全屏显示专题章节

由两种或两种以上不同化学本质的物质，通过人工混合而成的材料称为复合材料。其结构为多相：一类为基体相起黏接作用；另一类为增强相。为改善性能，还可加入一种或数种填料。不同材料复合，发挥了各自单一的优点，能得到优良的综合性能，因而可以根据使用性能要求，合理地选择组成材料。

复合材料可以分为功能复合材料和结构复合材料。前者还处于研制阶段，后者用于结构零件的结构复合材料开发品种较多，特别是以高聚物为基的结构复合材料，而以金属或陶瓷为基的结构复合材料相对较少。

复合材料可分为以金属为基和非金属为基的两大类。目前大量研究和使用的是以高聚物为基的复合材料。

3．按增强相的种类和形状分类

复合材料可分为颗粒状、层状、纤维增强等复合材料，发展最快、应用最广的是各种纤维（如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）增强的复合材料。

这里介绍的是纤维增强复合材料，它是各向异性的非均质材料，与传统材料相比，主要性能特点如下。

1．比强度和比模量高

许多结合零件不但要求强度高，而且要求质量轻，这就要求使用的材料有高的比强度（强度／密度）和比模量（弹性模量／密度）。复合材料的基体（如高聚物）和增强剂（如玻璃、碳和硼纤维）的密度都不大。所以，复合材料的比强度和比模量都比较大，是各类材料中最高的。例如，碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，它的强度是钢的7倍，模量比钢大3倍。

2．抗疲劳性能好

复合材料中的基体和增强纤维间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，疲劳破坏在复合材料中总是从承裂能力较薄弱的纤维处开始的，然后逐渐扩展到结合面上，所以，复合材料的疲劳极限比较高。例如，金属材料的疲劳强度是拉伸强度的40%～50%，而复合材料的疲劳强度高达强度值的70%～80%。

结构的自振频率除了与结构本身的质量、形状有关外，还与材料比模量的平方根成正比，材料的比模量大，则其自振频率也高，可防止在工作状态下产生共振而引起快速脆断，由于大量存在的纤维与基体间的界面吸振能力强，阻尼特性好，振动也会很快衰减。

4．耐高温性能好

在增强纤维中，除玻璃纤维软点较低外（700～900℃），其他纤维的熔点（或软化点）一般都在2 000℃以上，因而纤维与金属基体组成的复合材料中高温强度与弹性模量都较高。例如，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金复合材料，在400℃强度与弹性模量仍保持接近室温水平，用钨纤维增强镍、钴及其合金时，能在1 000℃以上工作。

纤维增强复合材料是力学上典型的静不定体系，在每平方厘米的截面上，有几千至几万根增强纤维，其中一部分受载荷作用断裂后，应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来，所以断裂安全性好。

复合材料构件的制造工艺简单，适合整体成型，因而可减少零部件、紧固件和接头数目，节省原材料加工时，大大减轻重量。

除以上优良特性外，复合材料还有较好的减摩润滑性、化学稳定性。某些复合材料还有些特殊性能，如隔热性、耐腐蚀性及电、光、磁等性能。

复合材料的主要缺点是断裂伸长小，抗冲击性能尚不够理想，工艺方法中手工操作多，生产周期长、效率低，产品不稳定且价格高等。上述缺陷改善后，将会进一步扩大使用范围。

1．纤维增强复合材料

（1）玻璃纤维复合材料。玻璃纤维复合材料是以玻璃纤维（如玻璃、玻璃带、玻璃毡等）为增强剂，以树脂为黏合剂制成的。玻璃纤维极其柔软，比玻璃的强韧性高得多。玻璃纤维与热固性树脂制成的复合材料称为玻璃钢，常用的树脂有酚醛、环氧不饱和聚酯、有机硅树脂等。玻璃钢有较高的强度、韧性，高的比强度（密度为1．5～2．0g／cm³），其缺点是弹性模量较低，耐热性不高，易老化、蠕变。

玻璃钢的应用广泛，特别是各种受力构件，如各种车辆车身、飞机的机翼、氧气瓶等；耐腐蚀结构件，如轻型船体、耐腐蚀容器、管道等；电机电器上的绝缘件，如抗磁仪表、器件等。

（2）碳纤维复合材料。碳纤维复合材料是由碳纤维与合成树脂复合而成的材料，合成树脂主要为热固性塑料，如酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和热塑料聚四氟乙烯塑料等。碳纤维复合材料具有高的比强度、比弹性模量、导热性小、摩擦系数小、抗冲击性能好、疲劳强度大等优点，缺点是各向异性突出，耐高温性差，与树脂的黏结力不够大等。碳纤维复合材料常用于轴承、齿轮、密封圈、衬垫板、人造卫星和火箭的机架、壳体、天线构架，化工压力容器、搅拌器等。

（3）硼纤维复合材料。硼纤维复合材料是硼纤维与树脂或金属制成的复合材料，基体可以是环氧树脂，也可以是铝、镁、钛等金属材料。硼纤维复合材料的强度、弹性模量、疲劳强度都较高。硼纤维复合材料主要用于航空、宇航工业中，如翼面、转子、直升机螺旋叶片和传动轴等。

（4）晶须复合材料。晶须复合材料以金属或陶瓷针状单晶体纤维作为增强剂，以树脂为基体的复合原料，目前已制成氧化铝、碳化铝、碳化硅、氮化硅等晶须与环氧树脂制成的层压板，它们的强度接近理论强度，可用于涡轮机叶片等。

2．层叠复合材料

层叠复合材料是由两种或两种以上不同材料层叠在一起复合而成的，主要分为以下三类。

（1）塑料复层材料复合。在普通钢板上覆盖一层塑料，可提高耐腐蚀性，用于化工、食品工业。

（2）玻璃复层。在两层玻璃板间夹一层聚乙烯醇缩丁醛，常用来制作安全玻璃。

（3）三层复合材料复合。三层复合材料是以钢板为基体，多孔青铜为中间层，塑料为表层制成的，适用于各种轴承及机床导轨等耐磨件。

3．细粒复合材料

细粒复合材料是以粒状、粉状的金属或陶瓷等为增强剂与树脂、金属或其他材料为基体复合而成的复合材料。常用的细粒复合材料有以下两类。

（1）金属粉粒与塑料复合。金属粉粒加入塑料中便成细粒复合材料。如铅粉加入氟塑料中，提高了导电、导热性，降低了线膨胀系数，可制作隔音材料、射线的罩屏及轴承等。

（2）陶瓷粒与金属复合。由陶瓷粒与金属基体复合而成的细粒复合材料也称为金属陶瓷，可制作高速切削刀具、高温耐磨模具及耐蚀、耐磨轴承等。

4．骨架复合材料

（1）多孔浸渍材料。把多孔材料浸渍氟塑料或低摩擦系数的油脂，可制作轴承。石墨浸渍树脂可作为抗磨材料。

（2）夹层结构材料。在金属、塑料或木材等薄而强的面板材料之间夹一层热固性泡沫塑料等轻质芯子复合而成的材料。夹层结构材料的质轻、抗弯强度大，可用于大型电机的机罩、飞机的机翼、隔板及化工冷却塔等。

纤维增强复合材料　层叠复合材料　细粒复合材料

骨架复合材料　普通陶瓷　特种陶瓷　金属陶瓷　晶相玻璃相

2．何谓复合材料？纤维增强复合材料有何特性？

3．简述常用复合材料的分类、特征及其应用。

4．何谓陶瓷？有哪些种类？

5．简述陶瓷的力学性能特点。

6．高温、高强度、耐磨、耐腐蚀陶瓷有哪几类？简述它们的特点与应用。