复合材料孔隙率的测定.

复合材料介电常数1. 介电常数的概念介电常数是复合材料中一个重要的物理参数，它描述了材料对电场的响应程度。

在电场作用下，材料中的电荷会发生重新排列，形成电偶极矩，从而产生极化效应。

介电常数与材料的极化能力有关，它是指材料在电场作用下，单位体积内所储存的电场能量与外加电场强度的比值。

2. 复合材料介电常数的影响因素复合材料的介电常数受多种因素的影响，下面将介绍几个主要的因素：2.1 成分复合材料的成分直接决定了其固有的介电性能。

不同材料的介电常数差异很大，例如，金属通常具有较低的介电常数，而陶瓷和聚合物等绝缘材料则具有较高的介电常数。

因此，通过优化复合材料的成分组成，可以实现对介电常数的调控。

2.2 结构复合材料的结构对介电常数也有很大影响。

例如，纤维增强复合材料中的纤维方向对于介电常数具有显著影响。

当纤维与外加电场方向垂直时，复合材料的介电常数较高，而当纤维与外加电场方向平行时，介电常数较低。

此外，复合材料中的孔隙率、孔隙形状和孔隙分布等结构参数也会对介电常数产生影响。

2.3 温度温度是影响复合材料介电常数的重要因素之一。

随着温度的升高，复合材料中分子的热运动增加，从而使介电常数减小。

不同材料对温度的敏感程度也有所不同，这需要在应用中进行考虑。

3. 复合材料介电常数的测量方法测量复合材料的介电常数是评估其电磁性能的关键。

下面介绍几种常用的测量方法：3.1 表观介电常数法表观介电常数法是最常用的测量复合材料介电常数的方法之一。

该方法通过测量样品在不同频率下的电容值，计算得到表观介电常数。

这种方法简单、快速，并且不需要破坏性的处理样品，适用于大部分复合材料。

3.2 微波共振法微波共振法利用微波介电谐振腔来测量样品的介电常数。

通过测量谐振频率和电容值的变化，可以得到样品的介电常数。

这种方法适用于对高频范围内复合材料的介电常数进行测量。

3.3 场景建模法场景建模法是一种基于数值模拟的方法，通过建立复合材料的电磁场模型，计算得到样品的介电常数。

《玻璃纤维-环氧树脂复合材料力学性能研究》玻璃纤维-环氧树脂复合材料力学性能研究一、引言随着现代工业技术的不断发展，复合材料以其独特的优势，如高强度、轻质、耐腐蚀等，逐渐成为各类工程领域中的重要材料。

其中，玻璃纤维/环氧树脂复合材料因其优异的力学性能和良好的加工性能，在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域得到了广泛应用。

因此，对玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能进行深入研究，对于推动其在实际应用中的发展具有重要意义。

二、玻璃纤维/环氧树脂复合材料的组成与制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料主要由玻璃纤维和环氧树脂基体组成。

其中，玻璃纤维具有较高的强度和刚度，而环氧树脂基体则起到粘合和增强作用。

在制备过程中，首先将玻璃纤维进行预处理，然后与环氧树脂混合、搅拌均匀，最后进行固化、成型等工艺。

三、玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能研究1. 拉伸性能研究拉伸性能是衡量材料力学性能的重要指标之一。

通过对玻璃纤维/环氧树脂复合材料进行拉伸试验，可以了解其抗拉强度、弹性模量等参数。

研究表明，玻璃纤维的加入可以有效提高复合材料的拉伸性能，使复合材料具有更高的抗拉强度和更好的弹性。

2. 弯曲性能研究弯曲性能是指材料在受到弯曲力作用时的抵抗能力。

通过对玻璃纤维/环氧树脂复合材料进行弯曲试验，可以了解其弯曲强度、弯曲模量等参数。

研究表明，复合材料的弯曲性能与其内部结构密切相关，适当的纤维含量和分布可以有效地提高复合材料的弯曲性能。

3. 冲击性能研究冲击性能是指材料在受到冲击力作用时的抵抗能力。

对于玻璃纤维/环氧树脂复合材料而言，其冲击性能对其在实际应用中的耐久性和安全性具有重要意义。

通过冲击试验，可以了解复合材料在受到冲击力作用时的破坏形态、能量吸收等性能。

研究表明，适量的玻璃纤维加入可以有效提高复合材料的冲击性能。

四、影响因素分析1. 纤维含量：适量的玻璃纤维含量可以提高复合材料的力学性能，但过多的纤维含量可能导致材料内部结构的不均匀性增加，反而降低其力学性能。

气凝胶水泥复合材料的研究与应用摘要：随着现代技术的进步，市场对建材的节能、隔音、隔热等性能需求越来越迫切，研发新型水泥复合材料以进一步增强建材性能已经成为重要的研究方向。

本文首先概述了泡沫轻质水泥基复合材料的性能，该复合材料主要由微尺寸气凝胶和过氧化氢等共同构成。

经检验，含1%气凝胶和3%过氧化氢的泡沫轻质水泥基复合材料样品具有380kg/m3的低干燥密度和约3MPa的抗压强度，可以作为隔音隔热水泥基复合材料使用。

关键词：气凝胶；水泥复合材料；性能在建筑行业,建筑企业采用有效的隔热措施,如使用隔热材料等,可以有效降低能耗。

理论上说,建筑材料的隔热性能主要取决于材料的导热系数,而将不同类型的多孔轻质材料（如膨胀玻璃、玻璃微球以及粉煤灰空心球等）添加到水泥基材料中,可以将水泥基材料的导热系数降低80%。

也就是说,高效的建筑保温系统不论是用于供暖还是制冷,都可以有效节约能源。

1气凝胶及特性气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料，于20世纪30年代初被发现，20世纪80年代末，因其高效的隔热性能，被广泛应用于航天工业、化学工业和运动装备，但在建筑领域的应用并不多。

如今，气凝胶被用于建筑产品的组件有，玻璃、真空隔热板（VIP）、混凝土、砂浆等。

根据表面化学性质，气凝胶分为亲水性和疏水性两类；根据前驱体的类型，气凝胶可分为有机气凝胶、无机气凝胶和混合（有机-无机）气凝胶。

气凝胶的颗粒直径从2nm到5mm不等，表面积160.8～1100m2/g，气凝胶的热导率介于0.01～0.02W/（m·K）之间。

从质量和体积上看，二氧化硅气凝胶是最好的固体绝缘体，因为与相同密度的玻璃相比，它只传输百分之一的热量。

2气凝胶的合成和复合材料的生产由于气凝胶的强度差、密度低、易碎以及疏水性，在混合过程中，气凝胶颗粒很容易碰撞、飞散和漂浮到模具中，影响气凝胶颗粒粉末在水泥基质中的均匀分布。

这种现象可严重影响复合材料的力学和隔热性能。

一种VARI工艺成型用树脂及其复合材料的研究梁凤飞;金迪;何勇【摘要】以一种VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)成型工艺用环氧树脂RTM6-2为基体,研究了其固化特性,并使用VARI工艺制备了碳纤维增强复合材料层合板,对其性能进行了研究.结果表明:RTM6-2的工艺操作温度为100±10℃,工艺温度下的适用期可达7～9h,树脂浇铸体的经过180℃固化后的玻璃化转变温度为203℃～207℃;层合板的纤维体积含量在56％～57％之间,孔隙率小于1％,玻璃化转变温度为160℃～167℃.同时,通过试验得到了层合板的力学性能.【期刊名称】《西安航空技术高等专科学校学报》【年(卷),期】2018(036)001【总页数】5页(P34-38)【关键词】VARI;工艺;树脂;复合材料【作者】梁凤飞;金迪;何勇【作者单位】中航西飞民用飞机有限责任公司工程技术中心,西安 710089;中航西飞民用飞机有限责任公司工程技术中心,西安 710089;中航西飞民用飞机有限责任公司工程技术中心,西安 710089【正文语种】中文【中图分类】O633.130 引言复合材料的比强度、比刚度大，结构可设计性强，能有效地减轻结构重量、提高结构效率，同时具有良好的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，可降低飞机结构的维护成本[1]，在飞机上的应用越来越广[2]。

在复合材料总成本中，制造成本约占60%～70%[3]。

目前飞机结构使用的复合材料构件大多采用热压罐成型工艺，该工艺居高不下的制造成本制约了复合材料在船舶、汽车、建筑等领域的应用。

因此，复合材料的低成本应用，已经成为新一代复合材料的发展方向[4]。

近年来，真空辅助树脂渗透成型(VARI)作为一种典型的高性能、低成本的液体成型工艺，已广泛应用于飞机复合材料零件制造，被认为是最有发展潜力的复合材料低成本制造工艺之一[5]。

VARI工艺是将按照结构和性能要求制备好的纤维预成型体放置在模具上，在真空作用下使液态树脂在预成型体内流动，浸润纤维，并在相应的工艺温度条件下固化成一定纤维/树脂比例复合材料的成型工艺方法[6]，工艺过程如图1所示。

复合材料的抗拉强度与性能评估在现代工程领域，复合材料凭借其优异的性能，逐渐成为众多应用场景中的首选材料。

而复合材料的抗拉强度作为一项关键性能指标，对于评估其在实际使用中的可靠性和适用性具有至关重要的意义。

要深入理解复合材料的抗拉强度，首先需要明确什么是复合材料。

复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。

这些不同的组分在性能上相互补充、协同作用，从而赋予了复合材料独特的性能优势。

复合材料的抗拉强度受到多种因素的影响。

其中，增强纤维的种类、性能和含量是关键因素之一。

例如，碳纤维具有高强度和高模量的特点，当其作为增强纤维加入到复合材料中时，能够显著提高材料的抗拉强度。

玻璃纤维相对成本较低，但在一定程度上也能增强复合材料的抗拉性能。

此外，增强纤维的含量越高，通常复合材料的抗拉强度也会相应提高，但同时也可能会影响材料的加工性能和成本。

基体材料的性能同样对复合材料的抗拉强度产生重要影响。

常见的基体材料包括树脂、金属等。

基体材料的强度、韧性以及与增强纤维的界面结合强度，都会直接关系到复合材料在受到拉伸载荷时的表现。

良好的界面结合能够有效地将载荷从基体传递到增强纤维，从而提高复合材料的整体抗拉强度。

复合材料的制备工艺也在很大程度上决定了其抗拉强度。

不同的制备方法，如手糊成型、喷射成型、模压成型等，会导致复合材料内部的纤维分布、孔隙率等微观结构的差异，进而影响其抗拉性能。

例如，采用先进的自动化成型工艺能够更精确地控制纤维的取向和分布，减少孔隙和缺陷，从而获得更高的抗拉强度。

在评估复合材料的抗拉强度时，实验测试是不可或缺的手段。

常见的抗拉强度测试方法包括拉伸试验。

在拉伸试验中，通过对标准试样施加逐渐增加的拉伸载荷，测量试样在断裂前所能承受的最大拉力，并结合试样的横截面积计算出抗拉强度。

然而，需要注意的是，实验结果可能会受到试样制备、测试环境等多种因素的影响。

因此，在进行测试时，需要严格遵循相关的标准和规范，以确保测试结果的准确性和可靠性。

《ZnIn2S4基复合材料的制备及其光催化性能研究》一、引言随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，光催化技术因其独特的优势和潜力，已成为当前科研的热点领域。

ZnIn2S4作为一种重要的光催化材料，具有优异的光吸收性能和光催化活性，受到了广泛关注。

本文以ZnIn2S4基复合材料的制备及其光催化性能为研究对象，通过实验探究了其制备工艺和性能表现。

二、ZnIn2S4基复合材料的制备1. 材料与试剂制备ZnIn2S4基复合材料所需的原材料包括锌源、铟源、硫源以及其他添加剂。

所有试剂均需为分析纯，购买后直接使用。

2. 制备方法采用水热法结合煅烧工艺制备ZnIn2S4基复合材料。

首先，将锌源、铟源和硫源按照一定比例混合，加入适量的去离子水，搅拌至形成均匀的溶液。

然后，将溶液转移至反应釜中，在一定的温度和压力下进行水热反应。

反应结束后，将产物进行离心分离、洗涤、干燥，最后进行煅烧处理，得到ZnIn2S4基复合材料。

三、光催化性能研究1. 实验装置与方法光催化性能实验在封闭的光催化反应器中进行。

将制备好的ZnIn2S4基复合材料置于反应器中，加入一定量的目标污染物（如有机染料）。

然后，使用特定波长的光源照射反应器，记录不同时间点的污染物降解情况。

2. 性能评价指标光催化性能的评价主要依据污染物的降解率和降解速度。

通过测定反应前后污染物的浓度变化，计算降解率和降解速度。

同时，还考察了ZnIn2S4基复合材料的光稳定性和循环利用性能。

四、结果与讨论1. 制备结果通过水热法和煅烧工艺成功制备了ZnIn2S4基复合材料。

通过XRD、SEM、TEM等手段对产物进行表征，结果表明制备得到的材料具有较高的纯度和良好的结晶性。

2. 光催化性能分析（1）降解率与降解速度：在相同实验条件下，ZnIn2S4基复合材料对目标污染物的降解率和降解速度均高于其他光催化材料。

这主要得益于其优异的光吸收性能和光催化活性。

（2）光稳定性：ZnIn2S4基复合材料具有较好的光稳定性，在连续光照下，其光催化性能基本保持不变。

纤维增强复合材料的压缩性能研究近年来，纤维增强复合材料在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域中得到了广泛应用，其轻质、高强度、耐腐蚀等特性，使得它成为替代传统材料的新选择。

然而，在实际应用中，复合材料的压缩性能一直是研究的热点和难点之一。

本文将探讨纤维增强复合材料的压缩性能及其研究进展。

一、纤维增强复合材料的压缩性能简介纤维增强复合材料是由纤维增强体（如玻璃纤维、碳纤维等）和基体（如聚合物基体、金属基体等）组成的复合材料。

与传统材料相比，纤维增强复合材料具有更高的强度和刚度。

然而，由于其纤维增强体的特殊结构，它在受到压缩加载时表现出一些特殊的性能。

二、纤维增强复合材料的压缩性能影响因素1. 纤维增强体类型：不同类型的纤维增强体具有不同的结构和性能特点，因此对材料的压缩性能产生了影响。

如碳纤维具有高模量和高强度，能够提高复合材料的耐压性能。

2. 纤维体积分数：纤维体积分数是指纤维在复合材料中所占的比例。

在一定范围内，增加纤维体积分数可以提高复合材料的压缩强度和刚度，但过高或过低的纤维体积分数都会影响材料的性能。

3. 纤维排列方式：纤维在复合材料中的排列方式也对材料的压缩性能有影响。

常见的排列方式有单向、双向、多向等。

不同的排列方式会导致复合材料在受到压缩力时的不同应力分布。

4. 基体材料：基体材料对复合材料的压缩性能也具有重要影响。

通过选取合适的基体材料，可以改善复合材料的压缩强度和耐压性能。

三、纤维增强复合材料的压缩性能测试方法为了研究纤维增强复合材料的压缩性能，需要进行一系列的力学性能测试。

目前常用的测试方法有：1. 压缩强度测试：通过加载复合材料样品，在组织学检测仪上观察其破坏形态，并记录其破坏强度。

这种方法能够直观地反映出材料在受压力时的承载能力。

2. 压缩模量测试：通过加载复合材料样品，在力学性能测试仪上测定其应力-应变曲线，进而计算得到材料的压缩模量。

这种方法适用于材料的刚度评估。

3. 石蜡浸渍法：将复合材料样品浸渍于融化的石蜡中，制成浸渍体。

建筑材料第一章绪言1.1土木工程材料的分类⒈按材料的化学成分分类:⑴无机材料。

①金属材料。

钢、铁、铝等。

②非金属材料。

石、玻璃、水泥、混凝土等。

③金属-非金属复合材料。

钢筋混凝土等。

⑵有机材料。

木材、石油沥青、塑料等。

⑶有机-无机复合材料。

①无机非金属-有机复合材料。

②金属-有机复合材料。

⒉按功能分类;⑴结构材料—重要作用承重的材料, 如梁、板、柱所用材料。

⑵功能材料—重要运用材料的某些特殊功能, 如用于防水、保温、装饰等的材料。

1.2材料的基本状态参数1.2.1材料的密度、表观密度和堆积密度1.2.1.1密度材料在绝对密实状态下单位体积的质量, 称为密度。

ρ=m/V。

ρ—材料的密度, g/cm²；m—材料在干燥状态下的质量, g；V—材料在绝对密实状态下的体积, cm³。

绝对密实状态下的体积, 是指不涉及材料内部孔隙的固体物质的实体积。

常用的土木工程材料中, 除了钢、玻璃、沥青等认为不含孔隙外, 绝大多数都具有孔隙。

测定含孔材料绝对密实体积的简朴方法, 是将该材料磨成细粉, 干燥后用排液法测得的粉末体积, 即为绝对密实体积。

一般规定细粉的粒径至少小于0.20mm。

1.2.1.2表观密度材料在自然状态下单位体积的质量称为表观密度。

ρo=m／V o。

ρo—材料的表观密度, kg/m³；m—材料的质量, kg；Vo—材料在自然状态下的体积, m³。

所谓自然状态下的体积, 是指涉及材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。

测定材料自然状态下的体积, 若材料外观形状规则, 可直接度量外形尺寸, 按几何公式计算。

若外观形状不规则, 可用排液法求得, 为了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测值, 应在材料表面涂蜡。

1.2.1.3堆积密度散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量, 称为堆积密度。

ρo′=m∕Vo′。

ρo′——散粒材料的堆积密度, kg∕m³；m—散粒材料的质量, kg；Vo′—散粒材料的自然堆积体积, m³。

D01：10.19936/ki.2096-8000.20210428.013PMI泡沫夹层碳纤维复合材料的制备及力学表征原崇新1,董青海“，何斌2(1.中国商飞上海飞机制造有限公司复合材料中心，上海200123； 2.湖南兆恒材料科技有限公司，长沙410200)摘要：由于具有较好的力学性能和工艺稳定性，聚甲基丙烯酰亚胺(PM1)泡沫夹层结构在航空领域得到了大量的应用。

目前飞机上通常采用预浸料与泡沫热压罐固化制造夹层结构，这种工艺成本较高且只能保证贴模面的表面质量。

本文中采用闭模液体成型工艺制备了质量稳定的泡沫夹层结构，对比了同时注胶与交替注胶的制备方法，结果表明交替注胶可以得到更好的成型质量。

并对泡沫芯材的力学性能进行了测试，在此基础上建立了泡沫材料的失效模型，并通过有限元分析了其三点弯曲、侧压屈曲等力学性能，有限元模型分析结果与实际测试结果基本一致，有限元模型可揭示在这些加载条件下夹层结构的破坏机理及渐进损伤过程，研究结果可推动高性能的航空用复合材料夹层结构的低成本化制备以及结构服役的虚拟试验。

关键词：PM1泡沫；夹层结构；闭模RTM；后屈曲；有限元；复合材料中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)04-0089-07泡沫夹芯复合材料一般由较薄的刚性面板和较厚的柔性泡沫芯材组成，以获得较高的弯曲刚度。

同时，泡沫通常具有较低的导热系数和较高的阻尼系数，可满足隔热和降噪等功能要求。

因此泡沫夹层结构已被广泛应用于航空航天、船舶、风力发电、汽车、火车等领域［1，2］。

聚甲基丙烯酰亚胺(PM1)泡沫是目前综合性能最好的新型高分子结构泡沫材料,其热变形温度为180T~240抗压强度在0.5MPa以上,具有良好的防火性能，与树脂体系相容好，因此PM1泡沫夹层结构已被应用到民用飞机的结构部件上,如副翼、翼根整流罩、后压力舱、扰流板等［3］。

国内外学者对泡沫夹层结构的液体成型(RTM)做了一定研究。

第51卷第4期2022年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.51㊀No.4April,2022TiB 2、CNT 双相增韧碳化硼复合陶瓷及其性能研究许㊀森1,林文松1,张㊀虹2,石健强2,方宁象2(1.上海工程技术大学材料工程学院,上海㊀201620;2.浙江立泰复合材料股份有限公司,湖州㊀313219)摘要:在1500ħ的真空条件下,通过液相渗硅法(liquid silicon infiltration,LSI)制备了碳化硼/二硼化钛-碳纳米管(B 4C-TiB 2-CNT)陶瓷复合材料,对其成分㊁形貌㊁性能和增韧机理进行了分析表征和研究㊂结果表明:复合材料的主要组成相为B 12(C,Si,B)3㊁SiC 和Si㊂二硼化钛和碳纳米管显著提高了液相渗硅烧结碳化硼陶瓷的力学性能,在TiB 2和CNT 的添加量分别为10%和0.4%时,复合陶瓷的弯曲强度和断裂韧性达到了(390ʃ18)MPa 和(5.38ʃ0.38)MPa㊃m 1/2,分别比B 4C 陶瓷高了31%和53%㊂本文的研究从片状SiC 颗粒和CNT 的拔出㊁TiB 2的颗粒增韧以及裂纹的偏转等方面解释了B 4C-TiB 2-CNT 复合材料的增韧机理㊂关键词:碳化硼;液相渗硅法;双相增韧陶瓷;二硼化钛;碳纳米管;陶瓷复合材料中图分类号:TQ174㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2022)04-0716-07Preparation and Characterization of TiB 2and CNT Dual-Phases Toughened B 4C Ceramic CompositesXU Sen 1,LIN Wensong 1,ZHANG Hong 2,SHI Jianqiang 2,FANG Ningxiang 2(1.College of Materials Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2.Zhejiang Light-Tough Composite Materials Co.,Ltd.,Huzhou 313219,China)Abstract :B 4C-TiB 2-CNT ceramic composites were fabricated by the liquid silicon infiltration (LSI)sintering at 1500ħin vacuum.The compositions,morphologies,mechanical properties and toughening mechanism of the fabricated composites were investigated.The results show that the main constituent phases of the composites are B 12(C,Si,B)3,SiC and Si.The additions of TiB 2and CNT significantly improve the mechanical properties of liquid-phase silicon sintered B 4C ceramics.The flexural strength and fracture toughness of the composite ceramics reach (390ʃ18)MPa and (5.38ʃ0.38)MPa㊃m 1/2with TiB 2and CNT additions of 10%and 0.4%respectively,which are 31%and 53%higher than pure B 4C caremics.The toughening mechanisms of B 4C-TiB 2-CNT ceramic composites are explained by the pullout of plate-like SiC particles and CNT,the particle toughening of TiB 2and the deflection of cracks.Key words :boron carbide;liquid silicon infiltration;dual-phases toughened ceramics;TiB 2;CNT;ceramic composite㊀㊀收稿日期:2021-12-03㊀㊀基金项目:装备预研项目(41422010903)㊀㊀作者简介:许㊀森(1997 ),男,河南省人,硕士研究生㊂E-mail:xs_sanmu@ ㊀㊀通信作者:林文松,博士,教授㊂E-mail:wslin@0㊀引㊀㊀言碳化硼(B 4C)因其优异的性能,如高硬度(~30GPa)㊁高熔点(2450ħ)㊁低密度(2.52g /cm 3)㊁高耐磨性㊁耐腐蚀性和中子吸收能力等,被广泛应用于弹道装甲㊁研磨材料㊁耐磨部件和核工业[1-6]㊂然而,由于B 4C 陶瓷的烧结性差和固有的低断裂韧性,其应用受到严重限制[7-8]㊂在B 4C 中加入TiB 2㊁CNT 等添加剂可以有效改善B 4C 基陶瓷材料的力学性能㊂在这些添加相中,TiB 2和CNT 是已知的最有效添加物㊂Xu 等[9]通过放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)技术制备了具有高相对密度(98.4%)和晶粒生长有限的B 4C-TiB 2陶瓷㊂Zhu 等[10]在无压烧结下获得相对密度为98.9%㊀第4期许㊀森等:TiB2㊁CNT双相增韧碳化硼复合陶瓷及其性能研究717㊀的B4C-TiB2陶瓷复合材料㊂Wang等[11]通过热压法制备了不同TiB2含量的B4C-TiB2二元复合材料,并获得了良好的抗弯强度和断裂韧性㊂Yavas等[12]用CNT作为第二相,通过SPS的方式制备了具有高相对密度和断裂韧性的B4C-CNT陶瓷㊂Bahamirian等[13]通过SPS制备了具有优良力学性能的SiC-45%B4C-10%Ni-5% CNT(体积分数)复合材料㊂孙川等[14]以B2O3㊁Al㊁石墨和B4C粉体为原料,采用反应-热压烧结工艺在1800ħ/35MPa的烧结条件下制备了致密的碳化硼基复相陶瓷,复相陶瓷的密度㊁硬度㊁抗弯强度和断裂韧性分别为2.82g/cm3㊁41.5GPa㊁380MPa和3.9MPa㊃m1/2,其中断裂韧性比纯碳化硼陶瓷提高了85.7%㊂综上所述,热压烧结㊁放电等离子烧结和无压烧结被广泛用于制备B4C基体陶瓷[15-18]㊂然而,热压烧结和放电等离子烧结不仅成本高,而且只能生产形状简单的产品[19]㊂即使在2000ħ以上的温度条件下,也很难通过无压烧结生产出高密度的B4C陶瓷[15]㊂与这些昂贵且复杂的烧结技术相比,液相渗硅法(liquid silicon infiltration,LSI)由于周期短㊁成本低㊁加工温度低㊁产品孔隙率低等优点,多用于工业上大规模制备碳化硼陶瓷㊂但反应烧结仍有一定的局限性,其最主要的问题是烧结完成后的B4C陶瓷的断裂韧性和弯曲强度较差㊂因此,采用具有优良性能的第二增韧相对B4C陶瓷进行补强增韧,以获得高性能的B4C陶瓷复合材料是一种优异的解决方法㊂本研究将均匀分散的TiB2和CNT浆料逐步加入到球磨中的B4C浆料中,得到B4C-TiB2-CNT混合浆料㊂然后进行烘干造粒,得到了分散均匀㊁成型性好的B4C-TiB2-CNT粉末,通过LSI法得到B4C-TiB2-CNT复合陶瓷㊂随后,研究了增韧相和烧结技术对陶瓷性能的影响㊂该流程操作方便,适用于工业化生产㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀复合材料粉末制备为了研究不同增韧相对B4C陶瓷的增韧效果,本实验设计了四组不同的对照组㊂原始材料的具体配比如表1所示㊂其中,B4C粉末购于牡丹江金刚钻碳化硼有限公司(粒径~17μm,纯度ȡ99%),TiB2粉末购于丹东化工研究院有限公司(粒径~5μm,纯度ȡ99%),CNT分散液购于上海海逸科贸有限公司(长度约为3~5μm),酚醛树脂购于济南圣泉化学有限公司(固体含量25%(质量分数))㊂表1㊀B4C-TiB2-CNT陶瓷复合材料的配比Table1㊀Formula of B4C-TiB2-CNT ceramic compositesSample Mass fraction/%B4C TiB2CNT Phenolic resin Pure B4C900010BT8010010BC89.600.410BTC79.6100.410将掺入酚醛树脂的B4C粉末与去离子水以质量比1ʒ1配合,并加入与粉末质量相同的碳化硅磨球,在球磨罐中球磨8h,然后按照一定比例加入TiB2粉末和CNT分散液,继续球磨5h㊂将球磨好的浆料置入真空干燥箱中,在120ħ的温度下烘干24h,最后将烘干的物料球磨8h,得到均匀且蓬松的复合材料粉末㊂1.2㊀液相渗硅烧结在100MPa下将制备好的粉末压制成50mmˑ50mmˑ10mm的预制块,并在真空干燥箱中150ħ烘干24h以去除多余的水分㊂然后在1200ħ的氢气环境下加热5h进行热解㊂最后,将陶瓷素坯用硅粉包覆,在1500ħ的真空环境下烧结2h,得到致密的B4C-TiB2-CNT复合陶瓷材料㊂1.3㊀表㊀征采用阿基米德法测量复合材料的孔隙率和密度,通过反应公式计算求得复合材料的相对密度㊂对复合材料样品进行切割㊁研磨和抛光,以测试其力学性能和微观结构㊂采用三点弯曲试验(GB/T6569 2006)测试复合材料的弯曲强度,试样尺寸为3mmˑ4mmˑ40mm,试验跨距30mm,加载速率0.5mm/min㊂使用维氏硬度计测量其维氏硬度(GB/T16534 2009)和断裂韧性(JIS R1607 1995),试验条件为9.8N的载荷,加载时间为15s,取5个样品的平均结果㊂误差棒为5个结果的方差㊂718㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷通过X 射线衍射(XRD,Rigaku Ultima III,日本)分析B 4C-TiB 2-CNT 复合陶瓷材料的相组成㊂通过扫描电子显微镜(SEM,ZEISS Gemini 300,德国)观察复合材料的元素分布和表面形貌㊂2㊀结果与讨论2.1㊀力学性能分析样品的密度和相对密度如图1所示㊂从图中可以看出,纯碳化硼陶瓷样品的密度为2.63g /cm 3,相对密度为99.3%㊂随着TiB 2和CNT 的加入,样品的密度呈现上升的趋势,而相对密度则呈现出下降的趋势㊂其中,TiB 2相的加入会使得陶瓷样品的密度显著增大,样品BT 和BTC 的密度分别为2.71g /cm 3和2.72g /cm 3,这主要是由于添加相TiB 2的密度为4.52g /cm 3,远高于碳化硼陶瓷基体,导致样品的密度增大㊂样品BC 的密度为2.64g /cm 3,略高于纯碳化硼陶瓷㊂由于增韧相的存在,样品BT㊁BC 和BTC 的相对密度相比于纯碳化硼(99.3%)均略微下降,分别为98.7%,99.0%和99.2%㊂样品的气孔率和维氏硬度如图2所示,从图中可以看出,随着TiB 2和CNT 的加入,样品的气孔率有些许增加,维氏硬度降低㊂在LSI 过程中,硅在毛细管力的作用下熔渗到预制件内部的孔隙中,与游离碳和B 4C 基体发生反应,从而获得高致密的复合材料㊂由于TiB 2和CNT 的硬度低于B 4C,因此添加了TiB 2和CNT 的样品维氏硬度有所下降㊂值得注意的是,样品BTC 的孔隙率(0.73%ʃ0.03%)要低于样品BC(0.97%ʃ0.08%)和BT(1.30%ʃ0.06%),略高于纯碳化硼陶瓷(0.66%ʃ0.04%),这可能是由于CNT 的加入抑制了TiB 2的生长[20],促进了熔融硅的渗入,使得BTC 样品更加致密,从而使样品BTC 的维氏硬度((31.43ʃ0.94)GPa)相比于纯碳化硼陶瓷降低幅度不大㊂图1㊀复合材料的密度和相对密度Fig.1㊀Density and relative density of compositeceramics 图2㊀复合材料的气孔率和维氏硬度Fig.2㊀Porosity and Vickers hardness of composite ceramics 复合材料样品的弯曲强度和断裂韧性如图3所示,与纯碳化硼(弯曲强度为(297ʃ24)MPa,断裂韧性为(3.52ʃ0.32)MPa㊃m 1/2)相比,样品的弯曲强度和断裂韧性随着TiB 2和CNT 的加入而增大㊂样品BT 的弯曲强度和断裂韧性分别为(362ʃ22)MPa 和(4.06ʃ0.37)MPa㊃m 1/2,样品BC 的弯曲强度和断裂韧性分别为(315ʃ16)MPa 和(4.79ʃ0.45)MPa㊃m 1/2,样品BTC 具有最高的弯曲强度和断裂韧性,分别是(390ʃ18)MPa 和(5.38ʃ0.38)MPa㊃m 1/2,比纯碳化硼的性能高出了31%和53%㊂这主要是由于TiB 2和CNT 两相的叠加作用,使得BTC 陶瓷获得了更加优异的力学性能㊂2.2㊀相分析复合材料的X 射线衍射分析结果如图4所示㊂从图4可以看出,反应烧结生成了B 12(C,Si,B)3和SiC两个新相㊂同时,部分游离碳也与液相Si 发生反应生成了SiC㊂烧结中的反应如下[21]:C(s)+Si(l)ңSiC(s)(1)3B 4C(s)+Si(l)ңB 12(C,Si,B)3(s)+SiC(s)(2)式(1)的ΔH =-66.88KJ /mol,是一个极端放热反应,会在极短的时间内完成㊂短时间内释放的高能量导致体积膨胀,使材料致密,随后在高温下,残留的熔融硅会与B 4C 发生反应生成β-SiC 和B /C 比大于4的㊀第4期许㊀森等:TiB 2㊁CNT 双相增韧碳化硼复合陶瓷及其性能研究719㊀新相[22],上述结果可以用式(2)来表示㊂BT 和BTC 的XRD 图谱中对应TiB 2结构的波峰表明,TiB 2在渗硅烧结过程中具有足够的热稳定[19]㊂由于CNT 的添加量较少且易与无定形碳的波峰重合,因此很难通过XRD 识别出CNT 对应的波峰㊂整个XRD 图谱中并未检测到对应于B 4C 和二元B-Si 的衍射峰,表明整个B 4C 相已经转变为B 12(C,Si,B)3㊂与此同时,在纯碳化硼和样品BT 中均发现了部分非晶峰包,尤其是样品BT 中最明显,这主要是烧结后样品剩余的少量无定形碳所导致的,TiB 2颗粒阻碍了熔融硅的渗入,这与样品BT 在2θ=27.89ʎ处Si 的衍射峰明显降低相对应,最终导致样品内部剩余无定形碳含量增大,而在样品BTC 和BC 中并未发现明显的峰包,这可能是CNT 的存在促进了烧结过程中熔融硅的渗入,使得样品中残存的无定形碳的含量降低㊂图3㊀复合材料的弯曲强度和断裂韧性Fig.3㊀Flexural strength and fracture toughness of compositeceramics 图4㊀复合材料的XRD 图谱Fig.4㊀XRD patterns of composite ceramics 图5为BTC 样品断口的元素能谱分布图,图5(a)为断口处的SEM 照片,图5(b)和5(c)为对应的元素能谱分布总图,小图Si㊁Ti㊁C 和B 分别是Si㊁Ti㊁C㊁B 各元素的分布图㊂从图5(a)和5(b)中可以看出,BTC 样品中仅含有Si㊁Ti㊁C㊁B 四种元素,这表明在烧结过程中并未引入其他杂质㊂从各元素的分布图可以看出,各元素在断口处分布均匀,其中,Ti 元素主要是以细小颗粒状分布在断口表面,由于TiB 2的稳定性,可推测TiB 2主要是以颗粒的形式分布在BTC 样品中㊂从图5(c)中各元素的原子百分比可以看出,除添加的TiB 2㊁CNT 以及反应生成的SiC 外,剩余B /C 元素的比例仍然远大于4,这表明烧结产物中生成了新相,根据XRD 图谱可以看出,该新相为B 12(C,Si,B)3㊂根据反应式(1)㊁(2)和元素能谱计算可得,B 12(C,Si,B)3在样品BTC 中的体积分数为54%,SiC 相的体积分数为21%,残余Si 相的体积分数为17%,增韧相TiB 2和CNT 的体积分数为8%㊂2.3㊀复合材料增韧机理分析图6是BTC 样品断口形貌的SEM 照片,由图6(a)可以看出,当裂纹经过B 12(C,Si,B)3和SiC 相时,部分裂纹会沿着两相的交界处发生偏折,而另一部分则会进入到B 12(C,Si,B)3和SiC 两相的内部,如图6(b)白色箭头所示㊂因此,样品BTC 的断裂模式是穿晶断裂和沿晶断裂并存的混合模式㊂混合断裂模式导致了裂纹扩展过程中的高断裂能量耗散[23],最终复合材料的断裂韧性得到进一步提高㊂同时,从图6(b)和6(c)中可以看到,SiC 相和TiB 2相表面产生了明显的阶梯状形貌的裂纹簇,据陶瓷断裂力学[24],如果断裂扩展途径能够消耗裂纹尖端应力场的能量,那么裂纹扩展的驱动力将减少,从而提高韧性[8]㊂阶梯状断裂的本质是多个微裂纹的连续偏移,在偏移过程中,微裂纹的扩展路径变长,导致裂纹扩展所需的能量增加㊂因此,阶梯式断裂可以有效地提高断裂韧性,有许多研究也报告了相似的情况[25-26]㊂与此同时,从图6(d)中可以看出,样品的断口表面存在一些片状的SiC 颗粒㊂在LSI 过程中,B 4C 相的边界区域在高温下裂解为B 和C㊂B 和部分C 与熔融Si 发生反应生成B 12(C,Si,B)3和SiC 相,而另一部分C 则会进入熔融的Si 中,与Si 反应生成片状的SiC 颗粒㊂因此大部分片状SiC 颗粒存在于B 12(C,Si,B)3和熔融Si 相的交界处㊂当微裂纹经过两相交界处时,片状SiC 颗粒会发生拉拔和断裂,增加裂纹扩展所需的能量,从而提高样品的断裂韧性㊂720㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷图5㊀(a)BTC样品的断口SEM照片;(b),(c)BTC样品断口的元素能谱分布图Fig.5㊀(a)SEM image of sample BTC;(b),(c)fractrue SEM-EDS elemental energy spectra of sample BTC图6㊀BTC样品断口形貌的SEM照片Fig.6㊀SEM images of fracture morphology of sample BTC㊀第4期许㊀森等:TiB2㊁CNT双相增韧碳化硼复合陶瓷及其性能研究721㊀㊀㊀图7显示了TiB2颗粒和CNT在BTC样品断口表面的SEM照片㊂当微裂纹扩展经过CNT区域时,部分CNT在裂纹扩展途中产生桥接(见图7(a)),阻碍裂纹的扩展途径,另一部分CNT在断口表面产生拉拔(见图7(b))㊂最终,CNT消耗了裂纹扩展所需要的能量,迫使裂纹扩展停止㊂由于CNT的桥接和拔出,在图7中能清楚地看到CNT的根部㊂同时,由于TiB2的热稳定性,TiB2主要以颗粒的形式存在于样品BTC中㊂从图7中可以看出,TiB2颗粒均匀地分布在断口表面㊂当微裂纹经过TiB2颗粒时,TiB2颗粒阻碍了微裂纹扩展,迫使裂纹传播途径产生偏转,消耗裂纹扩展的能量,从而提高了样品的断裂韧性㊂与此同时,TiB2颗粒在样品断裂时会产生拉出和断裂,从图7中能清晰地看到产生拉拔的TiB2颗粒,这种行为同样也会消耗裂纹扩展的能量,迫使裂纹扩展停止㊂图7㊀CNT和TiB2在BTC样品断口表面的SEM照片Fig.7㊀SEM images of fracture morphology of CNT and TiB2in sample BTC3㊀结㊀㊀论通过液相渗硅法在1500ħ真空条件成功制备了TiB2和CNT多相增韧的B4C-TiB2-CNT陶瓷复合材料㊂复合材料的主要组成相是B12(C,Si,B)3㊁SiC和Si㊂TiB2和CNT增韧相提高了材料的力学性能,B4C-TiB2-CNT陶瓷的断裂韧性为(5.38ʃ0.38)MPa㊃m1/2,弯曲强度为(390ʃ18)MPa,分别比纯B4C陶瓷的性能高出53%和31%㊂B4C-TiB2-CNT陶瓷复合的主要增韧机理是微裂纹的偏折㊁TiB2颗粒的拔出和CNT的桥接与拔出㊂参考文献[1]㊀THÉVENOT F.Boron carbide:a comprehensive review[J].Journal of the European Ceramic 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第一章思考题与习题1.为什么土木工程材料大多数为复合材料？2.材料的孔隙率、孔隙状态、孔隙尺寸对材料的性质有什么影响？3.材料的密度、表观密度、体积密度、堆积密度有何区别？材料含水时对四者有什么影响？4.称取堆积密度为1500kg/m3的干砂200g，将此砂装入容量瓶内，加满水并排尽气泡（砂已吸水饱和），称得总质量为510g。

将此瓶内砂倒出，向瓶内重新注满水，此时称得总质量为386g，试计算砂的表观密度。

5.材料的脆性和弹性、韧性和塑性有什么不同?6.脆性材料和韧性材料各有什么特点?7.影响材料强度和断裂韧性的因素有哪些？8.经测定，质量3.4kg，容积为10.0L的容量筒装满绝干石子后的总质量为18.4kg。

若向筒内注入水，待石子吸水饱和后，为注满此筒共注入水4.27 kg。

将上述吸水饱和的石子擦干表面后称得总质量为18.6 kg （含筒的质量）。

求该石子的表观密度、绝干体积密度、质量吸水率、体积吸水率、绝干堆积密度、开口孔隙率？9.含水率为10%的l00g湿砂，其中干砂的质量为多少克?10.材料含水时对材料的性质有何影响?11.某岩石在气于、绝于、吸水饱和情况下测得的抗压强度分别为172、178、168MPa。

求该岩石的软化系数，并指出该岩石可否用于水下工程?12.现有一块气干质量为2590g的红砖，其吸水饱和后的质量为2900g，将其烘干后的质量为2550g。

将此砖磨细烘干后取50g，其排开水的体积由李氏瓶测得为18.62cm3。

求此砖的体积吸水率、质量吸水率、含水率、体积密度、孔隙率及开口孔隙率，并估计其抗冻性如何？13.现有甲、乙两相同组成的材料，密度为2.7g/cm3。

甲材料的绝干体积密度为1400kg/m3，质量吸水率为17%；乙材料吸水饱和后的体积密度为1862kg／m3，体积吸水率为46.2%。

试求：（1）甲材料的孔隙率和体积吸水率?（2）乙材料的绝干体积密度和孔隙率?（3）评价甲、乙两材料。