复合材料特点

2017年第18期工业技术科技创新与应用浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点蒋永彪（贵州省机械工业学校，贵州贵阳550000）1陶瓷基复合材料分类陶瓷基复合材料，根据增强体分成两大类：连续增强的复合材料和不连续增强的复合材料，如表1所示。其中，连续增强的复合材料包括一方向，二方向和三方向纤维增强的复合材料，也包括多层陶瓷复合材料；不连续增强的复合材料包括晶须、晶片和颗粒的第二组元增强体和自身增强体，如Si3N4中等轴晶的基体中分布一些晶须状茁-Si3N4晶粒起到增韧效果。纳米陶瓷既可以是添加纳米尺寸的增强体复合材料，也可以是自身晶粒尺寸纳米化及增强。表1陶瓷基复合材料分类陶瓷基符合材料也可以根据基体分成氧化物基和非氧化物基符合材料。氧化物基复合材料包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物、复合氧化物等，弱增强纤维也是氧化物，常称为全氧化物复合材料。非氧化物基复合材料以SiC，Si3N4，MoS2基为主。2陶瓷基复合材料的力学特性陶瓷本体具有耐高温、抗氧化、高温强度高、抗高温蠕变性好、高硬度、高耐磨损性、线膨胀系数小、耐化学腐蚀等优点，但也存在致命的弱点（脆性），它不能承受激烈的机械冲击和热冲击，这限制了它的应用。可通过控制晶粒、相变韧化、纤维增强等手段制成复合材料，陶瓷基复合材料具有了更高的熔点、刚度、硬度和高温强度，并具有抗蠕变、疲劳极限好、高抗磨性，在高温和化学侵蚀的场合下能承受大的载荷等优点，使其在航空、航天等众多领域有着广泛的应用前景。2.1陶瓷基复合材料的主要物理和化学性能（1）热膨胀。复合材料有纤维、界面和基体构成，因此热膨胀的相容性是非常重要的。虽然线膨胀系数彼此相同是最为理想的，但是几乎实现不了。通常用线膨胀系数来表征材料的热膨胀，晶体的线膨胀系数存在各向异性，因此，线膨胀系数的各向异性造成的热应力常常是导致多晶体材料从烧结温度冷却下来即发生开裂的原因。在陶瓷基复合材料里，一般希望增强体承压缩的残余应力，这样即使是弱界面，也不会发生界面脱黏。（2）热传导。陶瓷作为耐热，隔热材料，其热导率是重要的物理性能指标。热导率对于复合材料的裂纹、空洞和界面结合情况都很敏感。（3）氧化抗力。陶瓷基复合材料作为高温材料，氧化抗力是重要的性能指标。2.2非连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要力学性能增强韧手段在制备工艺和增韧效果上有所差异。可以通过相变增韧大幅度提高陶瓷材料的强度和常温韧性。在高温下，相变增韧机制失效限制了其在高温领域的应用。将颗粒、晶须等增强物加入到基本材料中，它们的弹性模量和线膨胀系数差异在界面形成应力区，这种应力区和外加应力会发生相互的作用。这样，扩展裂纹会产生钉扎、偏转或分叉以其他形式（如相变）吸收能量，由此提高材料的断裂抗力。颗粒弥散及晶须复合增韧（CMC）制备工艺相对容易，能明显提高材料的断裂韧性和抗弯强度。高温下使用的颗粒弥散及晶须复合增韧陶瓷基复合材料，其基体综合考虑高温强度、抗蠕变性、密度、抗氧化性、抗热震性等条件，首选材料依然是Si3N4，SiC。在高温条件下，它们的表面会形成SiO2保护层，可以满足1600益抗高温氧化的要求。2.3陶瓷基复合材料的主要力学性能（1）拉伸、压缩和剪切力学行为。单体陶瓷的拉伸曲线是直线，而连续纤维增强的陶瓷基复合材料则会在直线后经过曲线上升到最大应力后断裂。（2）断裂韧性。不同类型的陶瓷基复合材料增韧机理有所不同。用传统断裂力学方法测出的连续纤维增强陶瓷基复合材料断裂韧性可达到20MPa·m1/2，该值远高于单体陶瓷材料（抑10MPa·m1/2）。但是，严格来说，不存在力学定义的断裂韧性。因此断裂功被用来评价韧性的高低。（3）热冲击抗力与机械冲击抗力。陶瓷基复合材料在热冲击载荷下不容易发生完全的毁坏。（4）疲劳。跟传统材料相比较，陶瓷基复合材料的疲劳寿命随最大应力或者应力幅的增长而下降，在室温下，其疲劳极限为拉伸强度的70%-80%，远远大于基体的开裂应力（即最大容许应力）。但是在高温下，疲劳寿命的降低却是大问题。陶瓷基复合材料在普通工业领域，常用于阀体及阀座、挤压模具及泵衬、切削刀具等，其性能远优于普通陶瓷材料和硬质合金。用碳化硅晶须增强的陶瓷基复合材料，韧性和抗弯强度都有显著提高，用作切削刀具材料，其耐用度比硬质合金要高出一百多倍（抗弯强度>800MPa，断裂韧性值8MPa·m1/2，硬度>92HRA）。2.4连续纤维增强陶瓷基复合材料（CFCC）的主要力学性能与其陶瓷基复合材料相比，CFCC的韧性较高，受外力冲击时，能够产生非失效性破坏形式，可靠性更高。CFCC与单组分材料的性能比较见表2。表2CFCC与单组分材料的性能比较

第一章 绪论

复合材料的定义： 复合材料(Composite materials)，是由界面分明、物理化学性质不同的组分材料，通过物理或化学的方法构成的性能优越的多相材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料应具有以下三个特点：

(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。

(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。

(3)复合材料具有可设计性。

复合材料的发展现状

（1）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛的应用

（2）金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位

（3）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决

复合材料的组成结构特点和分类

*细观复合：一种或几种制成细微形状的材料均匀分散于另一种连续材料中

宏观复合：两层以上不同材料的叠合,层合复合材料可以是几种单成分材料,也可以细观复合材料

细观复合材料的组成结构特点：

1基体相（连续相）：Co包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，作用是粘结保护分散相材料和传递应力

2界面：位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域

3增强相（分散相）：被基体相包裹分隔，具有比基体相高的模量和强度，起到抵抗变形和破坏的作用

细观复合材料的分类

细观复合材料的分类 （按分散相分类)

1纤维增强复合材料 (包括连续纤维增强：“纤维的两端达到制成的复合材料构件的边界” 和

短纤维增强："将长纤维或纤维束切断分散于基体中"）

2 颗粒增强复合材料 3晶须增强复合材料

按连续相分类

非金属基复合材料 金属基复合材料

绪论

1. 复合材料是指由两种或两种以上的不同材料，通过一定的工艺复合而成的，性能优于原单一材料的多相固体材料。按基体材料不同可分为：金属基复合材料，无机非金属复合材料，树脂基复合材料。

2. 复合材料的主要性能特点：

轻质高强，可设计性好，工艺性能好，热性能好，耐腐蚀性能好，电性能好，其它特点：耐候性、耐疲劳性、耐冲击性、耐蠕变性，透光性等。

第一章

1. 手糊成型：用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷成型，室温或加热、无压或低压条件下固化，脱模成制品的工艺方法。

2. 手糊成型工艺的优点：

1、不受尺寸、形状的限制；

2、设备简单、投资少；

3、工艺简单；

4、可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求；

5、产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。

3. 手糊成型工艺的缺点

1、生产效率低，劳动强度大，卫生条件差；

2、产品性能稳定性差；

3、产品力学性能较低。

4. 选用的原材料必须满足3点要求

1、产品设计的性能要求

2、手糊成型工艺要求

3、价格便宜、材料容易取得

5. 聚合物基体的选择选用原则：

1.能在室温下凝胶、固化。并在固化过程中无低分子物产生。

2.能配制成粘度适当的胶液、适宜手糊成型的胶液粘度为0.2Pa·S~0.5Pa·S。

3.无毒或低毒。

4.价格便宜。

6. 不饱和聚酯树脂的固化原理：

固化是通过引发剂引发聚酯分子中的双键，与可聚合的乙烯类单体(如苯乙烯)进行游离基共聚反应，使线型的聚酯分子交联成三维网状的体形大分子结构。

7.不饱和聚酯树脂的固化过程即它与乙烯类单体共聚的过程，共聚反应过程的三个主要阶段：链引发、链增长、链终止。

8.不饱和聚酯树脂的辅助剂包括交联剂、引发剂、促进剂、阻聚剂、光敏剂等。

9. 交联剂

要求：高沸点，低粘度，能溶解树脂、引发剂、促进剂、染料等，反应活性大，能使共聚反应在室温或较低温度下进行，能与树脂共聚形成均相共聚物。

2.1复合材料的概述

所谓复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得的一种材料，目的是通过复合来提高单一材料所不能发挥的各种特性。它包括基体相和增强相，基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料团结成一体，并起传递应力的作用；增强相一般为分散相，主要起承受应力和显示功能的作用，这两相最终以符合的固相材料出现。

2.2复合材料的制备

聚合物基粘土纳米复合材料的制备方法分为三种，即原位插层聚合法，溶液共混法及熔融共混法

2.2.1原位插层聚合法制备粘土/聚合物纳米复合材料

单体原位插层聚合，即在位分散聚合。首先将粘土分散于液体单体或单体溶液中，然后通过热、辐射等引发聚合，或在粘土片层之间插入有机、无机引发剂，催化剂等引发单体在粘土片层内外聚合，最终得到插层/解离纳米复合材料。Tudor【1】首次采用原位聚合法制备了聚丙烯纳米复合材料，发现可溶性金属茂化合物可以置入层状硅酸盐，并在层内外对丙烯的聚合反应有同等程度的催化作用，甲基烷氧基铝处理的锂蒙脱石由于可以除去粘土表面的质子酸所以更合适过度金属催化剂进入。Messersmith等【2】首次报道了原位插层法制备粘土/环氧树脂纳米复合材料的方法。采用经过了一种烷基铵阳离子改性的蒙脱土改性双酚A型二环氧甘油醚环氧树脂，研究了固化剂种类、固化反应条件等对所形成纳米复合材料结构的影响。单体原位插层聚合法制备纳米复合材料中的纳米粒子完好无损，同时在位填充过程中只经过一次聚合，不需热加工，避免了由此产生的大分子降解，从而保证基体各种性能的稳定。

2.2.2溶液共混法制备粘土/聚合物纳米复合材料

把树脂基体溶解于适当的溶剂中，然后加入层状结构粘土纳米粒子，在溶液状态下把聚合物嵌入到无机物层间域中，除去溶液，得到纳米复合材料的方法称聚合物溶液共混插层法。Hackett【3】等采用溶液共混法制备MMT/PEO纳米复合材料的方法。他们选用极性不同的各种溶剂，如水、甲醇、乙腈、甲醇-水（1:1）、甲醇-乙腈（1:1）等进行系列研究，发现溶剂极性对聚合物插层有着至关重要的作用。采用聚合物溶液插层法制备纳米复合材料时，粘土片层内释放出大量溶剂分子获得的熵增大可以补偿大分子链进入受限粘土片层时减少的熵值，促进粘土的插层与解离。溶剂小分子插入粘土片层过程时减少的熵值，促进粘土的插层与解离。溶剂小分子插入粘土片层过程为熵减过程，而聚合物大分子置换层间溶剂分子过程则为熵增过程，所以溶剂化作用太弱不利于溶剂分子插入有机粘土片层间，溶剂化作用太清也不易得到预期结构的纳米复合材料，因而应综合考虑所选溶剂对聚合物的溶解能力和对粘土片层间吸附的有机阳离子的溶剂化作用。而对单体溶液插层原位引发聚合反应来说，溶剂不但要对单体和硅酸盐产生溶剂化作用，还要使溶剂分子自身能够有效进入粘土的层间，并且能够溶解聚合反应所形成的大分子。所以，在溶液共混插层工艺中，溶剂的选择非常重要。