复合材料

电子能量损失仪（EELS）
X射线反射谱仪（GAXP） 透射电子显微镜（ TEM） 扫描电镜（ SEM）、拉曼光谱（ Raman）等
TiB2纤维表面涂层SiCF / Ti复合材料界面SEM
3、界面残余应力及其表征
（1）界面残余应力 复合材料成型后，由于基体的固化或凝固发生体积收 缩或膨胀（通常为收缩），而增强体则体积相对稳定使界 面产生内应力，同时又因增强体与基体之间存在热膨胀系 数的差异，在不同环境温度下界面产生热应力。这两种应 力的加和总称为界面残余应力。
参考书：
• 张玉龙主编，先进复合材料制造技术手册，机械工业
出版社，2003年6月。
• 沃丁柱主编，复合材料大全，化学工业出版社，
2001.1
• 吴人洁主编，复合材料，天津大学出版社，2000.12 • 徐国财，张立德主编 ，纳米复合材料，化学工业出版
社，2002.3
• 贾成厂主编，陶瓷基复合材料导论，冶金工业出版社，
先进复合材料：树脂基复合材料、C/C复合材料
陶瓷和金属基复合材料和纳米复合材料。
目前：四类共存、树脂基复合材料5代共用。 第一代：“玻璃钢”，玻璃纤维增强； 第二代：碳纤维增强； 第三代：有机纤维增强；（芳纶） 第四代：聚乙烯纤维增强（美国、荷兰、日本） 第五代：PBO（聚苯并双恶唑）纤维
2、复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。 例如：火箭壳体材料对射程的影响:
四、界面的表征
1、界面结合强度的测定 1）三点弯曲法：
★ 测定界面拉伸强度时纤维的排布
★ 测定界面剪切强度时纤维的排布
2）声发射（Acoustic Emissin ，AE）法：
声发射是当固体材料在外部条件（如载荷、温度、
磁场、环境介质等）发生变化时，由于其内部原因而 产生的瞬时弹性应力波发射。声发射信号包括有材料 内部缺陷或微观结构变化动态信息，借助灵敏的电子 仪器可以检测到声发射信号。
★ 中子的穿透能力较X射线强，可用来测量界面内
应力；其结果是很大区域的应力平均值。 ★ X射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。 目前，应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。
第四章 复合材料的复合理论
一、复合材料 增强机制
1 、 颗粒增强复合材料增强机制
基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒起着
阻碍基体位错运动的作用，从而降低了错的流
（5）诱导效应：
一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种 （通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导 作用而发生改变，由此产生一些现象，如高弹性、低膨 胀性、耐热性和冲击性等。
★ 界面效应是任何一种单一材料所没有的特性， 它对复合材料具有重要的作用。
2、界面的结合状态和强度
界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。
★ 对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。
这是因为热膨胀系数较高的相，从较高的加工温度冷却是
将受到张应力； 对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强 度大于抗拉强度，处于压缩状态比较有利。 ★ 而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避 免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。
2、化学相容性：
2、按基体材料分类： 聚合物复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
碳碳复合材料
水泥基复合材料
3、按用途分类
结构复合材料 功能复合材料
结构 / 功能一体化复合材料
4、按增强剂分类
颗粒增强复合材料
晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料
三向编织复合材料
四、 复合材料的基本性能（优点）：
1、界面效应
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳 为以下几种效应： （1）传递效应： 界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递
给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。
（2）阻断效应： 基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂
纹扩展、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和界面摩 擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐 热性和磁场尺寸稳定性等。 （4）散射和吸收效应： 光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生 散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械 冲击性等。
6、良好的功能性能
第三章 复合材料界面
一、复合材料界面
复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成 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。
复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域， 约几个纳米到几个微米。
1、外力场 3、基体表面区 5、增强剂表面区
2、基体 4、相互渗透区 6、增强剂
(1)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或 微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显 的界面。 (2)各组分保持各自固有特性的同时可最大
限度地挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具
备的优良特殊性能。 (3)复合材料具有可设计性。
3、复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成复合材料的连续相； 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态 分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会
航天领域：1kg需费用10万元
航空发动机材料发展预测如下:
四、课程的重点和要求
学习重点是使学生能够较全面和系统地理解
复合材料及其力学的重要基本概念和理论，各类 复合材料的性能、成型工艺、界面特征和结构设 计以及复合材料，同时具有初步的复合材料设计 能力。为学生今后在材料领域的学习和研究奠定
较坚实的基础。
复合材料制备技术
材料科学与工程学院
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。
石器时代、陶器时代、青铜器时代……
当前材料、能源、信息和生物技术是现代科
技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶
段。二十一世纪将是一个新材料时代。
新材料
金属材料 非金属材料 高分子 材料 复合材料
断裂能和一定 的韧性。
二、复合材料组分的相容性
1、物理相容性：
（1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。
（2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应
力不应在增强剂上形成高的局部应力。 （3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的 界面结合及各类性能产生重要的影响。
和，即物理和化学吸附作用。 浸润不良:会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应 力集中，使界面强度下降。 良好的或完全浸润:可使界面强度大大提高，甚至优 于基体本身的内聚强度。
根据力的合成 ： L cos = S - SL 粘合功可表示为：WA = S + L - SL= L（1+ cos ） 粘合功WA最大时： cos =1，即 = 0， 液体完全平铺在固体表面。 同时： Fra Baidu bibliotek = S L , S = L
动性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒
前受阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转，
生物医
学材料
金 属 结 构 材 料
金 属 功 能 材 料
特 种 玻 璃
新 陶 瓷 材 料
磁 记 录 材 料
集人 成工 电单 路晶 材材 料料
黑色金属 有色金属
光学性能 玻璃 超导材料 贮氢合金 导 电 性 能 玻璃 形状记忆 优异机械 合金 性能玻璃
树 脂 基 复 合 材 料
金 属 基 复 合 材 料
复合材料特别是先进复合材料就是为了满 足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先 进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出 来的具有极大生命力的材料。
三、复合材料的发展历史和意义
1、复合材料的发展历史 传统复合材料：6000年前人类就已经会用稻 草加粘土作为建筑复合材料。 水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和 河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。
★ 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两
相化学势相等，比表面能效应也最小。
★ 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 1）相反应的自由能 F： 2）化学势U： 3）表面能T： 相近 低 小
4）晶界扩散系数D：
小
三、复合材料的界面理论
1、界面润湿理论
界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲
发生静电吸引。
仅在原子尺度量级内静电作用力才有效 。
4、化学键理论：
在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形
成共价键结合。 在理论上可获得最强的界面粘结能 （210 - 220 J / mol）。
5、界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原子或
分子间的扩散或反应，从而形成反应 结合或扩散结合。
（A）界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理，
使界面松弛而降低，但受界面结合强度的控制，在界面结合
很强的情况下效果不明显。 （B）界面残余应力的存在对复合材料的力学性能有影 响，其利弊与加载方向和复合材料残余应力的状态有关。已 经发现，由于复合材料界面存在残余应力使之拉伸与压缩性
能有明显差异。
2、界面残余应力的测量 主要方法X射线衍射法和中子衍射法。
2002.1
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：
ISO定义为是：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。
复合材料应满足下面三个条件：
（1）组元含量大于 5 %； （2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能； （3）通过各种方法混合而成。
2、复合材料的特点：
使材料的性能显著改善和增强。
增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。
二、复合材料的分类
1、按性能分类 ：
普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通
聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。 先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝 SiC 纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨） 等复合材料。 先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到 400MPa / (g / cm3) 和40GPa / (g / cm3) 以上。
陶 瓷 基 复 合 材 料
敏感元件 陶瓷 超硬陶瓷 电气陶瓷
二、 复合材料的提出
现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的
发展；
同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。
高温、高压、高强度、低密度、耐磨、柔韧
性……。
当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料
各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展 的需要。
3、良好的尺寸稳定性：
加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度 和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变
复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀
系数。
4、良好的化学稳定性：
聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。
5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性：
陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善
1、高比强度、高比模量（刚度）：
比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）,
比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。
2、良好的高温性能：
目前： 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能，
其使用温度在350 1100 C范围内变动；
陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。
用仪器检测分析声发射信号，推断声发射源的技
术称为声发射技术。
富碳处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为
富SiO2处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为
2、界面结构的表征
界面的微观结构、形貌和厚度可通过先进
仪器观察分析。 包括：俄歇电子谱仪（AES）、电子探针（EP） X光电子能谱仪（XPS） 扫描二次离子质谱仪（SSIMS）
对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。
界面结合较差的复合材料：
大多呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、 纤维拔出、纤维应力松弛等现象。
界面结合过强的复合材料：
则呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。
界面结合最佳态是：
当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而
不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大
润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。
2、机械作用理论：
当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将
发生机械互锁。
尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中 有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且
也形成了应力集中点。
3、静电理论：
当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将