第一章 总论
一．复合材料是由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。★
二．复合材料的命名和分类★
1．按增强材料形态分类
(1)连续纤维复合材料:作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的边界处;
(2)短纤维复合材料:短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料;
(3)粒状填料复合材料:微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料;
(4)编织复合材料:以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。
2. 按增强纤维种类分类
(1)玻璃纤维复合材料;
(2)碳纤维复合材料;
(3)有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等) 复合材料;
(4)金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等) 复合材料;
(5)陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等) 复合材料。
如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料
3．按基体材料分类
(1)聚合物基复合材料:以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶) 为基体制成的复合材料;
(2)金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等;
(3)无机非金属基复合材料:以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥) 为基体制成的复合材料。
4. 按材料作用分类
(1)结构复合材料:用于制造受力构件的复合材料;
(2)功能复合材料:具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等) 的复合材料。
三．复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是: ★
(1)可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀
性能的设计等。
(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
四．影响复合材料性能的因素很多，主要取决于①增强材料的性能、含量及分布状况，②基体材料的性能、含量，
以及③增强材料和基体材料之间的界面结合情况，作为产品还与④成型工艺和结构设计有关。★
五．聚合物基复合材料的主要性能
1．比强度、比模量大
2．耐疲劳性能好
3．减震性好
4．过载时安全性好
5．具有多种功能性
①耐烧蚀性好。②有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及减摩特性; ③高度的电绝缘性能; ④优良的耐腐蚀性能; ⑤有特殊的光学、电学、磁学的特性。
6．有很好的加工工艺性
六．金属基复合材料的主要性能★
1．高比强度、高比模量
2．良好的导热、导电性能
3．热膨胀系数小、尺寸稳定性好
4．良好的高温性能
5．耐磨性好
6．良好的疲劳性能和断裂韧性
7．不吸潮、不老化、气密性好
七．陶瓷基复合材料的主要性能
陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和比
重较小。但抗弯强度不高，断裂韧性低。
导热性能：金属>陶瓷>树脂 耐化学腐蚀性：陶瓷和树脂大于金属
八．复合材料的结构设计基础★
复合材料本身是非均质、各向异性材料。复合材料不仅是材料，更确切地说是结构，可以用纤维增强的
层合结构为例来说明这个问题。从固体力学角度，不妨将其分为三个“结构层次”:一次结构、二次结构、三次结构。
一次结均：指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相
材料的形状、分布、含量) 和界面区的性能;
二次结构：指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚
度、铺设方向、铺层序列);
三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。
第二章 复合材料的基体材料
一．金属基复合材料选择基体的原则★
1．金属基复合材料的使用要求
2．金属基复合材料组成特点
3．基体金属与增强物的相容性
金属基复合材料在制备过程中金属基与增强物在高温复合过程中发生化学反应，在界面形成反应层。界
面反应层的形成会导致复合材料整体破坏，即相容性不好。因此选择基体合金元素时应选择既有利于基体与增强物侵润复合，又有利于形成合适稳定界面的合金元素。
二．金属基结构复合材料的基体★
1．用于450℃以下的轻金属基体（铝基、镁基）
2．用于450~700℃的复合材料的金属基体（钛合金）
3．用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体（镍基、铁基耐热合金）
三．无机胶凝材料
无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。
1．水泥基体材料的特征
与树脂相比水泥基体有如下特征:
(1)水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由十分之几纳米到数十纳米。孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，
也会影响纤维与基体的界面粘接。
(2)纤维与水泥的弹性模量比不大，因水泥的弹性模量比树脂的高，对多数有机纤维而言，与水泥的弹性模量
比甚至小于1，这意味着在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应远不如纤维增强树脂。
(3)水泥基材的断裂延伸率较低，仅是树脂基材的1/10~1/20，故在纤维尚未从水泥, 基材中拔出拉断前，水泥
基材即行开裂。
(4)水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料，与纤维成点接触，故纤维的掺量受到很大限制。树脂基体在未固化
前是粘稠液体，可较好地浸透纤维中，故纤维的掺量可高些。
(5)水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维是不利的。
四．聚合物材料★
1. 聚合物材料包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。
2. 聚酯树脂有以下特点:
优点：工艺性良好，它能在室温下固化，常压下成型，工艺装臵简单，固化后的树脂综合性能良好，价格便宜。缺点：固化时体积收缩率大、耐热性差等。主要用于一般民用工业和生活用品中。
3．酚醛树脂
酚醛树脂是最早实现工业化生产的一种树脂。它的特点是在加热条件下即能固化，无须添加固化剂，
酸、碱对固化反应起促进作用，树脂固化过程中有小分子析出，故树脂固化需在高压下进行，固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，已固化的树脂有良好压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能，但断裂延伸率低，脆性大。
4．聚合物基体的组分★
主要组分：聚合物 辅助材料：固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等
5．聚合物基体的作用★
复合材料中的基体有三种主要的作用:
(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。
6．聚合物的结构★
(1)聚合物的分子链由很大数目（103~105数量级) 的结构单元组成，每个结构单元相当于一个小分子。
(2)链长有限的聚合物分子含有官能团或端基，其中端基不是重复结构单元的一部分。
(3)聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切关系。
7．聚合物的性能
(1)聚合物的力学性能（主键上化学键或分子键的相互作用力）
一般复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高。热塑性树脂在力学性能上有如下几个显著
特点:①具有明显的力学松弛现象; ②在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率; ③抗冲击性能较好。
(2)聚合物的耐热性能（交联程度）
(a)聚合物的结构与耐热性
从聚合物结构上分析，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。
(b)聚合物的热稳定性
关于提高聚合物热稳定性的途径有以下几种：①提高聚合物分子链的键能，避免弱键存在；②在聚合
物链中尽量引人较大比例的芳环和杂环。
(3)聚合物的耐腐蚀性能（树脂的含量和类型）
玻璃纤维增强的复合材料的耐化学腐蚀性能与树脂的类别和性能有很大的关系，同时，复合材料中
的树脂含量，尤其是表面层树脂的含量与其耐化学腐蚀性能有着密切的关系。
(4)聚合物的介电性能（极性，端基，官能团）
有良好的电绝缘性能。树脂大分子的极性越大，则介电常数也越大、电阻率也越小、击穿电压也越小、
介质损耗角值则越大，材料的介电性能就越差。
第三章 复合材料的增强材料
一．玻璃纤维的分类★
1．以玻璃原料成分分类
(1)无碱玻璃纤维(通称E 玻纤) ：强度高，耐热性和电性优良，能抗大气腐蚀，化学稳定性也好（但不耐酸）。
(2)中碱玻璃纤维：耐酸性好。
(3)有碱玻璃(A玻璃) 纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀极为敏感。
(4)特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅组成的高强玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维。
2．以单丝直径分类
粗纤维:30μm; 初级纤维:20μm; 中级纤维:10~20μm ;高级纤维:3~10μm (亦称纺织纤维) ；
超细纤维：小于4μm
3．以纤维外观分类
有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织) 、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。
4．以纤维特性分类
高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维及普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维) 。
二．玻璃纤维的结构
微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶
液所填充。
网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由Na, K, Ca, Mg 等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na, Ca等阳离子称为网络改性物。
三．玻璃纤维的化学组成
二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等
四．玻璃纤维的物理性能★
玻璃纤维越细，强度越高。
玻璃纤维具有一系列优良性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。
它的缺点是具有脆性，不耐腐蚀，对人的皮肤有刺激性等。
(1)外观和比重:光滑的圆柱，比重与Al 近似。
(2)表面积大
(3)玻璃纤维的力学性能：
①玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。比玻璃制品大，玻璃纤维的模量高于玻璃制品。
②玻璃纤维高强的原因：微裂纹少（结构缺陷小）。
③影响玻璃纤维强度的因素
A ．纤维直径和长度。随着纤维直径的减小和长度的缩短，纤维中微裂纹的数量和大小就会相应地减小，
这样强度就会相应地增加。
B ．化学组成。含碱量越高，强度越低。成型温度高、硬化速度快、结构键能大，强度越高。
C ．纤维的老化。当纤维存放一段时间后强度下降的现象，称为纤维的老化。
D ．纤维的疲劳。玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的情况。
E ．玻璃纤维成型方法和成型条件。玻璃硬化速度越快，拉制的纤维强度越高。
④玻璃纤维的弹性
A ．玻璃纤维的延伸率
纤维的延伸率(又称断裂伸长率) 是指纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率。玻璃纤维的延伸率
比其它有机纤维的延伸率低，一般为3%左右。
B ．玻璃纤维的弹性模量
玻璃纤维的弹性模最是指在弹性范围内应力和应变关系的比例常数。
(4)玻璃纤维的耐磨性和耐折性较差。
(5)玻璃纤维的热性能
玻璃纤维是一种优良的绝热才材料，热处理后强度下降。
(6)玻璃纤维的电性能
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多，这主要是因为无碱纤维中碱金属离子少的缘故。
(7)玻璃纤维及制品的光学性能优良。
五．玻璃纤维的化学性能★
1．侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况
当侵蚀介质与玻璃纤维制品作用时，多数是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分; 对于浓
碱溶液、氢氟酸、磷酸等，将使玻璃纤维结构全部溶解。
2．影响玻璃纤维化学稳定性的因素
(1)玻璃纤维的化学成分
Na 2O 、K 2O 的添加有利于提高纤维的抗酸腐蚀性。
玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。
(2)纤维表面情况
比表面积大，耐腐蚀性不好（玻璃耐腐蚀性好）
(3)侵蚀介质体积和温度
侵蚀介质体积越大，温度越高，玻璃纤维的化学稳定性下降越快。
(4)玻璃纤维纱的规格及性能
玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成。 有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成。
六．玻璃纤维及其制品的制造工艺
1．制造原丝
连续(无碱) 玻璃纤维及其制品的制造，一般由制球、拉丝和纺织三个部分组成。
2．浸润剂的作用
拉丝时为什么必须要用浸润剂? 这是由于浸润剂有多方面作用:
(1)使原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起;
(2)防止纤维间的磨损;
(3)使原丝相互间不粘结在一起;
(4)便于纺织加工。
七．特种玻璃纤维
1．高强度玻璃纤维
高强度玻璃纤维有镁铝硅酸盐和硼硅酸盐两个系统。
2．高模量玻璃纤维
高模量玻璃，这种玻璃也称M 玻璃或YM-35-A 玻璃
3．耐高温玻璃纤维
(1)石英纤维；(2)高硅氧玻璃纤维；(3)铝硅酸盐玻璃纤维。
4．空心玻瑞纤维
八．碳纤维的分类
1．根据碳纤维的性能分类
(1)高性能碳纤维
在高性能碳纤维中有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。
(2)低性能碳纤维
这类碳纤维有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。
2. 根据原丝类形分类
(1)聚丙烯腈基纤维；(2)粘胶基碳纤维；(3)沥青基碳纤维；(4}木质素纤维基碳纤维；(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维) 碳纤维。
3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维；(2)耐焰碳纤维；(3)活性碳纤维(吸附活性) ；(4)导电用碳纤维；(5)润滑用碳纤维；
(6)耐磨用碳纤维。
九．碳纤维的制造★
1．碳纤维的制造不能用熔融法或溶液法直接纺丝，可用气相法和有机纤维碳化法。
气相法是在惰性气氛中小分子有机物(如烃或芳烃等) 在高温下沉积成纤维。用这种方法只能制造晶须或
短纤维，不能制造连续长丝。
有机纤维碳化法是先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中，于高温下进行焙
烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维。
2．天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。选择的条件是加热时不熔融，可牵伸，且碳纤维产
率高。
3．制作碳纤维的主要原材料有三种：
(1)人造丝(粘胶纤维) ；(2)聚丙烯腈(PAN)纤维；(3)沥青。
4．无论用何种原丝纤维来制造碳纤维，都要经过五个阶段:
(1)拉丝 (2)牵伸 (3)稳定 (4)碳化 (5)石墨化
十．碳纤维的物理性能
1．碳纤维的比重在1.5~2.0之间；
2．各向异性；
3．比热一般为7.12x10-1KJ(kg〃℃) ，导热率有方向性，导热率随温度升高面下降；
4．比电阻与纤维的类型有关，碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。
十一．碳纤维的化学性能
碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，温度高于
400℃时，则出现明显的氧化，生成CO 和CO 2。在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性，与其它类型材料比较，碳纤维要在高于1500℃强度才开始下降。耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。
十二．芳纶纤维的性能特点及用途
1．力学性能
拉伸强度高，弹性模量高，密度小。
2．芳纶纤维的热稳定性
芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不熔
芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，纤维具有高的模量，较高的强度。
3．用途
(1)航空方面(2)航天方面(3)其它军事应用(4)民用
十三．其他纤维★
1． 碳化硅纤维
碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维，这种纤维具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性。
碳化硅纤维的制造方法主要有两种—化学气相沉积法和烧结法(有机聚合物转化法) 。
(1)碳化硅纤维的性能
①力学性能
强度、模量高，耐高温，80℃以下耐强酸、强碱。
(a)热性能在1000℃以下，其力学性能基本上不变，耐高温
(b)耐化学性能
(c)耐辐照和吸波性能
2．硼纤维
硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维，具有很高的比强度
和比模量，也是制造金属复合材料最早采用的高性能纤维。硼纤维具有良好的力学性能，强度高、模量高、密度小。硼纤维的弯曲强度比拉伸强度高。
3．晶须
晶须是目前已知纤维中强度最高的一种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作用力。
晶须高强的原因，主要由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。
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。
最常用的晶须是碳化键晶须，其强度大，容易掺混在陶瓷基体中。
4．氧化铝纤维
含氧化铝大于70%的纤维称为氧化铝纤维。将氧化铝含量小于70%，其余为二氧化硅和少量杂质的纤
维称为硅酸铝纤维。
氧化铝纤维的特点与应用:
(1)耐热性好；
(2)不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合；
(3)表面活性好；
(4)具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性；
(5)优良的抗压性能；
(6)电气绝缘、电波透过性好。
氧化铝纤维不足之处是密度比较大，约为3.2g/cm3，是所介绍纤维中最大的一种。
第四章 复合材料的界面
一．复合材料的界面：指基体与增强物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。★
二．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：★
1．传递效应 界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。
2．阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、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、电感应性、磁性、耐
热性、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、
耐机械冲击及耐热冲击性等。
5．诱导效应 一种物质(通常是增强物) 的表面结构使另一种(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，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
三．影响界面效应的因素★
①界面结合状态，②形态和物理-化学性质，③界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性。
四．界面的形成
第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程。
第二阶段：聚合物的固化阶段。
界面层的结构大致包括:界面的结合力（宏观和微观）、界面的区域(厚度) 和界面的微观结构等几个方面。
五．界面作用机理★
界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力。如果界面和基体的断裂应变都较低时，从提高断裂韧性的角度出发，适当减弱界面强度和提高纤维延伸率是有利的。
1． 界面浸润理论
填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要的，因浸润不良会在界面上产生空隙，易使应力集中而使复合材料发生开裂，如果完全浸润，则基体与填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚强度。
2．化学键理论
处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能
团。
3．物理吸附理论
增强纤维与树脂基体之间的结合是属于机械铰合和基于次价健作用的物理吸附。
4．变形层理论
如果纤维与基体的热膨胀系数相差较大，固化成型后在界面会产生残余应力，残余应力和载荷共同作用产生应力集中，使界面发生变形，从而松弛并减小界面应力。
5．拘束层理论
界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增强材料之间，则可最均匀地传递应力。
6．扩散层理论
偶联剂形成的界面区应该是带有能与树脂基体相互扩散的聚合链活性硅氧烷层或其他的偶联剂层。
7．减弱界面局部应力作用理论
基体与增强纤维之间的处理剂，提供了一种具有“自愈能力”的化学键。
六．金属基复合材料的界面★
在金属基复合材料中往往由于①基体与增强物发生相互作用生成化合物，②基体与增强物的互扩散而形成扩散层，③增强物的表面预处理涂层，使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得非常复杂。
1．界面的类型（界面因素：形状、尺寸、成分、结构）★
Ⅰ类界面是平整的，厚度仅为分子层的程度，除原组成成分外，界面上基本不含其它物质;
Ⅱ类界面是由原组成成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面;
Ⅲ类界面则含有亚微级左右的界面反应物质(界面反应层) 。
金属基纤维复合材料的界面结合可以分成以下几种形式:
(1) 物理结合（自由能降低促使界面结合，粗糙形态而产生机械铰合，摩擦结合）
(2) 溶解和浸润结合（去除纤维表面氧化层增强基体和纤维之间的溶解和浸润）
(3) 反应结合（界面发生化学反应形成新的化合物达到结合机体和增强纤维的作用）
2．影响界面稳定性的因素★
物理方面的不稳定因素主要指在高温条件下增强纤维与基体之间的熔融。
化学方面的不稳定因素主要与复合材料在加工和使用过程中发生的界面化学作用有关。它包括连续界
面反应、交换式界面反应和暂稳态界面变化等几种现象。
3．残余应力（复合材料在成型和冷却过程中造成的，在金属基复合材料结构设计中，应注意增强纤维与金属基
体的物理相容性）
物理相容性要求金属基体有足够的韧性和强度（强度：保证载荷的均匀传递。韧性：保证产生的裂纹
或位错在移动中不会发生应力集中。）物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的热膨胀系数匹配。要求金属基体有足够的韧性和密度，以便能更好地通过界面将载荷传递给增强纤维。
假设纤维和基体的热膨胀系数及残余应力分别为αf 和αm 及σfr 和σmr ，纤维应变和残余应变分别为εf 和ε
fr ，则有
当αf =αm 时，σmr =σfr ;
当αf σfr ;
当αf >αm 时，σmr
如果△σr =σfr -σmr ，则
当αf =αm 时，△σr =0;
当αf
当αf >αm 时，△σr 为正值，即纤维中残余应力为拉应力，基体中为压应力。（好）
七．陶瓷基复合材料的界面
陶瓷基复合材料的界面在陶瓷基复合材料中，增强纤维与基体之间形成的反应层质地比较均匀，但通常它是脆性的。当反应层达到某一厚度时，复合材料的抗张强度开始降低，此时反应层的厚度可定义为第一临界厚度。如果反应层厚度继续增大，材料强度亦随之降低，直至达某一强度时不再降低，这时反应层厚度称为第二临界厚度。
八．增强材料的表面处理★
表面处理：在增强材料表而涂覆上一种称为表面处理剂的物质，这种表而处理剂包括浸润剂及一系列偶联剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。
1． 碳纤维的表面处理★
(1)氧化法。目的在于增加纤维表面粗糙度和极性基含量。氧化法有液相氧化和气相氧化之分。液相氧化法又可分成介质直接氧化和阳极氧化两种方式。气相氧化法中使用的氧化剂为空气、氧气、臭氧、二氧化碳等。
(2)沉积法。一般指在高温或还原性气氛中，使烃类、金属卤化物等以碳、碳化物的形式在纤维表面形成沉积膜或生长晶须从而实现对纤维表面进行改性的目的。
(3)电聚合法。将碳纤维作为阳极，在电解液中加入带不饱和键的丙烯酸脂、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等单体，通过电极反应产生自由基，在纤维表面发生聚合而形成含有大分子支链的碳纤维。
第六章 金属基复合材料
一．特点：具有较高的比强度、比模量、优良的导电性与耐热性，高韧性和高耐冲击性。
二．金属基复合材料的种类
1．按基体分类
铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料、镁基复合材料。
2．而按增强体分类
颗粒增强复合材料、层状复合材料、纤维增强复合材料
三．金属基复合材料中增强体的性质★
纤维状增强物能够最有效地增强金属基体。
1．对于纤维状增强体，以下几种性能基本上是其共同的要求:
(A)高强度；(B)高模量；(C)容易制造和价格低廉； (D)化学稳定性好； (E)纤维的尺寸和形状；
(F)性能再现性与一致性；( G)抗损伤或抗磨损性能。
四．金属基复合材料的强度（表现出各向异性，纵向和横向强度差别明显）
强度：木桶原理 模量：平均效应
1．纵向强度
材料强度与弹性性能不同，不代表整个测试段上的平均性能，而主要代表局部区的性能。材料强度可以定义为材料发生破坏的最弱横截面上的平均应力。
复合材料强度同组分性能间的关系可用如下的公式表示：
∗ σC=σF∙VF+σM∙VM
∗(σC表示复合材料的抗拉强度，即复合材料原始面积上的应力，σF为所有纤维上的平均应力，σM是基体在断裂时的平均应力，VF和VM是纤维和基体的体积分数。如果没有孔隙及第三相存在，则应有VF+VM=1。)
条件：(1)复合材料中的纤维和基体材料应变相等，即εc =εm =εp ，意味着界面结合牢固，不发生界面剥离。
(2)纤维强度不具有分散性，破坏时纤维全部断裂，当纤维体积分数V P 大于临界值时，复合效应才显
现，如小于临界值，复合材料的强度主要由基体决定。
当弱纤维断裂时，将引起三种重要的变化。
首先，由于破断纤维失去强度，而使该处截面上的强度降低。
第二，破断纤维裂纹周围的静应力集中会降低材料的有效强度。
第三，破断纤维失去载荷时产生的动应力波会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力。
2． 横向强度
横向模量的增强作用并不能代表复合材料的横向强度，因为复合材料都在最弱的横截面上破坏。
五．复合材料组分的相容性★
由于复合材料包含有两种或两种以上的相，要使组分间具有良好的配合，则这两相间必须具备物理相容性和化学相容性。
所谓物理相容性问题，是指基体应有足够的韧性和强度。物理相容性问题一般都和压力变化，或热变化时反映材料伸缩性能的材料常数有关。化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的界面结合、界面化学反应以及环境的化学反应等因素有关。
对于高温复合材料而言，以下的与化学相容性有关的问题则十分重要。
（1）△F —两相反应的自由能; （2）U —化学势（3）T —表面能; （4）D —晶界挡散系数;
（5）以及一些其它的扩散效应等。（氢脆）
六．铝基复合材料的特点（轻质，高的比强度、比模量）
目前关于硼-铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容:
(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。
(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。
(3)改进硼-铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。
1．增强纤维—硼纤维
硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。由于硼纤维的表面具有高的残余压缩
应力，因此对表面磨损和腐蚀不敏感。但抗氧化能力差，可通过表面沉积碳化硅提高其抗氧化性。
2．基体—纯铝或铝合金
硼纤维选择铝合金作为基体是由于铝合金具有良好的综合性能。能够热处理的6061和2024最受重视。
2024合金Al —4.5 Cu—1 Mg供应充足，时效强化后强度高，高温蠕变强度好，以及研究比较充分。
七．铝基复合材料的制造★
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。（前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。）
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。
八．铝基复合材料的二次加工★
1．成型：连接机械加工，热处理工艺
2．连接：硼-铝复合材料与承载结构附件的连接、铆接、焊接等。
3．机械加工：比较困难，原因在于各组分的力学性能不同
4．热处理：时效强化（基体强化）——界面反应
九．铝基复合材料机械性能
1．弹性模量
设计原则：使其工作载荷不超过所用材料的弹性范围。
2．强度及应力—应变特性
结构复合材料的最终性能是原材料的性能、成分以及加工和制造过程的结果。
(1)轴向拉伸
硼-铝复合材料的轴向拉伸特性取决于增强纤维的性能和复合材料的纤维含量。
如果纤维强度的重复性好，发现复合材料的轴向抗拉强度随纤维含量的变化实质上呈线性关系。
(2)横向拉伸
在多数情况下，50%纤维增强复合材料的横向抗拉强度只有轴向抗拉强度的10%~15%，而横向弹性模量约为轴向模量的60%。
所有硼-铝复合材料的横向拉伸特性可以根据断口的形貌分为三种常见的类型。
第一类：断口全为基体破裂；
第二类：断口则同时含有基体破裂和纵向纤维劈裂；
第三类：断口的典型情况是基体破裂和纤维-基体界面破裂。
3．蠕变及持久强度★
蠕变：高温环境下，材料发生塑性变形。
硼-铝在航空航天方面的重要应用，要求这种材料在高温下能长时间经受应力作用。硼-铝复合材料具有优良的抗蠕变性能。
4．缺口拉伸强度及断裂韧性
硼-铝复合材料的缺口敏感性低，断裂韧性高。
十．镍基复合材料★
1．蓝宝石晶须和蓝宝石杆
蓝宝石晶须：成本高，涂层必须薄，但易溶解，缺陷敏感，难于筛选。
粗蓝宝石杆：强度取决于表面完整性，而不取决于同尺寸的有关缺陷或其结构中的固有缺陷。
2．钛基复合材料
优点：①钛基复合材料的使用温度超过塑料基体的温度极限。
②在一般的结构材料中钛合金的比强度最高。
(1)相容性问题★
界面脆性相的生成会破坏复合材料的整体性能。
解决相容性问题方法:
①大限度减小反应的高速工艺;
②最大限度减少反应的低温工艺;
③研制低活性的基体;
④研制最大限度减少反应的涂层;
⑤选择具有较大反应容限的系列;
⑥设计上尽量减少强度降低的影响。
(2)钛基复合材料的研制（高速工艺+去除残余应力退火）
对钛-硼复合材料的进一步研究得出以下几条主要结论：
①用制造连续带材的方法能获得非常一致的性能。
②对纤维和基体之间的相互作用应加以控制以便制造出符合混合定则性能的复合材料。
③控制纤维和基体之间的反应，使其在550℃时有效寿命能达几千小时。
④虽然分离出来的纤维具有明显降低了的强度，但钛-硼复合材料仍能获得符合混合定则的性能。
十一．石墨纤维增强金属基复合材料
1．石墨纤维
制造碳纤维采用的原丝主要是人造丝和聚丙烯腈。
拉丝→牵伸→稳定→碳化→石墨化
铝、镁、镍和钴同石墨相容性好，而钛易于形成碳化物，因此不能直接与石墨纤维复合，需要进行
表面处理，以获得稳定的扩散引导层。
2．石墨-铝复合材料
单独利用压力是不能实现渗透的，为达到渗透的目的，必须改善石墨与铝之间的润湿性。
3．石墨-镍复合材料
在石墨纤维上电镀镍制成丝束，这种丝束是带状的、连续易弯、无捻度且每线都具有相当的金属沉
积层。电沉积工艺涂覆，渗透1000~2500根丝的石墨纤维束。
第七章 陶瓷基复合材料
一．特点：耐高温，耐磨损，耐腐蚀，高强度等优点，但脆性大。
二．陶瓷基复合材料的基体★
1．传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。★
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷（常用的陶瓷基体主要包括:玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶
瓷等。），属于无机化合物。 目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等。陶瓷材料中的化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。用作基体材料使用的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。
2． 玻璃★
玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种陶瓷材料。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即具有非晶态结构是玻璃的特征之一。在玻璃坯体的烧结过程中，由于复杂的物理化学反应产生不平衡的酸性和碱性氧化物的熔融液相，其粘度较大，并在冷却过程中进一步迅速增大。一般当粘度增大到一定程度(约1012Pa 〃s) 时，熔体硬化并转变为具有固体性质的无定形物体即玻璃。此时相应的温度称为玻璃化转变温度(Tg ) 。当温度低于T g 时，玻璃表现出脆性。加热时玻璃熔体的粘度降低，在达到某一粘度(约108Pa 〃s) 所对应的温度时。玻璃显著软化，这一温度称为软化温度(Tf ) 。T g 和T f 的高低主要取决于玻璃的成分。
3． 玻璃陶瓷★
玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、力学性能好和导热系数较小等特点。
4．对由A 、B 两种元素组成的陶瓷中的离子键比例的计算，可由以下的经验公式进行
PAB=1−e(x−x) −2
xA与xB的差值越大，离子键性越强。
电负性：原子外层轨道吸收电子的能力，以F 的电负性为4作为参照。
CaO 和MgO 等氧化物的离子性很强，而WC 和SiC 等共价性强。一般说来，氧化物的离子性要比
碳化物和氮化物强。
5．陶瓷材料的晶体结构
(1)闪锌矿结构，包括ZnS 、CuCl 2、金刚石等
(2)钎锌矿结构，也是以ZnS 为主要成分的矿石，但为六方晶系
(3)NaCl 结构，立方晶系
(4)CsCl 结构
除了上述的几种较为简单的常见结构外，陶瓷材料的晶体结构还有:β-方石英结构，金红石结构, 萤石结构，赤铜矿结构，刚玉型结构及其它一些复杂结构。
三．陶瓷复合材料的增强体★
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维) 、晶须和颗粒三类。（常用纤维：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维：常用晶须：SiC 、Al 2O 3、Si 3N 4：常用颗粒：SiC 、Si 3N 4。）
四．纤维增强陶瓷基复合材料
1．单向排布长纤维复合材料
显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。
2．多向排布纤维增韧复合材料
二维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料、三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料
五．陶瓷基复合材料的成型加工技术
1．纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素。
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，则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关;
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有关。
2．纤维增强陶瓷基复合材料的成型方法:
(1)泥浆烧铸法
(2)热压烧结法
(3)浸渍法（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。缺点则是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度较低。）
六．晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备(分散+混合+热压烧结)
配料→成型→烧结→精加工
1．配料：干法和湿法，以湿法为主
2．成型
混好后的料浆在成型时有三种不同的情况:(1)经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序;(2)把结合剂添
加于料浆中，不干燥坯料。保持浆状供给成型工序;(3)用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序。 成型方法：金属模成型法、橡皮模成型法、注射成型法、挤压成型法
第九章 碳/碳复合材料
一．碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的树脂碳(或沥青) 以及化学气相沉积(CVD)碳
所形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料，也被称为碳纤维增强碳复合材料。
组分：树脂碳、碳纤维和热解碳
特点：能承受极高的温度和极大的加热速率。高的烧结热，低的烧蚀率，抗热冲击性好，优异的耐摩擦性能，高的导热率。碳与生物体之间的相容性极好。
二．碳/碳复合材料的成型加工技术★
1．坯体
在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤维或其织物应预先成型为一种坯体。三向织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能越好，尤其是作为耐烧蚀材料更是如此。
2．基体★
碳/碳复合材料的碳基体可以从多种碳源采用不同的方法获得，典型的基体有树脂碳和热解碳。树脂碳
是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得，热解碳是由烃类气体的气相沉积而成。
其加工工艺方法可归结为以下几方面:
(1)把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热加压条件下浸渍到碳/石墨纤维结构中去，再进行热解和再浸渍。
(2)一直有些树脂基体在热解后具有很高的焦化程度，热解后的产物能够有效地渗透进较厚的纤维结构。热解后必须进行再浸渍再热解，如此反复若干次。
(3)通过气相（通常是甲烷和氮气，有时还有少量氢气）化学沉积法在热的基质材料（如碳/石墨纤维）上形成高强度热解石墨。
(4)把由上述方法制备的但仍然是多孔状的的碳/碳复合材料在能够形成耐热结构的液态中浸渍，是又一种精制方法。
3．化学蒸气沉积(简称CVD) ★
在碳素结构的渗透工艺中使用化学蒸气沉积技术有可能大大提高碳/碳复合材料结构的性能。
“热解碳”(简称PC) 和“CVD 碳”是在1100℃左右碳源蒸气经热解而沉积在基质材料上的碳质的总称。
而“热解石墨”(简称PG) 则是由碳氢化合物气体在1750~2250℃沉积的碳，热解石墨的电性能、热性能和力学性能是各向异性的，随测试方向而变化。
如果热解石墨或热解碳在固体表面沉积的速度远远超过了在微孔内的沉积速度，则孔内的碳量就不再
增加，结果表面微孔就被封闭起来。注意表面沉积速率与内部速率的差异。
化学蒸气沉积基体碳主要方法：均热法、热梯度法、压差法、脉冲法
三．碳/碳复合材料的特性
碳/碳复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等因素密切有关。
1．力学性能
密度小、抗拉强度和扬氏模量高于一般碳素材料，配体类型关系密切。长丝缠绕和三向织物制品的强度
高，其次是毡/化学气相沉积碳的复合材料。碳/碳复合材料属于脆性材料。
2．热物理性能
热膨胀系数小，高温热应力小，导热系数比较高，比热高，随温度上升而提高，热抗震性能好。
3．烧蚀性能
碳/碳复合材料暴露于高温和快速加热的环境中，由于蒸发升华和可能的热化学氧化，其部分表面可被
烧蚀。但其表面的凹陷浅、良好在保留其外形，且烧蚀均匀而对称。
三向正交细编的碳/碳复合材料的烧蚀率较低。
4．化学稳定性
碳/碳复合材料除含有少量的氢，氮和微量的金属元素外，几乎99%以上都是由元素碳组成。因此它具
有和碳一样的化学稳定性。碳/碳复合材料的最大缺点是耐氧化性能差。
四．碳/碳复合材料的应用
高比强度，高比模量，耐烧蚀，传热导电，自润滑性，本身无毒。
(1)导弹、宇航工业的应用
(2)航空工业
(3)汽车工业
(4)化学工业
(5)电子、电器工业
(6)医疗方面
第一章 总论
一．复合材料是由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。★
二．复合材料的命名和分类★
1．按增强材料形态分类
(1)连续纤维复合材料:作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的边界处;
(2)短纤维复合材料:短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料;
(3)粒状填料复合材料:微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料;
(4)编织复合材料:以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。
2. 按增强纤维种类分类
(1)玻璃纤维复合材料;
(2)碳纤维复合材料;
(3)有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等) 复合材料;
(4)金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等) 复合材料;
(5)陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等) 复合材料。
如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料
3．按基体材料分类
(1)聚合物基复合材料:以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶) 为基体制成的复合材料;
(2)金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等;
(3)无机非金属基复合材料:以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥) 为基体制成的复合材料。
4. 按材料作用分类
(1)结构复合材料:用于制造受力构件的复合材料;
(2)功能复合材料:具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等) 的复合材料。
三．复合材料是由多相材料复合而成，其共同的特点是: ★
(1)可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀
性能的设计等。
(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。
四．影响复合材料性能的因素很多，主要取决于①增强材料的性能、含量及分布状况，②基体材料的性能、含量，
以及③增强材料和基体材料之间的界面结合情况，作为产品还与④成型工艺和结构设计有关。★
五．聚合物基复合材料的主要性能
1．比强度、比模量大
2．耐疲劳性能好
3．减震性好
4．过载时安全性好
5．具有多种功能性
①耐烧蚀性好。②有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及减摩特性; ③高度的电绝缘性能; ④优良的耐腐蚀性能; ⑤有特殊的光学、电学、磁学的特性。
6．有很好的加工工艺性
六．金属基复合材料的主要性能★
1．高比强度、高比模量
2．良好的导热、导电性能
3．热膨胀系数小、尺寸稳定性好
4．良好的高温性能
5．耐磨性好
6．良好的疲劳性能和断裂韧性
7．不吸潮、不老化、气密性好
七．陶瓷基复合材料的主要性能
陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和比
重较小。但抗弯强度不高，断裂韧性低。
导热性能：金属>陶瓷>树脂 耐化学腐蚀性：陶瓷和树脂大于金属
八．复合材料的结构设计基础★
复合材料本身是非均质、各向异性材料。复合材料不仅是材料，更确切地说是结构，可以用纤维增强的
层合结构为例来说明这个问题。从固体力学角度，不妨将其分为三个“结构层次”:一次结构、二次结构、三次结构。
一次结均：指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相
材料的形状、分布、含量) 和界面区的性能;
二次结构：指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚
度、铺设方向、铺层序列);
三次结构：指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。
第二章 复合材料的基体材料
一．金属基复合材料选择基体的原则★
1．金属基复合材料的使用要求
2．金属基复合材料组成特点
3．基体金属与增强物的相容性
金属基复合材料在制备过程中金属基与增强物在高温复合过程中发生化学反应，在界面形成反应层。界
面反应层的形成会导致复合材料整体破坏，即相容性不好。因此选择基体合金元素时应选择既有利于基体与增强物侵润复合，又有利于形成合适稳定界面的合金元素。
二．金属基结构复合材料的基体★
1．用于450℃以下的轻金属基体（铝基、镁基）
2．用于450~700℃的复合材料的金属基体（钛合金）
3．用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体（镍基、铁基耐热合金）
三．无机胶凝材料
无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料。
1．水泥基体材料的特征
与树脂相比水泥基体有如下特征:
(1)水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由十分之几纳米到数十纳米。孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，
也会影响纤维与基体的界面粘接。
(2)纤维与水泥的弹性模量比不大，因水泥的弹性模量比树脂的高，对多数有机纤维而言，与水泥的弹性模量
比甚至小于1，这意味着在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应远不如纤维增强树脂。
(3)水泥基材的断裂延伸率较低，仅是树脂基材的1/10~1/20，故在纤维尚未从水泥, 基材中拔出拉断前，水泥
基材即行开裂。
(4)水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料，与纤维成点接触，故纤维的掺量受到很大限制。树脂基体在未固化
前是粘稠液体，可较好地浸透纤维中，故纤维的掺量可高些。
(5)水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维是不利的。
四．聚合物材料★
1. 聚合物材料包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。
2. 聚酯树脂有以下特点:
优点：工艺性良好，它能在室温下固化，常压下成型，工艺装臵简单，固化后的树脂综合性能良好，价格便宜。缺点：固化时体积收缩率大、耐热性差等。主要用于一般民用工业和生活用品中。
3．酚醛树脂
酚醛树脂是最早实现工业化生产的一种树脂。它的特点是在加热条件下即能固化，无须添加固化剂，
酸、碱对固化反应起促进作用，树脂固化过程中有小分子析出，故树脂固化需在高压下进行，固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，已固化的树脂有良好压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能，但断裂延伸率低，脆性大。
4．聚合物基体的组分★
主要组分：聚合物 辅助材料：固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等
5．聚合物基体的作用★
复合材料中的基体有三种主要的作用:
(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。
6．聚合物的结构★
(1)聚合物的分子链由很大数目（103~105数量级) 的结构单元组成，每个结构单元相当于一个小分子。
(2)链长有限的聚合物分子含有官能团或端基，其中端基不是重复结构单元的一部分。
(3)聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切关系。
7．聚合物的性能
(1)聚合物的力学性能（主键上化学键或分子键的相互作用力）
一般复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高。热塑性树脂在力学性能上有如下几个显著
特点:①具有明显的力学松弛现象; ②在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率; ③抗冲击性能较好。
(2)聚合物的耐热性能（交联程度）
(a)聚合物的结构与耐热性
从聚合物结构上分析，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。
(b)聚合物的热稳定性
关于提高聚合物热稳定性的途径有以下几种：①提高聚合物分子链的键能，避免弱键存在；②在聚合
物链中尽量引人较大比例的芳环和杂环。
(3)聚合物的耐腐蚀性能（树脂的含量和类型）
玻璃纤维增强的复合材料的耐化学腐蚀性能与树脂的类别和性能有很大的关系，同时，复合材料中
的树脂含量，尤其是表面层树脂的含量与其耐化学腐蚀性能有着密切的关系。
(4)聚合物的介电性能（极性，端基，官能团）
有良好的电绝缘性能。树脂大分子的极性越大，则介电常数也越大、电阻率也越小、击穿电压也越小、
介质损耗角值则越大，材料的介电性能就越差。
第三章 复合材料的增强材料
一．玻璃纤维的分类★
1．以玻璃原料成分分类
(1)无碱玻璃纤维(通称E 玻纤) ：强度高，耐热性和电性优良，能抗大气腐蚀，化学稳定性也好（但不耐酸）。
(2)中碱玻璃纤维：耐酸性好。
(3)有碱玻璃(A玻璃) 纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀极为敏感。
(4)特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅组成的高强玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维。
2．以单丝直径分类
粗纤维:30μm; 初级纤维:20μm; 中级纤维:10~20μm ;高级纤维:3~10μm (亦称纺织纤维) ；
超细纤维：小于4μm
3．以纤维外观分类
有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织) 、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。
4．以纤维特性分类
高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维及普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维) 。
二．玻璃纤维的结构
微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶
液所填充。
网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由Na, K, Ca, Mg 等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na, Ca等阳离子称为网络改性物。
三．玻璃纤维的化学组成
二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等
四．玻璃纤维的物理性能★
玻璃纤维越细，强度越高。
玻璃纤维具有一系列优良性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。
它的缺点是具有脆性，不耐腐蚀，对人的皮肤有刺激性等。
(1)外观和比重:光滑的圆柱，比重与Al 近似。
(2)表面积大
(3)玻璃纤维的力学性能：
①玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。比玻璃制品大，玻璃纤维的模量高于玻璃制品。
②玻璃纤维高强的原因：微裂纹少（结构缺陷小）。
③影响玻璃纤维强度的因素
A ．纤维直径和长度。随着纤维直径的减小和长度的缩短，纤维中微裂纹的数量和大小就会相应地减小，
这样强度就会相应地增加。
B ．化学组成。含碱量越高，强度越低。成型温度高、硬化速度快、结构键能大，强度越高。
C ．纤维的老化。当纤维存放一段时间后强度下降的现象，称为纤维的老化。
D ．纤维的疲劳。玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的情况。
E ．玻璃纤维成型方法和成型条件。玻璃硬化速度越快，拉制的纤维强度越高。
④玻璃纤维的弹性
A ．玻璃纤维的延伸率
纤维的延伸率(又称断裂伸长率) 是指纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率。玻璃纤维的延伸率
比其它有机纤维的延伸率低，一般为3%左右。
B ．玻璃纤维的弹性模量
玻璃纤维的弹性模最是指在弹性范围内应力和应变关系的比例常数。
(4)玻璃纤维的耐磨性和耐折性较差。
(5)玻璃纤维的热性能
玻璃纤维是一种优良的绝热才材料，热处理后强度下降。
(6)玻璃纤维的电性能
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多，这主要是因为无碱纤维中碱金属离子少的缘故。
(7)玻璃纤维及制品的光学性能优良。
五．玻璃纤维的化学性能★
1．侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况
当侵蚀介质与玻璃纤维制品作用时，多数是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分; 对于浓
碱溶液、氢氟酸、磷酸等，将使玻璃纤维结构全部溶解。
2．影响玻璃纤维化学稳定性的因素
(1)玻璃纤维的化学成分
Na 2O 、K 2O 的添加有利于提高纤维的抗酸腐蚀性。
玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。
(2)纤维表面情况
比表面积大，耐腐蚀性不好（玻璃耐腐蚀性好）
(3)侵蚀介质体积和温度
侵蚀介质体积越大，温度越高，玻璃纤维的化学稳定性下降越快。
(4)玻璃纤维纱的规格及性能
玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成。 有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成。
六．玻璃纤维及其制品的制造工艺
1．制造原丝
连续(无碱) 玻璃纤维及其制品的制造，一般由制球、拉丝和纺织三个部分组成。
2．浸润剂的作用
拉丝时为什么必须要用浸润剂? 这是由于浸润剂有多方面作用:
(1)使原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起;
(2)防止纤维间的磨损;
(3)使原丝相互间不粘结在一起;
(4)便于纺织加工。
七．特种玻璃纤维
1．高强度玻璃纤维
高强度玻璃纤维有镁铝硅酸盐和硼硅酸盐两个系统。
2．高模量玻璃纤维
高模量玻璃，这种玻璃也称M 玻璃或YM-35-A 玻璃
3．耐高温玻璃纤维
(1)石英纤维；(2)高硅氧玻璃纤维；(3)铝硅酸盐玻璃纤维。
4．空心玻瑞纤维
八．碳纤维的分类
1．根据碳纤维的性能分类
(1)高性能碳纤维
在高性能碳纤维中有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。
(2)低性能碳纤维
这类碳纤维有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。
2. 根据原丝类形分类
(1)聚丙烯腈基纤维；(2)粘胶基碳纤维；(3)沥青基碳纤维；(4}木质素纤维基碳纤维；(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维) 碳纤维。
3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维；(2)耐焰碳纤维；(3)活性碳纤维(吸附活性) ；(4)导电用碳纤维；(5)润滑用碳纤维；
(6)耐磨用碳纤维。
九．碳纤维的制造★
1．碳纤维的制造不能用熔融法或溶液法直接纺丝，可用气相法和有机纤维碳化法。
气相法是在惰性气氛中小分子有机物(如烃或芳烃等) 在高温下沉积成纤维。用这种方法只能制造晶须或
短纤维，不能制造连续长丝。
有机纤维碳化法是先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中，于高温下进行焙
烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维。
2．天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。选择的条件是加热时不熔融，可牵伸，且碳纤维产
率高。
3．制作碳纤维的主要原材料有三种：
(1)人造丝(粘胶纤维) ；(2)聚丙烯腈(PAN)纤维；(3)沥青。
4．无论用何种原丝纤维来制造碳纤维，都要经过五个阶段:
(1)拉丝 (2)牵伸 (3)稳定 (4)碳化 (5)石墨化
十．碳纤维的物理性能
1．碳纤维的比重在1.5~2.0之间；
2．各向异性；
3．比热一般为7.12x10-1KJ(kg〃℃) ，导热率有方向性，导热率随温度升高面下降；
4．比电阻与纤维的类型有关，碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。
十一．碳纤维的化学性能
碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，温度高于
400℃时，则出现明显的氧化，生成CO 和CO 2。在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性，与其它类型材料比较，碳纤维要在高于1500℃强度才开始下降。耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。
十二．芳纶纤维的性能特点及用途
1．力学性能
拉伸强度高，弹性模量高，密度小。
2．芳纶纤维的热稳定性
芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不熔
芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，纤维具有高的模量，较高的强度。
3．用途
(1)航空方面(2)航天方面(3)其它军事应用(4)民用
十三．其他纤维★
1． 碳化硅纤维
碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维，这种纤维具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性。
碳化硅纤维的制造方法主要有两种—化学气相沉积法和烧结法(有机聚合物转化法) 。
(1)碳化硅纤维的性能
①力学性能
强度、模量高，耐高温，80℃以下耐强酸、强碱。
(a)热性能在1000℃以下，其力学性能基本上不变，耐高温
(b)耐化学性能
(c)耐辐照和吸波性能
2．硼纤维
硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维，具有很高的比强度
和比模量，也是制造金属复合材料最早采用的高性能纤维。硼纤维具有良好的力学性能，强度高、模量高、密度小。硼纤维的弯曲强度比拉伸强度高。
3．晶须
晶须是目前已知纤维中强度最高的一种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作用力。
晶须高强的原因，主要由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。
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。
最常用的晶须是碳化键晶须，其强度大，容易掺混在陶瓷基体中。
4．氧化铝纤维
含氧化铝大于70%的纤维称为氧化铝纤维。将氧化铝含量小于70%，其余为二氧化硅和少量杂质的纤
维称为硅酸铝纤维。
氧化铝纤维的特点与应用:
(1)耐热性好；
(2)不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合；
(3)表面活性好；
(4)具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性；
(5)优良的抗压性能；
(6)电气绝缘、电波透过性好。
氧化铝纤维不足之处是密度比较大，约为3.2g/cm3，是所介绍纤维中最大的一种。
第四章 复合材料的界面
一．复合材料的界面：指基体与增强物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。★
二．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：★
1．传递效应 界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。
2．阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、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、电感应性、磁性、耐
热性、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、
耐机械冲击及耐热冲击性等。
5．诱导效应 一种物质(通常是增强物) 的表面结构使另一种(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，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
三．影响界面效应的因素★
①界面结合状态，②形态和物理-化学性质，③界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性。
四．界面的形成
第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程。
第二阶段：聚合物的固化阶段。
界面层的结构大致包括:界面的结合力（宏观和微观）、界面的区域(厚度) 和界面的微观结构等几个方面。
五．界面作用机理★
界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力。如果界面和基体的断裂应变都较低时，从提高断裂韧性的角度出发，适当减弱界面强度和提高纤维延伸率是有利的。
1． 界面浸润理论
填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要的，因浸润不良会在界面上产生空隙，易使应力集中而使复合材料发生开裂，如果完全浸润，则基体与填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚强度。
2．化学键理论
处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能
团。
3．物理吸附理论
增强纤维与树脂基体之间的结合是属于机械铰合和基于次价健作用的物理吸附。
4．变形层理论
如果纤维与基体的热膨胀系数相差较大，固化成型后在界面会产生残余应力，残余应力和载荷共同作用产生应力集中，使界面发生变形，从而松弛并减小界面应力。
5．拘束层理论
界面区（包括偶联剂部分）的模量介于树脂基体和增强材料之间，则可最均匀地传递应力。
6．扩散层理论
偶联剂形成的界面区应该是带有能与树脂基体相互扩散的聚合链活性硅氧烷层或其他的偶联剂层。
7．减弱界面局部应力作用理论
基体与增强纤维之间的处理剂，提供了一种具有“自愈能力”的化学键。
六．金属基复合材料的界面★
在金属基复合材料中往往由于①基体与增强物发生相互作用生成化合物，②基体与增强物的互扩散而形成扩散层，③增强物的表面预处理涂层，使界面的形状、尺寸、成分、结构等变得非常复杂。
1．界面的类型（界面因素：形状、尺寸、成分、结构）★
Ⅰ类界面是平整的，厚度仅为分子层的程度，除原组成成分外，界面上基本不含其它物质;
Ⅱ类界面是由原组成成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面;
Ⅲ类界面则含有亚微级左右的界面反应物质(界面反应层) 。
金属基纤维复合材料的界面结合可以分成以下几种形式:
(1) 物理结合（自由能降低促使界面结合，粗糙形态而产生机械铰合，摩擦结合）
(2) 溶解和浸润结合（去除纤维表面氧化层增强基体和纤维之间的溶解和浸润）
(3) 反应结合（界面发生化学反应形成新的化合物达到结合机体和增强纤维的作用）
2．影响界面稳定性的因素★
物理方面的不稳定因素主要指在高温条件下增强纤维与基体之间的熔融。
化学方面的不稳定因素主要与复合材料在加工和使用过程中发生的界面化学作用有关。它包括连续界
面反应、交换式界面反应和暂稳态界面变化等几种现象。
3．残余应力（复合材料在成型和冷却过程中造成的，在金属基复合材料结构设计中，应注意增强纤维与金属基
体的物理相容性）
物理相容性要求金属基体有足够的韧性和强度（强度：保证载荷的均匀传递。韧性：保证产生的裂纹
或位错在移动中不会发生应力集中。）物理相容性中最重要的是要求纤维与基体的热膨胀系数匹配。要求金属基体有足够的韧性和密度，以便能更好地通过界面将载荷传递给增强纤维。
假设纤维和基体的热膨胀系数及残余应力分别为αf 和αm 及σfr 和σmr ，纤维应变和残余应变分别为εf 和ε
fr ，则有
当αf =αm 时，σmr =σfr ;
当αf σfr ;
当αf >αm 时，σmr
如果△σr =σfr -σmr ，则
当αf =αm 时，△σr =0;
当αf
当αf >αm 时，△σr 为正值，即纤维中残余应力为拉应力，基体中为压应力。（好）
七．陶瓷基复合材料的界面
陶瓷基复合材料的界面在陶瓷基复合材料中，增强纤维与基体之间形成的反应层质地比较均匀，但通常它是脆性的。当反应层达到某一厚度时，复合材料的抗张强度开始降低，此时反应层的厚度可定义为第一临界厚度。如果反应层厚度继续增大，材料强度亦随之降低，直至达某一强度时不再降低，这时反应层厚度称为第二临界厚度。
八．增强材料的表面处理★
表面处理：在增强材料表而涂覆上一种称为表面处理剂的物质，这种表而处理剂包括浸润剂及一系列偶联剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。
1． 碳纤维的表面处理★
(1)氧化法。目的在于增加纤维表面粗糙度和极性基含量。氧化法有液相氧化和气相氧化之分。液相氧化法又可分成介质直接氧化和阳极氧化两种方式。气相氧化法中使用的氧化剂为空气、氧气、臭氧、二氧化碳等。
(2)沉积法。一般指在高温或还原性气氛中，使烃类、金属卤化物等以碳、碳化物的形式在纤维表面形成沉积膜或生长晶须从而实现对纤维表面进行改性的目的。
(3)电聚合法。将碳纤维作为阳极，在电解液中加入带不饱和键的丙烯酸脂、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等单体，通过电极反应产生自由基，在纤维表面发生聚合而形成含有大分子支链的碳纤维。
第六章 金属基复合材料
一．特点：具有较高的比强度、比模量、优良的导电性与耐热性，高韧性和高耐冲击性。
二．金属基复合材料的种类
1．按基体分类
铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料、镁基复合材料。
2．而按增强体分类
颗粒增强复合材料、层状复合材料、纤维增强复合材料
三．金属基复合材料中增强体的性质★
纤维状增强物能够最有效地增强金属基体。
1．对于纤维状增强体，以下几种性能基本上是其共同的要求:
(A)高强度；(B)高模量；(C)容易制造和价格低廉； (D)化学稳定性好； (E)纤维的尺寸和形状；
(F)性能再现性与一致性；( G)抗损伤或抗磨损性能。
四．金属基复合材料的强度（表现出各向异性，纵向和横向强度差别明显）
强度：木桶原理 模量：平均效应
1．纵向强度
材料强度与弹性性能不同，不代表整个测试段上的平均性能，而主要代表局部区的性能。材料强度可以定义为材料发生破坏的最弱横截面上的平均应力。
复合材料强度同组分性能间的关系可用如下的公式表示：
∗ σC=σF∙VF+σM∙VM
∗(σC表示复合材料的抗拉强度，即复合材料原始面积上的应力，σF为所有纤维上的平均应力，σM是基体在断裂时的平均应力，VF和VM是纤维和基体的体积分数。如果没有孔隙及第三相存在，则应有VF+VM=1。)
条件：(1)复合材料中的纤维和基体材料应变相等，即εc =εm =εp ，意味着界面结合牢固，不发生界面剥离。
(2)纤维强度不具有分散性，破坏时纤维全部断裂，当纤维体积分数V P 大于临界值时，复合效应才显
现，如小于临界值，复合材料的强度主要由基体决定。
当弱纤维断裂时，将引起三种重要的变化。
首先，由于破断纤维失去强度，而使该处截面上的强度降低。
第二，破断纤维裂纹周围的静应力集中会降低材料的有效强度。
第三，破断纤维失去载荷时产生的动应力波会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力。
2． 横向强度
横向模量的增强作用并不能代表复合材料的横向强度，因为复合材料都在最弱的横截面上破坏。
五．复合材料组分的相容性★
由于复合材料包含有两种或两种以上的相，要使组分间具有良好的配合，则这两相间必须具备物理相容性和化学相容性。
所谓物理相容性问题，是指基体应有足够的韧性和强度。物理相容性问题一般都和压力变化，或热变化时反映材料伸缩性能的材料常数有关。化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的界面结合、界面化学反应以及环境的化学反应等因素有关。
对于高温复合材料而言，以下的与化学相容性有关的问题则十分重要。
（1）△F —两相反应的自由能; （2）U —化学势（3）T —表面能; （4）D —晶界挡散系数;
（5）以及一些其它的扩散效应等。（氢脆）
六．铝基复合材料的特点（轻质，高的比强度、比模量）
目前关于硼-铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容:
(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。
(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。
(3)改进硼-铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。
1．增强纤维—硼纤维
硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。由于硼纤维的表面具有高的残余压缩
应力，因此对表面磨损和腐蚀不敏感。但抗氧化能力差，可通过表面沉积碳化硅提高其抗氧化性。
2．基体—纯铝或铝合金
硼纤维选择铝合金作为基体是由于铝合金具有良好的综合性能。能够热处理的6061和2024最受重视。
2024合金Al —4.5 Cu—1 Mg供应充足，时效强化后强度高，高温蠕变强度好，以及研究比较充分。
七．铝基复合材料的制造★
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。（前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。）
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。
八．铝基复合材料的二次加工★
1．成型：连接机械加工，热处理工艺
2．连接：硼-铝复合材料与承载结构附件的连接、铆接、焊接等。
3．机械加工：比较困难，原因在于各组分的力学性能不同
4．热处理：时效强化（基体强化）——界面反应
九．铝基复合材料机械性能
1．弹性模量
设计原则：使其工作载荷不超过所用材料的弹性范围。
2．强度及应力—应变特性
结构复合材料的最终性能是原材料的性能、成分以及加工和制造过程的结果。
(1)轴向拉伸
硼-铝复合材料的轴向拉伸特性取决于增强纤维的性能和复合材料的纤维含量。
如果纤维强度的重复性好，发现复合材料的轴向抗拉强度随纤维含量的变化实质上呈线性关系。
(2)横向拉伸
在多数情况下，50%纤维增强复合材料的横向抗拉强度只有轴向抗拉强度的10%~15%，而横向弹性模量约为轴向模量的60%。
所有硼-铝复合材料的横向拉伸特性可以根据断口的形貌分为三种常见的类型。
第一类：断口全为基体破裂；
第二类：断口则同时含有基体破裂和纵向纤维劈裂；
第三类：断口的典型情况是基体破裂和纤维-基体界面破裂。
3．蠕变及持久强度★
蠕变：高温环境下，材料发生塑性变形。
硼-铝在航空航天方面的重要应用，要求这种材料在高温下能长时间经受应力作用。硼-铝复合材料具有优良的抗蠕变性能。
4．缺口拉伸强度及断裂韧性
硼-铝复合材料的缺口敏感性低，断裂韧性高。
十．镍基复合材料★
1．蓝宝石晶须和蓝宝石杆
蓝宝石晶须：成本高，涂层必须薄，但易溶解，缺陷敏感，难于筛选。
粗蓝宝石杆：强度取决于表面完整性，而不取决于同尺寸的有关缺陷或其结构中的固有缺陷。
2．钛基复合材料
优点：①钛基复合材料的使用温度超过塑料基体的温度极限。
②在一般的结构材料中钛合金的比强度最高。
(1)相容性问题★
界面脆性相的生成会破坏复合材料的整体性能。
解决相容性问题方法:
①大限度减小反应的高速工艺;
②最大限度减少反应的低温工艺;
③研制低活性的基体;
④研制最大限度减少反应的涂层;
⑤选择具有较大反应容限的系列;
⑥设计上尽量减少强度降低的影响。
(2)钛基复合材料的研制（高速工艺+去除残余应力退火）
对钛-硼复合材料的进一步研究得出以下几条主要结论：
①用制造连续带材的方法能获得非常一致的性能。
②对纤维和基体之间的相互作用应加以控制以便制造出符合混合定则性能的复合材料。
③控制纤维和基体之间的反应，使其在550℃时有效寿命能达几千小时。
④虽然分离出来的纤维具有明显降低了的强度，但钛-硼复合材料仍能获得符合混合定则的性能。
十一．石墨纤维增强金属基复合材料
1．石墨纤维
制造碳纤维采用的原丝主要是人造丝和聚丙烯腈。
拉丝→牵伸→稳定→碳化→石墨化
铝、镁、镍和钴同石墨相容性好，而钛易于形成碳化物，因此不能直接与石墨纤维复合，需要进行
表面处理，以获得稳定的扩散引导层。
2．石墨-铝复合材料
单独利用压力是不能实现渗透的，为达到渗透的目的，必须改善石墨与铝之间的润湿性。
3．石墨-镍复合材料
在石墨纤维上电镀镍制成丝束，这种丝束是带状的、连续易弯、无捻度且每线都具有相当的金属沉
积层。电沉积工艺涂覆，渗透1000~2500根丝的石墨纤维束。
第七章 陶瓷基复合材料
一．特点：耐高温，耐磨损，耐腐蚀，高强度等优点，但脆性大。
二．陶瓷基复合材料的基体★
1．传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。★
陶瓷基复合材料的基体为陶瓷（常用的陶瓷基体主要包括:玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶
瓷等。），属于无机化合物。 目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等。陶瓷材料中的化学键往往是介于离子键与共价键之间的混合键。用作基体材料使用的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。
2． 玻璃★
玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种陶瓷材料。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即具有非晶态结构是玻璃的特征之一。在玻璃坯体的烧结过程中，由于复杂的物理化学反应产生不平衡的酸性和碱性氧化物的熔融液相，其粘度较大，并在冷却过程中进一步迅速增大。一般当粘度增大到一定程度(约1012Pa 〃s) 时，熔体硬化并转变为具有固体性质的无定形物体即玻璃。此时相应的温度称为玻璃化转变温度(Tg ) 。当温度低于T g 时，玻璃表现出脆性。加热时玻璃熔体的粘度降低，在达到某一粘度(约108Pa 〃s) 所对应的温度时。玻璃显著软化，这一温度称为软化温度(Tf ) 。T g 和T f 的高低主要取决于玻璃的成分。
3． 玻璃陶瓷★
玻璃陶瓷具有热膨胀系数小、力学性能好和导热系数较小等特点。
4．对由A 、B 两种元素组成的陶瓷中的离子键比例的计算，可由以下的经验公式进行
PAB=1−e(x−x) −2
xA与xB的差值越大，离子键性越强。
电负性：原子外层轨道吸收电子的能力，以F 的电负性为4作为参照。
CaO 和MgO 等氧化物的离子性很强，而WC 和SiC 等共价性强。一般说来，氧化物的离子性要比
碳化物和氮化物强。
5．陶瓷材料的晶体结构
(1)闪锌矿结构，包括ZnS 、CuCl 2、金刚石等
(2)钎锌矿结构，也是以ZnS 为主要成分的矿石，但为六方晶系
(3)NaCl 结构，立方晶系
(4)CsCl 结构
除了上述的几种较为简单的常见结构外，陶瓷材料的晶体结构还有:β-方石英结构，金红石结构, 萤石结构，赤铜矿结构，刚玉型结构及其它一些复杂结构。
三．陶瓷复合材料的增强体★
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维) 、晶须和颗粒三类。（常用纤维：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维：常用晶须：SiC 、Al 2O 3、Si 3N 4：常用颗粒：SiC 、Si 3N 4。）
四．纤维增强陶瓷基复合材料
1．单向排布长纤维复合材料
显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。
2．多向排布纤维增韧复合材料
二维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料、三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料
五．陶瓷基复合材料的成型加工技术
1．纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素。
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，则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关;
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有关。
2．纤维增强陶瓷基复合材料的成型方法:
(1)泥浆烧铸法
(2)热压烧结法
(3)浸渍法（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。缺点则是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的致密度较低。）
六．晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备(分散+混合+热压烧结)
配料→成型→烧结→精加工
1．配料：干法和湿法，以湿法为主
2．成型
混好后的料浆在成型时有三种不同的情况:(1)经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序;(2)把结合剂添
加于料浆中，不干燥坯料。保持浆状供给成型工序;(3)用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序。 成型方法：金属模成型法、橡皮模成型法、注射成型法、挤压成型法
第九章 碳/碳复合材料
一．碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的树脂碳(或沥青) 以及化学气相沉积(CVD)碳
所形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料，也被称为碳纤维增强碳复合材料。
组分：树脂碳、碳纤维和热解碳
特点：能承受极高的温度和极大的加热速率。高的烧结热，低的烧蚀率，抗热冲击性好，优异的耐摩擦性能，高的导热率。碳与生物体之间的相容性极好。
二．碳/碳复合材料的成型加工技术★
1．坯体
在沉碳和浸渍树脂或沥青之前，增强碳纤维或其织物应预先成型为一种坯体。三向织物的细编程度越高，碳/碳复合材料的性能越好，尤其是作为耐烧蚀材料更是如此。
2．基体★
碳/碳复合材料的碳基体可以从多种碳源采用不同的方法获得，典型的基体有树脂碳和热解碳。树脂碳
是合成树脂或沥青经碳化和石墨化而得，热解碳是由烃类气体的气相沉积而成。
其加工工艺方法可归结为以下几方面:
(1)把来源于煤焦油和石油的熔融沥青在加热加压条件下浸渍到碳/石墨纤维结构中去，再进行热解和再浸渍。
(2)一直有些树脂基体在热解后具有很高的焦化程度，热解后的产物能够有效地渗透进较厚的纤维结构。热解后必须进行再浸渍再热解，如此反复若干次。
(3)通过气相（通常是甲烷和氮气，有时还有少量氢气）化学沉积法在热的基质材料（如碳/石墨纤维）上形成高强度热解石墨。
(4)把由上述方法制备的但仍然是多孔状的的碳/碳复合材料在能够形成耐热结构的液态中浸渍，是又一种精制方法。
3．化学蒸气沉积(简称CVD) ★
在碳素结构的渗透工艺中使用化学蒸气沉积技术有可能大大提高碳/碳复合材料结构的性能。
“热解碳”(简称PC) 和“CVD 碳”是在1100℃左右碳源蒸气经热解而沉积在基质材料上的碳质的总称。
而“热解石墨”(简称PG) 则是由碳氢化合物气体在1750~2250℃沉积的碳，热解石墨的电性能、热性能和力学性能是各向异性的，随测试方向而变化。
如果热解石墨或热解碳在固体表面沉积的速度远远超过了在微孔内的沉积速度，则孔内的碳量就不再
增加，结果表面微孔就被封闭起来。注意表面沉积速率与内部速率的差异。
化学蒸气沉积基体碳主要方法：均热法、热梯度法、压差法、脉冲法
三．碳/碳复合材料的特性
碳/碳复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等因素密切有关。
1．力学性能
密度小、抗拉强度和扬氏模量高于一般碳素材料，配体类型关系密切。长丝缠绕和三向织物制品的强度
高，其次是毡/化学气相沉积碳的复合材料。碳/碳复合材料属于脆性材料。
2．热物理性能
热膨胀系数小，高温热应力小，导热系数比较高，比热高，随温度上升而提高，热抗震性能好。
3．烧蚀性能
碳/碳复合材料暴露于高温和快速加热的环境中，由于蒸发升华和可能的热化学氧化，其部分表面可被
烧蚀。但其表面的凹陷浅、良好在保留其外形，且烧蚀均匀而对称。
三向正交细编的碳/碳复合材料的烧蚀率较低。
4．化学稳定性
碳/碳复合材料除含有少量的氢，氮和微量的金属元素外，几乎99%以上都是由元素碳组成。因此它具
有和碳一样的化学稳定性。碳/碳复合材料的最大缺点是耐氧化性能差。
四．碳/碳复合材料的应用
高比强度，高比模量，耐烧蚀，传热导电，自润滑性，本身无毒。
(1)导弹、宇航工业的应用
(2)航空工业
(3)汽车工业
(4)化学工业
(5)电子、电器工业
(6)医疗方面