21 金属学与热处理 粉末并使之弥散分布而形成的复合材料;后者则指以微米级颗粒增强的金属、树脂或陶瓷 (1)弥散强化复合材料。一般加入增强颗粒粒径在0.1μm~0.01μm之间,加入量也 在1%~15%之间。增强颗粒可以是一种或几种,但应是均匀弥散地分布于基体材料内部 该类复合材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似,基体仍是承受载荷的主体。所 不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生的第二相质点,它们随温度的升高仍可保 持其原有尺寸。同时这些弥散颗粒将阻碍导致基体塑性变形的位错的运动(金属基)或分子 链的运动(树脂基),提高了变形抗力。同时由于所加入的弥散粒子大都是高熔点高硬度且 高稳定的氧化物碳化物或氮化物等,故粒子还会大大提高材料的高温强度和蠕变抗力;对 于陶瓷基复合材料其粒子则会起到细化晶粒,使裂纹转向与分叉,从而提高陶瓷强度和韧 性。当然粒子的强化效果与粒子粒径、形态、体积分数和分布状态等直接相关。 (2)颗粒增强复合材料。这类材料是用金属或高分子聚合物把具有耐热、硬度高但不 耐冲击的金属氧化物碳化物或氮化物等颗粒黏结起来形成的材料,其中颗粒尺寸为微米量 级,原则上讲,其几何形状可以是任意的,但一般情况下,基本上为几何对称。实践表明 复合材料的性能受到颗粒大小的影响,为提高増强效果,通常选择尺寸较小的颗粒,并且 尽可能使其均匀分布于基体之中。在该种复合材料中,颗粒不是通过有效阻碍位错的运动 而使材料强化,而是借助于限制颗粒邻近基体的运动来达到强化基体的目的。它具有基体 材料脆性小、耐冲击的优点,又具有陶瓷硬度耐热性特点,复合效果显著。其所用粒子粒 径较大,一般为1pm~50m,体积分数在20%以上。因此复合材料的使用性能主要决定 于粒子的性质,此时粒子的强化作用并不显著,但却大大提高了材料耐磨性和综合力学性 能,这种方式主要用作耐磨减摩的材料,如硬质合金、粘接砂轮材料等。 纤维增强复合材料的复合机制 义的纤维增强复合材料是指由高强度、高模量脆性纤维类增强体与韧性基体(树脂 金属)或脆性基体(陶瓷)羟经一定工艺复合而成的多相材料。提高基体在室温和高温下的强度 和弹性模量是纤维增强树脂或金属的主要设计目标,而纤维增强陶瓷的主要目的并非是为 提高其强度和弹性模量,其着眼点在于提高基体材料的韧性,即增韧。因此,通常所讲的 纤维增强复合材料主要指纤维增强树脂或纤维増强金属材料。 增强纤维的种类很多,根据直径的大小和性能特点,可分为纤维和晶须两种类型。目 前用作增强体的纤维大多数是直径为几至几十微米的多晶材料或非晶材料,因长度的不同 又可细分为连续长纤维和短纤维。 )短纤维及晶须增强复合材料。其强化机制与弥散强化复合材料的强化机制类似。 但由于纤维明显具有方向性,因此在复合材料制作时,如果纤维或晶须在材料内的分布也 具有一定方向性,则其强化效果必然也是各向异性的。短纤维(或晶须)对陶瓷的强化和韧 化作用比颗粒增强体的作用更有效更明显,纤维增加了基体与增强体的界面面积,具有更 为强烈的裂纹偏转和阻止裂纹扩展效果。 (2)长纤维增强复合材料。这类复合材料的增强效果主要取决于纤维的特性,基体只 起传递和分散应力的作用,材料力学性能主要取决于纤维的强度、纤维与基体的界面强度、 基体的抗剪强度。其强度的增强效果与纤维的体积分数、纤维直径、纤维的抗拉强度、纤 维长度、长径比、基体的黏结强度、基体的抗拉强度有关。应用较多的有玻璃纤维和碳纤·212· 金属学与热处理 ·212· 粉末并使之弥散分布而形成的复合材料；后者则指以微米级颗粒增强的金属、树脂或陶瓷。 (1) 弥散强化复合材料。一般加入增强颗粒粒径在 0.1 µm～0.01 µm之间，加入量也 在 1%～15%之间。增强颗粒可以是一种或几种，但应是均匀弥散地分布于基体材料内部。 该类复合材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，基体仍是承受载荷的主体。所 不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生的第二相质点，它们随温度的升高仍可保 持其原有尺寸。同时这些弥散颗粒将阻碍导致基体塑性变形的位错的运动(金属基)或分子 链的运动(树脂基)，提高了变形抗力。同时由于所加入的弥散粒子大都是高熔点高硬度且 高稳定的氧化物碳化物或氮化物等，故粒子还会大大提高材料的高温强度和蠕变抗力；对 于陶瓷基复合材料其粒子则会起到细化晶粒，使裂纹转向与分叉，从而提高陶瓷强度和韧 性。当然粒子的强化效果与粒子粒径、形态、体积分数和分布状态等直接相关。 (2) 颗粒增强复合材料。这类材料是用金属或高分子聚合物把具有耐热、硬度高但不 耐冲击的金属氧化物碳化物或氮化物等颗粒黏结起来形成的材料，其中颗粒尺寸为微米量 级，原则上讲，其几何形状可以是任意的，但一般情况下，基本上为几何对称。实践表明， 复合材料的性能受到颗粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且 尽可能使其均匀分布于基体之中。在该种复合材料中，颗粒不是通过有效阻碍位错的运动 而使材料强化，而是借助于限制颗粒邻近基体的运动来达到强化基体的目的。它具有基体 材料脆性小、耐冲击的优点，又具有陶瓷硬度耐热性特点，复合效果显著。其所用粒子粒 径较大，一般为 1 µm ～50 µm，体积分数在 20%以上。因此复合材料的使用性能主要决定 于粒子的性质，此时粒子的强化作用并不显著，但却大大提高了材料耐磨性和综合力学性 能，这种方式主要用作耐磨减摩的材料，如硬质合金、粘接砂轮材料等。 2. 纤维增强复合材料的复合机制 广义的纤维增强复合材料是指由高强度、高模量脆性纤维类增强体与韧性基体(树脂、 金属)或脆性基体(陶瓷)经一定工艺复合而成的多相材料。提高基体在室温和高温下的强度 和弹性模量是纤维增强树脂或金属的主要设计目标，而纤维增强陶瓷的主要目的并非是为 提高其强度和弹性模量，其着眼点在于提高基体材料的韧性，即增韧。因此，通常所讲的 纤维增强复合材料主要指纤维增强树脂或纤维增强金属材料。 增强纤维的种类很多，根据直径的大小和性能特点，可分为纤维和晶须两种类型。目 前用作增强体的纤维大多数是直径为几至几十微米的多晶材料或非晶材料，因长度的不同 又可细分为连续长纤维和短纤维。 (1) 短纤维及晶须增强复合材料。其强化机制与弥散强化复合材料的强化机制类似。 但由于纤维明显具有方向性，因此在复合材料制作时，如果纤维或晶须在材料内的分布也 具有一定方向性，则其强化效果必然也是各向异性的。短纤维(或晶须)对陶瓷的强化和韧 化作用比颗粒增强体的作用更有效更明显，纤维增加了基体与增强体的界面面积，具有更 为强烈的裂纹偏转和阻止裂纹扩展效果。 (2) 长纤维增强复合材料。这类复合材料的增强效果主要取决于纤维的特性，基体只 起传递和分散应力的作用，材料力学性能主要取决于纤维的强度、纤维与基体的界面强度、 基体的抗剪强度。其强度的增强效果与纤维的体积分数、纤维直径、纤维的抗拉强度、纤 维长度、长径比、基体的黏结强度、基体的抗拉强度有关。应用较多的有玻璃纤维和碳纤