复合材料基础讲稿.ppt

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1、复合材料基础第一页，讲稿共八十九页哦三大材料：三大材料：金属金属无机非金属无机非金属有机高分子有机高分子复合材料复合材料取长补短取长补短协同作用协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料9.1复合材料概述复合材料概述第二页，讲稿共八十九页哦9.1复合材料概述复合材料概述复合材料历史复合材料历史现代现代：1942年，美国年，美国PPG公司发明玻璃钢公司发明玻璃钢（树脂板，玻璃纤维增强聚酯树脂）；（树脂板，玻璃纤维增强聚酯树脂）；古代古代：仰韶文化草拌泥作墙体：仰韶文化草拌泥作墙体；美索不达美索不达米亚人用芦苇、

2、纸莎草加沥青或树胶制造米亚人用芦苇、纸莎草加沥青或树胶制造小艇小艇；古埃及木乃伊是将用香料处理过的；古埃及木乃伊是将用香料处理过的尸体缠绕亚麻布带后再浸渍天然树脂尸体缠绕亚麻布带后再浸渍天然树脂；第三页，讲稿共八十九页哦第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纤维增强塑料年，玻璃纤维增强塑料第二代：第二代：1960年到年到1980年，先进复合材料年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出开芙拉（年美国杜邦公司开发出开芙拉（Kevlar）-49（聚对苯二甲酰聚对苯二甲酰对苯二胺对苯二胺）1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维

3、增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：第三代：1980年到年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料年，碳纤维增强金属基复合材料以铝基复合材料的应用最为广泛。以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代：第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。如智能复合材料和梯度功能材料等。第四页，讲稿共八十九页哦第五页，讲稿共八十九页哦一、概述一、概述一、一、复合材料定义复合材料定义(1)种类不同，性质差异很大的几几种种材材料料及及其其界

4、界面面相相（层）所组成（组成上）(2)多相多相固体材料（结构）(3)经设计设计复合而成（制备上）(4)通过复合效应获得原原组组份份材材料料所所不不具具备备的的性性能能，或产生性能协同作用，与简单混合有本质的区别（性能上）简言之：复合材料由连连续续基基体体相相(matrixphase)和分分散散增增强强相相(dispersephase)及界界面面相相(interfacephase)所构成。第六页，讲稿共八十九页哦复合材料系统组合分散相分散相连续相连续相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属

5、晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶第七页，讲稿共八十九页哦二、分类二、分类(1)按来源来源：天然、人工复合材料等；(2)按基体基体：树脂基、金属基、无机非金属基复合材料等；(3)按增强体形态：颗粒增强(parti

6、cle-reinforced)短纤或晶须增强(choppedfiberorwhiskersreinforced)连续长纤增强(continuousfiber-reinforced)多维编织布增强(braided fabric or filament winding-reinforced)三维编织体增强等；(4)按应用应用：结构、功能、智能复合材料等；(5)按增强材料品种增强材料品种：玻纤、碳纤、有机纤维复合材料等；(6)按特定含义特定含义：通用、先进、现代、近代、混杂、纳米、原位、分子、宏观复合材料等；第八页，讲稿共八十九页哦第九页，讲稿共八十九页哦三、复合材料的组成与特性三、复合材料的组成与

7、特性聚合物基复合材料(polymer-matrixcomposites，PMC)金属基复合材料(metal-matrixcomposites，MMC)陶瓷基复合材料(ceramicmatrixcomposites，CMC)第十页，讲稿共八十九页哦（1）组成组成(composition)基体基体(matrix)增增强强材材料料(reinforcement)（都是一个庞大的材料体系、品种繁多，结构与性能呈多样化，复合体系的系统组合、排列给复合材料的巨大的发展空间，原则上，基体与增强体结构与性能差异越大，愈具复合价值，但更为重要的是基体与增强体之间的匹配。）A.颗颗粒粒增强体：高强、高模、耐高温的陶

8、瓷和石墨等非金属材料的微细粉末，主要起增强、增韧作用，而不是普通填料的填充体积或降低成本的作用，增强体价格往往比基体还贵。B.短短纤纤维维（晶须）(choppedfiberorwhisker)：长径比51000之间，横截面积小于52105cm2的含缺陷很少的单晶纤维，其模量和强度接近其纯晶体的理论值。主要有金属晶须、氧化物晶须、氮化物晶须、硼化物晶须和无机盐类晶须。C.纤纤维维及及其其织织物物(braidedfabricorfilamentwinding)：植物纤维、动物纤维、碳物纤维、合成纤维等第十一页，讲稿共八十九页哦（2）复合材料的特性特性一般特性：a.可设计性b.构件复合与成型一次性完

9、成，整体性好c.性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数甚至一些偶然性因素都十分敏感，难以精确控制结构和性能d.复合效应（多种复合效应）一般性能特点：a.比强度、比模量大b.破坏安全性高c.耐疲劳性好d.阻尼减震性好e.耐烧蚀性能好第十二页，讲稿共八十九页哦34510203040E/r(106cm)钢钢铝铝玻璃玻璃/环氧环氧Al2O3晶须晶须/NiAl2O3晶须晶须/铝铝碳化硼碳化硼/铝铝硼硼/环氧环氧碳碳/环氧环氧铍铍硼硼/钼钼硼硼/镍镍硼硼/铝铝/r(106cm)234510几种常用材几种常用材料和纤维增料和纤维增强复合材料强复合材料比强度、比比强度、比模量的比较模量的比较(1)组分材料密度

10、都较低；组分材料密度都较低；(2)由于纤维具有很小的直径，其内由于纤维具有很小的直径，其内部缺陷要比块状形式的材料少得多，部缺陷要比块状形式的材料少得多，所以强度较高。所以强度较高。第十三页，讲稿共八十九页哦材料名称材料名称比比强强度度比模量比模量钢钢0.130.27铝铝0.170.26玻玻纤纤/聚聚酯酯CM0.530.21碳碳纤纤/环环氧氧CM1.030.21第十四页，讲稿共八十九页哦2、PMC的组成组成(1)基体基体热固性基体热固性基体(thermosettingmatrix)：i)熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好ii)交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆iii)

11、制备过程伴有复杂化学反应热塑性基体热塑性基体(thermoplasticmatrix)：i)溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成型，工艺性差ii)线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好iii)制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象)(2)增强体增强体主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理与表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复杂化。第十五页，讲稿共八十九页哦第十六页，讲稿共八十九页哦第十七页，讲稿共八十九页哦3、MMC(1)基基体体：Al、Mg、Ti、Ni等轻金属及其它们的合金（比强度、比模量高）

12、(2)增强体增强体：强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金金属或非金属材料属材料。主要有：硼纤维、碳纤维、SiC纤维、Al2O3纤维钨丝、钢丝、不锈钢丝陶瓷颗粒、晶须等；特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，适合于用作中、高温结构材料。第十八页，讲稿共八十九页哦4、CMC(1)基体基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷特种陶瓷陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效(2)增增

13、强强材材料料：碳纤维、硼纤维、-Al2O3纤维、氧化铝-硼酸盐纤维钨丝、铌丝、不锈钢丝、SiC晶须、SiN4晶须、ZrO2颗粒等，复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧CMC仍以烧烧结结成成型型为为主主，适合于作高温结构材料，被称为“材料的梦想”。第十九页，讲稿共八十九页哦第二十页，讲稿共八十九页哦5、C/C复合材料复合材料化学组成单一，C元素元素，但C的形态与结构十分复杂(1)基体基体碳：i)CVD碳；ii)树脂碳；iii)沥青碳(2)增强体增强体：高性能碳纤维及其织物(3)性能性能特点：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、低蠕变、

14、高导热、高抗热震性、高耐温、耐烧蚀等；同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能随温度升高而升高的特点；缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松；高温结构材料和耐烧蚀材料高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展很快。第二十一页，讲稿共八十九页哦碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型PolymerMatrixComposites，PMC第二十二页，讲稿共八十九页哦四、复合材料的结构复合材料的结构无规分散无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短纤维）(randomlyoriented)连续长纤连续长纤单向增强结构（单向板）(aligned)层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层)(laminate)三三维维编编织织

15、体增强结构(braided fabric or filamentwinding)夹层夹层结构（蜂窝夹层等）(sandwichconstructure)混杂混杂结构(hybridconstructure)第二十三页，讲稿共八十九页哦引入相的相的“连通性连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分为0-3型、型、1-3型型2-2型、型、2-3型、型、3-3型型等几种典型结构。第二十四页，讲稿共八十九页哦三维编织纤维结构三维正交非织造的纤维结构(a)非线性法平面增强(b)一种开式格状结构(c）一种柔性结构管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型第二十五页，讲稿共八十九页哦各种玻璃夹层结构第二十六页，讲稿共八十九页

16、哦单向及准各向同性板的铺层铺层结构第二十七页，讲稿共八十九页哦混杂复合材料的混杂类型第二十八页，讲稿共八十九页哦一、纤维增强复合材料一、纤维增强复合材料1、常用增强纤维、常用增强纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar有有机物纤维等。机物纤维等。玻璃纤维绳玻璃纤维绳玻璃纤维纸纳米碳管纤维碳纤维绳五、常见复合材料基体、增强体举例五、常见复合材料基体、增强体举例第二十九页，讲稿共八十九页哦碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）CFRP在空间站大型结构在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用以及太阳能电池支架中的应用第三十页，讲稿共八

17、十九页哦 （1）玻璃纤维）玻璃纤维按按玻玻璃璃纤纤维维中中Na2O和和K2O的的含含量量不不同同，可可将将其其分分为为无无碱碱纤纤维维（碱碱的的质质量量分分数数12%）。随随着着碱量的增加，玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降低。碱量的增加，玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降低。特特点点：强强度度高高，抗抗拉拉强强度度可可达达10003000MPa；弹弹性性模模量量比比金金 属属 低低 得得 多多，为为（3 5）104MPa；密密度度小小，为为2.52.7g/cm3；化化学学稳稳定定性性好好；不不吸吸水水、不不燃燃烧烧、尺尺寸寸稳稳定定、隔隔热热、吸声、绝缘等。吸声、绝缘等。缺点：脆性较大、耐热性低

18、，缺点：脆性较大、耐热性低，250以上开始软化。以上开始软化。优点：价格便宜、制作方便优点：价格便宜、制作方便第三十一页，讲稿共八十九页哦 在在25003000高高温温的的氩氩气气中中进进行行石石墨墨化化处处理理，就就可可获获得得含含碳碳量量为为Wc98%以以上上的的碳碳纤纤维维，又又称称石石墨墨纤纤维维或或高高模量碳纤维，也称模量碳纤维，也称型碳纤维型碳纤维。特特点点：与与玻玻璃璃纤纤维维相相比比，碳碳纤纤维维具具有有密密度度小小（1.332.0g/3），弹弹性性模模量量高高（2.84105MPa）；高高温温及及低低温温性性能能好好，导导电电性性好、化学稳定性高、摩擦因数小、自润湿性好。好、

19、化学稳定性高、摩擦因数小、自润湿性好。缺点：脆性大、易氧化缺点：脆性大、易氧化 （2）碳纤维）碳纤维碳纤维是人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等），是在碳纤维是人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等），是在200300空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下于气的保护下于10001500的高温中进行碳化处理而制得。其的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量碳含量Wc85%95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称维，也称型碳纤维型碳纤维。第三十二页，讲稿共八十九页哦 （3 3）硼纤维）硼纤维 它

20、它是是用用化化学学沉沉积积法法将将非非晶晶态态的的硼硼涂涂覆覆到到钨钨丝丝上上而而制制得得的的。具具有有高高熔熔点点（23002300）、高高强强度度（245024502750MPa2750MPa）、高高弹弹性性模模量（量（3.83.84.9104.9105 5MPaMPa）。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。）。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。缺点：密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、缺点：密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵。价格昂贵。第三十三页，讲稿共八十九页哦 （5 5）KevlarKevlar有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）特点：比强度、比模量高；其

21、强度可达特点：比强度、比模量高；其强度可达280028003700MPa3700MPa；密度；密度小，只有小，只有1.45 g/1.45 g/3 3；耐热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗疲；耐热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。（4）碳化硅纤维）碳化硅纤维它是用碳纤维作底丝，通过气相沉积法而制得。具有高熔点、它是用碳纤维作底丝，通过气相沉积法而制得。具有高熔点、高强度、高弹性模量。其突出特点是具有优良的高温强度，在高强度、高弹性模量。其突出特点是具有优良的高温强度，在1100时其强度仍高达时其强度仍高达2100MPa。第三十四页，讲稿

22、共八十九页哦 2 2、纤维、纤维树脂复合材料树脂复合材料 （1 1）玻璃纤维）玻璃纤维树脂复合材料树脂复合材料 亦称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢。亦称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢。1 1）热塑性玻璃钢）热塑性玻璃钢 它是由它是由20%20%40%40%的玻璃纤维和的玻璃纤维和60%60%80%80%的热塑性树脂（如尼的热塑性树脂（如尼龙、龙、ABSABS等）组成，具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能等）组成，具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低热膨胀系数。及低热膨胀系数。第三十五页，讲稿共八十九页哦 2)2)热固性玻璃钢热固性玻璃钢 它它是是由由60%60%70%70%玻玻璃璃纤纤维维

23、（或或玻玻璃璃布布）和和30%30%40%40%热热固固性性树树脂脂（环氧、聚酯树脂等）组成。（环氧、聚酯树脂等）组成。主主要要优优点点：密密度度小小、强强度度高高，耐耐蚀蚀性性、绝绝缘缘性性、绝绝热热性性好好；吸吸水水性性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。防磁、微波穿透性好，易于加工成型。缺点：弹性模量低，热稳定性不高，只能在缺点：弹性模量低，热稳定性不高，只能在300300以下工作。以下工作。第三十六页，讲稿共八十九页哦 （3 3）硼纤维）硼纤维树脂复合材料树脂复合材料 主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。具有高主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。具有高的比强度、比模量，良好的耐

24、热性。其缺点是各向异性明的比强度、比模量，良好的耐热性。其缺点是各向异性明显。显。（2 2）碳纤维）碳纤维树脂复合材料树脂复合材料 最常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树最常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料，具有高强度、高弹性模量、高比强度和比脂组成的复合材料，具有高强度、高弹性模量、高比强度和比模量，还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减模量，还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐蚀性及耐热性。缺点是纤维与基体结合力低。摩耐磨性、耐蚀性及耐热性。缺点是纤维与基体结合力低。第三十七页，讲稿共八十九页哦 （4 4）碳化硅纤

25、维树脂复合材料）碳化硅纤维树脂复合材料 由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料，具有高的比强度、由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料，具有高的比强度、比模量。比模量。（5 5）KevlarKevlar纤维树脂复合材料纤维树脂复合材料 由由KevlarKevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。主要性能特点是抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维主要性能特点是抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维环氧树脂复合环氧树脂复合材料相似；延性好，与金属相当；其耐冲击性超过碳纤维增强塑料；材料相似；延性好，与金属相当；其耐冲击性超过碳纤维增强塑料；其疲劳抗力高于玻

26、璃钢和铝合金；其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金；减振能力为钢的减振能力为钢的8 8倍。倍。第三十八页，讲稿共八十九页哦 3 3、纤维、纤维金属（或合金）复合材料金属（或合金）复合材料 纤维增强金属复合材料是由高强度、高模量的脆性纤维纤维增强金属复合材料是由高强度、高模量的脆性纤维（碳、硼、碳化硅纤维）与具有较高韧性及低屈服强度的金（碳、硼、碳化硅纤维）与具有较高韧性及低屈服强度的金属（铝及其合金、钛及其合金、铜及其合金、镍合金、镁合属（铝及其合金、钛及其合金、铜及其合金、镍合金、镁合金、银铅等）组成，具有高的横向力学性能、高的层间剪切金、银铅等）组成，具有高的横向力学性能、高的层间剪切强度；冲击韧

27、性好、高温强度高、耐热性、耐磨性、导电性、强度；冲击韧性好、高温强度高、耐热性、耐磨性、导电性、导热性好；不吸湿、尺寸稳定性好、不老化等优点。导热性好；不吸湿、尺寸稳定性好、不老化等优点。第三十九页，讲稿共八十九页哦 （1 1）纤维）纤维铝（或合金）复合材料铝（或合金）复合材料 1 1）硼纤维）硼纤维铝（或合金）基复合材料。铝（或合金）基复合材料。硼硼和和铝铝在在高高温温易易形形成成AlBAlB2 2，与与氧氧易易形形成成B B2 2O O3 3，故故在在硼硼纤纤维维表表面要涂一层面要涂一层SiCSiC以提高硼纤维的化学稳定性。以提高硼纤维的化学稳定性。特特点点：具具有有高高弹弹性性模模量量，

28、高高抗抗压压强强度度、抗抗剪剪强强度度和和疲疲劳劳强度。强度。应用：主要用于制造飞机和航天器的蒙皮、航空发动机叶应用：主要用于制造飞机和航天器的蒙皮、航空发动机叶片等。片等。第四十页，讲稿共八十九页哦 2 2）石墨纤维）石墨纤维铝（或合金）基复合材料。铝（或合金）基复合材料。由由型碳纤维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组成。型碳纤维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组成。特特点点：具具有有高高比比强强度度和和高高温温强强度度，在在500500时时其其比比强强度度为钛合金的为钛合金的1.51.5倍倍 应用：主要用于制造航天飞机的外壳、飞机蒙皮。应用：主要用于制造航天飞机的外壳、飞机蒙皮。3 3）碳化硅

29、纤维）碳化硅纤维铝（或合金）复合材料铝（或合金）复合材料 它它是是由由碳碳化化硅硅纤纤维维与与纯纯铝铝（或或铸铸造造铝铝合合金金、铝铝铜铜合合金金等等）组成的复合材料。组成的复合材料。特点：具有高的比强度、比模量，硬度高。特点：具有高的比强度、比模量，硬度高。应用：用于制造飞机机身结构件及汽车发动机的活塞、应用：用于制造飞机机身结构件及汽车发动机的活塞、连杆等。连杆等。第四十一页，讲稿共八十九页哦 （2 2）纤维）纤维钛合金复合材料钛合金复合材料 由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金（由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金（Ti6Al4VTi6Al4V）组成。它具有低密度、高强度、高弹性

30、模量、高耐热性、低热膨胀组成。它具有低密度、高强度、高弹性模量、高耐热性、低热膨胀系数的特点。系数的特点。（3 3）纤维）纤维铜（或合金）复合材料铜（或合金）复合材料 由石墨纤维与铜（或铜镍合金）组成的材料。为了增强石墨由石墨纤维与铜（或铜镍合金）组成的材料。为了增强石墨纤维和基体的结合强度，常在石墨纤维表面镀铜或镀镍后再镀铜。纤维和基体的结合强度，常在石墨纤维表面镀铜或镀镍后再镀铜。石墨纤维增强铜或铜镍合金复合材料具有高强度、高导电性、低石墨纤维增强铜或铜镍合金复合材料具有高强度、高导电性、低的摩擦因数和高的耐磨性，以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。的摩擦因数和高的耐磨性，以及在一定温度范围

31、内的尺寸稳定性。第四十二页，讲稿共八十九页哦 4 4、纤维、纤维陶瓷复合材料陶瓷复合材料 用用碳碳（或或石石墨墨）纤纤维维与与陶陶瓷瓷组组成成的的复复合合材材料料能能大大幅幅度度提提高高陶陶瓷瓷的的冲冲击击韧韧性性和和抗抗热热振振性性，降降低低脆脆性性，而而陶陶瓷瓷又又能能保保护护碳碳（或或石石墨墨）纤纤维维在在高高温温下下不不被被氧氧化化。因因而而这这类类材材料料具具有有很很高高的的强强度度和弹性模量。和弹性模量。除上述三大类纤维增强复合材料外，近年来研制了多种除上述三大类纤维增强复合材料外，近年来研制了多种纤维增强复合材料，例纤维增强复合材料，例C/CC/C复合材料、混杂纤维复合材料等。复

32、合材料、混杂纤维复合材料等。第四十三页，讲稿共八十九页哦C/C在航天领域中的应用在航天领域中的应用C/C作为刹车盘作为刹车盘第四十四页，讲稿共八十九页哦 二、叠层复合材料二、叠层复合材料 叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。1 1、双层金属复合材料、双层金属复合材料 将性能不同的两种金属用胶合或熔合铸造、热压、焊接、将性能不同的两种金属用胶合或熔合铸造、热压、焊接、喷涂等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。喷涂等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。第四十五页，讲稿共八十九页哦 2 2、塑料、塑料金属多层复合材料金属多层复合

33、材料 典型代表是典型代表是SFSF型三层复合材料（型三层复合材料（如钢如钢铜铜塑料）塑料），可制可制作在高应力、高温及低温、无润滑条件下的轴承作在高应力、高温及低温、无润滑条件下的轴承。第四十六页，讲稿共八十九页哦 三、粒子增强型复合材料三、粒子增强型复合材料 1 1、颗粒增强复合材料（、颗粒增强复合材料（d1md1m，体积分数，体积分数v v20%20%）金属陶瓷是常见的颗粒增强复合材料。硬质合金就是以金属陶瓷是常见的颗粒增强复合材料。硬质合金就是以TiCTiC、WCWC（或（或TaCTaC）等碳化物为基体，以金属）等碳化物为基体，以金属NiNi、CoCo为粘合剂，为粘合剂，将它们用粉末冶金

34、方法经烧结所形成的金属陶瓷。将它们用粉末冶金方法经烧结所形成的金属陶瓷。2 2、弥散强化复合材料（、弥散强化复合材料（d=0.01d=0.010.1m,0.1m,v v=1%=1%15%15%）随着科学技术的进步，一大批新型复合材料将得到应用。随着科学技术的进步，一大批新型复合材料将得到应用。例如，例如，C/CC/C复合材料、金属化合物复合材料、纳米复合材料、复合材料、金属化合物复合材料、纳米复合材料、功能梯度复合材料、智能复合材料及体现复合材料功能梯度复合材料、智能复合材料及体现复合材料“精髓精髓”的的“混杂混杂”复合材料将得到发展及应用。复合材料将得到发展及应用。2121世纪将是复合材料大

35、世纪将是复合材料大力发展的时代。力发展的时代。第四十七页，讲稿共八十九页哦各种材料的发展状况各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料玻璃钢和树脂基复合材料非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用金属基复合材料金属基复合材料开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位陶瓷基复合材料及功能复合材料等陶瓷基复合材料及功能复合材料等尚处于研究阶段尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决第四十八页，讲稿共八十九页哦9.2复合材料的界面理论和界面控制复合材料的界面理论和界面控制复合材料界面的粘结方式复合材料界面的粘结方式 机械结合机械结合静电作用静电作用界面扩散界面扩

36、散界面反应界面反应第四十九页，讲稿共八十九页哦9.3复合理论与复合材料设计复合理论与复合材料设计Pc：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；Pi：各组分材料的对应复合材料的某性能；V：组成复合材料各组分的体积百分比；i：表示组成复合材料的组分数。第五十页，讲稿共八十九页哦纤维搭桥纤维搭桥纤维拔出纤维拔出纤维脱粘纤维脱粘第五十一页，讲稿共八十九页哦复合材料的设计复合材料的设计从常规设计向从常规设计向仿生仿生设计发展设计发展仿照仿照竹子竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。出具

37、有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。仿照仿照鲍鱼壳鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了硼混合成陶瓷细带制成了1010微米厚的薄层，由此得到的层状复合微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固材料比其原材料坚固4040。仿照仿照骨骼骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料纤维增强

38、复合材料、内层是硬泡沫塑料。第五十二页，讲稿共八十九页哦9.4金属复合材料制备与加工金属复合材料制备与加工硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱第五十三页，讲稿共八十九页哦常用的金属基复合材料制备工艺常用的金属基复合材料制备工艺第五十四页，讲稿共八十九页哦 (1)(1)固固态态法法 固固态态法法是是指指基基体体处处于于固固态态下下制制造造金属基复合材料的方法。金属基复合材料的方法。(2)(2)液液态态法法 液液态态法法是是指指基基体体处处于于熔熔融融状状态态下制造金属基复合材料的方法。下制造金属基复合材料的方法。(3)(3)其其他他制制造造方方

39、法法 主主要要包包括括原原位位自自生生成成法法、物物理理气气相相沉沉积积法法、化化学学气气相相沉沉积积法法、化化学学镀镀和电镀法、复合镀法等和电镀法、复合镀法等。第五十五页，讲稿共八十九页哦一、固态法一、固态法 1 1、扩散黏结法、扩散黏结法(DiffusionBonding)扩扩散散黏黏结结是是一一种种在在较较长长时时间间、较较高高温温度度和和压压力力下下，通通过过固固态态焊焊接接工工艺艺，使使同同类类或或不不同同类类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工艺方法。金属在高温下互扩散而黏结在一起的工艺方法。第五十六页，讲稿共八十九页哦第五十七页，讲稿共八十九页哦 2、形变法、形变法(Plastic

40、Forming)形形变变法法就就是是利利用用金金属属具具有有塑塑性性成成型型的的工工艺艺特特点点，通通过过热热轧轧、热热拉拉、热热挤挤压压等等加加工工手手段段，使使已已复复合合好好的的颗颗粒粒、晶晶须须、短短纤纤维维增增强强金金属属基基复复合合材材料进一步加工成板材。料进一步加工成板材。第五十八页，讲稿共八十九页哦3、粉末冶金法、粉末冶金法(PowderMetallurgyMethod)粉粉末末冶冶金金法法是是一一种种用用于于制制备备与与成成形形颗颗粒粒增增强强(非非连连续续增增强强型型)金金属属基基复复合合材材料料的的传传统统固固态态工工艺艺法。法。第五十九页，讲稿共八十九页哦第六十页，讲稿

41、共八十九页哦二、液态法二、液态法 1、液液态态金金属属浸浸润润法法液液态态金金属属浸浸润润法法的的实实质质是是使使基基体体金金属属呈呈熔熔融融状状态态时时与与增增强强材材料料浸浸润润结结合合，然然后后凝凝固成型。固成型。（1）挤压铸造法）挤压铸造法(SqueezeCasting)挤挤压压铸铸造造是是通通过过压压机机将将液液态态金金属属压压入入增增强强材材料料预预制制件中制造复合材料的方法。件中制造复合材料的方法。第六十一页，讲稿共八十九页哦 (2)真空压力浸渍法真空压力浸渍法(VacuumPressureInfiltration)真真空空压压力力浸浸渍渍法法是是在在真真空空和和高高压压惰惰性性

42、气气体体的的共共同同作作用用下下，使使熔熔融融金金属属浸浸渗渗入入预预制制件件中中制制造造金金属属基复合材料的方法。基复合材料的方法。第六十二页，讲稿共八十九页哦第六十三页，讲稿共八十九页哦(3)液液态态金金属属搅搅拌拌铸铸造造法法(Stir-Casting Method ofLiquidMetal)液液态态金金属属搅搅拌拌铸铸造造法法是是将将增增强强相相颗颗粒粒直直接接加加入入金金属属熔熔体体中中，通通过过搅搅拌拌使使颗颗粒粒均均匀匀分分散散，然然后后浇浇铸铸成成型制成复合材料制品的方法型制成复合材料制品的方法。第六十四页，讲稿共八十九页哦 2、井喷沉积法、井喷沉积法(SprayCo-Dep

43、osition)井井喷喷沉沉积积法法是是运运用用特特殊殊的的喷喷嘴嘴，将将液液态态金金属属基基体体通通过过惰惰性性气气体体气气流流的的作作用用后后雾雾化化成成细细小小的的液液态态金金属属流流，将将增增强强相相颗颗粒粒加加入入到到雾雾化化的的金金属属流流中中，与与金金属属液液滴滴混混合合在在一一起起并并沉沉积积在在衬衬底底上上，凝凝固固形形成金属基复合材料的方法。成金属基复合材料的方法。第六十五页，讲稿共八十九页哦井喷沉积法生产井喷沉积法生产陶瓷颗粒增强金陶瓷颗粒增强金属基复合材料属基复合材料第六十六页，讲稿共八十九页哦三、其他方法三、其他方法 通通过过运运用用化化学学、物物理理等等基基本本原原

44、理理而而发发展展的的一一些些金金属属基基复复合合材材料料制制造造方方法法，如如原原位位自自生生成成法法、物物理理气气相相沉沉积积法法和和化化学学气气相相沉沉积法等。积法等。第六十七页，讲稿共八十九页哦9.5陶瓷基复合材料制备与加工陶瓷基复合材料制备与加工第六十八页，讲稿共八十九页哦一、模压成型一、模压成型(Dry-Pressing)模模压压成成型型又又称称干干压压成成型型,是是将将粉粉料料装装入入钢钢模模内内，通通过过冲冲头头对对粉粉末末单单向向或双向压力，压制成具有一定形状和尺寸压坯的成型方法。或双向压力，压制成具有一定形状和尺寸压坯的成型方法。二、等静压成型二、等静压成型(Isostati

45、cForming)等等静静压压成成型型是是利利用用液液体体或或橡橡胶胶等等在在各各个个方方向向传传递递压压力力相相等等的的原理对坯体进行压制的。原理对坯体进行压制的。三、注浆成型三、注浆成型(SlipCasting)注注浆浆成成型型首首先先将将陶陶瓷瓷颗颗粒粒悬悬浮浮于于液液体体中中，然然后后注注入入多多孔孔质质模模具具，由由模模具具的的气气孔孔把把料料浆浆中中的的液液体体吸吸出出，而而在在模模具具内内留留下下坯坯体体，经经脱脱模模、干燥后获得具有一定形状和强度的坯体干燥后获得具有一定形状和强度的坯体。第六十九页，讲稿共八十九页哦四、热压成型四、热压成型(HotInjectionMolding

46、)热热压压成成型型时时，先先将将粉粉料料与与蜡蜡或或有有机机高高分分子子粘粘结结剂剂混混合合、加加热热，利利用用蜡蜡类类材材料料热热熔熔冷冷固固的的特特点点，把把粉粉料料与与熔熔化化的的蜡蜡料料等等粘粘合合剂剂迅迅速速搅搅合合成成具具有有流流动动性性的的料料浆浆，然然后后将将混混合合料料加加压压注注入入模模具具，冷冷却却凝凝固固后后成成型型，即即可可得得致致密密的的、较较硬硬实实的坯体。的坯体。五、注射成型五、注射成型(InjectionMolding)注注射射成成型型是是从从塑塑料料的的注注射射成成型型工工艺艺借借鉴鉴来来的的，它它将将粉粉料料与与热热塑塑性性树树脂脂等等有有机机物物混混合合

47、后后，加加热热混混炼炼，制制成成粒粒状状粉粉料料，用用注注射射成成型型机机在在一一定定的的压压力力和和温温度度下下注注射射入入金金属属模模具具中中，迅迅速速冷冷却却后后，脱脱模模取取出出坯坯体体，经经脱脱脂脂后后就就可可按按常常规规工工艺烧结。艺烧结。第七十页，讲稿共八十九页哦六、直接氧化法（六、直接氧化法（Lanxide法）法）将将熔熔融融金金属属直直接接与与氧氧化化剂剂发发生生氧氧化化反反应应制制备备陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料的的方方法法，称称为为直直接接氧氧化化法法，商商业业上称为上称为Lanxide工艺。工艺。七七、化化学学气气相相渗渗透透工工艺艺(ChemicalVaporInfi

48、l-tration，CVI)将将化化学学气气相相沉沉积积技技术术运运用用在在将将大大量量陶陶瓷瓷材材料料渗渗透透进进增增强强材材料料预预制制坯坯件件的的方方法法称称为为化学气相渗透工艺。化学气相渗透工艺。第七十一页，讲稿共八十九页哦第七十二页，讲稿共八十九页哦9.6纤维增强高分子复合材料纤维增强高分子复合材料玻璃钢天线反射面玻璃钢天线反射面玻璃钢建筑材料用于玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢上海东方明珠电视塔大堂装潢第七十三页，讲稿共八十九页哦玻璃钢应用于体育用品玻璃钢应用于体育用品第七十四页，讲稿共八十九页哦一、手糊成型工艺一、手糊成型工艺(handlaying-up)所所谓谓手手

49、糊糊成成型型工工艺艺，是是指指用用手手工工或或在在机机械械辅辅助助下下将将增增强强材材料料和和热热固固性性树树脂脂铺铺覆覆在在模模具具上上，树树脂脂固固化化形形成成复复合合材材料料的的一一种种成成型型方方法。法。第七十五页，讲稿共八十九页哦第七十六页，讲稿共八十九页哦二、喷射成型工艺二、喷射成型工艺(SprayMoulding)喷喷射射成成型型工工艺艺是是利利用用喷喷枪枪将将短短纤纤维维及及树树脂脂同同时时喷喷到到模模具具上上，压压实实固固化化成成制制件件的工艺方法。的工艺方法。第七十七页，讲稿共八十九页哦第七十八页，讲稿共八十九页哦三、袋压成形工艺三、袋压成形工艺(BagMoulding)袋

50、袋压压成成型型工工艺艺是是在在手手糊糊成成型型的的制制品品上上，装装上上橡橡胶胶袋袋或或聚聚乙乙烯烯、聚聚乙乙烯烯醇醇袋袋，将将气气体体压压力力施施加加到到未未固固化化的的玻玻璃璃钢制品表面而使制品成型的工艺方法。钢制品表面而使制品成型的工艺方法。四、层压成型工艺四、层压成型工艺(LaminationProcess)层层压压成成型型工工艺艺，是是把把一一定定层层数数的的浸浸胶胶布布(纸纸)叠叠在在一一起起，送送入入多多层层液液压压机机，在在一一定定的的温温度度和和压压力力下下压压制成板材的工艺。制成板材的工艺。第七十九页，讲稿共八十九页哦五、模压成型工艺五、模压成型工艺(PressureMol