现代复合材料课件

現代複合材料第一章複合材料概述複合材料的定義和分類複合材料的性能複合材料的用途第一節複合材料的定義和分類什麼是複合材料：

國際標準化組織曾在塑膠名詞術語的定義中，把複合材料定義為：“由兩種以上物理和化學上不同的物質組合起來而得到的一種多相體系”。（偏重性能）有人認為：“由連續相的基體(如聚合物—樹脂、金屬、陶瓷等)與分散相的增強材料(如各種纖維、織物及粉末填料等)組合的多相材料稱為複合構料”。（偏重結構）材料的優缺點組合示意圖複合材料的特點

(1)複合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀複合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的介面（相介面）。

(2)複合材料中各組元不但保持各自的固有特性而且可最大限度發揮各種材料組元的特性，並賦予單一材料組元所不具備的優良持殊性能。（3）複合材料具有可設計性。複合材料的分類

按基體分類聚合物基複合材料金屬基複合材料陶瓷基複合材料石墨基複合材料（碳/碳複合材料）水泥基複合材料

按增強相種類分顆粒晶須纖維無機非金屬基複合材料複合材料的分類

按增強相的形狀分零維（顆粒）一維（纖維）二維（片狀或平面織物）三維（立體織物）按用途分結構複合材料功能複合材料智能複合材料

複合材料性能特點比強度和比模量高比強度＝強度/密度比模量＝模量/密度化學穩定性好減摩、耐摩和自潤滑性能好耐熱性高高韌性和高抗熱衝擊性、導電和導熱性其他特殊性能：優良的電器絕緣材料複合材料性能比較:(1)強度和模量複合材料性能比較:(1)強度和模量(2)化學穩定穩定性金屬材料不耐酸、Cl-腐蝕金屬材料不耐硫化腐蝕塑膠具有良好的耐腐蝕性能陶瓷具有良好的耐硫腐蝕性能(3)減摩、耐磨和自潤滑性能碳纖維可以增加石棉的摩擦係數，也可以降低塑膠的摩擦係數。還可以增強聚合物材料耐磨性能PVC增加3.8倍PTFE增加3倍PP增加2倍(3)耐熱性能

耐熱性是指材料在一定的溫度上限內能長期使用，而其力學性能保持不低於80％的一種性能指標。目前聚合物基複合材料的最高耐溫上限為350℃，金屬基複合材料的耐溫性較好，350－1100℃。SiCAl2O3/陶瓷複合材料：1200－1400℃

SiC/Si3N4複合材料：1500℃

複合材料的用途機械汽車化學化工航空航太建築日常生活第二章增強相增強相的種類纖維及織物：有機和無機纖維、金屬纖維晶須：氧化物、氮化物和硼化物顆粒：陶瓷和金屬第一節纖維單絲(Monofilament)——指拉絲漏板每個孔中拉出的絲原紗(strand)——指多根單絲(數目由漏板的孔數決定)從漏板拉出彙集而成的單絲束，也稱纖維束絲〔Tow)、單股紗或原絲撚度(Twist)——亦稱撚數，指有撚紗或其他紗線在每米長度沿著軸向的撚回效(螺旋匝數)。S為左撚，逆時針，Z為右撚，順時針細度——指單絲的直徑，一般用微米表示。表示方法：重量法：用一克原紗的長度來表示，稱為支數。定長法：是目前國際上統一使用的方法，單位為Tex，系指1000米長原紗的克數。

粗紗(Roing)——由若干單股有撚紗、原紗或單股無撚紗以無撚或少撚平行集束而成。無撚粗紗——有多股連續單股原紗並排合股而成(不加撚)以紗束，以構成原紗的股數和支數表示，如40支40股、40支20股等。一段來講，無撚粗紗適於製作預浸料，因為它易於浸透樹脂，有撚纖維適於編織。短切纖維(Shortfiber)——將原絲、無撚粗紗或加撚紗切斷成或拉斷成長度為35—150m(有的書中為0.6—60mm)的纖維，也稱為短纖維。長徑比——短纖維長度與直徑之比。

短纖維氈——由不規則的短切纖維隨意交叉重疊鋪成氈狀簿片，隨機器的移動均勻排列，用樹脂粘結而成。連續纖維氈——由纖維本身的卷纏而形成並由少量粘合劑粘合。這種氈蓬鬆而具有彈性。纖維織物(c1oth)——用加了撚的纖維以不同方式編織的織物，依織法不同可以分為平紋布、斜紋布、緞紋布和單向布等。無緯布——用膠液將平行的纖維連在一起的布．不加任何緯向纖維。橫向粘結強度由樹脂決定。預浸料(Prepreg)——用於製造複合材料浸漬樹脂基體的纖維或其織物經烘乾或預聚的一種中間材料。一、有機纖維1、kevlar纖維：芳香族醯胺纖維特點：高強度、高模量，韌性好，密度低Kevlar49：聚對苯撐對苯二甲胺Kevlar29：聚對苯醯胺具有高的結晶度和取向度具有垂直於纖維軸的層狀結構Kevlar纖維的物理性能Kevlar纖維的化學穩定性2、超高分子量聚乙烯纖維特點：高比強度、高比模量以及耐衝擊、耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優異性能。但熔點較低(約135)，高溫容易蠕變用途：纜繩、武器裝甲、防彈背心、航太航空部件

UHMWPE纖維的衝擊強度幾乎與尼龍相當，在高速衝擊下的能量吸收是芳綸纖維（PPTA）、尼龍纖維的兩倍。這種並疲勞性能非常適合製作防彈材料。二、無機纖維玻璃纖維：有堿(>12%),中堿()6-12%,低堿(2-6%)，無堿(<2%)

特點：耐腐蝕、高溫；便宜；不耐磨、易折斷碳纖維：熱膨脹係數小；耐高溫蠕變；自潤滑、導電性高；價格高硼纖維：在鎢絲表面沉積B氧化鋁纖維：耐熱性和抗氧化性好；密度大SiC纖維玻璃纖維的結構玻璃纖維的化學成分和結構玻璃纖維的物理性能玻璃纖結的力學性能影響因素碳纖維的結構目前廣泛採用的方法是在隔絕空氣和水分的情況下，加熱至1000℃左右分解碳化聚丙烯脂、黏膠纖維或瀝青纖維。層與層之間的距離叫層間距，可用d表示，一股約為0.35nm[圖a]。由數層到數十層組成石墨微晶，即碳纖維的二級結構單元[見圖b]。再由石墨微晶組成原纖維[圖c]，其直徑為50nm左右，長度達數百納米，這是碳纖維的三級結構單元。最後由原纖維組成碳纖維的單絲直徑一般為6—8um。碳纖維的性能

碳纖維的熱膨脹係數呈各向異性。平行於纖維方向是負值，為-(0.72~0.90)×10-6/℃,垂直於纖維方向是正值。碳纖維的熱導率也有方向性，平行纖維方向的熱導率約為1.6w/(m·K)；垂直於纖維方向的熱導率約為0.08w/(m·K)。熱導率隨溫度升高而下降，此外，碳纖維具有良好的導電性。碳纖維的性能熱處理溫度的影響

隨著熱處理溫度的提高，碳纖維的電阻率隨之降低。碳纖維屬於半導體性質而石墨纖維的導電性比鋁、銅還要高。低熱膨脹係數使碳纖維製品具有高度的尺寸穩定性。氧化鋁纖維的性能SiC纖維的性能金屬纖維金屬纖維鋼纖維特點：導電性和導熱性好，塑性和抗衝擊性能好。纖維性能比較纖維的柔韌性及斷裂都沒有屈服

Kevlar49是韌性斷裂，其他為脆性斷裂比性能

CF的比模量最高

GF的比模量最低

PE的比強度和比模量配合最好熱穩定性

CF的耐高溫性能最好

Kevalr49最差第二節晶須晶須(wisker)是指具有一定長徑比(—般大於10)和截面積小於52×10－5cm2的單晶纖維材料。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。晶須的生長機制VLS機制(V表提供的氣體原料，L為液體觸媒，S為固體晶須）

系統中存在的觸媒液滴而是氣體原料和固體產物之間的媒介，形成晶須的氣體原料通過氣—液界而輸入到小液滴中，使小液滴成為含有晶須氣體原料的熔體，當熔體達到一定的過飽和度時析出晶體，並沉積在液滴與接體的介面上。隨著氣源的連續供給，晶須連續長出，而將小液滴抬起，直到停止生長第三節顆粒剛性顆粒增強體或陶瓷顆粒增強體。具有高強度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，如碳化矽、氧化鋁、氮化矽、碳化硼、石墨、細金剛石等。

作用：提高耐磨、耐熱、強度、模量和韌性的作用。延性顆粒增強體，主要為金屬顆粒。

作用：增強材料的韌性。但高溫力學性能會有所下降。顆粒增韌機制

顆粒增強體可以通過三種機制產生增韌效果當材料受到破壞應力時，裂紋尖端處的顆粒發生顯著的物理變化，如晶型轉變、體積改變、裂紋產生與增殖等，它們均能消耗能量，從而提高複合材料的韌性。這種增韌機制稱為相變增韌和微裂紋增韌。複合材料中的第二相顆粒使裂紋擴展路徑發生改變，如裂紋偏轉、彎曲、分叉、裂紋橋接或裂紋釘紮等，從而產生增韌效果。以上兩種機制同時發生，此時稱為混合增韌。第四節增強材料的表面處理

作用：改善增強材料與基體的浸漬性相與介面的結合強度聚合物基複合材料（1）偶聯劑處理：有機矽烷，鈦酸脂（2）等離子處理：（3）氧化處理金屬基複合材料對於金屬基複合材料，對纖維進行表面處理的目的主要是改善纖維的浸潤性，抑制纖維與金屬基體之間介面發生反應形成介面反應層，如利用化學氣相沉積技術在硼纖維表面沉積形成碳化矽或碳化硼塗層，可以抑制熱壓成型時硼纖維與錢之間的介面反應。對氧化鋁纖維表面則可沉積鎳或鎳合金層。第三章複合理論第一節複合原則材料組元的選擇依據：複合材料的性能1、顆粒增強複合材料的原則(1)顆粒應高度彌散均勻地分散在基體中，使其阻礙導致塑性變形的位錯運動(金屬、陶瓷基體)或分子鏈的運動(聚合物基體)。

(2)顆粒直徑的大小要合適，因為顆粒直徑過大會引起應力集中或本身破碎導致材料強度降低；顆粒直徑太小，則起不到大的強化作用。因此，一般粒徑為幾微米到幾十微米。(3)顆粒的數量一般大於20％，數量太少，達不到最佳的強化效果。2．纖維增強複合材料的原則(1)纖維的強度和模量都要高於基體，即纖維應具有高模量和高強度，因為除個別情況外，在多數情況下承載主要是靠增強纖維。

(2)纖維與基體之間要有一定的粘結作用，兩者之間結合要保證所受的力通過介面傳遞給纖維。

(3)纖維與基體的熱膨脹係數不能相差過大。

(4)纖維與基體之間不能發生有害的化學反應，特別是不發生強烈的反應，否則將引起纖維性能降低而失去強化作用。

(5)纖維所占的體積、纖維的尺寸和分佈必須適宜。製備方法的選擇原則：(1)所選的工藝方法對材料組元的損傷最小(2)能使任何形式的增強材料(纖維、顆粒、晶須)均勻分佈或按預設計要求規則排列；(3)使最終形成的複合材料在性能上達到充分發揮各組元的作用，即達到揚長避短，而且各單元組元仍保留著固有的特性。第二節複合材料的介面設計原則

複合材料的介面，並不是個理想的幾何面。實驗證明，複合材料相與相之間的兩相交接區是一個具有相當厚度的介面層，兩相的接觸會引起多種介面效應，隨介面層的結構和性能不同於它兩側鄰兩側相的結構和性質，具有如下特點：具有一定厚度性能在厚度方向上有梯度變化隨環境條件變化而改變介面效應介面層的存在，導致介面效應的發生(1)分割效應：—個連續體被分割成許多社區域，從而對基體力學性能造成影響。(2)不連續件止：在介面上引起的物理性質的不連續性和介面摩擦出現的現象，如電阻，介電特性，耐熱性，尺寸穩定性等。(3)散射和吸收效應：光波、聲波、熱彈性波、衝擊波等在介面產生的散射和吸收.(4)感應效應：在介面上產生的感應效應，特別是應變、內應力和由此引出的現象介面設計原則

適度粘接的介面層介面的作用：（1）把施加在整體上的力，由基體通過介面層傳遞到增強材料組元。（2）在一定的應力條件下能夠脫粘，以及使增強纖維從基體拔出併發生摩擦。這樣就可以借助脫粘增大表面能、拔出和摩擦功等形式來吸收外加載荷的能量以達到提高其抗破壞能力。合適性質的介面層一種是介面層的模量應介於增強材料與基體材料之間，最好形成梯度過渡。另一種觀點是介面層的模量低於增強材料與基體，最好是一種類似橡膠的彈性體，在受力時有較大的形變。介面對性能的影響聚合物基複合材料的介面設計關健：增強介面的浸潤性金屬基複合材料的介面設計關健：（1）對增強材料進行表面處理，增強浸漬性和防止介面反應（2）選擇金屬元素。改變基體的合金成分，造成某一元素在介面上富集形成阻擋層來控制介面反應。陶瓷基複合材料的介面設計關健：需要一種既能提供介面粘接又能發生脫粘的介面層，這樣才能充分改善陶瓷材料韌性差的缺點。第三節複合材料介面理論浸潤性熱力學原理：體系自由能減小

力平衡原理

介面粘結

粘結(或稱粘合、粘著、粘接)是指不同種類的兩種材料相互接觸並結合在一起的一種現象。1、機械作用理論機械作用機理如下圖所示，當兩個表面相互接觸後，由於表面粗糙不平將發生機械互鎖。表面越粗糙，互鎖作用越強，因此機械粘結作用越有效。2、靜電作用理論

當複合材料的基體及增強材料的表面帶有異性電荷時，在基體與增強材料之間將發生靜電吸引力。靜電互作用的距離很短，僅在原子尺度量級內靜電作用力才有效。因此表面的污染等將大大減弱這種粘結作用。3、化學作用理論

化學作用是指增強材料表面的化學基團(圖中標有x面)與基體表面的相容基團(標有R面)之間的化學粘結。化學作用理論最成功的應用是偶聯劑利用於增強材料表面與聚合物基體的粘結。4、介面反應或介面擴散理論複合材料的基體與增強材料間可以發生原子或分子的互擴散或發生反應，從而形成反應結合或互擴散結合。第四節力學性能複合原理顆粒增強纖維增強晶須增強4.1顆粒增強原理

彌散增強原理彌散增強複合材料是由彌散微粒與基體複合而成。其增強機理與金屬材料析出強化機理相似，可用位錯（鏈段）繞過理論解釋。載荷主要由基體承擔，彌散微粒阻礙基體的位錯（鏈段）運動，微粒阻礙總體位錯（鏈段）運動能力越大，增強效果愈大。4.2顆粒增強原理顆粒增強複合材料是由尺寸較大(＞1um)的堅硬顆粒與基體複合而成，其增強原理與彌散增強原理有區別。在顆粒增強複合材料中，雖然載荷主要由基體承擔，但顆粒也承受載荷並約束基體的變形，顆粒阻止基體位錯運動的能力越大，增強效果越好。在外載荷的作用下，基體內位錯滑移在基體／顆粒介面上受到阻滯，並在顆粒上產生應力集中，其值為

σi=nσ

根據位錯理論，應力集中因數為因此

Gm為基體的剪切模量，

b為柏氏向量

Df為顆粒之間的距離為

如果σi

＝σ

P(顆粒強度)時，顆粒開始破壞，產生裂紋，引起複合材料變形

σ

P=Gp/C(C為常數)顆粒增強複合材料的屈服強度為將體視學關係式代入得到4.3單向連續纖維增強原理複合材料性能與組分性能、組分分佈以及組分間的物理、化學作用有關。複合材料性能可以通過實驗測量確定，理論和半實驗的方法可以用於預測複合材料中系統變數的影響，但是不十分可靠，特別在單向複合材料的橫向性能方面不准確。然而，數學模型在研究某些單向複合材料縱向性能方面相當精確的。4.3.1縱向強度和剛度

(1)複合材料應力—應變曲線的初始階段連續纖維增強複合材料層板受沿纖維方向的拉伸應力作用，假設纖維性能和直徑是均勻的、連續的並全部相互平行；纖維／基體之間的結合是完美的，在介面無相對滑動發生；忽略纖維和基體之間的熱膨脹係數、泊松比以及彈性變形差所引起的附加應力。整個材料的縱向應變可以認為是相同的，即複合材料、纖維和基體具有相向的應變

在沿纖維方向的外加載荷由纖維和基體共同承擔，應有

對於平行纖維的複合材料，體積分數等於面積分數複合材料、纖維、基體的應變相同．對應變求導數，得到

dσ/de表示在給定應變時相應應力—應變曲線的斜率。如果材料的應力—應變曲線是線性的。則斜率是常數，可以用相應的彈性模量代人，得到(2)複合材料初始變形後的行為

一般複合材料的變形有4個階段：①纖維和基體均為線彈性變形；②纖維繼續線彈性變形，基體非線性變形；③纖維和基體都是非線性變形；④隨纖維斷裂，複合材料斷裂。對於合屬基複合材料來說，由於基體的塑性變形，第二階段可能占複合材料的應力—應變曲線的相當部分。(3)斷裂強度對於縱向受載的單向纖維複合材料，當纖維達到其斷裂應變值時，複合材料開始斷裂。當基體斷裂應變大於纖維斷裂應變時，理論計算時一般假設所有的纖維在同一應變值斷裂，如果纖維的斷裂應變值比基體的小，在纖維體積分數足夠大時，基體不能承擔纖維斷裂轉移的全部裁荷，則複合材料斷裂。這種條件下，複合材料縱向斷裂強度可以認為與纖維斷裂應變值對應的複合材料應力相等，從混合法則，得到複合材料縱向斷裂強度

是纖維的強度．是對應纖維斷裂應變值的基體應力在纖維體積分數很小時，基體能夠承擔纖維斷裂後所轉移的全部載荷，隨基體應變增加，基體進一步承載，並假設在複合材料應變高於纖維斷裂應變時纖維完全不能承載。這時複合材料的斷裂強度為

式中是基體強度。聯立以上二式，得到纖維控制複合材料斷裂所需的最小體積分數

當基體斷裂應變小於纖維斷裂應變時，纖維斷裂應變值比基體大的情況與纖維增強陶瓷基複合材料的情況一致。在纖維體積分數較小時，纖維不能承擔基體斷裂後所轉移的載荷，則在基體斷裂的同時複合材料斷裂，由混合法則得到複合材料縱向斷裂強度為對應基體斷裂應變時纖維承受的應力

當纖維維體積分數較大時，纖維能夠承擔基體斷裂後所轉移的全部載荷．假如基體能夠繼續傳遞載荷，則複合材料可以進一步承載，直至纖維斷裂，這時複合材料的斷裂強度為

同樣的方法，可以得到控制複合材料斷裂所需的最小纖維體積分數為4.3.2橫向剛度和強度(1)Halpin—Tsia公式複合材料橫向彈性模量其中

ξ是與纖維幾何、堆積幾何及載荷條件有關的參數，纖維截面為圓形和正方形時等於2，矩形纖維為2a/b,a/b是截面尺寸，a處理加載方向(2)橫向強度與縱向強度不同的是，纖維對橫向強度不僅沒有增強作用，反而有相反作用，使得複合材料的斷裂應變比未增強基體低得多。如果複合材料的橫向強度受基體強度控制，即基體的橫向強度乘以衰減因數S，那麼S可以看作是應力集中係數SCF或者應變集中係數SMF，在忽略泊松效應時為：第五節其他物理性能的複合原理目前尚未掌據所有物理性能的複合規律。已經瞭解得比較清楚的是一些單純加和性(符合線性法則)的簡單物理性能，如密度、比熱容、介電常數、導磁率等。其中導電率、電阻、導磁率和熱傳導等物理性能的複合法則與力學性能一樣，混合物定律大致是成立的。6.1熱導率（1）單向複合材料縱向和橫向的熱導率可按以下兩式估算式中，K為熱導率；下標L、T分別表示縱向和橫向；f、m分別表示纖維和基體(2)二維隨機短纖維複合材料纖維排布平面法線方向的熱導率為

式中，S11為形狀因數，與短纖維的形狀有關。如果短纖維是橢圓形截面的粒狀體(a1,a2<<a3)，則如短纖維為圓形截面，則(3)三維隨機短纖維複合材料這種複合材料可視為各向同性的，其熱導率為對於圓形截面的柱形短纖維(4)顆粒複合材料當顆粒為球狀時，複合材料的熱導率為6.2熱膨脹係數當兩種各向同性材料複合後，體系的熱膨脹係數αc

式中，a1,a2為組成複合材料組分的熱膨脹係數；K為特定彈性常數；Φ為體積分數，當兩種材料的泊松比相等時，可用E代替K對於物理常數差別不是很大的多層複合體系，可採用加和公式作為近似計算式PMC性能特點優點(1)高比強度、高比模量(2)可設計性(3)耐腐蝕(4)熱膨脹係數低，尺寸穩定(5)耐疲勞缺點材料昂貴在濕熱環境下性能變化衝擊性能差PMC複合材料的分類

以基體性質不同分：熱塑性樹脂基複合材料和熱塑性樹脂基複合材料另一種按增強劑類型及在複合材料中分布狀態分類第二節聚合物基體

一、概述1、基體的作用◆將纖維粘合成整體並使纖維位置固定，在纖維間傳遞載荷，並使載荷均勻◆決定複合材料的一些性能。如複合材料的高溫使用性能(耐熱性)、橫向性能、剪切性能、耐介質性能(如耐水、耐化學品性能)等◆決定複合材料成型工藝方法及工藝參數選擇◆保護纖維免受各種損傷◆對複合材料一些性能有重要影響，如縱向位伸、尤其是壓縮性能，疲勞性能，斷裂韌性等。2、基體的分類按樹脂熱行為可分為：熱固性及熱塑性兩類按樹脂特性及用途分為：一般用途樹脂、耐熱性樹脂、耐候性樹脂、阻燃樹脂按成型工藝分為：手糊用樹脂、噴射用樹脂、膠衣用樹脂、纏繞用樹脂、拉擠用樹脂、RTM用樹脂、SMC用樹脂3、固態高聚物的三態溫度對聚合物力學性能的影響溫度對聚合物力學性能的影響4、基體的選擇原則能夠滿足產品的使用需要，如使用溫度、強度、剛度、耐藥品性、耐腐蝕性等。對纖維具有良好浸潤性和粘接力。容易操作，如要求膠液具有足夠長的適用期、預浸料具有足夠長的貯存期、固化收縮小等。低毒性、低刺激性。價格合理。二、熱固性基體

熱固性基體主要是不飽合聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂，不飽合聚脂樹脂、酚醛樹脂主要用於玻璃纖維增強塑膠，其中聚酯樹脂用量最大，約占總量的80％，而環氧樹脂則一般用作耐腐蝕性或先進複合材料基體。1、不飽合聚酯樹脂(UP—UnsaturatedPo1yesterResin)

不飽合聚酯是由不飽合二元酸或酸酐、飽合二元酸或酸酐與二元醇經縮聚反應合成的低聚物。特點：固化收縮率較大、耐熱性較差，價格較便宜不飽合聚酯的性能取決於單體類型和比例，飽和二元酸與不飽和二元酸比例越大，則樹脂韌性越好，但耐熱性越差。通用不飽合聚酯是由順丁烯二酸酐、鄰苯二甲酸酐與1，2—丙二醇合成。增稠劑：鹼土金屬氧化物或氫氧化物固化劑：引發劑(如過氧化物)＋苯乙烯(或MMA)2、環氧樹脂(EP)環氧樹脂是—種分子中各有兩個或兩個以上活性環氧基團的低聚物。特點：適應性濕(可選擇的品種、固化劑、改性劑等種類很多)、工藝件好、粘接力大、成型收縮率低、化學穩定性好

雙酚A型環氧是由雙酚A與環氧氯丙烷經縮聚而成環氧樹脂的固化

環氧樹脂的固化可以通過催化劑使環氧基相互連接而固化，也可以用有能與環氧基反應的官能團的反應性固化劑固化。常用固化劑包括脂肪族或芳香族胺類，有機多元酸或酸酐等。伯胺固比的機制是胺上的活潑氫與環氧基反應：環氧樹脂的增韌增韌劑：改善樹脂的衝擊強度和耐熱衝擊性能，減少固化時反應熱和收縮率。但會使樹脂耐熱性、電性能、耐化學腐蝕性及某些力學性能的下降。端羧基液體丁腈橡膠(CTBN)增韌機制：3、聚醯亞胺樹脂(PI)PI是由芳香族四酸二酐與芳香族二氨經縮聚反應合成的。二胺與四羧酸二酯的熔融法制備聚醯亞胺合成反應由二酐和二胺合成聚醯亞胺過程中的主要反應4、雙馬樹脂雙馬樹脂(BMI)是由馬來酸酐與芳香族二胺反應生成預聚體，再高溫交聯而成的一類熱固性PI樹脂特點：優異的綜合性能，使用溫度範圍寬(－65—230度，超過環氧樹脂)，配方選擇範圍大，工藝性好，價格較低等。缺點是較脆，斷裂韌性低雙馬樹脂單體可在熱催化作用下自聚,併發生交聯反應,生成高度交聯的聚雙馬網路固化後的雙馬樹脂具有良好的耐高溫、耐輻射、耐濕熱、吸濕率低和熱膨脹係數小等優點,既具有與環氧樹脂相似的加工性能,又具有與聚酞亞胺相當的耐高溫性。但固化以後交聯密度極高,使得材料的脆性大、耐衝擊和應力開裂的能力較差,無法滿足作為負重結構材料所需的韌性及抗衝擊性。5、酚醛樹脂(PF)

酚醛樹脂是由酚類(主要是苯酚)和醛類(主要是甲醛)聚合生成的一類樹脂，它是最早工業化的熱固性合成樹脂。特點：合成方便，價格低廉，固化物具有阻燃性、耐燒蝕性、低發煙性和耐熱性等特點

三、熱塑性基體

原則上，所有的熱塑性樹脂，如聚烯烴、聚醚、聚醯胺、聚脂、聚碸等都可作為複合材料基體。1、聚醚醚酮(PEEK)特點：（1）優異的力學性能和耐熱性（2）模量與環氧樹脂相當，強度憂於環氧，而斷裂韌性高一個數量級（3）耐化學腐蝕性，不溶於任何溶劑、阻燃性好，極好的耐輻射性2、熱塑性聚醯亞胺

聚醚醯亞胺(PEI)：長期使用溫度為180℃，具有良好的耐熱性、尺寸穩定性、耐腐蝕性、耐水解性和加工工藝性，可溶在鹵代烷、DMF等溶劑中。聚醯胺醯亞胺(PAI)：是一種熔體粘度很高的熱塑性樹脂，通常也稱假熱塑性枷B。具有優異的耐熱性，其Tg可達280℃，長期使用溫度達240℃3、聚苯硫醚(PPS)耐化學腐蝕性極好，僅次於氟塑膠，在室溫下不溶任何有機溶劑。具有良好的機械性能和熱穩定性，可長期耐熱至240℃。熔體粘度低，易於通過須浸漬、層壓制成複合材料。但是在高溫下長期使用，會被空氣中的氧氧化而發生交聯反應，結晶度降低，甚至失去熱塑性性質。

3、聚醚碸(PES)在180℃溫度下長期使用，在一100℃一200℃溫度區間內，模量變化很小，優良的尺寸穩定性，熱膨脹係數與溫度無關，無毒、不燃、發煙率低、耐輻射性好，耐150℃蒸汽，耐酸堿和油類，但可被濃硝酸、濃硫酸、鹵代烴腐蝕或溶解，在酮類溶劑中開裂。第三節PMC的介面

一、PMC介面表徵

PMC介面層結構主要包括增強劑表面、與基體的反應層或偶聯劑參與的反應層，以及接近反應層的基體過渡層。介面表徵的目的：要瞭解增強劑表面的組成、結構及物理、化學性質，基體與增強劑表面的作用，偶聯劑與增強劑及基體作用，介面層性質，介面粘接強度的大小以及殘餘應力的大小及作用等。介面化學結構的表徵

現代分析技術，如電子顯微鏡(SEM和TEM)、光電子能譜(ESCA，AES)、紅外光譜(FTIR)和拉曼(Raman)光譜、二次離子質譜(SIMS)、色譜等介面物理性能的表徵

二、PMC介面特點大多數介面為物理粘接，粘接強度較低PMC一般在較低溫度下使用，故介面可保持相對穩定PMC中增強本體一般不與基體反應

三、PMC介面設計

PMC介面設計的基本原則是：改善浸潤性，提高介面粘接強度。提高PMC的介面粘接強度對其大多數性能是有利的。目前對PMC介面研究的主要目的是改善增強劑與基體的浸潤性，提高介面粘接力。改善PMC表面浸潤性的方法3.1使用偶聯劑

偶聯劑一端與玻璃纖維表面結合，另一端可溶解擴散於介面區域的樹脂，與樹脂大分子鏈發生糾纏或形成互穿高聚物網路結構，達到最好的介面粘附，而且偶聯劑本身應含有長的柔軟鏈節，以便形成柔性的有利於應力弛豫的介面層，提高其吸收和分散沖布能，使複合材料具有很好的抗衝擊強度。CompanyLogo①納米SiO2粒子改性環氧樹脂的力學性能1%加入量塑性最好，2%加入量強度最高CompanyLogo納米SiO2粒子改性環氧樹脂的斷口形貌

（a）未改性環氧樹脂粘結劑(b)1%二氧化矽

(c)2%二氧化矽(d)5%二氧化矽abcdCompanyLogo②

偶聯劑改性環氧樹脂製備與研究偶聯劑結構示意圖CompanyLogo偶聯劑結構示意圖及改性原理a.自縮聚為SiO2剛性顆粒b.油性端與環氧樹脂基體反應c.油性端與基體橋接保證剛性顆粒的穩定性CompanyLogo偶聯劑改性環氧樹脂的FT-IR3300吸收峰減弱，1100處寬化CompanyLogo偶聯劑改性環氧樹脂的的剪切拉伸強度CompanyLogo偶聯劑改性環氧樹脂的拉伸斷面SEM分析(A)為純環氧樹脂(B)2wt.%SiO2/EP(C)3wt.%SiO2/EP(D)5wt.%SiO2/EPCompanyLogo偶聯劑改性環氧樹脂的能譜分析A.5%SiO2/EP；B.7%SiO2/EPCompanyLogo偶聯劑改性環氧樹脂的能譜分析A為S元素分佈B為Si元素分佈CompanyLogo偶聯劑改性環氧樹脂的穩定性研究A剪切拉伸試驗對比第1組：無包覆SiO2/EP，2%SiO2/EP；第2組：KH580/EP2%SiO2/EP第3組：KH580/EP3%SiO2/EP

；第4組：KH580/EP5%SiO2/EPCompanyLogo偶聯劑改性環氧樹脂靜置一周後的SEM圖圖A為SiO2含量7%KH580/EP複合材料一周前圖B為SiO2含量7%KH580/EP複合材料一周後3.2增強劑表面活化

通過各種表面處理方法，如表面氧化、等離子體處理，可在惰性的表面上引入活性官能團如—COOH、—OH、C＝O、—NH2等等。一方面，這些活性官能團可與基體中活性基團反應，另一方面也可提高纖維與基體相容性，提高粘接強度。

通過Ｈ2Ｏ2處理後,在ＣＮＴｓ的表面有大量的官能團產生.在3600ｃｍ-1處的峰表明有羥基—ＯＨ,而1600ｃｍ-1處的峰表明有羧基—ＣＯＯＨ.CompanyLogo酸化處理對CNTs基團的影響CompanyLogo酸化對CNTs的水分散性的影響onemonthlaterAB

50μg/mL的碳納米管在蒸餾水中的分散情況：（A）剛剛超聲的分散情況左：untreatedCNTs右：ActivatedCNTs

（B）靜置一個月後的分散情況左：untreatedCNTs右：ActivatedCNTsCompanyLogo酸化CNTs的水分散性-TEMTEMgraphofuntreatedCNTsandAcidCNTs（A）untreatedCNTs；（B）ActivatedCNTsBACompanyLogoCNTs改性環氧樹脂的FT-IR圖中：碳納米管含量為0.5%－1.5%時，-OH的吸收振動峰幾乎為零；而對於純環氧樹脂卻有明顯的吸收峰，顯然可以看出：碳納米管上的羧基和環氧樹脂的羥基發生了反應，從而使環氧樹脂基體中的羥基基本反應完全。CompanyLogoCNTs改性F51環氧樹脂剪切強度固化工藝：100℃/2h+150℃/13hCompanyLogoCNTs改性F51環氧樹脂衝擊強度129CompanyLogoCNTs改性F51環氧樹脂的斷口形貌ABFEDC(A)pureepoxyresin;(B)0.5%CNTs/epoxycomposite;(C)1%CNTs/epoxycomposite;(D)1.5%CNTs/epoxycomposite;(E)and(F)2%CNTs/epoxycompositeCNTs的強韌化機制CNT的橋接作用CNT的脫粘和拔出CNT的斷裂

脫粘拔出斷裂的三個CNTs

GanLinHwang.AFM.2004.14.No.53.3使用聚合物塗層使用一些聚合物塗層－－它與增強纖維和基體都有良好的涅潤性，也是改善PMC介面粘接狀況的一種有效方法。可以用溶液塗敷、電化學聚合、接枝以及等離子體聚合的方法獲得聚合物塗層。CompanyLogo

（1）包覆碳納米管改性F51環氧樹脂研究將CNTs-COOH分散在彈性包覆體中，超聲波攪拌使CNTs-COOH分佈均勻並使其接枝到彈性體上將上述包覆彈性體加入到環氧樹脂中，超聲攪拌分佈均勻CompanyLogo包覆CNTs-COOH的FT-IR圖中，3500cm-1是羥基吸收峰，1100cm-1是C-O-C的伸縮振動峰，隨著碳納米管含量的增加，羥基吸收峰減弱，C-O的吸收峰增強，說明碳納米管和PU包覆體產生了化學交聯。CompanyLogo包覆CNTs改性F51剪切強度ThestressofepoxymodifiedwithPU-CNTsCompanyLogo包覆CNTs改性F51衝擊強度CompanyLogo137SEMimagesoffracturedsurfaceof15%PUgraftepoxyandepoxymodifiedwithPU-CNTs(A)PU/EP(B)(1%CNTs-PU)/EP(C)(2%CNTs-PU)/EP(D)(3%CNTs-PU)/EP(E)(3%CNTs-PU)/EPCompanyLogo（2）改性酚醛樹脂製備與研究①無包覆納米SiO2改性酚醛樹脂CompanyLogo納米SiO2改性酚醛樹脂FT-IR在3500和1077附近的吸收峰變化很大，表明有羥基交聯反應CompanyLogo加入量為1%時具有最佳的強度，1MPaCompanyLogo納米SiO2改性酚醛樹脂斷口形貌

酚醛樹脂木材粘結劑的表面形貌(a)純酚醛樹脂的表面形貌(b)1%nano-SiO2/酚醛樹脂的表面形貌(c)5%nano-SiO2/酚醛樹脂的表面形貌CompanyLogo②PVA包覆SiO2改性酚醛樹脂

矽溶膠的粒子結構及表面CompanyLogo矽溶膠結構及SiO2/PVA改性酚醛樹脂原理聚乙烯醇包覆SiO2顆粒示意圖

柔性層間隔剛性SiO2顆粒結構圖CompanyLogo水解縮聚反應繼續進行，使無機網路延長，形成帶有有機基團的無機交聯網絡CompanyLogoSiO2/PVA/PF性能測試與結構分析SiO2/PVA/PF材料剪切拉伸強度強度可達3MPa以上CompanyLogo

不同材料粘結強度對比CompanyLogoSiO2/PVA/PF雜化材料拉伸剪切斷面的SEM分析A.純酚醛樹脂B.1%SiO2/PVA/PFC.3%SiO2/PVA/PFD.4%SiO2/PVA/PFCompanyLogoA.2%SiO2/PVA/PF；B.3%SiO2/PVA/PF；C.5%SiO2/PVA/PFCompanyLogoSiO2/PVA/PF材料穩定性研究

不同SiO2含量的雜化材料的力學性能隨時間變化，圖為一周前後力學性能下降的情況第四節PMC製備工藝一、預浸料及預混料製造工藝預浸料通常是指定向排列的連續纖維(單向、織物)等浸漬樹脂後所形成的厚度均勻的薄片狀半成品。預混料是指由不連續纖維浸漬樹脂或與樹脂混合後所形成的較厚的片狀、團狀或粒狀半成品，包括片狀模塑膠(SMC，GMT)、團狀模塑膠(BMC)和注射模塑膠(IMC)。預浸料及預混料的基本特徵1、預浸料製造熱固性預浸料製造

根據浸漬設備或製造方式不同，熱固性FRP預浸料的製造分輪鼓纏繞法和陣列排鋪法；按浸漬樹脂狀態分濕法(溶液預浸法)和幹法(熱熔預浸法)。輪鼓纏繞法工藝原理

濕法陣列排鋪法是原理是許多平行排列的纖維束(或織物)同時進入膠槽，浸漬樹脂後由擠膠器除去多餘膠液，經烘乾爐除去溶劑後，加隔離紙並經輥壓整平，最後收卷。

幹法浸漬工藝也稱熱熔預浸法(Hotmeltimpregnating)，是在熱熔預浸機上進行的，其工藝原理是熔融態樹脂從漏槽流到隔離紙上，通過刮刀後在隔離紙上形成一層厚度均勻的膠膜，經導向輥與平行排列的纖維或織物壓合，通過熱鼓時樹脂熔融並浸漬纖維，再經輥壓使樹脂充分浸漬纖維，冷卻後收卷。熱塑性預浸料製造

溶液預浸是將熱塑性高分子溶於適當的溶劑中，使其可以採用類似於熱固性樹脂的濕法浸漬技術進行浸漬，將溶劑除去後即得到浸漬良好的預浸料。優點：可使纖維完全被樹脂浸漬並獲得良好的纖維分佈，可採用傳統的熱固性樹脂的設備和類似的涅漬工藝。缺點：成本較高並造成環境污染，殘留溶劑很難除盡

熔融預浸是將熔融態樹脂由擠出機擠到持殊的模具中浸漬連續通過的纖維束或織物。優點：可以適用很多熱塑性樹脂缺點：要求樹脂的粘度低，穩定性好

膜層疊工藝原理是：增強劑與樹脂薄膜交替鋪層，在高溫、高壓下使樹脂熔融並浸漬纖維，製成平板或其他一些形狀簡單的製品(如雷達罩)。增強劑一般採用織物．這樣在高溫、高壓浸演過程中不易變形。優點：適用性強、工藝及設備簡單；缺點：纖維浸漬狀態和分佈不良、製品性能不高，需要高溫、高壓長時間的成型，以及不能製造複雜形狀和大型製品。

粉末浸漬是將熱塑性樹脂製成粒度與纖維直徑相當的微細粉末，通過流態化床技術使樹脂粉末直接分散到纖維束中，經熱壓熔融即可製成充分浸漬的預浸料。優點：預浸料有一定柔軟性、鋪層工藝性好，成型工藝性好SMC及BMC製造2、預混料製造

BMC的生產方法很多，最常用是捏合法，即在捏合機(槳葉式混合器)中，將短切纖維、填料與液態樹脂(如UP)或樹脂溶液(如PF溶於乙醇)充分攪拌混勻，移出後〔晾乾溶劑)，即得產品。GMT及IMC製造二、袋壓成型將鋪層鋪放在模具中，蓋上柔軟的隔離膜，在熱壓下固化。經過所需的固化週期後材料形成具有一定結構的構件。四、纏繞成型五、拉擠成型六、模壓成型SMC模壓成型製品性能七、纖維增強熱塑性塑膠(FRTP)成型技術

原理上，用於熱固性FRP的製品成型技術大多數也適於FRTP，但所需鋪助材料和工藝過程則有較大區別。而有些熱固性FRP製品成型技術則一般不能用於FRTP如手糊成型、噴射成型等。要解決的問題主要有二個方面：一是纖維的浸漬；纖維的浸漬可以在纏繞時進行，如使用粉末浸漬纖維束、混雜纖維束或現場熔融浸漬，但這樣很難制得高質量製品，且纏繞速度受到限制。另一途徑是使用預浸漬纖維束(如APC—2)．這樣易得高質量製品，且纏繞速度較快。二是紗片間的粘合。纏繞時要使紗片中的樹脂溶化並有足夠的流動性以便紗片與下層及相鄰紗片很好地融合，為此，一般採用集中加熱和輥壓技術。

八、其他成型方法注射成型

多用於短纖維增強塑膠(主要為熱塑性，少量為熱固性)製品生產，增強纖維主要為短切玻璃纖維、其次為短切碳纖維(幾毫米長)，纖維含量通常有20%和30％噴射成型

將混有引發劑的樹脂和混有促進劑的樹脂分別從噴槍兩側噴出或混合後噴出，同時將玻璃纖維粗紗用切斷器切斷並從噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻地沉積在模具上，待材料在摸具上沉積一定厚度後，手輥壓實。除去氣泡並使纖維浸透樹脂，最後固化成製品。

八、其他成型方法

樹脂傳溫成型

RTM(ResinTransferMoulding)是先將增強劑置於摸具中形成一定的形狀，再將樹脂注射進入摸具、浸漬纖維並固化的一種複合材料生產工藝，是FRP的主要成型工藝之一。其最大特點是污染小，為閉模操作系統，另外在製品可設計性、可方向性增強、製品綜合性能方面優於SMC、BMC。增強反應注射成型

RRM(ReinforccdReactionInjectionMoulding)是將兩種能起快速固化反應的原料，分別與短切纖維增強材料混合成漿料．在流動性很好的液態情況下混合並注入模具，在模具中兩組分迅速反應固化，脫模得到製品的一種複合材料成型工藝，多用於汽車工業。

第五節FRP的力學性能一、靜態力學性能

特點：（1）與位置和方向有關（2）一般直到斷裂都是完全彈性的，沒有屈服點或塑性區，一般斷裂應變很小，與金屬比，斷裂功小、韌性差。（3）縱向模量和拉伸強度可由混合定律計算

El=EfVf+EmVm

σLu=σfuVf+σmVm

橫向模量ET和GLT可由半經驗的Halpin-Tsai公式估算

FRP的橫向拉伸強度受基體或纖維與基體介面控制，由於存在應力集個，故低於基體強度。（4）FRP的高溫力學性能主要受基體控制，基體的效變形溫度高、模量的高溫保持率高，則其複合材料的高溫性能就好。

二、疲勞性能

所有材料在低於靜態強度假限的動載荷作用下，經過不同時間都要破壞，這一現象彌材料的疲分。通常用疲勞壽命N或疲勞強度SN來表示材料的疲勞性．並以所加應力幅值或最大應力與應力迴圈次數的關係曲線(稱S—N曲線)表示。影響S－N曲線的因素

纖維類型及體積分數；②基體類型；

鋪層形式；④介面性質；⑤載荷形式；⑥平均應力；⑦交變應力頻率；⑧環境條件

在同樣的試驗條件下，FRP的疲勞性能一般優於金屬。而高模量的CF，KF或BF增強塑膠疲勞性能優於GFRP。因為複合材料模量越低，則產生同樣大小應力的應變就大，因而更易發生疲勞損傷。縱向疲勞強度隨纖維含量的增加而增加三、衝擊和韌性常用的用於表徵複合材料韌性的方法有三種即衝擊強度（Charpy和Izod衝擊試驗）、斷裂韌性Gc及衝擊後壓縮強度(CAI)衝擊破壞模式FRP的能量吸收包括(a)纖維破壞；(b)基體變形和開裂；(c)纖維脫膠；（d)纖維拔出；(e)分層裂紋等典型材料衝擊強度第一節概述

一、MMC的沿革與發展二、MMC的分類1、按增強材料形態分類纖維增強金屬基複合材料顆粒和晶須增強金屬基複合材料2、按金屬基體分類鋁基複合材料鈦基複合材料鎂基複合材料高溫合金複合材料金屬間化合物複合材料第二節金屬基體一、鋁及鋁合金

鋁的基本特點：熔點660℃，密度2.7g/cm3具有面心立方結構．所以其塑性優異，適合各種形式的冷、熱加工導電、導熱性能好，約為銅的60％左右化學活性高，在大氣中鋁表面與氧形成一層薄而又緻密的氧化鋁膜，防止鋁繼續氧化強度低鋁合金的分類鋁合金的熱處理：淬火和時效鋁合金的力學性能二、鈦及鈦合金鈦的特點：熔點1678℃，密度4.51g/cm3重量輕、比強度高。純鈦的強度可通過冷作硬化和合金化而得到顯著的提高．如50％的冷變形可使強度提高60％，適當合金化和熱處理，則抗拉強度可達1200—1400MPa，含有氫、碳、氧、鐵和鎂等雜質元素的工業純鈦抗拉強度可提高到700MPa，並仍能保持良好的塑性和韌性。高溫性能優良。合金化後的耐熱性顯著提高，可以作為高溫結構材料使用，如航空發動機的壓氣機轉子葉片等，長期使用最高溫度已達540℃在大氣和海水中有優異的耐蝕性．在硫酸、鹽酸、硝酸相氫氧化納等介質中都很穩定導電與導熱性差.導熱係數只有銅的1／l7和鋁的l／10，比電阻為銅的25倍常用鈦合金的性能三、鎂及鎂合金

特點：密度1.74g/cm3由於其密度低，比強度、比剛度較高，鎂具有密排六方結構，室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好可進行各類形式的熱變形加工。減震性能好，能承受較大的衝擊振動負荷四、金屬間化合物具有反常的溫度強度效應脆性很大第三節MMC製備工藝

根據各種製備方法的基本特點，金屬基複合材料的製備工藝分為四大類，即(1)固態法；(2)液態法；(3)噴塗與噴射沉積法；(4)原位複合法。

一、固態法1．擴散結合在一定溫度的壓力下，把新鮮清潔表面的相同或不相同的金屆，通過表面原子的互相擴散而連接在一起。工藝流程關鍵步驟纖維的排布；複合材料的疊臺和真空封裝；熱壓纖維排布採用有機粘接劑。將增強纖維的單絲或多絲的條帶分別浸潰加熱後易揮發的有機粘接劑，按複合材料的設計要求的間距排列在全屬基體的薄板或箔上，形成預製件採用帶槽的薄板或箔片，將纖維排布在其中採用等離子噴塗。即先在金屬基體箔片上用排布好一層纖維，然後再噴塗一層與基體金屬相同的金屬纖維表面經化學或物理處理，在基體金屬熔池中充分地浸漬形成金屬基複合絲疊合與封裝為了防止複合材料在熱壓中的氧化，疊合好的複合材料坯科應真空封裝於金屬模套中。為了便於複合材料在熱壓後與金屬模套的分離，在金屬模套的內壁徐上雲母粉類的塗料以利分離，注意不能塗與金屬基體發生反應的塗料。熱壓

在真空或保護氣氛下直接放入熱壓模或平板進行熱壓合熱壓工藝參數主要為：熱壓溫度、壓力和時間擴散結合的優缺點：工藝相對複雜，纖維排布、疊合以及封裝手工操作多，成本高。能按照複合材料的鋪層要求排布。在熱壓時可通過控制工藝參數的辦法來控制介面反應2．粉末冶金適用於連續、長纖維增強．也可用於短纖維、顆粒或晶須增強的金屬基複合材料長纖維增強：將纖維和金屬粉末按比例混合，密封在容器中，然後進行熱等靜壓其他增強相粉末冶金的優點工藝過程溫度低，可以控制介面反應增強材料(纖維、顆粒或晶須)與基體金屬粉末可以任何比例混合，纖維含量最高可達75％，顆粒含量可達50％以上對浸潤性和密度差的要求較小採用熱等靜壓工藝時，其組織細化、細密、均勻，一般不會產生偏析、偏聚等缺陷，可使空隙和其他內部缺陷得到明顯改善，從而提高複合材料的性能可以用傳統的加工方法進行二次加工粉末冶金的缺點工藝過程比較複雜，金屬基體必須製成金屬粉末，增加了工藝的複雜性和成本在製備鋁基複合材料時，還要防止鋁金屬粉末引起的爆炸二、液態法1．壓鑄壓鑄成型(Squeezecasting)，是指在壓力的作用下，將液態或半液態金屬基複合材料或金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強材料須制體的孔隙中，在壓力下快速凝固成型而製備金屬基複合材料的工藝方法。普通壓鑄工藝過程

將包含有增強材料的金屬熔體倒入預熱模具中後迅速加壓，壓力約為70—l00MPa，使液態金屬基複合材料在壓力下凝固。待複合材料完全固化後頂出，即制得所需形狀及尺寸的金屬基複合材料的坯料或壓鑄件。增強材料預製體的壓鑄工藝過程將熔融金屬注入裝有增強材料(長、短纖維，顆粒或晶須)的預製件模具中，並在壓力下使之滲入預製件的間隙，在高壓下迅速凝固成金屬基複合材料壓鑄法的優點其組織細化、無氣孔，可以獲得比一般金屬模鑄件性能優良的壓鑄件。工藝設備簡單，成本低，材料的品質高且穩定易於工業化生產。2．半固態複合鑄造將顆粒加入處於半固態的金屬基體中，通過攪拌使顆粒在金屬基體中均勻分佈，並取得良好的介面結合，然後澆注成型或將半固態複合材料注入摸具進行壓鑄成型。3．熔滲

將增強材料製成多孔預製體，置基體金屬熔體的上方或內部，利用毛細力的使熔體作用滲入預製中。也可將預製體和基體金屬坯料裝入一可通入流動氮氣的加熱爐中。通過加熱，基體金屬熔化，自發滲透入網絡狀增強材料預製體中三、噴塗與噴射沉積

噴塗沉積主要應用於纖維增強金屬基複合材料的須制層的製備，也可以獲得複合層狀複合材料的坯料。噴射沉積則主要用於製備顆粒增強金屬基複合材料。噴射與噴塗沉積工藝的最大特點是增強材料與基體金屬的潤濕性要求低；增強材料與熔融金屬基體的接觸時間短，介面反應量少。噴塗沉積製備纖維增強金屬基複合材料時，纖維的分佈均勻，獲得的薄單層纖維增強預製層可以很容易地通過擴散結合工藝形成複合材料結構形狀和板材。噴塗與噴射沉積工藝，可以與各種陶瓷纖維或顆粒複合，即基體金屬的選擇範圍廣。1、噴塗沉積

噴塗沉積(spraydeposition)主要原理是以等離子體或電弧加熱金屬粉末或金屬線、絲，甚至增強材料的粉末，通過噴塗氣體噴塗沉積到沉積基板上。2、噴射沉積（Ospray）

將基體金屬熔煉後，在壓力作用下通過噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體外流的作用下．液態金屬被分散為細小的液滴，形成“霧化錐”，同時通過一個或多個噴咀向“霧化錐”噴入增強顆粒，使之與金屬液滴一齊在一基板上沉積並快速凝固形成顆粒增強金屬基複合材料。四、原位複合1．共晶合金定向凝固原理：共晶合金定向凝固時，參與共晶反應的兩相同時以棒狀(纖維狀)或層片狀規則排列生成。2．直接金屬氧化法唯一基體法：將金屬熔體（鋁和鈦）加熱到較高的溫度，向其中通入反應性氣體（氧氣或氮氣），加入促使氧化反應的合金元素Si和Mg，使熔化金屬通過顯微通道滲透到氧化層外邊，並順序氧化，即鋁被氧化，但液鋁的滲透通道未被堵塞■多孔預成型體氧化法3.反應生成法利用各種金屬粉末、液體與非金屬粉末或氣體反應生成金屬或金屬間化合物基體的複合材料。Ti+C+Al=Al+TiC

Ti+B+Al=Al+TiB2

Ti+C+Ni+Al=Ni3Al+TiC第四節MMC介面一、MMC介面類型與介面結合1．金屬基複合材料介面類型介面層的形貌

Cf/Ni中Ni向碳纖維擴散層Bf/6Al-4Ti-V中的介面反應層

2．金屬基複合材料介面結合(1)機械結合屬於無溶解又不互相反應的第I類介面。主要依靠增強材料與基體表面的摩擦力而結合。研究表明，經過表面蝕的增強材料所構成的複合材料的強度要高2—3倍。但是這種介面結合僅限於受載應力平行於增強材料表面時才能承載。(2)浸潤與溶解結合

基體與增強相之間發生潤濕，並伴隨一定程度的相互溶解而產生的—種結合，其介面是第II類。一般增強材料與基體有一定的潤濕性，在浸潤後產生局部的互溶才有一定結合力。如果互相溶解嚴重，以至於損傷了增強材料，則會改變增強材料的結構，削弱了增強材料的性能，從而降低複臺材料的性能。(3)化學反應結合

大多數金屬基複合材料，在熱力學上是非平衡體系，也就是在增強材料與基體介面存在化學勢梯度。增強材料與基體之間只要存在有利的動力學條件，就可能發生擴散和化學反應。增強材料與基體介面發生化學反應，在介面上生成新的化合物層，也就是介面層。這種結合形式就形成了第III類介面。這是主要的結合方式。適度的反應層可以增加介面的強度，但生成過量的脆性層有害。(4)混合結合

在一定的溫度和應力條件下，第I類介面可能緩慢向第II類和第III類介面轉變。二、MMC介面穩定性

對介面的要求要求其在製備過程中獲得良好的介面與結合，並且不削弱增強材料要求其在使用過程中，尤其是在高溫長時間使用條件下，能夠保持這種良好的介面與結合，以保持其性能的穩定性1.介面溶解與析出

具有第II類介面的複合材料在製備過程和高溫使用過程中，增強材料與金屬基體在介面會發生互相溶解，也可能發生溶解後析出現象，因此採取適當的措施使增強材料減少發生嚴重損傷的溶解，就可以提高複合材料的性能穩定性。介面溶解的防止塗覆加入合金元素減小溶解度粉末冶金製備的w絲／Ni複合材料，在1100℃左右使用50小時後，鎢絲發生溶解，造成鎢絲直徑僅為原來的60%，大大影響鎢絲的增強作用。為此，可採用鎢絲塗覆阻擋層或在鎳基合金中添加少量臺金元素，如鈦和鋁，可以起到一定的防止鎢絲溶入鎳基臺金的作用。介面析出的危害Cf/Ni複合材料，在600℃高溫下，在介面碳先溶入鎳，而後又析出，析出的碳是石墨結構，密度增大而在介面留下空隙，給鎳提供了滲入碳纖維擴散聚集的位置，而且隨溫度的提高鎳滲入量增加，嚴重損傷了碳纖維，使其強度嚴重下降2．介面反應

介面反應是影響具有第III類介面的複合材料介面穩定性的化學因素。當介面發生化學反應，形成大量脆性化合物時，就會削弱增強材料的增強作用，尤其是在高溫使用條件下，這種介面反應的不穩定性會造成複合材料的脆性破壞。介面反應的地點基體與反應產物介面層之間的邊界上反應產物介面層與增強材料之間的邊界上上述兩種邊界上同時產生介面反應的形式(1)連續介面反應反應物的量(或介面層厚度)會隨溫度的變化和時間的長短發生變化(2)交換式反應

當增強材料與含有兩種以上元素的金屬基體之間發生化學反應，形成反應產物後，反應產物還會與其它基體元素發生交換反應，產生介面的不穩定硼纖維增強合鋁較高的鈦合金(Ti一8A1—1Mo一1V)

首先是含鋁的鈦合金與硼反應：

Ti(Al)+B=(Ti,Al)B2

形成的(Ti，A1)B2介面反應產物與鈦繼續進行交換反應：

(Ti,Al)B2+Ti

=TiB2+Ti(Al)

這樣，介面反應物中的鋁又會重新富集於基體合金一側，甚至形成Ti3Al金屬間反應物(3)暫穩態介面的變化

暫穩態介面的變化一般是由於增強材料表面局部氧化所造成的。在硼纖維增強鋁中，由於硼纖維上吸附有氧，並與之生成BO2，當這層氧化物在擴散結合時末受到破壞，但它是不穩定的。在一定溫度下，由於鋁與氧親和力強，可以還原BO2，生成Al2O3，這種介面結合亦稱之為氧化結。在長期熱效應的作用下，介面上的BO2氧化膜會發生球化，介面結合狀態發生變化。三、MMC介面浸潤與介面反應控制1.增強材料的表面處理增強材料的表面性質的類型：第一類增強材料的表面能很低，極不容易被基體熔體所潤濕，但又能與某些金屬基體發生強烈的介面反應。這類增強材料主要有碳纖維與氧化鋁類纖維、顆粒和晶須。第二類增強材料較易於被基體所潤濕，也能與某些金屬基體反應，但比第一類穩定得多，主要有碳化矽和碳化硼類增強材料。日前尚未發現既能滿足潤濕要求，又不與金屬基體發生介面反應的惰性增強材料。增強材料的表面處理－－表面塗覆塗覆的作用改善增強材料與基體的潤濕性和粘著性防止增強材料與基體之間的擴散、滲透和反應減輕增強材料與基體之間的熱應力集中2．金屬基體改性

在某些金屬基複合材料體系中，採用基體合金中添加某些合金元素以改善增強材料與基體之間的浸潤條件或有效控制介面反應的方法為基體改性。基體改性方法：第一種是控制介面反應。加入改性合金元素應使介面發生反應時的反應速度常數盡可能小，以保持第III類介面的穩定性。第二種是改善介面浸潤性。添加可與增強材料表面進行一定程度介面反應，從而形成一層很薄的反應層的合金元素，提高增強材料的表面能，以增加其與基體的潤濕性；或者在基體中添加的合金元素盡可能不與增強材料表面發生介面反應，但可降低基體液相的表面能。合金元素對硼纖維介面反應速度常數的影響沒有影響

稀釋劑明顯降低通過基體改性增強潤濕性Al2O3f與Al的潤濕角:660℃

180980℃

60

Al2O3f與Al-4.5Cu-3Mg的完全潤濕，生成MgO·Al2O3尖晶石

Al2O3f與Al-2~3Li的完全潤濕，生成LiAlO2

第五節MMC的性能1．高比強度、比模量2．高韌性和高衝擊性能

基體中的裂紋頂端的最大應力接近基體的抗拉強度，而低於纖維的斷裂應力時，裂紋或在介面擴展鈍化，或因基體的塑性剪切變形而鈍化，從而改善了複合材料的斷裂韌性

3.對溫度變化和熱衝擊的敏感性低

4.表面耐久性好，表面缺陷敏感性低表面堅實耐久，尤其是顆粒、晶須增強金屬基複合材料常可以作為工程構件中的耐磨件使用。在陶瓷基複合材料中，由於腐蝕或擦傷等引起的小裂紋可使其強度劇烈降低。這是由於陶瓷的彈性模量高，但塑性和韌性低，不能象金屬基複合材料中的基體那樣可以借助塑性變形來使缺口或裂紋鈍化，而造成應力集中，引起破壞。聚合物基複合材料基體的強度和硬度與金屬基體相比部相當低，像擦傷、磨損等對其表面都有顯著影響。5．導熱、導電性能好6．良好的熱匹配性

有些纖維，如硼纖維與基合金的熱膨脹係數接近，在硼纖維增強鈦基複合材料中熱應力可以降至很低。碳纖維增強鋁基複合材料經過設計後，可使複合材料的熱膨脹係數接近零。這樣，複合材料在重量上比鋁輕，但強度和剛度卻有很大的提高，而且不會因溫度差造成變形。7．性能再現性好及製備工藝可借鑒金屬材料二、纖維增強金屬基複合材料的性能1．強度與模量（FRMMC）

FRMMC的強度和模量高，耐高溫性能好，但斷裂應變與金屬基體相比要低得多，只有0.01－0.02。因此在沿纖維軸向拉伸時(縱向)，對於脆性纖維增強MMC的抗拉強度會偏離複合混合法則σm

*為纖維斷裂應變基體的強度

Al2O3纖維含量與性能的關係纖維方向對性能的影響溫度對FRMMC的影響

雖然FRMMC在高溫下強度和模量有所下降，但和基體金屬相比，其強度和模量有顯著提高。如40％W-2％ThO2鎢絲增強鎳基高溫合金在1100℃下的100小時高溫持久強度(193MPa)，要比基體合金(28MPa)高8.44倍。2．衝擊性能纖維含量影響不大纖維含量和方向的影響

纖維性能的影響

提高韌性：採用大直徑的纖維或者纖維束溫度和熱歷史的影響3．蠕變與疲勞金屬纖維增強陶瓷纖維增強的蠕變性能

在含有陶瓷纖維的金屬基複合材料中，如SiCf／Al或Al2O3f/Al，由於相應工作使用溫度範圍相對纖維和基體的熔點分別為0.1-0.3Tf和0.4-0.7Tm。這時金屬基體蠕變要比纖維高幾個數量級,纖維呈彈性變形，因此蠕變速率不能達到穩定值，而是會逐漸下降，趨於一個平衡值後而趨於零。由於硼纖維和其他陶瓷纖維的抗蠕變性能優異，因此陶瓷纖維增強金屬基複合材料的抗蠕變性能要比基體合金優異。疲勞強度

三、顆粒、晶須增強金屬基複合材料的性能1.強度與模量顆粒增強（PRMMC）σmu

：基體的抗拉強度

σmy：基體的屈服強度Ip/dp：顆粒的長徑比晶須增強（WRMMC）PRMMC和WRMMC模量符合混合法則第一節概述陶瓷複合材

料的韌性第二節陶瓷基體一、氧化鋁陶瓷性能特點：（1）硬度高，耐磨性好（2）耐高溫性能好（3）耐腐蝕性好（4）電絕緣性好二、氮化矽陶瓷

以反應燒結（Si粉＋95%N2＋5%H2）或熱壓燒結（Si3N4+MgO）製備性能特點：（1）強度高（2）抗熱震性和抗高溫蠕變性能也比其他陶瓷好（3）硬度高，摩擦係數小，只有0.1－0.2，是一種極優良的耐磨材料（4）自潤滑性（5）良好的耐腐蝕性，除氫氟酸外，能耐所有的無機酸和某些減溶液的腐蝕，並能抵抗熔融有色金屬(如鋁、錫、鋅、鎳、金、銀、銅等)的侵蝕（6）抗氧化溫度可達1000（7）氮化矽的電絕緣性也很好Si3N4+Al2O3

三、碳化矽陶瓷

由反應燒結法（α-SiC+C粉燒結）和熱壓燒結（SiC+促進劑）法制備特點：較高的高溫強度較高的熱導率較好的熱穩定性、耐磨性、耐腐蝕性和抗蠕變性四、玻璃陶瓷含有大量微晶體的玻璃稱為微晶玻璃或玻璃陶瓷。常用的玻璃陶瓷有鋰鋁矽（Li2O-Al2O3-SiO2，LAS）和鎂鋁矽(MgO-Al2O3-SiO2，MAS)兩個體系。特點：低密度，2.0-2.8g/cm3高彈性模量（80－140GPa）和彎曲強度(70-350MPa)第三節陶瓷粉末的燒結

粉末狀物料在壓制成型後，含有大量氣孔，顆粒之間接觸面積較小，強度也比較低。經過高溫作用後，坯體中顆粒相互燒結，介面逐漸擴大成為晶界，最後數個晶粒結合在一起，產生再結晶與聚集再結晶，使晶粒長大。氣孔體積縮小，大部分甚至全部從體坯中排出，體收縮而緻密，強度增加，成堅固整體。上述整個過程叫燒結過程。燒結是一複雜的物理化學過程，除物理變化外，有的還伴隨有化學變化，如固相反應。這種由固相反應促進的燒結，又稱反應燒結。高純物質通常在燒結溫度下基本上無液相出現；而多組分物系在燒結溫度下常有液相存在，稱為液相燒結。一、燒結過程科布爾(Coble)把繞結過程劃分為初期、中期、末期三個階段初期：晶界不移動，也就是晶粒不成長中期：晶界開始移動，晶粒開始成長，氣孔成三維連通狀末期：還體浙趨緻密，當相對密度達95%左右，氣孔逐漸封閉，成為不連續狀態二、燒結動力

任何系統都有向最低能量狀態轉變的趨勢，所以這種表面自由能的降低，在很多情況下就成為物質燒結的主要動力。此外高度分散物料的表面還存在嚴重歪曲，內部也具有比較嚴重的結構缺陷，這些都促使晶格活化，性質點易於遷移，從而構成燒結動力的另一部分。燒結作用力分析表面張力產生的作用於ABCD表面上切線方向的力，可由表面張力定義求出由表可以看出，曲面壓力隨顆粒半徑之降低而增加，隨曲面圓內角