210 金属学与热处理 基体与增强体之间结合力的大小应相适度,其强度只要足以传递应力即可。结合力过小 增强体和基体间的界面在外载作用下易发生开裂:结合力过大,又易使复合材料失去韧性 因此需根据基体和增强体的性质,来控制界面的状态,以获得适宜的界面结合力。另外, 基体与增强体之间还应具有一定的相容性,即相互之间不发生反应。 10.1.3复合材料的特性 复合材料不仅能保持原组分材料的部分优点和特性,而且还可借助于对组分材料、复 合工艺的选择与设计,使组分材料的性能相互补充,从而显示出比原有单一组分材料更为 优越的性能。除性能可设计外,各种类型的复合材料,尤其是先进复合材料还具有优异的 力学性能、物理性能和工艺性能。 1.性能的可设计性 由于复合材料体系完全是人为确定,因此复合材料最显著的特性,是其性能(主要指力 学性能、物理性能和工艺性能)在一定范围内具有可设计性。可根据材料的基本特性、材料 间的相互作用和使用性能要求,可以人为设计并选择基体材料类型、增强体材料类型及其 数量形态和在材料中的分布方式,同时还可以设计和改变材料基体和增强体的界面状态 由它们的复合效应可以获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能。但是,复合材料性 能的可设计性大都不是借助于传统材料。因此从理论上说可以获得一类材料,其能将两种 以上不同材料的完全不同的优秀性能系于一身,满足更为复杂恶劣和极端使用条件的要求 2.力学性能特点 应该说不同复合材料是没有统一的力学性能特点。因为其性能是根据使用需求而设计 确定的,其力学性能特点应该与复合材料的体系及加工工艺有关。但就常用的工程复合材 料而言,与其相应的基体材料相比较,其主要有如下的力学性能特点 ①比强度、比模量高:这主要是由于增强体一般为高强度、高模量而相对密度小的材 料,从而大大增加了复合材料的比强度(强度/密度)和比模量(弹性模量/密度)。如碳纤维增 强环氧树脂比强度是钢的7倍,比模量则比钢大3倍。材料的比强度和比模量是材料性 能的重要指标,高的比强度、比模量可使结构质量大幅度减小。低结构质量意味着军用飞 机可増加弹载、提高航速、改善机动特性、延长巡航时间,而民用飞机则可多载燃油、提 高客载 ②抗疲劳性能好:疲劳是材料在交变载荷下,因裂纹的形成和扩展而产生的低应力破 坏。在纤维增强复合材料中存在着许多的纤维一树脂界面,这些界面能阻止裂纹进一步扩 展,从而推迟疲劳破坏的产生,因此其疲劳抗力高:对脆性的陶瓷基复合材料这种效 果还会大大提高其韧性,是陶瓷韧化的重要方法之一。大多数金属材料的疲劳强度是抗拉 强度的40%~50%,而碳纤维增强复合材料高达70%~80%,这是因为裂纹扩展机理不同 所致。 ③耐高温性能好:复合材料増强体一般高温下仍会保持高的强度和模量,使复合材料 较其所用的基体材料具有更高的高温强度和蠕变抗力。如A合金在400℃时强度从室温的 500MPa降至30MPa~5oMPa,弹性模量几乎降为零:如使用碳纤维或硼纤维增强后400℃ 时材料的强度和模量与室温的相差不大,从而提高了金属材料的高温性能。·210· 金属学与热处理 ·210· 基体与增强体之间结合力的大小应相适度，其强度只要足以传递应力即可。结合力过小， 增强体和基体间的界面在外载作用下易发生开裂；结合力过大，又易使复合材料失去韧性。 因此需根据基体和增强体的性质，来控制界面的状态，以获得适宜的界面结合力。另外， 基体与增强体之间还应具有一定的相容性，即相互之间不发生反应。 10.1.3 复合材料的特性 复合材料不仅能保持原组分材料的部分优点和特性，而且还可借助于对组分材料、复 合工艺的选择与设计，使组分材料的性能相互补充，从而显示出比原有单一组分材料更为 优越的性能。除性能可设计外，各种类型的复合材料，尤其是先进复合材料还具有优异的 力学性能、物理性能和工艺性能。 1. 性能的可设计性 由于复合材料体系完全是人为确定，因此复合材料最显著的特性，是其性能(主要指力 学性能、物理性能和工艺性能)在一定范围内具有可设计性。可根据材料的基本特性、材料 间的相互作用和使用性能要求，可以人为设计并选择基体材料类型、增强体材料类型及其 数量形态和在材料中的分布方式，同时还可以设计和改变材料基体和增强体的界面状态； 由它们的复合效应可以获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能。但是，复合材料性 能的可设计性大都不是借助于传统材料。因此从理论上说可以获得一类材料，其能将两种 以上不同材料的完全不同的优秀性能系于一身，满足更为复杂恶劣和极端使用条件的要求。 2. 力学性能特点 应该说不同复合材料是没有统一的力学性能特点。因为其性能是根据使用需求而设计 确定的，其力学性能特点应该与复合材料的体系及加工工艺有关。但就常用的工程复合材 料而言，与其相应的基体材料相比较，其主要有如下的力学性能特点。 ① 比强度、比模量高：这主要是由于增强体一般为高强度、高模量而相对密度小的材 料，从而大大增加了复合材料的比强度(强度/密度)和比模量(弹性模量/密度)。如碳纤维增 强环氧树脂比强度是钢的 7 倍，比模量则比钢大 3 倍。材料的比强度和比模量是材料性 能的重要指标，高的比强度、比模量可使结构质量大幅度减小。低结构质量意味着军用飞 机可增加弹载、提高航速、改善机动特性、延长巡航时间，而民用飞机则可多载燃油、提 高客载。 ② 抗疲劳性能好：疲劳是材料在交变载荷下，因裂纹的形成和扩展而产生的低应力破 坏。在纤维增强复合材料中存在着许多的纤维—树脂界面，这些界面能阻止裂纹进一步扩 展，从而推迟疲劳破坏的产生，因此其疲劳抗力高；对脆性的陶瓷基复合材料这种效 果还会大大提高其韧性，是陶瓷韧化的重要方法之一。大多数金属材料的疲劳强度是抗拉 强度的 40%～50%，而碳纤维增强复合材料高达 70%～80%，这是因为裂纹扩展机理不同 所致。 ③ 耐高温性能好：复合材料增强体一般高温下仍会保持高的强度和模量，使复合材料 较其所用的基体材料具有更高的高温强度和蠕变抗力。如 Al 合金在 400℃时强度从室温的 500MPa 降至 30MPa～50MPa，弹性模量几乎降为零；如使用碳纤维或硼纤维增强后 400℃ 时材料的强度和模量与室温的相差不大，从而提高了金属材料的高温性能