第五章 复合材料基体（ Matrix） 材料
一、聚合物及其分类
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。
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 EP
—缩水甘油类 缩水甘油胺 EP
缩水甘油酯 EP
—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?1.4 g/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，玻璃化转变温度为 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 ?C 。
聚酰胺酰亚胺（ PAI）,Tg 达 280 ?C,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 Tf
在 Tg以下：为硬而脆或硬而韧的固体（玻璃态）；
在 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）,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（铝、镁及其合金）
1-1 铝及其合金,
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
(Z L)。 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 ( Intermetallic Compound )
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（ Glass Fiber）
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。
性能 纤维类
别
有
碱
A
化
学
C
低
介电
D
无
碱
E
高
强度
S
粗
纤维
R
高
模量
M
拉伸强度，
GPa
3.1 3.1 2.5 3.
4
4.58 4.4 3.5
弹性模量，
GPa
73 74 55 71 85 86 110
延伸率,% 3.6 3.37 4.6 5.2
密度,g/cm3 2.4
6
2.4
6
2.14 2.
5
2.5 2.55 2.89
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，保证高度石墨和取得更好的性能。
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（ Boron Fiber）
制备工艺：化学气相沉积（ CVD）。
2BCl 3 + 3H 2 ? 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 (Alumina Fiber )
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。
纤 维 比 重
(g/cm3)
直 径
(?m)
拉伸强度
(MPa)
拉伸模
量
(GPa)
最高使用
温度（ ?C）
熔 点
（ ?C）
Tyco法 3,99 250 2400 460 2000 2040
三 M法 2.5 11 1750 150 1300 2040
ICI法 3.4 3 1000 100 1600 2040
Du Pont法 3.9 20 1400 300 1100 2040
住友化学法 3.2 9 2600 250 1300 2040
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
SiC
CH3 SiCl3 + 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
纤维 密度
（ g/cm3）
弹性模量
（ GPa）
拉伸强度
（ MPa）
比模量
( GPa/g/cm3)
比强度
（ MPa/g/cm3）
Nicalon
CVD-W芯
CVD-C芯
Tyranno
晶须
2.60
3.4
3.0
2.4
3.2
250
400
400
280
700
2500
3600
3600
2400
~ 20000
96.2
117.6
133.3
116.7
218.8
961.5
1058.8
1200.0
1000.0
~6250.0
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：
CH3 SiCl3（ 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 ?+ 2 CO (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 K2Ti 6O13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（ Ductile Particle Reinforcement）,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。
一、聚合物及其分类
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。
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 EP
—缩水甘油类 缩水甘油胺 EP
缩水甘油酯 EP
—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?1.4 g/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，玻璃化转变温度为 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 ?C 。
聚酰胺酰亚胺（ PAI）,Tg 达 280 ?C,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 Tf
在 Tg以下：为硬而脆或硬而韧的固体（玻璃态）；
在 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）,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（铝、镁及其合金）
1-1 铝及其合金,
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
(Z L)。 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 ( Intermetallic Compound )
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（ Glass Fiber）
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。
性能 纤维类
别
有
碱
A
化
学
C
低
介电
D
无
碱
E
高
强度
S
粗
纤维
R
高
模量
M
拉伸强度，
GPa
3.1 3.1 2.5 3.
4
4.58 4.4 3.5
弹性模量，
GPa
73 74 55 71 85 86 110
延伸率,% 3.6 3.37 4.6 5.2
密度,g/cm3 2.4
6
2.4
6
2.14 2.
5
2.5 2.55 2.89
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，保证高度石墨和取得更好的性能。
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（ Boron Fiber）
制备工艺：化学气相沉积（ CVD）。
2BCl 3 + 3H 2 ? 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 (Alumina Fiber )
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。
纤 维 比 重
(g/cm3)
直 径
(?m)
拉伸强度
(MPa)
拉伸模
量
(GPa)
最高使用
温度（ ?C）
熔 点
（ ?C）
Tyco法 3,99 250 2400 460 2000 2040
三 M法 2.5 11 1750 150 1300 2040
ICI法 3.4 3 1000 100 1600 2040
Du Pont法 3.9 20 1400 300 1100 2040
住友化学法 3.2 9 2600 250 1300 2040
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
SiC
CH3 SiCl3 + 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
纤维 密度
（ g/cm3）
弹性模量
（ GPa）
拉伸强度
（ MPa）
比模量
( GPa/g/cm3)
比强度
（ MPa/g/cm3）
Nicalon
CVD-W芯
CVD-C芯
Tyranno
晶须
2.60
3.4
3.0
2.4
3.2
250
400
400
280
700
2500
3600
3600
2400
~ 20000
96.2
117.6
133.3
116.7
218.8
961.5
1058.8
1200.0
1000.0
~6250.0
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：
CH3 SiCl3（ 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 ?+ 2 CO (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 K2Ti 6O13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（ Ductile Particle Reinforcement）,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。
