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1、第一章概论1. 1物质与材料材料：具有满意指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质人类（材料）进展的四大阶段：石器时代T青铜时代T铁器时代T人工合成时代1.2复合材料的定义与特点复合材料：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起来，而得到的具有复合效应的多相固体材料。特点：人为选择复合材料的组分和比例，具有极强的可设计性。组分保留各自固有的物化特性复合材料的邂不仅取决于各组分性能，同时与复合效应有关组分间存在这明显的界面,并可在界面处发生反应形成过渡层,是一种多相材料简述复合材料的特点。比强度、比模量大 耐疲惫性能好，聚合物基复合材料中，纤维与基体的界面能阻挡裂纹的
2、扩展,破坏是渐渐进展的，破坏前有明显的预兆。 减震性好，复合材料中的基体界面具有吸震力量,因而振动阻尼高。耐烧蚀性能好,因其比热大、熔融热和气化热大，高温下能汲取大量热能，是良好的耐烧蚀材料。工艺性好，制造制品的工艺简洁，并且过载时平安性好。1.3 组成与命名以增加体和基体共同命名时：玻璃纤维增加环氧树脂基复合材料P、wf下标T颗粒、晶须、纤维MMCS金属基复合材料，聚合物基复合材料PMCs,陶瓷基复合材料CMCS1.4 分类按基体：聚合物基，金属基，无机非金属基（陶瓷、玻璃、水泥、石墨）复合材料按纤维增加体种类：玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、陶瓷纤维按增加体形态：连续纤维，短纤维，颗粒，晶须增
3、加近代的复合材料以1942年制出的玻璃纤维增加塑料为起点其次率增加体2.1增加体（起到增韧、耐磨、耐热、耐蚀等提高和改善性能的作用）纤维是具有较大长径比的材料，具有较高的强度，良好的柔曲性，高比强度，高比模量，与基体相容性好，成本低工艺学好玻璃纤维：非晶型无机纤维，二氧化硅（形成骨架，高熔点）和其他元素的碱金属氧化物（二氧化硅提高GF化学稳定性，碱金属降低熔点和稳定性，改善制备工艺）性能T力学：无屈服无塑性，脆性特征，拉伸强度高，模量较低，直径越小，长度越短，含碱量越低，拉伸强度越高，与水作用强度降低T热性能：耐热性较高，玻璃纤维热处理使微裂纹增加，强度降低T电性能：电绝缘性能优，在纤维表面涂
4、石墨或金属成为导电纤维T玻璃耐酸碱、有机溶剂性能好，玻璃纤维耐蚀性能变差E无碱玻璃纤维：绝缘，机械性能强，耐水性好C中碱玻璃纤维：耐酸性好（酸与硅酸盐生成氧化硅爱护膜），耐水性差，A有碱玻璃纤维结构：微晶结构假说和网络结构假说，GF为无定形结构，三维网状结构，各向同性。直径在微米级别。制备：培蜗法，池窑法（节能50%）硼纤维半导体性质，硬度仅次于金刚石，在芯材（鸨丝）上沉积不定型的原子硼，具有高强度、高模量和高硬度,脆性材料，高温性能好,耐磨损耐腐蚀，抗压缩性能好制备：卤化硼反应法（鸨丝和碳丝）T碳芯硼和鸨芯硼，结构取决于硼的沉积条件，温度改善：需要对硼纤维表面（表面能高）进行涂层（碳化硅）阻
5、挡界面的有害反应结构：无定形硼，12个硼原子组成的20面体，碳纤维是有机纤维经过固相反应转变而成的多晶纤维状聚合物碳，无机非金属材料（不属于有机、无极纤维），直径约8微米，密度小分类：按原丝类型分为聚丙烯腊PAN基（拉伸强度高）、粘胶基（拉伸模量大）、沥青基、木质素纤维基及其他有机纤维基碳纤维制备：有机纤维碳化法（并非全部有机纤维都能制备碳纤维）拉丝（纺丝）牵引T稳定化（加热预氧化处理）T碳化（惰性气氛10002000oC,形成碳纤维，非碳原子被移除）T石墨化（氨气下20003000C石墨化结晶，碳纤维转变为石墨纤维）T表面处理（碳的活性低，提高表面活性）石墨化程度随温度上升而提高，模量也随之
6、增加性能：吸水率低，汲取有毒气体，耐磨，具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高导热、低热膨胀具有柔顺性和可编织性（有脆性，抗冲击性和抗氧化性差,裂缝、空穴、气泡）碳化硅纤维：陶瓷纤维，直径0.11微米性能：吸波力量强（吸波隐身）高比强度、比模量、高温抗氧化性、耐烧蚀性、耐冲击性好制备：化学气相沉积法：碳化硅沉积在芯丝表面2.2晶须：直径小于3微米的单晶体生长的短纤维特点：单晶直径小缺陷少，强度高、模量大，有陶瓷晶须（氧化铝和碳化硅晶须）和金属（铜、铁、锲）晶须制备：焦化法（原料稻谷制备碳化硅晶须）、CVD（碳化硅）、气相反应法（氧化铝晶须和石墨晶须）电弧法（碳及石墨品须）、
7、气固法、气液固法（碳化硅及碳晶须）2.3颗粒（零维）增加体（增加效果不及晶须和纤维）分类：刚性颗粒（陶瓷颗粒）有碳化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等可提高复合材料的高温性能、耐磨性能、硬度和耐蚀性能T制造热结构零件、轴承延性颗粒：金属颗粒加入陶瓷、玻璃等脆性基体增加韧性2.6有机高分子纤维：芳香族聚酰胺纤维（芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维）、芳杳族聚酯纤维，超高分子量聚乙烯纤维PPTA（聚对苯二甲酰对苯二胺）高模量、耐高温、低密度韧性好，比强度极高，耐酸碱，耐水性差，耐磨性好，绝缘（溶解性差，耐光性差，抗压强度低）第三章符合理论3.2复合效应复合效应是指将组分A、B两种材料复合起来，得到同时具有两种组分
8、的性能特征的综合效果。3.21线性效应1 .平均效应（混合效应）：复材的某项性能KC=组成各组分的性能乘以该组分的体积分数之和2 .平行效应：KC与某一组分的性能相当3 .相补效应：组分复合后，互补缺点产生优异的综合性能4 .相抵效应：（负的效应）322非线性效应1 .相乘效应：把两种具有能量（信息）转换功能的组分复合起来,使相同的功能得到复合，而不同的功能得到新的转换。如压磁效应X磁阻效应T压阻效应2 .诱导效应：在复材两相的界面上,一项对另一项产生诱导作用，形成新的界面层上有特别结构，使复材在传递载荷的力量上有特别性3 .系统效应：将不具备某种性能的各组分复合后产生单个组分不具有的电旌熊4
9、 .共振效应：A组分与另一组份复合后使其大部分性能受到抑制，某一性能能充分发挥33复合材料的增加机制3.3.1颗粒（P）增加机制颗粒在基体中弥散匀称分布，阻碍位错运动，提高位错密度强化基体，提高强度。颗粒切过机制（颗粒直径较大，自身强度不高）颗粒与基体的界面结合良好，外加应力足够大，位错可以通过颗粒，发生位错切过现象。颗粒阻碍位错运动的力量越强，强化效果越好。颗粒未切过机制（颗粒尺寸在nm级别，自身强度高）颗粒弥散分布在基体中，无法被位错切过，外加载荷由基体担当。1）奥罗万机制（高温高外加应力）：位错通过弥散颗粒消失拱弯现象，留下位错环，尺寸约小，强化效果越好2）位错攀移机制（高温低外加应力）
10、局部和完整攀移（位错攀移越过粒子后从粒子处脱离的最大外力脱离门槛应力）和攀移门槛应力（位错攀移粒子时所需应力）是奥罗万应力（位错通过颗粒的临界应力）和松弛参数K的函数0.94,是局部门槛应力颗粒增加的其他机制I）Hall-Petch强化是通过增加体颗粒的钉扎作用（可钉扎基体的位错、晶界，亚晶界），细化基体晶粒的细晶强化作用（非直接的强化机制）2）残余应力场强化机制：颗粒与基体存在的膨胀系数的差异会在颗粒四周产生残余应力场，导致在基体中扩展的裂纹偏转方向时需消耗更多的能量，使复材增韧补强。3）位错强化机制：残余应力场使得基体中的位错密度增加从而强化基体影响颗粒强化的因素：颗粒的自身性质、与基体的
11、结合界面、基体的性质、制备工艺3. 3.2纤维增加原理纤维增加复材的基体一般是聚合物，结构设计一般为层板理论：纤维增加复材是由单向层片根据肯定的挨次叠放而成的。复材的性能与组分性能、组分分布、组分间的物化作用有关。单向长纤维1）纵向强度与刚度初始阶段时：可认为基体、纤维、复材具有相同的应变，沿纤维方向的应力由纤维与基体共同担当混合法则：纤维和基体对复材的应力、弹性模量的贡献正比于各自的体积分数组分材料的载荷承载比与纤维的体积比和纤维与基体的弹性模量比有关，在给定的纤维/基体系统中，应提高纤维的体积分数断裂强度：当基体的断裂应变纤维的断裂应变（纤维先断裂）：当Vf（纤维体积分数）小，基体能够担当
12、纤维断裂后转移的全部载荷；Vf大，基体不能承载，复材断裂3.4陶瓷基复合材料的强韧机理陶瓷脆性大，加入颗粒、晶须和纤维增加强度和增韧纤维：碳纤维（应用多，采纳有机母体的热氧化和石墨化制取）玻璃纤维成本低廉，表面的爱护膜可增加与基体的连接增加体硼纤维无定形结构，强度为晶体硼的一般一晶须：碳化硅、氧化铝、氮化硅颗粒：增韧效果不及晶须和纤维，但制备工艺简洁，有碳化硅晶须的强韧机理:晶须桥联、晶须拔出（主要形式）与裂纹转向纤维增韧:纤维脱黏、纤维拔出（主要）、纤维桥联晶须桥联：基体消失裂纹后，连续承载外界载荷在基体裂纹相对的两面之间形成桥联结构,晶须产生一个使基体闭合的作用力消耗外载荷使材料韧性增加裂
13、纹偏转：晶须对裂纹的扩展产生阻挡作用，使裂纹扩展方向发生偏转，晶须长径比越大，增韧效果愈好。第四聿复合材料的界面理论4.1界面：组分材料间存在着结合层，该层具有肯定的厚度，结构不同于基体和增加体，另成一相或多相。（基体与增加体之间化学成分有显著变化的、能够彼此结合传递载荷的微小区域）界面分类：共格、半共格、非共格机械结合界面：靠增加体与基体间摩擦力结合，溶解与润湿结合界面，界面发生原子集中和溶解，反应结合界面：界面发生化学反应交换反应结合界面，发生化学反应并通过集中发生元素交换混合结合界面界面作用：传递载荷，阻断裂纹扩展、位错运动、缓解应力集中，物理性能不连续性，诱导性能4. 3增加体的表面处
14、理在增加体的表面进行涂层，具有浸泗剂、偶联剂和助剂的功能，利于增加体与基体间形成良好的界面结构，改善复材的性能。4. 3.1玻璃纤维表面处理剂（偶联剂）为有机络络合物类，含有机团R能与树脂反应，应用最广的是沃兰（R转变），沃兰作用原理（偶联剂与纤维良好结合）:沃兰水解（氯原子水解变成羟基）玻璃纤维GF吸水，生产羟基沃兰与吸水的GF表面反应形成氢键干燥脱水，沃兰与GF表面之间发生缩合醒化反应接着R基团与基体树脂反应，从而纤维与基体通过偶联剂结合,界面结合强度随格含量增加而提高。还有有机硅烷作用原理类似，官能团X与GF表面反应，有机基团与树脂反应O4. 3.2碳纤维CF具有沿纤维轴择优取向的同质多
15、晶结构，使其与树脂的界面结合力不大，尤其是石墨碳纤维，表面处理方法有：1）氧化法（气相、液相、阳极电解氧化）2）表面晶须化法（将CF在高温的晶须生长炉中表面沉积生长晶须，提高CF与基体的粘结力3）蒸汽沉积法（高温裂解乙快或甲烷生成的碳沉积在CF上，沉积的碳活性大，增加界面结合力）4）电沉积法（电化学法使聚合物沉积在CF表面）5）等离子体法4.4界面表征方法（表征界面的形态、成分、结构、残余应力、结合强度）界面形态的表征1 .透射电镜TEM是把经加速和聚集的电子束（波长很短）投射到特别薄的样品（nm级别）上，电子与样品中的原子碰撞而转变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与拄品的密度、厚度相关
16、,因此可以形成明暗不同的衬度，影像将在放大、聚焦后在成像器件上显示出来。TEM的辨别力可达0.2nm.衬度：两像点间的明暗差异（质厚衬度、相位衬度、衍射衬度）2 .扫描电镜SEM（界面形貌和界面层断裂面观看）扫描电镜从原理上讲就是采用聚焦得特别细的高熊曳土更在试样上扫描，激发出各种物理信息（二次电子）。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观看。二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。界面微观结构的表征：指界面区域的结晶学结构和其他聚集态结构界面微观结构：拉曼光谱、ATM;结晶学结构：TEM,HRTEMATM原子力显微镜：当针尖与样品充分接近相互之间存在相互斥力时，检测
17、该斥力可获得表面物质的组分分布和表面结构，一般状况下辨别率也在纳米级水平界面成分的表征：化学元素的组成（TEM和SEM,XRD）还有俄歌能谱AES,X光电子能谱XPS第五章聚合物基复材1.1.1 分类增加体：晶须、颗粒、纤维（BF,GF,CF芳纶纤维增加聚合物基复材）按基体分：热固性树脂基（环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺），热塑性树脂基（聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚烯燎）5. 1.2特点优点：高比强度比模量（机械强度超过金属）抗疲惫性能好（纤维与基体的界面能阻挡裂纹的扩展，破坏有征兆减振性能好高的自振频率避开早期破坏，界面吸振力量耐烧蚀性卓越，比热容大，高温下汲取大量热可设计性强，成型工艺简洁缺
18、点：抗冲击强度差，横向强度低，韧性差第六章陶瓷基复合材料5.1 陶亮耐高温、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、脆性化学键是介于共价键和离子键的混合键,元素电负性差越大，离子键越强脆性缘由：位错在共价键中移动的派纳力大。6. 2强韧化途径：颗粒弥散增韧、纤维（晶须）补强增韧、层状复合增韧、氧化倍相变增韧颗粒弥散强化机理：其次相粒子与基体晶粒间的弹性模量和热膨胀系数上的差异，在冷却中粒子和基体四周形成残余应力,应力场与扩展裂纹简短交互作用，从而使裂纹偏转,对基体起增韧作用弥散相选择:高熔点、高硬度的碳化硅、碳化硼、氮化硼等，基体是氧化铝、氧化错,有最佳尺寸、外形、分布和数量，弥散相在基体中溶解度低，不发生化
19、学反应，与基体结合强度良好。纤维（晶须）增韧选择：纤维在基体中匀称分散，弹性模量和热膨胀系数匹配，良好的化学相容性，适量的纤维体积分数6. 6碳碳复合材料石墨特点：耐高温、导热性好、弹性模量高、耐烧蚀但韧性差碳碳复材特点：1 .复材全部由碳组成，在不同T下保持良好的物化性能、力学性能2 .高比强度比模量3 .高烧蚀热，低烧蚀速率，烧蚀匀称，耐3000C高温，导热性好4 .耐磨损耐疲惫，性能稳定，耐腐蚀，耐氧化性差5,具有良好的生物相容性性能：1.力学性能：脆性材料，有假塑性效应（增加体的取向变化）；平行纤维轴向上强度和模量高，偏离方向上降低；纤维体积分数增加，强度、模量增加。应用：火箭发动机喷管、刹车装置、机身材料，航空航天结构部件，可作为热防护材料，减重，提高载荷。制备工艺：粉体制备、增加体制备和预处理、成型（模压、挤压、流延成型、注射成型）和烧结
