复合材料工艺 纤维、晶须与颗粒
复合材料的复合理论
2、纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制
基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤 维等），不是主承力相。
纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。
假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用 下，由于组分模量的不同产生了不同形变（Байду номын сангаас移），在基 体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上（见 下图）。
Xc = Xm Vm + XfVf 或 Xc = XfVf + Xm1 - Vf） 式中： X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V： 材料的体积百分比； 下脚标 c、m、f 分别代表复合材料、 基体和纤维。
2、连续纤维单向增强复合材料（单向层板）
2-1 应力 - 应变关系和弹性模量 在复合材料承受静张应力过程中，应力—应变经历以
复合材料的面内剪切强度：在垂直纤维方向承受剪切时，
剪切力发生在垂直
纤维的截面内，剪切力由基体和纤维共同承担。
复合材料的复合理论
一、复合材料 增强机制 二、复合材料的复合法则 — 混合定律
一、复合材料 增强机制
1、 颗粒增强复合材料增强机制
1）颗粒阻碍基体位错运动强化： 基体是承受外来载荷相；颗粒起着阻碍基体位错运动的作 用，从而降低了位错的流动性。
颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
颗粒增强复合材料的强度直接与颗粒的硬度成正比，因为 颗粒必须抵抗位错堆集而产生的应力，另外，颗粒相与基 体的结合力同样影响着材料的强度。
下阶段: (1)基体、纤维共同弹性变形；2）基体塑性屈服、 纤维弹性变形；3）基体塑性变形、纤维弹性变形或基体、 纤维共同塑性变形；4）复合材料断裂。 对于复合材料的弹性模量： 阶段1：E = EfVf + Em（1-Vf） 阶段2：E = EfVf + ( dm/dm)(1-Vf)
复合材料第5章----陶瓷基复合材料
橡皮模成型法：是用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成
。 型，故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性之类的问题
挤压成型法：把料浆放入压滤机内挤出水分，形成块状后， 从安装各种挤形口的真空挤出成型机挤出成型的方法，它适用于
断面形状简单的长条形坯件的成型。
41
轧膜成型
相比之下，多晶的金属纤维和块状金属的拉伸强度只有 0.02E和0.001E。
7
陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒。 从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度大致相同，一 般为几个微米。 常用的颗粒有SiC、Si3N4等。
8
3纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷材料中，加入第二相纤维制成复合材料 是改善陶瓷材料韧性的重要手段，按纤维排布方 式不同，将其分为单向排布长纤维复合材料和多 向排布纤维复合材料。
始的，现已发展到三向石英/石英等陶瓷复合材料。
16
每束纤维呈直线 伸展，不存在相 互交缠和绕曲， 因而使纤维可以 充分发挥最大的 X
结构强度。
Z Y
三向C/C编织结构示意图
17
4 晶须和颗粒增强陶瓷基复合材料
长纤维增韧陶瓷基复合材料虽然性能优越，但它的制 备工艺复杂，而且纤维在基体中不易分布均匀。
这种方法比较古老，不受制品形状的限制。但 对提高产品性能的效果不显著，成本低，工艺简单， 适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。
35
2．热压烧结法
特长纤维切短(<3mm)，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法 即可制得高性能的复合材料，这种方法纤维与基体之间的结合较好，目前
采用较多的方法。
25
强的界面粘结往往导 致脆性破坏，如下图 (a) 所示，裂纹可以在复合材 料的任一部位形成，并迅 速扩展至复合材料的横截 面，导致平面断裂。
晶须复合材料
晶须复合材料晶须复合材料是一种由晶须增强的复合材料，具有优异的性能和广泛的应用前景。
晶须复合材料是通过将晶须与基体材料进行复合而制备而成的，晶须可以是碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等，基体材料可以是金属、聚合物、陶瓷等。
晶须复合材料具有高强度、高模量、耐磨损、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶建造、体育器材等领域。
晶须复合材料的制备方法多种多样，常见的有热压法、浸渍法、喷涂法等。
其中，热压法是一种常用的制备方法，通过将晶须与基体材料层层叠加，然后在高温高压下进行热压，使晶须与基体材料充分结合，从而得到具有优异性能的晶须复合材料。
浸渍法是将基体材料浸渍于晶须悬浮液中，然后经过干燥、热处理等工艺步骤，使晶须均匀分布在基体材料中，形成复合材料。
喷涂法则是将晶须喷涂在基体材料表面，然后经过热处理使其结合成复合材料。
晶须复合材料具有许多优异的性能，首先是高强度和高模量。
由于晶须的加入，使得复合材料的强度和刚度得到了显著提高，能够承受更大的载荷。
其次是耐磨损和耐腐蚀性能。
晶须具有优异的耐磨损和耐腐蚀性能，因此使得复合材料在恶劣环境下具有更长的使用寿命。
此外，晶须复合材料还具有良好的导热性能和耐高温性能，适用于高温高压环境下的工作。
晶须复合材料在航空航天领域有着广泛的应用。
航空航天领域对材料的性能要求非常严格，晶须复合材料的优异性能使其成为航空航天领域的理想材料。
晶须复合材料可以用于制造飞机机身、发动机零部件、卫星结构件等，能够提高航空航天器的性能和可靠性。
此外，晶须复合材料还被广泛应用于汽车制造、船舶建造、体育器材等领域，为这些领域的发展提供了新的可能性。
总的来说，晶须复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景，是一种具有发展潜力的新型材料。
随着科学技术的不断进步，相信晶须复合材料将会在更多领域得到应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
包材技术丨复合材料的成型工艺,一起了解一下
包材技术丨复合材料的成型工艺，一起了解一下！导读从简单纸包装，到单层塑料薄膜包装，发展到复合材料的广泛使用。
复合包装能使包装内含物具有保湿、保香、美观、保鲜、避光、防渗透等特点，本文我们浅述复合材料的成型工艺，内容供优品包材系统的采供朋友们参考：一、基本概念复合材料的最大优点，就是它的性能比其组成材料要好得多。
一方面它可以改善组成材料的弱点，充分发挥其性能优势，例如玻璃和树脂的韧性和强度都不高，但用它们制成的复合材料--玻璃钢的比强度、比刚度和韧性却很高；另一方面可以根据结构和受力要求制成预定的性能分布，对材料进行优化设计。
1.复合材料的分类1)按材料的作用分类结构复合材料和功能复合材料。
2)按基体材料分类树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料和碳/碳复合材料等。
3)按增强材料的性质和形态分类层叠复合材料、细粒复合材料、连续纤维复合材料、短切纤维复合材料、碎片增强复合材料和骨架复合材料等。
2.复合材料的特点1)比强度和比刚度高2)抗疲劳性好3)高温性能好4)减振性能好5)断裂安全性高6)可设计性好二、复合材料用原料1、增强材料(1)碳纤维(2)硼纤维(3)芳纶(4)玻璃纤维(5)碳化硅纤维(６)晶须2、基体材料(1)热固性树脂(2)热塑性树脂3、夹层结构材料夹层结构一般由两层薄的高强度板和中间夹着一层厚而轻的芯结构构成。
三、复合材料的增强机制和复合原则1.增强原理复合材料的复合不是由基体和增强两种材料简单的组合而成，而是两种材料发生相互的物理、化学、力学等作用的复杂组合过程。
2.复合原则以纤维增强复合材料为例，说明复合材料的复合原则。
复合材料中基体起粘结作用，因而基体必须具备如下特点：1）对纤维具有好的润湿性，从而使基体与增强材料间具有较强的结合力，使分离的纤维粘为一个整体，保证纤维的合理分布。
2）基体应具有较好的塑性和韧性，能够延缓裂纹的扩展。
3）基体能够很好地保护纤维表面，不产生表面损伤、不产生裂纹。
陶瓷基复合材料介绍
陶瓷基复合材料介绍一、材料定义与特性陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，简称CMC）是一种以陶瓷为基体，复合增强体材料的高性能复合材料。
它具有高强度、高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、化工等领域。
二、基体与增强体材料陶瓷基体的主要类型包括氧化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼等，它们具有高熔点、高硬度、耐腐蚀等特性。
增强体材料主要包括纤维、晶须、颗粒等，它们可以显著提高陶瓷基体的强度和韧性。
三、制备工艺与技术陶瓷基复合材料的制备工艺主要包括：热压烧结法、液相浸渍法、化学气相沉积法、粉末冶金法等。
其中，热压烧结法和液相浸渍法是最常用的制备工艺。
四、增强纤维与基体的界面增强纤维与基体的界面是影响陶瓷基复合材料性能的关键因素之一。
为了提高材料的性能，需要优化纤维与基体的界面特性，包括润湿性、粘结性、化学稳定性等。
五、材料的应用领域陶瓷基复合材料具有广泛的应用领域，主要包括：航空航天领域的发动机部件、机载设备；能源领域的燃气轮机叶片、核反应堆部件；汽车领域的刹车片、发动机部件；化工领域的耐腐蚀设备、管道等。
六、发展现状与趋势随着科技的不断进步，陶瓷基复合材料的研究和应用不断深入。
目前，国内外研究者正在致力于开发低成本、高性能的陶瓷基复合材料，并探索其在更多领域的应用。
同时，研究者还在研究如何更好地控制材料的微观结构和性能，以提高材料的综合性能。
七、挑战与机遇尽管陶瓷基复合材料具有许多优异的性能，但它们的制备工艺复杂、成本高，且存在易脆性等挑战。
然而，随着科技的不断进步和新材料的发展，陶瓷基复合材料的成本逐渐降低，应用领域也在不断扩大。
同时，随着环保意识的提高和能源需求的增加，陶瓷基复合材料在能源和环保领域的应用前景广阔。
因此，陶瓷基复合材料在未来仍具有巨大的发展潜力。
《无机复合材料及工艺》第二章——增强材料
3、碳纤维（Carbon fiber） (1)、引言
碳纤维属于高新技术产品，它不仅具有炭素材料的特性，如质量轻， 强度高，耐热，耐腐蚀，还具有金属材料的某些特性，具有良好的 导电和导热性，在各类复合材料（PMC、MMC、CMC和C/C）中得到广 泛应用。 碳纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、军事、交通运输、机械 制造、电子工业、体育用品、建筑材料（修补）、生物材料、医疗 器具等各行各业。 碳纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着碳纤维的 生产规模的扩大、其价格由原来的数千元/kg，降至数百元/kg。 碳纤维与玻璃纤维一样，可以进行编织成各种碳纤维布，或制成碳 纤维毡使用。
（4）玻璃纤维的特性和应用
特性：
典型性能： 密度：2.4～2.8 g/cm3 抗拉强度：3～4.6 GPa（为高强度钢的2～3倍） 弹性模量：70～110 GPa（与铝和钛合金模量相当） 比强度为：12.5～18.4×106 cm（为高强度钢的6～10倍） 比模量为：2.8～4.0×107 cm（略高于高强度钢） 不燃、不腐、耐热、高拉伸强度、小断裂延伸率、化学稳定性好、 电绝缘性能好；但不耐磨、脆而易折。 可加工成纱、布、带、毡等形状； 可作为有机高聚物基或无机非金属材料（如水泥）复合材料的增 强材料。
对结构复合材料而言，首先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。
二、纤 维（fiber）
直径细到几微米或几十微米，而长度比直径大许多倍的 材料。 其长径比（aspect ratio)一般大于1000。 作为增强材料使用时，纤维一般都具有高模量、高强度。 大多数是有机高分子纤维，也有无机纤维和金属纤维。 重点介绍：
(2)、碳纤维分类
复合材料组成
复合材料组成
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上复合而成的一种新型材料。
复合材料主要由两部分组成：
•增强材料（或称为粒料、纤维或片状材料），主要用于承受载荷，提供复合材料力学性能。
增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、天然纤维、合成纤维等，以及各种金属和非金属基体。
•基体材料（或称为粘结材料），主要用于保护固定增强材料，并改善复合材料部分性能。
基体材料可以分为金属基体和非金属基体，常用的金属基体材料有钛、铝、铜、镁及其合金；常用的非金属基体材料有树脂、碳、石墨、橡胶等。
这两部分材料在复合材料中发挥着不同的作用，通过精心的组合和设计，可以显著提高材料的综合性能，使其优于各单独的组分材料。
根据增强材料的形态，复合材料大致可以分为纤维增强复合材料、细粒增强复合材料和薄片增强复合材料三类。
其中，纤维增强复合材料由纤维状增强材料和基体材料组成，其纤维材料包括玻璃纤维、石棉纤维、天然纤维、合成纤维以及碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维、晶须等。
常用的基体材料有塑料、橡胶、水泥、陶瓷、金属等。
复合材料因其比强度高、抗疲劳性和减振性好、耐高温、易成型及性能可按使用要求设计等特点，广泛应用于宇航、航空、国防、机电、建筑、化工、交通等各部门。
复合材料的增强体
02
增强体的材料类型
玻璃纤维
玻璃纤维是一种无机非金属材料，由 熔融的玻璃拉丝制成，具有高强度、 高弹性模量、低密度、耐腐蚀、绝缘 等优点。
玻璃纤维增强复合材料广泛应用于航 空航天、汽车、建筑、体育器材等领 域。
玻璃纤维在复合材料中常用作增强体， 可提高复合材料的强度、刚度和耐久 性。
碳纤维
在汽车工业领域的应用
总结词
高强度、耐腐蚀
详细描述
汽车工业中，增强体如玻璃纤维、碳纤维等被用于制造汽车车身、底盘和零部件 ，以提高其强度、刚度和耐腐蚀性能，延长使用寿命。
在建筑领域的应用
总结词
结构加固、节能环保
详细描述
在建筑领域，增强体如碳纤维、玻璃纤维等被用于结构加固和节能环保的复合材料中，如建筑板材、墙体和屋顶 等，提高结构的强度和耐久性，同时实现节能环保的效果。
在体育器材领域的应用
总结词
轻量、高强度
详细描述
在体育器材领域，增强体如碳纤维、玻璃纤维等被广泛应用于制造球拍、自行车车架、滑雪板等体育 器材中，以提高其轻量化和高强度的性能。
在其他领域的应用
总结词
广泛的应用领域
详细描述
除了以上领域外，复合材料的增 强体还广泛应用于医疗器械、电 子产品、船舶制造等领域，以满 足各种不同的性能要求。
增强体可以增加复合材料的硬 度和抗划痕能力，提高其耐磨
性。
增强体的分类
按形态分类
按材质分类
按长度分类
按表面处理分类
增强体可以分为纤维状、 颗粒状和晶须状增强体。
增强体可以分为玻璃纤 维、碳纤维、陶瓷颗粒、
金属晶须等。
增强体可以分为短纤维、 长纤维和连续纤维。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.4.1 碳化硅纤维
1） 简 介
形态：
连续纤维、晶须、短切纤维
结构：
单晶、多晶
集束状态：
单丝（CVD法）
CF
束丝（有机前驱体法）
2） 制 备
a. 化学气相沉积法(CVD)
原料： 四氯化硅---烷烃---氢 三氯甲基硅烷---氢等
（含硅、碳气体与氢气）
芯材：钨丝或碳丝 特点：纤维太粗；柔韧性不好
剂从原料蒸气的过饱和溶液中萃取出C和Si
C
F
原子，在基板上反应生成SiC并不断长大。
晶须：长10 m；拉伸强度1.7---23.7GPa
c. 化学气相沉积(CVD)制备SiC晶须
Fiber FP
50%
2） 性 能
密度：3.95 g/cm3 直径：20±5 m 拉强：1.38 GPa； 模量：379 GPa； 熔点：2318K 耐热性和抗氧化性能好
拉强高温保持率高
在1273K下，强度损失要小于SiC, W, B等
缺点：密度是所有常用纤维中最大的一个
3） 应 用
金属基复合材料增强体； 耐高温绝热材料
140
(m)
模量
430
（GPa）
强度
3.5
（GPa）
2.6 10-20 180
2.0
5） 应 用
1. 增强材料 金属基复合材料、陶瓷基复合材料
2. 耐热材料
1.4.2 硼纤维
1） 简 介
商业化硼纤维本质上为复合纤维，有两种： B/W（硼沉积在细钨丝上） B/SiO2（硼沉积在涂钨的石英纤维上）
2） 制 备
a. 氢化硼（硼烷）的热分解 低温下进行； 基材为涂碳的玻纤； 产品强度低，不致密。
b. 卤化硼的还原
W
B
清洁段
反 应 器
H2
H2 H2 + BCl3
高温下进行（丝速越快， 允许温度越高）
基材为很细的钨丝（1012m）
BCl3很贵，且只有10%转 化为B；
水银液封
液封的水银作为电阻加 热钨丝
1） 制 备
浆体成型法：美国杜邦公司（-氧化铝纤维） 溶胶-凝胶法：美国3M公司 化学法：日本住友化学公司 ICI法：英国ICI公司（ -氧化铝短纤维，Saffil） 预烧结体法 拉晶法（Tyco法）
Alumina
Water Spinning additives
Slurry Dewatering (viscosity Control)
1.4.4 金属纤维
1） 简 介
钢丝：高强，低成本； 钨丝：高模，耐火，密度高（19.3g/cm3）； 铍丝：高模（300GPa），低密（1.8g/cm3 ），
毒性，价贵，低强（1.3GPa）
2） 制 备
抽丝工艺 细纤维成本在于抽丝工艺
传统工艺：100m Taylor工艺：10 m
Taylor工艺
4） 性 能
密度：2.4-2.65 g/cm3； 拉强：3.2-5.2 GPa； 模量：350-400 GPa； 耐高温； 耐中子辐射。
5） 应 用
美国军用飞机（F-14，F-15）及宇航火箭； 高尔夫球杆； 自行车架
制约应用的主要原因： 昂贵的价格 （工艺复杂，芯材钨丝的成本高）
1.4.3 氧化铝纤维
Composite Materials & Processing Technology
张学军 Tel: 6441 8679
zhangxj@
Review
第I部分 复合材料科学基础
第1章 增强体
1.3 芳纶纤维 & 超高分子量聚乙烯纤维
简介
制备工艺 组成
有机纤维
结构
性能
金属晶须: Ni, Cu, Fe 氧化物陶瓷晶须：Al2O3 非氧化物陶瓷晶须
碳化物晶须: SiC 氮化物晶须: Si3N4 硼化物晶须: TiB2 无机盐类晶须: K2Ti6O13
2） 制 备
化学气相沉积法 溶胶-----凝胶法 液相生长法 固相生长法 原位生长法
a. 固相生长法制备SiC晶须
H2 +BCl2 + HCl
水银液封
制备工艺进展
1.原料方面 采用新的芯材取代钨（如涂碳的石英玻纤）
成本低，降低表观密度，提高比强和比模量
2.设ห้องสมุดไป่ตู้方面 采用辅助外部加热和射频加热
反应温度均匀
3.后处理方面 化学处理：消除表面缺陷 热 处 理：消除残余应力 表面涂层：保护
3） 结 构
钨 反应区 W2B5+WB4 硼
将金属放入玻璃鞘中，进行加热，至 外鞘非常柔软，内部的金属熔融或变软时， 对整个鞘进行抽丝至很小直径，而后用刻蚀 的方法除掉玻璃鞘进而得到细丝。
1.5.1 晶须
1） 简 介
晶须（Whisker）：具有一定长径比（大 于10）和截面积小于5210-5cm2的单晶纤维 材料。
近乎没有缺陷，所以性能接近于理论值
酸处理、碳化 无定
稻 壳
型
碳
SiO2
高温烧结 1773-2073K/4-6hr
（1273K, SiO2还原成Si） （过剩的C与Si反应生成SiC）
SiC晶须
b. 气液固法(VLS)制备SiC晶须
仅限于实验室
在固态基质上放上固态催化剂（过渡金
属球，如钢球），加热至1673K，通入原料 V
气（CH4、H2和SiO），成为液态熔球的催化 G
Spinnable Slurry
Dry Spin Spun yarn
Low Fire(Shrinkage Fired yarn Control)
i) Flame Firing
(Conversion to dense -Al2O3) ii) Silica Coating
(Healing of surface flaws)
应用
Content
第I部分 复合材料科学基础
第1章 增强体 1.4 碳化硅纤维、硼纤维及其他纤维
1.4.1 碳化硅纤维（Silicon Carbide Fiber, SiCf）
1.4.2 硼纤维（Boron Fiber, BF） 1.4.3 氧化铝纤维（Alumina Fiber, （Al2O3）f） 1.4.4 金属纤维（Metal Fiber） 1.5 晶须及粉体（颗粒） 1.5.1 晶须 1.5.2 粉体（颗粒）
W
清洁段
H2 H2 H2 + 反应气体
反 应 器
尾气
CVD法
3） 结 构
制 备 方 法 ？
4） 性 能
1. 力学性能优异； 2. 耐氧化性好； 3. 化学稳定性好； 4. 与金属有良好的浸润性； 5. 耐辐射性能和吸波性能良好。
力学性能的典型数据
CVD法
前驱体法
密度
3.3
（g/cm3）
直径