陶瓷基复合材料的增强体
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。
其最高使用温度主要取决于基体特征。
陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。
法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。
工制备艺浆体浸渍-热压法适用于长纤维。
首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行烧结。
优点是加热温度较晶体陶瓷低，层板的堆垛次序可任意排列，纤维分布均匀，气孔率低，获得的强度较高。
缺点则是不能制造大尺寸的制品，所得制品的致密度较低，此外零件的形状不宜太复杂，基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷。
晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本相同的。
基本上是采用粉末冶金方法。
制备工艺比长纤维复合材料简便很多。
所用设备也不复杂设备。
过程简单。
混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料制造工艺也可大致分为配料-成型-烧结-精加工等步骤。
直接氧化沉积法方法：将纤维预制体置于熔融金属上面，添加有镁、硅添加剂的熔融金属铝，在氧化气氛中，不断地浸渍预制体，在浸渍过程中，熔融金属或其蒸汽与气相氧化剂反应生成氧化物。
随着时间的延长，边浸渍边氧化，最终可制得纤维增强CMC。
优点：纤维几乎无损伤、纤维分布均匀、CMC性能优异，工艺简单、效率高成本低先驱体热解法方法：将单独合成的先驱体，通过加温调节其粘度，在高压-真空联合作用下使其浸入并充满多向纤维编织坯件的空隙，在高温下使先驱体热解。
陶瓷基复合材料(CMC)
第四节陶瓷基复合材料（CMC）1.1概述工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、发动机部件、热交换器、轴承等。
陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。
与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。
特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。
表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。
很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。
无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。
使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤维之一。
碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。
其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。
陶瓷材料中另一种增强体为晶须。
晶须为具有一定长径比(直径o 3。
1ym，长30—lMy”)的小单晶体。
从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。
在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。
陶瓷基复合材料
Ceramic-matrix
注意事项 ： （1）料浆应能与纤维表面保持良好润湿。料浆中包括：陶瓷基体粉末、 载液(通常是蒸馏水)和有机粘接剂，有时还加入某些促进剂和基体润湿 剂。为使纤维表面均匀粘附料浆，要求陶瓷粉体粒径小于纤维直径，并 能悬浮于载液和粘接剂混合的溶液中。 （2）纤维应选用容易分散的、捻数低的丝束，保持其表面清洁无污染。 在操作过程中尽量避免纤维损伤，并注意排除气泡。 （3）热压烧结应按预定规律(即热压制度)升温和加压。在热压过程中， 将发生基体颗粒重新分布、烧结和在外压作用下的粘性流动等过程，最 终获得致密化的陶瓷基复合材料。很多陶瓷基复合材料体系在热压过程 中往往没有直接发生化学反应，主要通过系统表面能减少的驱动，使疏 松粉体熔结而致密化。 存在的问题： （1）纤维和陶瓷粉末不容易复合成型。 （2）烧结时由于基体收缩或热压烧结时无粘性流动，会使颗粒和纤维 之间的机械作用而损伤纤维。 （3）目前，直径小于0.1微米-1微米的粉末很难买到。并且，其中的夹 杂物不易排除。同时，细的粉末在制造复合材料过程中又不易分散。 （4）在热压时会损伤纤维结构。
Ceramic-matrix
注意事项：
（1）与高聚物先驱体转化法不同的是，溶胶—凝胶工艺的先驱体是在溶液浸 进纤维编织坯件后在原位合成的。 （2）采用溶胶—凝胶法制备复合材料可以先制备复合凝胶体，即将复合的各 相以原子或分子级进行均匀混合形成复合溶胶和凝胶化，得到高纯、超细、均 相、分子级或包裹式的复合陶瓷粉末，再经成型、烧结而形成复合材料的基体 或者通过控制溶剂的蒸发速度将复合的溶胶凝胶化后，直接烧结成陶瓷基复合 材料。 （3）如果第二相是粉末或纤维，则可浸在适当的溶液中，通过形核和成长， 使溶液形成溶胶，均匀包围粉末和纤维，经凝胶化处理和热解后即形成陶瓷基 复合材料的基体。 （4）溶胶—凝胶法制备陶瓷基复合材料的质量保证关键主要有：选择合适的 先驱体反应物，控制溶液的浓度和pH值、气氛、分散剂、选用胶溶剂、去除 团聚以及使各相处于良好的分散状态等。
陶瓷基复合材料
耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体 高断裂韧性、高强度
几种常用的陶瓷基体材料简介：
氧化铝（Al2O3） 二氧化锆（ZrO2） 莫来石（3Al2O32SiO2） 氮化硅（Si3N4，Sialon） 碳化硅（SiC） 玻璃陶瓷（LAS、MAS、CAS）
250-300 1200 5-5.5 25-30
刚玉瓷
95瓷 95
-Al2O3
3.5 180 280-350 2000 5.5-7.5 15-18
刚玉瓷
99瓷 99
-Al2O3
3.9 250 370-450 2500 6.7 25-30
氧化铝瓷的其它性能 ：
❖ 氧化铝的硬度约为20GPa，仅次于金刚石、立方氮化 硼和碳化硅，有很好的耐磨性。
基复合材料
❖ 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状
材料
❖ 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 ❖ 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复
合材料。
陶瓷基复合材料类型汇总表
增强体形态 （材料名称）
颗粒
（陶瓷、金属）
晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
基体材料种类 （材料名称） 玻璃：SiO2等
玻璃陶瓷：LAS、MAS、CAS
氧化物陶瓷：Al2O3, MgO, ZrO2, Mullite
非氧化物陶瓷 碳化物：B4C, SiC, TiC, ZrC, Mo2C, WC 氮化物：BN, AlN, Si3N4,TiN,ZrN 硼化物：AlB2, TiB2, ZrB2
陶瓷基复合材料(CMC)
第四节陶瓷基复合材料（CMC）1.1概述工程中陶瓷以特种陶瓷应用为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐腐蚀件好等特点，已广泛用于制做剪刀、网球拍及工业上的切削刀具、耐磨件、发动机部件、热交换器、轴承等。
陶瓷最大的缺点是脆性大、抗热震性能差。
与金属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要目的之一就是提高陶瓷的韧性。
特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了大量的断裂能量，使韧性得以大幅度提高。
表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺寸大小的比较。
很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。
无论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较大提高，而且也使临界裂纹尺寸增大。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物纳构远比金属与合金复杂得多。
使用最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷材料中的化学键往注是介于离子键与共价键之间的混合键。
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤维之一。
碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进行有效的保护以防止它在空气中或氧化性气氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。
其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。
陶瓷材料中另一种增强体为晶须。
晶须为具有一定长径比(直径o 3。
1ym，长30—lMy”)的小单晶体。
从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。
在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨氏模量)，这已非常接近十理论上的理想拉伸强度o．2Z。
陶瓷基复合材料论文资料
陶瓷基复合材料在航天领域的应用概念：陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。
其最高使用温度主要取决于基体特征。
一、陶瓷基复合材料增强体用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种1.1纤维类增强体纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。
连续长纤维的连续长度均超过数百。
纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。
1.2颗粒类增强体颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。
耐热、耐磨。
耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。
细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。
主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末1.3晶须类增强体晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为0.2~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。
1.4金属丝用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。
1.5片状物增强体用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。
将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。
二、陶瓷基的界面及强韧化理论陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。
界面作为陶瓷基复合材料重要的组成相，其细观结构、力学性能和失效规律直接影响到复合材料的整体力学性能，因此研究界面特性对陶瓷基复合材料力学性能的影响具有重要的意义。
陶瓷基复合材料（CMC）
陶瓷基复合材料（CMC）第四节陶瓷基复合材料（CMC）1.1概述⼯程中陶瓷以特种陶瓷应⽤为主，特种陶瓷由于具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度⾼以及耐腐蚀件好等特点，已⼴泛⽤于制做剪⼑、⽹球拍及⼯业上的切削⼑具、耐磨件、发动机部件、热交换器、轴承等。
陶瓷最⼤的缺点是脆性⼤、抗热震性能差。
与⾦属基和聚合物基复合材料有有所不同的，是制备陶瓷基复合材料的主要⽬的之⼀就是提⾼陶瓷的韧性。
特别是纤维增强陶瓷复合材料在断裂前吸收了⼤量的断裂能量，使韧性得以⼤幅度提⾼。
表6—1列出了由颗粒、纤维及晶须增强陶瓷复合材料的断裂韧性和临界裂纹尺⼨⼤⼩的⽐较。
很明显连续纤维的增韧效果最佳，其次为品须、相变增韧和颗粒增韧。
⽆论是纤维、晶须还是颗粒增韧均使断裂韧性较整体陶瓷的有较⼤提⾼，⽽且也使临界裂纹尺⼨增⼤。
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是⼀种包括范围很⼴的材料，属于⽆机化合物纳构远⽐⾦属与合⾦复杂得多。
使⽤最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐⾼温、耐腐蚀、⾼强度、重量轻和价格低等优点。
陶瓷材料中的化学键往注是介于离⼦键与共价键之间的混合键。
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。
从⼏何尺⼨上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。
碳纤维是⽤来制造陶瓷基复合材料最常⽤的纤维之⼀。
碳纤维主要⽤在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数的构件，在1500霓的温度下，碳纤维仍能保持其性能不变，但对碳纤维必须进⾏有效的保护以防⽌它在空⽓中或氧化性⽓氛中被腐蚀，只有这样才能充分发挥它的优良性能。
其它常⽤纤维是玻璃纤维和硼纤维。
陶瓷材料中另⼀种增强体为晶须。
晶须为具有⼀定长径⽐(直径o 3。
1ym，长30—lMy”)的⼩单晶体。
从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位偌、孔洞和表⾯损伤等⼀类缺陷，⽽这些缺陷正是⼤块晶体中⼤量存在且促使强度下降的主要原因。
在某些情况下，晶须的拉伸强度可达o．1Z(Z为杨⽒模量)，这已⾮常接近⼗理论上的理想拉伸强度o．2Z。
陶瓷基复合材料综述报告
陶瓷基复合材料综述报告陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
迄今，陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。
有些发达国家已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得了不错的使用效果[1]。
一、陶瓷基复合材料增强体用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种[2-4] :1.1纤维类增强体纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。
连续长纤维的连续长度均超过数百。
纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。
1.2颗粒类增强体颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。
耐热、耐磨。
耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。
细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。
主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末1.3晶须类增强体晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为0.2~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。
1.4金属丝用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。
1.5片状物增强体用于复合材料的片状增强物主要是陶瓷薄片。
将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。
二、陶瓷基的界面及强韧化理论陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、高弹性模量、热化学稳定性等优异性能，被认为是推重比10以上航空发动机的理想耐高温结构材料。
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2、陶瓷纤维
（1）硼纤维（Boron Fiber）
硼纤维是一种将硼通过高温化学气相沉积在钨丝或
碳芯表面制成的高性能增强纤维
中心是碳纤维或钨纤维
典型性能：
直径：100140m；抗张强度：3500MPa
弹性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3
状态：连续单丝。 硼纤维抗氧化和高温性能较差，在400C 时可保持室温强度的80% ；在高于500C的 氧化气氛中几分钟其强度就迅速下降；在 650C时将失去所有的性能。 同时其成本也较高，成本下降的潜力也不 大。
MCl4（g）+ CH2 = MC（s） + 4HCl（g）
2MCl4（g）+ 4H2 +N2 = 2MN（s）+ 8HCl（g）
四、颗粒（Particle）
具有高强度、高模量、耐热、 耐磨、耐高温的陶瓷和石墨 等非金属颗粒，加入到基体 材料中起提高耐磨、耐热、 强度、模量和韧性的作用。 其成本低，易于批量生产。
2.复合材料的特点
• 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观 ： 复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的 界面。 • 2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地 发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的 优良特殊性能。 • 3）复合材料具有可设计性。
复合材料的基本结构
复合材料由基体和增强剂两个组分构成：
含碳量99%左右的称为石墨纤维。碳 纤维比重小，比强度、比模量大见 下表，耐热性和耐腐蚀性好，成本 低，批生产量大，是一类极为重要 的高性能增强剂
不同品种碳纤维的力学性能
制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维），聚丙 烯腈（PAN）纤维和沥青（Pitch）等。
经过分为五个阶段：
1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。
1、无机纤维
（1）玻璃纤维（Glass Fiber） 玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经 熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可织成 各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，耐 腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。 缺点是不耐磨、易折 断，易受机械损伤。
（2）碳纤维
碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤 维状聚合物碳。含碳量95%左右的称为碳纤维；
此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨
晶体组成的碳纤维。
石墨化过程：
当温度升到2000 3000C时，非碳 原子进一步排除，反应形成的芳环平面 逐步增加，排列也较规则，取向度显著 提程。形
成的石墨纤维弹性模量大大提高。
碳纤维热处理温度与强度及弹性模量的关系
2）牵伸：通常在100 300 C范围内进行，
控制着最终纤维的模量。 3）稳定：在400C加热氧化。显著地降低热 失重，保证高度石墨和取得更好的性能。 4）碳化：在10002000 C 范围内进行。 5）石墨化：在2000 3000C范围内进行。
碳纤维制备工艺流程
PAN基碳纤维制备工艺流程：
空气中预氧化， 施张力使纤维 伸长约10% 。 (200300C)
PAN原丝
1150惰气中碳化1h， 施张力约0.5N/束。 碳纤维(低模高强) 2100C石墨化惰气 中1分钟，施张力约 12N/ 束。
石墨纤维 (高模高强)
碳化过程：
有机化合物在惰性气氛中加热到10001500C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将逐 步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一 系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，
复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高
技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合
材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命
力的材料。
复合材料的发展历史
6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合 材料。
水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦 和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要 的作用；20世纪40年代，美国用碎布酚 醛树脂制备枪托、代替木材，发展成为 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种种广 泛应用的较现代化复合材料。
复合材料无所不在！
史上最牛的 钉子户
我们住在复合材料里
树木也是一种复合材料
木质素 纤维素
海胆：家在喜马拉雅山上
海胆最大的特征是那带有刺的硬壳。 那些硬刺用作保护，可能含有毒液， 引致火烧一般的疼痛。
燕子窝：泥土-草复合材料
材料的发展与人类社会的进步
材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进 步的里程碑。
复合材料分类
复合材料按用途可分为： 结构复合材料 功能复合材料
结构复合材料基本上由 增强体和基体组成
按增强体分类
• • • • • • 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料
按基体材料分类：
• • • • • 聚合物复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳碳复合材料 水泥基复合材料
美国F-22猛禽战机
1997年服役，目前世界性 能最佳的制空战机之一
55%机身采用高強度、低重量 的复合材料，估计单价超过 2 亿美元
复合材料的定义和特点：
复合材料的定义
两种或两种以上物 理和化学性质不同的 物质组合而成的一种 多相固体材料。
• 复合材料应满足下面 三个条件 • 1）组元含量大于 5 %； • 2）复合材料的性能显 著 不同于各组元的性 能； • 3）通过各种方法混合 而成。
震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点同时还具有良
好的抗氧化和高温性能，其室温性能可保持到1200C。
其成本下降的潜力很大。适合于制备树脂、金属及陶瓷
基复合材料。
碳化硅纤维的制备方法 有先驱体转化法和CVD法 两种。
CVD法制备SiC纤维 直径：100 140 m； 抗张强度：3500MPa 弹性模量：400GPa； 密度：3.03.4g/cm3 状态：连续单丝。
晶须是指具有一定长径比和截面积小于 5210-5cm2 的单晶纤维材料。其直径为0.1到几个微米, 长度为 数十到数千微米。但具有实用价值的晶须的直径为 1-10微米,长径比在5–100之间。 晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯 晶体的理论强度
ZnO晶须微观形貌
SiC晶须微观形貌
晶须的制备方法
氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的机械性能以 及耐热性和抗氧化性。制备氧化铝纤维的方法较多， 有 -、 -、-Al2O3 连续纤维和-Al2O3 短纤维。 -Al2O3 与树脂及熔融金属的相容性好.
氧化铝纤维主要用于金 属基复合材料。缺点是 密度较大
（3）碳化硅纤维
碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐蚀、抗热
• 基体：构成复合材料的连续相； • 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的 形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的 性能优越， 会使材料的性能显著改善和增强。 • 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体 大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或 弥散状。 • 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面活性，不 需要处理就可与树脂复合，其复合材料具有较高的层
间剪切强度。对于含氮化合物亲和力大于含氧化合物。
但在高温下易与大多数金属反应，需要在纤维表面沉
积保护涂层，如SiC和B4C等。
硼纤维主要用于聚合基
和铝基复合材料。
（2）氧化铝纤维 (Alumina Fiber )
另外，还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体
（Ductile Particle Reinforcement），主要为金属颗粒，
一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中起到增韧作用。
如Al2O3中加入Al、Ni，WC中加入Co等。金属颗粒的加入
使材料的韧性显著提高，但高温力学性能有所下降。
当前材料、能源、信息和生物
技术是现代科技的四大支柱，
它会将人类物质文明推向新的
阶段。 二十一世纪将是一个
新材料时代。
复合材料的提出
现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展； 同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。 很明显，传统的单一材料无法满足 以上综合要求，当前作为单一的金 属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在 不断日新月异地发展，但是以上这 些材料由于其各自固有的局限性而 不能满足现代科学技术发展的需要。
制备方法：
将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热 到1200 ~ 1300C的同时通入适量的氯硅烷与氢气的 混合反应气体反应气体在热丝上发生热解反应生成
SiC
CH3 SiCl3 + H2 SiC + HCl + ••• 并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材 的连续SiC纤维
三、晶须（Whisker）
化学气相沉积（CVD）法、溶胶-凝胶法、气液固法、液相
生长法、固相生长法和原位生长法等。
制备陶瓷晶须经常采用CVD法。
即通过气体原料在高温下反应， 并沉积在衬底上 而长成晶须。
例如 CVD 法制备 SiC 晶须的基本反应式为：
CH3 SiCl3（g） + H2 SiC + HCl（g）
CVD 法制备难溶金属氮化物和碳化物的基本 反应式为：
复合材料的基本性能：
• 1.高比强度和高比模量 • 2.良好的高温性能 • 3良好的尺寸稳定性 • 4良好的化学稳定性 • 5良好的抗疲劳，蠕 变，冲击和断裂韧性 • 6良好的功能性能
增强材料共分为三类：
• 纤维及其织物 • 晶须 • 颗粒
增强体纤维包括：有机纤维 无机纤维 纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。