂相當，強度優(yōu)于 環(huán)氧，斷裂韌性極高，具有優(yōu)秀的阻燃性。環(huán)氧，斷裂韌性極高，具有優(yōu)秀的阻燃性。 PEEKPEEK基復合材料可在基復合材料可在250 250 C C的溫度下長期使用。的溫度下長期使用。 2 2）聚苯硫醚（）聚苯硫醚（PPSPPS） 結晶型聚合物，耐化學腐蝕性極好，在室溫不溶結晶型聚合物，耐化學腐蝕性極好，在室溫不溶 任何溶劑，可長期耐熱至任何溶劑，可長期耐熱至 240 240 C C。 3 3）聚醚砜（聚醚砜（PESPES） 非晶聚合物，玻璃

9、化轉(zhuǎn)變溫度為非晶聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為225225 C C，可在可在180180 C C 下長期使用；有突出的耐蠕變性、尺寸穩(wěn)定性；熱膨脹下長期使用；有突出的耐蠕變性、尺寸穩(wěn)定性；熱膨脹 系數(shù)與溫度無關，無毒，不燃。系數(shù)與溫度無關，無毒，不燃。 4 4）熱塑性聚酰亞胺）熱塑性聚酰亞胺 聚醚酰胺（聚醚酰胺（PEIPEI）：）：長期使用溫度為長期使用溫度為 180 180 C C 。 聚酰胺酰亞胺（聚酰胺酰亞胺（PAIPAI）：）：Tg Tg 達達280 280 C C，長期使用長期使用 溫度為溫度為 240 240 C C 。 高聚物特征溫度：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高聚物特征溫度：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg

10、Tg， 熔點熔點TmTm和粘流溫度和粘流溫度T Tf f 在在TgTg以下：為硬而脆或硬而韌的固體（玻璃態(tài)）；以下：為硬而脆或硬而韌的固體（玻璃態(tài)）； 在在TgTg附近：非晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而有彈性的橡膠態(tài)；附近：非晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而有彈性的橡膠態(tài)； 半晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而韌的皮革態(tài)；半晶高聚物轉(zhuǎn)變成軟而韌的皮革態(tài)； 熱塑高聚物熱塑高聚物Tg Tg 基本固定；熱固高聚物基本固定；熱固高聚物Tg Tg 隨其隨其 交聯(lián)度的增加而增加交聯(lián)度的增加而增加, , 當交聯(lián)度很高時，達到當交聯(lián)度很高時，達到TgTg后后 無明顯的軟化現(xiàn)象。無明顯的軟化現(xiàn)象。 TmTm（結晶）、結晶）、T Tf f（非晶）：成為高

11、粘度的流體。非晶）：成為高粘度的流體。溫度及加載速度對高聚物力學性能的影響溫度及加載速度對高聚物力學性能的影響 二、金屬二、金屬 1 1、用于、用于450 450 C C以下的輕金屬基體（鋁、鎂及其合金）以下的輕金屬基體（鋁、鎂及其合金） 1-1 鋁及其合金鋁及其合金: : 面心立方結構，無同素異構轉(zhuǎn)變。熔點為面心立方結構，無同素異構轉(zhuǎn)變。熔點為660660 C C， 密度密度2.72.7g/cmg/cm3 3。塑性優(yōu)異，導熱、導電性能好；化學塑性優(yōu)異，導熱、導電性能好；化學 活性高，強度不高。鋁合金中常用的合金元素有銅、活性高，強度不高。鋁合金中常用的合金元素有銅、 鎂、鋅、錳和硅等。鎂、鋅

12、、錳和硅等。 可分變形鋁合金和鑄造鋁合金可分變形鋁合金和鑄造鋁合金 (Z L)。變形鋁合金可分為變形鋁合金可分為: 防銹鋁防銹鋁(LF)、硬鋁（硬鋁（LY） 、超硬鋁超硬鋁(LC)、鍛鋁（鍛鋁（LD）。）。 固溶處理：是指通過加熱使合金中第二相完全固溶處理：是指通過加熱使合金中第二相完全 溶入溶入 相中，并通過擴散均勻化，以相中，并通過擴散均勻化，以 固溶強化方式強化合金。固溶強化方式強化合金。 淬火：是指固溶處理后用水或其它介質(zhì)將合金淬火：是指固溶處理后用水或其它介質(zhì)將合金 急冷至室溫，獲得最大飽和度的均勻固急冷至室溫，獲得最大飽和度的均勻固 溶體。溶體。 時效處理：指通過過飽和度固溶體的分

13、解時效處理：指通過過飽和度固溶體的分解,析出析出 介穩(wěn)定的第二相介穩(wěn)定的第二相(過渡過渡 相相) )并彌散分并彌散分 布。通過時效鋁合金的強度和硬度布。通過時效鋁合金的強度和硬度 明顯提高。明顯提高。鋁合金的相圖鋁合金的相圖 1-2 1-2 鎂及其合金鎂及其合金: : 鎂具有密排六方結構，密度為鎂具有密排六方結構，密度為 1. 74 1. 74g / cmg / cm3 3。 鎂的強度和模量都很低，但比強度、比模量較高。鎂的強度和模量都很低，但比強度、比模量較高。 其室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好，可進其室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好，可進行各行各 種形式的熱變形加工。種形式的熱變形加工。

14、 鎂的合金化也是利用固溶強化和時效強化來提鎂的合金化也是利用固溶強化和時效強化來提 高合金的常溫和高溫性能。其合金化元素有鋁、鋅高合金的常溫和高溫性能。其合金化元素有鋁、鋅 、鋯、錳和稀土等。鎂合金主要有、鋯、錳和稀土等。鎂合金主要有Mg-AL-ZnMg-AL-Zn系和系和 Mg-Zn-ZrMg-Zn-Zr系，分變形鎂合金和鑄造鎂合金。系，分變形鎂合金和鑄造鎂合金。 鎂鎂- -鋁合金相圖鋁合金相圖 鎂鎂- -鋅合金相圖鋅合金相圖 2 2、用于、用于450450 700 700 C C復合材料的金屬基體復合材料的金屬基體 （鈦及其合金）（鈦及其合金） 鈦的密度為鈦的密度為4.514.51g/cm

15、g/cm3 3 ，熔點熔點16781678 C C，熱膨脹熱膨脹 系數(shù)系數(shù)7.357.35 1010-6-6/ /K K，導電和導熱性差，耐腐蝕性良導電和導熱性差，耐腐蝕性良 好。好。 鈦有兩種同素異構結構。鈦有兩種同素異構結構。882.5882.5 C C 以下為密以下為密 排六方結構（排六方結構（ - -TiTi）；）；882.5 882.5 C C 以上至熔點為體以上至熔點為體 心立方結構（心立方結構（ - -TiTi）。）。鈦合金復合材料中常用鈦及鈦合金成分及性能鈦合金復合材料中常用鈦及鈦合金成分及性能 3 3、用于、用于1000 1000 C C高溫復合材料的金屬基體高溫復合材料的金

16、屬基體3-1 3-1 高溫合金高溫合金 高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總 稱，在高溫下具有很的持稱，在高溫下具有很的持久、蠕變和疲勞強度。久、蠕變和疲勞強度。 為了獲得高強度與高蠕變抗力，合金元素必為了獲得高強度與高蠕變抗力，合金元素必 須保證產(chǎn)須保證產(chǎn)生在高溫下強而穩(wěn)定的顯微組織。生在高溫下強而穩(wěn)定的顯微組織。 強化方式：強化方式：固溶強化、彌散強化和析出硬化。固溶強化、彌散強化和析出硬化。 例如：奧氏體基體和彌散分布于其中的強化相例如：奧氏體基體和彌散分布于其中的強化相 形成高溫合金。形成高溫合金。 其中：強化相可以是碳化物相、金屬間化合物其中：

17、強化相可以是碳化物相、金屬間化合物 相或穩(wěn)定化合物質(zhì)點。相或穩(wěn)定化合物質(zhì)點。 鐵基高溫合金：可做中溫使用的另部件，鐵基高溫合金：可做中溫使用的另部件， 如如700700 C C以下使用的發(fā)動機渦輪盤，作為以下使用的發(fā)動機渦輪盤，作為 高溫板材的固溶強化型鐵基高溫合金的高溫板材的固溶強化型鐵基高溫合金的 使用溫度在使用溫度在 900 900 C C 以下。以下。高溫合金基體的力學性能高溫合金基體的力學性能 鎳基合金：用來制造使用溫度更高的、受力鎳基合金：用來制造使用溫度更高的、受力 苛刻的熱端部件，如渦輪葉片、導向葉片、苛刻的熱端部件，如渦輪葉片、導向葉片、 燃燒室等。燃燒室等。 鈷基高溫合金廣

18、泛用作導向葉片，具有良好的鈷基高溫合金廣泛用作導向葉片，具有良好的 抗熱腐蝕性和抗冷熱疲勞性能。抗熱腐蝕性和抗冷熱疲勞性能。 3 - 2 金屬間化合物金屬間化合物 ( Intermetallic Compound ) 概念：金屬與金屬或金屬與類金屬之間形成的概念：金屬與金屬或金屬與類金屬之間形成的中間相化合物。中間相化合物。 決定金屬間化合決定金屬間化合物相結構的主要因素有電負性、物相結構的主要因素有電負性、 尺寸因素和電子濃度等。尺寸因素和電子濃度等。 金屬間化合物可分結構金屬間化合物和功能金金屬間化合物可分結構金屬間化合物和功能金 屬間化合物兩大類。屬間化合物兩大類。 常見常見 ABAB、

19、A A2 2B B、A A3 3B B、A A5 5B B3 3、A A7 7B B6 6型等化合物；型等化合物； 根據(jù)組成元素，可分為鋁化物、硅化物和鈹化物。根據(jù)組成元素，可分為鋁化物、硅化物和鈹化物。 金屬間化合物晶體結構雖然復雜，但從原子金屬間化合物晶體結構雖然復雜，但從原子 結合上仍具有金屬特性。然而其電子云分布并非結合上仍具有金屬特性。然而其電子云分布并非 完全均勻，存在一定方向性，具有某種程度的共完全均勻，存在一定方向性，具有某種程度的共 價鍵特征，導致熔點升高及原子間鍵出現(xiàn)方向性價鍵特征，導致熔點升高及原子間鍵出現(xiàn)方向性 。金屬間化合物往往具有一定的固溶度，偏離當。金屬間化合物往

20、往具有一定的固溶度，偏離當 量量成分，有序度降低，缺陷增加。成分，有序度降低，缺陷增加。 例如：例如：Ti-AlTi-Al系金屬間化合物具有低密度、系金屬間化合物具有低密度、 高強度、高剛度、以及良好的高溫、抗蠕變和高強度、高剛度、以及良好的高溫、抗蠕變和 抗氧化性能。抗氧化性能。 Ti-Al Ti-Al系金屬間化合物一般分系金屬間化合物一般分 2 2- -TiTi3 3AlAl和和 - - TiAlTiAl兩類。兩類。 三、陶瓷三、陶瓷 陶瓷是金屬與與非金屬的固體化合物，陶瓷是金屬與與非金屬的固體化合物， 以離子鍵（如以離子鍵（如MgOMgO、AlAl2 2O O3 3）、）、共價鍵（金剛共

21、價鍵（金剛 石、石、SiSi3 3N N4 4、BNBN）以及離子鍵和共價鍵的混合以及離子鍵和共價鍵的混合 鍵結合在一起。鍵結合在一起。 陶瓷材料的顯微結構通常由晶相、玻璃陶瓷材料的顯微結構通常由晶相、玻璃 相和氣相（孔）等不同的相組成。相和氣相（孔）等不同的相組成。 優(yōu)點：陶瓷材料具有熔點高、硬度大、化學穩(wěn)定優(yōu)點：陶瓷材料具有熔點高、硬度大、化學穩(wěn)定 性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化和腐蝕、比重小性好、耐高溫、耐磨損、耐氧化和腐蝕、比重小 強度和模量高等優(yōu)點，可在各種苛刻的環(huán)境下工強度和模量高等優(yōu)點，可在各種苛刻的環(huán)境下工 作；另一方面，陶瓷材料在磁、電、光、熱等方作；另一方面，陶瓷材料在磁、電

22、、光、熱等方 面的性能和用途具有多樣性和可變性，是非常重面的性能和用途具有多樣性和可變性，是非常重 要的功能材料。要的功能材料。 陶瓷材料的致命弱點：是脆性大、韌性差，常因陶瓷材料的致命弱點：是脆性大、韌性差，常因 存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等存在裂紋、空隙、雜質(zhì)等缺陷而引起不可預測的缺陷而引起不可預測的 災難性后果。災難性后果。 陶瓷基復合材料是改變其脆性、提高韌陶瓷基復合材料是改變其脆性、提高韌 性的有效途徑。用于復合材料陶瓷基體主要性的有效途徑。用于復合材料陶瓷基體主要 有氧化物（有氧化物（AlAl2 2O O3 3等）、氮化物（等）、氮化物（SiSi3 3N N4 4等）和等）和 碳化物（碳

23、化物（SiCSiC等）。等）。 1、氧化物陶瓷氧化物陶瓷 氧化物陶瓷主要有氧化物陶瓷主要有AlAl2 2O O3 3、MgOMgO、SiOSiO2 2、ZrOZrO2 2和和 莫來石（莫來石（3 3AlAl2 2O O3 32SiO2SiO2 2）陶瓷等。陶瓷等。 其熔點在其熔點在17001700 C C以上，主要為單相多晶結構，以上，主要為單相多晶結構， 還可能有少量氣相（氣孔）。微晶氧化物的強度還可能有少量氣相（氣孔）。微晶氧化物的強度 較高；粗晶結構時，晶界殘余應力較大，對強度較高；粗晶結構時，晶界殘余應力較大，對強度 不利。氧化物陶瓷的強度隨環(huán)境溫度升高而降低。不利。氧化物陶瓷的強度隨

24、環(huán)境溫度升高而降低。 這類材料應避免在高應力和高溫環(huán)境下使用。這這類材料應避免在高應力和高溫環(huán)境下使用。這 是因為是因為AlAl2 2O O3 3和和ZrOZrO2 2的抗熱震性差；的抗熱震性差；SiOSiO2 2在高溫下在高溫下 容易發(fā)生蠕變和相變等。容易發(fā)生蠕變和相變等。 2、非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特點：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆特點：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆 性也很強。碳化物、硼化物的抗熱氧性也很強。碳化物、硼化物的抗熱氧 化溫度約化溫度約900-1000 C，氮化物略低些氮化物略低些 ，硅化物

25、的表面能形成氧化硅膜，所，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所 以抗熱氧化溫度可達以抗熱氧化溫度可達1300-1700 C。 氮化硅（氮化硅（SiSi3 3N N4 4）屬六方晶系，有屬六方晶系，有 、 兩種兩種 晶相。其強度和硬度高、抗熱震和抗高溫蠕變晶相。其強度和硬度高、抗熱震和抗高溫蠕變 性好、摩擦系數(shù)小，具有良好的耐（酸、堿和性好、摩擦系數(shù)小，具有良好的耐（酸、堿和 有色金屬）腐蝕（侵蝕）性。抗氧化溫度可達有色金屬）腐蝕（侵蝕）性。抗氧化溫度可達 1000 1000 C C，電絕緣性好。電絕緣性好。 - -SiCSiC屬六方晶系，屬六方晶系， - - SiCSiC屬等軸晶系。屬等軸晶系。 高

26、溫強度高，具有很高的熱傳導能力以及較高溫強度高，具有很高的熱傳導能力以及較 好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性。好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性。 氮化硼具有兩種結構：氮化硼具有兩種結構：A、類似石墨的六方結構，可作為高溫自潤滑材料類似石墨的六方結構，可作為高溫自潤滑材料 在高溫（在高溫（1360 C）和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方 結構的結構的 -氮化硼。氮化硼。B、 -氮化硼立方結構，耐熱溫度高達氮化硼立方結構，耐熱溫度高達2000 C， 硬度極高，可作為金剛石的代用品。硬度極高，可作為金剛石的代用品。 4、 玻璃陶瓷（微晶玻璃）玻璃陶瓷（微晶玻璃） 許多無

27、機玻璃可通過適當?shù)臒崽幚硎蛊溆煞窃S多無機玻璃可通過適當?shù)臒崽幚硎蛊溆煞?晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這一過程稱為反玻璃化。對于晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這一過程稱為反玻璃化。對于 某些玻璃反玻璃化過程可以控制，最后能夠形成某些玻璃反玻璃化過程可以控制，最后能夠形成 無殘余應力的微晶玻璃。這種材料成為玻璃陶瓷。無殘余應力的微晶玻璃。這種材料成為玻璃陶瓷。 密度為密度為2.0-2.82.0-2.8g/cmg/cm3 3, , 彎曲強度為彎曲強度為70-35070-350MPa,MPa, 彈性模量為彈性模量為80-14080-140GPaGPa。 玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)小，力學性能好玻璃陶瓷具有熱膨脹系數(shù)小，力學性能好

28、和導熱系數(shù)較大等特點。和導熱系數(shù)較大等特點。 如：鋰鋁硅（如：鋰鋁硅（LiLi2 2O-AlO-Al2 20 03 3-SiO-SiO2 2，LASLAS）玻璃玻璃 陶瓷的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，耐熱好。陶瓷的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，耐熱好。 鎂鋁硅（鎂鋁硅（MgO-AlMgO-Al2 20 03 3-SiO-SiO2 2，MASMAS）玻璃陶瓷玻璃陶瓷 的硬度高，耐磨性好。的硬度高，耐磨性好。四、碳（石墨）四、碳（石墨） 熔點：熔點：35503550 C C（超過超過35003500 C C開始升華）；開始升華）； 沸點：沸點：42004200 C C。 同素異形體：金剛石、石墨、無定形碳。同素異形

29、體：金剛石、石墨、無定形碳。 比重：無定形碳為比重：無定形碳為 1.88 1.88、石墨為、石墨為2.25 2.25 、 金剛石為金剛石為3.513.51。 第六章第六章 復合材料增強劑復合材料增強劑 (Reinforcement) 纖維及其織物、晶須、顆粒纖維及其織物、晶須、顆粒 一、復合材料增強劑的特點（圖一、復合材料增強劑的特點（圖71） 1、具有很低的比重；、具有很低的比重； 2、組成這些化合物的元素都處、組成這些化合物的元素都處 在元素周期表中的第二、第三周期；在元素周期表中的第二、第三周期； 3、它們大多數(shù)都是以結合力很強的共價鍵結合；、它們大多數(shù)都是以結合力很強的共價鍵結合； 4

30、、具有很高的比強度、比剛度和高溫穩(wěn)定性。、具有很高的比強度、比剛度和高溫穩(wěn)定性。不同復合材料增強劑的強度和模量不同復合材料增強劑的強度和模量 二、纖維二、纖維 1 1、無機纖維、無機纖維 1-1 1-1、玻璃纖維（、玻璃纖維（Glass FiberGlass Fiber） 玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)玻璃纖維是由各種金屬氧化物的硅酸鹽經(jīng)熔融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟，可紡熔融后以快的速度抽絲而成。質(zhì)地柔軟，可紡織成各種玻璃布、帶等。伸長率和熱膨脹系數(shù)織成各種玻璃布、帶等。伸長率和熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價格便宜，品小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價格便宜，品種多。缺點是不

31、耐磨、易折斷，易受機械損傷。種多。缺點是不耐磨、易折斷，易受機械損傷。性能性能 纖維類纖維類別別有有堿堿A化化學學C低低介電介電D無無堿堿E高高強度強度S粗粗纖維纖維R高高模量模量M拉伸強度，拉伸強度，GPaGPa3.13.13.13.12.52.53.3.4 44.584.584.44.43.53.5彈性模量，彈性模量，GPaGPa737374745555717185858686110110延伸率，延伸率，% %3.63.63.373.374.64.65.25.2密度，密度，g/cmg/cm3 32.42.46 62.42.46 62.142.142.2.5 52.52.52.552.552

32、.892.89 玻玻 璃璃 纖纖 維維 品品 種種 性性 能能 一一 覽覽 表表 1-21-2、碳纖維、碳纖維 碳纖維是由有機纖維經(jīng)固相反應轉(zhuǎn)變而成的碳纖維是由有機纖維經(jīng)固相反應轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量纖維狀聚合物碳。含碳量95%95%左右的稱為碳纖維；左右的稱為碳纖維；含碳量含碳量99%99%左右的稱為石墨纖維。碳纖維比重小，左右的稱為石墨纖維。碳纖維比重小，比強度、比模量大見下表，耐熱性和耐腐蝕性比強度、比模量大見下表，耐熱性和耐腐蝕性好，成本低，批生產(chǎn)量大，是一類極為重要的高好，成本低，批生產(chǎn)量大，是一類極為重要的高性能增強劑。性能增強劑。 制備碳纖維的主要原材料有人造絲（粘膠纖

33、維）制備碳纖維的主要原材料有人造絲（粘膠纖維） 聚丙烯腈（聚丙烯腈（PANPAN）纖維和瀝青（纖維和瀝青（Pitch）等。等。 經(jīng)過分為五個階段：經(jīng)過分為五個階段： 1 1）拉絲：濕法、干法或熔融紡絲法。）拉絲：濕法、干法或熔融紡絲法。 2 2）牽伸：通常在）牽伸：通常在100 100 300 300 C C范圍內(nèi)進行，范圍內(nèi)進行， 控制著最終纖維的模量。控制著最終纖維的模量。 3 3）穩(wěn)定：在）穩(wěn)定：在400400 C C加熱氧化。顯著地降低熱加熱氧化。顯著地降低熱 失重，保證高度石墨和取得更好的性能。失重，保證高度石墨和取得更好的性能。 4 4）碳化：在）碳化：在10001000 2000

34、 2000 C C 范圍內(nèi)進行。范圍內(nèi)進行。 5 5）石墨化：在）石墨化：在2000 2000 3000 3000 C C范圍內(nèi)進行。范圍內(nèi)進行。碳纖維制備工藝流程碳纖維制備工藝流程 PAN PAN基碳纖維制備工藝流程基碳纖維制備工藝流程：PANPAN原絲原絲空氣中預氧化，空氣中預氧化，施張力使纖維施張力使纖維伸長約伸長約10% 10% 。(200(200 300300 C)C) 11501150 惰氣中碳化惰氣中碳化1 1h h，施張力約施張力約0.50.5N/N/束。束。 碳纖維碳纖維( (低模高強低模高強) )21002100 C C石墨化惰氣石墨化惰氣中中1 1分鐘，施張力約分鐘，施張

35、力約1 1 2 2N/ N/ 束。束。 石墨纖維石墨纖維( (高模高強高模高強) ) 碳化過程：碳化過程： 有機化合物在惰性氣氛中加熱到有機化合物在惰性氣氛中加熱到1000- 1000- 15001500 C C時，非碳原子（氮、氫、氧等）將逐時，非碳原子（氮、氫、氧等）將逐步被驅(qū)除，碳含量逐步增加，固相間發(fā)生一步被驅(qū)除，碳含量逐步增加，固相間發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學反應，系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學反應，此階段稱為脫碳過程，形成由小的亂層石墨此階段稱為脫碳過程，形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。晶體組成的碳纖維。 石墨化過程：石墨化過程： 當溫度升到當溫度升到2000 2

36、000 30003000 C C時，非碳時，非碳 原子進一步排除，反應形成的芳環(huán)平面原子進一步排除，反應形成的芳環(huán)平面 逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著 提高，由二維亂層石墨結構向三維有序提高，由二維亂層石墨結構向三維有序 結構轉(zhuǎn)化，此階段稱為石墨化過程。形結構轉(zhuǎn)化，此階段稱為石墨化過程。形 成的石墨纖維彈性模量大大提高。成的石墨纖維彈性模量大大提高。碳纖維熱處理溫度與強度及彈性模量的關系碳纖維熱處理溫度與強度及彈性模量的關系不同品種碳纖維的力學性能不同品種碳纖維的力學性能 2 2、陶瓷纖維、陶瓷纖維 2-12-1、硼纖維（、硼纖維（Boron FiberB

37、oron Fiber） 制備工藝：化學氣相沉積（制備工藝：化學氣相沉積（CVDCVD）。）。 2BCl 2BCl 3 3 + 3H+ 3H 2 2 2B 2B + 6HCl + 6HCl 中心是碳纖維或鎢纖維中心是碳纖維或鎢纖維典型性能：典型性能： 直徑：直徑：100100 140140 m m；抗張強度：抗張強度：35003500MPa MPa 彈性模量：彈性模量：390390GPaGPa；密度：密度：2.682.68g/cmg/cm3 3 狀態(tài)：連續(xù)單絲。狀態(tài)：連續(xù)單絲。 硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在400400 C C時可保時可保持室溫強度的持室溫強度的8

38、0% 80% ；在高于；在高于500500 C C的氧化氣氛中幾分的氧化氣氛中幾分鐘其強度就迅速下降；在鐘其強度就迅速下降；在650650 C C時將失去所有的性能。時將失去所有的性能。同時其成本也較高，成本下降的潛力也不大。同時其成本也較高，成本下降的潛力也不大。 室溫下硼纖維的化學穩(wěn)定性好，但表面具有室溫下硼纖維的化學穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就可與樹脂復合，其復合材料活性，不需要處理就可與樹脂復合，其復合材料具有較高的層間剪切強度。對于含氮化合物親和具有較高的層間剪切強度。對于含氮化合物親和力大于含氧化合物。但在高溫下易與大多數(shù)金屬力大于含氧化合物。但在高溫下易與大多數(shù)金屬反應

39、，需要在纖維表面沉積保護涂層，如反應，需要在纖維表面沉積保護涂層，如SiCSiC和和B B4 4C C等。等。 硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復合材料。硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復合材料。2-22-2、氧化鋁纖維、氧化鋁纖維 ( (Alumina Fiber )Alumina Fiber ) 氧化鋁纖維是多晶纖維，具有很好的機械性能以氧化鋁纖維是多晶纖維，具有很好的機械性能以 及耐熱性和抗氧化性。制備氧化鋁纖維的方法較多，及耐熱性和抗氧化性。制備氧化鋁纖維的方法較多， 有有 - -、 - -、 - -AlAl2 2O O3 3 連續(xù)纖維和連續(xù)纖維和 - -AlAl2 2O O3 3 短纖維。短

40、纖維。 - -AlAl2 2O O3 3 與樹脂及熔融金屬的相容性好，與樹脂及熔融金屬的相容性好， 氧化鋁纖氧化鋁纖 維主要用于金屬基復合材料。缺點是密度較大。維主要用于金屬基復合材料。缺點是密度較大。纖纖 維維比比 重重(g/cm3)直直 徑徑( m)拉伸強度拉伸強度(MPa)拉伸模拉伸模量量(GPa)最高使用最高使用溫度（溫度（ C）熔熔 點點（ C）Tyco法法3. 99250240046020002040三三M法法2.511175015013002040ICI法法3.43100010016002040Du Pont法法3.920140030011002040住友化學法住友化學法3.29

41、260025013002040各各 種種 氧氧 化化 鋁鋁 纖纖 維維 的的 性性 能能2-32-3、碳化硅纖維、碳化硅纖維 碳化硅纖維具有很高的比強度、比剛度，耐腐碳化硅纖維具有很高的比強度、比剛度，耐腐 蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導系數(shù)大等優(yōu)點蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導系數(shù)大等優(yōu)點 同時還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能同時還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能 可保持到可保持到12001200 C C。其成本下降的潛力很大。適合于。其成本下降的潛力很大。適合于 制備樹脂、金屬及陶瓷基復合材料。制備樹脂、金屬及陶瓷基復合材料。 碳化硅纖維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和碳化硅纖

42、維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和 CVD CVD法兩種。法兩種。 1 1）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法 1975 1975 年由日本矢島教授首先研制成功。有年由日本矢島教授首先研制成功。有 Nicalon Nicalon（尼卡隆）尼卡隆） 和和TyrannoTyranno（奇拉隆）兩種商品。奇拉隆）兩種商品。 纖維呈束狀，每束纖維呈束狀，每束500500根左右，每根纖維根左右，每根纖維1010 m m左右。左右。 聚碳硅烷聚碳硅烷紡絲紡絲聚碳硅烷纖維聚碳硅烷纖維N2下高溫處理下高溫處理NicalonNicalon（尼卡隆）尼卡隆） 2 2）CVDCVD法制備法制備SiCSiC纖維纖維 直徑：直徑：1

43、00 100 140 140 m m；抗張強度：抗張強度：35003500MPa MPa 彈性模量：彈性模量：400400GPaGPa；密度：密度：3.03.0 3.43.4g/cmg/cm3 3 狀態(tài)：連續(xù)單絲。狀態(tài)：連續(xù)單絲。 制備方法：制備方法： 將基體絲連續(xù)通過玻璃管狀反應器，并在加熱將基體絲連續(xù)通過玻璃管狀反應器，并在加熱到到1200 1300 C的同時通入適量的氯硅烷與氫氣的的同時通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應氣體反應氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應生成混合反應氣體反應氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應生成SiC CH CH3 3 SiCl SiCl3 3 + H+ H2 2 SiC SiC +

44、HCl + HCl + + 并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)SiC纖維纖維各種各種SiCSiC纖維的性能比較纖維的性能比較纖維纖維密度密度（g/cm3）彈性模量彈性模量（GPa）拉伸強度拉伸強度 （MPa）比模量比模量( GPa/g/cm3)比強度比強度（MPa/g/cm3）NicalonCVD-W芯芯CVD-C芯芯Tyranno晶須晶須2.602.603.43.02.43.225025040040028070025002500360036002400 2000096.296.2117.6133.3116.7218.8961.5961.51058.8

45、1200.01000.06250.0三、晶須（三、晶須（WhiskerWhisker） 晶須是指具有一定長徑比和截面積小于晶須是指具有一定長徑比和截面積小于 52 52 1010-5-5cmcm2 2的單晶纖維材料。其直徑為的單晶纖維材料。其直徑為0.10.1 到幾個微米到幾個微米, , 長度為數(shù)十到數(shù)千微米。但長度為數(shù)十到數(shù)千微米。但 具有實用價值的晶須的直徑約為具有實用價值的晶須的直徑約為1-101-10微米微米, , 長徑比在長徑比在5 5100100之間。晶須是含缺陷很少之間。晶須是含缺陷很少 的單晶纖維，其拉伸強度接近其純晶體的的單晶纖維，其拉伸強度接近其純晶體的 理論強度。理論強度。ZnOZnO晶須微觀形貌晶須微觀形貌 SiCSiC晶須微觀形貌晶須微觀形貌 晶須的制備