【环氧板】的设计

环氧板材料具有低密度、耐高温、高比强、高比模、抗氧化、抗蠕变、对裂纹不敏感、不发生灾难性损坏等特点，是一种新型热结构材料,其应用覆盖了尖端军用和新兴民用等多个领 域，成为1 650 C以下长寿命(数百至上千小时)、2 000 °C以下有限寿命(数十分钟至数小时)和2800C以下瞬时寿命(数十秒至数分钟)的热结构/功能材料。目前,连续纤维增韧碳化硅陶瓷基环氧板材料(CMC-SiC)技术最成熟、应用最广，可应用于高推重比航空发动机、高性能航天发动机、空天飞行器热防护系统、飞机/高速列车等刹车制动系统、核能电站、燃气电站和深空探测器等领域。

颗粒是指三个维度上的尺度均较小，且长径比接近于1的材料。。在环氧板材料中,颗粒作为分散相，常用于改善-.些对结构不敏感的性能，如模量、密度、热导率和硬度等。而对于结构敏感的性能，如强度和韧性，颗粒的改善效果不大。

对于聚合物材料，颗粒的加人可以提高其硬度和热稳定性。金属材料中,颗粒主要起提高硬度、屈服强度和耐磨性的作用。也可通过以下两种效应提高材料的强度:官首先，当颗粒的长 径比大于1时，可以起到一定的承载的作用;其次,金属材料中使用的颗粒一 般具有比基体更低的热导率，材料从较高的制备温度下冷却时，由于热失配引发的热应力会造成颗粒周围的基体中出现位错，起到强化材料的作用。某些情况下，颗粒的加人可以改善陶瓷材料的韧性，例如氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷。表6-1给出了环氧板材料中常用的颗粒材料。

颗粒材料的纯度对不同类型基体的环氧板材料的性能影响是不同的。聚合物基体对于颗粒材料的纯度要求不高，因而多采用天然矿物破碎后得到的颗粒。而在金属基环氧板材料中，颗粒的纯度则尤为重要。在较高的制备温度下，颗粒中的杂质会扩散到合金成分中，改变基体材料性能,并且对界面结合也会产生影响。金属基环氧板材料在使用铸造成型时,常选用氧化物颗粒,因为其一般与金属间的反应活性较低。非氧化颗粒(如SiC)增强金属基环氧板材料在采用铸造工艺时,往往需要对颗粒进行表面处理。

颗粒尺寸对于环氧板材料的性能同样存在显著影响。一般来说，细小的颗粒对于环氧板材料的屈服强度、断裂强度模量疲劳强度等具有更好的改善效果。颗粒过于粗大时，环氧板材料的塑性和加工性能将严重下降。然而，颗粒过于细小，尤其是达到纳米级时易于团聚。

环氧板材料的多样性决定了其设计方法的多样性，其主主要设计理念有“微结构-性能”“材料结构”和"爵尺度用环设计"等。“微结构性能”一体化设计理念是指材料的性能取决于材料的多尺度微结构，通过对材料微结构的设计，达到某种性能要求:”材料结构”一体化设计理念是指在进行宏观的结构设计时，考虑材料的因素,从材料的多尺度微结构和宏观结构两方面进行优化设计，达到某种使用要求;“跨尺度闭环设计”理念是指根据某种使用要求，设计材料的多尺度微结构及其制备工艺,并通过考核验证或优化设计结果。

在环氧板材料设计完成后，制备工艺原理就是制备性能优异环氧板材料的基础。环氧板材料制备工艺方法主要有液相法、气相法和固相法。不同的工艺方法有不同的原理,本章将分别予以介绍。

界面层是环氧板材料中连接基体和增强体的重要组成部分。界面层材料主要是指环氧板材料中需单独制备的,用于作界面层的材料。由于其厚度较薄，般为纳米或亚微米级，因而称其为低维材料。界面层占整个环氧板材料的体积比不到10%，但它却是决定环氧板材料力学性能、 抗环境侵蚀性能的关键因素之一。 因此，了解界面层材料及其性能对界面层设计有重要作用。对于聚合物基环氧板材料，界面层材料主要是用来增强基体和增强体的结合力。不同类型的聚合物基体和增强体需选用不同类型的界面层材料。对于金属基环氧板材料,界面层主要用来防止增强体和基体的过度反应,不同的环氧板体系也需选用不同的界面层。这将在第9章中做详细介绍。对于陶瓷基环氧板材料,界面层材料主要选用层间结合力较弱的材料，以提高环氧板材料韧性。不同类型的基体和增强体的界面层材料具有较高的统- 性，因而本节主要介绍用于陶瓷基环氧板材料的弱界面层材料。

具有层状品体结构的材料层间结合力较弱，当裂纹扩展至材料的层面时，可使裂纹发生分石政塑这扩方向，到明显的增韧效果。因此，这种材料是较为理想的界面层材料。具有后精品体结物的材科主要有右有墨结物的热解眼(PyC和六方BN.带分氧化物如层状住酸盐可解离的六方铝酸盐等也具有层状经结构，此外，还有一些非层状弱结合的氧化物界面层。

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