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。热解时低分子产物从坯件中逸出，留在空隙间的产物即形成陶瓷基体。优点：热解温度<热压烧结温度，可减少界面的有害化学反应；热解在常压下进行，可以避免对纤维的机械损伤，可制备形状复杂和尺寸准确的制品。缺点：生产周期长，密度<热压烧结
界面及界面改性方法 界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。 在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。 1、聚合物基复合材料界面 界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。 大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。 偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。 聚合物基复合材料界面改性原则： 1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。２）适度的界面结合强度 ３）减少复合材料中产生的残余应力 ４）调节界面内应力和减缓应力集中 聚合物基体复合材料改性方法 １、颗粒增强体在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面 ２、纤维增强体复合材料界面改善 a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性 2、金属基复合材料界面 金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。 金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。 金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。 金属基复合材料的界面控制研究方法： 1）对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。 2）选择金属元素改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 3、陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。 陶瓷基体复合材料界面控制方法
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 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。 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 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~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。 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。 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。 界面的粘结形式 （1）机械结合（2）化学结合 陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的
第二章增强材料 1.增强材料的品种： 1）无机纤维：（1）玻璃纤维 （2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维 （3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维 2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）： ①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯 （2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇 2.玻璃纤维的分类： 1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2% 2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）…… 3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉） 3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻 璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法） 4.玻璃纤维的力学特性： 1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征 2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释： （1）Griffith微裂纹理论： 玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低 （2）分子取向理论： 玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。 3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低 4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6% 5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空） 1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱 2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗 3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。S：右捻，Z：左捻。增加抱合力 4）股数N：指由几根原纱合股组成。纱的合股数指以一根原纱为一股，几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N。玻璃纱的公称支数为原纱支数除以股数（β=β0/N） 6.预氧化阶段施加张力的目的，是使纤维中形成的梯形结构取向。热定型后的聚丙烯纤维在温度高于玻璃化温度后，在纤维长轴方向上会发生收缩。预氧化过程前期为物理收缩，表现为取向度
第27卷第2期 硅 酸 盐 通 报 Vo.l 27 No .2 2008年4月 BULLETI N OF T HE C H INESE CERA M IC S OC IET Y Apr i,l 2008 连续陶瓷基复合材料的研究现状及发展趋势 陈维平,黄 丹,何曾先,王 娟,梁泽钦 (华南理工大学机械工程学院,广州 510640) 摘要:连续陶瓷基复合材料(C4材料)是近年来出现的一种具有全新复合增强方式的陶瓷/金属复合材料。在这种 复合材料中,基体陶瓷增强相具有三维连通的内部结构,因而起增韧作用的金属填充在陶瓷骨架的空隙中,其在空 间上也是三维连通的。实现这种复合结构需要不同于传统的复合材料成型与制备技术。这种复合结构使得连续 陶瓷基复合材料能够将陶瓷与金属各自的性能特点与优点更多的保留在最终的复合材料中;同时,还表现出了与 传统复合材料(颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料等)不同的性能特性,具有广泛的应用前景。 关键词:连续陶瓷基复合材料;C4材料;三维连通 中图分类号:TQ174.758.2 文献标识码:A 文章编号:100121625(2008)022******* R esearch and Developm en t Per spective of C o 2con ti nuous C era m ic C o m posites C HE N Wei 2ping,H U A NG Dan,HE Ce ng 2xian,W A NG Juan,LIA NG Z e 2qin (School ofM echan icalE ngi neeri ng ,Sou t h Ch i na Un i versit y ofT echndogy ,Guangzhou 510640,Ch i na) Abstr act :Co 2conti n uous cera m ic co mposites (C4materials )are a ne w class of cera m ic /meta l co mposites w it h ne w ly rei n f orce men t manner ,where the reinf orc i n g cera m ic phase ,as t h e base of the co mposite ,is characterized as the t h ree 2di m ensional i n terpenetrati n g str ucture ;and the m etallic phase is filled i n t h e i n terspaces of the cera m ic net w or k,as the ductile phase of the co mposite .So me untraditi o na l f or m i n g and fabricating technol o gies f or the co mposites are required due to the spec i a l co 2conti n uous i n ter nal structure .The i n terna l structure of i n ter penetrati o n deter m i n es co 2conti n uous cera m ic co mposites can retain more f eatures and advantages of cera m ic and meta l respectively in the fi n al co mposite ,and also ,perf o r m the diff erent characteristics f ro m the traditi o na l co mposites (such as particle re i n f orced co mposites and fi b er reinf orced co mposites)so that this class of co mposites gain the extensive app li c ation perspectives . K ey w ord s :co 2continuous cera m ic co mposite ;C4m aterials ;three 2di m ensional i n terpenetrating 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575076);广东省自然科学基金重点资助项目(粤科基办[2003]07号);教育部博士点基金资助 项目(20040510107) 作者简介:陈维平(19502),男,教授,博士生导师.主要从事高性能金属/陶瓷复合材料的研究.E 2m a i :l m e wpchen@sc u t .edu .cn 1 连续陶瓷基复合材料 连续陶瓷基复合材料(co 2continuous cera m ic co mposites),简称为C4材料,指的是陶瓷增强体具有三维连通骨架结构的陶瓷基复合材料。这种三维网络陶瓷(骨架)/铝合金复合材料由美国俄亥俄州大学的研究人员Bresli n 等发现,他们将这种复合类型的新材料称为连续陶瓷复合材料(co 2continuous cera m ic
摘自课本《聚合物基复合材料》,针对的是聚合物基纳米复合材料的制备方法。 1、溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是最早用来制备纳米复合材料的方法之一。所谓的溶胶-凝胶工艺过程是将前驱物在一定的有机溶剂中形成均质溶液，均质溶液中的溶质水解形成纳米级粒子并成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶。溶胶-凝胶中通常用酸、碱和中性盐来催化前驱物水解和缩合，因其水解和缩合条件温和，因此在制备上显得特别方便。根据聚合物与无机组分的相互作用情况，可将其分为以下几类： （1）直接将可溶性聚合物嵌入到无机网络中把前驱物溶解在形行成的聚合物溶液中，在酸、碱或中性盐的催化作用下，让前驱化合物水解，形成半互穿网络。（2）嵌入的聚合物与无机网络有共价键作用在聚合物侧基或主链末端引入能与无机组分形成共价键的基团，就可赋予其具有可与无机组分进行共价交联的优点，可明显增加产品的弹性模量和极限强度。在良好溶解的情况下，极性聚合物也可与无机物形成较强的物理作用，如氢键。 （3）有机-无机互穿网络在溶胶-凝胶体系中加入交联单体，使交联聚合和前驱物的水解与缩合同步进行，就可形成有机-无机同步互穿网络。用此方法，聚合物具有交联结构，可减少凝胶的收缩，具有较大的均匀性和较小的微区尺寸，一些完全不溶的聚合物可以原位生成均匀地嵌入到无机网络中。 溶胶-凝胶法的特点是可在温和条件下进行，可使两相分散均匀，通过控制前驱物的水解-缩合来调节溶胶-凝胶化过程，从而在反应早期就能控制材料的表面与界面性能，产生结构极其精细的第二相。存在的问题是在凝胶干燥过程中，由于溶剂、小分子、水的挥发可能导致材料内部产生收缩应力，从而会影响材料的力学和机械性能。另外，该法所选聚合物必须是溶解于所用溶剂中的，因而这种方法受到一定限制。 2、层间插入法 层间插入法是利用层状无机物(如粘土、云母等层状金属盐类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无机主体，将聚合物(或单体)作为客体插入于无机相的层间，制得聚合物基有机-无机纳米复合材料。层状无机物是一维方向上的纳米材料，其粒子不易团聚且易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范
第一章 聚合物合金的概念、合金化技术的特点？ 聚合物合金：有两种以上不同的高分子链存在的多组分聚合物体系 合金化技术的特点:1、开发费用低，周期短，易于实现工业化生产。2、易于制得综合性能优良的聚合物材料。3、有利于产品的多品种化和系列化。 热力学相容性和工艺相容性的概念？ 热力学相容性：达到分子程度混合的均相共混物，满足热力学相容条件的体系。 工艺相容性：使用过程中不会发生剥离现象具有一定程度相容的共混体系。 如何从热力学角度判断聚合物合金的相容性？ 1、共混体系的混合自由能（ΔG M ）满足ΔG M =ΔH M -TΔS M <0 2、聚合物间的相互作用参数χ 12 为负值或者小的正值。 3、聚合物分子量越小，且两种聚合物分子量相近。 4、两种聚合物的热膨胀系数相近。 5、两种聚合物的溶度参数相近。 *思考如何从改变聚合物分子链结构入手，改变聚合物间的相容性？ 1、通过共聚使分子链引入极性基团。 2、对聚合物分子链化学改性。 3、通过共聚使分子链引入特殊相互作用基团。 4、形成IPN或交联结构。 5、改变分子量。 第二章 *列举影响聚合物合金相态结构连续性的因素，并说明分别是如何影响的？ 组分比：含量高的组分易形成连续相； 黏度比：黏度低的组分流动性较好，容易形成连续相； 内聚能密度：内聚能密度大的聚合物，在共混物中不易分散，容易形成分散相；溶剂类型：连续相组分会随溶剂的品种而改变； 聚合工艺：首先合成的聚合物倾向于形成连续性程度大的相。 说明聚合物合金的相容性对形态结构有何影响？
共混体系中聚合物间的工艺相容性越好，它们的分子链越容易相互扩散而达到均匀的混合，两相间的过渡区越宽，相界面越模糊，分散相微区尺寸越小。完全相容的体系，相界面消失，微区也随之消失而成为均相体系。两种聚合物间完全不相容的体系，聚合物之间相互扩散的倾向很小，相界面和明显，界面黏接力很差，甚至发生宏观的分层剥离现象。 什么是嵌段共聚物的微相分离？如何控制嵌段共聚物的微相分离结构？ 微相分离：由化学键相连接的不同链段间的相分离 控制溶剂、场诱导、特殊基底控制、嵌段分子量来控制 *简述聚合物合金界面层的特性及其在合金中所起的作用。 特性：1、两种分子链的分布是不均匀的，从相区到界面形成一浓度梯度；2、分子链比各自相区内排列松散，因而密度稍低于两相聚合的平均密度；3、界面层内易聚集更多的表面活性剂、其他添加剂、分子量较低的聚合物分子。 作用：力的传递效应；光学效应；诱导效应。 第三章 简述橡胶增韧塑料的形变机理及形变特点。 形变机理：银纹化和剪切带形变 特点：1、橡胶的存在有利于发生屈服形变；2、力学性能受形变机理影响 简述橡胶增韧塑料形变机理的研究方法及影响形变机理的因素。 定量研究：高精度的蠕变仪同时测定试样在张应力作用下的纵向和横向形变 影响因素：树脂基体；应力和应变速率；温度；橡胶含量；拉伸取向 简述橡胶增韧塑料的增韧机理，并列举实例加以说明。 多重银纹化增韧理论：在橡胶增韧的塑料中，由于橡胶粒子的存在，应力场不再是均匀的，橡胶粒子起着应力集中的作用。（脆性玻璃态高聚物受外力作用发生银纹形变时材料韧性很差） 银纹-剪切带增韧机理：银纹和剪切到之间存在着相互作用和协同作用。（ABS 拉伸过程中既有发白现象，又有细颈形成） 试比较橡胶增韧塑料和刚性粒子工程塑料的异同点。 1、增韧剂种类不同； 2、增韧的对象不同； 3、增韧剂含量对增韧效果的影响不同； 4、改善聚合物合金性能的效果不同； 5、增韧机理不同； 6、对两相界面黏结强度的要求是相同 第四章
聚合物基复合材料 摘要：聚合物基复合材料以其特有的性能近年来越来越受到人们的青睐。本文简单的介绍了聚合物基复合材料，描述了其作为一种新材料的性能特点，并详细描述了其发展历史及应用。 关键词：聚合物、复合材料、应用、历史 1、聚合物基复合材料 复合材料是指：两个或两个以上独立的物理相，包括粘接材料（基体）和粒料纤维或片状材料所组成的一种固体物。 (1) 复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。（2）复合材料中通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。（3）分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。 实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料。 而聚合物基复合材料一般都具有以下特性： 1. 比强度、比模量大。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的
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。而相比之下．多晶的金属纤维和块状金属的拉伸强度只有o．025和o．o01f。在陶瓷基复合材料使用得较为普遍的是SiC、Al2O3、以及Si3N4N晶须。颗粒也是陶瓷材料中常用的一种增强体，从几何尺寸上看、它在各个方向上的长度是大致相同的，—般为几个微米。通常用得较多的颗粒也是SiC、Al2O3、以及Si3N4N。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须，但如恰当选择颗粒种类、粒径、含量及基体材料，仍可获得一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究。 在陶瓷材料中加入第二相纤维制成的复合材料是纤维增强陶瓷基复合材料，这是改善陶瓷材料韧性酌重要手段，按纤维排布方式的不同，又可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。单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。在这种材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻．这样要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。图7—15为这一过程的示意图。当外加应力进一步提高时．由于基体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于基体的强
复合材料习题 第七章 一、如何改善陶瓷的强度？ 减少陶瓷内部和表面的裂纹： 含有裂纹是材料微观结构的本征特性。微观夹杂、气孔、微 裂纹等都能成为裂纹源，材料对表面裂纹（划伤、擦伤）也 十分敏感。 提高断裂韧性（K IC）： 采用复合化的途径，添加陶瓷粒子、纤维或晶须，引入各种 增韧机制（增加裂纹的扩散阻力及裂纹断裂过程消耗的能 量），可提高陶瓷的韧性。 二、简述氮化硅陶瓷的烧结方法及其特点。 氮化硅陶瓷中，Si-N是高强度共价键，难以烧结。氮化硅陶瓷有两种烧结方法：1、反应烧结： 硅粉、氮化硅粉混合→预成型→预氮化（1200℃）→二次氮化（1350-1450℃）→反应烧结氮化硅陶瓷。 Si3N4形成时伴随21.7%的体积膨胀，获得无收缩烧结氮化硅。 2、热压烧结： 粉末状Si3N4、烧结助剂MgO（1wt%）等，在石墨坩埚中，通过感应加热、单向加压烧结（1650-1850℃，15-30MPa，1-4h）。 MgO的作用：与SiO2膜作用生成熔融硅酸镁，使氮化硅高度致密化。 热压烧结氮化硅只能制备形状简单的（如圆柱形）实体坯件，其制品须经过机械加工才能达到要求的形状和尺寸。 三、简述陶瓷基复合材料的特点及制造步骤。 陶瓷基复合材料的特点：E f和E m的数量级相当；陶瓷基体的韧性有限；增强材料与陶瓷基体之间的热膨胀系数不匹配、化学相容性问题突出。 陶瓷基复合材料的制造通常分为两个步骤：将增强材料掺入未固结（或粉末状）的基体材料中排列整齐或均匀混合；运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下制成复合材料制品。 四、简述连续纤维增强陶瓷基复合材料的料浆浸渍-热压烧结工艺及其优、缺点。料浆浸渍-热压烧结工艺：纤维通过含有超细陶瓷基体粉末的料浆使之浸渍，浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上，烘干、切割，得到纤维无纬布；纤维无纬布裁剪、铺层排列、热压烧结得到陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料项目 申报材料 规划设计/投资分析/产业运营
陶瓷基复合材料项目申报材料 作为结构材料，陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、硬度大、耐化学腐蚀等优点，然而呈现脆性，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击等缺点，严重影响了它的实际应用。陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧，又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。 该陶瓷基复合材料项目计划总投资16727.94万元，其中：固定资产投资13328.38万元，占项目总投资的79.68%；流动资金3399.56万元，占项目总投资的20.32%。 达产年营业收入24721.00万元，总成本费用19543.40万元，税金及附加299.64万元，利润总额5177.60万元，利税总额6191.39万元，税后净利润3883.20万元，达产年纳税总额2308.19万元；达产年投资利润率30.95%，投资利税率37.01%，投资回报率23.21%，全部投资回收期5.81年，提供就业职位466个。 充分依托项目承办单位现有的资源或社会公共设施，以降低投资，加快项目建设进度，采取切实可行的措施节约用水。贯彻主体工程与环境保护、劳动安全和工业卫生、消防工程“同时设计、同时建设、同时投产”的总体规划与建设要求。 ......
陶瓷基复合材料项目申报材料目录 第一章申报单位及项目概况 一、项目申报单位概况 二、项目概况 第二章发展规划、产业政策和行业准入分析 一、发展规划分析 二、产业政策分析 三、行业准入分析 第三章资源开发及综合利用分析 一、资源开发方案。 二、资源利用方案 三、资源节约措施 第四章节能方案分析 一、用能标准和节能规范。 二、能耗状况和能耗指标分析 三、节能措施和节能效果分析 第五章建设用地、征地拆迁及移民安置分析 一、项目选址及用地方案
大学研究生课程论文 题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩 专业材料工程 课程名称、代码1512011080405 年级 姓名学号 时间年月 任课教师
聚合物基复合材料的界面研究进展 【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。 【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。 复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。 在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低
纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究 赵若飞 周晓东 戴干策 (华东理工大学聚合物加工室上海200237) 摘要:本文综述了聚合物基纤维复合材料界面残余热应力的形成、测定方法和各种理论分析方法。阐述了残余应力对界面粘结强度以及复合材料断裂韧性和强度的影响,最后对界面残余应力的控制方法作了评述。 关键词:聚合物基纤维复合材料 残余热应力 界面 1 前 言 聚合物基纤维复合材料的基体和增强纤维的热 膨胀系数存在很大的差异,而复合材料有相当部分 是在升温条件下成型的,当温度降低时,由于基体和 纤维的体积收缩率不同,会产生热残余应力,热固性 树脂在固化过程中发生体积收缩也会形成残余应 力。复合材料的残余应力同时存在于基体、纤维和 界面上,基体中的应力会使基体的性质发生变 化[1、2],使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下 降,甚至会引起基体的破坏。纤维中主要存在轴向 压缩残余应力,可能引起纤维发生曲折[3]。界面相 的残余应力有径向压缩或拉伸应力、环向拉伸应力 和界面剪切应力[4、5],这些应力都会对界面的粘结强 度和纤维的脱粘产生重要的影响[6～8]。 界面相残余应力的存在显然严重影响复合材料 的宏观性能,因此,人们一直希望能定量测定它,但 是界面层的厚度很小,属于微结构(纳米结构),而且界面存在材料的内部,所以难以直接测量残余应力[9]。纤维和基体中的残余应力则可采用各种实验方法来测定,例如光弹性法[2、10]、Ramman光谱法[11]、纤维总应变法[12]、碳纤维电阻率法[13]、单丝拔除法[14]等,可以通过测定邻近界面的基体或纤维中的残余应力来得到界面残余应力。另一方面,三十年来发展了有限元分析等各种理论分析方法研究复合材料残余应力[15～21],使人们对界面残余应力有了深入的认识。 近年来热塑性树脂基复合材料得到发展和广泛应用,人们对聚合物基复合材料的界面残余应力的研究越来越重视,这是因为与热固性树脂基复合材料相比,这种热塑性树脂在加工冷却过程中多伴有结晶的形成,与纤维的体积收缩比具有更大的差异[1、22] ,可能形成较大的界面残余应力。 2 残余应力的形成 聚合物基纤维复合材料有不少是在高于环境温度(150～300℃)的条件下加工,当体系温度降低时,会由于树脂和纤维的体积收缩不匹配而造成残余应力,表1列举了几种纤维和树脂的热膨胀系数和温度变化时的体积收缩率。由表1可见玻璃纤维是各向同性的,而碳纤维和凯芙拉纤维的横向和纵向热膨胀系数差别很大,当升温时沿纤维纵向收缩,横向膨胀。环氧树脂在固化过程中,伴随着化学反应体积发生收缩,产生残余应力,体积收缩率随树脂类型的不同在1%-6%范围内,固化完成后,环氧树脂随温度的降低继续发生一定的体积收缩,热膨胀系数在较窄的温度范围内(50～150℃)可看作常数(40～80ppm/℃)[24]。热塑性树脂在温度达到固化温度时(T c或者T g),体积收缩开始产生热应力,在达到固化温度以前,热塑性树脂仍然是熔体,虽然也有很大的体积收缩但却不产生残余应力,非晶型热塑性树脂的体积收缩率与环氧树脂相差不大,而结晶型的体积收缩率则相当高。 FRP/CM 2000.No.4
深圳大学研究生课程论文 题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩 专业材料工程 课程名称、代码1512011080405 年级 姓名学号 时间年月 任课教师
聚合物基复合材料的界面研究进展 【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。 【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。 复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。 在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低了添加刚性粒子所引起的材料韧性下降的程度；同时由于界面层的引入，使三相复合体系在较低的橡胶含量下具有较高的模量和冲击强度。欧玉春[6]等报道了PP/三元乙丙橡胶(EPDM)/
连续纤维补强陶瓷基复合材料概述 摘要：本文介绍连续纤维补强陶瓷基复合材料（FRCMC）的选材要求及其分类，通过分析连续纤维补强陶瓷基复合材料失效过程，阐述FRCMC的增韧机理。介绍制备连续纤维补强陶瓷基复合材料的方法，并指出各种方法的优缺点。 关键词：纤维，FRCMC，增韧机理，制备方法 陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损好，耐化学腐蚀性优良等优点，这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料等所不具备的，因此越来越受到人们的关注。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。连续纤维补强陶瓷基复合材料( Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites，简称FRCMC)，具有高强度和高韧性，使得弥补了陶瓷材料的脆性弱点和作为结构材料使用的缺乏可靠性。 连续纤维补强陶瓷基复合材料是将耐高温的纤维植入陶瓷基体中形成的一种高性能复合材料。由于其具有高强度和高韧性，特别是具有与普通陶瓷不同的非失效性断裂方式，使其受到世界各国的极大关注。连续纤维增强陶瓷基复合材料己经开始在航天航空、国防等领域得到广泛应用。 1.FRCMC的纤维和基体 1.1 FRCMC的选材原则 1）陶瓷基体和纤维应该满足结构件的使用环境要求。使用环境包括：工作最低温度、最高温度、湿度、工作介质的腐蚀性等。 2）陶瓷基体和纤维间弹性模量的匹配。当复合材料承受负载时，其应力和弹性模量服从加和原则。 图1 复合材料受力状况
1 C f f m m C f f m m f m V V E E V E V V V δδδ=+=++= ① 上述方程中，δ表示承受的应力，V 为体积分数，E 为弹性模量。下标c ，f ，m 分别代表复合材料、纤维、基体。 //c m f m m f f E E εεεδδ==== ② 对于脆性基体复合材料，当基体的应变大于其临界断裂应变时基体发生断裂。由于基体的弹性变形非常小，所以在基体断裂瞬间，纤维并未充分发挥作用。假设基体断裂时，它所承担的应力分量全部转移给纤维。此时复合材料所承担的应力由式①和式②可得： 11f c m u f m E V E δδ????=+-?? ????? ③ 式中下标mu 和f 分别代表基体和纤维断裂。从式③可看出，对于脆性基体复合材料，如果基体的断裂应变小于纤维的断裂应变，要想提高复合材料的强度，必须f E 大于m E ，选择高模量的纤维。这时/f m E E 越大，复合材料的强度越高。如 果f E 小于m E ，基体不仅得不到强化，反而会降低。 3）陶瓷基体和纤维的热膨胀系数的匹配。复合材料组元之间必须要满足物理化学相容性，其中最重要的就是热膨胀系数的匹配。设m A 、fa A 、fr A 分别代表基 体、纤维轴向和纤维径向热膨胀系数的平衡值。则基体所承受的应力： 轴向 ()a m fa m A A TE δσ=- ④ 径向 ()f m fr m A A TE δσ=- ⑤ 式中T σ为应力驰豫温度与室温之差值，m E 为基体的弹性模量。 如果m A ＞fa A ，则a δ为正值。复合材料冷却后纤维受压缩热残余应力，基体 受拉仲热残余应力。这种热残余拉仲应力在材料使用时将叠加于外加拉伸载荷，对材料的强度不利。如果a δ＞m u δ，材料在冷却过程中就可能垂直于纤维轴向形 成微裂纹网络，使材料的性能大大降低。如果m A ＜fa A ，则为负值时，纤维受热
第33卷 第7期 无 机 材 料 学 报 Vol. 33 No. 7 2018年7月 Journal of Inorganic Materials Jul., 2018 收稿日期: 2017-08-30; 收到修改稿日期: 2017-10-26 基金项目: 国家自然科学基金(51202291) National Natural Science Foundation of China (51202291) 作者简介: 刘海韬(1981-), 男, 副研究员. E-mail: xzddlht@https://www.doczj.com/doc/7713976594.html, 文章编号: 1000-324X(2018)07-0711-10 DOI: 10.15541/jim20170421 连续纤维增强陶瓷基复合材料微观力学研究进展 刘海韬1, 杨玲伟2, 韩 爽1 (1. 国防科技大学 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073; 2. 西班牙IMDEA 材料研究所, 马德里 28906) 摘 要: 微观力学参数是构建连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)组分、微观结构和宏观力学性能的桥梁, 但受限于CFRCMCs 的脆性和微观力学参数测试水平, 微观力学研究工作进展缓慢。随着基于纳米压痕的微观力学测试技术和基于聚焦离子束微观测试样品制备技术的飞速发展, 近年来CFRCMCs 的微观力学研究工作取得显著进步。本文结合国防科技大学刘海韬课题组的研究工作, 重点对CFRCMCs 组分的原位模量、断裂韧性以及界面结合强度的测试方法和典型应用进行了讨论, 最后举例说明了基于微观力学参数的CFRCMCs 宏观力学行为的预判方法。 关 键 词: 陶瓷基复合材料; 微观力学; 纳米压痕; 聚焦离子束; 综述 中图分类号: TB323 文献标识码: A Research Progress on Micro-mechanical Property of Continuous Fiber-reinforced Ceramic Matrix Composites LIU Hai-Tao 1, YANG Ling-Wei 2, HAN Shuang 1 (1. Science and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory, National University of Defense Tech- nology, Changsha 410073, China; 2. IMDEA Materials Institute, Madrid 28906, Spain) Abstract: Localized mechanical properties of composite components (fiber, matrix, and interface) are critical pa-rameters bridging the composition, microstructure and macro-mechanical performance of continuous fiber-reinforced ceramic matrix composites (CFRCMCs). However, they are difficult to be acquired and decoupled from bulk compos-ites based on the traditional macro-mechanical testing techniques, due to their limited testing volumes and complex heterogeneous composite structures. The above questions has been solved recently by novel nano/micro mechanical testing and focused ion beam milling (FIB) techniques, which provide powerful tools to quantify the micro-mechanical properties of CFRCMCs. In this paper, recent progress in micro-mechanical properties of CFRCMCs was firstly re-viewed, with special emphasis on the in-situ modulus and toughness of ceramic fibers and matrix, and the shear property of fiber/matrix interface. Following that, a criterion based on the He-Hutchinson cracking model was proposed to pre-dict the macro mechanical performance of CFRCMCs by using those micro-mechanical parameters. Key words: ceramic matrix composites; micro-mechanics; nanoindentation; focused ion beam; review 连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)具 有耐高温、高比强度、高比模量、耐腐蚀等优异特 性, 特别是高效增韧相连续陶瓷纤维的引入, 克服 了本体陶瓷材料的固有脆性, 使其在航空航天发动 机热端部件、地面燃气轮机、高速飞行器热结构部件和热防护系统、高速刹车等领域具有广阔的应用前景, 并已付诸应用[1-5]。 经过几十年的发展, CFRCMCs 在工艺与性能 万方数据