2复合材料原理
复合材料原理第二版课后答案
复合材料原理第二版课后答案复合材料原理第二版课后答案第一章：绪论1.什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上的材料组成的各司其职、相互补充的一种材料。
2.复合材料的特点有哪些？复合材料具有强度高、刚度大、重量轻、抗腐蚀性强、无疲劳断裂、易成型等特点。
3.复合材料的分类有哪些？按矩阵分类有无机复合材料和有机复合材料；按增强材料分类有无定向增强和定向增强。
第二章：基础知识1.复合材料的加工方式有哪些？常用的复合材料加工方式有手工层压法、自动层压法（RTM、RTM-L、VARTM等）、注塑法、卷制法、旋转成型法等。
2.复合材料中的力学基础知识有哪些？复合材料中的力学基础知识包括应力、应变、应力应变关系、拉伸和压缩、剪切和弯曲等。
3.复合材料中的热力学基础知识有哪些？复合材料中的热力学基础知识包括热膨胀、热导率、热扩散系数等。
第三章：复合材料的基本组成1.复合材料的基本组成是什么？复合材料的基本组成是增强材料和矩阵材料。
2.复合材料的增强材料有哪些？复合材料的增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、金属纤维等。
3.复合材料的矩阵材料有哪些？复合材料的矩阵材料主要有四类，即金属基矩阵材料、有机高分子基矩阵材料、无机非金属基矩阵材料、无机金属基矩阵材料。
第四章：复合材料的制备过程1.复合材料的制备过程有哪些？复合材料的制备过程一般包括预处理、增强体制备、矩阵制备、复合成型和后处理等步骤。
2.复合材料的预处理有哪些？复合材料的预处理包括增强体表面处理、矩阵材料预处理、增强体和矩阵的匹配等。
3.如何选择复合材料的制备方法？选择复合材料的制备方法需要考虑到其应用环境和性能要求。
第五章：复合材料的性能和应用1.复合材料的性能有哪些？复合材料的性能包括机械性能、物理性能、化学性能等。
2.复合材料的应用领域有哪些？复合材料的应用领域包括航空航天、轨道交通、建筑结构、汽车制造、石油化工等领域。
3.复合材料的未来发展趋势是什么？未来复合材料的发展趋势是多材料复合、纳米复合、生物仿生等方向的综合发展。
2_复合材料的复合效应
为材料体积含量，角标 、 、 分别表示复合材料 分别表示复合材料、 为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、 基体和增强体。 基体和增强体。
如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示， 如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示， 混合率来表示 则为： 则为：Ec=EmVm+EfVf
5
2.1 材料的复合效应
纤维间距
s = 2[( s = 2[(
π
2 3V f
)1/ 2 − 1]r
(六边形阵列) (正方形阵列)
π
4V f
)1/ 2 − 1]r
28
作业1： 作业 ：
请描述纤维间距随体积分数的变化情况， 请描述纤维间距随体积分数的变化情况， 即计算（ ） 即计算（s/r）在Vf= 0.3、0.4、0.5及0.6时 、 、 及 时 的值，并采用画图的方式做出说明， 的值，并采用画图的方式做出说明，其中 纤维排布方式：六边形。 纤维排布方式：六边形。 提示：横坐标： 纵坐标： 提示：横坐标：Vf，纵坐标：s/r
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2.2 复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型 材料的复合效果
掌握0 型结构。 掌握0-3、1-3、2-2、2-3、3-3型结构。 掌握组分效果 分布状态效果、 组分效果、 掌握组分效果、分布状态效果、尺度效果和 界面效果； 界面效果； 形状效果。 理解 形状效果。
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2.2 复合材料的结构与复合效果
1 2 π − 1 r (六边形阵列） s = 2 六边形阵列） 2 3V f
π s = 2 4V f
正方形阵列） 1 − 1 r (正方形阵列） 2
推导： 推导： 2R S 2r 构成六边形，单位截面上， 构成六边形，单位截面上，其面积
《2024年Ni(OH)2及其复合材料电化学性能的研究》范文
《Ni（OH）2及其复合材料电化学性能的研究》篇一一、引言近年来，随着科技的不断发展，新能源材料的探索与研究已经成为世界科研的热点之一。
而镍基复合材料作为一种新兴的电池材料，尤其受到电化学界的关注。
Ni（OH）2作为镍基复合材料的重要一员，其电化学性能的研究对于提高电池性能、延长电池寿命具有重要意义。
本文旨在探讨Ni（OH）2及其复合材料的电化学性能，为相关研究提供理论依据。
二、Ni（OH）2的基本性质Ni（OH）2是一种典型的镍基氢氧化物，具有高理论容量、环境友好、成本低廉等优点。
在电化学反应中，Ni（OH）2可以通过法拉第反应实现电能与化学能的相互转化，是电池中重要的正极材料之一。
三、Ni（OH）2的电化学性能（一）电化学反应机理Ni（OH）2的电化学反应过程是一个可逆的过程，涉及氢离子和电子的交换。
在充电过程中，Ni（OH）2中的OH-失去电子并被氧化成O2和H2O；而在放电过程中，则是H2O被还原成OH-和电子与Ni（OH）2结合的过程。
这一反应过程提供了可逆的充放电过程，为电池提供能量。
（二）充放电性能Ni（OH）2具有较高的理论容量和充放电容量。
但在实际使用中，其容量往往因材料的纯度、晶体结构等因素受到限制。
通过改进合成方法和制备工艺，可以提高其充放电性能和循环稳定性。
四、Ni（OH）2复合材料的电化学性能（一）复合材料制备方法为了提高Ni（OH）2的电化学性能，研究人员常常采用将其与其他材料进行复合的方法。
例如，与碳材料、金属氧化物等材料进行复合，可以显著提高其导电性、结构稳定性和电化学活性。
这些复合材料的制备方法包括溶胶凝胶法、水热法、共沉淀法等。
（二）复合材料的电化学性能通过与其他材料的复合，Ni（OH）2的电化学性能得到了显著提升。
复合材料具有更高的比容量、更好的循环稳定性和更高的充放电速率。
此外，复合材料还具有优异的倍率性能和低温性能，使其在电动汽车、移动设备等领域具有广泛的应用前景。
复合材料原理
第二章 材料的复合原理
2.1 材料的复合效应：
二、非线性效应
（4）系统效应
多种组分复合后，复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。
举例：
（1）彩色胶片是以红黄蓝三色感光 材料膜组成的一个系统，能显示出各种颜 色，单独存在则无此效应。
（2）交替层叠镀膜的硬度大于原来各 单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。
金属基复合材料（铝、镁、铜、钛及其合金，等） • 碳炭复合材料
第一章 绪论
(4)复合材料具体有哪些类型？
结构功能复合材料（增强材料：玻璃纤维、碳 纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、 金属、颗粒）
功能复合材料（光学、电学、磁学、热学、声 学、生物、仿生，等等）
第一章 绪论
1.2 复合材料未来发展新领域 1）多功能，机敏、智敏复合材料 2）纳米复合材料 3）仿生复合材料
第二章 材合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型
复合材料主要由基体、增强体或功能体等共同组成。 由于他们在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同，因此根 据不同的性质或形态，他们可形成多种不同结构类型的复合材料。
基体通常是三维连续的物质，也就是将不同组分相形 成整体材料的物质。
复合材料原理
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南京工业大学
Nanjing University of Technology
明德 厚学 沉毅 笃行
《材料复合原理》
陆春华
E-mail:chhlu2019hotmail Tel: 13951739343
复合效应本质上是组分A、B的性能，及两 者间形成的界面性能，相互作用、相互补充， 使得复合材料在其组分材料性能的基础上产生 线性和非线性的特性。
复合材料第2章 增强材料
❖ 单向增强结构
这种结构是指增强材料一维平 行排列分布在基体中，PMC、 MMC、CMC中较为常见结构。
TaCf
界面及 界面反 应层
SiC
f
Ti基体
SiCf /Ti单向增强复合材料
TaCf/Superalloy(原位定向 凝固)
钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组 织
❖ 层状增强结构
增强材料以织物（布、毡）方式增强，或双向正交、或铺层（多向）方 式分布在复合材料基体中，是PMC、C/C常用的结构，如层压板、迭层板等。 在CMC中，也可以纤维按层状，在基体中原位形成分散状的增强相。
SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料
喷涂法制备的Al2O3与高温合金复合 的层状复合材料
蒙脱土/聚丙烯酰胺纳米层状复合材料 （龙斌，清华大学硕士学位论文，2007年）
❖ 网络状增强结构
网络状增强结构分为三维、多维网络状结构，三维结构也有称为三向，或三 向正交增强结构。一般通过编织方式将纤维或将预浸料编织成三维或多维预制 体。比较典型的是三维正交C/C复合材料，按纤维的方向分为L、T、N三个方 向经编织成三维立体结构，但各个方向的纤维含量可以相同或不同。在C/C复 合材料中，也可以在层状结构的基础上采用Z向针刺的方法形成三维结构。
❖ 低密度——仅为1.44 g/cm3，几乎只有石棉密度的一半，低于碳纤维。 ❖ 热稳定性——在热试验中(TGA)非常稳定,直至600℃才有明显的重量丧失；在
427℃下不分解，在－190℃低温下不变脆；强度长期在150℃下几乎不变，在 高温下不易变形，尺寸稳定，特别是其柔韧性好，抗冲击。在空气中难以燃烧， 离焰自熄。
❖ 经过热处理和改善原料的结构后，可得到提高了综合性能的不同牌号的芳 纶纤维。
sio2增强增韧聚丙烯的原因
sio2增强增韧聚丙烯的原因一、背景介绍聚丙烯是一种广泛应用的热塑性合成树脂，具有轻质、耐候性好、化学稳定性高等特点，但其在强度和韧性方面存在不足。
为了改善聚丙烯的力学性能，可以通过添加填料来增强和增韧。
其中，SiO2是一种常用的填料，在聚丙烯中添加SiO2可以有效地提高其力学性能。
二、SiO2增强聚丙烯的原理1. SiO2填充物的特点SiO2是一种无机材料，具有高硬度、高强度和高耐磨性等特点。
在填充到聚丙烯中后，它可以形成一个网格结构，并与聚丙烯分子间作用，从而形成一个复合材料体系。
2. SiO2对聚丙烯力学性能的影响（1）增加硬度：由于SiO2本身具有高硬度，在填充到聚丙烯中后可以提高复合材料的硬度。
（2）提高抗拉强度：由于SiO2与聚丙烯分子之间的相互作用力，使得复合材料的内聚力增强，从而提高了其抗拉强度。
（3）提高抗冲击性：SiO2填充物可以在复合材料中形成一个网格结构，从而增加了复合材料的韧性和抗冲击性。
（4）改善耐磨性：由于SiO2本身具有高耐磨性，在填充到聚丙烯中后可以提高复合材料的耐磨性。
三、SiO2增韧聚丙烯的原理1. SiO2填充物的特点除了具有上述增强作用外，SiO2还具有较好的分散性和表面活性，能够有效地改善聚丙烯的流动性和加工性能。
2. SiO2对聚丙烯增韧的影响（1）改善流变性能：由于SiO2填充物具有较好的分散性和表面活性，在填充到聚丙烯中后可以有效地改善其流变性能，使得其更容易加工。
（2）形成网格结构：由于SiO2填充物可以在聚丙烯中形成一个网格结构，并与聚丙烯分子间作用，从而使得复合材料具有更好的韧性和耐冲击性。
（3）改善断裂韧性：SiO2填充物可以在复合材料中形成一个分散相，从而使得复合材料中的裂纹扩展路径增加，从而提高了其断裂韧性。
四、总结SiO2填充物在聚丙烯中的应用可以有效地提高其力学性能和加工性能。
其中，SiO2具有较好的分散性和表面活性，能够改善聚丙烯的流变性能；同时，SiO2还可以在聚丙烯中形成一个网格结构，并与聚丙烯分子间作用，从而使得复合材料具有更好的韧性和耐冲击性。
复合材料2
第1章绪论1.复合材料的定义(Composition Materials , Composite)复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
复合材料=基体(连续相)+增强材料(分散相)分散相是以独立形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。
分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒或弥散的填料。
2.复合材料常见分类方法：1）按性能分：常用复合材料、先进复合材料2）按用途分：结构复合材料、功能复合材料3）按复合方式分：宏观复合、微观复合4）按基体材料分：聚合物基、金属基、无机非金属基5）按增强体形式分：纤维增强复合材料、颗粒增强、片材增强、叠层复合3.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？三个结构层次: 一次结构——单层材料——微观力学一次结构二次结构——层合体——宏观力学二次结构三次结构——产品结构——结构力学三次结构设计层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计4.复合材料力学主要是在单层板和层合板这两个结构层次上展开的，其研究内容分为微观力学和宏观力学两部分。
第2章复合材料界面和优化设计1.复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观形式复合而成的多相材料。
2.复合材料界面机能：1）传递效应：基体可通过界面将外力传递给增强物，起到基体与增强体之间的桥梁作用2）阻断效应：适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用3）不连续效应：在界面上产生物理性能不连续性和界面摩擦现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性等4）散热和吸收效应：5）诱导效应3.界面效应既与界面结合状态、形态和物理、化学性质等相关，也与界面两边组元材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。
4.聚合物基复合材料是由增强体与聚合物基体复合而形成的材料。
聚合物基复合材料分类：热塑性、热固性聚合物基复合材料。
热塑性聚合物基复合材料成型两个阶段：①熔体与增强体之间接触和润湿②复合后体系冷却凝固成型。
2-复合材料结构设计-设计要求和原则(课堂PPT)
4
耐久性设计要求
一般要求
飞机结构的经济寿命必须大于设计使用寿命 飞机结构的经济寿命必须进行试验验证 在设计使用寿命期内，飞机结构不允许出现开裂、分层、脱胶、变形
为了保证结构安全而需进行修理、更换和检查 干扰飞机的机械操作 影响飞机的气动特性 产生功能性障碍 在稳态飞行或地面运输条件下引起裂纹/分层的持续扩展
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结构分析要求
一般要求
复合材料的结构分析是主要的设计内容之一，包括静动分析，气动 弹性剪裁及耐久性与损伤容限分析 结构分析过程中使用的方法，手段，工具都应经过验证并有足够的 设计和使用经验。
静强度与刚度分析
金属结构静强度与刚度分析的要求原则上适用于复合材料结构 1）复合材料的层压板的应力应变关系在破坏前呈线性，无屈服极限 2）结构所用层压板的弹性常数一般采用经典层压板理论，层压板破 坏分析应采用经验证的失效准则，并辅以适当的刚度削减法则 3）判断复合材料结构失效的设计许用值，一般不直接采用无损试样 得到的极限破坏强度
2
结构设计要求 静强度设计要求
一般要求
在进行部件结构静强度分析与试验验证时，应保证在使用载荷下 结构不产生有害的变形和损伤，在设计载荷下结构不出现总体破坏
应通过设计载荷下的部件试验程序来验证复合材料结构的静强度、 符合设计准则的程度和可能的强度储备。
对安全裕度大的复合材料结构，可通过试样、元件和组合件试验结 果支持的分析来验证
14
动力分析
原则上与金属结构的动力学分析要求一致，是动力学设计 的基础，主要包括动特性分析，动载荷与动响应分析，结 构敏感度分析与动力学优化分析，鸟撞损伤和射弹损伤分 析，声响应和声疲劳分析。
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3(2).复合材料的复合效应解析
表3．3 单向复合材料模型的基本假设
名称
基本假设
单元体 宏观均匀、无缺陷、增强体与基体性能恒定、线弹性
增强体 匀质、各向同性、线弹性、定向排列、连续
基 体 匀质、各向同性、线弹性
界 面 粘结完好(无孔隙、滑移、脱粘等)、变形协调
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3.3.1 复合材料的模型
根据复合材料组分之增强体（或功能体）和基体的几何形 态，常见的几何结构模型有以下几种。
Vm＝1－V f －Vi
注：对于非球形体微粒增强体，可以采用粒子的当
量半径rd=(0.75Vf/π)1/3代替rf。球形模型的特点是各 向同性材料。
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作业２
假设2 wt%二氧化钍（ThO2）加入到镍 （Ni）中， ThO2颗粒直径为100 nm， 已知ThO2和Ni的密度分别为9.69和8.9 g/cm3，请计算每立方厘米的复合材料中 有多少个ThO2颗粒。（假设界面上没有反 应产物）
y
3GmGpbVp1 2 2d (1Vp )c
作用
响应 4
材料模型化的方法
连续介质理 论
待确定复合 模型化 材料的微观
体系性能
结构模型
相微观作用
O
（O）
1 V
OdV
场Ii,响应场Oi
给定宏观作 用场I
有效性能ε
O= ε(I)
宏观响应场 O
O表示宏观响应场，V表示单元体积
5
3.3.1 复合材料的模型
在研究材料复合的有关理论时，建立一个能包含主要 影响因素、显示材料真实性能、易得确切结果的材料模型 是十分重要的。
（Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 7035 –7039）
《复合材料力学》2复合材料的基体材料(标准版)
行复合，如碳化硅/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等 复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。
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工业集成电路： 高导热、低膨胀 如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀
的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒 复合，用作散热元件和基板。
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2 金属基复合材料组成特点
针对不同的增强体系，应充分分析和考虑 增强物的特点来正确选择基体合金材料。
强材料与基体复合而成的复合材料。
4
复合材料性能的综合比较
使用温度 ℃
强度 耐老化
导热性 W/(mK)
耐化学 腐蚀
树脂基复 合材料
60~250
可设计
最差
0.35~0.45
最好
金属基复 合材料
400~600
可设计
一般
50~65
一般
陶瓷基复 1000~150
可设计
合材料
0
5
最好
0.7~3.5
最好
工艺 成熟 一般 复杂
氮化硅陶瓷(Si3N4)
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高 纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反 应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的 方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约 1350℃）。后者是将加适当的助烧剂 (MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
复合材料讲稿2
第二章复合材料的复合效应第一节复合效应概述复合材料的复合原理是研究复合材料的结构特性、开拓新材料领域的基础。
耦合：不同性质材料之间的相互作用。
→复合材料性能与结构的协同相长特性（即复合后的材料性能优于每个单独组分的性能）。
从力学、物理学上理解复合材料多样性的基础。
拟解决的问题：寻找材料复合的一般规律。
研究增强机理。
一、材料的复合效应线性效应：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。
非线性效应：相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应。
复合效应是复合材料的研究对象和重要内容，也是开拓新型复合材料、特别是功能型复合材料的基础理论问题。
非线性效应尚未被充分认识和利用，有待于研究和开发。
1、平均效应：P c=P m V m+P f V f（P：材料性能；V：材料体积含量；c：复合材料；m：基体；f：增强体或功能体）应用：力学性能中的弹性模量、线膨胀率等结构不敏感特性；热传导、电导等物理常数。
例：复合材料的弹性模量：E c=E m V m+E f V f（混合定律）2、相补效应：性能互补→提高综合性能。
例：脆性高强度纤维与韧性基体复合，适宜的结合形成复合材料。
→性能显示为增强体与基体互补。
3、相乘效应：X/Y·Y/Z=X/Z（X、Y、Z：物理性能）两种具有转换效应的材料复合→发生相乘效应→设计功能复合材料。
例：磁电效应（对材料施加磁场产生电流）——传感器，电子回路元件中应用。
压电体BaTiO3与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4烧结而成的复合材料。
对该材料施加磁场时会在铁氧体中产生压力，此压力传递到BaTiO3，就会在复合材料中产生电场。
最大输出已达103V·A。
单一成分的Cr2O3也有磁电效应，但最大输出只有约170V·A。
4、共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，产生机械的、电的、磁的共振。
应用：改变复合材料某一部位的结构→复合材料固有频率的改变→避免材料工作时引起的破坏。
吸波材料：调整复合材料的固有频率，吸收外来波。
2复合材料原理解析
(b) 20vol%PMN(×1000)
？
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
③2-2型结构：两种组分皆呈层状叠合而成的多层结构。
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
④ 2-3 型结构：基体为 3 维连续相，增强体或功能体为 2 维 结构的片状材料。增强体可随机，也可按一定方向取向分 布于基体中。
分散相一般是增强体或功能体。 连续相： 基体一般是连续相。
(d) 40vol%PMN(×1000)
(b) 20vol%PMN(×1000)
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料连通性的概念
连通性的概念
①基本思想：复合体系中的任何相，在空间的 0 维、 1 维 、2维或3维方向上是相互连通的。 ② 弥散和孤立颗粒的连通性为 0 ，是 0 维材料；纤维状材 料的连通性为1，是1维材料；相应的片状材料连通性为 2，是2维材料；基体为网络状的3维连通，是3维材料。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
压电效应 在外加应力作用下，产生电荷，或在电场作用下产生形变 的一种功能材料。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图
逆压电效应示意图
（实线－形变前，虚线－形变后）
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
很清楚，但在实际已发现这种效应的存在。
例：交替叠层膜的硬度大于原单一镀膜的硬度和按线性混 合率的估算值。
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料连通性的概念
复合材料的结构类型
材料的复合效果
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料学(第二章 复合材料的基体材料) (2)
是主要承载物，基体的强度对非连续增强金 属基复合材料具有决定性的影响。因此要获 得高性能的金属基复合材料必须选用高强度 的铝合金为基体，这与连续纤维增强金属基 复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强 铝基复合材料一般选用高强度的铝合金为基 体。
用于电子封装的金属基复合材料有：高碳 化 硅 颗 粒 含 量 的 铝 基 (SiCp/A1) 、 铜 基 (SiCp/Cu)复合材料，高模、超高模石墨纤维 增强铝基(Gr/Al)、铜基(Gr/Cu)复合材料， 金刚石颗粒或多晶金刚石纤维铝、铜复合材 料，硼／铝复合材料等， 其基体主要是纯铝
和纯铜。
1、用于450℃以下的轻金属基体
目前研究发展最成熟、应用最广泛的金属 基复合材料是铝基和镁基复合材料， 用于航
天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零 件、刹车盘等，并已形成工业规模生产。对 于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁 合金基体。连续纤维增强金属基复合材料一 般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金， 而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具 有高强度的铝合金。
用于耐磨零部件的金属基复合材料有：碳 化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增 强铝、镁、铜、锌、铅等金属基复合材料， 所用金属基体主要是常用的铝、镁、锌、铜、 铅等金属及合金。
用于集电和电触头的金属基复合材料有： 碳(石墨)纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、 铜、银及合金等。
功能用金属基复合材料所用的金属基体均 具有良好的导热、导电性和良好的力学性能， 但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。
飞机和人造卫星构件上应用，取得了巨大的 成功。
基体材料是金属基复合材料的主要组成， 起着固结增强物、传递和承受各种载荷(力、 热、电)的作用。基体在复合材料中占有很大 的体积百分数。在连续纤维增强金属基复合 材 料 中 基 体 约 占 50%-70% 的 体 积 ， 一 般 占 60%左右最佳。颗粒增强金属基复合材料中 根据不同的性能要求，基体含量可在90% ～ 25%范围内变化。多数颗粒增强金属基复合 材料的基体约占80%～90%。而晶须、短纤 维增强金属基复合材料基体含量在70%以上，
Ti3SiC2基复合材料相组成、结构与性能研究
Ti3SiC2基复合材料相组成、结构与性能研究Ti3SiC2是一种具有广泛应用前景的复合材料，由于其具有优秀的物理、化学和机械性质，被广泛研究和关注。
本文将探讨Ti3SiC2基复合材料的相组成、结构与性能，并对其未来的应用进行展望。
首先，我们需要了解Ti3SiC2基复合材料的相组成。
Ti3SiC2是一种层状结构的材料，由一层钛间化合物Ti2C和两层硅相组成。
这种结构使得Ti3SiC2具有较好的导电性和导热性能。
此外，Ti3SiC2还具有优异的机械性能，如高强度、高硬度、较高的断裂韧性等。
这使得Ti3SiC2基复合材料成为替代钢铁、铝合金等传统材料的重要候选材料。
接下来，我们将讨论Ti3SiC2基复合材料的结构。
研究表明，Ti3SiC2具有柱状晶体结构，晶格参数为a=3.072Å，c=27.94Å。
这种柱状结构使得Ti3SiC2具有较好的层间结合力，因此具有较好的耐磨性和耐高温性能。
此外，通过控制Ti2C和硅层之间的相互作用，还可以调控材料的性能。
例如，通过在Ti3SiC2中引入其他元素或化合物，可以改善其高温稳定性和耐氧化性。
同时，可以通过调整层间距离来控制材料的机械性能，例如强度和韧性。
最后，我们将讨论Ti3SiC2基复合材料的性能。
首先，Ti3SiC2具有优异的导电性，其电阻率约为80μΩ·cm，接近金属电阻率。
这使得Ti3SiC2在电池、超级电容器、导电涂层等领域具有广泛应用。
其次，Ti3SiC2具有优异的导热性能，热导率约为30W/(m·K)，接近铜材料。
这使得Ti3SiC2在散热材料、热界面材料等领域有着广泛的应用潜力。
此外，Ti3SiC2还具有优异的力学性能，其硬度约为20GPa，强度约为300MPa，韧性约为20MPa·m1/2。
这使得Ti3SiC2在航空航天、汽车制造、刀具等领域有着广泛的应用前景。
然而，需要注意的是，Ti3SiC2的力学性能受到层间结合力的限制，因此在一些高应力和高温环境下可能会出现力学性能下降的情况。
复合材料细观力学-2
2 S2 **
由物体内部扰动应力自平衡条件得：
1 C0~dV 1 C0 (~ 1 *)dV 1 C0 (~ 2 **)dV 0
V V V1 V2
V V1
V V2
~ [(1 f2 )I f1KC]1[ f1KC f2I ] 0
* (CS1 C 0 )1C( 0 ~) ** (S2 I )1( 0 ~)
其中l为开裂平均长度
G f
W
(a2 )
则裂纹自相似扩展的临界应力：
G Gc G f 其中Gc为材料的断裂韧性
连续纤维复合材料细观强度理论
复合材料的应力集中
1961年，Hedgepeth最早提出剪滞模型 （the shear-lag method),用于解决纤维断裂 而导致应力集中问题。 主要假设：
2V
s
in f , ~ 1 inm , ~
不含夹杂介质时，材料自由能为：
W0
1 2
0 0dV
V
Fu0ds
s
由纤维引起的自由能变化
1
W1 2
0 (~ 1)dV
V
1 2
( 0 ~ 1)dV
V
F (u~ u1)ds
s
证明
第一项:由扰动应力自平衡条件VdV 0
0 (~ 1)dV 0C0[(~ 1 *) *]dV
复合材料细观力学(2)
哈尔滨工业大学 梁军
复合材料的细观损伤及本构关系
细观应力场分析
均匀外载 0作用下，单向复合材料内部场分布：
C 0 ( 0 ~ 1 *) C1( 0 ~ 1) in f
C 0 ( 0 ~ 2 **) 0
inc
由Eshelby理论 1 S1 *
2
功能复合材料-2-磁性复合材料
2019/11/3
功能复合材料
25
显然，选择合适的金属粒子尺寸和包 覆层厚度即可获得所需的相对磁导率r值， 这对电感器和轭源圈的设计是十分重要的。
2019/11/3
功能复合材料
26
由于绝缘物质的包覆，这类材料的电阻 率比其母体合金高得多(高1011倍)，因此在交 变磁场下具有低的磁损耗PL。
下图显示了在1MHz高频下，复合材料 磁损耗与粉末颗粒尺寸D的关系。
11
永磁复合材料的功能组元是磁性粉末， 高聚物和软金属起到粘结剂的作用。
其中，高聚物使用较为普遍，常用的 有环氧树脂、尼龙和橡胶等材料。
2019/11/3
功能复合材料
12
永磁复合材料的制造方法常采用模压、 注塑、挤压等工艺技术。
对于软金属粘结工艺来说，由于它较为 复杂，因此除磁体要求在较高温度下(＞200 ℃)使用外，很少采用这种金属基复合磁体。
18
复合永磁材料的功能体可看作是各类 磁体粉末（如铁氧体、铝镍钴、Sm--Co、 Nd--Fe--B等）制成的粘结磁体。
也可以选用两种或两种以上的不同磁 粉与高分子材料复合，以便得到更宽范围 的实用性能。
2019/11/3
功能复合材料
19
2.5 软磁复合材料
电器元件的小型化，导致磁路中追求更 高的驱动频率，为此应用的软磁材料，除在 静态磁场下经常要求的高饱和磁化强度和高 磁导率外，还要求它们具有低的交流损耗PL。
Mr/T (1400~1800)*10-4 (1400~1800)*10-4 (2300~2900)*10-4 (11000~12000)*10-4
Hc/A.m-1 (15.92~31.83)*103 (47.75~71.62)*103 (111.41~127.33)*103 (55.71~59.69)*103
第2章 复合材料的基本理论1
[
f
)]
短纤维增强复合材料的拉伸强度为 短纤维增强复合材料的拉伸强度为: 拉伸强度
σ
* F
lc * = σ fF 1 V f + σ m (1 V f 2l
)
式中σ 为纤维的平均拉伸应力， 式中 fF为纤维的平均拉伸应力，σm*为与 为与 纤维的屈服应变同时发生的基体应力。 纤维的屈服应变同时发生的基体应力。
这种模型也可能用来研究热与机械载荷的综合影响。 这种模型也可能用来研究热与机械载荷的综合影响。 图中显示了当温度下降500K时，叠加 图中显示了当温度下降 时 叠加500MPa的 的 外加轴向拉伸载荷后的应力状态。 外加轴向拉伸载荷后的应力状态。
3)切变延滞模型 切变延滞模型
最广泛地应用于描述加载对顺向排列短纤维复合材料影 响的模型。 响的模型。 这一模型最早由Cox提出来，后来由其他许多人进一步 提出来， 这一模型最早由 提出来 发展了这个模型。 发展了这个模型。 这一模型的中心点在于认为拉伸应力由基体到纤维是通 界面切应力来传递的 过界面切应力来传递的。
σ =σ
f ,m ax
lc 1 2 l
短纤维增强
若基体屈服强度为τ 纤维临界尺寸比为 若基体屈服强度为 my，则纤维临界尺寸比为 当基体为弹性材料时
σ f , max lc = d f 2 τ my
σ =σ
f , max
1 sin 1 tanh A (l / d A (l / d f )
2.2 几种主要的力学模型
1) 层 板 模 型
1)层板模型 1)层板模型 轴向（ 方向3 刚度： 轴向（ 方向 ）刚度：
ห้องสมุดไป่ตู้
E 3c = E m f m + E I （1- f m ）
复合材料概述
复合材料概述复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的新材料。
它具有多种优良性能，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程、电子通信等领域。
本文将从复合材料的定义、组成、制备方法、应用领域以及未来发展趋势等方面进行概述。
一、复合材料的定义复合材料是由两种或两种以上具有不同化学成分和物理性质的材料经过一定方式组合而成的新材料。
它通常由增强相和基体相组成，其中增强相起到增强材料强度和刚度的作用，而基体相则起到固定增强相的作用。
二、复合材料的组成复合材料的组成主要包括增强相和基体相两部分。
增强相可以是纤维、颗粒或片层等形式，常见的有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等；基体相则可以是金属、陶瓷或聚合物等，常见的有环氧树脂、聚酰亚胺等。
通过选择不同的增强相和基体相组合，可以得到具有不同性能和应用领域的复合材料。
三、复合材料的制备方法复合材料的制备方法主要包括预浸法、纺织法、注塑法、层压法等。
预浸法是将增强相浸渍在基体相中，然后通过固化使其固定；纺织法是将纤维交织在一起形成纺织品，再通过浸渍固化形成复合材料；注塑法是将增强相和基体相混合后注入模具中，通过固化形成复合材料；层压法是将增强相和基体相交替层叠，然后通过高温高压使其固化。
不同的制备方法适用于不同的复合材料类型和应用需求。
四、复合材料的应用领域复合材料由于其优异的性能，在各个领域都有广泛的应用。
在航空航天领域，复合材料被广泛应用于飞机机身、翼面、推进器等部件，以提高飞机的性能和降低重量；在汽车制造领域，复合材料被用于制造车身、发动机罩等部件，以提高汽车的燃油经济性和安全性；在建筑工程领域，复合材料被应用于加固和修复混凝土结构、制造新型建筑材料等；在电子通信领域，复合材料被用于制造印刷电路板、光纤等部件，以提高电子设备的性能和可靠性。
五、复合材料的未来发展趋势随着科技的不断进步，复合材料的研究和应用也在不断发展。
未来，复合材料将更加注重环保和可持续发展，研究和开发新型的高性能、低成本复合材料；同时，随着3D打印技术的发展，将有望实现复合材料的定制化制造，提高生产效率和产品质量；此外，纳米复合材料、生物可降解复合材料等新型复合材料的研究也将成为未来的热点领域。
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二、复合材料的结构与复合效果
复合材料连通性的概念
例: 1维连通 2维连通 3维连通
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
两相复合体系
0－0,0－1,0－2,0－3,1－1,1－2,1－3,2－2,2－3,3－3
三相复合体系
0－0－1,0－1－1,1－2－3 …….20种
多相复合体系
C
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应
复合效应
线性效应
非线性效应
平均效应 平行效应 互补效应 相抵效应
相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------平均效应
复合材料最典型的一种复合效应。
表示为：
Pc=PmVm+PfVf P-材料性能，V-材料体积含量 c-composite; m-matrix; f-filler 如： 弹性模量Ec=EmVm+EfVf
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
• 压电阻尼效应
载荷
PMN粒子 炭黑 热能 环氧分子链
环氧树脂 压电陶瓷 导电通道
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------诱导效应
组分A通过诱导效应使组分B的结构改变而改变整体性能或产生 新的效应。 例：结晶纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶 形取向作用。
1V1
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------组分效果
典型模型单向板的纤维分布
2R s 2r s 2R
2r
r 2 R r时，V f max＝ （ ） 2 3 R
2 R r时，V f max＝ （ ） 4 R
r
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------结构效果
复合材料的复合效应
复合效应是组分材料及组分间界面相互作用、相互依存 、相互补充的结果。 复合效应使复合材料在保持原组分性能的基础上，还增
添了原组分没有的性能。
表现为复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非 线性的综合。
复合效应有正有负，复合后某些性能抵消甚至降低的现
象是不可避免的。
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------界面效果
界面效果
界面是影响基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。 界面结构(物理和化学结构)的变化会引起复合材料性能的
明显变化。
81
界面处理与否对复合材料性能影响巨大
78
弯曲强度/MPa
预 处理 直 接共混
例: 金属基复合材料 水泥基复合材料 碳纤维树脂基复合材料
• PP
PP-CaCO3
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------共振效应
由不同组分组成的复合材料，其固有频率不同于原 组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发 生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。 例如:船体轴系减震
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------系统效应
这是一种材料的复杂效应，目前为止，这一效应机理尚不
二、复合材料的结ห้องสมุดไป่ตู้与复合效果
材料的复合效果------结构效果
• ②分布状态
玻璃钢 玻璃纤维与热固性树脂粘合而成的复合 材料
玻璃纤维和树脂的性能
力学性能 玻璃纤维和树脂的用量 材料结合方式
玻璃纤维的不同排列方式
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------结构效果
③尺度
从材料结构单元和尺度，增强颗粒尺度为1-50μ m的 叫颗粒增强复合材料，0.01~1 μ m尺度增强的叫分散强化 (弥散强化)复合材料。纳米级叫纳米复合材料，其强化原 理不同。
三、复合材料的模型及性能的一般规律
复合材料模型
建立材料模型注意的问题： 坐标系的确立 ，通常选材料的主轴方向 建立结构模型时，主要以材料的相几何形态和性能规 律为依据 模型中组分含量必须与实际材料组分含量相同 组分相的状态分布，往往采用统计的特征
三、复合材料的模型及性能的一般规律
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
压电效应 在外加应力作用下，产生电荷，或在电场作用下产生形变 的一种功能材料。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图
逆压电效应示意图
（实线－形变前，虚线－形变后）
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
密度ρc= ρmVm+ ρfVf
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------平行效应
各组分在复合材料中均保留自身的作用，既无制约，也无补
偿。
复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当 Kc ≌ Ki 如：增强体(如纤维)与基体界面结合很弱时，复合材料显示 平行效应。
一、材料的复合效应
基体与增强体性能相互制约，则复合后显示出相抵效应。其 性能低于混合物定律预测值。 Pc <ΣPiφi 例：纤维增强体经偶联剂处理后，拉伸强度可提高30-40％ ，表现为互补效应。但当两者界面结合很强时，复合材料 整体显示为脆性断裂。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
两种具有转换效应的材料复合在一起，可发生相乘效应。又 叫乘积效应/传递特性/交叉耦合效应。 例：对材料输入X时输出为Y，即转换功能材料Y/X(如磁场 ／压力的换能材料)；对第二种材料的输入Y，产生输出Z ，即为第二种换能材料Z／Y。两种材料复合得出新的机能 材料，即 Y／X•Z／Y＝Z／X。 乘积效应有助于开发新型功能材料，不仅可获得比单一材 料更强的性能，还可创造出任何单一材料都不存在的新的 功能效应。
点燃煤气灶或热水器： 压电点火装置内，有一 块压电陶瓷，按下点火 装置的弹簧时，传动装 置就把压力施加在压电 陶瓷上，使它产生很高 的电压，将电能引向燃 气出口放电，燃气被电 火花点燃。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相乘效应
超声波传感器用作汽 车倒车防撞报警器装 置，也称为超声波倒 车雷达或倒车声纳系 统，用于加长型装载 汽车、载重大货车、 矿山汽车等大型车辆。
3 n
( n 3)! n3 ！ ！
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
典型两相复合材料结构
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料的结构类型
①0-3型结构：基体为3维连续相，增强体或功能体以0维微粒 分布在基体中。
②1-3型结构：基体为3维连续相，增强体或功能体为纤维状1 维材料。
复合材料的复合效应------相补效应
基体与增强体在性能上互补。 复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自弱点，产生优 异的综合性能。 • C = A×B 例：脆性的高强度纤维增强体与韧性树脂基体若能得到适宜 的结合，复合材料性能表现为增强体与基体的互补。
一、材料的复合效应
复合材料的复合效应------相抵效应
复合材料性能用组分性能和组成来描述时，必须考虑组分 的几何形态、分布状态和尺度等可变因素产生的效果。 ①几何形态（形状）：流动性与粘度 ②分布状态：纤维方向性与材料性能
③尺度：纳米复合材料
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------结构效果
①几何形态（形状）
矿物纤维微观结构
矿物纤维
二、复合材料的结构与复合效果
75
72
69 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
KH-550 含量/%
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------界面效果
玻纤与基体结 合好，纤维拔 出较少
a玻纤增强PP（加入MPP相容剂）的冲击试样的断口扫描 电镜照片
二、复合材料的结构与复合效果
材料的复合效果------界面效果
很清楚，但在实际已发现这种效应的存在。
例：交替叠层膜的硬度大于原单一镀膜的硬度和按线性混 合率的估算值。
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料连通性的概念
复合材料的结构类型
材料的复合效果
二、复合材料的结构与复合效果
复合材料连通性的概念
分散相：
以独立形态分布于整个连续相中的相称为分散相，组成分 散相的物质称为分散质。
材料的复合效果------结构效果
YNFWH101系列活性高长径比针状硅灰石（矿物纤维增强材 料）：以天然纤维状硅灰石矿石为原料，通过针状晶型保护技 术及纤维表面包覆技术制备，高长径比、高活性，与树脂相容 性好，在 PP、PA66、 PET、 ABS等热塑性塑料中有明显的 增强效果。 在PP中应用：加工中能保持针状晶型，用量达50％，性能介 于传统刚性粒子填料（碳酸钙、滑石粉等）与玻纤之间，类似 于短切玻纤。用于生产高填充PP、高模量PP及与玻纤掺混增 强PP，与玻纤掺混能解决玻纤取向性问题。 在挤出造粒过程 中流动性好，对设备的磨损小，挤出造粒及注射成型过程中加 工性能优良，制品表面光滑度好，可有效解决玻纤外露等问题。
原理：利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷的正、逆压电效应，在压电 陶瓷加一电信号，产生机械振动而发射超声波，当超声波在空 气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于压电陶瓷时， 则有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障 碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及 驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。
三、复合材料的模型及性能的一般规律
复合材料模型
材料微观模型：几何结构模型、物理模型
常见几何模型： ①同心球壳模型：0-3型复合材料 ②同轴圆柱模型：1-3型复合材料 ③片状模型：2-2、2-3型复合材料 根据模型，可求出各组分体积分数Vf， Vi Vm f-filler, m-matrix,i-interface