大四考试修改版-复合材料讲义-中科大.docx

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1、第一章前言一、材料的开展与人类社会的进步二、复合材料的提出三、复合材料的开展历史和意义四、课程的重点和要求第二章复合材料概述一、复合材料的定义和特点1、复合材料的定义2、复合材料的特点3、复合材料的根本结构模式二、复合材料的分类三、复合材料的开展历史四、复合材料的根本性能第三章复合材料界面一、复合材料的界面二、复合材料的相容性三、复合材料的界面理论四、界面结合强度的测定1、界面结合强度的测定2、界面结合强度的表征五、界面剩余应力第四章复合材料基体一、聚合物1、热固性树脂2、热塑性树脂二、金属1、用于450。C以下的轻金属基体（铝、镁及其合金）2、用于450750。C复合材料的金属基体（钛及其合

2、金）3、用于750以上高温复合材料的金属基体三、陶瓷1、氧化物陶瓷2、非氧化物陶瓷3、玻璃陶瓷四、碳（石墨）第一章前言、材料的开展与人类社会的进步材料是人类社会进步的物质根底和先导，是人类进步的里程碑。综观人类开展和材料开展的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。材料的开展与人类进步和开展息息相关。一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品广泛地得到应用，同时又促进了人类社会开展，人类进入了青铜

3、器时代。同时火药的创造又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的开展，人类又创造了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的开展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的开展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核材料的发现，又将人类引入了可以消灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的开展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。当前材料、能源、信息是现代科技的

4、三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。二十一世纪将是一个新材料时代。二、复合材料的提出现代高科技的开展更紧密地依赖于新材料的开展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。在现代高技术迅猛开展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的开展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛刻的要求。例如，航天飞机等空间飞行器在飞行过程中要受到大气阻力、地球引力、太阳辐射力、空间热环境、太阳风、宇宙射线、宇宙尘埃、流星、磁矩等的作用。飞行器发动机还要受到其热环境、内流形成的气动力、结构振动、机件高速转动、液体晃动、振荡燃烧和POGO振动等非正常破坏力的作用。同时由于飞行范围（M数、飞行高度）的扩大

5、、发动机的推力、比推力及推/重比大大提高，导致了发动机压力比、涵道比、进口温度、燃烧室温度、TIT、转子转速等也日益提高。由此构成的力、热、化学和物理等效应的作用，最终都要集中到构成飞行器和发动机结构的材料上去，因此对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。又如现代武器系统的开展对新材料提出了如下要求：1、高比强、高比模；2、耐高温、抗氧化；3、防热、隔热；4、吸波、隐身；5、全天候；6、高抗破甲、抗穿甲性；7、减振、降噪，稳定、隐蔽、高精度和命中率；8、抗激光、抗定向武器；9、多功能；10、高可靠性和低本钱。很明显，传统的单一材料无法满足以上综合

6、要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地开展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术开展的需要。例如，金属材料的强度、模量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极大地限制了其应用。这些都促使人们研究开发并按预定性能设计新型材料。复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术开展的需求而开发的高性能的先进材料它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比较的优秀的综合性能，极大地满足了人类开展对新材料的需求。因此，复合材料是应现代科学技

7、术而开展出来的具有极大生命力的材料。现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。三、复合材料的开展历史和意义：实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料；人类肌肉/骨骼结构也是复合材料结构原理。我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁，迄今在某些贫穷农村仍然沿用着这种原始的非连续纤维增强复合材料。在现代，复合材料的应用更比目皆是，与日常生活和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合材料已广泛地应用于高楼大度和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用；玻璃纤维增强塑

8、料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化熨合材料。现代高科技的开展更是离不开复合材料。例如就航天、航空飞行器减轻结构重量这点而言，喷气发动机结构重量减IKg,飞机结构可减重4Kg,升限可提高10米；一枚小性洲际导弹第三级结构重量减轻IKg,整个运载火箭的起飞重量就可减轻50Kg,地面设备的结构重量就可减轻100Kg,在有效载荷不变的条件下，可增加射程1520Km：而航天飞机的重量每减轻IKg,其发射本钱费用就可以减少15000美元（图1、图2）。因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较。图1火箭壳体材料对射程的影响先进复合材料具有高比强度、高比模量的优点

9、，可以显著减轻结构重量，是理想的现代飞行器结构材料。先进复合材料的使用，不仅极大地提高了现代飞行器的性能，使得人类飞天、登月的梦想变成现实，同时也创造了巨大的经济效益。先进复合材料结构在新型卫星结构中已占了85%以上，在现代高科技领域具有广泛的应用前景（图3）。综上所述，复合材料对现代科学技术的开展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产开展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合材料的开展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。可以预料，随着高性能树脂先进复合材料的不断成熟和开展、金属基、特

10、别是金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料的实用化、以及微观尺度的纳米复合材料和分子复合材料的开展，复合材料在人类生活中的重要性将越来越显著。同时，随着科学技术的开展，现代复合材料也将赋予新的内容和使命。21世纪将是复合材料的新时代。图4四、课程的重点和要求本课程为先进复合材料专业研究生的专业根底课。该课程的学习重点是使学生能够较全面和系统地理解复合材料及其力学的重要根本概念和理论，各类复合材料的性能、成型工艺、界面特征和结构设计以及复合材料，特别是先进复合材料的开展趋势，同时具有初步的复合材料设计能力。为学生今后在复合材料领域的深造和专门研究奠定较坚实的根底。第二章复合材料概述一、复合材料的

11、定义和特点：1、复合材料的定义：国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。EL.Matthews和R.D.Rawlings认为复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件：（1）组元含量大于5%；（2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；（3）通过各种方法混合而成。在“材料科学技术百科全书”和“材料大辞典中将复合材料定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料它与一般材料的简单混合有本质区别，既保存原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的

12、性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。复合材料将由宏观复合形式向微观1细观）复合形式开展，包括原位生长复合材料、纳米复合材料和分子复合材料等。综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能特征。2、复合材料的特点：1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。3）复合材料具有可设计性。3、复合材料的根本结构模式复合材料由基体和增强剂两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体：而另一相是一

13、以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。增强剂（相）般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。二、复合材料的分类一普通复合材料一按性能A类：先进复合材料-热固性IL聚合物复合材料一热塑性一金属基复合材料一按基体分类陶瓷基复合材料碳碳复合材料一水泥基更合材料一结构复合材料一按用途分类功能复合材料智能复合材料按增强剂分类颗粒增强复合材料-晶须增虽复合材料-短纤维增强复合材料-连续纤前增强复合材料-混杂纤维增强复合材料三向编织复合材料

14、普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。先进复合材料（AdvancedComposite,HighPerformanceComposite）：高性能增强剂（碳、硼、Kevlar,氧化铝、SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合材料。一般来讲，先进复合材料的比强度和比刚度应分别到达400MPa/（gc?）和40GPa（gcm3）以上。结构复合材料：用作承力和次承力结构。要求具有质量轻、高强度、高刚度、耐高温以及其它性能。功能复合材料：电、热、声、摩擦、阻尼等。包括机敏和智能复合材料混杂复合材料：两种或两种以上增强体构成的复合材

15、料。通过产生混杂效应改善性能和降低本钱。结构/功能一体化复合材料：在保持材料根本力学性能的前提下，具有特定功能特性，如光、电、磁、摩擦、阻尼等。四、复合材料的根本性能（优点）：1、高比强度、高比模量（刚度）：图2-1典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较与传统的单材料相比，复合材料具有很高的比强度和比模量（刚度）：比强度、比模量：材料的强度或模量与其密度之比。比强度=强度/密度MPaZ（gcP）,比模量=模量/密度GPa/（g/cn?）。材料的比强度愈高，制作同一零件那么自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈大。2、良好的高温性能：图2-2不同SiC纤维复合材料的使用温度范围复合材料可

16、以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基体。目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350（；金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在350ll（X）oC范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达1400。C而碳碳复合材料的使用温度最高，可高达2800%:。3、良好的尺寸稳定性：参加增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量到达48%时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人造卫星构件非常重要。图23不同

17、材料的尺寸稳定性和比模量4、良好的化学稳定性：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。5、良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：由于增强体的参加，复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善6、良好的功能性能：包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。第三章复合材料界面一、复合材料界面UnterfaceorInterphase）复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米（图31、图32）。此区域的结构与性质都不同于两相

18、中的任何一相。这一界面区由五个亚层组成，每一亚层的性能都与基体和增强相的性质、复合材料成型方法有关。I1、外力场3、基体外表区4、相互渗透区5、增强剂外表区76、增强剂T图3-1复合材料的界面示意图图3-2SCS625AI-10Nb-3V-1Mo复合材料界面透射电镜照片及示意图界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应：(I)传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。(2)阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。(3)不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感

19、应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。(4)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。(5)诱导效应：-种物质(通常是增强剂)的外表结构使另一种通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对于每种复合材料都要求有适宜的界面结合强度。许多因

20、素影响着界面结合强度，如外表几何形状、分布状况、纹理结构、外表杂质、吸附气体程度、吸水情况、外表形态、在界面的溶解、扩散和化学反响、外表层的力学特性、润湿速度等。界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。界面结合过强的复合材料那么呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。界面最正确态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考虑到最优化和最正确综合性能。二、复合材料组分的相容性物理相容性：是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部

21、载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。另外，由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。例如对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张应力；对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求防止高的剩余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。化学相容性：化学相容性是一个更杂的问题。对原生复合材料，在制造过程是热力

22、学平衡的，其两相化学势相等，比外表能效应也最小。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。纤维和基体间的直接反响那么是更重要的相容性问题。但对高温复合材料来说，以下因素与复合材料化学相容性有关的问题那么十分重要：1)相反响的自由能AF：代表该反响的驱动力。设计复合材料时，应确定所选体系可能发生反响的自由能的变化。2)化学势U：各组分的化学势不等，常会导致界面的不稳定。3)外表能T：各组分的外表能可能很高，导致界面的不稳定。4)晶界扩散系数D：由晶界或外表扩散系数控制的二次扩散效应常使复合体系中组分相的关系发生很大变化。三、复合材料的界面理论1、界面润湿理论界面润湿理论是基于液态树脂对纤维外表的

23、浸润亲和，即物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维外表的良好浸润是十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。从热力学观点来考虑两个结合面与其外表能的关系，一般用外表张力来表征。外表张力即为温度和体积不变的情况下，自由能随外表积增加的增量。=(aF6A)TV此处Y为外表张力；F为自由能；A为面积；T和V分别为温度和体积。当两个结合面结合了，那么体系中由于减少了两个外表和增加了一个界面使自由能降低了。体系由于两个外表结合而导致自由能的下降定义为粘合功。WA=s+Yl-sL式中s、L和SL下标分别代表

24、固体、液体和固液体。如图23所示，。角为接触角。接触角表示了液体润湿固体的情况。图3-3液滴在固体外表的不同润湿情况当O90。，液体不润湿固体；0=180。，固体外表完全不能被液体润湿；当090。，液体润湿固体；9=()。，液体完全平铺在固体外表。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。根据力的合成Ylcos=s-ysL，粘合功可表示为：WA=ys+Yl-Ysl=Yl(1+cos)o粘合功IVA最大时，cos。=1,即O=0,液体完全平铺在固体外表。同时y=sL,s=L热力学说明两个外表结合的内在因素，表示结合的可能性；动力学反映实际产生界面结合的外界条件，如温度、压力等的影响，表示结合过程

25、的速度问题。产生良好结合的条件如下：1)液体粘度尽量低；2)YS略大于Yl,即J=2,1,:效率因子，液体在固体上扩展的条件，它与温度等活化过程有关。浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。一种体系的两个组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如范德华物理键合。因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。2、机械作用理论：当两个外表相互接触后，由于外表粗糙不平将发生机械互锁(图3-4)。图3-4外表机械互锁结合示意图另一方面，尽管外表积随着粗糙度增大而增大，但其中有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。如经验公式：Z2=Kcost,说明流入量Z是与

26、液体外表张力、接触角、时间和孔径成正比，与粘度成反比。无法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且也形成了应力集中点。3、静电理论：当复合材料不同组分外表带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效(图3-5)o图3-5外表静电吸引结合示意图4、化学键理论：在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合(图3-6)。在理论上可获得最强的界面粘结能(210-220Jmol)o图3-6外表结合化学键示意图界面反响结合或扩散结合示意图5、界面反响或界面扩散理论在复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反响，从而形成反响结合或扩散结合(图3-7)。D=Doexp(-Q/R

27、T)D：扩散系数；Q：扩散激活能。X=kt1/2图3-7X：反响层厚度；k：反响速度常数。四、界面的表征界面性能较差一呈剪切破坏、可观察到界面脱粘、纤维拔出纤维应力松弛等现象。界面结合过强材料呈脆性断裂。界面结合最正确状态当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域而不产生进一步界面脱粘，即这时的复合材料具有最大的断裂能和一定的韧性。1、界面结合强度的测定图3- 10 测定界面剪切强度时纤维的排布 / = D / 2S, tu I）/ 2S压缩试验测试界面剪切强度（图314b） -2.5t,压缩试验测试界面拉伸强度（图 3-14c） u = cc1-3微压入试验法（图3-15】界面剪切强度：=P24uR

28、3Et假设采用标准金刚石压头：u=（b-a）cot74o4）声发射（ACoUStiCEmiSSin声发射是当固体材料在外部条件如载荷、温度、磁场、环境介质等）发生变化时，由于其内部原因而产生的瞬时弹性应力波发射。声发射信号包括有材料内部缺陷或微观结构变化动态信息，借助灵敏的电子仪器可以检测到声发射信号。用仪器检测分析声发射信号，推断声发射源的技术称为声发射技术。复合材料的损伤断裂过程十分复杂，包括纤维、基体和界面的破坏和断裂。各组元断裂时释放的声能与其弹性模量和断裂时各组元的范性形变量有关。由于各组元断裂时释放的声能不同，即声发射信号的强弱不同，那么利用声发射技术就可以区分和识别复合材料界面的

29、破坏和断裂，从而可以分析界面的结合状况，同时计算出界面强度。图3-16富碳处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为图3-17富Si2处理的SiCpZAl拉伸过程中的AE行为图3-16和图3-17分别表示了不同纤维外表处理的SiCFl复合材料拉伸过程中的AE行为。图中样品AE过程出现的信号大小几及次数的不同、对应于样品中不同部位的断裂破坏、次数及其强度，同时E-A相关图包络的斜率不同的切线数目的不同也对应于不同的断裂机制。可以看出，富碳和富Si02处理的SiCF/Al拉伸过程中具有不同的AE行为，定性地反映了两种纤维复合材料具有不同的界面以及不同的断裂行为和机制。同时根据相关公式可以定量地求出复

30、合材料的界面强度。2、界面结构的表征界面的微观结构、形貌和厚度可通过先进仪器观察分析。包括俄歇电子谱仪（AES）,电子探针（EP）、X光电子能谱仪（XPS）、扫描二次离子质谱仪（SSIMS电子能量损失仪（EELS）、X射线反射谱仪（GAXP）、透射电子显微镜（TEMh扫描电镜（SEM）和拉曼光谱（Raman）等。图3J8TiBz纤维外表涂层SiCF/Ti复合图3-19SCS625A1-10Nb-3V-lMo复合材料材料界面SEM分析照片界面透射电镜照片五、界面剩余应力复合材料成型后，由于基体的固化或凝固发生体积收缩或膨胀（通常为收缩），而增强体那么体积相对稳定使界面产生内应力，同时又因增强体与

31、基体之间存在热膨胀系数的差异，在不同环境温度下界面产生热应力。这两种应力的加和总称为界面剩余应力。前一种情况下，如果基体发生收缩，那么复合材料基体受拉应力，增强体受压应力，界面受剪切应力。后一种情况下，通常是基体膨胀系数大于增强体，在成型温度较高的情况下，复合材料基体受拉应力，增强体受压应力，界面受剪切应力。但随着使用温度的增高，热应力向反方向变化。界面内应力的大小可用下式表示：11ii=EmmVm/3（I-YnI）式中Em为基体弹性模量，Ym为基体泊松比，为基体发生的应变，Vnl为基体的体积比。界面内应力的大小与界面的结合情况有关。如界面结合发生松弛滑移现象，那么内应力相应减少。界面热应力的

32、大小可用下式表示：ii=Em（Tc-t）式中Em为基体弹性模量，Tc为成型温度，t为使用温度，a为基体与增强体的热膨胀系数差。界面剩余应力可以通过对复合材料进行热处理，使界面松弛而降低，但受界面结合强度的控制，在界面结合很强的情况下效果不明显。界面剩余应力的存在对复合材料的力学性能有影响，其利弊与加载方向和复合材料剩余应力的状态有关。已经发现，由于复合材料界面存在剩余应力使之拉伸与压缩性能有明显差异。测量界面剩余应力的主要方法有X射线衍射法和中子衍射法。中子的穿透能力较X射线强，可用来测量界面内应力；其结果是很大区域的应力平均值。X射线衍射法只能测定样品外表的剩余应力。同步辐射连续X射线能量色

33、散法和会聚束电子衍射法也可用来测定复合材料界面附近的应力和应变变化。特别是同步辐射连续X射线能量色散法兼有较好的穿透能力和对剩余应变梯度的高空间分辨率，可测量界面附近急剧变化的剩余应力。此外，激光Raman光谱法可测量界面层相邻纤维的振动频率，根据纤维标定确定界面层的剩余应力。目前，应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。第四章复合材料基体（MatriX）材料复合材料基体：为复合材料中起到粘结增强体成为整体并转递载荷到增强体的主要组分之一。图6-1热塑性a、b和热固性C聚合物的形态特征一、聚合物热固性聚合物:环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。通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

34、交联化学反响并经过凝胶化和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子（图6-lc）o热固性树脂在初始阶段流动性很好，容易浸透增强体，同时工艺过程比较容易控制。这些树脂几乎适合于各种类型的增强体。通常都先制成预浸料，使浸入增强体的树脂处于半凝固状态，在低温保存条件下限制其固化反响，并应在一定期间内进行加工。各种热固性树脂的固化反响机理不同，根据使用要求的差异，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。C左右）和高温固化（170。C以上）。这类高分子通常为无定型结构。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性能和尺寸稳定性好等优点。热塑性聚合物:包括各种通用塑料（聚丙烯、

35、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、聚醛飒、聚酸酷酮等）。它们是一类线形或有支链的固态高分子（图6Ta、b）,可溶可熔，可反复加工而无化学变化。在加热到一定温度时可以软化甚至流动，从而在压力和模具的作用下成型，并在冷却后硬化固定。这类聚合物必须与增强体制成连续的片（布）、带状和粒状预浸料，才能进一步加工成各种复合材料构件。这类高分子分非晶（或无定形）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，生产效率高等优点。与热固性聚合物相比，具有明显的力学松弛现象；在外力作用下形变大；具有相当大的断裂延伸率（图6-2）；

36、抗冲击性能较好。聚合物的力学特点：图6-2不同树脂材料的应力应变曲线图6-3温度及加载速度对高聚物力学性能的影响决定聚合物强度的主要因素是分子内分子之间的作用力。聚合物的破坏无非是聚合物主链上化学键的断裂或是聚合物分子链之间相互作用的破坏。高聚物的力学性能强烈依赖于温度和加载速率（时间）（图6-3、4）。同时考虑“温度一时间一环境一载荷几方面的因素才能真实反映材料的性能。图6-4热塑性聚合物状态与温度的关系1 -非晶态聚合物的温度-形变曲线2 -结晶态聚合物的温度-形变曲线高聚物特征温度：玻璃化转变温度Tg,熔点Tm和粘流温度Tf在Tg以下：为硬而脆或硬而韧的固体（玻璃态）；在Tg附近：非晶高

37、聚物转变成软而有弹性的橡胶态；半晶高聚物转变成软而韧的皮革态；热塑高聚物Tg根本固定；热固高聚物Tg随其交联度的增加而增加，当交联度很高时，到达Tg后无明显的软化现象Tm（非晶）、Tf（结晶）：成为高粘度的流体（粘流态）。1、热固性树脂：1）环氯树脂（EP）:0一种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团（一c-A）的低聚物。按化学结构分类如下：缩水甘油酸EPJ-缩水甘油类缩趣版EP缩水甘油酯EP一脂环族EP一脂肪族EP环氧树脂是线型结构，必须参加固化剂使它变为不溶不熔的网状结构才有用途。按固化工艺可分为三大类：1）含有活泼氢的化合物，它仍在固化时发生加成聚合反响；2）离子型引发剂，它可分阴离子和

38、阳离子；3）交联剂，它能与双酚A型环氧树脂的氢氧基进行交联。常用的固化剂包括脂肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸好等。表6-1热固性树脂的力学性能2）双马来酰亚胺树脂（BMl）双马树脂是马来酸酊与芬香族二胺反响生成预聚体，再高温交联而成的一类热固性树脂。交联后的双马树脂具有不熔、不溶的特点，有高的交联度，固化后的密度在1.4g/cn?之间，玻璃化温度(Tg)在250300OC之间，使用温度为150200oCo3)聚酰亚胺树脂(PMR)聚酰亚胺树脂是主链含杂环结构的聚合物。其典型反响是芳香二酸醉与芳香二胺生成聚酰胺酸，在热作用下酰胺脱水形成聚酰亚胺。聚酰亚胺树脂2、热塑性树脂：1)聚酸酸酮(PEE

39、K)PEEK是一-种半结晶型热塑性树脂，其玻璃化转变温度为143OC,熔点为334,结晶度一般在20-40%,最大结晶度为48%。PEEK在空气中的热分解温度为650汽，加工温度在37042(C,室温弹性模量与环氧树脂相当，强度优于环氧，断裂韧性极高，具有优秀的阻燃性。PEEK基复合材料可在250OC的温度下长期使用。2)聚苯硫酸(PPS)结晶型聚合物，耐化学腐蚀性极好，在室温不溶任何溶剂，可长期耐热至240oCo3)聚醍碉(PES)非晶聚合物，玻璃化转变温度为225,可在180OC下长期使用；有突出的耐蠕变性、尺寸稳定性；热膨胀系数与温度无关，无毒，不燃。4)热塑性聚酰亚胺聚醛酰胺(PEI)

40、：长期使用温度为180o聚酰胺酰亚胺(PAD：Tg达280Og长期使用温度为240。二、金属1、用于450。(:以下的轻金属基体(铝、镁及其合金)1-1铝及其合金：面心立方结构，无同素异构转变。熔点为660,密度2.7gcm塑性优异，导热、导电性能好；化学活性高，强度不高。铝合金中常用的合金元素有铜、镁、锌、镒和硅等。可分变形铝合金和铸造铝合金(ZL)。变形铝合金可分为：防锈铝(LF)、硬铝(LY).超硬铝(LC)、锻铝(LD)o铝合金需用固溶处理、淬火和时效来改善和提高性能。固溶处理是指通过加热使合金中第二相完全溶入相中，并通过扩散均匀化，以固溶强化方式强化合金。淬火是指固溶处理后用水或其它

41、介质将合金急冷至室温，获得最大饱和度的均匀固溶体。淬火是时效处理的前提。指通过过饱和度固溶体的分解,析出介稳定的第二相(过渡相)并弥散分布。通过时效铝合金的强度和硬度明显提高。图6-5铝合金的相图1-2镁及其合金：镁具有密排六方结构，密度为1.74g/cm%镁的强度和模量都很低，但比强度、比模量较高。其室温和低温塑性较低，但高温塑性好，可进行各种形式的热变形加工。图6-6镁-铝合金相图图6-7镁-锌合金相图镁的合金化也是利用固溶强化和时效强化来提高合金的常温和高温性能。其合金化元素有铝、锌、倍、镒和稀土等。镁合金主要有Mg-AL-Zn系和Mg-Zn-Zr系，分变形镁合金和铸造镁合金。2、用于4

42、50700OC复合材料的金属基体(钛及其合金)钛的密度为/cm，,熔点1678汽，热膨胀系数l(t7,导电和导热性差，耐腐蚀性良好。钛有两种同素异构结构。OC以下为密排六方结构(-Ti)；882.5OC以上至熔点为体心立方结构(-Ti)o纯钛的塑性极好，其强度可通过冷加工硬化和合金化得到显著提高。钛合金一般按合金元素参加后在退火组织中的作用分为型、P型和+型三类。合金化后的耐热性显著提高，可作为高温结构材料，长期使用温度可达650。以钛合金中合金元素对钛的同素异构体的作用在于能提高钛同素异构体的转变温度。扩大区和增加相稳定性的合金元素为稳定元素；降低钛的同素异构体转变温度，扩大P相区，并在复相

43、合金中优先溶于ftl内的合金元素为B稳定元素，是强化P相的主要元素。为了获得最正确的机械性能，钛合金需要进行适当的退火、淬火和失效等热处理。退火适用于各类钛及钛合金，而且是型钛合金和P稳定化元素较少的和+P型钛合金的唯一热处理方式。退火的目的是消除内应力，提而塑性和稳定组织及消除加工硬化。应力退火温度一般为450650。3空冷；再结晶温度为750800,空冷。表6-2钛合金复合材料中常用钛及钛合金成分及性能P型和。稳定化元素较多的+P型钛合金可以进行淬火和失效等热处理，以提高合金的强度。这类合金的淬火温度一般选在+P两相区的上部范围，为750950,水冷；时效温度为45055(C,时间为几小时

44、到几十小时。钛合金的淬火时效机制类似于铝合金，但又有区别。主要区别在于铝合金固溶时，得到过饱和固溶体，而钛合金得到的是P稳定化元素欠饱和固溶体；铝合金时效强化是依靠过渡相，而钛合金时效强化是依靠弥散分布的平衡相强化。3、用于100oOC高温复合材料的金属基体3-1高温合金(SUPeralioyS)高温合金是铁基、银基和钻基高温合金的总称，在高温下具有很的持久、蠕变和疲劳强度。为了获得高强度与高蠕变抗力，合金元素必须保证产生在高温下强而稳定的显微组织。固溶强化、弥散强化和析出硬化。其典型组织为：奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相，它可以是碳化物相、金属间化合物相或稳定化合物质点。铁基高温合金可做

45、中温使用的另部件，如700。C以下使用的发动机涡轮盘，作为高温板材的固溶强化型铁基高温合金的使用温度在900。C以下。银基合金用来制造使用温度更高的、受力苛刻的热端部件，如涡轮叶片、导向叶片、燃烧室等。钻基高温合金广泛用作导向叶片，具有良好的抗热腐蚀性和抗冷热疲劳性能。表6-3高温合金基体的力学性能3-2金属间化合物(IntermetallicCompound)金属与金属或金属与类金属之间形成的中间相化合物。决定金属间化合物相结构的主要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等。金属间化合物晶体结构虽然更杂或有序，但从原子结合上仍具有金属特性。然而其电子云分布并非完全均匀，存在一定方向性，具有某种程度

46、的共价键特征，导致熔点升高及原子间键出现方向性。金属间化合物往往具有一定的固溶度，偏离当量成分，有序度降低，缺陷增加。固溶第三组元对二元金属间化合物的相结构和稳定性都有很大影响。金属间化合物可分结构金属间化合物和功能金属间化合物两大类。结构金属间化合物与高温合金相比，其最大的特点是晶体结构中组成元素的原子以长程有序方式排列，原子结合力强，除金属键以外，还有一局部共价键，表现出系列优异性能，使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。根据其组成的不同当量比，A、B两元之间可形成AB、A2BA：B、A5B3、AB,等化合物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和被化物。（a）KUmakOV型；（b）Be

47、rthoIIide型（C）Daltonide型图6-8不同类型的金属间化合物的相图KUmakoV型：在化学式所规定成分的两侧有一个成分范围，在低于熔点的某一温度以下，原子的有序排列消失，形成无序排列的金属间化合物。如CUAu、Cu3Au、Fe3AlxTi3Al等。BerthOIIide型：在化学式所规定成分的两侧有一个成分范围，但熔化前或反响前为原子有序排列的金属间化合物。如Ni3ALTiAl等。DaltOnide型：在化学式规定成分的两侧不存在成分范围的金属间化合物，如PtzSi、PtSi等。尽管金属间化合物具有密度小、弹性模量高等优点，但室温脆性是其致命弱点，目前正通过各种途径提高其延性和韧性。Ti-Al系金属间化合物：Ti-Al系金属间化合物具有低密度、高强度、高刚度、以及良好的高温、抗蠕变和抗氧化性能。Ti-Al系金属间化合物一般分OuTiaAl