复合材料第二章复合原理简介详解演示文稿
复合材料----复合材料的复合原理及界面
复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1）弥散增强：复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成，荷载主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。
2）颗粒增强：复合材料是由尺寸较大（直径大于1 m）颗粒与基体复合而成，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好；颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。
2、什么是混合法则，其反映什么规律
混合法则（复合材料力学性能同组分之间的关系）：σc=σf V f+σm V m，E c=E f V f+E m V m式中σ为应力，E为弹性模量，V 为体积百分比，c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维；反映的规律：纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。
3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式：
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。
界面改性方法：
①纤维表面改性及涂层处理；
②金属基体合金化；
③优化制备工艺方法和参数。
4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度（弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应）决定了界面的结构和性能，其主要行为有：
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度；
②产生脆性的界面反应产物；
③造成增强体损伤和改变基体成分。
复合材料的复合理论
2、纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制
基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤 维等），不是主承力相。
纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。
假定纤维、基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用 下，由于组分模量的不同产生了不同形变（Байду номын сангаас移），在基 体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上（见 下图）。
Xc = Xm Vm + XfVf 或 Xc = XfVf + Xm1 - Vf） 式中： X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V： 材料的体积百分比； 下脚标 c、m、f 分别代表复合材料、 基体和纤维。
2、连续纤维单向增强复合材料（单向层板）
2-1 应力 - 应变关系和弹性模量 在复合材料承受静张应力过程中，应力—应变经历以
复合材料的面内剪切强度：在垂直纤维方向承受剪切时，
剪切力发生在垂直
纤维的截面内，剪切力由基体和纤维共同承担。
复合材料的复合理论
一、复合材料 增强机制 二、复合材料的复合法则 — 混合定律
一、复合材料 增强机制
1、 颗粒增强复合材料增强机制
1）颗粒阻碍基体位错运动强化： 基体是承受外来载荷相；颗粒起着阻碍基体位错运动的作 用，从而降低了位错的流动性。
颗粒起着阻碍基体位错运动作用示意图
颗粒增强复合材料的强度直接与颗粒的硬度成正比，因为 颗粒必须抵抗位错堆集而产生的应力，另外，颗粒相与基 体的结合力同样影响着材料的强度。
下阶段: (1)基体、纤维共同弹性变形；2）基体塑性屈服、 纤维弹性变形；3）基体塑性变形、纤维弹性变形或基体、 纤维共同塑性变形；4）复合材料断裂。 对于复合材料的弹性模量： 阶段1：E = EfVf + Em（1-Vf） 阶段2：E = EfVf + ( dm/dm)(1-Vf)
2-12复合材料的复合原理及界面
56
弥散增强vs颗粒增强
颗粒尺寸越小，体积分数越高，增强效果越好？
57
Al–10Ti elemental powder mixtures via friction stir processing 离心条件下SiC 颗粒增强铝基 活塞微观组织图
58
小颗粒：尺寸上有优势，但体积分数难以提高， 且在基体上分散困难。
6
必须根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的 基体材料和增强材料。 如所设计的复合材料是用作结构件，则复合的目的就 是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等。
7
设计结构件复合材料时，首先必须明确其中一种组
元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。
这种组元就是所要选择的增强材料；
而其它组元应起传递载荷及协同的作用，而且要把
12
1）颗粒增强复合材料的原则
(1)颗粒应高度弥散均匀分散在基体中 阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体) 或分子链的运动(聚合物基体)。 (2)颗粒的直径大小要合适 因为颗粒直径过大，会引起应力集中或颗粒本身破 碎，从而导致材料强度降低； 颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一
般粒径为几微米到几十微米。
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实际上，有许多方法可观察到位错：透射电镜、浸
蚀法、缀饰法、X射线衍射法、场离子显微镜等。
36
位错分为两类：刃型位错和螺型位错，由滑移区 与未滑移区的分界线来确定类型。
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刃型位错
如图：上半部分相对下半部分沿ABCD滑移 了一个原子间距，多余的半原子面与滑移 面交线即为刃型位错。
多余的半原子面不一定是平面，可以是见 曲面。但位错线是一定垂直于滑移方向的，
复合材料PPT课件
随着科技的不断进步和环保意识的提高，未来复合材料将 更加注重环保、可再生、高性能等方向的发展，同时其在 智能制造、新能源等领域的应用也将不断拓展。
02
CATALOGUE
复合材料的组成与结构
基体材料
01
02
03
定义
基体材料是复合材料中连 续相，起粘结、保护增强 材料并传递载荷到增强材 料上的作用。
生物相容性
某些复合材料具有良好的生物相容性 ，可用于医疗器械、人体植入物等领 域。
05
CATALOGUE
复合材料的应用实例
航空航天领域应用
飞机结构
复合材料用于制造飞机机翼、机身和尾翼等结构部件，具 有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，可提高飞行器的性 能和燃油经济性。
航天器结构
复合材料在航天器结构中也有广泛应用，如卫星、火箭和 空间站等，其轻质高强的特性有助于减轻发射重量和提高 有效载荷。
美观、舒适、环保等特点。
03
动力系统
复合材料可用于制造汽车发动机罩、进气歧管等动力系统部件，具有优
异的耐高温性能和力学性能。
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构中的梁、板、柱等承重部件，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲 劳等优点，有助于提高建筑物的抗震性能和耐久性。
建筑装饰
复合材料也可用于制造建筑装饰材料，如墙板、吊顶、隔断等，具有美观、环保、易安装 等特点。
某些复合材料在受到冲击时能 够吸收大量能量，表现出良好
的抗冲击性能。
物理性能
低密度
相对于金属材料，复合材料通常具有较低的 密度，有利于实现轻量化设计。
优异的电绝缘性
某些复合材料具有极佳的电绝缘性能，适用 于电气和电子设备。
复合材料的复合原理及界面
3
2.6 复合材料界面及其改性
界面的基本概念 复合材料的界面粘结机理 聚合物基复合材料的界面改性 金属基复合材料的界面改性 层状复合材料的界面
4
一、界面的基本概念
复合材料的界面是指基体与增强体之间化学成 分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷 传递作用的微小区域。 复合材料的界面虽然很小，但它是有尺寸的， 约几个纳米到几个微米，是一个区域，或一个 带、一层，它的厚度呈不均匀分布状态。
5
界面通常可能包含以下几个部分： 1、基体和增强体的部分原始接触面；
界面区域的结构与性质不同于两相中的任一相， 结构上这一界面区由五个亚层组成。
12
图1 界面区域示意图
1一外力场； 2-基体；3-基体表面区；4-相互渗透区；5一增强体表面；6-增强体
13
基体和增强体通过界面结合在一起，构成复合材料
整体，界面结合的状态和强度对复合材料的性能有
重要影响。 对于各种复合材料都要求有合适的界面结合强度。 界面的结合强度一般是以分子间力、表面张力(表面 自由能)等表示的，而实际上有许多因素影响着界面
7
复合材料界面的作用可以归纳为以下几种效应： 1、传递效应 界面能传递力，即将外力传递给增强 体，起到基体和增强体之间的桥梁作用。 2、阻断效应 结合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的不连续性 等现象，如抗电性、耐热性、尺寸稳定性等。
9
《复合材料原理》PPT课件
良好的树脂(如胺固化环氧树脂)。
.
15
复合材料特性：
.
16
抗拉强度与密度 之比 比强度高的材料 能承受高的应力
弹性模量与密度之 比 比模量高说明材料 轻而且刚性大
.
17
疲劳破坏的种类不同： 金属： 突发性破坏 疲劳强度极 限是其拉伸强度的30%~50% 聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的70%~80%
.
20
(1) 密度低 ； (2) 耐腐蚀； (3) 易氧化、老化； (4) 聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃； (6) 低的摩擦系数； (7) 低的导热性和高的热膨胀性； (8) 极佳的电绝缘性和静电积累； (9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。 (10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。
复合材料原理
.
1
主要内容
1、绪论 2、复合材料的复合效应 3、复合材料的界面状态解析 4、复合体系的界面结合特性 5、复合体系的典型界面反应 6、复合材料的界面处理技术
.
2
7、复合材料物理和化学性能的复合规律 8 、结构复合材复合材料的起源：
.
4
二、复合材料的定义
和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；
☼ 4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以
金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。
.
7
四、复合材料的分类：
1、无机非金属基复合材料 2、聚合物基复合材料 3、金属基复合材料
基体材料不同
.
8
4.1 复合材料中的材料设计和结构设计
工程应用的角度
结构复合材料
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
2-34复合材料的复合原理及界面解析(1)
其中(σm)εf是纤维断裂应变为ε时对应的基体的应力。
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与连续纤维复合材料相似，我们可以得到最小体积 分数和临界体积分数Vmin和Vcrit。
当纤维的体积分数小于Vmin，当所有纤维断裂时复合 材料也不会断裂。
路径与材料的失稳破坏模式。
40
第二章 复合材料的复合原理及界面
2.1 复合原则 2.2 弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性 2.7 复合材料界面表征
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思考题：
1、如何使短纤维有序排列？ 2、短纤维增强复合材料的优势和不足分别
28
透射电镜分析表明：复合材料界面上可以发现很多的 反应产物 ，除了几个纳米大小的MgO 颗粒和尖晶石 MgAl2O4颗粒外，还有为数不少的 MgP4颗粒。
另外，在界面上还有尺寸较大的Mg2Si 颗粒。 但是，看不出这些界面反应产物之间以及与纤维之间
存在共格关系 ，说明它们之间很可能是以非共格的形 式结合的。
4
2.4 短纤维增强原理
一、短纤维的作用特点及效应 二、高分子基复合材料增强原理 三、金属基复合材料增强原理 四、陶瓷基复合材料增强原理 五、水泥基复合材料增强原理
5
一、短纤维的作用特点及效应
短纤维的含义 应力传递理论 弹性模量、强度与纤维长度的关系
6
1、短纤维的含义
短纤维一般指长径比小于100的各种增强纤维。 作用于复合材料的载荷不直接作用于纤维，而
尺寸和形貌差距大的两种增强体之间的混合更为制备成 分均匀的复合材料带来了一定难度。
第二章 复合材料的复合效应
πr V 纤维的体积百分数: f = 4 R 纤维的体积百分数:
2
纤维间距 s
2 r
s = 2R 2r
12
π 又由上式得 R = 4 Vf
r
π 故 s = 2 4Vf
12
1r
(2)结构效果 ) 指复合材料性能用组分性能和组成来描述时, 指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, 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. 生的效果.
2R s 2R 2R 2r
π r 纤维的体积百分数: 纤维的体积百分数:Vf =
2 3 R
2
纤维间距
s = 2R 2r
π R = 2 3 Vf r
12
又由上式得
故
π s =2 2 3 f V
12
1r
对纤维单向排列的单向板复合材料( 对纤维单向排列的单向板复合材料(圆形纤维按 理想分布时): 理想分布时): 正方形模型: 正方形模型:
第二章 复合材料的复合效应
材料的复合效应, 材料的复合效应,结构与复合效果 复合材料的模型及性能的一般规律
材料的复合效应, §2.1材料的复合效应,结构与复合效果 材料的复合效应
一,材料的复合效应 1 复合效应的分类
复合效应
线形效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
非线形效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
物理模型建立的依据: 物理模型建立的依据: 以结构模型为依据, 以结构模型为依据,针对一物理性能和结构性能特 进行场量计算. 征,进行场量计算. ※界面是组分变化,性能变化的过渡区域,各场参数在 界面是组分变化,性能变化的过渡区域, 该区域中往往存在较大的梯度变化, 该区域中往往存在较大的梯度变化,极易产生各种损伤 和缺陷而影响复合材料的性能. 和缺陷而影响复合材料的性能.
复合材料概论第2章--复合材料的基体材料ppt课件
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31
1 微晶玻璃
微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中 形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶 材料，又称为玻璃陶瓷。
微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相 的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中 了玻璃与陶瓷的特点。
碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa， 仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐 碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻 型装甲陶瓷等。
B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得： B2O3+C→B4C
B4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度 过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。
化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。
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2 辅助剂：
（1）交联剂（引发剂、促进剂）
交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合 交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形 成的物质。也称为固化剂。(为什么要用交联剂？常用的交联剂，p25)
引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、 双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固 化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
.
42
碳化硼和碳化钛陶瓷 —碳化钛陶瓷
碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型)。晶格常数为 0.4319nm，密度为4.93～4.9 g·cm-3 ，熔点为3160～ 3250℃，1.15K时TiC呈现超导特性，TiC莫氏硬度9～ 10，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。 TiC粉末制 取方法：
复合材料原理第2章
12
基本思想： 复合体系中的任何相，在空间的零维、一维、二维或三 维方向上是相互连通的，因而任意弥散和孤立的颗粒的连通 性为 0 ，是零维材料 (0 维 ) ，而包围它们的介质是网络体状的 连续材料，连通性为 3 ，即是三维材料 (3 维 ) ；纤维状材料的 连通性为1，是一维材料(1维)；相应的片状材料连通性为2， 即二维材料(2维)。
r
2
（六边形阵列）
Vf
r
4 R
2
(正方形阵列）
1 2 s 2 1 r (六边形阵列） 2 3V f
s 2 4V f
1 1 r (正方形阵列） 2
磁阻效应
压磁效应
压电效应 磁致伸缩效应 光导效应 闪烁效应 热致变形效应
磁电效应
场致发光效应 压阻效应 电致效应 光导效应 压敏电阻效应
压电效应
压力发光效应 磁阻效应 光致伸缩 辐射诱导导电 热敏电阻效应
9
6）、诱导效应 在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导 作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的 效应。这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材 料界面的两侧发现。 Eg ：结晶的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。
13
可以得到： 1）、两相复合体系有l0种可能的连通性复合材料结构(0-0、 0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3)； 2）、三个相组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性； 3）、四个相时，它可能存在35种连通性。
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归纳：复合材料中含有几个组分相时，按照不同的联结 方式可能组成C种连通结构：
复合材料的复合原理及界面
3
思考题
1、你认为铜-铝复合材料的界面结合存在哪些问题，如何加以 解决？ 2、陶瓷层状复合材料应用的最大障碍是什么，通过哪些技术 途径可以推动该类材料的应用？
界面金属间化合物、氧化，复合温度控制、气体保护等。
制备工艺复杂（烧结难）、成本高，烧结助剂、纳米粉体、 开发新工艺等。
接枝NA酸酐
4.1~5.0
6.0~8.0
91.0~94.2
100.5~101.7
聚酰亚胺树脂PMR：①在宽广的温度范围内保持高的强度。②高的热稳定性和氧 化稳定性。③优良的磨蚀特性。④优良的电性能，在高温下电性能基本保持恒定。 ⑤具有自熄性能，发烟量小。 9
采用Raman光谱方法可以表征聚合物基复合材料的界面层 结构。
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复合材料原理
江苏大学材料学院
1
第二章 复合材料的复合原理及界面
2.1 复合原则 2.2 弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性
2.7 复合材料界面表征
2
2.6 复合材料界面及其改性
界面的基本概念
聚合物基复合材料的界面改性
将被测样品制成5％～10％的溶液或将它 熔化，然后浸渍在一条由几千根单丝（通 常用玻璃纤维）编成的惰性辫子上，将溶
剂除去或使熔体凝固后，即得到由被测材 料和惰性辫子组成的复合试样。
可以在所有力学状态（玻璃态、橡胶态或 粘流态）下对材料进行试验。
24
图10 几种宏观测试方法
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复合材料讲义-中科大
复合材料导论Introduction to Composite Materials（讲稿）石南林中国科学院金属研究所2004年2月目录第一章前言一、材料的发展与人类社会的进步二、复合材料的提出三、复合材料的发展历史和意义四、课程的重点和要求第二章复合材料概述一、复合材料的定义和特点1、复合材料的定义2、复合材料的特点3、复合材料的基本结构模式二、复合材料的分类三、复合材料的发展历史四、复合材料的基本性能第三章复合材料界面一、复合材料的界面二、复合材料的相容性三、复合材料的界面理论四、界面结合强度的测定1、界面结合强度的测定2、界面结合强度的表征五、界面残余应力第四章复合材料的复合理论一、复合材料的增强机制1、颗粒增强复合材料的增强机制2、纤维（包括晶须、短纤维）增强复合材料的增强机制二、复合材料的复合法则—混合定律1、混合定律2、连续纤维单向增强复合材料（单向板）3、短纤维增强复合材料第五章复合材料力学和结构设计基础一、复合材料力学1、单层复合材料2、层合复合材料二、复合材料设计1、单向层弹性常数预测公式2、正交层的工程弹性常数预测公式3、单向板强度预测公式4、复合材料的强度准则5、平面正交织物复合材料的强度6、应力的转换7、复合材料的其它性能第六章复合材料基体一、聚合物1、热固性树脂2、热塑性树脂二、金属1、用于450︒C以下的轻金属基体（铝、镁及其合金）2、用于450~750︒C复合材料的金属基体（钛及其合金）3、用于750︒C以上高温复合材料的金属基体三、陶瓷1、氧化物陶瓷2、非氧化物陶瓷3、玻璃陶瓷四、碳（石墨）第七章复合材料增强剂一、复合材料增强剂的特点二、纤维1、无机纤维2、陶瓷纤维3、有机纤维4、各种纤维性能的比较三、晶须四、颗粒第八章聚合物基复合材料（PMC）一、聚合物基复合材料的分类二、聚合物基复合材料的性能三、聚合物基复合材料的制备工艺四、复合材料成型固化工艺1、工艺性2、复合材料的固化工艺过程五、PMC的界面1、PMC的界面特点2、PMC的界面表征3、PMC的界面作用机理4、PMC的界面设计六、纤维增强聚合物复合材料的力学性能1、静态力学性能2、疲劳性能3、冲击和韧性七、铺层设计1、层合板设计的一般原则2、等代设计法3、层合板排序设计法4、层合板的层间问题八、结构设计1、明确设计条件2、材料设计3、结构设计第九章金属基复合材料（MMC）一、金属基复合材料概述1、金属基复合材料的分类2、金属基复合材料的研究特点二、金属基复合材料的制备工艺1、金属基复合材料的制备工艺概述2、先驱（预制）丝（带、板）的制备3、固态法（连续增强相金属基复合材料的制备工艺）4、液态法（非连续增强相金属基复合材料的制备工艺）5、粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料的制备工艺）6、原位（in situ）生长（复合法）三、金属基复合材料的界面和界面设计1、金属基复合材料的界面2、金属基复合材料的界面结合3、金属基复合材料的界面残余应力四、金属基复合材料的的性能1、金属基复合材料的的一般性能特点2、纤维增强金属基复合材料的的性能3、颗粒、晶须增强金属基复合材料的的性能第十章陶瓷基复合材料（CMC）一、陶瓷基复合材料概述二、陶瓷基复合材料的制备工艺1、粉末冶金法2、浆体法3、反应烧结法4、液态浸渍法5、直接氧化法6、胶-凝胶（Sol-Gel）法7、化学气相浸渍8、其它方法三、陶瓷基复合材料的界面和界面设计1、界面的粘结形式2、界面的作用3、界面的改善四、陶瓷基复合材料的的性能1、室温力学性能2、高温力学性能五、陶瓷基复合材料的的增韧机制1、颗粒增韧2、纤维、晶须增韧第十一章碳碳复合材料（C/C）一、碳碳复合材料概述二、碳碳复合材料的制备工艺1、碳碳复合材料的预成型和基体碳2、碳碳复合材料的制备工艺三、碳碳复合材料的界面1、碳碳复合材料的界面和结构2、碳碳复合材料的显微组织四、碳碳复合材料的抗氧化1、碳碳复合材料的氧化2、碳碳复合材料的氧化保护原理3、碳碳复合材料的抗氧化保护第十二章水泥复合材料一、水泥1、水泥的定义和分类2、水泥的制造方法和主要成分3、水泥的强度和硬化二、水泥复合材料1、混凝土2、纤维增强水泥复合材料3、聚合物改性混凝土三、水泥复合材料的成型工艺1、混凝土的配合比设计及成型工艺控制2、钢筋混凝土的成型工艺3、纤维增强水泥复合材料的成型工艺4、聚合物改性混凝土的成型工艺四、（钢筋混凝土）纤维/基体的界面第十三章混杂复合材料一、混杂复合材料概述二、混杂复合材料混杂方式1、单向混杂纤维复合材料2、单向预浸料角度铺层混杂3、混杂织物混杂4、超级混杂复合材料5、三向编织物混浊6、复合夹层结构三、混杂复合材料的几个概念1、混杂效应2、混杂复合材料的界面和界面数3、混杂比4、分数度5、铺层形式6、临界含量四、混杂复合材料的力学性能1、弹性模量2、横向弹性模量3、单向混杂复合材料沿纤维主向的强度4、纤维的临界含量第十四章纳米及分子复合材料一、纳米粉体的合成1、纳米粉体的物理制备方法2、纳米粉体的的化学制备方法二、先进纳米增强剂的制备1、碳化硅纳米晶须2、碳纳米管3、纳米碳纤维三、陶瓷基纳米复合材料的制备1、纳米-纳米复合材料2、纳米-微米复合材料四、聚合物有机-无机纳米复合材料的制备方法1、溶胶-凝胶（Sol-Gel）法2、层间插入法3、共混法4、原位聚合法5、分子的自组装和组装6、辐射合成法五、聚合物有机-无机纳米复合材料的应用现状六、应用前景展望第十五章复合材料的应用和发展一、复合材料的应用1、聚合物基复合材料的应用2、金属基复合材料的应用3、陶瓷基复合材料的应用4、碳碳复合材料二、复合材料的发展1、复合材料的性能对比2、复合材料的发展趋势第一章前言一、材料的发展与人类社会的进步材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。
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短纤维增强（２）
为了使纤维的承载达到纤维的最大应力值，纤维长 度必须大于临界纤维长度lc或临界长径比(lc/d)
l/lc越大，拉伸强度越大; 2l/lc>>1时，拉伸强度为连续纤维的强度公式; l=lc时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的50%; l/lc=10时，短纤维增强的效果可达到连续纤维的95% 所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。
用金属或高分子聚合物把有耐热性、硬度 高但不耐冲击的金属氧化物、氮化物、碳 化物复合的材料时，由于强化相颗粒较大， 故强化效果并不显著，但这种复材主要不 是提高强度,而是为了改善耐磨性或提高综 合力学性能。
（3）连续纤维增强
通常根据纤维形态可以分为连续纤维、非连续纤 维(短纤维)或晶须(长度约为100--1000μm、直径约 为1--10μm的单晶体)两类． 其增强机理是高强度、高模量的纤维承受载荷， 基体只是作为传递和分散载荷的媒介。
1 、加权特性
N
Pc (Pi ) n Vi
i 1
Pc为复合材料的特性，Pi为构成复合材料的原 材料的特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分 数，n由实验确定，其范围为 -1n1。密度、热膨 胀系数热传导、电导、透磁率等都属于此类。
２、乘积特性
把两种性能可以相互转换的功能材料――热－形变材料（以 X/Y表示）与另一种形变－电导材料（Y/Z）复合，其效果是：
M为基体 F为纤维
连续纤维增强（纤维轴向模量）
c m f
cVc mVm f Vf
Vc Vm Vf＝1
（1）式 的两边同时除以
得到
E
EmVm
Ef Vf
（1）
E1 E f V f Em (1V f )
实际中还有不同的 泊松比导致的附加 应力。通过试验分 析，误差小于 1%~2%。测出两种 玻璃纤维增强聚酯 树脂体系的E1、Vf 之间的线型关系
对于平行于纤维方向和垂直于纤维方向的单向板，η0分别为 1和0，对于面内随即分布的纤维复合材料η0＝3/8，三维随 机分布纤维复合材料η0＝1/5
二、 物理性能的复合法则
对于复合材料，最引人注目的是其高比强度、高 比模量等力学性能。但是其物理性能也应该通过 复合化得到提高。 复合法则有两种： １、加权（平均）特性 ２、乘积（传递）特性
弥散增强原理
复合材料的屈服强度
y
(2 3
Gmb
d
Vp
)
弥散质点的尺寸越小，体积分数越大，强化效果 越好。一般Vp=0.01 ~ 0.15，dp=0.001μm ~ 0.1 μm
不同体积分数纳米粒子SiC(0.07 μm)增强 Si3N4(0.5 μm)的性能
0
853
7.4
复合材料第二章复合原理简介 详解演示文稿
优选复合材料第二章复合原理 简介
一、复合材料增强机制
弥散增强 颗粒增强 纤维增强（连续纤维，短纤维）
50μm
弥散增强型 50x
颗粒增强型 50x
50μm
（1）弥散增强
硬质颗粒如Al2O3， TiC，SiC阻碍基体中 的位错运动(金属基) 或分子链运动(高聚物 基) 。增强机理可用 位错绕过理论解释。 载荷主要由基体承担 ，弥散微粒阻碍基体 的位错运动。
纤维对横向强度有减弱的作用。纤维在与其相 邻的基体中产生的应力和应变对基体产生约束， 使复合材料的断裂应变比复合前要低的多(断裂 应力课本P28式2.34)
前提是基体和增强体很好的结合。
4)短纤维增强（１）
作用于复合材料的载荷是作用于基体材料并通 过纤维端部与端部附近的纤维表面将载荷传递 给纤维。当纤维长度超过应力传递所发生的长 度时，端头效应可以忽略，纤维可以被认为是 连续的，但对于短纤维复合材料，端头效应不 可忽略，同时复合材料的性能是纤维长度的函 数。
Ec Em E f
EmE f
Ef
并联模型
Em
串联模型
体积分数fr
在高性能纤维增强复合材料中，纤维模量比 基体树脂模量大的多，在纤维体积含量为50 ％～60％的复合材料中，基体对E1的影响很 小，纤维对E2的影响也很小，所以可以得到 近似
E1 E f V f E2 Em / Vm
纤维增强复合材料横向强度
碳纤维
2 600
7
Lc/d
Lc
(mm)
189 0.38
19
38
18 1.75
35 3.5
40 0.52
33 0.23
短纤维增强（３）
当短纤维按不同取向程度取向分布时，短纤维的增强效率 随取向程度的降低而降低。对于取向分布的短纤维复合材 料，可以在混合弹性模量式中增加一个取向效率因子η0
E1 0 E f V f Em (1 V f )
几种典型复合材料的临界长度Lc和长径比Lc/d
Tm 基体 (MN/m2)
纤维
σfTS (MN/m2)
d (μm)
Ag Cu Al 环氧 聚脂 环氧
55 Al2O3晶须 20 800
2
76
钨丝
2 900 2 000
80
硼纤维
2 800
100
40
硼纤维
2 800
100
30 玻璃纤维 2 400
13
40
复合材料纵向断裂强度可以认为与纤维断 裂应变值对应的复合材料应力相等，根据混 合法则，得到复合材料纵向断裂强度，即
eu fuVf ( m ) r (1Vf )
SiC/硼硅玻璃复合材料的强度 随纤维体积含量线性增加
Chapter 9 Composites
14
连续纤维增强（横向模量）
1 Vm Vf EmVf E f (1Vf )
16.7
0.05
887
8.0
17.3
0.10
940
8.5
18.0
0.20
1 055
7.6
21.0
（2）颗粒增强
颗粒的尺寸较大(>1 μm)，基体承担主要
的载荷，颗粒阻止位 y
错的运动，并约束基 体的变形
3GmGpbVp1 2 2d (1Vp )c
颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般 在颗粒增强复合材料中，颗粒直径为 1 ~ 50μm，颗粒间 距为1 ~ 25μm，颗粒的体积分数为0.05 ~ 0.5。
X •Y X YZ Z
由于两组分的协同作用得到了另一种热－电导功能复合材料， 借助类似关系可以通过各种功能材料复合成各种功能复合材料