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复 合 材 料 概 论材 料 与 化 工 学 院目录1111、概述、概述、概述、概述 6 6 6 6、金属基复合材料、金属基复合材料、金属基复合材料、金属基复合材料2222、基体材料、基体材料、基体材料、基体材料 7 7 7 7、陶瓷基复合材料、陶瓷基复合材料、陶瓷基复合材料、陶瓷基复合材料3333、增加材料、增加材料、增加材料、增加材料 8 8 8 8、水泥基复合材料、水泥基复合材料、水泥基复合材料、水泥基复合材料4444、复合界面、复合界面、复合界面、复合界面 9 9 9 9、C/CC/CC/CC/C复合材料复合材料复合材料复合材料5555、聚合物基复合材料、聚合物基复合材料、聚合物基复合材料、聚合物基复合材料 10 10 10 10、混杂纤维复合材料、混杂纤维复合材料、混杂纤维复合材料、混杂纤维复合材料1、概述 一、定义一、定义一、定义一、定义 由由由由两两两两种种种种或或或或两两两两种种种种以以以以上上上上，物物物物理理理理化化化化学学学学性性性性质质质质不不不不同的物质组合而成的多相固体材料。同的物质组合而成的多相固体材料。同的物质组合而成的多相固体材料。同的物质组合而成的多相固体材料。复合材料的组成相：复合材料的组成相：复合材料的组成相：复合材料的组成相：增增增增加加加加相相相相 -纤纤纤纤维维维维、晶晶晶晶须须须须、颗颗颗颗粒粒粒粒。（不不不不连续相）连续相）连续相）连续相）基基基基体体体体相相相相 -金金金金属属属属、陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷、聚聚聚聚合合合合物物物物。（连续相）（连续相）（连续相）（连续相）n n增加相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量）增加相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量）增加相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量）增加相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功，及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功，及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功，及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。能。能。能。n n基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增加相固结成一个整体，起传递性等。主要作用是将增加相固结成一个整体，起传递性等。主要作用是将增加相固结成一个整体，起传递性等。主要作用是将增加相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。和均衡应力的作用。和均衡应力的作用。和均衡应力的作用。例如：例如：n n自然木材自然木材自然木材自然木材-纤维素纤维纤维素纤维纤维素纤维纤维素纤维+木质素木质素木质素木质素n n钢筋混凝土钢筋混凝土钢筋混凝土钢筋混凝土-砂、石、钢筋砂、石、钢筋砂、石、钢筋砂、石、钢筋+水泥水泥水泥水泥n n玻璃钢玻璃钢玻璃钢玻璃钢 -玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维+热固性树脂热固性树脂热固性树脂热固性树脂 n nC/CC/CC/CC/C复合材料复合材料复合材料复合材料-石墨碳纤维石墨碳纤维石墨碳纤维石墨碳纤维+热解碳或树热解碳或树热解碳或树热解碳或树脂碳脂碳脂碳脂碳n n （耐烧蚀）（耐烧蚀）（耐烧蚀）（耐烧蚀）1 1 1 1、按基体材料分、按基体材料分、按基体材料分、按基体材料分 树脂基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等树脂基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等树脂基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等树脂基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等 60 60 60 60年头年头年头年头 金属基：金属基：金属基：金属基：AlAlAlAl、TiTiTiTi、NiNiNiNi、MgMgMgMg、ZnZnZnZn、CoCoCoCo及其合金及其合金及其合金及其合金 70 70 70 70年头年头年头年头 陶瓷基：陶瓷基：陶瓷基：陶瓷基：Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3、ZrO2ZrO2ZrO2ZrO2及非氧化物及非氧化物及非氧化物及非氧化物 80 80 80 80年头年头年头年头 2 2 2 2、按增加相形态分、按增加相形态分、按增加相形态分、按增加相形态分 颗粒颗粒颗粒颗粒 均布、各向同性均布、各向同性均布、各向同性均布、各向同性 纤维（长、短纤维和晶须）纤维（长、短纤维和晶须）纤维（长、短纤维和晶须）纤维（长、短纤维和晶须）各向异性或同性各向异性或同性各向异性或同性各向异性或同性 层片层片层片层片 各向异性各向异性各向异性各向异性二、复合材料的分类二、复合材料的分类3.3.3.3.按应用目的分按应用目的分按应用目的分按应用目的分 树脂基树脂基树脂基树脂基 250 250 250 250 金属基金属基金属基金属基 600 600 600 600 陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基 金属基金属基金属基金属基 树脂基树脂基树脂基树脂基、耐热性、耐热性、耐热性、耐热性 树脂基树脂基树脂基树脂基:60:60:60:60 250250250250 金属基金属基金属基金属基:400:400:400:400 600600600600 陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基:1000:1000:1000:1000 1500150015001500、耐自然老化、耐自然老化、耐自然老化、耐自然老化 陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基 金属基金属基金属基金属基 树脂基树脂基树脂基树脂基2 2、取决于基体相的性能、取决于基体相的性能、导热导电性、导热导电性、导热导电性、导热导电性 金金金金属属属属基基基基 陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷基基基基 树树树树脂脂脂脂基基基基、耐蚀性、耐蚀性、耐蚀性、耐蚀性 陶瓷基和树脂基陶瓷基和树脂基陶瓷基和树脂基陶瓷基和树脂基 金属基金属基金属基金属基、工艺性及生产成本、工艺性及生产成本、工艺性及生产成本、工艺性及生产成本 陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基 金属基金属基金属基金属基 树脂树脂树脂树脂基基基基 1 1 1 1、设计的三个层次：、设计的三个层次：、设计的三个层次：、设计的三个层次：单层设计单层设计单层设计单层设计 -微观力学方法微观力学方法微观力学方法微观力学方法 层合体设计层合体设计层合体设计层合体设计 -宏观力学方法宏观力学方法宏观力学方法宏观力学方法 产品结构设计产品结构设计产品结构设计产品结构设计-结构力学方法结构力学方法结构力学方法结构力学方法 单层材料的性能单层材料的性能单层材料的性能单层材料的性能 取取取取决决决决于于于于增增增增加加加加相相相相、基基基基体体体体相相相相和和和和结结结结合合合合界界界界面面面面的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能，增加相的含量、分布方向等。增加相的含量、分布方向等。增加相的含量、分布方向等。增加相的含量、分布方向等。设计内容包括正确选择原料的种类和配比。设计内容包括正确选择原料的种类和配比。设计内容包括正确选择原料的种类和配比。设计内容包括正确选择原料的种类和配比。四、复合材料设计特点四、复合材料设计特点层合体设计层合体设计n n层合体的性能层合体的性能层合体的性能层合体的性能n n 取取取取决决决决于于于于单单单单层层层层材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能和和和和铺铺铺铺层层层层方方方方法法法法（厚厚厚厚度度度度、纤维交叉方式、依次等）。纤维交叉方式、依次等）。纤维交叉方式、依次等）。纤维交叉方式、依次等）。n n 设计内容包括：对铺层方案作出合理的支配。设计内容包括：对铺层方案作出合理的支配。设计内容包括：对铺层方案作出合理的支配。设计内容包括：对铺层方案作出合理的支配。n n产品结构性能产品结构性能产品结构性能产品结构性能n n 取取取取决决决决于于于于层层层层合合合合体体体体的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能、结结结结构构构构几几几几何何何何、组组组组合合合合与与与与连接方式。连接方式。连接方式。连接方式。n n 设设设设计计计计内内内内容容容容：最最最最终终终终确确确确定定定定产产产产品品品品结结结结构构构构的的的的形形形形态态态态、尺尺尺尺寸寸寸寸、连接方法等。连接方法等。连接方法等。连接方法等。2 2 2 2、特点：、特点：、特点：、特点：性能可设计性强性能可设计性强性能可设计性强性能可设计性强 （可调因素多）（可调因素多）（可调因素多）（可调因素多）材料设计与结构设计相关联材料设计与结构设计相关联材料设计与结构设计相关联材料设计与结构设计相关联 性能预料性差性能预料性差性能预料性差性能预料性差 如如如如:加和法加和法加和法加和法 没有考虑界面结合的影响，预料性很差。没有考虑界面结合的影响，预料性很差。没有考虑界面结合的影响，预料性很差。没有考虑界面结合的影响，预料性很差。2.基体材料n n基体的作用基体的作用基体的作用基体的作用:n n 固结增加相，均衡载荷和传递应力固结增加相，均衡载荷和传递应力固结增加相，均衡载荷和传递应力固结增加相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。保持基本性质。保持基本性质。保持基本性质。n n选材原则：选材原则：选材原则：选材原则：n n 强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。n n 两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。n n相容性：相容性：相容性：相容性：n n 化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。以确保两相界面具有足够的结合力。以确保两相界面具有足够的结合力。以确保两相界面具有足够的结合力。n n环境适应性：环境适应性：环境适应性：环境适应性：n n 耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。n n工艺性：工艺性：工艺性：工艺性：n n 制备是否便利，成本是否廉等。制备是否便利，成本是否廉等。制备是否便利，成本是否廉等。制备是否便利，成本是否廉等。一、聚合物基一、聚合物基n n特点：特点：特点：特点：n n 一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；n n 可选择的增加材料范围广泛，成本最低。可选择的增加材料范围广泛，成本最低。可选择的增加材料范围广泛，成本最低。可选择的增加材料范围广泛，成本最低。n n探讨与应用：探讨与应用：探讨与应用：探讨与应用：n n 发展最早，品种最多，应用最广。发展最早，品种最多，应用最广。发展最早，品种最多，应用最广。发展最早，品种最多，应用最广。n n可选材料：可选材料：可选材料：可选材料：n n 几乎全部的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、几乎全部的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、几乎全部的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、几乎全部的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、粘结剂。粘结剂。粘结剂。粘结剂。1 1 1 1、热固性聚合物、热固性聚合物、热固性聚合物、热固性聚合物 （-OH-OH-OH-OH、-NH-NH-NH-NH2 2 2 2-、-OCNH-OCNH-OCNH-OCNH-、-CH=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH-）.不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线 型预聚体。型预聚体。型预聚体。型预聚体。+a.a.a.a.结构特征：结构特征：结构特征：结构特征：饱和二元酸结构饱和二元酸结构饱和二元酸结构饱和二元酸结构 不饱和二元酸结构不饱和二元酸结构不饱和二元酸结构不饱和二元酸结构b.b.固化：固化：固化剂固化剂-乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。引发剂引发剂-过氧化物（加热固化）过氧化物（加热固化）促进剂促进剂-苯胺类和有机钴。室温固化。苯胺类和有机钴。室温固化。c.c.特点特点 粘度低，工艺性好。粘度低，工艺性好。综合性能好，价廉，用量约占综合性能好，价廉，用量约占80%80%。苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度 和模量较低。和模量较低。一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制 作次受力件。作次受力件。a.a.a.a.双酚型双酚型双酚型双酚型b.b.b.b.CHCHCHCH2 2 2 2-CH-CH-CH-CH-CH-CH-CH-CH2 2 2 2Cl+Cl+Cl+Cl+n(HOn(HOn(HOn(HO-R-R-R-R-OH)OH)OH)OH)c.c.c.c.(2)(2)、环氧树脂、环氧树脂环氧氯丙烷环氧氯丙烷二酚基化合物二酚基化合物碱碱O O通式：线性预聚体通式：线性预聚体 CHCH2 2-CH-CH-CH-CH2 2 O-R-O O-R-O n nO O其中其中R:R:CHCH3 3-C-C-CHCH3 3A A 丙基丙基-CH-CH2 2-F F 亚甲基亚甲基O O-S-S-O OS S 砜砜 双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。固化特点：固化特点：环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。b.b.非双酚型非双酚型 链链内内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。c.c.c.c.胺基环氧胺基环氧胺基环氧胺基环氧 结构中含高极性的酰胺键（结构中含高极性的酰胺键（结构中含高极性的酰胺键（结构中含高极性的酰胺键（-NHCO-NHCO-NHCO-NHCO-），粘结性好，力学性能较），粘结性好，力学性能较），粘结性好，力学性能较），粘结性好，力学性能较高；但耐水性差，电性能有所下降。高；但耐水性差，电性能有所下降。高；但耐水性差，电性能有所下降。高；但耐水性差，电性能有所下降。d.d.d.d.脂环族环氧脂环族环氧脂环族环氧脂环族环氧 结结结结构构构构中中中中不不不不含含含含苯苯苯苯环环环环，含含含含脂脂脂脂环环环环 ，稳稳稳稳定定定定性性性性更更更更高高高高，热热热热学学学学性性性性能能能能好好好好，耐耐耐耐紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。e.e.e.e.脂肪族环氧脂肪族环氧脂肪族环氧脂肪族环氧-高韧性环氧高韧性环氧高韧性环氧高韧性环氧 无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。环氧树脂固化：环氧树脂固化：环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。种固化剂交联，形成网状结构。常用固化剂：常用固化剂：二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性会有确定的影响。会有确定的影响。潜藏剂：潜藏剂：单组份产品可加入潜藏剂，如双氰胺，室温下可单组份产品可加入潜藏剂，如双氰胺，室温下可存放存放6 6个月，个月，145 145 165 165下，下，80min80min可固化。可固化。环氧树脂特点：环氧树脂特点：粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料 强度高，尺寸稳定。强度高，尺寸稳定。电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。耐酸碱耐溶剂性强。耐酸碱耐溶剂性强。热稳定性良好。热稳定性良好。(3)(3)(3)(3)酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂 由酚由酚由酚由酚 和醛和醛和醛和醛 缩合而成。缩合而成。缩合而成。缩合而成。酚酚酚酚/醛醛醛醛 0.90.90.90.9，碱催化可得体型热固性树脂。，碱催化可得体型热固性树脂。，碱催化可得体型热固性树脂。，碱催化可得体型热固性树脂。固化：固化：固化：固化：加热固化加热固化加热固化加热固化 加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。O OH C-HH C-HOHOH1 15 53 3特点：特点：耐热性高，可达耐热性高，可达315315。价格最低。粘附性较。价格最低。粘附性较 差，收缩率大差，收缩率大,气孔率高，性脆。气孔率高，性脆。改性：改性：引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛 降低树脂中降低树脂中-OH -OH 基的含量。如：以苯胺或二甲基的含量。如：以苯胺或二甲 苯取代部分苯酚。提高电性能。苯取代部分苯酚。提高电性能。硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能 均提高。均提高。应用：应用：n n酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量后，多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量后，多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量后，多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量高高高高78787878，碳化收率达，碳化收率达，碳化收率达，碳化收率达63636363，因此可用于制作烧蚀，因此可用于制作烧蚀，因此可用于制作烧蚀，因此可用于制作烧蚀材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。2.热塑性聚合物与热固性聚合物相比：力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。工艺简洁、周期短、成本低、密度小、应用广。CH3聚丙烯CH-CH2n柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增加效果有限。原料来源广泛，价格低，一般民用。.聚酰胺（尼龙）CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。运用温度 200200200200；S+6S+6S+6S+6处处处处于于于于最最最最高高高高价价价价，抗抗抗抗氧氧氧氧化化化化，耐耐耐耐辐辐辐辐射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达300300300300。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。此此此此外外外外：耐耐耐耐高高高高温温温温的的的的聚聚聚聚酰酰酰酰亚亚亚亚胺胺胺胺、双双双双马马马马来来来来酰酰酰酰亚亚亚亚胺胺胺胺等等等等杂杂杂杂环环环环结结结结构构构构的的的的聚聚聚聚合合合合物物物物，耐耐耐耐温温温温可可可可达达达达300300300300400400400400，也也也也常常常常作作作作为为为为复复复复合合合合材料的基材。材料的基材。材料的基材。材料的基材。Al Al Al Al、MgMgMgMg、TiTiTiTi、NiNiNiNi、CuCuCuCu、FeFeFeFe、CoCoCoCo、ZnZnZnZn、PbPbPbPb及其合金，及其合金，及其合金，及其合金，金属间化合物（金属间化合物（金属间化合物（金属间化合物（TiAlTiAlTiAlTiAl、NiAlNiAlNiAlNiAl等）等）等）等）选材原则：选材原则：选材原则：选材原则：1 1 1 1运用要求运用要求运用要求运用要求 航天航空：选轻金属航天航空：选轻金属航天航空：选轻金属航天航空：选轻金属 Al Al Al Al、MgMgMgMg及其合金及其合金及其合金及其合金 高性能发动机：高性能发动机：高性能发动机：高性能发动机：Ti Ti Ti Ti、NiNiNiNi及其合金及其合金及其合金及其合金 汽车发动机活塞汽缸套：汽车发动机活塞汽缸套：汽车发动机活塞汽缸套：汽车发动机活塞汽缸套：Al Al Al Al合金合金合金合金 工模具：工模具：工模具：工模具：Fe Fe Fe Fe、CoCoCoCo、NiNiNiNi、AgAgAgAg、CuCuCuCu 集成电路散热元件：集成电路散热元件：集成电路散热元件：集成电路散热元件：Ag Ag Ag Ag、CuCuCuCu、Al Al Al Al 二二.金属基材料金属基材料2.2.2.2.环境温度环境温度环境温度环境温度n n 15%Na2O15%Na2O15%Na2O15%）中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维 Na2O(10.5 Na2O(10.5 Na2O(10.5 Na2O(10.512.5%)12.5%)12.5%)12.5%)用量少用量少用量少用量少 无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维 E Ca-Al-B-Si E Ca-Al-B-Si E Ca-Al-B-Si E Ca-Al-B-Si系系系系 用量大用量大用量大用量大 高强玻璃纤维高强玻璃纤维高强玻璃纤维高强玻璃纤维 S Mg-Al-Si S Mg-Al-Si S Mg-Al-Si S Mg-Al-Si系系系系 或或或或B2O3B2O3B2O3B2O3系系系系 高弹玻璃纤维高弹玻璃纤维高弹玻璃纤维高弹玻璃纤维 M S M S M S M S系中加入系中加入系中加入系中加入BeOBeOBeOBeO一一.玻璃纤维玻璃纤维GFGF2.GF2.GF2.GF2.GF的制备的制备的制备的制备制玻璃球制玻璃球制玻璃球制玻璃球铂金坩埚熔融铂金坩埚熔融铂金坩埚熔融铂金坩埚熔融小漏孔拉丝小漏孔拉丝小漏孔拉丝小漏孔拉丝 （102102102102、204204204204、408408408408孔）孔）孔）孔）涂浸润剂涂浸润剂涂浸润剂涂浸润剂并股成纱并股成纱并股成纱并股成纱纺织成布、毡或带。纺织成布、毡或带。纺织成布、毡或带。纺织成布、毡或带。粗纱粗纱 30m 30m 无捻粗纱、无纺布无捻粗纱、无纺布 初级纱初级纱 20m 20m 短切纤维、纤维毡短切纤维、纤维毡 中级纱中级纱 10 1020m 20m 高级纱高级纱 3 310m 10m 纺织纺织 浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：石蜡乳液石蜡乳液 复合前须清除复合前须清除 聚醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯 不必清除不必清除 改性有机硅类改性有机硅类 不必清除不必清除3.GF3.GF3.GF3.GF的性能的性能的性能的性能(1).(1).(1).(1).力学性能力学性能力学性能力学性能 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；直径直径直径直径d,d,d,d,强度强度强度强度；长度；长度；长度；长度，强度，强度，强度，强度。弹性模量：与铝相当，为钢的弹性模量：与铝相当，为钢的弹性模量：与铝相当，为钢的弹性模量：与铝相当，为钢的1/31/31/31/3倍。倍。倍。倍。因密度低因密度低因密度低因密度低2.52.52.52.5，比模量高。，比模量高。，比模量高。，比模量高。断裂延长率：低断裂延长率：低断裂延长率：低断裂延长率：低 3%3%3%3%(2).(2).(2).(2).热学性能热学性能热学性能热学性能 导热系数：比块玻璃低导热系数：比块玻璃低导热系数：比块玻璃低导热系数：比块玻璃低1 1 1 12 2 2 2个数量级个数量级个数量级个数量级 耐热性：一般耐热性：一般耐热性：一般耐热性：一般Na-Ca-SiNa-Ca-SiNa-Ca-SiNa-Ca-Si玻纤玻纤玻纤玻纤 500;500;500;500;耐热玻纤耐热玻纤耐热玻纤耐热玻纤(石英，高硅氧石英，高硅氧石英，高硅氧石英，高硅氧)1200 )1200 )1200 )KF GFCF KF GFCF KF GFCF KF GF 抗冲击性能很好。抗冲击性能很好。抗冲击性能很好。抗冲击性能很好。热学性能热学性能热学性能热学性能 长期运用长期运用长期运用长期运用 200 200 200 200 热膨胀系数纵向为负热膨胀系数纵向为负热膨胀系数纵向为负热膨胀系数纵向为负 化学性能化学性能化学性能化学性能 耐中性化学品腐蚀，吸水率高。耐中性化学品腐蚀，吸水率高。耐中性化学品腐蚀，吸水率高。耐中性化学品腐蚀，吸水率高。2.2.应用应用n n航天航空：温度不高的高强度结构受力件航天航空：温度不高的高强度结构受力件航天航空：温度不高的高强度结构受力件航天航空：温度不高的高强度结构受力件n n军事：防弹器件军事：防弹器件军事：防弹器件军事：防弹器件n n民用：高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、皮带的加强民用：高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、皮带的加强民用：高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、皮带的加强民用：高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、皮带的加强纤维。纤维。纤维。纤维。四四四四.其它纤维其它纤维其它纤维其它纤维1.SiC1.SiC1.SiC1.SiC纤维纤维纤维纤维接接接接受受受受化化化化学学学学气气气气相相相相沉沉沉沉积积积积法法法法，将将将将SiCSiCSiCSiC沉沉沉沉积积积积在在在在W W W W丝丝丝丝或或或或C C C C纤纤纤纤维维维维表表表表 面而得。面而得。面而得。面而得。强强强强度度度度、模模模模量量量量与与与与C C C C纤纤纤纤维维维维相相相相近近近近，耐耐耐耐高高高高温温温温达达达达1000100010001000，耐耐耐耐腐蚀、耐辐射。腐蚀、耐辐射。腐蚀、耐辐射。腐蚀、耐辐射。可可可可用用用用于于于于要要要要求求求求耐耐耐耐热热热热的的的的高高高高强强强强度度度度结结结结构构构构件件件件，主主主主要要要要与与与与金金金金属属属属基基基基和陶瓷基复合。和陶瓷基复合。和陶瓷基复合。和陶瓷基复合。特点：共价键，相容性好，与基体结合强度高。特点：共价键，相容性好，与基体结合强度高。特点：共价键，相容性好，与基体结合强度高。特点：共价键，相容性好，与基体结合强度高。2.B2.B2.B2.B纤维纤维纤维纤维气相法将气相法将气相法将气相法将B B B B沉积在沉积在沉积在沉积在W W W W丝或丝或丝或丝或C C C C纤维表面而得。纤维表面而得。纤维表面而得。纤维表面而得。拉伸强度不高拉伸强度不高拉伸强度不高拉伸强度不高300MPa300MPa300MPa300MPa突出特点：弹性模量高，相容性较好。突出特点：弹性模量高，相容性较好。突出特点：弹性模量高，相容性较好。突出特点：弹性模量高，相容性较好。主要用于金属和陶瓷增加。主要用于金属和陶瓷增加。主要用于金属和陶瓷增加。主要用于金属和陶瓷增加。3.Al2O33.Al2O33.Al2O33.Al2O3纤维纤维纤维纤维熔融垂直拉单晶的方法制备，价贵熔融垂直拉单晶的方法制备，价贵熔融垂直拉单晶的方法制备，价贵熔融垂直拉单晶的方法制备，价贵;高温不存在氧化问题，与金属等复合简洁高温不存在氧化问题，与金属等复合简洁高温不存在氧化问题，与金属等复合简洁高温不存在氧化问题，与金属等复合简洁;抗拉强度比抗拉强度比抗拉强度比抗拉强度比GFGFGFGF高高高高3 3 3 3倍，电学性能优良；倍，电学性能优良；倍，电学性能优良；倍，电学性能优良；不足之处是密度高不足之处是密度高不足之处是密度高不足之处是密度高3.20g/cm33.20g/cm33.20g/cm33.20g/cm34.4.4.4.晶须晶须晶须晶须 陶瓷晶须陶瓷晶须陶瓷晶须陶瓷晶须 金属晶须金属晶须金属晶须金属晶须是是是是目目目目前前前前强强强强度度度度最最最最高高高高的的的的品品品品种种种种，接接接接近近近近理理理理论论论论强强强强度度度度，比比比比相相相相应应应应的长纤维高一个数量级。的长纤维高一个数量级。的长纤维高一个数量级。的长纤维高一个数量级。复合增加效果不及长纤维，只能作为补强剂运用。复合增加效果不及长纤维，只能作为补强剂运用。复合增加效果不及长纤维，只能作为补强剂运用。复合增加效果不及长纤维，只能作为补强剂运用。价贵，用量有限。价贵，用量有限。价贵，用量有限。价贵，用量有限。EA21047964.复合界面n n复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过界面偶合，它起着传递应力，阻断裂纹扩展，散射吸取各种电界面偶合，它起着传递应力，阻断裂纹扩展，散射吸取各种电界面偶合，它起着传递应力，阻断裂纹扩展，散射吸取各种电界面偶合，它起着传递应力，阻断裂纹扩展，散射吸取各种电磁波，电偶腐蚀等作用。磁波，电偶腐蚀等作用。磁波，电偶腐蚀等作用。磁波，电偶腐蚀等作用。n n复合过程中，液体材料通过润湿、渗透、复合过程中，液体材料通过润湿、渗透、复合过程中，液体材料通过润湿、渗透、复合过程中，液体材料通过润湿、渗透、n n 扩散和化学反应形成一层成分、结构不扩散和化学反应形成一层成分、结构不扩散和化学反应形成一层成分、结构不扩散和化学反应形成一层成分、结构不n n 同于两相的过渡层微区同于两相的过渡层微区同于两相的过渡层微区同于两相的过渡层微区界面。界面。界面。界面。n n基体扩散层化合物层基体扩散层化合物层基体扩散层化合物层基体扩散层化合物层n n 扩散层纤维扩散层纤维扩散层纤维扩散层纤维基体基体纤维纤维1.1.1.1.物理结合物理结合物理结合物理结合 （机械咬合（机械咬合（机械咬合（机械咬合+次价键结合）次价键结合）次价键结合）次价键结合）n n液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。n n粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。n n极极极极性性性性树树树树脂脂脂脂如如如如：酚酚酚酚醛醛醛醛、聚聚聚聚酰酰酰酰胺胺胺胺、环环环环氧氧氧氧等等等等，与与与与极极极极性性性性纤纤纤纤维维维维具具具具有有有有良良良良好好好好的润湿性，并可形成次价键结合。的润湿性，并可形成次价键结合。的润湿性，并可形成次价键结合。的润湿性，并可形成次价键结合。n n非非非非极极极极性性性性树树树树脂脂脂脂如如如如：聚聚聚聚乙乙乙乙烯烯烯烯、聚聚聚聚丙丙丙丙烯烯烯烯。聚聚聚聚四四四四氟氟氟氟乙乙乙乙烯烯烯烯等等等等，结结结结合合合合力力力力弱弱弱弱，复合效果差。复合效果差。复合效果差。复合效果差。n nCFCFCFCF表面极性差，经氧化后可提高结合力。表面极性差，经氧化后可提高结合力。表面极性差，经氧化后可提高结合力。表面极性差，经氧化后可提高结合力。一典型界面结合一典型界面结合总之：总之：n n物理结合是一种比较弱的结合方式。物理结合是一种比较弱的结合方式。物理结合是一种比较弱的结合方式。物理结合是一种比较弱的结合方式。n n树脂基复合材料若不经特殊处理，多为物理结合。树脂基复合材料若不经特殊处理，多为物理结合。树脂基复合材料若不经特殊处理，多为物理结合。树脂基复合材料若不经特殊处理，多为物理结合。n n金属基部分以物理方式结合。金属基部分以物理方式结合。金属基部分以物理方式结合。金属基部分以物理方式结合。n n陶瓷基几乎不以这种方式结合。陶瓷基几乎不以这种方式结合。陶瓷基几乎不以这种方式结合。陶瓷基几乎不以这种方式结合。2.2.扩散融合扩散融合n n两两两两相相相相成成成成分分分分不不不不同同同同，经经经经扩扩扩扩散散散散或或或或熔熔熔熔融融融融形形形形成成成成过过过过渡渡渡渡层层层层，性性性性质质质质介介介介于于于于两两两两相之间，结合力较强。相之间，结合力较强。相之间，结合力较强。相之间，结合力较强。n n金金金金属属属属与与与与陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷基基基基复复复复合合合合温温温温度度度度较较较较高高高高，小小小小分分分分子子子子和和和和原原原原子子子子易易易易于于于于扩扩扩扩散散散散，较常见。较常见。较常见。较常见。3.3.3.3.化学结合化学结合化学结合化学结合n n化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。n n树脂基复合材料：为提高两相的润湿性和结合力，通树脂基复合材料：为提高两相的润湿性和结合力，通树脂基复合材料：为提高两相的润湿性和结合力，通树脂基复合材料：为提高两相的润湿性和结合力，通常接受偶联剂处理纤维表面，或将偶联剂干脆加到液常接受偶联剂处理纤维表面，或将偶联剂干脆加到液常接受偶联剂处理纤维表面，或将偶联剂干脆加到液常接受偶联剂处理纤维表面，或将偶联剂干脆加到液态树脂中，以便形成化学键结合。态树脂中，以便形成化学键结合。态树脂中，以便形成化学键结合。态树脂中，以便形成化学键结合。n n金属与陶瓷材料：化学键结合常见。多数状况在界面金属与陶瓷材料：化学键结合常见。多数状况在界面金属与陶瓷材料：化学键结合常见。多数状况在界面金属与陶瓷材料：化学键结合常见。多数状况在界面上形成化合物层，脆性大，对力学性能不利。尤其是上形成化合物层，脆性大，对力学性能不利。尤其是上形成化合物层，脆性大，对力学性能不利。尤其是上形成化合物层，脆性大，对力学性能不利。尤其是高温运用的材料，应防止持续反应。高温运用的材料，应防止持续反应。高温运用的材料，应防止持续反应。高温运用的材料，应防止持续反应。二二.增加材料的表面处理增加材料的表面处理n n为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤维进行的预处理维进行的预处理维进行的预处理维进行的预处理 表面改性。表面改性。表面改性。表面改性。n n要点：不同的复合体系应接受不同的处理方法。要点：不同的复合体系应接受不同的处理方法。要点：不同的复合体系应接受不同的处理方法。要点：不同的复合体系应接受不同的处理方法。n n 树脂基树脂基树脂基树脂基 提高化学结合提高化学结合提高化学结合提高化学结合n n 金属及陶瓷基金属及陶瓷基金属及陶瓷基金属及陶瓷基 抑制化学反应抑制化学反应抑制化学反应抑制化学反应1 1 1 1玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维n nGFGFGFGF成分为成分为成分为成分为SiOSiO