第七章 无机非金属基复合材料13

属涂到陶瓷表面。涂饰好的粉末按粒度分级，取所需粒度压
成型坯。型坯在真空下或氢气氛中烧结。所谓烧结实质是将
金属熔融，把陶瓷粒子彻底“焊.”在一起。
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7.1 概述
金属陶瓷比任何工具钢都硬，压缩强度高于大多数工程材料， 耐磨性能极佳。可作切削工具，可作任何软、硬表面的摩擦 件。如果单纯使用陶瓷，因为其脆性，不能用作切削工具、 模具或振动强烈的机器部件。而金属陶瓷中的金属提供了韧 性，陶瓷提供了硬度与强度，这种复合产生了性能上的协同 效应。
一次相当于热解一次，强度会逐渐提高。尖锥是用两层的预浸布制
造的。先用石墨纤维布浸泡酚醛树脂，进行高温热解，驱除气体和
水分后酚醛树脂转化为石墨。这一阶段的复合材料是软胶。将此材
料浸渍糠醇后再热解，浸渍三次，热解三次，使其密度、强度和模
量逐次提高。再在表面涂以二氧化硅和三氧化二铝，烧结后就在表
面形成一层碳化硅涂层。最后，再用硅酸四乙氧脂浸渍表面，水解、
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7.1 概述
7.1.3 复合材料特点：
复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设 计的; 复合材料是经人工制造而非天然形成的; 组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物 理和化学性质（区别于化合物和合金）; 复合材料的性能取决于各组成的协同。复合材料具有 新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材 料性能所不及或不同的。 复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。
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复 船合 体材
料
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7.1 概述
复合材料的起源可追溯到古埃及人在 粘土中加入植物纤维所制成的土坯。 大约100万年以前，人们开始使用以沙 做骨料，用水或水泥固结的混凝土， 它是现代建筑领域不可缺少的材料。 混凝土具有一定的抗压强度，但比较 脆，在张力作用下容易产生裂纹而破 裂。
在混凝土中加入钢筋，大大提高了材
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层状复合材料隔热的隔热
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石墨片
7.2 复合材料结构
7.2.1 复合材料的结构 叠层复合材料指复合材料中的增强相是分层铺叠的，即按相 互平行的层面配置增强相，而各层之间通过基体材料连接。 叠层复合材料中的“层”，可以是前述的单向无纬布、浸胶 纤维布，如玻璃纤维布、碳纤维布或棉布、合成纤维布、石 棉布等。也可以是片状材料，如纸张、木材以及前述的铝箔 （在混杂叠层复合材料中）。叠层复合材料在其层面方向可 以提供优良的性能。
的耐酸性能、耐海水性能、也能耐
碱、盐和有机溶剂。因此．它是一
种优良的耐腐蚀材料，用其制造的
化工管道、贮罐、塔器等具有较长
的使用寿命、极低的维修费用。 .
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7.3 复合材料基本特性
(ห้องสมุดไป่ตู้)热性能良好
玻璃纤维增强的聚 合物基复合材料具有较 低的导热系数，是一种 优良的绝热材料。
(6)工艺性能优良
纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，能 满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状 复杂、数量少制品的制造，
增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终 复合材料中的形态来区分的。 增强相或增强体：复合材料承受外加载荷时是主要承载相， 组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状、具有较高 的强度、模量、硬度和脆性。它们在复合材料中呈分散形式， 被基体相隔离包围，因此也称为分散相； 基体相：是包围增强相并相对较软和韧的关联材料。按增强 体的几何形态可把复合材料分为三类，即纤维增强复合材料、 颗粒增强复合材料、层片增强复合材料，
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7
7.1 概述
7.1.2 无机非金属材料基复合材料
碳基复合材料 碳碳复合材料的基体是碳，用碳 纤维增强的复合材料。从光学显微 镜尺度来看，碳碳复合材料由碳纤 维、基体碳、碳纤维/基体碳界面层、 纤维裂纹和孔隙四部分构成。
优点：热膨胀系数低、导热好、耐热冲击、抗蠕变优异等优异特性。 缺点：碳碳复合材料中的孔隙与显微裂纹可明显降低其力学强度和 抗氧化性能。 孔隙和裂纹的数量要根据碳碳复合. 材料的使用性能要求加以控8制。
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7.1 概述
金属陶瓷
金属陶瓷是金属与陶瓷的结合体。其 分散相是陶瓷颗粒，多为碳化物，如 碳化钛、碳化物等。基体是一种金属 或几种金属的混合物，如镍、钴、铬、 钼等。实际上金属起到黏合剂的作用， 将坚硬的陶瓷粒子粘合在一起。
金属陶瓷家族中最著名的成员是钴黏合的碳化物。碳化物与
钴等金属一起球磨，一方面减少碳化物的粒度，一方面将金
7.1 概述
用途：已发展成为核能和航空航天飞行器中不可缺少的关键材 料，如飞机刹车片。利用它的生物相容性和低维性，可以制造 人造肢体。
飞机用刹车片
汽车用刹车片
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7.1 概述
碳碳复合材料1986年首次用于 发动机的燃烧喷管,其最显赫的 应用是宇宙飞船重返大气层的 尖锥。
重返温度高达1650℃，碳尖锥在服役期间不仅毫无损伤，而且使用
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7.3 复合材料基本特性
1、复合材料的特性 复合材料是由多种组
分的材料组成，许多性能优 于单一组分的材料。
（１）轻质高强，比强度和比刚度高
Ａ、增强剂或者基体是比重小的物质，或两者的比重都 不高，且都不是完全致密的；
Ｂ、增强剂多是强度很高的纤维。
比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类 材料中最高的。 (2)可设计性好
第7章 无机非金属材料基复合材料
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7.1 概述
所谓的复合材料是指把两 种以上在宏观上不同的材料， 合理的进行复合，在新制得的 材料中，原来各材料的特性得 到充分的应用，并且得到了单 一材料所不具有的新特性，如 果从微观上看，我们所使用的 材料很少不是复合的，我们在 这里所说的复合材料则是按上 述定义复合得到的材料。
料的拉伸抗力，成为广泛应用的钢筋
混凝土。在橡胶中加入纤维/钢丝，既
保持了橡胶的柔软性，又提高了材料
的强度和耐磨性能。
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3
7.1 概述
现代复合材料的发展起源于1942年美国空军用于制造飞机构件的 玻璃纤维增强和聚脂，即玻璃钢，以后提高玻璃纤维性能的工作 有了很大的发展，硼纤维/碳纤维/碳化硅纤维/各种耐热氧化物纤 维与晶须的相继出现，推动着复合材料的研究与开发工作。
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7.4 复合材料的应用与研究现状
7.4.1 、复合材料的应用
氮化硅结构陶瓷被用作航 天飞机的防热瓦
硼纤维金属基复合材料制成的 火箭履轴的管道输送部件
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7.4 复合材料的应用与研究现状
美国B-2隐形轰炸机表面为具 有良好吸波性能的碳纤维复 合材料
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由光导纤维构成的光缆
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7.4 复合材料的应用与研究现状
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7.4 复合材料的应用与研究现状
(1) 在航空、航天方面的应用 由于复合材料的轻质高强持性，使其在航空航天领域得
到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、 机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼 肋和加强筋等主承力构件。
A400M、波音787飞机，复 合材料分别占飞机结构重量的 36%和50%，
解决的方法：加入粗、细骨料（如沙和卵石等）制成混凝土
以提高水泥的强度和韧性。但随着混凝土强度的提高，它的
脆性也表现的更为明显。
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7.1 概述
新型的无机胶凝复合材料：以混凝土或水泥砂浆为基体，在 其中掺入纤维形成的复合材料，称为纤维水泥与纤维混凝土。 纤维种类：包括金属纤维（如不锈钢纤维、低碳钢纤维）、 无机纤维（如玻璃纤维、硼纤维、碳纤维）、合成纤维（如 尼龙、聚酯、聚丙烯等纤维）、植物纤维（如竹、麻纤维）。 由于钢纤维能有效提高混凝土的韧性与强度，能成批生产， 价格便宜，施工方便，一直是研究和应用的重点。
复合材料的复合目的:提高材料强度
得到热性能/电性能/磁性能和其他各种性能的最优化.
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7.1 概述
根据复合材料的基体的不同及发展历史: 玻璃纤维增强塑料（GFRP）称作第一代复合材料 硼纤维和碳纤维增强的塑料（BFRP,GFRP）称作第二代复合材料。 高性能纤维增强金属与陶瓷成为第三代复合材料。
玻璃纤维
金属含量越低，陶瓷粒度越细（<1um）,耐磨性能越好。所有 金属陶瓷都具有室内耐腐蚀性，含有镍和铬的金属陶瓷可耐化 学环境的腐蚀。
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7.1 概述
无机胶凝复合材料
以水泥为代表的无机胶凝复合 材料脆性特点： 抗拉强度低（只有抗压强度的 1/20～1/10）； 其制品及构件在受拉应力系统或 冲击载荷情况下，极易脆性破坏。
复合材料可以根据不同的用. 途要求，灵活地进行产品设23 计，具有很好的可设计性。
7.3 复合材料基本特性
(3)电性能好
复合材料具有优良的电性 能，通过选择不同的树脂基体、 增强材料和辅助材料，可以将 其制成绝缘材料或导电材料。 不饱和聚脂树脂玻璃纤维增强模塑料
(4)耐腐蚀性能好
聚合物基复合材料具有优异
干燥后又使涂层含有一定量的二氧. 化硅。
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7.1 概述
碳碳复合材料密度只有1.3g/cm3,具有很高的比强度。 其强度与模量可依据用途在较大范围内调节。普通碳碳复 合材料的强度可以高达450MPa,连续纤维材料的强度为 600MPa，“先进”碳碳复合材料的强度可以高达2100MPa。 典型的模量值在125～175GPa的范围内。就高温强度而言， 碳碳复合材料是2000℃以上最强的材料，更可贵的是，温 度越高，碳材料的强度越高。但高温氧化是其弱点，基体 与纤维界面的氧化更甚。
(2)在交通运输方面的应用
由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量 只有钢制汽车的1／4，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸 收冲击能量，保护人员的安全。
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7.3 复合材料基本特性
(7)长期耐热性 金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，
但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温 的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300 ℃左 右。
(9)老化现象 在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的
作用，会导致复合材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。
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硼纤维
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碳纤维
7.1 概述
7.1.1 复合材料的分类
1、按基体材料分类，可分为聚合物
基、陶瓷基和金属基复合材料。
2、按增强相形状分类，可分为纤
SiC颗粒
维增强复合材料、粒子增强复合材
增 强
料和层状复合材料。
相
3、按复合材料的性能分类，可分
三 种
为结构复合材料和功能复合材料。
类
Al2O3片
型
无机非金属材料基复合材料主要包
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7.2 复合材料结构
7.2.1 复合材料的结构
复合材料由两种以上以及它们之间的界面构成。组分材料 主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相和 基体相。增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结 构与组成也被视为复合材料的“相”，即界面相。
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7.2 复合材料结构
7.2.1 复合材料的结构
括陶瓷基复合材料（CMC）、碳
基复合材料、玻璃基复合材料和水
泥基复合材料等。
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Al2O3纤维
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7.1 概述
无机非金属材料基复合材料还可以按其使用温度分: 高温陶瓷基复合材料（它以多晶陶瓷为基体，耐受温度为 1000～1400℃）; 低温陶瓷基复合材料（它以玻璃及玻璃陶瓷为基体，耐受 温度在1000℃以下）。 尽管相对而言，无机非金属材料基复合材料目前产量还不 大，但陶瓷基复合材料和碳基复合材料是耐高温及高力学 性能的首选材料，例如碳碳复合材料是目前耐温最高的材 料。水泥基复合材料则在建筑材料中越来越显示其重要性。 下面简要介绍几类常见的无机非金属复合材料。
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7.2 复合材料结构
7.2.1 复合材料的结构
纤维复合材料又分为连续纤维和非连续纤维（包括晶 须和短切纤维）增强复合材料。连续纤维复合材料又分 为单向纤维、无纬布叠层（正交、斜交）、二维织物层 合、多相编织复合材料和混杂纤维复合材料。
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碳纤维复合材料机盖 19
7.3 复合材料结构
颗粒增强复合材料的增强体是不同尺寸的颗粒（球形 或者非球形）。按照分散相的尺寸大小和间距又可分 为弥散增强复合材料（颗粒等效直径为0.01~0.1um， 颗粒间距为0.01~0.3um）和粒子增强复合材料（颗粒 等效直径为1~50um，颗粒间距为1~25um）。
. 高体份（60-70%）碳化硅颗粒2,0 铝基复合材料电子封装件
7.2 复合材料结构
7.2.1 复合材料的结构
层状增强复合材料的增强体是长与宽尺寸相近的薄片。薄片增 强体由天然、人造和在复合材料工艺过程中自身生长三种途径 获得。天然片状增强体的典型代表是云母，人造片状增强体如 有机玻璃（又称玻璃鳞片）、铝、银二硼化铝等。