第13章复合材料基础
第十三章复合材料基础 第一节 一、复合材料的定义1．材料复合的作用 对金属材料而言，其优点是优良的延展性和可加工性。
其缺点是强度相对 低，如铝；耐热、耐磨、耐蚀性差。
而陶瓷材料的优点是强度高、耐热、耐磨、 耐蚀性好，但很脆，加工性能差。
所以复合后利用两者的优势互补，提高性能。
2．复合材料的定义 采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态（如连续相：基 体；不连续体：增强相）与性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高 材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。
（2）复合材料起源：1942 年玻璃钢的制备（玻璃纤维织网浸于含芳基脂系非 饱和聚酯树脂中固化制得的高弹性、高强度的树脂板）。
（3）复合材料学科的形成：以B、SiC、Al2O3、C 等粒子、晶须、纤维为增强相，以复合材料迅速发展而形成。
2．具体复合材料的发展概况 （1）纤维增强高分子复合材料：其应用最广泛。
如航天，交通等。
（2）金属基复合材料：发展潜力最大的高性能结构材料。
其优点是强度高、韧性好、稳定性好。
三、复合材料的分类与命名 1．分类 （1）按用途分为结构材料（用于制造受力构件的复合材料）和功能材料（具有各种特殊性能，如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）两类。
（2）按复合材料各成分在材料集散情况，分为三类：分散（掺和）强化型复合材料、层状（结合型）复合材料、梯度（功能型）复合材料。
（3）按基体材料类型分为金属基复合材料（如铝基复合材料、钛基复合材料 等）、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料。
（4）按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强 型复合材料。
2．命名 某某复合材料：包括层状等其他类型的复合材料，如金属复合材料。
四、复合材料的特性 （一）分散强化型复合材料：指一种（或一种以上）的材料（强化相）分散在 另一种材料（基体）之中的一类复合材料。
1．金属基复合材料 （1）成分：以金属为基体。
增强材料为颗粒的有氮化物、碳化物、硼化物、 氧化物陶瓷，还有晶须，短纤维和连续纤维。
（2）性能：高比强度、高比模量、良好的导热导电性、热膨胀系数小、尺寸 稳定性好、良好的高温性能、耐磨性好、良好的疲劳性能和断裂韧性、不吸潮、 不老化、气密性好。
2．陶瓷基复合材料 （1）成分：以陶瓷类材料（包括玻璃和水泥）为基体，增强材料有陶瓷颗粒、 晶须、纤维。
（B）功能陶瓷包括半导体材料、敏感（热敏、光敏、气敏、压敏、温敏）材料、绝缘材料、高温超导材料等具有新的功能。
（a）热固性树脂主要有不饱和聚酯树脂（顺酐型、丙烯酸型、丙烯酯型，前两者占玻璃钢树脂总量的80％以上）、环氧树脂、酚醛树脂； （b）热塑性树脂的主要品种有：聚烯烃【聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚丁 烃及它们的共聚物】、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚丙醚 （PPO）、聚丙硫醚（PPS）、聚砜（PSU）、聚酰亚胺（PI）。
（B）增强材料：颗粒、有机纤维、无机纤维。
（a）颗粒：Al2O3 等陶瓷颗粒、热塑性树脂粉末（用于功能复合材料，如增加平滑性、绝缘性，降低吸水率，减少收缩）； （b）有机纤维包括聚芳酰胺纤维和尼龙纤维； （c）无机纤维的主要品种有：碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维、复合纤维（如 B/W、SiC/Wtffu）、晶须（如SiC）。
（2）性能：比强度、比模量高，耐疲劳性能好，减震性好，各向异性好，以及性能可设计性。
（二）层状复合材料：不是一种材料分散于另一种材料之中，而是各组元材料 自成一个或数个整体，组元之间通过界面接合而复合成一体。
传统的包腹材料， 如铝包钢线、复合钢板（多层复合板）是典型的层状复合材料。
（三）梯度功能材料：属于分散强化型复合材料，只是组元的含量沿某一方向 产生连功能材料。
组元梯度化的目的是为了实现材料性能的梯度化，赋予材料多种性能，以满足一些特殊的使用要求。
五、复合材料的应用 复合材料的应用十分广泛，几乎包括日常生活、化学化工、电子、石油、 食品、航空航天、国防等所有部门与领域。
1．金属复合材料 金属复合材料中以层状复合材料应用面最广、产量最大，如铝包钢导线、 刚性电车导线、低温超导材料、各种复合板、双金属管等。
2．陶瓷复合材料 目前，陶瓷复合材料主要应用在耐磨、耐蚀、耐高温以及对于强度、比强度、质量有较为特殊要求的材料等方面。
作为高温结构件的陶瓷复合材料，较为 成功的应用实例是轿车发动机涡轮增压器用转子材料（Si3N4 基复合材料），其 工作温度为900 度，最高转速达每分十几万转。
Si3N4 基复合材料的另一典型应用是耐磨材料，如耐磨轴承、刀具等。
3．高分子复合材料 高分子复合材料在日常生活、化工、船舶、航天与航空、电子与通信、工程结构材料等方面具有极为广泛的应用。
例如，玻璃钢大量用于船舶、化工冷凝 塔等的结构材料；人造革与人们的日常生活紧密相关；高强度纤维强化高分子复合材料大量用于军用飞机结构材料、降落伞绳等。
第二节 复合材料的界面 一、界面的定义 从微观角度看，任何两相之间无绝然界面（互相渗透）。
一般把增强相与基 体之间化学或成分显著变化、构成彼此结合的，能传递载荷作用的区域，称为 界面。
界面在复合材料中所占的比例很大。
二、界面对复合材料性能的影响 1．复合材料内界面结合强度是影响复合效果的最主要因素。
2．影响界面结合强度的因素 （1）复合材料组成与结构形成：一般认为纤维状的强化相与基体之间的结合 强度，比颗粒状的强化相的要好。
（2）组元的物理与化学性能：强化相与基体热膨胀系数是否一致，相差过大会影响结合强度；能否产生界面浸润、扩散或化学反应。
（3）制备与成形工艺：工艺不同，对界面产生浸润、扩散、化学反应的影响 不同。
三、界面结合形式 1．粘结结合 粘结结合是指基体与增强相之间通过粘结作用而形成的一种界面结合形式。
关于粘结结合的机理，主要有以下四种理论。
（1）表面润湿理论 界面结合靠液态基体对增强相（固相）润湿作用，其界面结合模式主要有两种： 机械粘结：固态增强相的表面存在许多微小的凹凸、孔隙与裂纹，液态基体浸入这些微小缺陷中而形成机械铆钉式的结合作用。
物理吸附：润湿作用的实质，就是基体与增强相之间发生了具有范德华力的物理吸附作用，范德华力所形成的偶极－偶极键、偶极－诱导偶极键、氢键等 构成粘结界面的物理结合力。
（2）化学键理论 界面结合力由基体与增强相表面之间产生化学建（如共价键）引起。
当对 强化相表面进行处理时，许多情形下就是在强化相的表面形成能与基体和强化相 表面之间产生化学作用的涂层，以获得理想的界面粘结强度。
（3）可形变层理论 由于强化相与基体的热膨胀系数不同或基体的固化收缩而引起附加应力， 从而产生应力集中造成微裂纹，经处理的强化相表面形成塑性层以松弛界面附近 应力集中，同时存在机械啮合现象。
（4）扩即散层理论 由于界面上形成扩散层，发生扩散现象而实现界面粘结。
复合材料的性能包括三个方面： （A）物理性能：包括密度、线膨胀系数、热传导率以及电磁性能等。
（B）机械性能：主要有弹性系数、强度、断裂韧性与耐磨性能等 （C）可加工性能：指对所制得的复合材料进行二次加工（赋予材料以所需形状或直接加工成制品的塑性变形或机加工）的性能。
（2）制备与加工工艺设计：由于复合材料的加工性能较差，在进行复合材料 的设计时，必须充分考虑制备的难易程度以及后续加工的可能性，尽可能的减少 后续加工量。
（3）经济性：即综合考虑原材料成本、制备与加工的难易程度、生产率等因素对复合材料价格的影响。
二、复合准则 1．概念：在进行复合材料的性能设计时，需要知道组元材料的性能与复合材料 性能之间的关系，此关系就称为复合准则，简称为 ROM。
用于复合材料的弹性 系数、强度、导电导热等性能设计的准则，主要有简单复合准则和基于弹性理论 的复合准则。
主要介绍简单复合准则。
2．简单复合准则 假设复合材料的性能与组元的体积分数成正比，即有如下一般关系： Pcn=Σ(Pi)nVi 时，称为并列模型：Pc＝Pm Vm＋Pr Vr Pc＝Vm/Pm+ Vr/ Pr 时，成为常数恒等式。
但又是一个较为不敏感的材料特性量，因此对于满足 上表的复合材料，采用简单复合准则，一般也能得到较好的近似结果。
四、强度设计 1．Shearlag 模型（适用于短纤维与晶须为强化相得复合材料，不适合 颗粒）σyc=σym(Vm+VrAs/2) 若进一步考虑在基体中纤维两端受到约束作用时，则上述模型改良为： σyc=σym 式中：σyc 和σym 分别表示复合材料和基体材料的屈服应力。
（3）晶粒与亚晶粒强化：添加细小颗粒导致的晶粒细化。
以上机制都是从微观组织来解释强度变化的。
五、韧性设计 1．陶瓷复合材料的韧化机制 防护机制：指可以缓和裂纹尖端应力集中，从而减缓或阻止裂纹的扩展，提高材料韧性的机制。
桥梁机制：强化相直接承受压力，阻止裂纹扩展【对裂纹施加一种闭合作用力（桥接作用）】 非桥梁机制：强化相不直接承受应力，但在裂纹尖端形成附加压应力场的机制。
相变机制：典型的是部分稳定ZrO2 复合材料，由于存在少量不稳定的， 裂纹尖端附近应力集中部位的拉应力将会诱发t- ZrO2m- ZrO2 相变，使体积膨胀，在裂纹尖端附近形成膨胀，在裂纹尖端附近形成膨胀压缩压变场，从而导致 压应力场的产生，起到阻碍裂纹扩展的作用。
微裂纹机制：微裂纹的产生将在其周围产生压应力场。
主裂纹尖端引入微裂纹，形成压应力场，阻碍主裂纹扩展。
残余应力机制：通过复合，材料内部产生一定的残余压应力场，不利裂纹扩展。
（2）非防护机制：由于强化相的存在，迫使裂纹需要不断改变扩展方向，或 使裂纹产生弯曲，使得其扩展需要消耗附加能量。
裂纹偏转机制：由于强化相存在，使裂纹在材料中扩展发生偏转（呈锯齿形扩展），导致能量消耗而使扩展困难。
弯曲机制：强化相对裂纹的扩展起阻碍作用，使裂纹的先端路径产生弯曲，扩展所需能量增加。
2.韧性与强度的关系 陶瓷基复合材料：加入适当的强化相，利用上述增韧机制，可使强度与韧性同时提高。
5．耐磨性：加少量强化颗粒可提高耐磨性。
七、可加工性与加工工艺设计 一般说来，为了提高颗粒弥散强化复合材料的强度和弹性系数，降低其线膨胀系数，需要提高强化颗粒的含量。
然而，强化颗粒的增加往往导致复合材料可 加工性的大幅度降低。
例如，延性和韧性的降低、硬度的增加等，将使材料的切削性能下降，挤压时模子的磨损增大，可锻造性劣化。