湖大材料工程基础复合材料制备工艺学习教案.pptx

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1、会计学1湖大材料工程基础湖大材料工程基础(jch)复合材料制备工复合材料制备工艺艺第一页，共75页。2023/2/72n早早早早期期期期人人人人类类类类用用用用茅茅茅茅草草草草与与与与泥泥泥泥浆浆浆浆混混混混合合合合作作作作为为为为建建建建筑筑筑筑材材材材料料料料、在在在在战战战战国国国国时时时时期期期期的的的的越越越越王王王王剑剑剑剑和和和和吴吴吴吴王王王王矛矛矛矛是是是是金金金金属属属属(jnsh)(jnsh)(jnsh)(jnsh)包包包包层层层层复复复复合合合合材材材材料料料料、三三三三国国国国时时时时期期期期的的的的藤藤藤藤甲甲甲甲是是是是用用用用藤藤藤藤浸浸浸浸渍渍渍渍桐桐桐桐油油

2、油油后后后后形形形形成成成成的的的的纤纤纤纤维维维维增强聚合物基复合材料。增强聚合物基复合材料。增强聚合物基复合材料。增强聚合物基复合材料。第1页/共74页第二页，共75页。2023/2/731 1、定定定定义义义义：由由由由两两两两种种种种以以以以上上上上在在在在物物物物理理理理(wl(wl)和和和和化化化化学学学学上上上上不不不不同同同同的的的的物质组合起来而得到的一种多相固体物质组合起来而得到的一种多相固体物质组合起来而得到的一种多相固体物质组合起来而得到的一种多相固体2 2、组成：基体、组成：基体、组成：基体、组成：基体连续相连续相连续相连续相(延性、韧性好延性、韧性好延性、韧性好延性

3、、韧性好)增增增增强强强强/强强强强化化化化相相相相分分分分散散散散相相相相(强强强强度度度度高高高高、密密密密度度度度小小小小)3 3、特点、特点、特点、特点与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：（1 1）密度低、比强度、比模量高）密度低、比强度、比模量高）密度低、比强度、比模量高）密度低、比强度、比模量高（2 2）疲劳强度高）疲劳强度高）疲劳强度高）疲劳强度高（3 3）热膨胀系数小）热膨胀系数小）热膨胀系数小）热膨胀系数小（4 4）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐

4、腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等第2页/共74页第三页，共75页。2023/2/7410.2 增强增强(zngqing)材料材料 第3页/共74页第四页，共75页。2023/2/75n n选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：n n 1)1)1)1)增强材料的强度、模量和密度增强材料的强度、模量和密度增强材料的强度、模量和密度增强材料的强度、模量和密度(md)(md)(md)(md)；n n 2)2)2)2)增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体

5、材料的相容性；n n 4)4)4)4)性能性能性能性能/价格比。价格比。价格比。价格比。n n晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵n n 颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨第4页/共74页第五页，共75页。2023/2/76n n1 1、纤维增强材料、纤维增强材料、纤维增强材料、纤维增强材料 n n 主主主主要要要要有有有有玻玻玻玻璃璃璃璃(b(b l)l)、芳芳芳芳纶纶纶纶(Kevlar(Kevlar)、尼尼尼尼龙龙龙龙、聚聚聚聚乙乙乙乙烯烯烯烯(Spec

6、tra(Spectra)、碳碳碳碳、硼硼硼硼、碳碳碳碳化化化化硅硅硅硅(Nicalon(Nicalon)、氧氧氧氧化铝化铝化铝化铝 以及金属以及金属以及金属以及金属（如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。n n 玻璃玻璃玻璃玻璃(b l)(b l)纤维纤维纤维纤维 碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维 第5页/共74页第六页，共75页。2023/2/77碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型 a-a-普通型普通型普通型普通型 ；b-b-高强度型；高强度型；高强度型；高强度型；c-c-高弹性模量型高弹性模量型高弹性模量

7、型高弹性模量型一般一般一般一般(ybn)(ybn)碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整，沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；面不完整，沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；面不完整，沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；面不完整，沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高强度碳纤维网平面

8、完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。第6页/共74页第七页，共75页。2023/2/78n2 2、晶须、晶须、晶须、晶须 n目目目目前前前前已已已已研研研研发发发发出出出出上上上上百百百百种种种种(b(b i i zhzh n n)晶晶晶晶须须须须，在在在在复复复复合合合合材材材材料料料料中中中中应应应应用用用用的的的的主主主主要要要要是是是是碳碳碳碳化化化化硅硅硅硅、氧氧氧氧化化化化铝铝铝铝、氮氮氮氮化化化化硅硅硅硅 等

9、等等等陶瓷晶须。陶瓷晶须。陶瓷晶须。陶瓷晶须。-碳化硅晶须碳化硅晶须碳化硅晶须碳化硅晶须 NbCNbC晶须晶须晶须晶须第7页/共74页第八页，共75页。2023/2/79a)a)多角状多角状多角状多角状SiCSiC颗粒颗粒颗粒颗粒b)b)等离子喷射熔融法制备等离子喷射熔融法制备等离子喷射熔融法制备等离子喷射熔融法制备(zhbi)(zhbi)的的的的Al2O3Al2O3颗粒颗粒颗粒颗粒c)c)溶胶凝胶法制备溶胶凝胶法制备溶胶凝胶法制备溶胶凝胶法制备(zhbi)(zhbi)的的的的Al2O3Al2O3颗粒颗粒颗粒颗粒 d)-Al2O3 d)-Al2O3片晶片晶片晶片晶 n 3、颗粒增强材料、颗粒增

10、强材料(cilio)n碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。墨等颗粒。第8页/共74页第九页，共75页。2023/2/710 纤维纤维纤维纤维(xinwi)(xinwi)增强复合材料的复合原则增强复合材料的复合原则增强复合材料的复合原则增强复合材料的复合原则 材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。（1 1）纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强）纤维是材料的主要承载组成，因此应该

11、具有最高的强）纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强）纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强度和刚度。度和刚度。度和刚度。度和刚度。弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量E E愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发挥受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发挥受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发挥受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高对材

12、料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高也是保证结构稳定性所必要的。也是保证结构稳定性所必要的。也是保证结构稳定性所必要的。也是保证结构稳定性所必要的。（2 2）基体起粘结）基体起粘结）基体起粘结）基体起粘结(zhn ji)(zhn ji)纤维的作用，因此必须：纤维的作用，因此必须：纤维的作用，因此必须：纤维的作用，因此必须：对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结(zh

13、n(zhn ji)ji)力，而将纤维粘结力，而将纤维粘结力，而将纤维粘结力，而将纤维粘结(zhn ji)(zhn ji)为一个整体；为一个整体；为一个整体；为一个整体；具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面的反应。的反应。的反应。的反应。第9页/共74页第十页，共75页

14、。2023/2/711（3 3）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。结合强度高，不仅结合强度高，不仅结合强度高，不仅结合强度高，不仅(bj(bj n)n)直接有利于整个材料的强度，更直接有利于整个材料的强度，更直接有利于整个材料的强度，更直接有利于整个材料的强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维

15、，以充分发挥纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强度，料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强度，料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强度，料断裂时失

16、去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。（4 4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀系通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀系通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀系通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀系数相差过大，

17、则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以便在受热较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以便在受热较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以便在受热较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些

18、，以便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压状态，而获后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压状态，而获后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压状态，而获后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，纤维的热膨胀得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，纤维的热膨胀得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，纤维的热膨胀得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压应力，增进韧性。系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压应力，增进韧性。系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压应力，增进韧性。系数则可稍

19、小一些，以便在其中造成残余压应力，增进韧性。第10页/共74页第十一页，共75页。2023/2/712（5 5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在过高，增强效果又会下降

20、。比较合适的纤维含量在4070%4070%范围内。范围内。范围内。范围内。纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤维积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤维积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤维积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比短纤增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比短纤增强效果越大。纤维的长度对增强有利

21、，连续纤维比短纤增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度考虑，短时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度考虑，短时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度考虑，短时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度考虑，短纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用长径比大于纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用长径比大于纤维易于与基体混合，因此实际生产中

22、常采用长径比大于纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用长径比大于某一临界值的不连续纤维。某一临界值的不连续纤维。某一临界值的不连续纤维。某一临界值的不连续纤维。纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排列纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排列纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排列纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排列平行于应力作用的方向。受力复杂的情况平行于应力

23、作用的方向。受力复杂的情况平行于应力作用的方向。受力复杂的情况平行于应力作用的方向。受力复杂的情况(qngkung)(qngkung)下，下，下，下，纤维采用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向纤维采用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向纤维采用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向纤维采用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向的增强效果。的增强效果。的增强效果。的增强效果。第11页/共74页第十二页，共75页。2023/2/713颗粒增强颗粒增强(zngqing)复合材料的复合原则复合材料的复合原则 颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为颗粒增强复合材料增强颗粒

24、的尺寸一般很小，直径约为颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为10025001002500，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，最常见的是氧化物。，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，最常见的是氧化物。，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，最常见的是氧化物。，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，最常见的是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，可以有效地阻碍位错的运动这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，可以有效地阻碍位错的运动这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，可以有效地阻碍位错的运动这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，可以

25、有效地阻碍位错的运动或在聚合物基体中，颗粒可阻碍大分子链的运动；或在陶瓷基体中，或在聚合物基体中，颗粒可阻碍大分子链的运动；或在陶瓷基体中，或在聚合物基体中，颗粒可阻碍大分子链的运动；或在陶瓷基体中，或在聚合物基体中，颗粒可阻碍大分子链的运动；或在陶瓷基体中，颗粒对裂纹可起到屏蔽作用，进而产生显著的强化效果。这类复合颗粒对裂纹可起到屏蔽作用，进而产生显著的强化效果。这类复合颗粒对裂纹可起到屏蔽作用，进而产生显著的强化效果。这类复合颗粒对裂纹可起到屏蔽作用，进而产生显著的强化效果。这类复合材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用材料的复合强

26、化机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用OrowanOrowan理理理理论（即位错绕过质点的理论）予以论（即位错绕过质点的理论）予以论（即位错绕过质点的理论）予以论（即位错绕过质点的理论）予以(y(y y y)解释。复合材料中基体是解释。复合材料中基体是解释。复合材料中基体是解释。复合材料中基体是承受载荷的主体，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

27、的升高仍保持其原有的尺寸，因此增生的第二相质点，它们随温度的升高仍保持其原有的尺寸，因此增生的第二相质点，它们随温度的升高仍保持其原有的尺寸，因此增生的第二相质点，它们随温度的升高仍保持其原有的尺寸，因此增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于所用的基体金属或合金。优于所用的基体金属或合金。优于所用的基体金属或合金。优于所用的基体金属或合金。第12页/共74页第十三页，共75页。2023/2/714

28、 若颗粒直径小于若颗粒直径小于若颗粒直径小于若颗粒直径小于100100，这时材料结构接近于固溶，这时材料结构接近于固溶，这时材料结构接近于固溶，这时材料结构接近于固溶体结构，位错容易绕过，难以对位错起障碍作用，体结构，位错容易绕过，难以对位错起障碍作用，体结构，位错容易绕过，难以对位错起障碍作用，体结构，位错容易绕过，难以对位错起障碍作用，增强作用不大。若颗粒直径大于增强作用不大。若颗粒直径大于增强作用不大。若颗粒直径大于增强作用不大。若颗粒直径大于10001000，在载荷作，在载荷作，在载荷作，在载荷作用下，颗粒周围将造成应力集中，或基体本身破用下，颗粒周围将造成应力集中，或基体本身破用下，

29、颗粒周围将造成应力集中，或基体本身破用下，颗粒周围将造成应力集中，或基体本身破裂，导致强度降低。为使弥散增强复合材料的性裂，导致强度降低。为使弥散增强复合材料的性裂，导致强度降低。为使弥散增强复合材料的性裂，导致强度降低。为使弥散增强复合材料的性能达到最佳，除要求颗粒坚硬、稳定、与基体不能达到最佳，除要求颗粒坚硬、稳定、与基体不能达到最佳，除要求颗粒坚硬、稳定、与基体不能达到最佳，除要求颗粒坚硬、稳定、与基体不发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及同基体结合能力

30、均是必须加以考虑的因素以及同基体结合能力均是必须加以考虑的因素以及同基体结合能力均是必须加以考虑的因素以及同基体结合能力均是必须加以考虑的因素(yn s)(yn s)。实践表明，复合材料的性能显著受到颗。实践表明，复合材料的性能显著受到颗。实践表明，复合材料的性能显著受到颗。实践表明，复合材料的性能显著受到颗粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在

31、基体较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体中。中。中。中。第13页/共74页第十四页，共75页。第14页/共74页第十五页，共75页。2023/2/716层层层层状状状状复复复复合合合合材材材材料料料料(f(f(f(f h h h h ci ci ci ci lio)lio)lio)lio)铝包钢线铝包钢线铝包钢线铝包钢线 第15页/共74页第十六页，共75页。2023/2/717功能复合材料功能复合材料功能复合材料功能复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第16页/共74页第十七页，共75页。2023/2/718n1、聚聚合合物物基基复复合合材材料料（Polym

32、er Matrix Composites，简称，简称PMC）n 在在结结构构复复合合材材料料中中发发展展最最早早、研研究究最最多多、应应用用最最广广和和用用量量最最大大的的是是聚聚合合物物基基复复合合材料。材料。n 包包括括(boku)玻玻璃璃纤纤维维、碳碳纤纤维维、芳芳纶纶纤纤维维、硼硼纤纤维维、碳碳化化硅硅纤纤维维等等增增强强复复合合材料材料 第17页/共74页第十八页，共75页。2023/2/719q玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP)GFRP)q突出特点：密度低、比强度高。突出特点：密度低、比强度高。q q应用应用q航航空空航航天天工工业业：波波音音B-747

33、B-747飞飞机机的的机机内内、外外结结构构件件中中玻玻璃璃钢钢的的使使用用(shyng)(shyng)面面积积达达到到了了2700m22700m2，如如雷雷达达罩罩、机机舱舱门门、燃燃料料箱、行李架和地板等。箱、行李架和地板等。第18页/共74页第十九页，共75页。2023/2/720火箭火箭火箭火箭(hujin)(hujin)(hujin)(hujin)发动机壳体、喷管发动机壳体、喷管发动机壳体、喷管发动机壳体、喷管(耐烧蚀耐烧蚀耐烧蚀耐烧蚀)。第19页/共74页第二十页，共75页。2023/2/721能源领域能源领域风力发动机叶片风力发动机叶片 风能发电每年以约风能发电每年以约25%的速

34、率递增的速率递增 随随发发电电功功率率(gngl)增增大大，风风机机叶叶片片尺尺寸寸越越来来越越大大，对对强强度度和和刚刚度度的的要要求求提提高高，大大多多采用玻璃钢（采用玻璃钢（30多米）多米）第20页/共74页第二十一页，共75页。第21页/共74页第二十二页，共75页。2023/2/723玻玻玻玻璃璃璃璃钢钢钢钢容容容容器器器器(rngq)(rngq)（200m3200m3水水水水箱箱箱箱）大大大大口口口口径径径径玻玻玻玻璃璃璃璃钢钢钢钢输输输输水管道水管道水管道水管道 第22页/共74页第二十三页，共75页。2023/2/724 采采采采用用用用玻玻玻玻璃璃璃璃钢钢钢钢制制制制作作作作

35、的的的的体体体体育育育育用用用用品品品品也也也也越越越越来来来来越越越越多多多多，大大大大到到到到快快快快艇艇艇艇、帆帆帆帆船船船船(fnchun)(fnchun)(fnchun)(fnchun)、滑滑滑滑雪雪雪雪车车车车，小小小小到到到到自自自自行行行行车车车车赛赛赛赛车车车车、滑滑滑滑雪雪雪雪板板板板、钓钓钓钓鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有。鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有。鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有。鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有。第23页/共74页第二十四页，共75页。2023/2/725复复复复 合合合合 材材材材 料料料料(玻玻玻玻 璃璃璃璃 钢钢钢钢)制

36、制制制 作作作作(zhzu)(zhzu)(zhzu)(zhzu)的渔船的渔船的渔船的渔船 第24页/共74页第二十五页，共75页。第25页/共74页第二十六页，共75页。第26页/共74页第二十七页，共75页。第27页/共74页第二十八页，共75页。第28页/共74页第二十九页，共75页。第29页/共74页第三十页，共75页。第30页/共74页第三十一页，共75页。2023/2/732MMCMMC组织组织(zzh)(zzh)特点特点Al-7Si/SiCp的锭坯的锭坯组织组织(zzh)(冷速冷速不同不同)p 增强相的分布特点增强相的分布特点(锭坯和塑性锭坯和塑性(sxng)加工材加工材料料)挤压

37、过程中陶瓷挤压过程中陶瓷颗粒流线的形成颗粒流线的形成第31页/共74页第三十二页，共75页。2023/2/733Al-4wtCu/SiCp复合材料中复合材料中相的分布相的分布(fnb)照片照片铝基复合材料铝基复合材料(f h ci lio)中的位中的位错结构错结构第32页/共74页第三十三页，共75页。2023/2/734pp特殊的晶粒结构特殊的晶粒结构pp 增强颗粒附近的位错增强颗粒附近的位错密度非常密度非常(fichng)(fichng)高，高，容易导致细小亚晶粒的容易导致细小亚晶粒的产生，特别是对应层错产生，特别是对应层错能高的金属。能高的金属。pp 增强颗粒抑制晶粒转增强颗粒抑制晶粒转

38、动，因而减轻形变织构，动，因而减轻形变织构，效果与体积分数有关。效果与体积分数有关。第33页/共74页第三十四页，共75页。2023/2/735P/M Al/10volSiCp 挤挤压压后后的的扫扫描描电电镜镜照照片片。细细小小的的氧氧化化物物条条带带显显示示了了变变形形期期间间基基体体流流变变场场的的特特征征。SiC颗颗粒粒群群内内的的基基体体没没有有变变形形。实实际际上上，这这三三个个颗颗粒粒的的行行为为相相当当于于一一个个大大尺尺寸寸颗颗粒粒的的行为行为(在这个颗粒群周围存在与大颗粒外围在这个颗粒群周围存在与大颗粒外围(wiwi)相同的变形情况相同的变形情况)第34页/共74页第三十五页

39、，共75页。2023/2/736pp影响再结晶过程pp小尺寸颗粒会钉扎大角度晶界，如果颗粒尺寸较大，则会促进(cjn)再结晶形核。pp再结晶过程对增强相的体积分数非常敏感。第35页/共74页第三十六页，共75页。2023/2/737MMCMMC界面界面(jimin)(jimin)问题问题pp 特点pp在界面处会出现材料的物理性质(弹性模量、膨胀系数、热导率、热力学参数)和化学性质等的不连续性。pp结构复杂性：接触(jich)连接面、反应产物、析出相、元素的扩散与偏聚、近界面的高密度位错区等。第36页/共74页第三十七页，共75页。2023/2/738pp界面结合类型(lixng)pp化学结合p

40、p 如Al/Cf、Ti/SiCf等pp物理结合pp 无反应无扩散。如：Al/SiCf、Al/Bfpp扩散结合pp机械结合第37页/共74页第三十八页，共75页。2023/2/739p 界面界面(jimin)优化及界面优化及界面(jimin)反应控制反应控制采用惰性扩散层来抑制界面反应采用惰性扩散层来抑制界面反应增强相表面改性，以提高界面结合强度问题增强相表面改性，以提高界面结合强度问题提高熔体提高熔体(rn(rn t t)温度温度在熔体在熔体(rn(rn t t)中添加合金化元素中添加合金化元素增强相表面处理，如煅烧、氧化、粗糙化增强相表面处理，如煅烧、氧化、粗糙化涂层，如电镀、化学镀、气相沉

41、积、涂层，如电镀、化学镀、气相沉积、sol-gelsol-gel等等第38页/共74页第三十九页，共75页。2023/2/740MMCS的性能的性能(xngnng)特点特点pp优点pp组织结构和性能的可设计性和可控制性强pp高弹性模量、高强、高刚性pp膨胀系数可控pp高温性能较好(与基体合金相比)pp阻尼性能优异pp耐磨损性质好pp抗蠕变性能优异pp抗疲劳性能好pp吸收水气(与树脂(shzh)基复合材料比较)第39页/共74页第四十页，共75页。2023/2/741MMC弹性模量弹性模量(tn xn m lin)铝基复合材料的单周和循环铝基复合材料的单周和循环(xnhun)应力应变曲线应力应变

42、曲线第40页/共74页第四十一页，共75页。2023/2/742金属和金属和MMCs膨胀系数膨胀系数(png zhng xsh)对比对比MMCs的耐热性能的耐热性能第41页/共74页第四十二页，共75页。2023/2/743第42页/共74页第四十三页，共75页。2023/2/744pp缺点缺点pp塑性和韧性较低塑性和韧性较低pp疲劳性能不够理想疲劳性能不够理想pp复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危害复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危害pp腐蚀问题复杂腐蚀问题复杂pp焊接工艺难度大焊接工艺难度大pp价格价格(jig)(jig)较高较高pp技术较技术较成熟成熟第43页/共74页第四十四页，共75页。

43、2023/2/745pp金属基复合材料的主要应用领域pp卫星和空间结构材料：各种框架结构，可展开天线，公用机匣，紧固件等；pp导弹材料：舱段壳体、弹翼连接法兰盘、发动机部件、翼面、舵面pp电子及光学仪表：微波波导管、散热器、封装材料、雷达天线、惯性导航系统的精密零件(ln jin)、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等；pp飞机：翼梁、起落架、压气机、风扇叶片、刹车片等；直升机的传动机匣、螺旋浆、旋翼桨毂等；第44页/共74页第四十五页，共75页。2023/2/746轻武器：榴弹发射器枪管、轻型炮管、炮架；水中兵器：鱼雷壳体、潜望镜镜杆、鱼雷发动机缸套及

44、缸盖、活塞等；坦克：履带、驱动轮、装甲、炮管等；交通(jiotng)：汽车发动机部件(活塞、缸体、汽缸套)、连杆、驱动轴、制动盘、摇臂、轴承套等；高速列车制动盘等。第45页/共74页第四十六页，共75页。2023/2/747p在航天等领域在航天等领域(ln y)的应用的应用第46页/共74页第四十七页，共75页。第47页/共74页第四十八页，共75页。2023/2/749用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料钨与钼等难熔金属钨

45、与钼等难熔金属钨与钼等难熔金属钨与钼等难熔金属(jnsh(jnsh)的连续纤维平行排列于氧化物基的连续纤维平行排列于氧化物基的连续纤维平行排列于氧化物基的连续纤维平行排列于氧化物基体中体中体中体中第48页/共74页第四十九页，共75页。2023/2/750 由由由由 YBa2Cu3O7-xYBa2Cu3O7-x（淡淡淡淡 色色色色 的的的的 表表表表 面面面面 层层层层）CVDCVD到到到到 Al2O3Al2O3多多多多 丝丝丝丝 纤纤纤纤 维维维维(xinwi)(xinwi)（黑黑黑黑色色色色核核核核心心心心部部部部分分分分）上上上上而而而而制制制制成成成成的的的的Y-Ba-Cu-OY-Ba

46、-Cu-O超超超超导导导导复复复复合合合合材料材料材料材料 第49页/共74页第五十页，共75页。第50页/共74页第五十一页，共75页。第51页/共74页第五十二页，共75页。第52页/共74页第五十三页，共75页。第53页/共74页第五十四页，共75页。第54页/共74页第五十五页，共75页。2023/2/756n n由由由由于于于于C/CC/C的的的的高高高高温温温温性性性性能能能能和和和和低低低低密密密密度度度度特特特特性性性性，有有有有可可可可能能能能成成成成为为为为工工工工作作作作温温温温度度度度达达达达1500170015001700的的的的航航航航空空空空发发发发动动动动机机机

47、机理理理理想想想想轻轻轻轻质质质质材材材材料料料料。目目目目前前前前(mqin)(mqin)研研研研究究究究人人人人员员员员正正正正在在在在进进进进行行行行C/CC/C航航航航空空空空发发发发动动动动机机机机的的的的燃烧室、整体涡轮盘及叶片的应用研究。燃烧室、整体涡轮盘及叶片的应用研究。燃烧室、整体涡轮盘及叶片的应用研究。燃烧室、整体涡轮盘及叶片的应用研究。n nC/CC/C的的的的另另另另一一一一用用用用途途途途是是是是利利利利用用用用其其其其与与与与人人人人体体体体的的的的生生生生物物物物相相相相容容容容性性性性，用用用用于于于于生生生生物物物物医医医医学学学学领领领领域域域域，例例例例如

48、如如如人人人人工工工工心心心心脏脏脏脏瓣瓣瓣瓣膜膜膜膜、人人人人工工工工骨骨骨骨骼骼骼骼、人工牙根和人工髋关节等。人工牙根和人工髋关节等。人工牙根和人工髋关节等。人工牙根和人工髋关节等。第55页/共74页第五十六页，共75页。第56页/共74页第五十七页，共75页。第57页/共74页第五十八页，共75页。2023/2/759优点：优点：优点：优点：（1 1）自自自自由由由由选选选选择择择择基基基基体体体体金金金金属属属属材材材材料料料料和和和和强强强强化化化化颗颗颗颗粒粒粒粒（陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷加加加加入入入入量量量量高，出、尺寸不受限制，有害界面反应少）；高，出、尺寸不受限制，有害界面反应少）

49、；高，出、尺寸不受限制，有害界面反应少）；高，出、尺寸不受限制，有害界面反应少）；（2 2）强化颗粒分散均匀。）强化颗粒分散均匀。）强化颗粒分散均匀。）强化颗粒分散均匀。缺点：缺点：缺点：缺点：（1 1）工艺较复杂）工艺较复杂）工艺较复杂）工艺较复杂(fz)(fz)，成本高；，成本高；，成本高；，成本高；（2 2）微细颗粒均匀分散较困难；）微细颗粒均匀分散较困难；）微细颗粒均匀分散较困难；）微细颗粒均匀分散较困难；（3 3）强强强强化化化化颗颗颗颗粒粒粒粒表表表表面面面面污污污污染染染染不不不不易易易易除除除除去去去去，基基基基体体体体与与与与颗颗颗颗粒粒粒粒界界界界面面面面不不不不如铸造法。

50、如铸造法。如铸造法。如铸造法。第58页/共74页第五十九页，共75页。2023/2/7602、铸造凝固成形、铸造凝固成形 分类：分类：（1）用用于于分分散散强强化化型型复复合合材材料料成成形形的的方方法法(fngf)：普通铸造法；含浸凝固法；连续铸造法；普通铸造法；含浸凝固法；连续铸造法；（2）用用于于层层状状复复合合材材料料成成形形的的方方法法(fngf)：离离心心铸铸造造法法；热热浸浸镀镀法法；反反向向凝凝固固法；铸拉法；双结晶器铸造法。法；铸拉法；双结晶器铸造法。第59页/共74页第六十页，共75页。2023/2/761n含浸凝固法含浸凝固法n（1）定定义义：将将预预先先制制备备的的含含