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第十一章 复合材料 1.复合材料的定义和分类 2.复合材料的性能特点 3.复合材料的应用 在现代工程中对材料的要求越来越苛刻，特别是在航天、航海及交通运输领域。 例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。 通常高强度材料的密度也高，增大强度或刚度则会降低材料的韧性。 第一节　概述 复合材料 两种或者两种以上的不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。 复合材料是一种由基体matrix 和增强相reinforced phase 组成的多相材料，通常基体为连续相，而增强相为分散相。 特点 复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性。 例1：建筑材料（复合材料的应用） 泥土＋稻草 水泥＋钢筋 三、复合材料中的增强材料 增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等 玻璃纤维 由熔融玻璃经拉丝制成纤维； 密度2.4～2.7，与铝相近，弹性模量低于金属，但比强度和比模量高； 耐热性好，软化温度550～580℃； 耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性； 不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等； 制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。 碳纤维 将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成wC90%以上的纤维； 密度低、强度和模量高； 高、低温性能好（1500℃，-180℃）； 化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导电性、自润滑性好； 缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。 硼纤维 将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属丝－纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维； 熔点高（2300℃）； 强度、弹性模量高； 良好的耐蚀性； 缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高； 不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。 芳纶纤维 亦称Kevlar纤维，是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类纤维； 密度小，比强度、比弹性模量高； 抗拉强度比玻璃纤维高45％，韧性好； 耐热性好，能在290℃下长期作用； 优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。 碳化硅纤维 是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，经烧结而得； 是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤维，主要用于增强金属和陶瓷； 优良的高温强度，在1100℃时强度仍高达2100MPa。 主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等； 陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产； 在聚合物中添加不同的填料，构成以填料为分散相、聚合物为连续相的复合材料，可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能等。 碳黑和白碳黑（Si2C无定形微粉，呈白色，具有类似碳黑的增强作用，故称之）可明显提高橡胶的强度、硬度和弹性模量； 石墨、银粉、铜粉等可改善塑料的导电性； Fe2O3磁粉可改善塑料的导磁性； MoS2可提高塑料的自润滑性； 空心玻璃微珠可减小塑料的密度并提高其耐热性。 第二节 复合材料的性能 1．比强度和比模量高 例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。 2．抗疲劳性能好 例如碳纤维-聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70％-80％，而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的30％～50％。 3．减振性能好 纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相同的梁，金属梁9s停止振动，碳纤维复合材料制成的梁2.5s就可停止振动。 4．高温性能好 一般铝合金在400～500℃时弹性模量急剧下降，强度也下降。碳或硼纤维增强的铝复合材料，在上述温度时，其弹性模量和强度基本不变。 此外，复合材料还有较好的减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工艺性等。 二、增强机制 颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分布在基体中，基体承受载荷，而增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动（金属基体）或分子链运动（高聚物基体）。 增强颗粒大小会直接影响增强效果： d过大（0.1μm）易引起应力集中而降低强度； d过小（0.01μm）则接近于固溶体结构，不起颗粒增强作用。 一般颗粒直径为d=0.01~0.1 μm。 二、增强机制 纤维是具有强结合键的物质或硬质材料； 纤维处于基体中，表面受到基体的保护不易损伤，也不易在受载过程中产生裂纹，承载能力增大； 当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。 当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提