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1、复合材料(fhcilio)系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维(丝)纤维金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料粒子碳纤维碳纤维/金属基复合材料纤维/陶基复合材料纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶颗粒/树脂基复合材料有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶第1页/共28页第一页，共29页。2.分类：(1)按来源
2、分：天然复合材料、人工复合材料等(2)按基体分：树脂基、金属基、无机非金属基复合材料等(3)按增强体形态分：颗粒增强(particle-reinforced)短纤或晶须增强(choppedfiberorwhiskersreinforced)连续长纤增强(continuousfiber-reinforced)三 维 编 织 布 增 强 (braided fabric or filament winding-reinforced)(4)按应用分：结构(jigu)、功能、智能复合材料等(5)按增强材料品种分：玻纤、碳纤、有机纤维复合材料等(6)按特定含义分：通用、先进、现代、近代、混杂、纳米、原位、
3、分子、宏观复合材料等第2页/共28页第二页，共29页。3-5-2复合材料的组成复合材料的组成(zchn)与特性与特性1.概述概述聚合物基复合材料聚合物基复合材料(polyme-matrixcomposites,PMC)金属基复合材料金属基复合材料(metal-matrixcomposites,MMC)陶陶 瓷瓷 基基 复复 合合 材材 料料 (ceramics Matrix Composition,CMC)碳碳/碳复合材料碳复合材料(carbon-carboncomposites,C/C)无机胶凝基复合材料无机胶凝基复合材料(fiberreinforcedconcrete,FRC)第3页/共2
4、8页第三页，共29页。（1）组成(composition)基体(matrix):即连续相增强材料(reinforcement)（复合体系的系统组合、排列给复合材料巨大的发展空间，原则上，基体与增强体结构与性能差异越大，愈具复合价值，但更为重要的是基体与增强体之间的匹配。）A.颗粒增强体：高强度、高模量、耐高温的陶瓷和石墨等非金属材料的微细粉末，主要起增强、增韧作用，而不是普通填料的填充体积或降低成本的作用，增强体价格往往比基体还贵。刚性颗粒增强体：主要为无机非金属颗粒，如碳化硅、氧化铝、细金刚石等，主要起到提高强度、模量的作用；延性颗粒增强体：主要为金属颗粒，一般(ybn)是加到陶瓷基体和玻璃
5、陶瓷基体中增加材料的韧性，但金属颗粒的加入会使材料的高温力学性能有所下降。第4页/共28页第四页，共29页。B. 短 纤 维 （ 晶 须 ） (chopped fiber orwhisker)：长径比51000之间，横截面积小于52105cm2（当量直径约110m）的含缺陷很少的单晶纤维，其模量和强度(qingd)接近其纯晶体的理论值。主要有金属晶须、氧化物晶须、氮化物晶须、硼化物晶须和无机盐类晶须。C. 纤 维 及 其 织 物 (braided fabric orfilamentwinding)：植物纤维、动物纤维、碳物纤维、合成纤维等第5页/共28页第五页，共29页。（2）复合材料的特性(
6、character)一般特性：a.可设计性；b.构件复合与成型一次性完成，整体性好；c.性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数甚至一些偶然性因素都十分敏感，难以精确控制结构和性能；d.多种复合效应(xioyng)；一般性能特点：a.比强度、比模量大；b.破坏安全性高；c.耐疲劳性好；d.阻尼减震性好；e.耐烧蚀性能好；第6页/共28页第六页，共29页。2.PMC的组成(1)基体热固性基体(thermosettingmatrix)：i) 熔 体 或 溶 液 粘 度 低 ， 易 于 浸 渍 与 浸 润 ， 成 型(chngxng)工艺性好ii)交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆热塑性
7、基体(thermoplasticmatrix)：i)溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型(chngxng)，工艺性差ii)线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好(2)增强体：主要有碳纤维、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理与表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复杂化。第7页/共28页第七页，共29页。第8页/共28页第八页，共29页。3.MMC(1)基体：Al、Mg、Ti、Ni等轻金属及其它们的合金(2)增强体：强度、模量和熔点(rngdin)远高于金属基体的金属或非金属材料。主要有：硼纤维、碳纤维、SiC纤维、A
8、l2O3纤维钨丝、钢丝、不锈钢丝陶瓷颗粒、晶须等特点：除保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，适合于用作中、高温结构材料。第9页/共28页第九页，共29页。4.CMC(1)基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等陶瓷陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差且对裂纹、气孔和混杂物等细微(xwi)缺陷敏感，易突然失效(2)增强材料：碳纤维、硼纤维、氧化铝-硼酸盐、纤维钨丝、铌丝、不锈钢丝、SiC晶须、SiN4晶须、ZrO颗粒等复合的目的不是提高模
9、量与强度，而是对陶瓷基体增韧CMC仍以烧结成型为主，由于基体与增强体都具有高模量、高耐温特点，残余应力很大，可能导致微裂纹。第10页/共28页第十页，共29页。第11页/共28页第十一页，共29页。5.C/C复合材料化学组成单一，C元素，但C的形态与结构十分复杂(1)基体碳：i)CVD碳（化学气相沉积）；ii)树脂碳（含碳化率高的高分子物质的碳化来获得）；iii)沥青碳(2)增强体：高性能(xngnng)碳纤维及其织物(3)性能(xngnng)特点：保持碳材料的特性，如：密度低、低蠕变、高导热、高抗热震性、高耐温、耐烧蚀等的同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能(xngnng)随温度升高而升
10、高的特点缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松因此，现在C/C复合材料研究主要集中在：高性能(xngnng)碳纤维；碳基体的致密化；高温氧化防护技术等方面。第12页/共28页第十二页，共29页。6.无机(wj)胶凝复合材料（FRC）气硬性胶凝材料：只能在空气中不能在水中硬化。如石灰、石膏、镁质胶凝材料等水硬性胶凝材料：既能在空气中，又能在水中硬化（常称为水泥）。如：硅酸盐水泥、锂酸盐水泥、硫酸铝水泥、磷酸盐水泥等。水泥(shun)的凝结硬化过程是一个复杂的物理和化学过程，硬化后的水泥(shun)是由晶体、凝胶体、未水化颗粒、游离水、气孔等组成的多相不均质结构体，这一结构特征材料抗拉强度低，冲击韧性
11、差（性脆），易突然失效，不能作结构材料。增强纤维：金属纤维、无机纤维、合成纤维、植物纤维等复合的目的是增强、增韧，用作结构材料。尤其是钢纤维，能有效提高混凝土的韧性与强度，钢纤维的长度对混凝土基复合材料的施工工艺和力学性能有着决定性的影响。第13页/共28页第十三页，共29页。3-5-1复复合合材材料料(fhcilio)的的结结构构(structureofcomposites)复合材料的结构形式丰富多彩，具有很好的可设计性。结构形式的变化主要取决于增强体或功能体的结构与形态及在基体（连续相）中的分布或排布情况。主要结构形式有：无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短纤维）(randomlyo
12、riented)连续长纤单向增强结构（单向板）(aligned)层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层不同)(laminate)三维编织体增强结构(braidedfabricorfilamentwinding)夹层结构（蜂窝夹层等）(sandwichconstructure)混杂结构(hybridconstructure)第14页/共28页第十四页，共29页。引入相的“连通性”概念，理论上可将复合材料结构(jigu)划分为0-3型、1-3型、2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构(jigu)第15页/共28页第十五页，共29页。三维编织纤维结构三维正交非织造的纤维结构(a)非线性法平
13、面增强(zngqing)(b)一种开式格状结构(c）一种柔性结构管、容器的螺旋缠绕(chnro)平面缠绕(chnro)线型第16页/共28页第十六页，共29页。各种玻璃各种玻璃(bl)夹层结构夹层结构第17页/共28页第十七页，共29页。混杂复合材料混杂复合材料(fhcilio)的混杂类型的混杂类型第18页/共28页第十八页，共29页。3-5-4复合材料的界面复合材料的界面(interfaceofcomposites)基本概念和界面现象基本概念和界面现象基基本本概概念念：是是一一层层具具有有一一定定厚厚度度（纳纳米米以以上上）和和一一定定形形状状与与体体积积，其其结结构构随随基基体体和和增增强
14、强体体而而异异并与基体和增强体有明显差别的新相并与基体和增强体有明显差别的新相-界面相（或称界面层）。界面相（或称界面层）。界界面面层层的的形形成成涉涉及及增增强强体体和和基基体体互互相相接接触触时时，在在一一定定条条件件下下，复复杂杂的的物物理理化化学学作作用用和和化化学学反反应应过过程程(guchng)，同同时时也也包包括括在在增增强强体体表表面面上上预预先先涂涂覆覆的的表表面面处处理理剂剂层层和和经经表表面面处处理理工工艺艺而而发发生生反应的表面层。反应的表面层。界界面面层层时时一一个个独独立立相相，除除具具有有一一定定厚厚度度和和具具有有一一定定体体积积和和复复杂杂的的形形状状外外，其
15、其性性能能在在厚厚度度方方向向上上有一定的梯度变化，且随环境条件变化而改变。有一定的梯度变化，且随环境条件变化而改变。在结构复合材料中，界面(jimin)最重要的作用在于在增强相与基体之间传递和分散载荷（应力）。因此，其结构和性能对复合材料的力学性能起着重要的作用。第19页/共28页第十九页，共29页。2.复合材料的界面(jimin)形成过程PMC、MMC、CMC、C/C等复合材料体系对界面(jimin)要求各不相同它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面(jimin)形成过程十分复杂，但理论上大致可分为三个阶段。（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。i)界面(jimi
16、n)设计与控制的重要手段ii)改性层成为最终界面(jimin)层的重要组成部分iii)为第二阶段作准备（2）第二阶段：增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程i)接触吸附与浸润交互扩散化学结合或物理结合。化学结合可看作是一种特殊的浸润过程ii)是增强体与基体形成紧密接触而导致良好结合的必要条件。第20页/共28页第二十页，共29页。（3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应i)界面的固定ii)界面的稳定因此(ync)，复合材料界面的形成包括液体在固体表面吸附、浸润和粘结（固化）以及两个固体（或液体）表面间接触后的交互扩散与粘结两个基本类型。在复合材料界面形
17、成过程中涉及：i)界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程ii)界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程iii)后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程第21页/共28页第二十一页，共29页。3.复合材料界面结构与性能特点(structureandpropertycharactersoftheinterlayer)：i)非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分ii)具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料性能特征iii)
18、界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米(nm)复合材料）则界面效应显著：这是复合材料复合效应产生的根源iv)界面缺陷形式多样，对复合材料性能影响十分敏感第22页/共28页第二十二页，共29页。如：如：PMC界面界面(jimin)区域区域(interfacezoneofPMC)示意图示意图1-外力场；外力场；2-树脂基体；树脂基体；3-基体表面区；基体表面区；4-相互渗透区；相互渗透区；5-增强剂表面区；增强剂表面区；6-增强剂增强剂关于(guny)各类复合材料的界面结构，请参见课本p242245第23页/共28页第二十三页，共29页。7.复合材料的界面处理(interfacefini
19、shing)（1）玻纤的表面处理有机(yuj)硅烷类偶联剂有机(yuj)酸氯化铬络合物偶联剂偶联剂的作用(functionsofcouplingagent)：在两相界面形成化学键，大幅度提高界面粘接强度改善了界面对应力的传递效果提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性第24页/共28页第二十四页，共29页。偶偶联联剂剂的的功功能能：（a）有有机机硅硅烷烷水水解解形形成成硅硅醇醇；（b）硅硅醇醇的的羟羟基基与与玻玻璃璃表表面面的的羟羟基基形形成成氢氢键键而而结结合合(jih)；（c）硅硅醇醇分分子子之之间
20、间发发生生缩缩合合反反应应，形形成成结结在在玻玻璃璃表表面面的的聚聚硅硅氧氧烷烷；（d）R基基团团与与聚聚合合物物树树脂脂中中的的活活性性官官能能团团反反应应形形成成稳稳定定的的共价键。共价键。例如(lr)：第25页/共28页第二十五页，共29页。补充(bchng)：有机无机杂化材料第26页/共28页第二十六页，共29页。（2）碳纤维的表面(biomin)处理碳 纤 维处理氧化处理氧等离子气体的干法氧化化学或电解进行的湿法氧化非氧化处理表面沉积无定型碳化学气相沉积（CVD）法加涂碳化硅、碳化硼、碳化铬等等离子体气体聚合及共聚涂层改性高效晶须化碳纤维氧化处理后：能改善碳纤维表面与基体的浸润性、相容性能在表面形成许多活性官能团，这些官能团能与树脂基体形成化学键合非氧化处理，主要用于C/C复合(fh)、CMC、MMC复合(fh)体系第27页/共28页第二十七页，共29页。感谢您的观赏(gunshng)！第28页/共28页第二十八页，共29页。内容(nirng)总结复合材料系统组合。a.比强度、比模量大。陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差。混杂复合材料的混杂类型。i)接触吸附与浸润交互扩散化学结合或物理结合。性能随厚度(hud)方向变化而变化，具有“梯度”材料。能在表面形成许多活性官能团，这些官能团能与树脂。感谢您的观赏第二十九页，共29页。
