郑州大学复合材料学课件第三章MMC2
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第3节复合材料课件2-讲义
高 高温 温
△ 2 Cu +S△===Cu2S Cu +CI2 ===CuCI2
CuSO4+5H2O === CuSO4.5H2O
白色粉末有何用途？
蓝色
前面我们学习了金属材料（黑色[Fe\Cr\Mn、 有色）、非金属材料（传统和新型）， 另外初中也接触到各种有机合成材料， 今天我们再学习一种性能更优良的材
THANK YOU
精品jing
第3节复合材料课件2
复习回顾：
❖ 1.铜与稀硫酸、盐酸、醋酸反应吗？ ❖ 与稀硝酸、浓硝酸反应吗？写出方程式。 ❖ 2.与浓硫酸呢？写出方程式。 ❖ 写出FeCI3、AgN03和Cu的方程式 3 . Cu和CI2、S反应的方程式
写出实验室检验水的化学方程式。
②在加热或点燃条件下，铜能与许多非金属反应。
料——复合材料。
一、认识复合材料 ［交流·研讨单一材料的优缺点］
材料 金属材料
无机非金 属材料
实例 钢铁
普通玻璃
优点 硬度大 易加工
抗腐蚀
缺点 易被腐蚀 易破碎
有机合成 材料
塑料 耐腐蚀
易老化 不耐高温
归纳
1、复合材料的概念： 将两种或两种以上的性质不同的材料经过 特殊的加工制成的材料称为复合材料。
应用：纺织机械和化工机械的制造，人体组 织中韧带的制作，制造高尔夫球杆、网球拍 等等体育用具
优点：这些 复合材料具有 耐高温、强度 高、导电性好、 导热性好、不 吸湿和不易老 化等优点。
2、航空、航天领域的复合材料 1）机翼、机身、导弹壳体和尾翼的复合材料 组成
基体：金属:用得较多的是铝、镁、钛等 密度小的轻金属 增强体：纤维（碳纤维、硼纤维、碳 化硅纤维、氧化铝纤维等）
金属基复合材料(MMC)制备工艺课件
VS
详细描述
机械合金化法是一种制备金属基复合材料 的有效方法。在球磨机中，将金属粉末与 增强相（如碳纳米管、陶瓷颗粒等）混合 ，在高能球磨过程中，金属粉末与增强相 在剧烈的机械力作用下发生合金化及复合 。该方法具有制备工艺简单、成本低、可 批量生产的优点。
扩散焊接法
总结词
通过在高温和压力作用下，使金属基体与增 强相之间发生相互扩散，实现冶金结合。
用于制备高尔夫球杆、滑 雪板等轻质、高强度的运 动器材。
05 喷射沉积法制备mmc
喷射沉积法的原理
喷射沉积法是一种制备金属基复合材料 的方法，其原理是将两种或多种材料通 过高速喷射流混合，并在快速凝固条件
下形成复合材料。
在喷射沉积过程中，各种材料的颗粒或 液体在高速运动中相互碰撞、混合和分
散，形成均匀的复合材料。
为了获得均匀分布的增强相， 需要采用合适的分散剂和分散
工艺。
常用的分散剂包括表面活性剂 、偶联剂、高分子聚合物等。
分散工艺可以采用球磨、超声 波振动、搅拌等方式。
压制与烧结
压制是将混合分散后的粉末压制成一 定形状和尺寸的预制件。
烧结是使预制件在高温下致密化的过 程，通过物质迁移和组织转变来实现 。
除了上述两种方法外，还有化学沉积法、物理气相沉 积法、熔融浸渗法等方法制备金属基复合材料。
详细描述
化学沉积法是通过化学反应在金属基体上沉积增强相 ，实现复合。物理气相沉积法是利用物理过程，在金 属基体上沉积增强相，制备金属基复合材料。熔融浸 渗法是将增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）与金属基 体混合，经过熔融、浸渗后冷却固化，制备出金属基 复合材料。这些方法各有特点，适用范围也不同，可 根据实际需求选择合适的制备方法。
复合材料PPT教学课件
原有材料的特点，又使各组分间 协同作用，形成了优于原材料的 特性。
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
复合材料概论教学课件电子教案全套课件(1)
复合材料概论教学课件电子教案全套课件一、教学内容本节课我们将学习复合材料的相关知识。
具体教学内容为教材第三章“复合材料”的第一节“复合材料概述”，包括复合材料的定义、分类、性能特点及应用领域等方面的内容。
二、教学目标1. 理解复合材料的定义，掌握复合材料的分类及性能特点。
2. 了解复合材料的应用领域，提高学生对材料科学的兴趣。
3. 培养学生的实践操作能力，学会分析复合材料的性能与应用。
三、教学难点与重点难点：复合材料的性能特点及其在实际应用中的优势。
重点：复合材料的定义、分类及其在实际应用中的案例分析。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT课件、实物样品、视频资料等。
2. 学具：笔记本、笔、计算器等。
五、教学过程1. 导入：通过展示一些日常生活中的复合材料制品，引导学生思考复合材料的特点与应用。
2. 知识讲解：1) 复合材料的定义及分类。
2) 复合材料的性能特点。
3) 复合材料的应用领域。
3. 实践操作：1) 分组讨论：分析复合材料在实际应用中的优势。
2) 观看视频：了解复合材料的制备工艺。
4. 例题讲解：以碳纤维增强复合材料为例，讲解其制备过程、性能特点及应用领域。
5. 随堂练习：1) 判断题：复合材料的性能是否完全取决于基体材料？六、板书设计1. 复合材料的定义2. 复合材料的分类3. 复合材料的性能特点4. 复合材料的应用领域七、作业设计1. 作业题目：1) 解释复合材料的定义，并举例说明。
2) 分析复合材料在实际应用中的优势，至少列举三点。
3) 简述碳纤维增强复合材料的制备过程及其性能特点。
2. 答案：八、课后反思及拓展延伸本节课通过讲解复合材料的基本概念、性能特点及应用领域，使学生初步了解了复合材料的内涵。
课后，教师应关注学生对复合材料知识的掌握程度，及时进行辅导。
拓展延伸：1. 了解其他类型的复合材料，如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
2. 研究复合材料在航空航天、汽车制造等领域的应用案例。
复合材料力学 第三章ppt课件
w v w u u v 2 3 y z3 1 x z1 2 y x
.
弹性力学知识
z
zy
zy y
dy
六个应力分量 x,y,z,y,zzx ,xy
y
y y
dy
yz
xz
xy
xy y
dy
主应力和主方向
材料往往在受力最大的面发生破坏，
x
y 物体内每一点都有无穷多个微面通
过，斜面上剪应力为零的面为主平
2
C12
C22
C23
0
C25
0
2
233 C013
C23 0
C33 0
0 C44
C35 0
C046233
31 C15 C25 C35 0 C55 0 31 12 0 0 0 C46 0 C6612
.
正交各向异性材料
随着材料对称性的提高，独立常数的数目逐步减少
如果材料有两各正交的材料性能对称面，则对于和这 两个相垂直的平面也有对称面（第三个）——正交各 向异性——9个独立常数
1 C11 C12 C13 0
2
C12
C22
C23
0
0 C16 1
0
C26
2
233 C013
C23 0
C33 0
0 C44
0 C45
C036233
31
0
0
0 C45 C55 0 31
12 C16 C26 C36 0 0 C6612
.
单对称材料
y=0
1 C11 C12 C13 0 C15 0 1
1 C11 C12 C13 0 0 0 1
2
C21
复合材料概论全套课件312P可编辑
复合材料概论全套课件312P可编辑一、教学内容本节课我们将学习《复合材料概论》教材的第三章“复合材料的种类与性能”，具体内容包括复合材料的定义、分类、基本性能特点，以及不同类型的复合材料在工业中的应用。
二、教学目标1. 理解复合材料的定义，掌握复合材料的基本分类和性能特点。
2. 学会分析不同类型复合材料的应用场景，提高学生的实际应用能力。
3. 培养学生的创新意识，激发他们对复合材料研究的兴趣。
三、教学难点与重点难点：复合材料的性能特点及其在不同领域的应用。
重点：复合材料的分类、性能特点及其应用。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT课件、实物样品、演示文稿。
五、教学过程1. 导入：通过展示一些生活中常见的复合材料制品，引发学生的思考，引入本节课的主题。
教学细节：让学生观察并讨论这些制品的特点，提出问题，引导学生思考。
2. 知识讲解：（1）复合材料的定义及分类。
（2）复合材料的基本性能特点。
（3）不同类型复合材料的应用。
教学细节：结合PPT课件和实物样品，详细讲解相关知识，穿插例题讲解。
3. 随堂练习：针对本节课的知识点，设计相关练习题，巩固所学内容。
教学细节：让学生独立完成练习题，教师巡回指导，解答疑问。
4. 案例分析：分析一个具体复合材料应用的案例，让学生了解复合材料在实际工程中的应用。
教学细节：鼓励学生提问，针对问题进行解答，引导学生深入探讨。
六、板书设计1. 复合材料的定义与分类。
2. 复合材料的基本性能特点。
3. 不同类型复合材料的应用。
七、作业设计1. 作业题目：（1）简述复合材料的定义、分类及性能特点。
（2）举例说明复合材料在生活中的应用。
2. 答案：分类：按基体材料分，可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料等。
性能特点：轻质、高强度、耐腐蚀、耐磨、导热性差等。
（2）复合材料的应用：如碳纤维增强复合材料在航空航天、汽车制造、体育器材等领域的应用。
八、课后反思及拓展延伸本节课通过讲解复合材料的定义、分类、性能特点和应用，使学生掌握了复合材料的基本知识。
郑州大学复合材料学课件第三章MMC2
液态金属表面能与原子体积关系
◆ Mg对Al2O3/Al界面湿润性影响
基体中的Mg可以与Al2O3纤维或颗粒反应在界面上形成 类似尖晶石结构的nMgO.mAl2O3。反应如下： Mg＋Al2O3 →MgO＋Al nMgO＋mAl2O3 →nMgO.mAl2O3 而nMgO.mAl2O3可与Al和Al2O3纤维或颗粒类增强材料都形 成结合性较强的界面。 经过试验，当Al-Mg-Si(一种Al合金系) 与Al2O3纤维或 颗粒复合，如添加3～5 ％镁到铝中，使液态铝合金的表面 能下降，如从0.95 N.m-1 ，降至0.76 N.m-1 。因此，在铝中 加入一定量的镁可以起到增加浸润性和提高界面结合的效果。
Chapter 3: Metal Matrix Composite
第Ⅰ类界面
基体与增强材料界面既 不相互反应，也不互溶。 微观上界面是平整或光滑 ，而且只有分子层厚度。 界面两侧分别为基体和增 强材料，不含其它物质。 如SiCw/Al的界面。
a
b
Chapter 3: Metal Matrix Composite
◆增强材料的表面处理； ◆基体合金化（或基体改性）
● 增强材料的表面处理
根据润湿方程，
要提高增强材料与基体熔体的润 湿性，主要是提高 ，或降低 。 通过增强材料的表面处理可以增加增强材料的表面能，是可 行的。 增强材料按表面性质差异可分为两类：
▲第一类表面能低； ▲第二类较易于被基体润湿
◆增强材料的表面处理
●机械结合 ●浸润与溶解结合 ●化学反应结合 ●混合结合
Chapter 3: Metal Matrix Composite
●机械结合
第Ⅰ类界面属于机械结合的界面。界面结合主要依靠 增强材料粗糙 的表面的机械“锚固”力和基体的收缩力来包紧增强材料产 生摩擦力而结 合；
第3章复合材料课件
我国从1958年开始发展复合材料
2020/9/28
首先在航空航天技术和军事上应用
如导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中， 同时，复合材料也成为发展高技术的关键材料。 另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺织、精密仪器、 造船、建筑、电子、桥梁、医疗、建筑、体育运动器材等 领域。
例： 波音757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升飞机中能量吸收结构部 件等。 F117隐性飞机－－全复合材料 体育器材――金牌有科学家的一半
尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的 力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。
2020/9/28
• 例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的纤 维承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这 是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪 切过程传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度 ，同时要求基体本身也具有高的剪切强度和模量。
各国在发展高技术计划中对先进复合材料都给予优先考虑 为增强我国综合国力，我国已把先进复合材料作为发展高技术
领域的关键新材料，被列位国家高技术研究发展计划纲要 重要内容。
2020/9/28
• 第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 • 第二代：1960年到1980年，先进复合材料
1965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-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强 环氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。 • 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料
2020/9/28
• 酚醛树脂
• 大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料， • 少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使
用在碳纤维和有机纤维复合材料中。
2020/9/28
首先在航空航天技术和军事上应用
如导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中， 同时，复合材料也成为发展高技术的关键材料。 另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺织、精密仪器、 造船、建筑、电子、桥梁、医疗、建筑、体育运动器材等 领域。
例： 波音757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升飞机中能量吸收结构部 件等。 F117隐性飞机－－全复合材料 体育器材――金牌有科学家的一半
尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的 力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。
2020/9/28
• 例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的纤 维承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这 是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪 切过程传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度 ，同时要求基体本身也具有高的剪切强度和模量。
各国在发展高技术计划中对先进复合材料都给予优先考虑 为增强我国综合国力，我国已把先进复合材料作为发展高技术
领域的关键新材料，被列位国家高技术研究发展计划纲要 重要内容。
2020/9/28
• 第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 • 第二代：1960年到1980年，先进复合材料
1965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-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强 环氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。 • 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料
2020/9/28
• 酚醛树脂
• 大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料， • 少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使
用在碳纤维和有机纤维复合材料中。
郑州大学复合材料学课件第三章MMC3
sicsicffalalb4cb4cppmgmg的暂稳态界面的暂稳态界面chaptermetalmatrixcomposite326mmc界面浸润与界面反应控制随着人们对mmc界面显著影响复合材料性能认识的提高改善增强材料和基体的润湿性以及控制界面反应的速率与反应产物的数量防止严重危害复合材料性能的界面或者界面层的产生已成为mmc界面研究的重要内容
◆增强材料的表面处理； 增强材料的表面处理； 基体合金化（或基体改性） ◆基体合金化（或基体改性）
Chapter 3: Metal Matrix Composite
◆增强材料的表面处理
增强材料的表面处理， 增强材料的表面处理，是针对不同基体应用合适的材料 来进行表面涂覆， 来进行表面涂覆，表面涂层可以在增强材料与基体间起到以 下作用： 下作用： 改善湿润性和粘着性； ▲改善湿润性和粘着性； 防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）； ▲防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）； ▲提高增强材料的抗氧化性 ▲减轻增强材料与基体之间的热应力集中 ▲防止增强材料的表面损伤。 防止增强材料的表面损伤。 增强材料的表面处理， 增强材料的表面处理，改善润湿性和控制界面反应的成 功事例是采用CVD法碳纤维涂覆 功事例是采用 法碳纤维涂覆Ti-B，用于Cf/Al基复合材 ，用于 基复合材 法碳纤维涂覆 表面涂覆SiC、B4C，主要用于 复合材料。 料；在Bf表面涂覆 表面涂覆 、 ，主要用于Bf/Ti复合材料 复合材料
Bf表面处理后对硼纤维 钛的界面反应层 表面处理后对硼纤维/钛的界面反应层 厚度的影响
Chapter 3: Metal Matrix Composite
◆金属基改性（基体合金化）
在某些金属基复合材料体系中， 在某些金属基复合材料体系中，采用基 体合金中添加某些合金元素以改善增强材料 和基体材料之间的浸润条件或有效控制界面 反应的方法为金属基改性。 反应的方法为金属基改性。 一般基体改性合金化元素应考虑为与增 强材料组成元素化学位相近的元素， 强材料组成元素化学位相近的元素，这样亲 和力大，容易发生润湿， 和力大，容易发生润湿，此外化学位是推动 反应的位能，差别小，发生反应的可能性小。 反应的位能，差别小，发生反应的可能性小。
◆增强材料的表面处理； 增强材料的表面处理； 基体合金化（或基体改性） ◆基体合金化（或基体改性）
Chapter 3: Metal Matrix Composite
◆增强材料的表面处理
增强材料的表面处理， 增强材料的表面处理，是针对不同基体应用合适的材料 来进行表面涂覆， 来进行表面涂覆，表面涂层可以在增强材料与基体间起到以 下作用： 下作用： 改善湿润性和粘着性； ▲改善湿润性和粘着性； 防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）； ▲防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）； ▲提高增强材料的抗氧化性 ▲减轻增强材料与基体之间的热应力集中 ▲防止增强材料的表面损伤。 防止增强材料的表面损伤。 增强材料的表面处理， 增强材料的表面处理，改善润湿性和控制界面反应的成 功事例是采用CVD法碳纤维涂覆 功事例是采用 法碳纤维涂覆Ti-B，用于Cf/Al基复合材 ，用于 基复合材 法碳纤维涂覆 表面涂覆SiC、B4C，主要用于 复合材料。 料；在Bf表面涂覆 表面涂覆 、 ，主要用于Bf/Ti复合材料 复合材料
Bf表面处理后对硼纤维 钛的界面反应层 表面处理后对硼纤维/钛的界面反应层 厚度的影响
Chapter 3: Metal Matrix Composite
◆金属基改性（基体合金化）
在某些金属基复合材料体系中， 在某些金属基复合材料体系中，采用基 体合金中添加某些合金元素以改善增强材料 和基体材料之间的浸润条件或有效控制界面 反应的方法为金属基改性。 反应的方法为金属基改性。 一般基体改性合金化元素应考虑为与增 强材料组成元素化学位相近的元素， 强材料组成元素化学位相近的元素，这样亲 和力大，容易发生润湿， 和力大，容易发生润湿，此外化学位是推动 反应的位能，差别小，发生反应的可能性小。 反应的位能，差别小，发生反应的可能性小。
MMC-2-增强体材料
复习与回顾第1章 绪论教学重点1. 熟悉复合材料定义和特点； 2. 了解复合材料的分类和发展历史； 3. 掌握金属基复合材料的定义与特性。
复合材料的定义和特点) 没有严格精确而又统一的定义。
没有严格精确而又统 的定义 ) 复合材料定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组 分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明 显界面的、具有特殊性能的材料。
两个特点1. 复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能 新性能。
2. 复合材料具有可设计性 复合材料 有可设计性。
即通过对原材料、各组分分布设计和工艺条件的保 设计性 通过对 材料 各组分分布设计和 艺条件的保 证等，使原材料优点互补，呈现出色的综合性能。
人工制造明显的界面金属基复合材料定义是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）等为增强材 料 金属或合金（如铝、镁、钛、镍、铁、铜等）为基体材 料，金属或合金（如铝、镁、钛、镍、铁、铜等）为基体材 料而制备的复合材料。
基体：金属或合金、金属间化合物 增强体：连续纤维、陶瓷颗粒、晶须、自生第二相等优化组合高性能MMCs金属基复合材料特性1. 高比强度、高比模量 2 导热、导电性能 2. 导热 导电性能 3. 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 4. 良好的高温性能 5. 耐磨性好 6. 良好的疲劳性能和断裂韧度 7 不吸潮，不老化，气密性好 7. 不吸潮 不老化 气密性好第2章 增强体材料1 增强体的分类 1. 2 纤维类增强体 2. 3 晶须及颗粒类增强体 3. 4 金属丝 4.教学重点1. 掌握金属基复合材料增强体的基本特性； 2. 熟悉增强体的分类； 3. 了解部分增强体的制备方法。
增强体) 金属基复合材料的重要组成部分 ) 作用：提高金属基体强度、模量、耐热性、耐磨性等增强体的范围不断扩大) 高性能连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒、金属丝等 ) 具有高强度、高模量和低密度的连续长纤维，是高性能复合材料选 用的主要增强体，如硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅纤维等 ) 其中发展最快，已大批量生产相应用的增强纤维是碳及石墨纤维各种增强体的力学性能比较2.0%碳纤维的最高抗拉强度达 7000MPa(T1000)，密度 1.8g/cm3，断裂伸长率2％；中模量碳纤维断裂应变 高模量碳纤维石墨纤维的最高模量达到 900GPa(英国杜邦公司PI30 导热性比铜高3倍，热膨胀 倍 热膨胀 系数为 -1.5×10-6/℃0 5% 0.5%纤 纤维拉伸强 强度（GP Pa）高应变碳纤维3 1.0% 石墨纤维)，密度2.1g/cm ，高强度纤维超高模量碳纤维纤维拉伸模量（GPa）作为金属基复合材料的增强体应具有的基本特性1. 应 有能 应具有能明显提高金属基体某种所需特性的性能 提高金 基体某种 需特性的性能如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以 便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能。
金属基复合材料MMC课件
高性能结构件
金属基复合材料具有高强度、高刚性和轻量化的特点，适用于制 造航空航天领域的高性能结构件。
耐高温性能
金属基复合材料能够承受高温环境，适用于制造飞机和火箭的燃烧 室和喷嘴等部件。
减振降噪性能
金属基复合材料的减振降噪性能较好，可用于制造飞机和火箭的起 落架和机身等部件。
电子封装材料的应用
散热性能
新材料与新技术的研发
1 2 3
高性能增强相的研发 利用新材料如碳纳米管、陶瓷纳米颗粒等，提高 金属基复合材料的力学性能和热稳定性。
金属基复合材料的制备技术 研究新的制备方法，如原位合成、喷射沉积、激 光熔覆等，以实现高效、低成本的生产。
多功能金属基复合材料 开发具有导电、导热、磁性等功能的新型金属基 复合材料，满足不同领域的应用需求。
分类
根据增强体的不同，金属基复合材料可分为连续增强金属基复合材料和非连续 增强金属基复合材料。
金属基复合材料的特性
高比强度和比模量
可设计性强
金属基复合材料具有较高的比强度和 比模量，能够满足轻量化设计的需求。
通过选择不同的增强体和金属基体， 可以定制金属基复合材料的性能，满 足各种应用需求。
良好的热稳定性和耐磨性
车、高尔夫球杆等。
医疗器械
用于制造医疗器械，如 手术刀、牙科工具等， 提高医疗器械的耐用性
和可靠性。
02
金属基复合材料的制备方法
粉末冶金法
粉末冶金法是一种常用的制备金属基复合材料的方法，通过将增强体（如碳纤维、陶瓷颗粒 等）与金属粉末混合，经过压制、烧结和热等静压等工序，制备出具有优异性能的金属基复 合材料。
界面设计与优化
01
02
03
界面类型
复合材料原理3.PPT
增强体表面的结晶特性包括表面的结晶程度及晶体 分布状态，都会影响到界面作用和整体性能。
晶体越小，比表面积越大，对与基体结合有利的的 晶棱数目就越多；同时，也增大了粘接面积。
以上特性同时会影响到增强体的表面能，高表面能 的增强体与基体形成较强的界面结合。但应注意， 对于超微细粉末填料，超过某一细度时，可能会有 相反表现。
最简单的传递方式有串联和并联两种,复杂的可能有 多种组合方式.
2.3.2.3 强度性质
是材料承受外作用场极限能力的表征.如机械强度等.
对于非匀质的复合材料,材料的承载能力不是各组分 承载能力的叠加,而与外场的分布,组分间作用,相含 量,几何状态等因素有关.
2.3.2.4 转换性质
是指材料在一种外场的作用下,转换产生另一种新场 量.如电-热,热-光等.
对于增强体与基体界面结合很弱的复合材料,可以出 现平行效应.
三、相补效应:基体和增强体性能互补,整体性能提 高.
对于脆性的高强度纤维与韧性基体复合,结合适宜时 可以产生相补效应.
四、相抵效应:基体与增强体性能相互制约, 限制了整体性能的提高.
如脆性的纤维与韧性基体复合当结合很强时, 则材料整体容易脆性断裂.
增强体表面的物理特性主要是指其比表面积及表面 形态结构及表面能，通常涉及比表面积、多孔性、 表面极性、表面结构的均一性，表面的结晶特性和 表面能。 3.5.1.1 比表面积及多孔性
增强体的巨大的比表面积是导致复合材料中巨大的 界面存在并引起界面效应的根本所在。
增强体表面存在部分孔隙，孔隙中存在气体，复合 时部分孔隙被基体填充，呈机械镶嵌的结合状态。
五、相乘效应:两种具有转换效应的材料复合 即可产生相乘效应.
如把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的 材料复合,即可产生电光效应.
晶体越小，比表面积越大，对与基体结合有利的的 晶棱数目就越多；同时，也增大了粘接面积。
以上特性同时会影响到增强体的表面能，高表面能 的增强体与基体形成较强的界面结合。但应注意， 对于超微细粉末填料，超过某一细度时，可能会有 相反表现。
最简单的传递方式有串联和并联两种,复杂的可能有 多种组合方式.
2.3.2.3 强度性质
是材料承受外作用场极限能力的表征.如机械强度等.
对于非匀质的复合材料,材料的承载能力不是各组分 承载能力的叠加,而与外场的分布,组分间作用,相含 量,几何状态等因素有关.
2.3.2.4 转换性质
是指材料在一种外场的作用下,转换产生另一种新场 量.如电-热,热-光等.
对于增强体与基体界面结合很弱的复合材料,可以出 现平行效应.
三、相补效应:基体和增强体性能互补,整体性能提 高.
对于脆性的高强度纤维与韧性基体复合,结合适宜时 可以产生相补效应.
四、相抵效应:基体与增强体性能相互制约, 限制了整体性能的提高.
如脆性的纤维与韧性基体复合当结合很强时, 则材料整体容易脆性断裂.
增强体表面的物理特性主要是指其比表面积及表面 形态结构及表面能，通常涉及比表面积、多孔性、 表面极性、表面结构的均一性，表面的结晶特性和 表面能。 3.5.1.1 比表面积及多孔性
增强体的巨大的比表面积是导致复合材料中巨大的 界面存在并引起界面效应的根本所在。
增强体表面存在部分孔隙，孔隙中存在气体，复合 时部分孔隙被基体填充，呈机械镶嵌的结合状态。
五、相乘效应:两种具有转换效应的材料复合 即可产生相乘效应.
如把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的 材料复合,即可产生电光效应.
第3节复合材料课件PPT课件
陶瓷隔音材料
生物陶瓷
能自然降解的红陶
纳米层状无机抗菌防菌 第14页/共27页 功能鞋垫、保健袜
蜂窝陶瓷
堇青石蜂窝陶瓷外观
第15页/共27页
运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富 弹性,这三种材料能满足要求吗? “神州五号”载人飞船穿过大气层时,外 壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温, 这些材料又能否经受这种考验而使飞船 安然无恙?
2.用于制造碳素球拍的是什么材料?碳素球拍比木质 球拍和铝合金球拍有哪些优越性?
3.碳纤维增强复合材料的基体和增强体分别是什么? 有什么优越性能?主要应用?
4.航天航空领域中的复合材料的基体பைடு நூலகம்增强体分别 是什么?有什么性能?
第21页/共27页
还有哪些复合材料? 请你谈谈复合材料在社会发展
中的作用?
复合材料
观察.思考
以下物品用到哪些材料?
第1页/共27页
第2页/共27页
第3页/共27页
第4页/共27页
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第6页/共27页
第7页/共27页
第8页/共27页
第9页/共27页
第10页/共27页
光学玻璃
第11页/共27页
玻璃纤维
第12页/共27页
石英玻璃
第13页/共27页
第27页/共27页
生活中的灵感,化学与生活、生产密切联 系，材料在人类生活中起到巨大作用。
第19页/共27页
复合材料的分类
按基体分类
复合 材料
按增强体的 形状分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料
纤维增强复合材料
第20页/共27页
1.玻璃钢的基体和增强体分别是什么?玻璃钢有什么 性能?主要应用?
郑州大学复合材料增强体PPT共37页
郑州大学复合材料增强体
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。
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Cf/Ni复合材料界面 复合材料界面
Chapter 3: Metal Matrix Composite
第Ⅲ类界面
基体与增强材料的界面发生界面反应， 基体与增强材料的界面发生界面反应，界面存在有微米 和亚微米级的界面反应产物。最典型是Bf/Ti，Cf/Al复合 和亚微米级的界面反应产物。最典型是 ， 复合 材料。 在界面形成TiB2界面反应物层。 界面反应物层。 材料。在高温下 Bf/Ti在界面形成 在界面形成
◆界面溶解与析出 ◆界面反应
Chapter 3: Metal Matrix Composite
◆界面溶解与析出
界面溶解与析出是影响MMC第Ⅱ类界面稳定性的主要物 第 界面溶解与析出是影响 理因素。典型例子是C 复合材料。 理因素。典型例子是 f/Ni和Wf/Ni复合材料。 和 复合材料 界面产生互溶后，受温度和时间的影响， 界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现不稳 定。如Wf/Ni中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严重， 中 采用扩散结合制备时，界面互溶并不严重， 但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在1100℃下经 但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在 ℃ ％，这样就严重影响了 过50h，Wf的直径仅为原来 ％，这样就严重影响了 f/Ni ， 的直径仅为原来50％，这样就严重影响了W 复合材料的使用性能和可靠性。 复合材料的使用性能和可靠性。
Bf/Ti-6Al-4V中TiB2反应层 中 （850℃，100h） ℃ ）
Chapter 3: Metal Matrix Composite
第Ⅲ类界面
Cf/Al复合材料中Cf与Al基体发生界面反应，生成Al4C3。 基体发生界面反应，
Cf/Al的界面反应及反应产物 4C3 的界面反应及反应产物Al 的界面反应及反应产物
▲第一类表面能低； 第一类表面能低； ▲第二类较易于被基体润湿
◆增强材料的表面处理
▲第一类表面能低
第一类表面能低的增强材料主要有碳纤维和氧化铝纤维、 第一类表面能低的增强材料主要有碳纤维和氧化铝纤维、 颗粒和晶须。这类增强材料极不容易被基体融体润湿， 颗粒和晶须。这类增强材料极不容易被基体融体润湿，又能 与某些金属发生强烈的界面反应。 与某些金属发生强烈的界面反应。对于这类增强材料首先是 要提高其与基体的湿润性。 要提高其与基体的湿润性。
▲ Cf表面处理改善Cf/Al湿润性
Cf/Al是一种适宜空间 是一种适宜空间 技术的结构和功能复合材料。 技术的结构和功能复合材料。 但是碳纤维和石墨纤维的表 面能很低， 面能很低，一般在正常制备 温度下无法被Al液所润湿 液所润湿， 温度下无法被 液所润湿， 只有在1000 1000℃ 只有在1000℃高温下才能改 善其与Al的润湿性 的润湿性。 善其与 的润湿性。右图为 不同温度下Al液与 液与C（石墨） 不同温度下 液与 （石墨） 接触角与温度的关系曲线。 接触角与温度的关系曲线。
Chapter 3: Metal Matrix Composite
准Ⅰ类界面
SiCf/Al、B4C/Mg复合材料的准 SiCf/Al、B4C/Mg复合材料的准Ⅰ类界面 复合材料的准Ⅰ
准Ⅰ类界面
SiC-Cu界面
Chapter 3: Metal Matter 3: Metal Matrix Composite
结果随着温度的提高，时间的增长， 的渗入量的增加 的渗入量的增加， 结果随着温度的提高，时间的增长，Ni的渗入量的增加， Cf的有效面积急剧减小，增强效果明显降低，Cf/Ni的强 的有效面积急剧减小， 的有效面积急剧减小 增强效果明显降低， 的强 度明显下降。 度明显下降。
a
b
Chapter 3: Metal Matrix Composite
第Ⅱ类界面
增强材料和基体之间相互扩散－渗透， 增强材料和基体之间相互扩散－渗透，相互溶解而形成 的界面。这类界面往往在增强材料（如纤维）周围， 的界面。这类界面往往在增强材料（如纤维）周围，形成 环状，界面呈犬牙交错的溶解扩散层。 环状，界面呈犬牙交错的溶解扩散层。如Cf/Ni基复合材料 基复合材料 的界面属第Ⅱ类界面，白色的为镍环， 扩散溶解到Cf， 的界面属第Ⅱ类界面，白色的为镍环，为Ni扩散溶解到 ， 扩散溶解到 扩散到Ni，并发生结构变化（趋向石墨结构）。 而Cf中C扩散到 ，并发生结构变化（趋向石墨结构）。 中 扩散到
●混合结合
反映界面的不稳定性，可能两种结合方式并存。 反映界面的不稳定性，可能两种结合方式并存。MMC 在实际使用 往往会存在这种结合方式。 中，往往会存在这种结合方式。
Chapter 3: Metal Matrix Composite
3.2.3 MMC界面稳定性
MMC主要特点是高温下性能，要求性能稳定性，即能 主要特点是高温下性能，要求性能稳定性， 主要特点是高温下性能 长时间在使用温度下保持其性能的稳定性。 长时间在使用温度下保持其性能的稳定性。界面稳定性研究 复合材料界面优化的重要组成部分。 是MMC复合材料界面优化的重要组成部分。通过界面稳定 复合材料界面优化的重要组成部分 性研究，可以帮助选择合适的基体和增强材料的组分、 性研究，可以帮助选择合适的基体和增强材料的组分、处理 方式，以及制定合理的制备工艺和参数， 方式，以及制定合理的制备工艺和参数，避免出现界面不稳 定性或减少界面不稳定性，提高复合材料性能的稳定性。 定性或减少界面不稳定性，提高复合材料性能的稳定性。影 响界面稳定性的因素主要有物理因素和化学因素， 响界面稳定性的因素主要有物理因素和化学因素，即：
●机械结合 ●浸润与溶解结合 ●化学反应结合 ●混合结合
Chapter 3: Metal Matrix Composite
●机械结合
第Ⅰ类界面属于机械结合的界面。界面结合主要依靠 类界面属于机械结合的界面。 增强材料粗糙 的表面的机械“锚固” 的表面的机械“锚固”力和基体的收缩力来包紧增强材料产 生摩擦力而结 合；
▲第二类较易于被基体润湿
第二类较易于被基体润湿，也能与某些金属基体发生反 第二类较易于被基体润湿， 主要有硼纤维、碳化硅和碳化硼类增强材料。 应。主要有硼纤维、碳化硅和碳化硼类增强材料。对于这类 增强材料主要是要控制其与基体的界面反应。 增强材料主要是要控制其与基体的界面反应。 增强材料的表面处理，如表面进行合适的涂层，使涂层 增强材料的表面处理，如表面进行合适的涂层， 材料既可以起到提高固相表面能作用， 材料既可以起到提高固相表面能作用，同时涂层也可作为增 强材料与基体间界面反应的阻挡层， 强材料与基体间界面反应的阻挡层，起到控制界面反应的作 用。
铝液与碳接触角与温度的关系
为提高碳和铝的润湿性 并控制界面反应， 并控制界面反应，一般采用 CVD法在碳纤维上涂覆 － 法在碳纤维上涂覆Ti－ 法在碳纤维上涂覆 B涂层或镀 层，取得了满 涂层或镀Na层 涂层或镀 意的效果（下图）。 意的效果（下图）。 二元铝合金与涂Ti-B后 二元铝合金与涂 后 石墨的接触角和时间的关系， 石墨的接触角和时间的关系， 可以看出不同铝基体上与石 墨有良好的润湿性. 墨有良好的润湿性
3.2.1 MMC的界面类型
一般根据增强材料和基体之间的物理与化学 相容性，即界面溶解与界面反应来分类， 相容性，即界面溶解与界面反应来分类，分为三 种类型： 种类型：
Chapter 3: Metal Matrix Composite
第Ⅰ类界面
基体与增强材料界面既 不相互反应，也不互溶。 不相互反应，也不互溶。 微观上界面是平整或光滑 而且只有分子层厚度。 ，而且只有分子层厚度。 界面两侧分别为基体和增 强材料，不含其它物质。 强材料，不含其它物质。 如SiCw/Al的界面。 的界面。 的界面
Cf/Ni复合材料高温力学性能的变化 Cf/Ni复合材料高温力学性能的变化
3.2.4界面的润湿与结合 界面的润湿与结合 描述一种液体在一种固体表面的扩展程度
图1.6. 液滴在固体表面形成的接触角
θ：接触角，液滴与固体表面所成的夹角，描 述一种液相对一种固相的润湿程度
γ LS + γ LV cosθ = γ SV
●浸润与溶解结合
基体与增强相之间发生润湿， 基体与增强相之间发生润湿，并伴随一定的相互溶解而 产生的一种 属第Ⅱ类界面的结合； 属第Ⅱ类界面的结合；
Chapter 3: Metal Matrix Composite
●化学反应结合
增强材料与基体界面之间发生化学反应， 增强材料与基体界面之间发生化学反应，在界面上形 成新的化合物 也就是第Ⅲ类界面层，这是MMC的主要结合方式； 的主要结合方式； 层，也就是第Ⅲ类界面层，这是 的主要结合方式
Chapter 3: Metal Matrix Composite
3.2 MMC界面
● MMC界面类型与界面结合 界面类型与界面结合 ● MMC界面稳定性 界面稳定性 ● MMC界面浸润 界面浸润 ● MMC界面反应控制 界面反应控制
Chapter 3: Metal Matrix Composite
◆增强材料的表面处理； 增强材料的表面处理； 基体合金化（或基体改性） ◆基体合金化（或基体改性）
● 增强材料的表面处理
根据润湿方程， 根据润湿方程，
要提高增强材料与基体熔体的润 湿性， 湿性，主要是提高 ，或降低 。 通过增强材料的表面处理可以增加增强材料的表面能， 通过增强材料的表面处理可以增加增强材料的表面能，是可 行的。 行的。 增强材料按表面性质差异可分为两类： 增强材料按表面性质差异可分为两类：
为使复合材料具有良好的性能， 为使复合材料具有良好的性能，需要在增强材料和基 体之间建立一定的结合力， 体之间建立一定的结合力，只有结合适中才能使材料呈现 高强度和高塑性。工艺明显影响MMC的界面结合强度， 的界面结合强度， 高强度和高塑性。工艺明显影响 的界面结合强度 如FP/Nb，采用扩散结合法制备，1500℃、6.4MPa、1h， ，采用扩散结合法制备， ℃ 、 ， 几乎没有结合强度，而在1600℃、6.4MPa、0.5h，结合强 几乎没有结合强度，而在 ℃ 、 ， 度45MPa。 。 MC界面结合形式分为四种： 界面结合形式分为四种： 界面结合形式分为四种