复合材料

第三章
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在民用工业如机械工业、交通运输、建筑工业以及生物医 学、体育等领域，由于复合材料的优异性能都已得到和正 在得到广泛的应用。
图3-73 玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢(左)
复合材料(玻璃钢)制作的渔船 （右）
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复合材料与基体材料相比具有以下优异的性能： （1）比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量/密度）高； （2）抗疲劳性能好； （3）高韧性和抗热冲击性，在PMC和CMC中尤为重要； （4）耐热性高； （5）减振性能好； （6）耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热； （7）特殊的光、电、磁性能等。
式中下标c、f 和m分别表示复合材料、纤维和基体，其中Vm ＝（1－Vf）
图3-74 SiC/硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加
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由于纤维方向性，复合材料垂直纤维方向的弹性模量则表示为：
1 / Ec ＝ Vf / Ef + Vm /Em
此式的形式仍然是混合法则的形式。
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颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系
对结构复合材料而言，第一考虑的是增强材料的强度、模量和密 度。其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。
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为了使得复合材料既轻又强、既轻又不易变形（即比强度和 比模量高），增强材料的比强度和比模量就非常重要。 因此首先考虑的是高强度的晶须和纤维。但晶须和纤维，特 别是晶须的价格昂贵，在一些民用领域，尤其是要求专门性 能如耐磨损性能的部件中，一般选用价廉物美的颗粒作为增 强材料。 从增强材料的性质上考虑，由于有机高分子材料和无机非金属 材料的密度低，一般所用的增强材料多数为这两类材料。
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混合法则简明表达了复合材料的性能与基体、增强材料性能之间的 关系，但在应用混合法则对复合材料性能进行估算时，由于增强材 料的形状、长径比、分布以及基体与增强材料的结合等因素，还需 要对此进行一定的修正。
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3.5.2.2 增韧机制
复合材料在应用的过程中，难免要受冲击载荷或发生高速变形，尤 其是那些表观上不会使复合材料遭受破坏的低能冲击，往往会造成 复合材料的内部损伤，从而使其性能大大下降。 特别是在热固性树脂为基体或脆性的陶瓷为基体的复合材料中，增 加复合材料的韧性是改善材料性能的重要任务之一。 复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取 决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。
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基体与增强材料在复合时，由于复合的条件（温度、压力等）可以 在两种材料表面发生原子或分子的相互扩散，甚至溶解，形成扩散 或溶解结合。 增强材料与基体之间的表面原子，在一定的热力学和动力学条件下 会发生界面反应，形成不同于原组元成分及结构的界面反应层，这 种结合为界面反应结合。
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复合材料的界面粘结方式大都是以上述界面的粘结方式中的一种为主， 并伴随以其它粘结方式的共同作用的结果，多数的界面结合是以扩散 和反应结合为主。 为了保证复合材料的界面粘结强度和控制界面反应，往往需要对增强 材料的表面进行处理。
界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的 一个指标。对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或过弱都不利 于材料的力学性能。
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复合材料界面的粘结方式有： 机械结合、静电作用、界面扩散和界面反应等。
机械结合是指增强材料与基体结合时，两种材料的表面相互接触，由 于表面的粗糙而产生机械锚固，靠机械摩擦力保持表面的结合。 静电作用则是指复合材料的增强材料与基体的表面带有异性电荷时， 在基体与增强材料之间将发生静电引力，形成两者的结合。因静电作 用距离有限，表面的污染会大大减弱这种作用。
SiCf /Ti的界面及界面反应层
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3.5.3 增强材料
复合材料中的增强材料就其形态而言，主要有纤维及其织物、晶须 和颗粒。就其组成的性质而言又可分为有机增强材料、金属增强材 料和无机非金属增强材料。
第三章 在复合材料设计中，选择增强材料的原则主要是： 1)增强材料的强度、模量和密度； 2)增强材料与基体材料的物理相容性（湿润性、热膨胀系数匹配、 互溶性等）； 3)化学相容性（极性、化学位等） 4)性能/价格比。
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B787客机(2007年7月首架飞机下线,复合材料占总质量50%,节省燃油20%) 技术参数： 翼 展：50.3-51.8米；机长: 55.5米；高度：16.5米；最大起飞总重:163000千克；巡航速度： 0.85马赫（马赫=1126公里/小时） ；载客量：289；最大航程：15700公里
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3.5.2.3 界面作用
复合材料是由性质和形状各不相同的两种或两种以上材料组元复合 而成的，在两种材料之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面 －界面。
复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层，有的还会 形成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为界面相。
在复合材料设计和性能预测、评估时，研究界面作用和影响是一项 重要内容。
在金属基复合材料中，界面反应层的结构和性质对其性能的影响尤为重要。
例如硼纤维增强钛复合材料中，由于硼纤维与钛基体在界面产生脆性 的TiB2反应产物，如果反应生成TiB2的量大或界面层厚，就会严重 影响其力学性能。
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在复合材料设计和制备（复合）时，为 保证复合材料的最佳性能，如何进行界 面的控制和优化，这在复合材料研究中 称之为界面工程。
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除了上述增韧机制外，在颗粒、短纤维和晶须增强复合材料中，由 于增强材料的存在，阻碍了裂纹在基体中的扩展，在增韧方面，还 存在有裂纹偏转、微裂纹增韧等机制。此外，在陶瓷基复合材料中， 利用氧化锆的相变产生的体积效应，引起基体产生微裂纹，从而增 加陶瓷基复合材料的韧性，这种方法称之为相变增韧机制。
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在复合材料中界面的作用是非常重要的。在纤维增强复合材料中，界 面往往起到把载荷由基体传递到纤维的传递作用。此外，复合材料的 界面还起到诱导作用、阻断作用、散射及吸收作用等。 为了保证界面的作用，纤维与基体之间要有一定的粘结，并且两者之 间的结合与增强材料及基体的性质有关。除此之外，复合材料界面的 结合方式、界面结构和性质会直接影响和控制复合材料的性能。
Pc 表示复合材料的某性能，如强度、弹性模量、密度、电导率、热 导率、热膨胀系数等；Pi 表示各组分材料的对应复合材料的某性能； V表示组成复合材料各组分的体积百分比（vol.%）；下标i表示组 成复合材料的组分数（包括基体、若干增强材料）。
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例：
连续纤维单向增强复合材料，当只采用一种纤维增强时，复合材料 沿纤维方向的拉伸强度可以表示为： σc ＝ σf· Vf + σm· Vm
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B787复合材料机身
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B787复合材料机身
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A380客机(2007年10月,首次商业航行,复合材料占总质量25%) 是目前世界上唯一 采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。 技术参数：翼展：79.8米；机长：73米；宽度：7.14米；最大起飞重量：560吨； 巡航速度：0.89马赫；载 客 量：555人；最大航程：15000公里。
除其优异性能外，复合材料还具有可设计性，可以根据 对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量上 进行选择，并进行适当的制备与加工。
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3.5.2 复合材料复合原理
由于复合材料是由两种或两种以上不同的材料组分复合而 成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复 合材料的性能。此外增强材料的形状、含量、分布以及与 基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。
复合材料的复合原理，就是反映上述因素对复合材料性 能的影响规律。据此人们可以对所需要研究和开发的复 合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、 预测和评估。在本节中，主要介绍组分的作用、增韧机 制和界面的影响。
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3.5.2.1 混合法则 （Rule of Mixtures）
在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况 下，复合材料的力学性能（如强度、弹性模量）和物理性能（密 度、电导率、热导率、热膨胀系数等）主要取决于组成复合材料 的材料组分的体积百分比（vol.%）
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复合材料构成：
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骨头（由原胶纤维与无机材料复合）
第三章
植物茎干（树木、竹）、叶（微纤维与木质素复合）
第三章
吴王矛
越王剑
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复合材料作为一种先进材料出现，是从上世纪40年代的 玻璃纤维增强塑料开始，为了与天然的、古代出现的复合 材料区分，称之为现代复合材料。
航空航天技术要求制成飞行器材料高比强度、比模量， 以减轻其重量，提高飞行速度、增加运载火箭有效负载、 保证气动特性等。因此，在航空航天领域、现代国防工 业中现代复合材料首先得到了广泛的应用.
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3.5 复合材料
材料种类 金属材料 无机非金属材料 高分子材料
特性 强度大，易腐蚀 硬度大，脆性大 质量轻，易老化
复合材料
Composite material
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第三章
我们住在复合材料里
第三章
燕子窝：泥土-草复合材料
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3.5.1 概述 复合材料是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备 工艺复合在一起的新材料，其既保留原组分材料的特性， 又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。 复合材料的特征：非均相材料，组分材料性能差异较大， 新性能，体积分数大于10%，固体材料。
玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类 混合物，属无定形离子结构物质。
SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点
金属氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3） 改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na2O,K2O为助熔剂，降低熔 点) 和性能(BeO，模量 ；B2O3，耐酸 )