页数：133页文件大小：1.53 MB来源： 材料化学ppt课件
本课件围绕复合材料体系展开，先给出定义、分类、命名与复合效应，再分别讨论金属基、陶瓷基与聚合物基三类基体材料的选择原则，介绍纤维、晶须与颗粒增强体，随后讲解手糊、连续缠绕、模压等成型工艺，最后归纳各类复合材料的性能特点、应用领域与发展问题。
复合材料章节封面：本页为本章封面，标示课程名《材料化学》与本章主题。
本章教学要点
本章教学要点
8.1复合材料的概述：本章主要内容8.1复合材料的概述8.2复合材料的基体8.3复合材料的增强相8.4复合材料的制备8.5复合材料的主要性能与应用
8.1复合材料的概述（续）
【引例】硅、锗、砷化镓等块状单晶材料在制造器件前要加工成一定厚度的薄片，有50%的材料在切、磨、抛等加工过程中损失，浪费很大。
随着半导体薄膜制备技术的提高，20世纪80年代研制成功了在绝缘层上形成半导体(如硅)单晶层，组成复合薄膜材料的技术。图8-1弱光型非晶硅薄膜太阳能电池
8.1复合材料的概述（续）
这一新技术的实现，使材料器件的研制一气呵成，不但大大节省了单晶材料，更重要的是使半导体集成电路达到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同时为微电子工业中的三维集成电路的设想提供了实施的可能性。
这类半导体薄膜复合材料，特别是硅薄膜复合材料已开始用于低功耗、低噪声的大规模集成电路中，以减小误差，提高电路的抗辐射能力。
在三维电路研制中，着眼于把传感器、移位寄存器、存储器等在空间叠加起来，以便完成更复杂的功能。
8.1复合材料的概述（续）
直接键合法是近年来制备半导体薄膜复合材料技术的重大突破。把两种半导体材料的表面经过严格的清洁处理，然后把两清洁表面对粘，加一定的压力和电场，在特定的温度下处理数十小时，即形成一片合乎器件要求的半导体复合材料。
东南大学微电子中心承担了江苏省科委的“八五”静电直接键合半导体复合材料制备技术，并有一定的批量生产，这对今后新器件的研制有一定的促进作用。
§8.1复合材料的概述
§8.1复合材料的概述1.复合材料的定义复合材料(Composite Materials)是由两种或两种以上不同性能、形态的组分通过复合工艺而形成的多相材料。
复合材料能够在保持各组分特性的基础上，具有组分间协同作用所产生的综合性能，可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。
复合材料技术的出现是近代材学的伟大成就，也是材料设计技术的重大突破。
§8.1复合材料的概述（续）
在复合材料中，连续的一相称为基体相；分散的、被基体相包容的一相称为分散相或增强相。增强相与基体相之间的界面称为界面相，复合材料的各个相在界面附近可以物理的分开。
即复合材料是由基体相、增强相和界面相组成的多相材料，复合材料的结构示意图见图8-2。
复合材料的结构示意图：本页为图示（图8-2），图8-2复合材料的结构示意图。
复合材料的结构示意图（续）
此外还有专指某些范围的名称，如通用复合材料、现代复合材料等。通用复合材料指普通玻璃纤维、合成或天然纤维增强树脂复合材料，大多用于要求不高而用量较大的场合。
现代复合材料比通用复合材料有更高的性能，包括聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、碳基复合材料，及具有其他性能的结构复合材料和功能复合材料。
结构复合材料大多用于承力结构材料，由承受载荷的增强体及联接增强体、传递力作用的基体构成。
1.复合材料的分类
1.复合材料的分类按不同的标准和要求，复合材料通常有以下几种分类法。（1）按使用性能分类结构复合材料、功能复合材料等。（2）按基体材料类型分类聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料等。
（3）按增强相形态分类①纤维增强复合材料，又分连续纤维增强复合材料和非连续纤维增强复合材料；②颗粒增强复合材料③板状增强体、编织复合材料。
（4）按增强纤维类型分类
（4）按增强纤维类型分类①碳纤维复合材料；②玻璃纤维复合材料；③有机纤维复合材料；④陶瓷纤维复合材料；⑤金属纤维复合材料（5）按用途分类：航空材料、耐烧蚀材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。
（6）按物理性质分类：绝缘材料、磁性材料、透光材料、半导体材料、导电材料、耐高温材料。
3.复合材料的命名
3.复合材料的命名复合材料的命名以“相”为基础，方法是将增强相或分散相放在前，基体相放在后，再缀以“复合材料”。如由碳纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“碳纤维环氧树脂复合材料”，为书写方便，也可仅写增强相和基体相的缩写名称，材料中间划一个半字线(或斜线)隔开，再加“复合材料”。
如由碳纤维和环氧树脂构成的复合材料可写作“碳纤维-环氧复合材料”，简写成“碳-环氧’；硼纤维与铝构成的复合材料称为“硼纤维铝复合材料”，简写为“硼-铝”。
3.复合材料的命名（续）
有时为突出增强相和基体相，根据强调的组分不同，可简称为“金属基复合材料”或“环氧树脂基复合材料”。碳纤维与金属基体构成的复合材料称为“金属基复合材料”，也写作“碳/金属复合材料”。
碳纤维和碳构成的复合材料称为“碳/碳复合材料”。近些年来，出现了以陶瓷材料为基体，以颗粒、晶须和纤维为分散相的复合材料，由于陶瓷具有较好的力学性能，将第二相材料加入陶瓷基体，可以增加韧性，但对陶瓷基复合材料通常仍称为“××增强陶瓷基复合材料”。
4.复合材料的特点
4.复合材料的特点①可设计性复合材料性能的可设计性是材料科学进展的一大成果，由于复合材料的力、热、声、光、电、防腐、抗老化等物理、化学性能，可按制件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择、匹配以及界面控制等材料设计手段，可最大限度地达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。
②材料与结构的同一性与传统材料不同，复合材料的构件与材料是同时形成的，由组成复合材料的组分材料在复合成材料的同时就形成了构件，一般不需再加工。
因此复合材料结构的整体性好，同时大幅度减少了零部件、连接件的数量，缩短加工周期，降低成本，提高了构件的可靠性。
③复合优越性
③复合优越性复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，不是几种材料的简单混合，而是按复合效应形成新的性能，这种复合效应是复合材料仅有的。
④性能分散性复合材料组分在制备过程中存在物理和化学变化，过程非常复杂，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大，同时由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，所以一般来说复合材料构件的性能分散性比较大。
§8.2复合材料：§8.2复合材料的基体复合材料的原材料包括基体材料和增强材料，其中基体材料主要包括金属材料、非金属材料和聚合物材料，在复合材料中经常以连续相形式出现。
8.2.1金属基体
8.2.1金属基体材料金属基复合材料中的金属基体起着固结增强相、传递和承受载荷的作用。基体在复合材料中占有很大的体积百分数，在连续纤维增强金属基复合材料中基体占50~70%；颗粒增强金属基复合材料中基体含量可在25~90%范围内变化，多数颗粒增强金属基复合材料的基体约占80~90%；晶须、短纤维增强金属基复合材料中基体含量在70%以上。
8.2.1金属基体（续）
金属基体的选择对复合材料的性能起决定性作用，金属基体的密度、强度、塑性、导热等均将影响复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能。
因此在设计和制备复合材料时，需充分了解和考虑金属基体的化学、物理特性及与增强物的相容性等。
(1)金属基
可以作为金属基复合材料的金属材料、合金材料非常多，比较常见的包括铝及铝合金、镁合金、铁合金、镍合金等。在选择基体时需作多方面考虑。
(1)金属基复合材料的使用要求这是选择金属基体材料最重要的依据，不同应用领域和工况条件对复合材料构件的性能要求有很大的差异。
在航天、航空技术中高比强度、比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求，作为飞行器和卫星构件宜选用密度小的轻金属合金-镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料，用于航天飞行器、卫星的结构件。
1.选择基体的原则
(1)金属基（续）
工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。选用具有高热导率的银、铜、铝等金属为基体与高导热、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成的金属基复合材料，可成为高集成电子器件的关键材料。
(2)金属基复合材料的组成：(2)金属基复合材料的组成特点增强相的性质和增强机理也将影响基体材料的选择，对于连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要的承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，如高强度碳纤维最高强度已达到7000MPa，超高模量石墨纤维的弹性模量已高达900GPa，而金属基体的强度和模量远远低于纤维的性能。
(2)金属基复合材料的组成（续）
在连续纤维增强金属基复合材料中，基体的主要作用是充分发挥增强纤维的性能，基体应与纤维有良好的相容性和塑性，并不要求基体有很高的强度，如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝为基体比高强度铝合金要好得多。
对于非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。
(2)金属基复合材料的组成（续）
因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。总之，针对不同的增强体系，要充分分析、考虑增强相的特点，正确选择基体合金。
(3)基体金属
(3)基体金属与增强相的相容性由于金属基复合材料需要在高温下成型，故制备过程中，纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。
该反应层大多是脆性的，当其达到一定厚度后，材料受力时将会产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。
(3)基体金属（续）
同时由于基体金属中常含有不同类型的合金元素，这些合金元素与增强相的反应程度不同，反应产物也不同，需在选用基体合金成分时尽可能选择既有利于金属与增强相浸润复合，又有利于形成稳定界面的合金元素。
如制造碳纤维增强铝基复合材料时，在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素，明显改善了复合材料的界面结构和性质，大大提高了复合材料的性能。
(3)基体金属（续）
铁、镍是促进碳石墨化的元素，用其作基体，碳(石墨)纤维作为增强相是不可取的。因为铁、镍元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，做成的复合材料不可能具备高的性能。
因此，在选择基体时应充分注意基体与增强物的相容性(特别是化学相容性)，并尽可能在复合材料成型过程中，抑制界面反应。例如对增强纤维进行表面处理、在金属基体中添加其他成分、缩短材料在高温下的停留时间等。
2.结构复合材料的基体
2.结构复合材料的基体（续）
3.功能复合材料的基体
电子、能源、汽车等工业领域要求材料和器件具有高力学性能、高导热、低热膨胀等优良的综合性能。单靠金属与合金难以满足要求，需采用先进制造技术、优化设计，以金属与增强相制备复合材料来满足需求。
例如，电子领域的集成电路，由于电子器件的集成度越来越高，器件工作发热严重，需用热膨胀系数小、导热性好的材料做基板和封装零件，以避免产生热应力，提高器件的可靠性。
3.功能复合材料的基体（续）
3.功能复合材料的基体（续）
功能复合材料所采用的金属基体均具有良好的导热、导电和力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。通过在基体中加入合适的增强相可以得到优异的综合物理性能。
如在纯铝中加入导热性好、弹性模量大、热膨胀系数小的石墨纤维、碳化硅颗粒可使这类复合材料具有很高的热导率(与纯铝、铜相比)和很小的热膨胀系数，满足集成电路封装散热的需要。
1.陶瓷基复合材料
8.2.2.无机非金属材料陶瓷是金属和非金属元素形成的固体化合物，含有共价键或离子键，不含电子。一般而言，陶瓷具有比金属更高的熔点和硬度，化学性质非常稳定，通常是绝缘体。
虽然陶瓷的许多性能优于金属，但也存在致命的弱点，即脆性大、韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷的应用。
1.陶瓷基复合材料（续）
近年的研究表明，在陶瓷基体中添加其他成分，如陶瓷粒子、纤维或晶须，可提高陶瓷的韧性。粒子的增强效果不显著；碳化物晶须强度高，与传统陶瓷材料复合，综合性能得到很大的改善。
用作基体材料使用的陶瓷应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。
1.陶瓷基复合材料（续）
作为基体材料的氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、莫来石等，其主要为单相多晶结构。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000℃以下降低较小。
由于Al2O3和ZrO2的抗热震性较差，SiO2在高温下容易发生蠕变和相变，所以这类陶瓷基复合材料应避免在高应力、高温环境下使用。
1.陶瓷基复合材料（续）
非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它们的特点是耐火性、耐磨性好、硬度高，但脆性大。碳化物和硼化物的抗热氧化温度约900~1000℃，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达1300~1700℃。
氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温、高压下可转变成立方结构的β-氮化硼，耐热温度高达2000℃，硬度极高，可作为金刚石的代用品。
2.碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是由碳纤维增强体与碳基体组成的复合材料，简称碳/碳(C/C)复合材料。这种复合材料主要是以碳(石墨)纤维毡、布或三维编织物与树脂、沥青等可碳化物质复合，经反复多次碳化与石墨化处理制得；或者采用化学气相沉积法将碳沉积在碳纤维上，再经致密化和石墨化处理得到。
根据用途不同，碳/碳复合材料可分为烧蚀型、热结构型和多功能型。
2.碳/碳复合材料（续）
碳/碳复合材料具有很好的高温性能、良好的耐烧蚀特性和较好的抗热冲击性能，同时还具有热膨胀系数低、抗化学腐蚀的特点，是目前可使用温度最高的复合材料(最高温度可达2000℃以上)。
在航空航天领域作为高温热结构材料、烧蚀型防热材料及耐磨损材料等得到应用。美国第四代战斗机F22（图8-3）采用了约为24%的碳纤维复合材料，从而使该战斗机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。
2.碳/碳复合材料（续）
碳/碳复合材料用于航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘，可抵御起飞载荷和再次进入大气层的高温作用。碳/碳复合材料已成功用于飞机刹车盘，这种刹车盘具有低密度、耐高温、寿命长和良好的耐摩擦性能。
碳/碳复合材料也是发展新一代航空发动机热端部件的关键材料。图8-3美国F22战斗机
8.2.3聚合物基
8.2.3聚合物基体材料聚合物基复合材料应用广泛，大体上包括热固性聚合物与热塑性聚合物两类。热固性聚合物常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生交联反应，形成不溶、不熔的三维网状高分子。
主要包括：环氧、酚醛、聚酰亚胺树脂等。各种热固性树脂的固化反应机理不同，采用的固化条件也有很大的差异。一般的固化条件有室温固化、中温固化(120℃左右)和高温固化(170℃以上)。
这类高分子通常为无定形结构，具有耐热性好、刚度大、尺寸稳定性好等优点。1.基体材料的种类
8.2.3聚合物基（续）
热塑性聚合物指具有线形或支链型结构的一类有机高分子化合物，可溶、可熔、可反复加工而不发生化学变化。包括各种通用塑料(聚丙烯、聚氯乙烯等)、工程塑料(尼龙、聚碳酸酯等)和特种耐高温聚合物(聚酰胺、聚醚砜等)。
这类高分子分无定形和结晶两类，通常结晶度在20~85%之间，具有质轻、比强度高、电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好等优点。
(1)热固性聚合物
(1)热固性聚合物①不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂指线形结构的，主链上具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。其种类很多，按化学结构分类可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型和丙烯酸型聚酯树脂，其中，顺酐型最为经典，一般由马来酸酐、丙二醇、苯酐聚合而成。
除此之外，还有许多通过植物干性油、烯丙醇等单体改性或聚合得到的不饱和聚酯。不饱和聚酯树脂是工业化较早的热固性树脂，是制造玻璃纤维复合材料的重要树脂，在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80%以上。
②环氧树脂
②环氧树脂环氧树脂是聚合物基复合材料中最为重要的基体材料。以双酚A与环氧氯丙烷缩合而得的双酚A环氧为主，其分子量可以从几百至数千，常温下为黏稠液状或脆性固体。
此外还有双酚F环氧树脂、酚醛环氧树脂、有机硅环氧树脂等。环氧树脂具有许多突出特点，如良好的压缩性，耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能，热变形温度较高，广泛用于制备玻璃纤维、碳纤维复合材料等。
不足之处是，固化后断裂伸长率低、脆性大。
③酚醛树脂
③酚醛树脂酚醛树脂系酚醛缩合物，是最早实现工业化生产的树脂。其使用范围多作为胶黏剂、涂料及布、纸、玻璃布的层压复合材料等。
优点：含碳量高、价格比环氧树脂便宜，因此用来制造耐烧蚀材料，如宇宙飞行器载入大气的防护制件；碳/碳复合材料中碳基体的料等。
缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高，因此较少用酚醛树脂来制造碳纤维复合材料。近年来新研制的酚改性二甲苯树脂，己被用来制造耐高温的玻璃纤维复合材料。
通常酚醛树脂随酚、醛配比用量和使用催化剂的不同，分为热固性和热塑性两大类。在国内作为基体用的多为热固性树脂。
(2)热塑性聚合物
热塑性聚合物基复合材料与热固性聚合物基复合材料相比，在力学性能、使用温度、老化性能方面处于劣势，但具有加工工艺简单、周期短、成本低、密度小等优势。
连续纤维外、纤维编织物和短切纤维可作为热塑性聚合物基体复合材料的增强体，一般纤维含量可达20~50%。热塑性聚合物与纤维复合可以提高机械强度和弹性模量、改善蠕变性能、增加尺寸稳定性等。
下面具体介绍几种的热塑性聚合物。
①聚酰胺
①聚酰胺聚酰胺是一类具有许多重复酰氨基的线形聚合物的总称，通常称为尼龙。目前尼龙的品种很多，如尼龙-66、尼龙-6、尼龙-10、尼龙-1010等。
此外，还包括芳香族聚酯胺等。聚酰胺分子链中可以形成具有相当强作用力的氢键，氢键使聚合物分子间的作用力增大、易于结晶，且有较高的机械强度和熔点。
在聚酰胺分子结构中次甲基(-CH2-)的存在，使分子链比较柔顺，有较高的韧性。随聚酰胺结构中碳链的增长，其机械强度下降；但柔性、疏水性增加，低温性能、加工性能和尺寸稳定性亦有所改善。
聚酰胺对大多数化学试剂是稳定的，特别是耐油性好，仅能溶于强极性溶剂，如苯酚、甲醛及间苯二胺等。
②聚碳酸酯
②聚碳酸酯聚碳酸酯分子主链上有苯环，限制了大分子的内旋转，减小了分子的柔顺性。碳酸酯基团是极性基团，增加了分子间的作用力，使空间位阻加强，亦增大了分子的刚性。
由于聚碳酸酯的主链僵硬，熔点高达225~250℃，碳的刚性使其在受力下形变减少、尺寸稳定，同时又阻碍大分子取向与结晶，且在外力强迫取向后不易松弛。
所以在聚碳酸酯制件中常常存在残余应力而难于自行消除，故其制件需进行退火处理，以改善机械性能。
②聚碳酸酯（续）
聚碳酸酯可与连续碳纤维或短切碳纤维制造复合材料，也可以用碳纤维编织物与聚碳酸酯薄膜制造层压材料。例如，用聚碳酸酯溶液浸渍纤维毡，制造复合材料零件。
用碳纤维增强聚碳酸酯与用玻璃纤维增强聚碳酸酯比较，弹性模量有明显增加，而断裂伸长率降低。
③聚砜聚砜
③聚砜聚砜指主链结构中含有砜基链节的聚合物，其突出性能是可在100~150℃下长期使用。聚砜结构规整，分子量50~10000，主链多苯环，玻璃化温度很高，约200℃，由于主链上硫原子处于最高氧化态，故聚砜具有抗氧化性，即使加热条件下也难以发生化学变化。
二苯基砜的共轭状态使化学键比较牢固，在高温或离子辐射下，也不会发生主链和侧链断裂，在高温下使用仍能保持较高的硬度、尺寸稳定性和抗蠕变能力。
③聚砜聚砜（续）
聚砜分子结构中异丙基和醚键的存在，使大分子具有一定的韧性；其耐磨性好，且耐各种油类和酸类。碳纤维聚砜复合材料，对宇航和汽车工业很有意义，波音公司己将碳纤维聚砜复合材料应用于飞机结构，并取得了明显的经济效果。
如在无人驾驶靶机上用聚砜石墨纤维层压板取代铝合金蒙皮，可以降低20%的成本，减少16%的重量。
2.基体的作用
复合材料中基体的作用主要有三种：①把纤维粘在一起；②分配纤维间的载荷；③保护纤维不受环境影响。制造基体的理想材料，其原始状态应该是低黏度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。
2.基体的作用（续）
在纤维的垂直方向，基体的力学性能和纤维与基体之间的胶接强度控制着复合材料的物理性能。由于基体比纤维弱得多，所以在复合材料设计中应尽量避免基体的直接横向受载。
基体及基体/纤维的相互作用能明显地影响裂纹在复合材料中的扩展。若基体的剪切强度、模量以及纤维/基体的胶接强度过高，则裂纹可以穿过纤维和基体扩展而不转向，从而使这种复合材料变成脆性材料，并且其破坏的试件将呈现出整齐的断面。
若胶接强度过低，则其纤维将表现得像纤维束，复合材料的性能将很弱。
2.基体的作用（续）
在高胶接强度体系与胶接强度较低的体系之间需要折中。在应力水平和方向不确定的情况下使用或在纤维排列精度较低的情况下制造的复合材料往往要求基体比较软；在明确的应力水平情况下使用和在纤维排列精度较高的情况下制造的先进复合材料，应通过使用高模量和高胶接强度的基体，以更充分发挥纤维的性能。
(1)力学性能作为结构
聚合物基复合材料的综合性能与所用基体聚合物密切相关。(1)力学性能作为结构复合材料，聚合物的力学性能对最终复合产物影响较大。
一般复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能不高，决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力，聚合物材料的破坏，主要是聚合物主链上化学键的断裂或聚合物分子链间相互作用力的破坏。
3.基体的性能
(1)力学性能作为结构（续）
基体的一个重要作用是在纤维之间传递应力，其粘接力和模量是决定传递应力的两个最重要的因素，影响到复合材料拉伸时的破坏模式。
如果基体弹性模量低，纤维受拉时将各自单独地受力，不存在叠加作用，其平均强度很低。反之，如基体在受拉时仍有足够的粘接力和弹性模量，复合材料的强度提高。
实际上，在一般情况下材料表现为中等的强度，因此，如各种环氧树脂在性能上无很大不同，对复合材料的影响也很小。
(2)耐热性能
(2)耐热性能从聚合物的结构分析，为改善材料耐热性能，聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。为提高耐热性，首先选用能产生交联结构的聚合物，如聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。
此外，工艺条件的选择会影响聚合物的交联密度，因而也影响耐热性。提高耐热性的第二个途径是增加高分子链的刚性，因此在高分子链中减少单键，引进共价双键、叁键或环状结构，对提高聚合物的耐热性很有效果。
(3)耐化学腐蚀性
(3)耐化学腐蚀性化学结构和所含基团不同，表现出不同的耐化性，树脂中过多的酯基、酚羟基，将首先遭到腐蚀性试剂的进攻，这也决定了聚合物基复合材料的最终耐化学腐蚀性。
常用热固性树脂的耐化学腐蚀性能见表8-1。由表8-1可见，由环氧树脂形成的复合材料表现出较好的耐化学侵蚀性能。
(3)耐化学腐蚀性（续）：有机硅树脂环氧树脂聚酯树脂酚醛树脂性能名称少0.10~0.140.15~0.600.12~0.36吸水率(24h) /%轻微无轻微轻微弱酸影响被侵蚀被侵蚀被侵蚀被侵蚀强酸影响轻微无轻微轻微弱碱影响被侵蚀轻微分解分解强碱影响部分侵蚀耐侵蚀部分侵蚀部分侵蚀有机溶剂影响表8-1常用热固性树脂的耐化学腐蚀性能
(4)聚合物的介电性能
(4)聚合物的介电性能聚合物作为一种有机材料，具有良好的电绝缘性能。一般树脂大分子的极性越大，则介电常数越大、击穿电压越小，材料的介电性能越差。
有机硅树脂环氧树脂聚酯树脂酚醛树脂1.70~1.901.11~1.231.10~1.461.30~1.32密度/g·cm-31011~10131016~101710141012~1013体积电阻率/Ω·cm7.316~2015~2014~16介电强度/kV·mm4.0~5.03.83.0~4.46.5~7.5介电常数/60Hz0.0060.0010.0030.10~0.15功率常数/60Hz-50~180125100~125耐电弧性/s表8-2常用热固性树脂的介电性能
§8.3复合材料
§8.3复合材料的增强相在复合材料中，凡是能提高基体材料性能的物质，均称为增强相(也称为增强材料、增强剂、增强体)。纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分，它不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。
复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa，弹性模量可从3000MPa提高到8000MPa，热变形温度从85℃提高到105℃，-40℃下的冲击强度提高10倍。
复合材料常用的增强相包括三类，即纤维、颗粒、晶须。
8.3.1纤维增强体
8.3.1纤维增强体现代复合材料所采用的纤维增强体大多为合成纤维，合成纤维分为有机增强纤维与无机增强纤维两大类。有机纤维包括Kevlar纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维等；无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维等。
（1）聚芳酰胺纤维是分子主链上含有密集芳环与芳酰胺结构的聚合物，经溶液纺丝获得的合成纤维，最有代表性的商品为Kevlar纤维，被杜邦公司于1968年发明。
在我国亦称芳纶，20世纪80年代，国内研发成功相似的聚芳酰胺纤维：芳纶-14与芳纶-1414。
8.3.1纤维增强体（续）
芳纶纤维的化学链主要由芳环组成，芳环结构具有高刚性，使聚合物链呈伸展状态，成棒状结构，因而纤维具有高模量。芳纶纤维分子链是线型结构，使纤维能有效地利用空间而具有较高的填充能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。
这种高密度的聚合物具有较高的强度、化学稳定性、高温尺寸稳定性等。芳纶纤维主要应用于橡胶增强、特制轮胎、三角皮带等，其单丝拉伸强度可达3773Mpa，254mm长的芳纶纤维束拉伸强度为2744MPa，大约为铝线的5倍；其冲击强度约为石墨纤维的6倍、硼纤维的3倍、玻璃纤维的0.8倍，其性能比较见表8-3。
8.3.1纤维增强体（续）：不锈钢丝玻璃纤维石墨纤维聚酯纤维尼龙纤维芳纶纤维性能175442452828152114241009828152拉伸强度/kgf·cm-220400007040002250000140760562401265400弹性模量/kgf·cm-22.03.51.2514.518.32.5断裂伸长率/%7.832.551.751.381.141.44密度/g·cm-3表8-3芳纶纤维与其他材料性能的比较注：1kgf·cm-2=98.0665kPa
(2)聚乙烯纤维
(2)聚乙烯纤维聚乙烯纤维是目前国际上最新的超轻纤维，具有高比强度、高比模量、耐冲击、耐磨等优异性能，如图8-4所示。美国联合信号公司生产的Spectra高强度聚乙烯纤维，其纤维强度超过杜邦公司的Kevlar纤维。
作为高强度纤维使用的聚乙烯材料，其分子量都在百万单位以上，纤维的拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为116GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g·cm-3。
其不足之处是熔点较低(约135℃)和高温容易蠕变，因此仅能在100℃以下使用，聚乙烯纤维的性能比较见表8-4。聚乙烯纤维主要用于缆绳材料、高技术军用材料，如制作武器装甲、防弹背心、航天、航空部件等。
(3)玻璃纤维
(3)玻璃纤维玻璃纤维由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，在熔融态以极快的速度拉丝而成，如图8-5所示。玻璃纤维成分的关键指标是其含碱量，即钾、钠氧化物含量。
根据含碱量，玻璃纤维可以分类为：有碱玻璃纤维(碱性氧化物含量>12%，亦称A玻璃纤维)、中碱玻璃纤维(碱性氧化物含量6~12%)、低碱玻璃纤维(碱性氧化物含量2~6%)、无碱玻璃纤维(碱性氧化物含量<2%，亦称E玻璃纤维)。
通常，含碱量高的玻璃纤维熔融性好、易抽丝、产品成本低。
(3)玻璃纤维（续）
按用途分类，玻璃纤维又可分为：高强度玻璃纤维(S玻璃纤维，强度高，用于结构材料)、低介电玻璃纤维(D玻璃纤维，电绝缘性和透波性好，适用于雷达装置的增强材料)、耐化学腐蚀玻璃纤维(C玻璃纤维，耐酸性优良，适用于耐酸件和蓄电池套管等)、耐电腐蚀玻璃纤维及耐碱腐蚀玻璃纤维(AR玻璃纤维)。
玻璃纤维的结构与普通玻璃材料没有不同，都是非晶态的玻璃体硅酸盐结构。
(3)玻璃纤维（续）
玻璃纤维的伸长率和热膨胀系数较小，除氢氟酸和热浓强碱外，能够耐受许多介质的腐蚀。玻璃纤维不燃烧，耐高温性能较好，C玻璃纤维软化点为688℃，S玻璃纤维与E玻璃纤维耐受温度更高，适于高温使用。
玻璃纤维的缺点是不耐磨、易折断、易受机械损伤，长期放置强度下降。玻璃纤维成本低、品种多、适于编织，作为常用增强材料，广泛用于航天、航空、建筑和日用品加工等。
聚乙烯纤维：本页为图示（图8-4），图8-4聚乙烯纤维图8-5玻璃纤维图8-6碳纤维电动自行车。
聚乙烯纤维（续）：比模量/ Gpa/g·cm-3比强度/Gpa/g·cm-3拉伸模量/ GPa拉伸强度/GPa密度/g·cm-3直径纤维1202.71172.60.9738Spectra9001773.11723.00.9727Spectra1000912.01312.81.4412芳纶361.8904.62.497S玻璃纤维表8-4聚乙烯纤维性能比较
(4)碳纤维
(4)碳纤维碳纤维(Cf)是由有机纤维经固相反应而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。它不属于有机纤维的范畴，但从制法上看，它又不同于普通无机纤维。
碳纤维性能优异，不仅重量轻、比强度大、模量高，而且耐热性高、化学稳定性好。以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，是目前最受重视的高性能材料之一。
在航空、航天、军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。图8-6为一辆超越现代理念的碳纤维电动自行车，车身由质量超轻的碳纤维制成，电力装置隐藏在车身内部，使用高导电性碳纤维取代电线作为传导，为车灯和在每个车轮两个轮毂之间的电动机提供能量。
(4)碳纤维（续）
目前国内外商品化的碳纤维种类很多，①根据碳纤维的性能分类，包括高性能碳纤维、低性能碳纤维；②根据原丝类形分类，主要有聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维、木质素纤维基碳纤维和其他有机纤维基碳纤维。
③根据碳纤维功能分类，可分为受力结构用碳纤维、耐焰碳纤维、活性碳纤维、导电用碳纤维、润滑用碳纤维、耐磨用碳纤维。
(5)碳化硅纤维
(5)碳化硅纤维具有良好的耐高温性能，高强度、高模量且化学稳定性好，主要用于增强金属和陶瓷，制成耐高温的金属或陶瓷基复合材料。
碳化硅纤维的制造方法主要有化学气相沉积法和烧结法。
(5)碳化硅纤维（续）
碳化硅纤维具有优良的耐热性能，在1000℃以下，其力学性能基本保持不变，可长期使用，但温度不宜超过1300℃，是耐高温的优良材料。
耐化学性能良好，在80℃下耐强酸、耐碱性也良好。1000℃以下不与金属反应，而且具有很好的浸润性，有利于和金属复合，主要用来增强铝基、钛基及金属间化合物基复合材料。
(5)碳化硅纤维（续）
由于碳化硅纤维具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射的三耐性能，是一种理想的耐热材料。用碳化硅纤维编织成双向和三向织物，己用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。
碳化硅复合材料己应用于喷气发动机涡轮叶片，飞机螺旋桨等受力部件。在军事上，用作大口径步枪金属基复合枪筒套管、坦克履带、火箭推进剂传送系统等。
8.3.2晶须增强体
8.3.2晶须增强体晶须(wisker)指具有一定长径比(一般大于10)、截面积小于52×l0-5cm2的单晶纤维材料，晶须的直径为0.1μm至数微米，长径比在5~1000之间。
晶须是含有较少缺陷的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。自1948年贝尔公司首次发现以来，迄今已开发出100多种晶须，但进入工业化生产的不多，如SiC、Si3N4、TiN、Al2O3等少数晶须。
8.3.2晶须增强体（续）
晶须可分为金属晶须(Ni、Fe、Cu等)；氧化物晶须(MgO、ZnO、等)；陶瓷晶须(SiC、TiC、WC等)；氮化物晶须(Si3N4、TiN、AlN等)；硼化物晶须(如TiB2、ZrB2等)和无机盐类晶须(K2Ti6O13、A1l8B4O33)。
晶须的制备方法有化学气相沉积法(CVD)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)、气液固法(VLS)、液相生长法等。
8.3.2晶须增强体（续）
晶须是目前已知纤维中强度最高的，其机械强度几乎等于相邻原子间的作用力。晶须高强度的原因，主要是其直径非常小，容纳不下使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。
晶须材料的内部结构完整，使其强度不受表面完整性的限制。晶须分为陶瓷晶须和金属晶须两类，用作增强材料的主要是陶瓷晶须。
8.3.2晶须增强体（续）
晶须兼有玻璃纤维和硼纤维的优良性能，具有玻璃纤维的延伸率(3~4%)和硼纤维的弹性模量[(4.2~7.0)×l06MPa]，氧化铝晶须在2070℃高温下，仍能保持7000MPa的拉伸强度。
晶须没有显著的疲劳效应，切断、磨粉或其他的施工操作，都不会降低其强度。晶须在复合材料中的增强效果与其品种、用量关系极大。
另外，晶须材料在复合使用过程中，一般需经过表面处理，改善其与基体的相互作用性能。
8.3.2晶须增强体（续）
晶须复合材料由于价格昂贵，目前主要用在空间和尖端技术上，在民用方面主要用于合成牙齿、骨骼及直升飞机的旋翼和高强离心机等。
晶须材料除增强复合材料力学性能外，还可以增强复合材料的其他性能，如四针状氧化锌晶须材料可以较低的填充体积，赋予复合材料优异的抗静电性能。
8.3.3颗粒增强体用以改善基体材料性能
8.3.3颗粒增强体用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体(particle reinforcement)，一般指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷、石墨等无机非金属颗粒，如SiC、Al2O3、Si3N4等。
颗粒粒径通常较小，一般低于l0pm，掺混到金属、陶瓷基体中，可提高复合材料耐磨、耐热、强度、模量和韧性等综合性能。在铝合金基体中加入体积分数为30%、粒径0.3μm的Al2O3颗粒，所得金属基复合材料在300℃高温下的拉伸强度仍可保持在220MPa，所掺混的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。
8.3.3颗粒增强体用以改善基体材（续）
另有一类非刚性的颗粒增强体具有延展性，主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中能改善材料的韧性，如将金属铝粉加入到氧化铝陶瓷中，金属钴粉加入到碳化钨陶瓷中等。
常见颗粒增强体见表8-5。
8.3.3颗粒增强体用以改善基体材（续）：弹性模量/GPa弯曲强度/ MPa硬度/ MPa热导/kcal·cm-1℃-1膨胀系数/10-6K-1熔点/℃密度/g·cm-3名称400~500270000.184.027003.21SiC360～460300~500270005.1324502.52B4C500260007.433004.92TiC9.02050Al2O3330900HRA89~930.03~0.072.5～3.221003.2～3.35Si3N4约120032504.218503.17莫来石表8-5常见颗粒增强体及其性能
§8.4复合材料的制备
§8.4复合材料的制备复合材料的种类繁多，不同材料的性能迥异，其制造加工工艺也完全不同。下面对于不同基体的复合材料的常用制备方法作以简单的介绍。
8.4.1聚合物基复合材料制备聚合物基复合材料在其原料纤维与树脂体系确定后就可以进行成型固化工艺。成型就是将预浸料根据产品的要求，铺置成一定的形状。
固化是使已铺置成一定形状的叠层预浸料在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。从上世纪40年代聚合物基复合材料及其制件成型方法的研究与应用开始，随着聚合物基复合材料工业迅速发展和日渐完善，新的高效生产方法不断出现。
1.手糊成型工艺
手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在模具上涂刷合有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层技要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止，然后，在一定压力作用下加热固化成型(热压成型)．或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型(冷压成型)，最后脱模得到复合材料制品。
手糊法成型工艺流程图：本页为图示（图8-7），模具准备树脂胶液配制增强材料准备手糊成型固化脱模后处理及检验产品图8-7手糊法成型工艺流程图。
2.连续缠绕工艺
将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。缠绕工艺流程图如图8-8所示。
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3.模压成型工艺
3.模压成型工艺模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法。将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中、闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。
3.模压成型工艺（续）
模压成型工艺是一种古老工艺技术，早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光沽，多数结构复杂的制品可一次成型．不需要损害制品性能的二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，易实现机械化和自动化等优点。
模压工艺的主要缺点是模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小组制品。由于模压成型工艺只有上述优点，已成为复合材料的重要成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。
其工艺流程图如8-9所示。
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8.4.2金属基基复合材料制备
8.4.2金属基基复合材料制备金属基复合材料现在研究和应用多，其中包括铝基复合材、镁基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料和石墨纤维复合材料等。
由于铝基复合材已经在现有工业中广泛应用，以下简要介绍铝基复合材料中的硼铝复合材料制备工艺。
8.4.2金属基基复合材料制备（续）
复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种，第一种是纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。
前者工艺类似于铸件，后者则类似于无铸锭然后再锻成零件的形状。其制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。
大多数硼-铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。
8.4.2金属基基复合材料制备（续）
挥发性粘合剂工艺是一种直接生产的方法，几乎不需要什么重要的设备。制造预制品的材料包括成卷的硼纤维、铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发树脂以及树脂的溶剂。
铝箔的厚度应结合适当的纤维间距来选择，通常为50-75μm。所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带。
前者因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长，图8-10为纤维滚筒缠绕的示意图。
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8.4.2金属基基复合材料制备（续）
等离子喷涂的硼-铝带用以样的方法制造，只是不喷挥发性粘合剂．而在纤维-箔片上喷一层基体铝合金，将纤维和箔片粘在一起。因为选择的等离子喷涂合金与箔基体相同，所以这两种材料都变成基体的一部分。
铝合金粉注入到灼热的等离子气流中并在放热区内被熔化。熔融质点打在纤维-箔片上并急冷到纤维的反应温度以下。二者生产的“毛料”预制带还必须经叠片和压合才能做成复合材料。
而前者的粘合剂必须在热压前进行排除。之后进行热压工艺。
8.4.3陶瓷基基复合材料制备
8.4.3陶瓷基基复合材料制备纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决多个因素。从基体方面看，与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺陷有关；从纤维方面来看，其与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其它固有缺陷有关；从基体与纤维的结合情况上看，则与界面及结合效果、纤维在基体中的取向，以及基体与纤维的热膨胀系数差异有关。
正因为有如此多的影响因素，所以实际中针对不同的材料的制作方法也不相同。
8.4.3陶瓷基基复合材料制备（续）
目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型办法有以下几种：泥浆烧铸法这种方法是在陶瓷泥浆中把纤维分散。然后浇铸在石膏模内。这种方法比较古老，其不受制品形状的限制。
但对提高产品性能的效果不显著，成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。
8.4.3陶瓷基基复合材料制备（续）
热压烧结法将长纤维切短(＜3mm)，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。这种短纤纸增强体在与基体粉末混合时取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结的过程中，短纤维由于在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动，所以导致了在最终制得的复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，这也就产生了材料性能上一定程度的各向异性。
这种方法纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法。
8.4.3陶瓷基基复合材料制备（续）
浸渍法这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。这种方法的优点是纤维取向可自由调节，如前面所述的单向排布及多向排布等。
缺点是不能制造大尺寸制品，而且所得制品的致密度低。
§8.5复合材料的主要性能
§8.5复合材料的主要性能与应用8.5.1聚合物基复合材料按所用增强体不同，聚合物基复合材料(polymer matrixcompoSite，PMC)可以分为纤维增强(FRC)、晶须增强(WRC)、颗粒增强(PRO)三大类。
其有许多突出的性能与工艺特点，主要包括：(1)比强度、比模量大玻璃纤维复合材料（如图8-11所示）有较高的比强度、比模量，碳纤维、硼纤维、有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度相当于钛合金的3~5倍，比模量相当于金属的3倍多，这种性能可因纤维排列的不同而在一定范围内变动。
(2)耐疲劳性能
(2)耐疲劳性能好金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，而聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展。
因此，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度，而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳强度极限可达到其抗张强度的70~80%。
(3)减振性好受力结构
(3)减振性好受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与结构材料比模量的平方根成正比。复合材料比模量高，故具有较高的自振频率。
同时，复合材料界面具有吸振能力，使材料的振动阻尼很高。对于同样大小的振动，轻合金梁需9s停止，而碳纤维复合材料梁只需2.5s就停止。
(4)过载时安全性
(4)过载时安全性好复合材料中有大量增强纤维，当材料过载而有少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短期内不会失去承载能力。
(5)具有多种功能性包括良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性，特殊的光学、电学、磁学的特性等。但聚合物基复合材料还存在着一些缺点，如耐高温、耐老化性能及材料强度一致性等，这些都有待于进一步研究提高。
玻璃纤维增强塑料电缆导管：本页为图示（图8-14），图8-14玻璃纤维增强塑料电缆导管图8-15金属基复合材料风扇叶片图8-16陶瓷基复合材料。
8.5.2金属基复合材料
8.5.2金属基复合材料金属基复合材料(metal matrix composite)，简称MMC，是以金属及其合金为基体，与其他金属或非金属增强相合成的复合材料。
其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。
1.主要特点与性能
8.5.2金属基复合材料（续）
金属基复合材料的增强相/基体界面起着关键的连接和传递应力的作用，对金属基复合材料的性能和稳定性起着极其重要的作用，如图8-15所示。
金属基复合材料可以按其所用增强相的不同来分类，主要包括纤维增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料、晶须增强金属基复合材料。
MMC常用的纤维包括硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和碳与石墨纤维等。
8.5.2金属基复合材料（续）
其中增强材料绝大多数是承载组分，金属基体主要起粘接纤维、传递应力的作用，大都选用工艺性能(塑性加工、铸造)较好的合金，因而常作为结构材料使用。
在纤维增强金属基复合材料中比较特殊的是定向凝固共晶复合材料，其增强相为层片状和纤维状相。大多数用作高温结构材料，如航空发动机叶片材料；也可作为功能型复合材料应用，如InSb-NiSb可作磁、电、热控制元件。
8.5.2金属基复合材料（续）
颗粒、晶须增强相包括SiC、Al2O3、B4C等陶瓷颗粒，及SiC、Si3N4、B4C等晶须，这类典型的复合材料包括SiCp增强铝基、镁基和钛基复合材料，TiCp增强钛基复合材料和SiCw增强铝基、镁基和铁基复合材料等。
这类复合材料中增强材料的承载能力不如连续纤维，但复合材料的强度、刚度和高温性能往往超过基体金属，尤其是在晶须增强情况下。
8.5.2金属基复合材料（续）
颗粒或晶须增强金属基复合材料可以采取压铸、半固态复合铸造以及喷射沉积等工艺技术来制备，是应用范围最广、开发和应用前景最大的一类金属基复合材料，已应用于汽车工业。
颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料亦称为非连续增强型。
8.5.2金属基复合材料（续）
总之，金属基复合材料具有的高比强度、高比模量、良好的导热、导电性、耐磨性、低的热膨胀系数等优异的综合性能，使其在航天、航空、电子、汽车、先进武器系统中均具有广泛的应用前景。
与聚合物基复合材料相比，金属基复合材料的发展时间较短，处在蓬勃发展阶段。随着增强材料性能的改善、新的增强材料和复合制备工艺的开发，新型金属基复合材料将会不断涌现，原有金属基复合材料的性能也将会不断提高。
(1)铝基复合材料这种
一般来说，金属基复合材料所用基体金属可以是单一金属，也可以是合金，比较常见的为铝、钛、镁及且合金等。(1)铝基复合材料这种复合材料是当前品种和规格最多，应用最广泛的复合材料。
包括硼纤维、碳化硅纤维、碳纤维增强铝；碳化硅颗粒与晶须增强铝等。2.典型代表
(1)铝基复合材料这种（续）
铝基复合材料是金属基复合材料中开发最早、发展最迅速、品种齐全、应用最广泛的复合材料。纤维增强铝基复合材料，因其具有高比强度和比刚度，在航空、航天工业中不仅可以大大改善铝合金部件的性能，而且可以代替中等温度下使用的昂贵的钛合金零件。
在汽车工业中，用铝及铝基复合材料替代钢铁的前景也很好，可望起到节约能源的作用。
(2)钛基复合材料
(2)钛基复合材料主要包括硼纤维、碳化硅纤维增强钛、碳化钛颗粒增强铁。钛基复合材料的基体主要是Ti-6A1-4V或塑性更好的β-型合金(如Ti-l5V-3Cr-3Sn-3A1)。
以钛及其合金为基体的复合材料具有高比强度、比刚度、很好的抗氧化性能和高温力学性能，在航空工业中可以替代镍基耐热合金。颗粒增强钛基复合材料主要采用粉末冶金方法制备，如用冷等静压和热等静压相结合的方法制备，并与未增强的基体钛合金实现扩散连接，制成共基质微宏观复合材料。
(3)镁基复合材料镁
(3)镁基复合材料镁及其合金具有比铝更低的密度，在航空、航天和汽车工业中具有较大的潜力。大多数镁基复合材料的增强材料为颗粒与晶须，如SiCp或SiCw/Mg和B4Cp、Al2O3p/Mg。
虽然石墨纤维增强镁基复合材料，与碳纤维、石墨纤维增强铝相比，密度和热膨胀系数更低，强度和模量也较低，但具有很高的导热/热膨胀比值，在温度变化环境中，是一种尺寸稳定性极好的宇宙空间材料。
镁基复合材料的基体主要有AZ3l(Mg-3A1-lZn)、AZ6l(Mg-6A1-lZn)、ZK60(Mg-6Zn-Zr)及AZ9l(Mg-9Al-lZn)等。
(4)高温合金基复合材料
(4)高温合金基复合材料主要包括两种不同制备方式的金属基复合材料。①难熔金属丝增强型。主要采用钨、铬等难熔合金丝，研究较多的是以钨丝增强的复合材料。
制备工艺一般采用热压扩散结合工艺，亦可采用粉末冶金法。基体一般采用高温合金，如镍基、钴基或铁基。②定向凝固共晶复合材料，亦称原位生成自增强型。
选用合适的高温合金，在定向凝固条件下使共晶两相以层片或纤维状增强相，与基体相按单向凝固结晶方向，同时有规则地排列生长，以达到增强效果。
采用高温共晶的合金主要有Ni-TaC、Co-TaC、Ni-Cr-Al-Nb等。除上述之外，还有铜基、锌基及金属间化合物基复合材料
2.界面化学结合
增强相与基体相界面的结合状态对复合材料整体性能影响较大，如碳纤维增强铝基复合材料中，在不同界面受载时，如果结合太弱，纤维就大量拔出，强度降低；结合太强，复合材料易脆断，既降低强度又降低塑性；只有结合适中，复合材料才表现出高强度和高塑性。
增强相与基体金属界面的结合作用一般包括机械结合、浸润溶解结合、化学反应结合、混合结合。其中化学反应结合最为重要。
2.界面化学结合（续）
大多数金属基复合材料属于热力学非平衡系统，只要存在有利的动力学条件，增强体与基体间就可能发生扩散和化学反应，在界面上生成新的化合物层。
例如，硼纤维增强钛基复合材料时，界面发生化学反应生成TiB2界面层；碳纤维增强铝基复合材料时，界面生成Al4C3化合物。
在许多金属基复合材料中，界面反应层不是单一的化合物，例如硼纤维增强Ti/Al合金时，界面反应层存在多种反应产物。
2.界面化学结合（续）
化学反应界面结合是金属基复合材料的主要结合方式。在界面发生适量的化学反应，可以增加复合材料的强度，但反应过量时，因生成物大多数为脆性物质，界面层积累到一定厚度，会引起开裂，严重影响复合材料的性能。
8.5.3陶瓷基复合材料
8.5.3陶瓷基复合材料陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，耐化学腐蚀等优点，但其抗弯强度不高、断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。
当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高，陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite，CMC)的主要目的是增韧，如图8-16所示。
8.5.3陶瓷基复合材料（续）
最近，欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维增强碳化硅基体和用碳化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶瓷基复合材料，可分别在1700℃和l200℃下保持20℃时的抗拉强度，且有较好的抗压性能，较高的层间剪切强度；而断裂延伸率较一般陶瓷大，耐辐射效率高，可有效地降低表面温度，有极好的抗氧化、抗开裂性能。
陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍较缓慢，主要原因是制备工艺复杂，且缺少耐高温纤维。
8.5.4复合材料的应用
8.5.4复合材料的应用（1）能源技术领域的应用高技术对材料的选用是非常严格和苛刻的，复合材料的优越性能比一般材料更能适合高技术发展的需要。
如运载火箭的壳体、航天飞机的支架、卫星的支架等各种结构件，都要求用质轻、高强度、高刚度的材料以节约推动所需的燃料，复合材料能满足这些要求。
特别是像导弹的头部防热材料、航天飞机的防热前缘和火箭发动机的喷管等需要耐高温、抗烧蚀的材料，更是非复合材料莫属。表8-6为复合材料在能源技术中的应用。
8.5.4复合材料的应用（续）：复合材料构件新能源碳纤维树脂基复合材料吸热功能复合材料太阳能电池结构支架、热变换器的吸热层叶片及塔身、核燃料包覆管太阳能发电混杂碳纤维树脂基复合材料碳纤维树脂基复合材料碳/碳复合材料叶片及塔身同位素分离机转子核燃料包覆管风力发电机核能源碳纤维树脂基复合材料氧化铝纤维增强铝基复合材料转动轴、轮箍活塞(局部嵌件)活塞连杆及销子节能汽车陶瓷基复合材料和耐高温金属基复合材料涡轮叶片燃料涡轮发动机储能碳纤维增强铝基复合材料电极高效铅酸蓄电池表8-6复合材料在能源技术中的应用
(2)信息领域的应用
(2)信息领域的应用信息技术是现代发展最迅速的高技术，包括信息的检测、传输、贮存、处理运算和执行等方面，复合材料起到重要的作用，如表8-7所示。
在生物工程方面，复合材料不仅力学性能满足生物工程用容器的要求，同时还能满足耐腐蚀、抗生物破坏及生物相容性的要求。此外复合材料还在机械、化工、国防等其他领域有广泛应用。
(2)信息领域的应用（续）：复合材料部件功能具有换能功能的复合材料换能敏感元件检查碳纤维或芳纶增强树脂基复合材料、磁性功能复合材料光纤、光缆芯和管传输碳/铜复合材料磁记录和磁光记录盘片存储半导及导电性复合材料大规模集成电路基片处理和计算碳纤维/树脂基或金属基复合材料计算机及终端用屏蔽罩机械手与机器人执行表8-7复合材料在信息技术技术中的应用
8.5.5复合材料存在的问题
8.5.5复合材料存在的问题与未来展望（1）提高结构型复合材料的性能随着高技术的发展，对结构型复合材料的性能指标日益提高。
先进复合材料在模量上已经基本达到要求，但在强度及耐温性等方面尚须提高。金属基复合材料目前强度相距指标要求尚远，纤维增强相的强度还有进一步开发的较大潜力，因为目前达到的水平距理想单晶的强度有数量级以上的差别。
如何使纤维结构具有高度取向性，并使其缺陷减到最小，是增强相研究的方向。
（2）复合材料界面
（2）复合材料界面的设计与控制复合材料界面实质上是纳米级以上厚度的界面相或称界面层。在增强相与液态基体相互接触时，即使不发生反应也可能在基体凝固或固化过程中，由于诱导效应或残余应力的作用使临近接触界面的基体局部结构发生不同于基体本体的变化。
如果基体本身是多组分材料(如合金)，则会在接触界面附近发生某元素的富集，使之不同于基体本体，如两组分之间相互溶解、扩散或者发生化学反应，都必然产生一层新生相，这些都是构成界面相(或层)的原因。
（2）复合材料界面（续）
界面相也包括预先在增强相表面涂饰或处理的表面层(如偶联剂)，界面的控制与设计是一个较新的课题，希望能根据需要有意识地控制界面黏接力、内应力和界面层厚度及其层内的结构性能。
为此设计用增强相的表面处理、涂层以及基体的组织成分(包括在聚合物内添加组分，金属合金元素等)，来构成比较理想的甚至梯度过渡的界面层。
（3）建立适合复合材料的力学在
（3）建立适合复合材料的力学在材料力学方面已经进行了大量的工作，但都建立于连续介质力学的基础上。复合材料不是连续介质，因为它不仅是多相材料而且还存在界面。
这种复杂体的力学处理非常困难，目前只停留在经验或半经验的水平上，需要予以重视和研究解决。同时对于复合材料微观力学问题的研究工作还很少，复合材料的破坏力学也存在很多问题。
（4）研究混杂
（4）研究混杂和超混杂型复合材料纤维混杂和叠层混杂型复合材料已经在实用中取得很好的效果，特别是它能在基本满足性能的前提下，减少了其中先进复合材料所占的比重，从而使价格明显下降。
超混杂复合材料是近年来发展的新型复合材料，它具有优异的性能，特别是将来有可能使超混杂复合材料兼有结构和功能的作用，所以受到重视。
但是有关混杂效应的机制、材料匹配的控制与设计的研究还远远不够，以致尚不能充分发挥这类复合材料的优势。
（5）复合材料结构
（5）复合材料结构设计的智能化随着电子计算机技术的飞跃发展，用以设计复合材料使之满足最优化条件取得了一定的成果，但尚需进一步走向智能化设计的水平。
特别是依靠电子计算机的显示功能，把模拟实用条件下复合材料的适应能力直观地显示出来，从而设计新的先进复合材料和进行筛选，避免了大量复杂而昂贵的试验，节约了时间。
（6）功能复合材料
（6）功能复合材料及复合材料仿生学的研究功能复合材料具有无可比拟的优越性和可供设计的广阔自由度。关于复合材料仿生学更是如此，许多生物体复合材料的先进性还有待认识和仿效。
展望未来，不仅上面提出的各项问题将会得到满意的解决，而且还会出现各种新颖的结构型或功能型先进复合材料，特别是功能复合材料，如智能复合材料、自愈合复合材料、自应变复合材料等。
目前科学发展的规律是逐步从宏观进入微观，出现了原子级和分子级的材料设计问题，复合材料也会出现类似的发展趋向。
The End
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