復(fù)合材料概述1第1頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0引言一、材料的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步

材料是人類社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類進(jìn)步的里程碑。當(dāng)前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代科技的三大支柱，它會(huì)將人類物質(zhì)文明推向新的階段。21世紀(jì)將是一個(gè)新材料時(shí)代。

2第2頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、

復(fù)合材料的提出現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的發(fā)展；同時(shí)也對(duì)材料提出了更高、更苛刻的要求。很明顯，傳統(tǒng)的單一材料無(wú)法滿足以上綜合要求，當(dāng)前作為單一的金屬、陶瓷、聚合物等材料雖然仍在不斷日新月異地發(fā)展，但是以上這些材料由于其各自固有的局限性而不能滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。復(fù)合材料，特別是先進(jìn)復(fù)合材料就是為了滿足以上高技術(shù)發(fā)展的需求而開(kāi)發(fā)的高性能的先進(jìn)材料。復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)而發(fā)展出來(lái)的具有極大生命力的材料。3第3頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、復(fù)合材料的發(fā)展歷史和意義

1、復(fù)合材料的發(fā)展歷史6000年前人類就已經(jīng)會(huì)用稻草加粘土作為建筑復(fù)合材料。水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用；20世紀(jì)40年代，美國(guó)用碎布酚醛樹(shù)脂制備槍托、代替木材，發(fā)展成為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）這種種廣泛應(yīng)用的較現(xiàn)代化復(fù)合材料。

4第4頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、復(fù)合材料的意義現(xiàn)代高科技的發(fā)展更是離不開(kāi)復(fù)合材料。例如：火箭殼體材料對(duì)射程的影響，航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料發(fā)展預(yù)測(cè)如下5第5頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6第6頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1復(fù)合材料概述

1.1復(fù)合材料的定義和特點(diǎn)：1、復(fù)合材料的定義：ISO定義為是：兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料應(yīng)滿足下面三個(gè)條件：（1）組元含量大于5%；（2）復(fù)合材料的性能顯著不同于各組元的性能；（3）通過(guò)各種方法混合而成。7第7頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、復(fù)合材料的特點(diǎn)：

1）由兩種或多種不同性能的組分通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合在一起的新型材料，組分之間存在著明顯的界面。

2）各組分保持各自固有特性的同時(shí)可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點(diǎn)，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。3）復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。8第8頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)模式復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)劑兩個(gè)組分構(gòu)成：

基體：構(gòu)成復(fù)合材料的連續(xù)相；

增強(qiáng)劑（增強(qiáng)相、增強(qiáng)體）：復(fù)合材料中獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會(huì)使材料的性能顯著改善和增強(qiáng)。增強(qiáng)劑（相）一般較基體硬，強(qiáng)度、模量較基體大，或具有其它特性。可以是纖維狀、顆粒狀或彌散狀。增強(qiáng)劑（相）與基體之間存在著明顯界面。

9第9頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2復(fù)合材料的分類

1、按性能分類

：

普通復(fù)合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強(qiáng)普通聚合物復(fù)合材料，如玻璃鋼、鋼筋混凝土等。先進(jìn)復(fù)合材料：高性能增強(qiáng)劑（碳、硼、氧化鋁、

SiC纖維及晶須等）增強(qiáng)高溫聚合物、金屬、陶瓷和碳（石墨）等復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度應(yīng)分別達(dá)到400MPa/(g/cm3)和40GPa/(g/cm3)以上。10第10頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、按基體材料分類：聚合物復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料碳碳復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料11第11頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、按用途分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合材料4、按增強(qiáng)劑分類顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三向編織復(fù)合材料12第12頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3

復(fù)合材料的基本性能（優(yōu)點(diǎn)）：

1、高比強(qiáng)度、高比模量（剛度）：比強(qiáng)度=強(qiáng)度/密度MPa/（g/cm3）,比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。13第13頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2、良好的高溫性能：

目前：聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為350C；金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能，其使用溫度在3501100C范圍內(nèi)變動(dòng)；陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)1400C；碳/碳復(fù)合材料的使用溫度最高可達(dá)2800C。14第14頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3、良好的尺寸穩(wěn)定性：加入增強(qiáng)體到基體材料中不僅可以提高材料的強(qiáng)度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過(guò)改變復(fù)合材料中增強(qiáng)體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。

4、良好的化學(xué)穩(wěn)定性：聚合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。5、良好的抗疲勞、蠕變、沖擊和斷裂韌性：陶瓷基復(fù)合材料的脆性得到明顯改善6、良好的功能性能15第15頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2

復(fù)合材料界面

2.1復(fù)合材料界面復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)相之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。復(fù)合材料的界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米。

1、外力場(chǎng)2、基體

3、基體表面區(qū)4、相互滲透區(qū)

5、增強(qiáng)劑表面區(qū)6、增強(qiáng)劑

16第16頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月17第17頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、界面效應(yīng)界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：（1）傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合材料體系中基體承受的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間

的橋梁作用。（2）阻斷效應(yīng)：基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。（3）不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場(chǎng)尺寸穩(wěn)定性等。18第18頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。（5）誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。

★界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒(méi)有的特性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要的作用。19第19頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度界面的結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響。對(duì)于每一種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度。界面結(jié)合較差的復(fù)合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過(guò)強(qiáng)的復(fù)合材料則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。界面最佳態(tài)的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度影響因素20第20頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.2復(fù)合材料組分的相容性1、物理相容性：（1）基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠枯d荷均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會(huì)有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。（2）由于裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。（3）基體與增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)的差異對(duì)復(fù)合材料的界面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的影響。

21第21頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

★對(duì)于韌性基體材料，最好具有較高的熱膨脹系數(shù)。這是因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)較高的相，從較高的加工溫度冷卻時(shí)將受到張應(yīng)力；

★對(duì)于脆性材料的增強(qiáng)相，一般都是抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，處于壓縮狀態(tài)比較有利。

★而對(duì)于像鈦這類高屈服強(qiáng)度的基體，一般卻要求避免高的殘余熱應(yīng)力，因此熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差太大。22第22頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、化學(xué)相容性：★對(duì)原生復(fù)合材料，在制造過(guò)程是熱力學(xué)平衡的，其兩相化學(xué)勢(shì)相等，比表面能效應(yīng)也最小。★對(duì)非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。

1）相反應(yīng)的自由能

G：小2）化學(xué)勢(shì)U：相近3）表面能T：低4）晶界擴(kuò)散系數(shù)D：小23第23頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3復(fù)合材料的界面理論*

1、界面潤(rùn)濕理論界面潤(rùn)濕理論是基于液態(tài)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn)親和，即物理和化學(xué)吸附作用。

浸潤(rùn)不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致界面缺陷和應(yīng)力集中，使界面強(qiáng)度下降。良好的或完全浸潤(rùn)可使界面強(qiáng)度大大提高，甚至優(yōu)于基體本身的內(nèi)聚強(qiáng)度。24第24頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)力的合成：Lcos=S-

SL

粘合功可表示為：WA=S+L-

SL=

L（1+cos

）粘合功WA最大時(shí)：cos

=1，即

=0，液體完全平鋪在固體表面。同時(shí)：=SL,S=L

潤(rùn)濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。

25第25頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、機(jī)械作用理論：當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖。盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當(dāng)多的孔穴，粘稠的液體是無(wú)法流入的。無(wú)法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成了應(yīng)力集中點(diǎn)。26第26頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、靜電理論：當(dāng)復(fù)合材料不同組分表面帶有異性電荷時(shí)，將發(fā)生靜電吸引。僅在原子尺度量級(jí)內(nèi)靜電作用力才有效。4、化學(xué)鍵理論：在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能（210-220J/mol）。27第27頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合。28第28頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4界面的表征*

1、界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定1）三點(diǎn)彎曲法：

29第29頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月★測(cè)定界面拉伸強(qiáng)度時(shí)纖維的排布

★測(cè)定界面剪切強(qiáng)度時(shí)纖維的排布

30第30頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）聲發(fā)射（AcousticEmissin，AE）法：聲發(fā)射是當(dāng)固體材料在外部條件（如載荷、溫度、磁場(chǎng)、環(huán)境介質(zhì)等）發(fā)生變化時(shí)，由于其內(nèi)部原因而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號(hào)包括有材料內(nèi)部缺陷或微觀結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)信息，借助靈敏的電子儀器可以檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)。用儀器檢測(cè)分析聲發(fā)射信號(hào)，推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。31第31頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月富碳處理的SiCF/Al拉伸過(guò)程中的AE行為

富SiO2處理的SiCF/Al拉伸過(guò)程中的AE行為

32第32頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、界面結(jié)構(gòu)的表征界面的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和厚度可通過(guò)先進(jìn)儀器觀察分析。包括：俄歇電子譜儀（AES）、電子探針（EP）X光電子能譜儀（XPS）掃描二次離子質(zhì)譜儀（SSIMS）電子能量損失儀（EELS）X射線反射譜儀（GAXP）透射電子顯微鏡（TEM）掃描電鏡（SEM）、拉曼光譜（Raman）等

33第33頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TiB2纖維表面涂層SiCF/Ti復(fù)合材料界面SEM（黃線為連續(xù)線掃描）

34第34頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、界面殘余應(yīng)力及其表征（1）界面殘余應(yīng)力

復(fù)合材料成型后，由于基體的固化或凝固發(fā)生體積收縮或膨脹（通常為收縮），而增強(qiáng)體則體積相對(duì)穩(wěn)定使界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)又因增強(qiáng)體與基體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異，在不同環(huán)境溫度下界面產(chǎn)生熱應(yīng)力。這兩種應(yīng)力的加和總稱為界面殘余應(yīng)力。

35第35頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（A）界面殘余應(yīng)力可以通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，使界面松弛而降低，但受界面結(jié)合強(qiáng)度的控制，在界面結(jié)合很強(qiáng)的情況下效果不明顯。（B）界面殘余應(yīng)力的存在對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有影響，其利弊與加載方向和復(fù)合材料殘余應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合材料界面存在殘余應(yīng)力使之拉伸與壓縮性能有明顯差異。36第36頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）界面殘余應(yīng)力的測(cè)量主要方法X射線衍射法和中子衍射法。

★中子的穿透能力較X射線強(qiáng)，可用來(lái)測(cè)量界面內(nèi)應(yīng)力；其結(jié)果是很大區(qū)域的應(yīng)力平均值。

★

X射線衍射法只能測(cè)定樣品表面的殘余應(yīng)力。目前，應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)的X射線衍射法。

37第37頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3復(fù)合材料的復(fù)合理論*3.1復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制1、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制

基體和顆粒共同承受外來(lái)載荷；顆粒起著阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了位錯(cuò)的移動(dòng)性。另外，復(fù)合材料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。38第38頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度可有下式表示：式中：

σy－復(fù)合材料屈服強(qiáng)度；Gm－基體的切變模量；b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；C－常數(shù)VP－顆粒體積分?jǐn)?shù)；Gp－顆粒的切變模量。39第39頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、彌散增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制

基體是承受外來(lái)載荷的主要相；顆粒起著阻礙基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低了錯(cuò)的流動(dòng)性。另外，復(fù)合材料中的裂紋的擴(kuò)展在顆粒前受阻，發(fā)生應(yīng)力鈍化或擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同樣可以消耗較多的斷裂能，提高材料的強(qiáng)度。40第40頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月彌散增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度可由下式表示：式中：

σy－復(fù)合材料屈服強(qiáng)度；Gm－基體的切變模量；b－為柏氏矢量；d－顆粒直徑；VP－顆粒體積分?jǐn)?shù)。41第41頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.纖維（包括晶須、短纖維）復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制基體通過(guò)界面將載荷有效地傳遞到增強(qiáng)相（晶須、纖維等），不是主承力相。

纖維承受由基體傳遞來(lái)的有效載荷，主承力相。受力分析如下：假定：纖維、基體理想結(jié)合，且松泊比相同；在外力作用下，由于組分模量的不同產(chǎn)生了不同形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，通過(guò)界面將外力傳遞到纖維上。42第42頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月43第43頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可由下式表示：式中：σm*－與纖維的屈服應(yīng)變同時(shí)發(fā)生的基體應(yīng)力；

σfF－纖維的平均拉伸應(yīng)力；Vf－纖維的體積分?jǐn)?shù)；

l－纖維的長(zhǎng)度；

lc－最大拉應(yīng)力等于纖維斷裂強(qiáng)度時(shí)纖維的強(qiáng)度，纖維的臨界長(zhǎng)度，。44第44頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分析上式可得：（1）l/lc愈大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度愈大。當(dāng)l/lc＝10時(shí)，增強(qiáng)效果可達(dá)到連續(xù)纖維的95%。（2）引入纖維直徑d，

（l/d）c

為纖維臨界長(zhǎng)徑比，

當(dāng)（l/d）c

10時(shí)，復(fù)合材料可獲得理想的增強(qiáng)效果。45第45頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2復(fù)合材料的復(fù)合法則—混合定律1、混合定律（不考慮界面效應(yīng)時(shí)）當(dāng)復(fù)合材料滿足以下條件:(連續(xù)纖維增強(qiáng)）（1）復(fù)合材料宏觀上是均質(zhì)的，不存在內(nèi)應(yīng)力；（2）各組分材料是均質(zhì)的各向同性及線彈性材料；（3）各組分之間粘結(jié)牢靠，無(wú)空隙，不產(chǎn)生相對(duì)滑移。復(fù)合材料力學(xué)性能同組分之間的關(guān)系Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm（1-Vf）

式中：X：材料的性能，如強(qiáng)度、彈性模量、密度等；V：材料的體積百分比；下腳標(biāo)c、m、f分別代表復(fù)合材料、基體和纖維。46第46頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、連續(xù)纖維單向增強(qiáng)復(fù)合材料

彈性模量、抗張強(qiáng)度、泊松比、剪切強(qiáng)度等性能均符合混合定律。

如果考慮界面效應(yīng)，通常是在纖維的影響因子前面乘以一個(gè)系數(shù)。在平行于纖維長(zhǎng)度方向的強(qiáng)度計(jì)算，主要考慮基體的強(qiáng)度和纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。47第47頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度的關(guān)系示意圖

48第48頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

4復(fù)合材料增強(qiáng)劑(Reinforcement)

纖維及其織物、晶須、顆粒4.1復(fù)合材料增強(qiáng)劑的特點(diǎn)（圖7–1）1、具有很低的比重；2、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；3、它們大多數(shù)都是以結(jié)合力很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合；4、具有很高的比強(qiáng)度、比剛度和高溫穩(wěn)定性。49第49頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同復(fù)合材料增強(qiáng)劑的強(qiáng)度和模量

50第50頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2纖維4.2.1無(wú)機(jī)纖維1、玻璃纖維（GlassFiber）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，可紡織成各種玻璃布、帶等。伸長(zhǎng)率和熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕，耐高溫性能較好，價(jià)格便宜，品種多。缺點(diǎn)是不耐磨、易折斷，易受機(jī)械損傷。51第51頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月52第52頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月性能纖維類別有堿A化學(xué)C低介電D無(wú)堿E高強(qiáng)度S粗纖維R高模量M拉伸強(qiáng)度，GPa3.13.12.53.44.584.43.5彈性模量，GPa737455718586110延伸率，%3.63.374.65.2密度，g/cm32.462.462.142.52.52.552.89玻璃纖維品種性能一覽表53第53頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、碳纖維

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量95%左右的稱為碳纖維；含碳量99%左右的稱為石墨纖維。碳纖維比重小，比強(qiáng)度、比模量大見(jiàn)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性能增強(qiáng)劑。54第54頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月制備碳纖維的主要原材料有人造絲（粘膠纖維）聚丙烯腈（PAN）纖維和瀝青（Pitch）等。經(jīng)過(guò)分為五個(gè)階段：1）拉絲：濕法、干法或熔融紡絲法。2）牽伸：通常在100300C范圍內(nèi)進(jìn)行，控制著最終纖維的模量。3）穩(wěn)定：在400C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。4）碳化：在10002000C范圍內(nèi)進(jìn)行。5）石墨化：在20003000C范圍內(nèi)進(jìn)行。55第55頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月碳纖維制備工藝流程56第56頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PAN基碳纖維制備工藝流程：PAN原絲空氣中預(yù)氧化，施張力使纖維伸長(zhǎng)約10%。(200300C)1150惰氣中碳化1h，施張力約0.5N/束。碳纖維(低模高強(qiáng))2100C石墨化惰氣中1分鐘，施張力約12N/束。石墨纖維(高模高強(qiáng))57第57頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

碳化過(guò)程：有機(jī)化合物在惰性氣氛中加熱到1000-1500C時(shí)，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)生一系列脫氫、環(huán)化、交鏈和縮聚等化學(xué)反應(yīng)，此階段稱為脫碳過(guò)程，形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。58第58頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月石墨化過(guò)程：當(dāng)溫度升到20003000C時(shí)，非碳原子進(jìn)一步排除，反應(yīng)形成的芳環(huán)平面逐步增加，排列也較規(guī)則，取向度顯著提高，由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，此階段稱為石墨化過(guò)程。形成的石墨纖維彈性模量大大提高。 59第59頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系60第60頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同品種碳纖維的力學(xué)性能

61第61頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2陶瓷纖維1、硼纖維（BoronFiber）

制備工藝：化學(xué)氣相沉積（CVD）。

2BCl3+3H22B+6HCl

中心是碳纖維或鎢纖維62第62頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型性能：直徑：100140m；抗張強(qiáng)度：3500MPa彈性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3狀態(tài)：連續(xù)單絲。硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在400C時(shí)可保持室溫強(qiáng)度的80%；在高于500C的氧化氣氛中幾分鐘其強(qiáng)度就迅速下降；在650C時(shí)將失去所有的性能。同時(shí)其成本也較高，成本下降的潛力也不大。63第63頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月室溫下硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就可與樹(shù)脂復(fù)合，其復(fù)合材料具有較高的層間剪切強(qiáng)度。對(duì)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)金屬反應(yīng)，需要在纖維表面沉積保護(hù)涂層，如SiC和B4C等。硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復(fù)合材料。64第64頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、氧化鋁纖維(AluminaFiber)氧化鋁纖維是多晶纖維，具有很好的機(jī)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，有-、-、-Al2O3連續(xù)纖維和-Al2O3短纖維。

-Al2O3與樹(shù)脂及熔融金屬的相容性好，氧化鋁纖維主要用于金屬基復(fù)合材料。缺點(diǎn)是密度較大。65第65頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月纖維比重(g/cm3)直徑(m)拉伸強(qiáng)度

(MPa)拉伸模量(GPa)最高使用溫度（C）熔點(diǎn)（C）Tyco法3.99250240046020002040三M法2.511175015013002040ICI法3.43100010016002040DuPont法3.920140030011002040住友化學(xué)法3.29260025013002040各種氧化鋁纖維的性能66第66頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、碳化硅纖維碳化硅纖維具有很高的比強(qiáng)度、比剛度，耐腐蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)同時(shí)還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能可保持到1200C。其成本下降的潛力很大。適合于制備樹(shù)脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。碳化硅纖維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和CVD法兩種。67第67頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法1975年由日本矢島教授首先研制成功。有Nicalon（尼卡隆）和Tyranno（奇拉隆）兩種商品。纖維呈束狀，每束500根左右，每根纖維10m左右。

聚碳硅烷紡絲聚碳硅烷纖維N2下高溫處理Nicalon（尼卡隆）68第68頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2）CVD法制備SiC纖維直徑：100140m；抗張強(qiáng)度：3500MPa彈性模量：400GPa；密度：3.03.4g/cm3

狀態(tài)：連續(xù)單絲。69第69頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月制備方法：將基體絲連續(xù)通過(guò)玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱到1200~1300C的同時(shí)通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應(yīng)生成SiCCH3SiCl3+H2SiC+HCl+???

并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)SiC纖維70第70頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月71第71頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各種SiC纖維的性能比較纖維密度（g/cm3）彈性模量（GPa）拉伸強(qiáng)度（MPa）比模量(GPa/g/cm3)比強(qiáng)度（MPa/g/cm3）Nicalon

CVD-W芯CVD-C芯Tyranno晶須2.603.43.02.43.22504004002807002500360036002400~2000096.2117.6133.3116.7218.8961.51058.81200.01000.0~6250.072第72頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3晶須（Whisker）晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比和截面積小于5210-5cm2的單晶纖維材料。其直徑為0.1到幾個(gè)微米,長(zhǎng)度為數(shù)十到數(shù)千微米。但具有實(shí)用價(jià)值的晶須的直徑約為1-10微米,長(zhǎng)徑比在5–100之間。晶須是含缺陷很少的單晶纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。73第73頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ZnO晶須微觀形貌

74第74頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SiC晶須微觀形貌

75第75頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月76第76頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶須的制備方法有：化學(xué)氣相沉積（CVD）法、溶膠-凝膠法、氣液固法、液相生長(zhǎng)法、固相生長(zhǎng)法和原位生長(zhǎng)法等。制備陶瓷晶須經(jīng)常采用CVD法。即通過(guò)氣體原料在高溫下反應(yīng)，并沉積在襯底上而長(zhǎng)成晶須。77第77頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如CVD法制備SiC晶須的基本反應(yīng)式為：CH3SiCl3（g）+H2SiC+HCl（g）CVD法制備難溶金屬氮化物和碳化物的基本反應(yīng)式為：2MCl4（g）+4H2+N2=2MN（s）+8HCl（g）MCl4（g）+CH2=MC（s）+4HCl（g）78第78頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月VLS法制備SiC晶須的過(guò)程是：在預(yù)選高溫將觸媒固體顆粒（30m）熔化成液態(tài)觸媒球，通入氣相源(H2、CH4、SiO)，氣相中的碳、硅原子被液球吸收溶解形成過(guò)飽和的碳硅溶液，以SiC的形式沉積在支撐襯底上。沉積不斷進(jìn)行，晶須不斷生長(zhǎng)，觸媒球被生長(zhǎng)著的晶須抬起，繼續(xù)吸收、溶解和沉積。79第79頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固相生長(zhǎng)法的典型實(shí)例利用稻殼法制備SiC晶須具體反應(yīng)是：

稻殼(700-900C、無(wú)氧氣氛)SiO2(s)

+C(s)

SiO2（s）

+3C（s）

SiC+2CO(g)80第80頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶須不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且許多晶須具有各種特殊性能，可用來(lái)制備各種性能優(yōu)異的功能復(fù)合材料。晶須的成本較高，影響其應(yīng)用。目前已開(kāi)發(fā)出許多低成本晶須，如K2Ti6O13等。另外晶須在基體材料中的分散工藝也是目前需要解決的問(wèn)題之一。

81第81頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4顆粒（Particle）具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，加入到基體材料中起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量和韌性的作用。其成本低，易于批量生產(chǎn)。

82第82頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

另外，還有一種顆粒增強(qiáng)體稱為延性顆粒增強(qiáng)體（DuctileParticleReinforcement），主要為金屬顆粒，一般是加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中起到增韌作用。如Al2O3中加入Al、Ni，WC中加入Co等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學(xué)性能有所下降。

83第83頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5陶瓷基復(fù)合材料5.1陶瓷基復(fù)合材料概述

特種陶瓷具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，但其脆性大，耐熱震性能差，而且陶瓷材料對(duì)裂紋、氣孔和夾雜等細(xì)微的缺陷很敏感。陶瓷基復(fù)合材料使材料的韌性大大改善，同時(shí)其強(qiáng)度、模量有了提高。84第84頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷基復(fù)合材料的力–位移曲線85第85頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同金屬、陶瓷基體和陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性比較材料整體陶瓷顆粒增韌晶須增韌金屬Al203ZrO2/Al203SiC/Al203鋁鋼斷裂韌性2.7～4.26.5～158～1033～4444～6686第86頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝5.2.1粉末冶金法工藝流程：原料（陶瓷粉末、增強(qiáng)劑、粘結(jié)劑和助燒劑）均勻混合（球磨、超聲等）冷壓成形

（熱壓）燒結(jié)適用于顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。

87第87頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2漿體法（濕態(tài)法）為了克服粉末冶金法中各組元混合不均的問(wèn)題，可采用漿體（濕態(tài)）法制備顆粒、晶須和短纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。其混合體為漿體形式。混合體中各組元保持散凝狀。即在漿體中呈彌散分布。采用漿體浸漬法也可制備連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料。

88第88頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月漿體法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖89第89頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3反應(yīng)燒結(jié)法用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，除基體材料幾乎無(wú)收縮外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）增強(qiáng)劑的體積比可以相當(dāng)大；（2）可用多種連續(xù)纖維預(yù)制體；（3）大多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料的反應(yīng)燒結(jié)溫度低于陶瓷的燒結(jié)溫度，因此可避免纖維的損傷。此方法最大的缺點(diǎn)是高氣孔率難以避免。90第90頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)燒結(jié)法制備SiC/Si3N4基復(fù)合材料工藝流程圖91第91頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.4液態(tài)浸漬法用此方法制備陶瓷基復(fù)合材料，化學(xué)反應(yīng)、熔體粘度、熔體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是首要考慮的問(wèn)題，這些因素直接影響著材料的性能。陶瓷熔體可通過(guò)毛細(xì)作用滲入增強(qiáng)劑預(yù)制體的孔隙。施加壓力或抽真空將有利于浸漬過(guò)程。92第92頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液態(tài)浸漬法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖93第93頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.5直接氧化法按部件形狀制備增強(qiáng)體預(yù)制體，將隔板放在其表面上以阻止基體材料的生長(zhǎng)。熔化的金屬在氧氣的作用下發(fā)生直接氧化反應(yīng)形成所需的反應(yīng)產(chǎn)物。由于在氧化產(chǎn)物中的空隙管道的液吸作用，熔化金屬會(huì)連續(xù)不斷地供給到生長(zhǎng)前沿。

Al+空氣Al2O3

Al+氮?dú)釧lN

94第94頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直接氧化法制備陶瓷基復(fù)合材料示意圖95第95頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.6溶膠–凝膠（Sol–Gel）法溶膠（Sol）是由于化學(xué)反應(yīng)沉積而產(chǎn)生的微小顆粒（直徑100nm）的懸浮液；凝膠（Gel）是水分減少的溶膠，即比溶膠粘度大的膠體。Sol–Gel法是指金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠等過(guò)程而固化，再經(jīng)熱處理生成氧化物或其它化合物固體的方法。該方法可控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，使均勻性達(dá)到微米、納米甚至分子量級(jí)水平。96第96頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（1）Sol–Gel法制備SiO2陶瓷原理如下：Si(OR)4+4H2OSi(OH)4+4ROHSi(OH)4

SiO2+2H2O使用這種方法，可將各種增強(qiáng)劑加入基體溶膠中攪拌均勻，當(dāng)基體溶膠形成凝膠后，這些增強(qiáng)組元穩(wěn)定、均勻分布在基體中，經(jīng)過(guò)干燥或一定溫度熱處理，然后壓制燒結(jié)形成相應(yīng)的復(fù)合材料。97第97頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)溶膠–凝膠法也可以采用漿體浸漬法制備增強(qiáng)相預(yù)制體98第98頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.7化學(xué)氣相沉積法（CVD）是以氣態(tài)物質(zhì)為原料，在高溫下發(fā)生熱分解或化學(xué)反應(yīng)合成材料的一種方法。A(g)→B(s)+C(g)例如：CH3SiCl3(g)→SiO2(s)+3HCl(g)或：A(g)+

B(g)→C(s)＋D(g)

例如：SiCl4(g)＋O2(g)→SiO2(s)+Cl2(g)能夠制備碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等。生產(chǎn)效率降低，需14~21天。99第99頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CVD法制備纖維陶瓷基復(fù)合材料示意圖100第100頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.8化學(xué)氣相浸漬（CVI）法

與CVD法類似，不同點(diǎn)是氣源不僅熱分解或化學(xué)反應(yīng)，而且還與坯體表面的元素發(fā)生反應(yīng)，并在孔隙中沉積反應(yīng)產(chǎn)物。101第101頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.9其它方法（1）聚合物先驅(qū)體熱解法

以高分子聚合物為先驅(qū)體成型后使高分子先驅(qū)體發(fā)生熱解反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物質(zhì)，然后再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備成陶瓷基復(fù)合材料。此方法可精確控制產(chǎn)品的化學(xué)組成、純度以及形狀。最常用的高聚物是有機(jī)硅（聚碳硅烷、酚醛樹(shù)酯、瀝青等）。

102第102頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月制備工藝流程：制備增強(qiáng)劑預(yù)制體浸漬聚合物先驅(qū)體熱解

再浸漬再熱解……b.陶瓷粉+聚合物先驅(qū)體均勻混合模壓成型

熱解103第103頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)原位復(fù)合法

利用化學(xué)反應(yīng)生成增強(qiáng)組元—晶須或高長(zhǎng)徑比晶體來(lái)增強(qiáng)陶瓷基體的工藝稱為原位復(fù)合法。其關(guān)鍵是在陶瓷基體中均勻加入可生成晶須的元素或化合物，控制其生長(zhǎng)條件使在基體致密化過(guò)程中在原位同時(shí)生長(zhǎng)出晶須；或控制燒結(jié)工藝，在陶瓷液相燒結(jié)時(shí)生長(zhǎng)高長(zhǎng)徑比的晶相，最終形成陶瓷基復(fù)合材料。104第104頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如：復(fù)合材料-Si3N4(w)/Si3N4(p)的制備，Si3N4在Y2O3、La2O3、CeO2等稀土氧化物作為添加劑時(shí)能夠以晶須狀-Si3N4(存在。例如：復(fù)合材料-SiC(w)/-SiC(p)的制備，-SiC(p)在-SiC晶種（0.5%）及Y2O3和Al2O3存在的條件下，常壓1900℃×0.5h燒結(jié)后2000℃×5h熱處理，部分-SiC(p)-SiC(w)。例如：高壓電瓷中二次莫來(lái)石晶須的生成。105第105頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月106第106頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月107第107頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.3陶瓷基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì)5.3.1界面的粘結(jié)形式

（1）機(jī)械結(jié)合

（2）化學(xué)結(jié)合

陶瓷基復(fù)合材料往往在高溫下制備，由于增強(qiáng)體與基體的原子擴(kuò)散，在界面上更易形成固溶體和化合物。此時(shí)其界面是具有一定厚度的反應(yīng)區(qū)，它與基體和增強(qiáng)體都能較好的結(jié)合，但通常是脆性的。108第108頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.3.2界面的作用陶瓷基復(fù)合材料的界面一方面應(yīng)強(qiáng)到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強(qiáng)度；另一方面要弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉(zhuǎn)直到纖維的拔出。

109第109頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.3.3界面性能的改善

為了獲得最佳界面結(jié)合強(qiáng)度，希望避免界面化學(xué)反應(yīng)或盡量降低界面的化學(xué)反應(yīng)程度和范圍。實(shí)際當(dāng)中除選擇增強(qiáng)劑和基體在制備和材料服役期間能形成熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的界面外，就是纖維表面涂層處理。包括C、SiC、BN、ZrO2

和SnO2等。纖維表面涂層處理對(duì)纖維還可起到保護(hù)作用。纖維表面雙層涂層處理是最常用的方法。其中里面的涂層以達(dá)到鍵接及滑移的要求，而外部涂層在較高溫度下防止纖維機(jī)械性能降解。110第110頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.4增韌機(jī)理5.4.1顆粒增韌（1）非相變第二相顆粒增韌

假設(shè)第二相顆粒與基體不存在化學(xué)反應(yīng)，熱膨脹系數(shù)失配在第二相顆粒及周圍基體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)是陶瓷得到增韌的主要根源之一。

111第111頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)p

m時(shí)，當(dāng)顆粒處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而基體徑向處于拉伸狀態(tài)、切向處于壓縮狀態(tài)時(shí)，可能產(chǎn)生具有收斂性的環(huán)向微裂；裂紋在基體中發(fā)展，增加了裂紋擴(kuò)展路徑，因而增加了裂紋擴(kuò)展的阻力

112第112頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)p

m時(shí)，若顆粒在某一裂紋面內(nèi)，則裂紋向顆粒擴(kuò)展時(shí)將首先直接達(dá)到顆粒與基體的界面。此時(shí)如果外力不再增加，則裂紋就在此釘扎，這就是裂紋釘扎增韌機(jī)理的本質(zhì)。若外加應(yīng)力進(jìn)一步增大，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，或穿顆粒發(fā)生穿晶斷裂，或繞過(guò)顆粒，沿顆粒與基體的界面擴(kuò)展，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)。即使發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因偏轉(zhuǎn)程度較小，界面斷裂能低于基體斷裂能，增韌的幅度也較小。

113第113頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月114第114頁(yè)，課件共128頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）延性顆粒增韌

在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒能明顯提高材料的斷裂韌性。其增韌機(jī)理包括由于裂紋尖端形成的塑性變形區(qū)導(dǎo)致裂紋尖端屏蔽以及由延性顆粒形成的延性裂紋橋。當(dāng)基體與延性顆粒的和E值相等時(shí)，利用延性裂紋橋可達(dá)最佳