先进复合材料与航空航天

先进复合材料与航空航天航空与航天飞机材料的发展变化木质和布料铝合金、钢和钛合金飞机材料的发展变化复合材料航天领域和平来自于有效的威慑安全需要技术支撑国际形势－－实力政策飞机性能一半取决于设计,另一半取决于材料。材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智能化、微型化、无人化、电子化等方面的发展都离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多方面的,首先是“比强度”,即强度与密度之比,同时综合考虑其他性能,例如“比刚度”、断裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性等。对于功能材料,主要是要求良好的功能特性,例如隐形性能。材料对飞机的影响及飞机对材料的要求“哥伦比亚”穿越大气层解体时的图像“哥伦比亚”航天飞机起飞时隔热片曾被撞击复合材料在A380上的应用飞机的重量构成一架总重170吨的飞机，若减重1%，一年可节约300~600万美元引擎减轻机翼起落架燃料结构材料减轻效益3－7倍概论新材料发展的若干技术前沿新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，能源动力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。金属玻璃(MetallicGlasses)终结者金属玻璃比钢强度高3倍，弹性大10倍。研究前沿：信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、集成与微加工技术，结构陶瓷以及复合材料的补强、韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制备技术。耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料西北工业大学张立同院士此项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是国际上公认的反映一个国家先进航空航天器制造能力的新型热结构材料，这也使我国成为继法国和美国之后第三个掌握此技术的国家。稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素，简称稀土。稀土金属稀土提纯样品“中东有石油，中国有稀土”。稀土曾是让国人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开采出来的稀土资源降到“白菜价”。AIM-9“响尾蛇”系列导弹的红外引导头关键部分使用锑化铟材料制造稀土是制造“灵巧炸弹”精密制导武器、雷达夜视镜等武器装备不可缺少的元素美国宙斯盾系统雷达使用由中国稀土所制磁铁美国武器制造方面对稀土依赖程度非常高国际稀土之争白热化日欧美结盟施压中国;稀土开发伴随环境污染,中国基于环保节约等考虑实施稀土管制中国打响“稀土保卫战”设立国家级“特区”,我国首设稀土矿国家规划区矿区划定江西赣州;商务部降低2011年首批稀土配额11.4%,部分企业的出口配额甚至减少了三成;国务院关税税则委员会关于2011年关税实施方案的通知》（金属钕的出口关税税率由15%提高至25%纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，固态量子器件制备及纳米加工与组装技术。SpaceelevatorCarbonNanotubes神奇玻璃能自洁超薄二氧化钛镀膜(40nm)　能够分解有机污垢TiO2,光触媒，在受到大于二氧化钛能隙宽度的光线照射时（例如紫外光），内部电子会被激发，与空气的氧气和水分子发生作用，产生负氧离子和氢氧自由基。透明度，价格防皮肤癌的化妆品奥克斯尼卡公司几个月前推出一款产品，因为它含有钛氧化物纳米粒子，可以在长达8小时的时间内有效地抵挡UVA和UVB干净新鲜的衣物美国NanoHorizons公司，SmartSilver抵抗微生物和细菌侵蚀防菌绷带自动清洁和消毒的洗衣机、电冰箱和空调纳米材料的奇特用途能看电影的衣服－OLED定点杀死癌细胞的纳米药物轻巧结实的材料不会被刮花的汽车－纳米瓷透明涂料（奔驰汽车）材料智能合成与制备技术，材料表面改性技术的低成本化途径与批量生产技术，原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的设计与排布技术，材料微观结构的模型化技术、智能化控制及动态实时监测 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 技术，不同层次的材料设计、性能预测和 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 表征新技术。材料的设计、制备与评价技术：复合材料的发展历史树----纤维素纤维+木质素及半纤维素1、复合材料是一个需要长期科学研究的重要领域1）天然复合材料伴随着自然界的生存与发展天然材料几乎都是复合材料复合采用了自然规律特点:按照需要自然地生长受了伤自己能够恢复—再生能力非常强韧的结构骨----胶原纤维的有机物+磷酸钙的无机物生命体是多层次意义上的复合体系：生命体基本单位----细胞，是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体，各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。即使细胞膜也是有磷脂双分子层，蛋白质组成的复合功能体系。海胆：家在喜马拉雅山上海胆有五片刀片般的牙齿，合在一起像一组大钢牙，正好长在腹部中央。它的食物是海藻，大钢牙像除草机般，将海底藻类刮得干干净净进化的复合材料-海胆牙齿进化的复合材料-贝壳木质素纤维素6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。我们住在复合材料里燕子窝：泥土-草复合材料2）传统复合材料与人民生活密切相关草茎与泥土的复合玻璃纤维增强塑料生活中提炼解决初级水平的装备问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 3）人类在材料制造方面的局限性也促使复合材料的不断发展限定在很小的特定性能及机能上人类已进入了能够制造超天然物质的复合材料阶段综合性角度，要制造像天然物质那样精巧的复合材料人类的能力多少显得有些不够仿生复合材料发展的源泉2、复合材料的特性决定了其巨大的发展潜力1）单一成分物质,有其来自自身性质的界限高分子材料老化与耐温性金属材料的比重与加工性陶瓷材料的脆性轻质高强（高性能）多功能（特显功能）新的成型 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和技术不断开发2）复合材料发展趋势第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料第二代：1960年到1980年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-491975年先进复合材料“碳纤维增强及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。复合材料(compositematerials):由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能。复合材料的定义复合材料一词，国外起源于20世纪50年底，国内60年代；复合材料是一类成分复杂的多元多相体系，很难准确地予以定义；不同领域的复合材料有不同的含义（工业，现代材料学，狭义）复合材料的特征：可设计性。即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能；由基体组元与增强体或功能组元所组成；非均相材料。组分材料间有明显的界面；有三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）；组分材料性能差异很大组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现新性能；命名：复合材料可根据增强材料和基体材料的名称来命名，通常将增强材料放在前面，基体材料放在后面，再加上“复合材料”而构成。复合材料的命名与分类玻璃纤维/环氧树脂复合材料玻璃/环氧复合材料环氧玻璃钢（俗称）玻璃纤维复合材料（强调增强材料）环氧树脂复合材料（强调基体材料）C/C复合材料复合材料的分类：按基体材料分类①聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；②金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；③无机非金属基复合材料：包括陶瓷基、碳基和水泥基复合材料。按增强材料形态分类：①纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；②颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；③板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体复合材料结构示意图a)层叠复合b)连续纤维复合c)细粒复合d)短切纤维复合按用途分类①结构复合材料：用于制造受力构件；②功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、光、电、磁、摩擦、屏蔽等）③智能复合材料混杂复合材料复合材料系统组合航空航天工业先进固体发动机－－UHTCF复合材料。飞机减速板、刹车装置－－C/C复合材料，耐高温，耐腐蚀、耐摩擦。固体火箭的外壳及喷嘴－－CF/酚醛树脂复合材料。内燃机活塞、连杆、发动机气缸－－Al2O3/Al，高温强度、疲劳强度，热稳定性。复合材料的应用交通运输业超塑铝合金制造的汽车模型汽车车身、底盘、结构梁、驱动轴、方向盘、操纵杆、发动机罩、散热器罩等等－－聚合物基复合材料集装箱、火车车厢、冷藏车－－金属基复合材料天然气瓶－－玻璃钢建筑工业轻型结构房、卫生洁具、冷却塔、储水箱－－玻璃钢外墙、结构梁－－水泥基复合材料造船业交通艇、摩托艇、赛艇、救生艇－－纤维增强复合材料其他行业风机叶片、各种管道、撑杆、高尔夫球棒、网球拍、钓鱼杆、微波炉餐具等等－－碳纤维增强聚合物复合材料碳纤维环氧树脂复合材料降低纤维价格及开发新型纤维扩大复合材料的应用范围发展新的设计、制备方法和新的复合技术发展混杂纤维复合材料发展功能、多功能、机敏、智能复合材料纳米和仿生复合材料复合材料的进展及未来方向复合材料的增强体增强体是结构复合材料中能提高材料力学性能的组分，在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用。增强体的基本特征：能明显提高材料的一种或几种性能具有良好的化学稳定性具有良好的润湿性增强体的概念颗粒状（零维）纤维、晶须状（一维）片状（二维）立体编织物（三维）无机非金属类(共价键)有机聚合物类(共价键、高分子链)金属类(金属键)。按形态分类：按化学特征分类：增强体的分类一、玻璃纤维（GlassFibers）一种性能优异的无机非金属材料具有不燃、耐高温、电绝然、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能是将熔融的玻璃液，以极快的速度拉成细丝而成无普通玻璃的脆性，质地柔软而有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。无机非金属纤维玻璃纤维的制造方法主要有玻璃球法(也称为坩埚拉丝法)和直接熔融法(也称为池窑拉丝法)。分类：组成：SiO2+MetalOxides(Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3）。有碱玻璃纤维，碱性氧化物含量>12%，也称为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%，也称为E玻璃纤维按含碱量可分为：粗纤维，单丝直径30μm初级纤维，单丝直径30μm中级纤维，单丝直径10~20μm高级纤维，单丝直径3~10μm按单丝直径可分为：按纤维的外观可分为：无捻粗纱、有捻粗纱、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维按纤维的特性分类：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、普通玻璃纤维特性：力学性能：拉伸强度高，模量低热学性能：耐热性仅比聚合物好、良好的绝热性、热膨胀系数低电学性能：绝缘性好、良好的高频介电性能。耐介质性能：水中浸泡后，强度降低；除HF外，对酸、碱及有机溶剂有较好的耐腐蚀能力玻璃纤维制品种类玻璃纤维纱玻璃纤维布玻璃纤维带玻璃纤维管玻璃纤维毡水与玻璃纤维的化学反应过程：—Si—O—Na+H2O→—Si—OH+Na++OH-—Si—O—Si—+H2O→—Si—O—+—Si—OH—Si—O-+H2O→—Si—OH+OH-影响玻璃纤维强度的因素直径：拉伸强度随直径降低而增加。长度：拉伸强度随长度降低而增加。化学组成：含碱量越高，强度越低。存放时间：纤维的老化，与含碱量有关。施加负荷时间：纤维的疲劳。玻纤的成型工艺和条件。瞄准新材料之王碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用。　　二、碳纤维CarbonFibers分类：按先驱体原料：黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和气相生长碳纤维。碳纤维：由有机纤维如黏胶纤维、沥青纤维或聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）纤维在保护气氛（N2或Ar）下热处理碳化成含碳量90－99％的纤维。按功能：受力结构用碳纤维；耐焰（火）碳纤维；活性碳纤维（吸附活性）；导电用碳纤维；润滑用碳纤维；耐磨用碳纤维；耐腐蚀用碳纤维。高性能碳纤维（HP）中强型（MT）高强型（HT）超高强型（UHT）中模型（IM）高模型（HM）超高模型（UHM）按力学性能：通用级碳纤维（GP）UHMHMIMUHTHT拉伸模量/Gpa拉伸强度/Gpa含碳量/%﹥400300~400180~200200~350200~250﹥1.7﹥1.72.7~3.0﹥2.762.0~2.7599.899.096.594.599.0200-300℃，空气中预氧化1150℃惰性气体保护PAN基碳纤维的制备过程碳纤维的性能最突出的特点是强度和模量高、密度小（1.5～2.0g/cm3),因而比强度、比模量高。耐高低温性能好，在惰性气体保护下，2000℃任保持良好的力学性能。液氮下不脆断。良好的导电导热性能，且有方向性。耐腐蚀性，除了强氧化剂如浓硝酸、次氯酸外，一般的酸碱对它的作用小，较GF具有更好的耐腐蚀性。热膨胀系数小，甚至为负值；摩擦系数小，耐水性比GF好。断裂伸长率低。碳纤维的不足之处是价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上，因此大大限制了它的推广应用。此外碳纤维的抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。1958年C.P.Talley首先用化学气相沉积（Chemicalvapourdeposition，简称CVD）方法研制成功高模量的硼纤维。现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝、碳芯或铝丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。三、硼纤维（BoronFibre，BF或Bf）2BCl3＋3H26HCl＋2B硼沉积的化学反应：硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为350~400GPa。主要用于金属基复合材料。纵向压缩强度高于任何纤维复合材料硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。直径大、质硬、不能编织，导致成型性差。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维的缺点目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。SiC纤维是高强度高模量的陶瓷纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。最高使用温度为1250℃，在1200℃其拉伸强度和弹性模量均无明显下降，因此比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。此外SiC纤维还具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。四、碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）氧化铝纤维是多晶连续陶瓷纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。具有优良的耐热性和抗氧化性，直到1370℃强度仍下降不大。缺点是在所有纤维中密度最大,3-4g/cm3。主要用于金属基复合材料。五、氧化铝纤维（AluminiaFibre，AF或（Al2O3）f）①芳香族酰胺纤维（AromaticPolymideFibre,Aramid,Kevlar（Dupont）,KF）化学结构特点：含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体苯环与酰胺键交替排列对称性好，结晶性好分子间有氢键Kevlar有机纤维：Kevlar纤维、聚乙烯纤维Kevlar纤维-49的性能力学性能弹性模量高，CF＞Ef＝125Gpa≈2GF拉伸强度高，3620Mpa，与S-GF、CF-Ⅱ相当密度小，1.45g/㎝3,低于GF、CF良好的韧性各向异性抗蠕变、疲劳性能好抗压性能、抗扭性能较低－－芳纶的致命弱点。Kevlar纤维的制造过程：这种纤维用干喷湿纺法职称，具体工艺流程如下：将原料溶于浓硫酸中，制成各向异性液晶纺丝液→挤压喷丝→干湿纺→溶剂萃取与洗涤→干燥→Kevlar29纤维→在氮气保护下经550℃热处理→Kevlar49纤维2）热性能良好的热稳定性和耐低温性。Tc427℃,Tm570℃，直至分解不变形Td500℃,-196℃不变脆，仍能保持其性能。3）化学性能除强酸强碱以外，不受任何有机溶剂、油类的影响。因大量苯环存在，耐紫外光差，吸收水分后，破坏氢键，纤维强度降低。聚乙烯纤维是目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。通常聚乙烯纤维的分子量大于106，纤维的拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为100GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。在纤维材料中，聚乙烯纤维具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。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。②超高相对分子量聚乙烯纤维（Polyethylene,UHMWPE）各种纤维性能比较各种纤维的柔韧性及断裂从图所示的纤维的应力一应变曲线表明，各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服。从拉断后纤维的TEM观察发现，仅Kevlar49纤维呈韧性断裂。而碳纤维和玻璃纤维几乎就是理想的脆性断裂，断裂时不发生截面积的缩小。由图还可以比较各种纤维的弹性模量大小。比强度和比模量是纤维性能的一个重要指标。聚乙烯纤维具有最佳的比强度和比模量搭配，碳纤维的比模量最高。氧化铝纤维由于密度最大，因而比模量和比强度较低，比模量最低的是玻璃纤维。晶须（Wisker）是指具有一定长径比（一般大于10）和截面积小于52×10-5cm2的单晶纤维材料。具有实用价值的晶须直径约为1～10μm，长度与直径比在5～1000之间。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。晶须增强体金属晶须（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd）氧化物晶须（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2）陶瓷晶须（如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC）硼化物晶须（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2）无机盐类晶须（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。晶须的制备方法有化学气相沉积（CVD）法、溶胶—凝胶法、气液固（VLS）法、液相生长法、固相生长法和原位生长法等。晶须分类：1）刚性颗粒增强体（RagidParticleReinforcement）。颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化钛、氮化硅、石墨、细金刚石等。用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体（ParticleReinforcement）颗粒增强体颗粒增强体以很细的粉末（一般在10μm以下）加入到基体中起提高耐磨、耐热、强度、模量等作用。如在Al合金中加入体积为30%，粒径为0.3μm的Al2O3颗粒,材料在300℃时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。颗粒增强体成本低，易于批量生产。2）延性颗粒增强体（DuctileParticleReinforcement）复合材料设计原理复合材料设计的基本思想成型方法及工艺过程力学分析复合材料设计复合材料的可设计性各向异性性质弹性常数热膨胀系数材料强度复合材料的设计不均匀性对复合材料进行分析时，需首先判断材料内部的拉压特性，并结合不同的强度准则对其进行分析。此外，复合材料的几何非线性及物理非线性也是需要特殊考虑的。复合材料设计的基本思想对外部环境与载荷的要求选材复合材料的响应代表性单元的性能考察机械载荷热载荷潮湿环境基体材料增强材料几何形状成型方法工艺及工艺过程优化的设计细观力学方法有限元方法实验力学方法典型结构的宏观性能应力场温度场等设计变量的优化损伤及破坏分析强度准则损伤机理破坏过程复合材料的界面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。复合材料界面的概念1、外力场2、基体3、基体表面区4、相互渗透区5、增强剂表面区6、增强剂一、界面效应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：一种物质（通常是增强剂）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，如高弹性、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。二、界面的结合状态和强度界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。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。界面结合最佳态是：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。界面结合过强的复合材料：则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。一、物理相容性：（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。（2）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。（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合及各类性能产生重要的影响。复合材料组分的相容性★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，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。二、化学相容性：★对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。★对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。1）相反应的自由能F：小2）化学势U：相近3）表面能T：低4）晶界扩散系数D：小三、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表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。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:可使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。根据力的合成：Lcos=S-SL粘合功可表示为：WA=S+L-SL=L（1+cos）粘合功WA最大时：cos=1，即=0，液体完全平铺在固体表面。同时：=SL,S=L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：当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。尽管表面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。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表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。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。在理论上可获得最强的界面粘结能（210-220J/mol）。5、界面反应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应，从而形成反应结合或扩散结合。四、界面的表征1、界面结合强度的测定1）三点弯曲法：★测定界面拉伸强度时纤维的排布★测定界面剪切强度时纤维的排布2）声发射（AcousticEmissin，AE）法：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。富碳处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为富SiO2处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为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（TEM）扫描电镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）等TiB2纤维表面涂层SiCF/Ti复合材料界面SEM3、界面残余应力及其表征（1）界面残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），而增强体则体积相对稳定使界面产生内应力，同时又因增强体与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残余应力。（A）界面残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。（B）界面残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残余应力的状态有关。已经发现，由于复合材料界面存在残余应力使之拉伸与压缩性能有明显差异。2、界面残余应力的测量主要方法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表面的残余应力。目前，应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。第四章复合材料的复合理论一、复合材料增强机制1、颗粒增强复合材料增强机制基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒起着阻碍基体位错运动的作用，从而降低了错的流动性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转，同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。颗粒增强复合材料的屈服强度可有下式表示：式中：σy－复合材料屈服强度；Gm－基体的切变模量；b－为柏氏矢量；d－颗粒直径；C－常数VP－颗粒体积分数；Gp－颗粒的切变模量。2、弥散增强复合材料增强机制基体是承受外来载荷的主要相；颗粒起着阻碍基体位错运动的作用，从而降低了错的流动性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转，同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。弥散增强复合材料的屈服强度可由下式表示：式中：σy－复合材料屈服强度；Gm－基体的切变模量；b－为柏氏矢量；d－颗粒直径；VP－颗粒体积分数。3.纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维等），不是主承力相。纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。受力分析如下：假定：纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上。短纤维增强复合材料的拉伸强度可由下式表示：式中：σm*－与纤维的屈服应变同时发生的基体应力；σfF－纤维的平均拉伸应力；Vf－纤维的体积分数；l－纤维的长度；lc－最大拉应力等于纤维断裂强度时纤维的强度，纤维的临界长度，。分析上式可得：（1）l/lc愈大，复合材料的拉伸强度愈大。当l/lc＝10时，增强效果可达到连续纤维的95%。（2）引入纤维直径d，（l/d）c为纤维临界长径比，当（l/d）c10时，复合材料可获得理想的增强效果。二、复合材料的复合法则—混合定律1、混合定律：当复合材料满足以下条件:(连续纤维增强）（1）复合材料宏观上是均质的，不存在内应力；（2）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料；（3）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。复合材料力学性能同组分之间的关系Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm（1-Vf）式中：X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V：材料的体积百分比；下脚标c、m、f分别代表复合材料、基体和纤维。2、连续纤维单向增强复合材料弹性模量、抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符合混合定律。如果考虑界面效应，通常是在纤维的影响因子前面乘以一个系数。在平行于纤维长度方向的强度计算，主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。3、短纤维增强复合材料短纤维复合材料的强度与纤维长度的关系示意图第五章复合材料的基体（Matrix）材料一、聚合物聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。1、热固性聚合物: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交联化学反应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。三维网状高分子示意图主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。各种热固性树脂的固化反应机理不同，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。2、热塑性聚合物:它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶、可熔，可反复加工而无化学变化。包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。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；抗冲击性能较好。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3、常用热固性树脂： 1)环氧树脂(EP):一种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团(—C—C—)的低聚物。O按化学结构分类如下：缩水甘油醚缩水甘油类缩水甘油胺缩水甘油酯脂环族EP脂肪族EP环氧树脂是线型结构，必须加入固化剂使它变为不溶不熔的网状结构才有用途。常用的固化剂包括脂肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸酐等。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应；2）离子型引发剂，它可分阴离子和阳离子；3）交联剂，它能与双酚A型环氧树脂的氢氧基进行交联。2)双马来酰亚胺树脂（BMI）双马树脂是马来酸酐与芬香族二胺反应生成预聚体，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1.351.4g/cm3之间，玻璃化温度（Tg）在250300C之间，使用温度为150200C。热固性树脂的力学性能表2、热塑性树脂：1）聚醚醚酮（PEEK）PEEK是一种半结晶型热塑性树脂，其玻璃化转变温度为143C，熔点为334C，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C，加工温度在370420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250C的温度下长期使用。2）聚苯硫醚（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240C。3）聚醚砜（PES）非晶聚合物，玻璃化转变温度225C，可在180C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）热塑性聚酰亚胺聚醚酰胺（PEI）：长期使用温度为180℃。聚酰胺酰亚胺（PAI）：Tg达280℃，长期使用温度为240C。高聚物特征温度：玻璃化转变温度Tg，熔点Tm和粘流温度TfTg以下：为硬而脆或硬而韧的固体玻璃态；Tg附近：非晶高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基本固定；热固高聚物Tg随其交联度的增加而增加。当交联度很高时，达到Tg后无明显的软化现象。Tm（结晶）：成为高粘度的流体。Tf（非晶）：成为高粘度的流体。温度及加载速度对高聚物力学性能的影响二、金属1用于450C以下的轻金属基体包括：铝、镁及其合金1.1  铝及其合金:铝面心立方结构，无同素异构转变。熔点为660C，密度2.7g/cm3。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、锰和硅等。可分变形铝合金和铸造铝合金(ZL)。其中：变形铝合金可分为:防锈铝(LF)、硬铝（LY）、超硬铝(LC)、锻铝（LD）。★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介质将合金急冷至室温，获得最大饱和度的均匀固溶体。★时效处理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。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/cm3。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。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、锆、锰和稀土等。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。镁-铝合金相图镁-锌合金相图2、用于450700C复合材料的金属基体（钛及其合金）钛的密度为4.51g/cm3，熔点1678C，热膨胀系数7.3510-6/K，导电和导热性差，耐腐蚀性良好。钛有两种同素异构结构。882.5C以下为密排六方结构（-Ti）；882.5C以上至熔点为体心立方结构（-Ti）。钛合金复合材料中常用钛及钛合金成分及性能3、用于1000C高温复合材料的金属基体3-1高温合金高温合金是铁基、镍基和钴基高温合金的总称，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。强化方式：固溶强化、弥散强化和析出硬化。例如：奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相形成高温合金。其中：强化相可以是碳化物相、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。高温合金基体的力学性能★镍基合金：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。★钴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。3-2金属间化合物(IntermetallicCompound)概念：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。金属间化合物可分结构金属间化合物和功能金属间化合物两大类。常见AB、A2B、A3B、A5B3、A7B6型等化合物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。金属间化合物晶体结构虽然复杂，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。例如：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2-Ti3Al和-TiAl两类。三、陶瓷陶瓷是金属与与非金属的固体化合物，以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4、BN）以及离子键和共价键的混合键结合在一起。陶瓷材料的显微结构通常由晶相、玻璃相和气相（孔）等不同的相组成。优点：陶瓷材料具有熔点高、硬度大、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀、比重小强度和模量高等优点，可在各种苛刻的环境下工作；另一方面，陶瓷材料在磁、电、光、热等方面的性能和用途具有多样性和可变性，是非常重要的功能材料。陶瓷材料的致命弱点：是脆性大、韧性差，常因存在裂纹、空隙、杂质等缺陷而引起不可预测的灾难性后果。陶瓷基复合材料是改变其脆性、提高韧性的有效途径。用于复合材料陶瓷基体主要有氧化物（Al2O3等）、氮化物（Si3N4等）和碳化物（SiC等）。1、氧化物陶瓷氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2和莫来石（3Al2O32SiO2）陶瓷等。其熔点在1700C以上，主要为单相多晶结构，还可能有少量气相（气孔）。微晶氧化物的强度较高；粗晶结构时，晶界残余应力较大，对强度不利。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低。这类材料应避免在高应力和高温环境下使用。这是因为Al2O3和ZrO2的抗热震性差；SiO2在高温下容易发生蠕变和相变等。2、非氧化物陶瓷主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。碳化物、硼化物的抗热氧化温度约900-1000C，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度可达1300-1700C。★氮化硅（Si3N4）属六方晶系，有、两种晶相。其强度和硬度高、抗热震和抗高温蠕变性好、摩擦系数小，具有良好的耐（酸、碱和有色金属）腐蚀（侵蚀）性。抗氧化温度可达1000C，电绝缘性好。★-SiC属六方晶系，-SiC属等轴晶系。高温强度高，具有很高的热传导能力以及较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。★氮化硼具有两种结构：A、类似石墨的六方结构，可作为高温自润滑材料在高温（1360C）和高压作用下可转变成立方结构的-氮化硼。B、-氮化硼立方结构，耐热温度高达2000C，硬度极高，可作为金刚石的代用品。4、玻璃陶瓷（微晶玻璃）许多无机玻璃可通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。对于某些玻璃反玻璃化过程可以控制，最后能够形成无残余应力的微晶玻璃。这种材料成为玻璃陶瓷。密度为2.0-2.8g/cm3,弯曲强度为70-350MPa,弹性模量为80-140GPa。玻璃陶瓷具有热膨胀系数小，力学性能好和导热系数较大等特点。如：锂铝硅（Li2O-Al203-SiO2，LAS）玻璃陶瓷的热膨胀系数几乎为零，耐热好。镁铝硅（MgO-Al203-SiO2，MAS）玻璃陶瓷的硬度高，耐磨性好。四、碳（石墨）熔点：3550C（超过3500C开始升华）；沸点：4200C。同素异形体：金刚石、石墨、无定形碳。比重：无定形碳为1.88、石墨为2.25、金刚石为3.51。第六章复合材料增强剂(Reinforcement)纤维及其织物、晶须、颗粒一、复合材料增强剂的特点（图7–1）1、具有很低的比重；2、组成这些化合物的元素都处在元素周期表中的第二、第三周期；3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合；4、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。不同复合材料增强剂的强度和模量二、纤维1、无机纤维1-1、玻璃纤维（GlassFiber）玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。玻璃纤维品种性能一览表1-2、碳纤维碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。含碳量95%左右的称为碳纤维；含碳量99%左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小，比强度、比模量大见下表，耐热性和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，是一类极为重要的高性能增强剂。制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维）聚丙烯腈（PAN）纤维和沥青（Pitch）等。经过分为五个阶段：1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。2）牵伸：通常在100300C范围内进行，控制着最终纤维的模量。3）稳定：在400C加热氧化。显著地降低热失重，保证高度石墨化、取得更好的性能。4）碳化：在10002000C范围内进行。5）石墨化：在20003000C范围内进行。碳纤维制备工艺流程PAN基碳纤维制备工艺流程：PAN原丝空气中预氧化，施张力使纤维伸长约10%。(200300C)1150惰气中碳化1h，施张力约0.5N/束。碳纤维(低模高强)2100C石墨化惰气中1分钟，施张力约12N/束。石墨纤维(高模高强)碳化过程：有机化合物在惰性气氛中加热到1000-1500C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。石墨化过程：当温度升到20003000C时，非碳原子进一步排除，反应形成的芳环平面逐步增加，排列也较规则，取向度显著提高，由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化，此阶段称为石墨化过程。形成的石墨纤维弹性模量大大提高。 碳纤维热处理温度与强度及弹性模量的关系不同品种碳纤维的力学性能2、陶瓷纤维2-1、硼纤维（BoronFiber）制备工艺：化学气相沉积（CVD）。2BCl3+3H22B+6HCl中心是碳纤维或钨纤维典型性能：直径：100140m；抗张强度：3500MPa弹性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3状态：连续单丝。硼纤维抗氧化和高温性能较差，在400C时可保持室温强度的80%；在高于500C的氧化气氛中几分钟其强度就迅速下降；在650C时将失去所有的性能。同时其成本也较高，成本下降的潜力也不大。室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就可与树脂复合，其复合材料具有较高的层间剪切强度。对于含氮化合物亲和力大于含氧化合物。但在高温下易与大多数金属反应，需要在纤维表面沉积保护涂层，如SiC和B4C等。硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。2-2、氧化铝纤维(AluminaFiber)氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的机械性能以及耐热性和抗氧化性。制备氧化铝纤维的方法较多，有-、-、-Al2O3连续纤维和-Al2O3短纤维。-Al2O3与树脂及熔融金属的相容性好，氧化铝纤维主要用于金属基复合材料。缺点是密度较大。各种氧化铝纤维的性能2-3、碳化硅纤维碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点同时还具有良好的抗氧化和高温性能，其室温性能可保持到1200C。其成本下降的潜力很大。适合于制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。碳化硅纤维的制备方法有先驱体转化法和CVD法两种。1）先驱体转化法1975年由日本矢岛教授首先研制成功。有Nicalon（尼卡隆）和Tyranno（奇拉隆）两种商品。纤维呈束状，每束500根左右，每根纤维10m左右。聚碳硅烷纺丝聚碳硅烷纤维N2下高温处理Nicalon（尼卡隆）2）CVD法制备SiC纤维直径：100140m；抗张强度：3500MPa弹性模量：400GPa；密度：3.03.4g/cm3状态：连续单丝。制备方法：将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热到1200~1300C的同时通入适量的氯硅烷与氢气的混合反应气体反应气体在热丝上发生热解反应生成SiCCH3SiCl3+H2SiC+HCl+•••并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续SiC纤维各种SiC纤维的性能比较三、晶须（Whisker）晶须是指具有一定长径比和截面积小于5210-5cm2的单晶纤维材料。其直径为0.1到几个微米,长度为数十到数千微米。但具有实用价值的晶须的直径约为1-10微米,长径比在5–100之间。晶须是含缺陷很少的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。ZnO晶须微观形貌SiC晶须微观形貌晶须的制备方法有：化学气相沉积（CVD）法、溶胶-凝胶法、气液固法、液相生长法、固相生长法和原位生长法等。制备陶瓷晶须经常采用CVD法。即通过气体原料在高温下反应，并沉积在衬底上而长成晶须。例如CVD法制备SiC晶须的基本反应式为：CH3SiCl3（g）+H2SiC+HCl（g）CVD法制备难溶金属氮化物和碳化物的基本反应式为：2MCl4（g）+4H2+N2=2MN（s）+8HCl（g）MCl4（g）+CH2=MC（s）+4HCl（g）VLS法制备SiC晶须的过程是：在预选高温将触媒固体颗粒（30m）熔化成液态触媒球，通入气相源(H2、CH4、SiO)，气相中的碳、硅原子被液球吸收溶解形成过饱和的碳硅溶液，以SiC的形式沉积在支撑衬底上。沉积不断进行，晶须不断生长，触媒球被生长着的晶须抬起，继续吸收、溶解和沉积。固相生长法的典型实例利用稻壳法制备SiC晶须具体反应是：稻壳(700-900C、无氧气氛)SiO2(s)+C(s)SiO2（s）+3C（s）SiC+2CO(g)晶须不仅具有优异的力学性能，而且许多晶须具有各种特殊性能，可用来制备各种性能优异的功能复合材料。晶须的成本较高，影响其应用。目前已开发出许多低成本晶须，如K2Ti6O13等。另外晶须在基体材料中的分散工艺也是目前需要解决的问题之一。四、颗粒（Particle）具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，加入到基体材料中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。其成本低，易于批量生产。另外，还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体（DuctileParticleReinforcement），主要为金属颗粒，一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中起到增韧作用。如Al2O3中加入Al、Ni，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能有所下降。第七章聚合物复合材料（PMC）制备工艺7.1聚合物复合材料的分类7.1.1纤维增强（FRC）（1）按纤维形态：连续纤维和非连续纤维；（2）按铺层方式：单向；织物；三维；（3）按纤维种类：玻璃纤维；碳纤维；芳纶（Kevlar）纤维；混杂纤维；7.1.2晶须增强（WRC）7.1.3粒子增强（PRC）7.2聚合物复合材料的性能（1）高比强、高比模量。（2）设计性强、成型工艺简单。（3）热膨胀系数低，尺寸稳定。（4）耐腐蚀、抗疲劳性能好。（5）减震性能好。（6）高温性能较好。（7）安全性能好。聚合物复合材料与几种金属材料的力学性能比较材料GFRP玻璃纤维增强热固性塑料（玻璃钢）CFRP碳纤维增强热固性塑料钢铝钛密度,g/cm32.01.67.82.84.5拉伸强度,GPa1.21.81.40.481.0比强度6001120180170210拉伸模量,GPa4213021077110比模量2181272725热膨胀系数(10-6/K)80.212239.07.3聚合物复合材料的制备工艺7.3.1预浸料/预混料制备预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。预混料是指不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后所形成的较厚的片（SMC、GMT）团状（BMC）或粒状半成品以及注射模塑料（IMC）。SMC片状模塑料；GMT玻璃毡增强热塑性塑料；BMC团状模塑料；IMC颗粒状注射模塑料；后浸渍技术：预浸料中树脂以粉末、纤维或包层等形式存在，对纤维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。（1）预浸料制备：（2）预混料制造a.SMC(片状模塑料)和BMC(团状模塑料)制造：这是一类可直接进行模压成型而不需要事先进行固化、干燥等其它工序的纤维增强热固性模塑料。其组成包括短切玻璃纤维、树脂、引发剂、固化剂或催化剂、填料等。SMC一般用专用SMC机组制造；BMC(团状模塑料)用捏合法制造。b.GMT(玻璃毡增强热塑性塑料)制造：GMT是一种类似于热固性SMC的复合材料半成品。所采用的增强剂是无碱玻璃纤维、无纺毡或连续纤维。制造工艺有熔融浸渍法和悬浮浸渍法。c.IMC(颗粒状注射模塑料)制造：IMC一般使用双螺杆挤出机制造，由切割机切断，长度一般为3–6mm。7.3.2成型工艺（1）手糊成型用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单的成型工艺。用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中，通过浇、刷或喷的方法加上树脂；纱或毡也可在铺放前用树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方法赶出其中的空气。如此反复，直到所需厚度。固化通常在常温、常压下进行，也可适当加热，或常温时加入催化剂或促进剂以加快固化。袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型的工艺之一。将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等，在热压下固化。经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构形状的构件。（2）压力成型：a.袋压成型：真空袋成型；压力袋成型；b.热压罐成型工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物，在真空条件下在热压罐中加热、加压固化。固化压力通常在0.35-0.7MPa。1-橡皮囊；2-成型套；3-模具；4-毛坯；5-弓形夹；6-热压罐；7-底板；（3）缠绕成型：缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。（4）拉挤成型：是高效率生产连续、恒定截面复合型材的一种自动化工艺技术。其特点是：连续纤维浸渍树脂后，通过具有一定截面形状的模具成型并固化。（5）模压成型：对模模压成型是最普通的模压成型技术。它一般分为三类：坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料模压。（6）挤出成型是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的热塑性塑料（粉料或粒料）从料斗进入挤出机加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的连续体。挤出成型工艺示意图（7）注射成型注射成型是热塑性塑料制品的常用成型方法，多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要为短切纤维，纤维含量通常有20％、30%两种。（8）喷射成型这是一种半机械化成型技术。它是将混有引发剂的树脂和混有促进剂的树脂分别从喷枪两侧喷出或混合后喷出，同时将纤维用切断器切断并从喷枪中心喷出，与树脂一起均匀地沉积在模具上，待材料在模具上沉积一定厚度后，用手辊压实，除去气泡并使纤维浸透树脂，最后固化成制品。喷射成型原理图（9）树脂传递成型：先将增强剂置于模具中形成一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化的一种复合材料生产工艺，是FRP（纤维增强塑料）的主要成型工艺之一。特点是：污染小，为闭模操作系统，另外在制品可设计性、可方向性增强、制品综合性能方面优于SMC、BMC。树脂传递成型示意图7.3.3PMC的界面(1)PMC的界面特点：（A）大多数界面为物理粘结，结合强度较低，力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。（B）PMC的界面一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。（C）PMC中增强剂本身一般不与基体材料反应。(2)PMC界面设计基本原则：改善浸润性、提高界面结合强度。(A)使用偶联剂偶联剂是一种化合物，其分子两端含有不同的基团，一端可与增强剂发生化学或物理作用，另一端则能与基体材料发生化学或物理作用，从而使增强剂与基体靠偶联剂的偶联紧密地结合在一起。(B)增强剂表面（活化）处理由于碳纤维本身的结构特征（沿纤维轴向择优取向的同质多晶）以及石墨表面能低，纤维不能被树脂很好浸润。可通过适当的表面处理以改变纤维表面形态、结构，使其表面能提高，以改善浸润性或使表面生成一些能与树脂反应形成化学键的活性官能团，如引入-COOH、-OH、-NH2、C=O等，从而提高纤维与基体的相容性以及结合强度。(C)使用聚合物涂层改善基体和纤维的润湿性以及界面粘接状态；改善界面应力状态。使用溶液涂敷、电化学及等离子聚合等方法可获得聚合物涂层。第八章金属基复合材料（MMC）制备工艺8.1概述8.1.1金属基复合材料的研究重点1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；2）增强相/基体的界面优化、界面设计；3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；4）新型增强剂的研究开发；5）复合材料的扩大应用。8.1.2金属基复合材料制备工艺的分类：1）固态法：真空热压扩散结合、热等静压、超塑性成型/扩散结合、模压、粉末冶金法。2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。4）原位生长法。8.1.3连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金——固态、液态法碳纤维镁合金——固态、液态法硼纤维钛合金——固态法SiC纤维高温合金——固态法氧化铝纤维金属间化合物——固态法8.1.4不连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法颗粒镁合金—液态法晶须钛合金—固态、液态法、原位生长法短纤维高温合金—原位生长法金属间化合物—粉末冶金、原位生长法8.2先驱（预制）丝（带、板）的制备8.2.1粉末法纤维/基体复合丝首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体，然后将纤维通过带有一定孔径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。8.2.2PVD法纤维/基体复合丝采用磁控溅射等物理气相沉积（PVD）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，形成纤维/基体复合丝。PVD法纤维/基体复合丝原理图8.2.3等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：8.2.5熔池法纤维/基体复合丝这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。　　由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。对石墨纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相Al4C3生成。8.3金属基复合材料（MMC）制备方法8.3.1粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。缺点:工艺流程较长，成本较高优点：1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；2）可根据要求设计复合材料的性能；3）利于增强相与金属基体的均匀混合。4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；5）利于净成型或近净成型，二次加工性好。8.3.2固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）（1）真空热压扩散结合（2）热等静压（HIP）复合丝热等静压制备金属基复合材料管材示意图：（3）模压成型模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制体（板）放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材。8.3.3液态法　　（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）（1）压铸法在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。（2）半固态复合铸造将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。（3）喷射成型法该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成“雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一起在一基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。喷射成型法示意图（4）无压浸渗法美国Lanxide公司开发的一种新工艺。将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。然后一齐均装入可通入流氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。无压浸渗法制备Al2O3（f）/Al复合材料工艺原理示意图8.3.4原位（Insitu）生长（复合）法增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。（1）共晶合金定向凝固：共晶合金定向凝固要求合金成分为共晶或接近共晶成分，开始为二元合金，后发展为三元单变共晶，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。定向凝固时，参与共晶反应的和相同时从液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规则排列生成。定向凝固共晶合金复合材料的原位生长必须满足三个条件：（1）有温度梯度（GL）的加热方式；（2）满足平面凝固条件；　　　　　GL/VI=mL（CE–C0）/DL式中：GL：液相温度梯度；VI：凝固速度；mL：液相线斜率；　CE：共晶成分：C0：合金成分；　　　　DL：溶质在液相中的扩散系数。（3）两相的成核和生长要协调进行。（2）反应生长法（XDTM）该工艺可生成颗粒、晶须或共同增强的金属和金属间化合物基复合材料。根据所选择的原位生长的增强相的类别或形态，选择基体和增强相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成预制体，并加热到熔化或自蔓延燃烧（SHS）反应发生的温度时，预制体的组成元素进行放热反应，以生成在基体中弥散的微观增强颗粒、晶须和片晶等例如：Al+Ti+BTiB2+AlTiB2/AlAl+Ti+CTiC+AlTiC/AlFe2O3+AlAl2O3+Fe+850KJAl2O3/Fe反应生长法（XDTM）工艺原理示意图8.4金属基复合材料的界面和界面设计8.4.1金属基复合材料的界面8.4.2　金属基复合材料的界面优化以及界面设计改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。从界面优化的观点来看：　　增强剂与基体的在润湿后又能发生适当的界面反应，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。　金属基复合材料的界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：8.4.2.1　增强剂的表面改性处理　增强材料的表面改性（涂层）处理可起到以下作用：　（1）改善增强剂的力学性能，保护增强剂的外来物理和化学损伤（保护层）；　（2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；　（3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应(阻挡层)　（4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）；　（5）促进增强剂与基体的（化学）结合（牺牲层）。常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。常用纤维涂层种类：SiC纤维—富碳涂层、SCS涂层等；硼纤维—SiC涂层、B4C等；碳纤维—TiB2涂层、C/SiC复合涂层等。8.4.2.2　金属基体改性（添加微量合金元素）在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。　（1）控制界面反应。　（2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间。　（3）改善增强剂与基体的润湿性。8.4.3金属基复合材料的性能第九章陶瓷基复合材料9.1陶瓷基复合材料概述特种陶瓷具有优秀的力学性能、耐磨性好、硬度高及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大，耐热震性能差，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。陶瓷基复合材料使材料的韧性大大改善，同时其强度、模量有了提高。陶瓷基复合材料的力–位移曲线不同金属、陶瓷基体和陶瓷基复合材料的断裂韧性比较材料整体陶瓷颗粒增韧晶须增韧金属Al203ZrO2/Al203SiC/Al203铝钢断裂韧性2.7～4.26.5～158～1033～4444～669.2陶瓷基复合材料的制备工艺9.2.1粉末冶金法工艺流程：原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）均匀混合（球磨、超声等）冷压成形（热压）烧结适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。9.2.2浆体法（湿态法）为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状。即在浆体中呈弥散分布。采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料。浆体法制备陶瓷基复合材料示意图9.2.3反应烧结法用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：（1）增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的烧结温度，因此可避免纤维的损伤。此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。反应烧结法制备SiC/Si3N4基复合材料工艺流程图9.2.4液态浸渍法用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。陶瓷熔体可通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙。施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。液态浸渍法制备陶瓷基复合材料示意图9.2.5直接氧化法按部件形状制备增强体预制体，将隔板放在其表面上以阻止基体材料的生长。熔化的金属在氧气的作用下发生直接氧化反应形成所需的反应产物。由于在氧化产物中的空隙管道的液吸作用，熔化金属会连续不断地供给到生长前沿。Al+空气Al2O3Al+氮气AlN直接氧化法制备陶瓷基复合材料示意图9.2.6溶胶–凝胶（Sol–Gel）法溶胶（Sol）是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒（直径100nm）的悬浮液；凝胶（Gel）是水分减少的溶胶，即比溶胶粘度大的胶体。Sol–Gel法是指金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量级水平。（1）Sol–Gel法制备SiO2陶瓷原理如下：Si(OR)4+4H2OSi(OH)4+4ROHSi(OH)4SiO2+2H2O使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、均匀分布在基体中，经过干燥或一定温度热处理，然后压制烧结形成相应的复合材料。(2)溶胶–凝胶法也可以采用浆体浸渍法制备增强相预制体9.2.7化学气相沉积法（CVD）是以气态物质为原料，在高温下发生热分解或化学反应合成材料的一种方法。A(g)→B(s)+C(g)例如：CH3SiCl3(g)→SiO2(s)+3HCl(g)或：A(g)+B(g)→C(s)＋D(g)例如：SiCl4(g)＋O2(g)→SiO2(s)+Cl2(g)能够制备碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等。生产效率降低，需14~21天。CVD法制备纤维陶瓷基复合材料示意图9.2.8化学气相浸渍（CVI）法与CVD法类似，不同点是气源不仅热分解或化学反应，而且还与坯体表面的元素发生反应，并在孔隙中沉积反应产物。9.2.9其它方法（1）聚合物先驱体热解法以高分子聚合物为先驱体成型后使高分子先驱体发生热解反应转化为无机物质，然后再经高温烧结制备成陶瓷基复合材料。此方法可精确控制产品的化学组成、纯度以及形状。最常用的高聚物是有机硅（聚碳硅烷、酚醛树酯、沥青等）。制备工艺流程：制备增强剂预制体浸渍聚合物先驱体热解再浸渍再热解……b.陶瓷粉+聚合物先驱体均匀混合模压成型热解(2)原位复合法利用化学反应生成增强组元—晶须或高长径比晶体来增强陶瓷基体的工艺称为原位复合法。其关键是在陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物，控制其生长条件使在基体致密化过程中在原位同时生长出晶须；或控制烧结工艺，在陶瓷液相烧结时生长高长径比的晶相，最终形成陶瓷基复合材料。例如：复合材料β-Si3N4(w)/Si3N4(p)的制备，Si3N4在Y2O3、La2O3、CeO2等稀土氧化物作为添加剂时能够以晶须状β-Si3N4(存在。例如：复合材料α-SiC(w)/β-SiC(p)的制备，β-SiC(p)在α-SiC晶种（0.5%）及Y2O3和Al2O3存在的条件下，常压1900℃×0.5h烧结后2000℃×5h热处理，部分β-SiC(p)α-SiC(w)。例如：高压电瓷中二次莫来石晶须的生成。9.3陶瓷基复合材料的界面和界面设计9.3.1界面的粘结形式（1）机械结合（2）化学结合陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。9.3.2界面的作用陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。9.3.3界面性能的改善为了获得最佳界面结合强度，希望避免界面化学反应或尽量降低界面的化学反应程度和范围。实际当中除选择增强剂和基体在制备和材料服役期间能形成热动力学稳定的界面外，就是纤维表面涂层处理。包括C、SiC、BN、ZrO2和SnO2等。纤维表面涂层处理对纤维还可起到保护作用。纤维表面双层涂层处理是最常用的方法。其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求，而外部涂层在较高温度下防止纤维机械性能降解。9.4增韧机理9.4.1颗粒增韧（1）非相变第二相颗粒增韧假设第二相颗粒与基体不存在化学反应，热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源之一。当pm时，当颗粒处于拉应力状态，而基体径向处于拉伸状态、切向处于压缩状态时，可能产生具有收敛性的环向微裂；裂纹在基体中发展，增加了裂纹扩展路径，因而增加了裂纹扩展的阻力当pm时，若颗粒在某一裂纹面内，则裂纹向颗粒扩展时将首先直接达到颗粒与基体的界面。此时如果外力不再增加，则裂纹就在此钉扎，这就是裂纹钉扎增韧机理的本质。若外加应力进一步增大，裂纹继续扩展，或穿颗粒发生穿晶断裂，或绕过颗粒，沿颗粒与基体的界面扩展，裂纹发生偏转。即使发生偏转，因偏转程度较小，界面断裂能低于基体断裂能，增韧的幅度也较小。（2）延性颗粒增韧在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒能明显提高材料的断裂韧性。其增韧机理包括由于裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥。当基体与延性颗粒的和E值相等时，利用延性裂纹桥可达最佳增韧效果。但当和E值相差足够大时，裂纹发生偏转绕过金属颗粒，增韧效果较差。（3）纳米颗粒增强增韧将纳米颗粒加入到陶瓷中时，材料的强度和韧性大大改善。增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配与残余应力是纳米复合材料中的重要增强、增韧机理。（4）相变增韧当将氧化锆颗粒加入其它陶瓷基体中时，氧化锆的相变使陶瓷的韧性增加。单斜相(m)ZrO2四方相(t)ZrO2立方相ZrO21170C2370Ctm转变具有马氏体的特征，伴随有3～5%的体积膨胀。这一相变温度正处在室温与烧结温度之间，对材料的韧性和强度有很大影响。如果在ZTA（ZrO2/Al2O3）中加入某些稳定氧化物（如Y2O3等），则会拟制ZrO2的tm相变。当从制备温度冷却下来时，通过控制晶粒尺寸(小于室温相变临界尺寸)，可以制备出全部或部分为四方相(t)ZrO2组成的氧化锆多晶陶瓷。此时四方ZrO2处于亚稳态，当材料受外力作用时，在应力的诱导下，发生tm相变。相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，同时相变颗粒发生体积膨胀，并在其周围产生大量的微裂纹，阻碍了主裂纹的扩展。因而不但提高了材料的强度而且提高了韧性。相变增韧示意图ZTA中应力诱变韧化导致性能随ZrO2体积含量的变化关系图9.4.2纤维、晶须增韧（1）裂纹偏转由于纤维周围的应力场，基体中的裂纹一般难以穿过纤维，相对而言它更易绕过纤维并尽量贴近纤维表面扩展，即裂纹偏转。裂纹偏转可绕着增强体倾斜发生偏转或扭转偏转。偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂纹，而且裂纹的扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量因而起到增韧作用。裂纹偏转增韧原理a：裂纹倾斜偏转；b：裂纹扭转偏转；c：增强剂长径比对裂纹扭转偏转的影响。（2）脱粘（Debonding）复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要能量。尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。（3）纤维拔出（Pull–out）纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。纤维首先脱粘才能拔出。纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用。纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。（4）纤维桥接（FiberBridge）对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。另外：桥接机制适用于可阻止裂纹尖端、裂纹表面相对运动的任何显微结构特征（颗粒、晶须等）。