复合材料

1.本课程学习的复合材料理论与以前学习过的材料理论相比？

答：以前学习过的材料：金属材料和非金属材料是之前我们学习过的。金属材料是由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有一般金属特性的材料。金属材料制成后要求具有很好的力学性能，抗腐蚀性能，电磁性能，耐热性能等等。非金属材料要具有很好的抗腐蚀性能等等。而复合材料它集两种或两种以上不同性质于一身，保留各组分优点的基础上发挥协同作用，具有单一材料无法比拟的优越性。复合材料的理论既有和之前材料相同之处，又有不同之处。

力学性能的复合法则：增强原理1) 弥散增强。主要由基体承担载荷；弥散质点阻碍基体中的位错运动；阻碍能力越大，强化效果越好。2) 连续纤维增强.复合材料的载荷=基体载荷+纤维载荷。几种主要的力学模型：1）层板模型2）连续同轴柱体模型3）切变延滞模型4）有限差分与有限元模型.

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、高比弹性模量等力学性能。但是其物理性能(non-structural properties)也应该通过复合化得到提高。1）加和特性(mean properties)主要由原材料的组合形状和体积分数决定复合材料的性能。2）传递特性(乘积特性，product properties)复合材料的乘积特性的概念是充分发挥构成复合材料的两种以上原材料的不同性能。

断裂分类：纤维的断裂和界面剥离

本课程学习的复合材料基本理论包括三大部分：1.力学性能的复合法则：增强原理、弥散增强、颗粒增强、长纤维增强、短纤维增强；2.几种主要的力学模型：层扳模型、切变延滞模型、连续同轴柱体模型、有限差分与有限元模型；3.物理性能的复合法则：加和特性、传递特性。同时也介绍了复合材料的界面、热学行为、制造方法等内容。以前学习过的材料理论以金属材料为主，主要介绍了位错理论、范性变形、合金强韧化、材料热力学、表面与界面、金属断裂、凝固与结晶、扩散、回复与再结晶、固态相变等。两者在强化理论、材料断裂、材料热力学、界面理论等方面有很多相似之处，只是以前学习过的材料理论比较基础，是研究各种材料所必须掌握的最基本的知识点；现在学习的复合材料理论显得更具体，结合复合材料的特殊结构针对其性能的优化而提出了特有的材料理论，很多方面还在进一步完善之中。

2.复合材料的界面与以前学过的界面有哪些相同与不同，界面在复合材料中的作用。

答：复合材料的界面与以前学过的界面相比，相同点：都存在表面张力问题、界面的扩散和迁移、表面改性等。不同点：1.界面分类不同。前者分为机械结合、溶解和湿润结合、反应结合、交换反应结合、混合结合；后者按界面两边物质状态分类为表面、晶界、相界。按界面两边晶体取向差角度分为小角界面、大角界面；根据界面上原子排列情况和吻合程度分为共格晶面、半共格界面、复杂半共格界面、非半共格界面。2.内容侧重点不同.前者主要介绍了界面黏结强度、界面反应与界面行为、界面的滑动、界面的控制等；后者主要介绍了界面结构、界面能量、界面偏聚、界面迁移、界面组织形貌。界面在复合材料中的作用有：1.传递作用。界面能传递力、即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用；2.阻断作用。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.不连续作用。在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象；4.散射和吸收作用。光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收；5.诱导作用。一种物质（通常是增强物）的

表面结构使另外一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。

以前学过的界面是一个体相到另一体相的过渡区。一般按两体相聚集态的不同将界面分为液-气，液-液，固-气，固-液，固-固五种界面，习惯上又常将液-气和固-气界面称为表面。界面层的性质与相邻两体相的性质有关，但又有所差别。这种差别主要是由于分子处于界面层时所感受的作用力与在体相中不同而引起的。表面现象的产生则是这种作用力差异的结果。

界面的分类：1) 机械结合。基体与增强材料之间没有发生化学反应，纯粹靠机械连结。它是靠纤维的粗糙表面与基体产生的摩擦力而实现的。

2) 溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。

3) 反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体和增强材料结合在一起。

4) 交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，并且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。

5) 混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。

界面的重要性：复合材料的性能与界面性质紧密相关，而界面性质又取决于界面的结合状态、微结构特征以及应力状态。因而，对界面的表征，了解界面性质并进而控制、设计界面是改善复合材料性能的最重要的工作之一。完整的粘接面能够使填料与基体形成一个整体，并通过它均匀的传递应力，避免更多微裂纹的产生，从而均匀的阻止裂纹扩展和减缓应力集中，即起到松弛作用，从而对力学性能起到增强的效果。

a.界面黏结强度下降导致复合材料弹性模量下降，黏结强度用以下量来表征：

PMC——高的界面强度，有效地将载荷传递给纤维；CMC——界面处能量的耗散；MMC——强的界面，有益的非弹性过程；

b.界面的反应层厚度增加，复合材料的强度下降；

c.界面的反应行为对复合材料有重大影响。复合材料中增强材料与基体间相互作用的必然性通过界面行为实现；须控制增强材料与基体间相互作用的数量和速度。

因此改变基体和强化相的表面方法有：

⏹等离子体改性：操作简便、无污染、改性层薄

⏹电化学改性：阳极氧化、电聚合改性

⏹辐照改性：温度任意、材料均匀、适宜批量处理

⏹光化学改性：操作容易、时间短、工艺简单

⏹超声波表面改性：去除夹杂及氧化物，提高表面能

⏹臭氧氧化法：氧化能力强、速度快

3分析金属基与陶瓷基复合材料制备工艺的原理，特点，基本过程，优缺点及应用范围。

答：金属基复合材料：液相工艺：压力熔浸与无压熔浸，搅拌铸造，喷射沉积成形，定向凝固共晶，热喷射。固相工艺：粉末冶金（热压、机械合金化、SPS），合金箔扩散键合，拔等机加工成形。气相工艺：物理气相沉积。

金属基复合材料的制备成形：

陶瓷基复合材料的制备成形：