第6章 复合材料的制备
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第6章(748)
第6章 非金属材料及成型 图6-2 结晶高聚物的温度—形变曲线(M3＞M2＞M1)
第6章 非金属材料及成型
3) 交联高聚物的力学状态 交联使高分子链之间以化学键相结合，若不破坏化学键， 分子键之间就不能产生相对位移，随着交联度的提高，不仅 形变能力变差，而且不存在粘流态，既不能溶解，也不能熔 融，当交联度增加到一定数值之后，聚合物就不会随温度升 高而出现高弹态。 4) 多相聚合物的力学状态 对于共混或接枝、嵌段共聚物，多数是处于微观或亚微 观相分离的多相体系。在该种体系中，各组分可能出现两个 以上玻璃化转化区，每个转化区表示一种均聚物的特性。对 于某些嵌段和共聚混合物材料，在外力的作用下会出现应变， 从而诱发塑料—橡胶转变。
第6章 非金属材料及成型 图6-1 非晶态高聚物的温度—形变曲线
第6章 非金属材料及成型
2) 结晶高聚物的温度—形变曲线 凡在一定条件下能够结晶的高聚物统称为结晶性高聚物。 结晶高聚物的结晶度不同，分子量不同，其温度—形变曲线 也不相同。当结晶度高于40%时，微晶贯穿整个材料，非晶 区Tg将不能明显出现，只有当温度升高到熔化温度Tm时，晶 区熔融，高分子链热运动加剧，如果聚合物的分子量不太大， 体系进入粘流态(此时熔化温度Tm与转变温度相等，即Tm＝ Tt)；如果聚合物分子量很高，Tt＞Tm，则在Tm之后仍会出现 高弹态。如果聚合物的结晶度不高，则也会出现玻璃化转变 的形变，但Tg以后，链段有可能按照结晶结构的要求重新排 列成规则的晶体结构。图6-2所示为分子量不同的结晶高聚物 的温度—形变曲线。由图可以看出，高弹态与粘流态的过渡 区随分子量M的增大而增大。
第6章 非金属材料及成型
4) 压延(rolling) 压延是橡胶工业的基本工艺之一，它是指混炼胶胶料通 过压延机两辊之间，利用辊筒间的压力使胶料产生延展变形， 制成胶片或胶布(包括挂胶帘布)半成品的一种工艺过程。它 主要包括贴胶、擦胶、压片、贴合和压型等操作。 (1) 压延准备工艺：热炼、供胶、纺织物烘干和压延机 辊温控制。 (2) 压延工艺。 ① 压片：是将已预热好的胶料，用压延机在辊速相等的 情况下，压制成一定厚度和宽度胶片的压延工艺。胶片表面 应光滑无气泡、不气皱、厚度一致。
陶瓷基复合材料
化学气相渗透（CVI）制备陶瓷基复合材料是将含 挥发性金属化合物的气体在高温反应形成陶瓷固体沉积 在增强剂预制体的空隙中，使预制体逐渐致密而形成陶 瓷基复合材料。
CVI工艺的优点在于：工艺温度低；适用范围广， 可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及C/C等复合 材料，材料纯度高，工艺过程构件不收缩，适于制备大 尺寸、形状复杂构件。
第6章 陶瓷基复合材料
• 6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能 • 6.2 陶瓷基复合材料的制备工艺 • 6.3 氧化物基陶瓷复合材料 • 6.4 非氧化物基陶瓷复合材料 • 6.5 碳/碳复合材料 • 6.6 微晶玻璃基复合材料
6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能
现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐 磨损及相对密度优良的性能轻等许多优良 的性能。
• 此外，利用反应放热合成陶瓷粉体也较多， 如自蔓延高温燃烧合成等。
2. 成型 • 陶瓷成型方法主要有：模压成型、等静压成型、
热压铸成型、挤压成型、轧膜成型、流延法成 型、注射成型和直接凝固成型等。 a) 模压成型：将粉料填充到模具内部后，通过单 向或双向加压，将粉料压成所需形状。 b) 等静压成型：一般等静压指的是湿袋式等静压 （也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或 塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油后 水等流体介质中，加压获得所需的坯体。 c) 热压铸成型：将粉料与蜡（或其他有机高分子 粘结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分 子粘结剂）熔化，使混合料具有一定的流动性， 然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到 致密的较硬实的坯体。
a) Cr/Al2O3复合材料 Cr与Al2O3之间的润湿性 不好，但铬粉表面易形成致密的Cr2O3，因此可 通过形成Cr2O3-Al2O3固溶体来降低它们之间的 界面能，改善润湿性。为是金属铬部分氧化，工 艺上常采取的措施有：①在烧结气氛中引人微量 的水汽或氧气；②在配料是用一部分氢氧化铝代 替氧化铝，以便在高温下分解产生出水蒸气使铬 氧化；③在配料中用少量的氧化铬代替金属铬。
CVI工艺的优点在于：工艺温度低；适用范围广， 可制备碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及C/C等复合 材料，材料纯度高，工艺过程构件不收缩，适于制备大 尺寸、形状复杂构件。
第6章 陶瓷基复合材料
• 6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能 • 6.2 陶瓷基复合材料的制备工艺 • 6.3 氧化物基陶瓷复合材料 • 6.4 非氧化物基陶瓷复合材料 • 6.5 碳/碳复合材料 • 6.6 微晶玻璃基复合材料
6.1 陶瓷基复合材料的种类和性能
现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐 磨损及相对密度优良的性能轻等许多优良 的性能。
• 此外，利用反应放热合成陶瓷粉体也较多， 如自蔓延高温燃烧合成等。
2. 成型 • 陶瓷成型方法主要有：模压成型、等静压成型、
热压铸成型、挤压成型、轧膜成型、流延法成 型、注射成型和直接凝固成型等。 a) 模压成型：将粉料填充到模具内部后，通过单 向或双向加压，将粉料压成所需形状。 b) 等静压成型：一般等静压指的是湿袋式等静压 （也叫湿法等静压），就是将粉料装入橡胶或 塑料等可变形的容器中，密封后放入液压油后 水等流体介质中，加压获得所需的坯体。 c) 热压铸成型：将粉料与蜡（或其他有机高分子 粘结剂）混合后，加热使蜡（或其他有机高分 子粘结剂）熔化，使混合料具有一定的流动性， 然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到 致密的较硬实的坯体。
a) Cr/Al2O3复合材料 Cr与Al2O3之间的润湿性 不好，但铬粉表面易形成致密的Cr2O3，因此可 通过形成Cr2O3-Al2O3固溶体来降低它们之间的 界面能，改善润湿性。为是金属铬部分氧化，工 艺上常采取的措施有：①在烧结气氛中引人微量 的水汽或氧气；②在配料是用一部分氢氧化铝代 替氧化铝，以便在高温下分解产生出水蒸气使铬 氧化；③在配料中用少量的氧化铬代替金属铬。
材料制备科学与技术答案
材料制备科学与技术答案【篇一：化学与人类_尔雅慕课_课后答案】.1化学研究的对象和内容1.天然气中主要成分是什么？（）a、丁烷b、丙烷c、乙烷d、甲烷我的答案：d2.（）研究除碳元素以外的所有元素的单质及其化合物的性质。
a、生物化学b、有机化学c、无机化学d、物理化学我的答案：c3.分析化学是研究（）成分的测定方法和原理。
a、原子b、量子c、物质d、电子我的答案：c4.甲烷的泄露会引起人的中毒。
（）我的答案：x5.有机化学研究的是碳氢化合物及其衍生物的性能。
（）我的答案：√6.化学是一门研究物质变化的科学。
（）我的答案：√1.2煤气和爆炸极限1煤气中的臭味是因为在其中人为加入了什么？（）a、甲醇b、乙醇c、乙醚d、硫醇我的答案：d2在常温常压下，氢会呈现什么状态？（）a、固态b、气态c、液态d、混合态我的答案：b31.3关于广告的问题1上个世纪80年代谁表演了“水变油”的荒唐骗局。
（）a、王洪志b、李洪成c、王洪成d、李洪志我的答案：c2．1卡路里是等于多少焦耳？（）a、4.19b、5.19c、6.19d、7.19我的答案：a34二恶烷别名又叫做二氧六环。
（）我的答案：√1.4化学与新闻专业的关系1白金是哪种化学元素的俗称？（）a、金b、银c、铂d、钋我的答案：c2铹元素的名称是为纪念回旋加速器的发明者（）。
a、洛伦兹b、伦琴c、斯特恩d、劳伦斯我的答案：d3氯是一种非金属元素。
（）我的答案：√2.1石油是一种碳氢化合物的混合物1石油实际上是以（）为主的烃类化合物。
a、烯烃b、炔烃c、烷烃d、环烃我的答案：c2以下哪项不是当今人类使用的四大能源之一？（）a、石油b、煤c、原子能d、风能我的答案：d3煤是地球上分布最广、储量最大的能源资源。
（）我的答案：√ 2.2汽油的制备1以下哪一项不是内燃机气缸的工作原理？（）a、进气b、排气c、点火d、爆缸我的答案：d2所谓93号汽油就是指（）为93的汽油。
第六章复合材料mme06
6.4.1 金属陶瓷
一、组成及分类
金属陶瓷是金属（通常为钛、镍、钴、铬等及其合金） 和陶瓷（通常为氧化物、碳化物、硼化物和氮化物 等)组成的非均质材料，是颗粒增强型的复合材料。 金属和陶瓷按不同配比组成工具材料（陶瓷为主）、 高温结构材料（金属为主）和特殊性能材料。 二、性能及应用 ●氧化物金属陶瓷 ---多以钴或镍作为粘接金属，热 稳定性和抗氧化能力较好,韧性高。
通常，复合材料的复合结果是密度大大减小，高的比 强度和比模量是复合材料的突出性能特点。 二、抗疲劳性能和抗断裂性能
1. 很好的抗疲劳性能
●复合材料中的纤维缺陷少，本身抗疲劳能力高；
●基体的塑性和韧性好，能够消除或减少应力集中，不易产生 微裂纹； ●塑性变形的存在又使微裂纹产生钝化而减缓了其扩展。
例如：碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸强度的 70%～ 80%，一般金属材料却仅为30%～50%。 2. 抗断裂能力好 基体中有大量细小纤维，较大载荷下部分纤维断裂 时载荷由韧性好的基体重新分配到未断裂纤维上， 构件不会瞬间失去承载能力而断裂。
6.3.3 碳基复合材料
• 一、组成及特点---碳基复合材料是碳纤维及其制品(如
碳毡)增强的碳基复合材料。
●具有许多碳和石墨的特点，如密度小、导热性 高、膨胀系数低以及对热冲击不敏感； ●具有优越的机械性能：强度和冲击韧性比石墨高5 ～10倍，比强度非常高；随温度升高强度升高；断裂 韧性高、蠕变低； ●化学稳定性高，耐磨性极好， 是耐温最高的高温复合材料 （达2800℃）。
●自动控温开关
由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合而成的，如果单 用黄铜或铁片，不可能达到自动控温的目的。导电的铜片 两边加上两片隔热、隔电塑料，可实现一定方向导电、另 外方向绝缘及隔热的双重功能。
第六章复合材料表界面的分析表征
A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯酸 碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未处理 碳纤维
41
不同处理碳纤维增强复合材料冲击 载荷与冲击时间的对应关系
A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯 酸碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未 处理碳纤维
氧等离子处理（曲线C）碳纤维 复合丝试样的冲击载荷曲线主 要弹性承载能U1差不多比未处 理者增加近3倍，表明基体变形 更大，也有更多的纤维发生形 变。相反塑性承载能U2却小到 可略视的地步，几乎没有什么 纤维拔出和与基体的脱粘，充 分表明了强结合的界面特征。
25
碳纤维表面官能团的分析
还原剂，消除自由基，证明等 离子处理产生的大部分是游离
基，不是酚羟基
图6-25 等离子处理时间对自由基浓度的影响
在等离子处理初期，自由基浓度迅速增加，处 理5分钟后，自由基浓度增加渐趋平缓。
27
图6-26 UHMWPE纤维表面活性的衰减
经等离子处理后的UHMWPE纤维暴露在空气中，表 面自由基的浓度随时间而衰减，表面活性在逐渐减小
36
6.4.2 复合材料界面的动态力学分析
a-接枝玻纤 b-未接枝玻纤 涂敷聚苯乙烯树脂的玻璃纤维辫子的动态
力学扭辫曲线
曲线b在92℃处出现一个 尖锐的聚苯乙烯玻璃化转变 损耗峰，而曲线a上，在聚 苯乙烯玻璃化转变损耗峰高 温一侧还有一个小峰，一般 称为α’峰，也叫做界面峰。
界面粘结强，则试样承 受周期负荷时界面的能力损 耗大，α’峰越明显。
复合材料界面受到因 热膨胀系数不同引起 的热残余应力。热残 余应力的大小正比于 两者的热膨胀系数之 差Δα和温差ΔT， 也与基体和纤维的模 量有关。
29
❖ 6.4 界面力学性能的分析表征
41
不同处理碳纤维增强复合材料冲击 载荷与冲击时间的对应关系
A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯 酸碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未 处理碳纤维
氧等离子处理（曲线C）碳纤维 复合丝试样的冲击载荷曲线主 要弹性承载能U1差不多比未处 理者增加近3倍，表明基体变形 更大，也有更多的纤维发生形 变。相反塑性承载能U2却小到 可略视的地步，几乎没有什么 纤维拔出和与基体的脱粘，充 分表明了强结合的界面特征。
25
碳纤维表面官能团的分析
还原剂，消除自由基，证明等 离子处理产生的大部分是游离
基，不是酚羟基
图6-25 等离子处理时间对自由基浓度的影响
在等离子处理初期，自由基浓度迅速增加，处 理5分钟后，自由基浓度增加渐趋平缓。
27
图6-26 UHMWPE纤维表面活性的衰减
经等离子处理后的UHMWPE纤维暴露在空气中，表 面自由基的浓度随时间而衰减，表面活性在逐渐减小
36
6.4.2 复合材料界面的动态力学分析
a-接枝玻纤 b-未接枝玻纤 涂敷聚苯乙烯树脂的玻璃纤维辫子的动态
力学扭辫曲线
曲线b在92℃处出现一个 尖锐的聚苯乙烯玻璃化转变 损耗峰，而曲线a上，在聚 苯乙烯玻璃化转变损耗峰高 温一侧还有一个小峰，一般 称为α’峰，也叫做界面峰。
界面粘结强，则试样承 受周期负荷时界面的能力损 耗大，α’峰越明显。
复合材料界面受到因 热膨胀系数不同引起 的热残余应力。热残 余应力的大小正比于 两者的热膨胀系数之 差Δα和温差ΔT， 也与基体和纤维的模 量有关。
29
❖ 6.4 界面力学性能的分析表征
复合材料第六章功能复合材料
材料在复合后所得的复合材料，依据其 产生复合效应的特征，可分为两大类：
一类复合效应为线性效应； 另一类则为非线性效应。 在这两类复合效应中，又可以显示出不 同的特征。
7
下表列出了不同复合效应的类别。
不同复合效应的类别
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
30
2、功能复合材料的设计
复合材料的最大特点在于它的可设计性。
因此，在给定的性能要求、使用环境及 经济条件限制的前提下，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
31
例如，利用线性效应的混合法则，通过 合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数 为零或接近于零的构件。
又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光 性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光 的复合材料。
EcEmVmEfVf
10
平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各 组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
11
对于增强体（如纤维）与基体界 面结合很弱的复合材料，所显示的复 合效应，可以看作是平行效应。
12
相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性 能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
55
音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
磁记录再生的原理示意图
56
由麦克风及摄像机将声音及光变成电 信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在 磁记录介质上。
读出时，与记录过程相反，使声音和 图像再生。
57
理想的磁记录介质要尽可能地高密度， 能长期保存记录，再生时尽可能高输出。
一类复合效应为线性效应； 另一类则为非线性效应。 在这两类复合效应中，又可以显示出不 同的特征。
7
下表列出了不同复合效应的类别。
不同复合效应的类别
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
30
2、功能复合材料的设计
复合材料的最大特点在于它的可设计性。
因此，在给定的性能要求、使用环境及 经济条件限制的前提下，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
31
例如，利用线性效应的混合法则，通过 合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数 为零或接近于零的构件。
又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光 性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光 的复合材料。
EcEmVmEfVf
10
平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各 组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
11
对于增强体（如纤维）与基体界 面结合很弱的复合材料，所显示的复 合效应，可以看作是平行效应。
12
相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性 能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
55
音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
磁记录再生的原理示意图
56
由麦克风及摄像机将声音及光变成电 信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在 磁记录介质上。
读出时，与记录过程相反，使声音和 图像再生。
57
理想的磁记录介质要尽可能地高密度， 能长期保存记录，再生时尽可能高输出。
--复合材料力学第六章细观力学基础
称为纵向有效模量的混合律。
（二）纵向泊松比
21
RVE的纵向应变关系式：
2 f 2V f m2Vm
两边同时除以 1 ，可得：
21 f V f mVm
（三）纵横（面内）剪切模量
G12
在剪应力作用下，RVE的剪应变有如下 关系：
12 f V f mVm
以
12
12
G12
可在复合圆柱模型上施加不同的均匀应力边界条件，利用 弹性力学方法进行求解而得到有效模量，结果为：
2
2Gm
E
f
rf2
ln(
R rf
)
其中 Gm 为基体剪切模量，rf 为纤维半经，R为纤维间距，
l为纤维长度，R与纤维的排列方式和 V f 有关。
ET（短） ET (长)
2、Halpin-Tsai方程
EL Em
1
2
l d
LV
f
1 LV f
ET
1 2TV f
Em 1 TV f
此时，对L取：
RVE的要求： 1 、 RVE 的 尺 寸 << 整 体 尺 寸 ， 则宏观可看成一点；
2、RVE的尺寸>纤维直径；
3、RVE的纤维体积分数=复合材料的纤维体积分数。
纤维体积分数：
Vf
vf v
v f —纤维总体积；
v —复合材料体积
注意：
只有当所讨论问题的最小尺寸远大于代表性体积单元时，
复合材料的应力应变等才有意义。
并可由RVE的解向邻近单元连续拓展到整体时，所得的有效 弹性模量才是严格的理论解。
则只有满足上述条件的复合材料的宏观弹性模量才能通过 体积平均应力、应变进行计算；或按应变能计算。
（二）纵向泊松比
21
RVE的纵向应变关系式：
2 f 2V f m2Vm
两边同时除以 1 ，可得：
21 f V f mVm
（三）纵横（面内）剪切模量
G12
在剪应力作用下，RVE的剪应变有如下 关系：
12 f V f mVm
以
12
12
G12
可在复合圆柱模型上施加不同的均匀应力边界条件，利用 弹性力学方法进行求解而得到有效模量，结果为：
2
2Gm
E
f
rf2
ln(
R rf
)
其中 Gm 为基体剪切模量，rf 为纤维半经，R为纤维间距，
l为纤维长度，R与纤维的排列方式和 V f 有关。
ET（短） ET (长)
2、Halpin-Tsai方程
EL Em
1
2
l d
LV
f
1 LV f
ET
1 2TV f
Em 1 TV f
此时，对L取：
RVE的要求： 1 、 RVE 的 尺 寸 << 整 体 尺 寸 ， 则宏观可看成一点；
2、RVE的尺寸>纤维直径；
3、RVE的纤维体积分数=复合材料的纤维体积分数。
纤维体积分数：
Vf
vf v
v f —纤维总体积；
v —复合材料体积
注意：
只有当所讨论问题的最小尺寸远大于代表性体积单元时，
复合材料的应力应变等才有意义。
并可由RVE的解向邻近单元连续拓展到整体时，所得的有效 弹性模量才是严格的理论解。
则只有满足上述条件的复合材料的宏观弹性模量才能通过 体积平均应力、应变进行计算；或按应变能计算。
第6章-2 金属基复合材料的界面及其表征
5
6.2.6.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种复合材料的典型冲击载荷－ 时间关系曲线
1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
10
6.3.1 界面组成及成分变化
确定界面上有无新相形成是界面表征的主要内容之一。新相可能是 增强体与基体通过扩散反应而在界面处形成的新相, 也可能是基体组 元与相界处杂质元素反应在界面处优先形核而成为新相。 一般情况下常用明场像或暗场像对界面附近区域形貌进行观察, 通 过选区衍射和X射线能谱进行微区结构和成分分析。 当析出物十分细小时, 可采用微衍射和电子能量损失谱来分析其结 构和成分, 电子能量损失谱尤其适合于对C、O等轻元素的分析。可 以准确判知界面析出物的结构、成分和形貌特征。
1、金属基复合材料界面可分成哪些类型？请分别举 例说明不同类型界面的特征。 2、金属基复合材料的界面结合有哪几种？什么样的 界面结合对力学性能更有利？
3
6.2.6 界面对性能的影响
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构 性能有很大差别。
纤维增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接” （b）裂纹穿过纤维造成脆断
11
挤压铸造Al18B4O33w /Al-2.5%Mg 复合材料界面 TEM 照片
4Al18B4O33+33Mg = 33MgAl2O4+6Al+16B
6.2.6.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种复合材料的典型冲击载荷－ 时间关系曲线
1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
10
6.3.1 界面组成及成分变化
确定界面上有无新相形成是界面表征的主要内容之一。新相可能是 增强体与基体通过扩散反应而在界面处形成的新相, 也可能是基体组 元与相界处杂质元素反应在界面处优先形核而成为新相。 一般情况下常用明场像或暗场像对界面附近区域形貌进行观察, 通 过选区衍射和X射线能谱进行微区结构和成分分析。 当析出物十分细小时, 可采用微衍射和电子能量损失谱来分析其结 构和成分, 电子能量损失谱尤其适合于对C、O等轻元素的分析。可 以准确判知界面析出物的结构、成分和形貌特征。
1、金属基复合材料界面可分成哪些类型？请分别举 例说明不同类型界面的特征。 2、金属基复合材料的界面结合有哪几种？什么样的 界面结合对力学性能更有利？
3
6.2.6 界面对性能的影响
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构 性能有很大差别。
纤维增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接” （b）裂纹穿过纤维造成脆断
11
挤压铸造Al18B4O33w /Al-2.5%Mg 复合材料界面 TEM 照片
4Al18B4O33+33Mg = 33MgAl2O4+6Al+16B
第6章 聚合物复合材料的界面
重要性： 重要性： 第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
1. 界面所占面积多： 界面所占面积多： 玻璃钢制品中30%纤维含量的制品与50%纤维含量制 玻璃钢制品中30%纤维含量的制品与50%纤维含量制 30%纤维含量的制品与50% 品的界面数量明显不同 2. 力的传递
基体与纤维之间连接桥梁， 基体与纤维之间连接桥梁，纤维与基体之间的应力 传递作用 3. 影响性能－ 影响性能－增韧
提高浸润性的手段
第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
界面设计基本原则：改善浸润性，提高界面的粘接强度。 界面设计基本原则：改善浸润性，提高界面的粘接强度。 提高PMC界面粘接强度的措施： 界面粘接强度的措施： 提高 界面粘接强度的措施 （1）使用偶联剂 ） 偶联剂：也称活性浸润剂， 偶联剂：也称活性浸润剂，它既与增强用玻璃纤维表面 形成化学键， 形成化学键，又与基体具有良好的相容性或与基体反应的化 学试剂。 学试剂。 常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 有机硅偶联剂的结构通式为： 有机硅偶联剂的结构通式为：R-Si-(OR`)3
6.2 高聚物复合材料界面的形成及作用机理
第 6 章 复 合 材 料 的 界 面
3、机械结合： 当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不 机械结合： 当两个表面相互接触后， 平将发生机械互锁。 平将发生机械互锁。 另一方面，尽管表面积随着粗糙度增大而增大， 另一方面，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。 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 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷， 成了应力集中点。 成了应力集中点。
复合材料性能
聚合物基复合材料成型工艺
凸字：先用树脂浇注，然后糊制
3. 固化（凝胶-----定型-----熟化）
固化方式
常温固化：温度＞15℃ （25~30℃）；湿度 ≤80% （15~30℃，8~24h）
加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外 线加热 （60~80℃，1~2h）
固化度 丙酮萃取法 硬度法（巴氏硬度） ＞15
4. 脱模：气脱、顶脱、水脱
5. 后处理 修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔 装配：机械连接、胶接 表面涂饰
四、手糊制品缺陷及原因
1. 胶衣起皱、龟裂、变色
原因： 起皱 ①胶衣层太薄；②固化剂不足；③气温太低； ④胶衣层厚度不均；⑤胶衣层固化不足
龟裂 ①胶衣层太厚；②固化时热量过大； ③固化剂用量过多；
变色 ①固化剂用量过多；②胶衣流挂； ③颜色分离；④胶衣层厚度不均
NaBO2 （5~8%） ），80℃溶于水； ⑦低熔点金属58%Bi+42%Sn，熔点135 ℃； ⑧玻璃钢 ⑨金属：钢材、铸铝，不能用铜（铜盐可妨碍树脂固化）
三、模具结构形式
单模 阴模（制品外表面光洁） 阳模（制品内表面光洁）
对合模 制品双面光洁 拼装模（组合模） 大型模具，由小块模具拼装而成
a.阴模示意图
4. 真空袋材料：气球步、橡胶袋、尼龙薄膜 5. 密封材料：胶条、胶带
图4-5 手糊玻璃钢制品举例
➢袋压成型
优点：仅用一个模具，就可得到形状复杂，尺寸较大，质量较好 的制件，也能制造夹层结构件
一、真空袋成型 1. 过程
制品毛坯 真空袋密封
抽真空
固化 制品
2. 特征 1）工艺简单，不需要专用设备；
3）预热和预成型
A. 预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固 化时间，降低成型压力；
3. 固化（凝胶-----定型-----熟化）
固化方式
常温固化：温度＞15℃ （25~30℃）；湿度 ≤80% （15~30℃，8~24h）
加热固化：烘箱、固化炉、模具加热、红外 线加热 （60~80℃，1~2h）
固化度 丙酮萃取法 硬度法（巴氏硬度） ＞15
4. 脱模：气脱、顶脱、水脱
5. 后处理 修整：除去毛边、飞刺、修补表面及内部缺陷，钻孔 装配：机械连接、胶接 表面涂饰
四、手糊制品缺陷及原因
1. 胶衣起皱、龟裂、变色
原因： 起皱 ①胶衣层太薄；②固化剂不足；③气温太低； ④胶衣层厚度不均；⑤胶衣层固化不足
龟裂 ①胶衣层太厚；②固化时热量过大； ③固化剂用量过多；
变色 ①固化剂用量过多；②胶衣流挂； ③颜色分离；④胶衣层厚度不均
NaBO2 （5~8%） ），80℃溶于水； ⑦低熔点金属58%Bi+42%Sn，熔点135 ℃； ⑧玻璃钢 ⑨金属：钢材、铸铝，不能用铜（铜盐可妨碍树脂固化）
三、模具结构形式
单模 阴模（制品外表面光洁） 阳模（制品内表面光洁）
对合模 制品双面光洁 拼装模（组合模） 大型模具，由小块模具拼装而成
a.阴模示意图
4. 真空袋材料：气球步、橡胶袋、尼龙薄膜 5. 密封材料：胶条、胶带
图4-5 手糊玻璃钢制品举例
➢袋压成型
优点：仅用一个模具，就可得到形状复杂，尺寸较大，质量较好 的制件，也能制造夹层结构件
一、真空袋成型 1. 过程
制品毛坯 真空袋密封
抽真空
固化 制品
2. 特征 1）工艺简单，不需要专用设备；
3）预热和预成型
A. 预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固 化时间，降低成型压力；
陶瓷基复合材料资料
• 定向的连续纤维可以明显提高强度，因为提高了增强效果、降低了应 力集中。
其他影响因素
• 气孔率：气孔率越大，韧性越差； • 增强材料的强度、刚度及含量：增强物的强度和刚度、含量越高，
CMC的性能越好； • 增强材料与基体的热膨胀系数的匹配：匹配性越好，CMC的性能好； • 纤维的损伤程度：成型时纤维损伤程度越低，CMC的性能越好。
3.44 0
473 247 19.3 3.7 4.62
2.7 30 454 188 4770 15.6 2.51
纤维与基体的结合强度的影响
• 纤维与基体的结合强度过大将使CMC的韧性降低，若其结合强度过 低，将使材料的强度降低。
纤维排布的影响
• 无规则排列短纤维增强CMC的拉伸和弯曲性能有时低于基体材料， 这是因为无规则排列纤维的应力集中的影响和热膨胀不匹配造成的， 将短纤维定向可以提高该方向的性能；
• 烧结方法：常压烧结工艺和反应烧结。
纳米CMC的成型工艺
纳米CMC（亦称纳米复相陶瓷）可分为三类 • 在陶瓷基体的晶粒内弥散纳米粒子第二相 • 在陶瓷基体晶粒间弥散纳米粒子第二相； • 纳米粒子同时弥散在陶瓷基体的晶粒内和晶界上。 • 工艺流程：
制粉 混合 制坯 烧结
陶瓷基复合材料的应用
• CMC的使用温度：主要取决于基体特性，其工作温度按下 列基体材料依次提高： 玻璃 玻璃陶瓷 氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 其最高使用温度可达1900℃。
• 主要应用领域：刀具、滑动器件、航空航天构件、发动机 构件、能源构件等。
应用例
• 制动件：法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于 制作 超高速列 车的制动件，取得了传统 制动件所 无法比拟的优异的磨擦磨损特性；
• 航空航天领域：CMC制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的 结构件等也都收到了满意的效果；
其他影响因素
• 气孔率：气孔率越大，韧性越差； • 增强材料的强度、刚度及含量：增强物的强度和刚度、含量越高，
CMC的性能越好； • 增强材料与基体的热膨胀系数的匹配：匹配性越好，CMC的性能好； • 纤维的损伤程度：成型时纤维损伤程度越低，CMC的性能越好。
3.44 0
473 247 19.3 3.7 4.62
2.7 30 454 188 4770 15.6 2.51
纤维与基体的结合强度的影响
• 纤维与基体的结合强度过大将使CMC的韧性降低，若其结合强度过 低，将使材料的强度降低。
纤维排布的影响
• 无规则排列短纤维增强CMC的拉伸和弯曲性能有时低于基体材料， 这是因为无规则排列纤维的应力集中的影响和热膨胀不匹配造成的， 将短纤维定向可以提高该方向的性能；
• 烧结方法：常压烧结工艺和反应烧结。
纳米CMC的成型工艺
纳米CMC（亦称纳米复相陶瓷）可分为三类 • 在陶瓷基体的晶粒内弥散纳米粒子第二相 • 在陶瓷基体晶粒间弥散纳米粒子第二相； • 纳米粒子同时弥散在陶瓷基体的晶粒内和晶界上。 • 工艺流程：
制粉 混合 制坯 烧结
陶瓷基复合材料的应用
• CMC的使用温度：主要取决于基体特性，其工作温度按下 列基体材料依次提高： 玻璃 玻璃陶瓷 氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 其最高使用温度可达1900℃。
• 主要应用领域：刀具、滑动器件、航空航天构件、发动机 构件、能源构件等。
应用例
• 制动件：法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于 制作 超高速列 车的制动件，取得了传统 制动件所 无法比拟的优异的磨擦磨损特性；
• 航空航天领域：CMC制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的 结构件等也都收到了满意的效果；
陶瓷基复合材料(CMC)
CMC制备工艺
• 制造工艺也可大 致分为配料-成型 -烧结-精加工等 步骤。
• 改进的浆体法
陶瓷基复合材料的制备还有溶胶凝胶法、液态浸渍法、 直接氧化法等，新近发展起来的制备陶瓷基复合材料的 方法还有聚合物先驱体热解工艺、原位复合工艺等。
CMC界面
• 陶瓷基复合材料界面可分为两大类：无 反应界面和有反应界面。 • 无反应界面
概 述
• 陶瓷基复合材料的基体为陶瓷。
• 碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有耐高温、耐腐蚀、高强度、 重量轻和价格低等优点。化学键往往是介于离子键与共价键之 间的混合键。
• 陶瓷基复合材料中的增强体通常也 称为增韧体。
• 从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。 • 碳纤维主要用在把强度、刚度、重量和抗化学性作为设计参数 的构件；其它常用纤维是玻璃纤维和硼纤维。 • 纤维增强陶瓷基复合材料，是改善陶瓷材料韧性的重要手段。
CMC制备工艺
CMC制备工艺
• 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工 与制备
• 晶须与颗粒的尺寸均很小，只是几何形状上有些区别， 用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是基本 相同的。 • 基本上是采用粉末冶金方法。
制备工艺比长纤维复合材料简便很多。 所用设备也不复杂设备。 过程简单。混合均匀，热压烧结即可制得高性能的复合材料。
CMC性能
• 室温力学性能
• 拉伸强度
• 与金属基和聚合物基复合材料不同，对于陶瓷基复合 材料来说陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变； 因此最初的失效往往是陶瓷基体的开裂，这种开裂是 由晶体中存在的缺陷引起的。
CMC性能与应用
单向连续纤维强化 陶瓷基复合材料的 拉伸失效有两种形 式：
(1)突然失效。纤维强度较 低，界面结合强度较高， 基体裂纹穿过纤维扩展， 导致突然失效。 (2)如果纤维较强，界面结 合相对较弱，基体裂纹沿 着纤维扩展，纤维失效前， 纤维-基体界面脱粘、因此 基体开裂并不导致突然失 效，复合材料的最终失效 应变大于基体的失效应变。
材料化学课件-第六章纳米材料
优点是能获得粒径均匀、尺寸可控以 及50nm的超细粉末。粉末可以是晶态也 可以是非晶态，缺点是原料价格较高， 且对设备要求高。
(3)固相化学反应法
固相化学反应法又可分为高温和室温固相反应法。 高温固相反应法是将反应原料按一定比例充分混合研 磨后进行煅烧，通过高温下发生固相反应直接制成或 再次粉碎制得超微粉。
纳米粉体的制备方法大致可分为物理和化学方法。 1、物理制备方法
(1)传统粉碎法
传统粉碎法是用各种超微粉碎机将原料直接粉碎研磨成超 微粉。此法由于具有成本低、产量高以及制备工艺简单易行 等优点，在一些对粉体的纯度要求不太高的场合仍然适用。 (2)惰性气体冷凝法
惰性气体冷凝法主要是将装有待蒸发物质的容器抽到高真 空，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状原 子，承受气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度粒子刮 下，收集，即得到纳米粉体。
(5)特殊的力学性质
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性， 这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原 子的排列相当混乱。原子在外力作用下容易迁移，因此表现 出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学 性能。这就是目前一些所谓摔不碎的陶瓷碗的原因。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷 材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列 是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳 的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报 道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的 牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等 复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十 分宽广。
(3)固相化学反应法
固相化学反应法又可分为高温和室温固相反应法。 高温固相反应法是将反应原料按一定比例充分混合研 磨后进行煅烧，通过高温下发生固相反应直接制成或 再次粉碎制得超微粉。
纳米粉体的制备方法大致可分为物理和化学方法。 1、物理制备方法
(1)传统粉碎法
传统粉碎法是用各种超微粉碎机将原料直接粉碎研磨成超 微粉。此法由于具有成本低、产量高以及制备工艺简单易行 等优点，在一些对粉体的纯度要求不太高的场合仍然适用。 (2)惰性气体冷凝法
惰性气体冷凝法主要是将装有待蒸发物质的容器抽到高真 空，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状原 子，承受气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度粒子刮 下，收集，即得到纳米粉体。
(5)特殊的力学性质
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性， 这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原 子的排列相当混乱。原子在外力作用下容易迁移，因此表现 出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学 性能。这就是目前一些所谓摔不碎的陶瓷碗的原因。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷 材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列 是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳 的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报 道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的 牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等 复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十 分宽广。
第6章-金属基复合材料制备技术
（2）主要用于低熔点金属与高熔点金属复合。
2021/2/27
32
6.4.4 液体浸渍法
是美国宇航公司发明的一种制造碳纤维增强铝基、镁基复合材 料的方法。原理：通过对碳（或石墨）纤维表面进行活化处理， 经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。当纤维束经过铝熔 池时，金属液就自发浸渍到纤维束中，形成复合丝。
（3）工艺简单、成本低，易于批量生产。
（4）主要用于制备短纤维、晶须、颗粒增强的铝、镁基复合 材料。
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30
6.4.3 无压浸渗法(自发浸渗法)
无压浸渍是指金属液体在无外力作用下自发浸渗固体颗粒多孔 预制件制备金属基复合材料的方法。
2021/2/27
31
1. 无压浸渍需要满足的条件 （1）金属液体对增强体颗粒润湿。 （2）预制件应具有相互连通的浸渗通道。 （3）体系组分性质需相匹配。 2. 特点和应用 （1）工艺简单、成本低，可实现近终成型。
液体金属浸渍法主要用于碳、石墨、碳化硅等丝束连续纤维增强 复合材料。这类纤维直径细，一般为7-11μm，每束含纤维数量 多，一般为500-3000根/束,金属液体渗透入纤维束相当困难， 也是制造C/Al、C/Mg、SiC/Al 复合材料的主要障碍，用Ti-B 涂层、超声波振动有效地解决了这一关键问题。
3. 冷却速度大，液滴冷却速度可达103～106K/s，基体金属组 织可获得快速凝固金属所具有的细晶组织，无宏观偏析, 组织 均匀致密。
4. 增强物分布均匀。 5. 有少量气体存在，最低 2%，最高5%。
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39
6.4.6 液态金属搅拌铸造法
1. 基本工艺原理
将颗粒增强体直接加入到熔融的基体金属液中，通过一定方式 的搅拌使颗粒增强体均匀地分散在金属熔体中，与金属基体形成 复合熔体，浇注成锭坯、铸件。 2. 工艺难点
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6.4.4 液体浸渍法
是美国宇航公司发明的一种制造碳纤维增强铝基、镁基复合材 料的方法。原理：通过对碳（或石墨）纤维表面进行活化处理， 经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。当纤维束经过铝熔 池时，金属液就自发浸渍到纤维束中，形成复合丝。
（3）工艺简单、成本低，易于批量生产。
（4）主要用于制备短纤维、晶须、颗粒增强的铝、镁基复合 材料。
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6.4.3 无压浸渗法(自发浸渗法)
无压浸渍是指金属液体在无外力作用下自发浸渗固体颗粒多孔 预制件制备金属基复合材料的方法。
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1. 无压浸渍需要满足的条件 （1）金属液体对增强体颗粒润湿。 （2）预制件应具有相互连通的浸渗通道。 （3）体系组分性质需相匹配。 2. 特点和应用 （1）工艺简单、成本低，可实现近终成型。
液体金属浸渍法主要用于碳、石墨、碳化硅等丝束连续纤维增强 复合材料。这类纤维直径细，一般为7-11μm，每束含纤维数量 多，一般为500-3000根/束,金属液体渗透入纤维束相当困难， 也是制造C/Al、C/Mg、SiC/Al 复合材料的主要障碍，用Ti-B 涂层、超声波振动有效地解决了这一关键问题。
3. 冷却速度大，液滴冷却速度可达103～106K/s，基体金属组 织可获得快速凝固金属所具有的细晶组织，无宏观偏析, 组织 均匀致密。
4. 增强物分布均匀。 5. 有少量气体存在，最低 2%，最高5%。
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6.4.6 液态金属搅拌铸造法
1. 基本工艺原理
将颗粒增强体直接加入到熔融的基体金属液中，通过一定方式 的搅拌使颗粒增强体均匀地分散在金属熔体中，与金属基体形成 复合熔体，浇注成锭坯、铸件。 2. 工艺难点
《复合材料工艺与设备》第六章层压成型工艺及设备
《复合材料工艺与设备》第六章层压成型工艺及设备第六章层压成型工艺及设备6层压成型工艺及设备6.1概述6.1.1层压工艺的发展现状及前景课件6.1.1层压工艺的发展现状及前景层压工艺：是指将浸有或涂有树脂的片材层叠，在加热加压条件下，固化成型玻璃钢制品的一种成型工艺。
起始于30年代，目前在航空、航天、汽车、船舶、电讯等工业广泛应用。
层压成型工艺制品已经成为不可缺少的工程材料之一。
主要产品有：玻璃布层压板、木质层压板、棉布层压板、纸质层压板、石棉纤维层压板、复合层压板等。
第六章层压成型工艺及设备6.1.2层压工艺特点及应用课件6.1.2层压工艺的特点及应用工艺特点：生产的机械化、自动化程度较高；产品质量稳定；但一次性投资较大，适合于批量生产。
层压板可分为：纸层压板、木层压板、棉纤维层压板、玻璃纤维层压板等品种。
电绝缘部件；薄板适合于各领域；可用于制造齿轮、轴承、皮带轮等结构材料；用于飞机、汽车、船舶、电气工程等领域。
主要应用范围：例如：复铜箔层压板，用于制造印刷电路板。
第六章层压成型工艺及设备6.2胶布制备工艺及设备6.2.1制备工艺6.2.1.1原材料增强材料：课件玻璃布，石棉布，合成纤维布，玻璃毡，石棉毡，石棉纸，牛皮纸等。
酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等。
6.2.16.2.1制备工艺树脂：6.2.1.2胶布制备工艺过程玻璃纤维布经化学处理或热处理后，浸渍树脂胶液，并控制胶含量。
在一定温度、时间条件下烘干，使树脂由A阶转到B阶，即得到需要的玻璃纤维胶布。
如P136工艺流程图。
第六章层压成型工艺及设备6.2.1.3胶布制备工艺参数主要有：胶液粘度、浸胶时间、烘干温度与时间、牵引张力。
(1)、胶液粘度课件一般通过胶液浓度及环境温度来控制。
浓度的控制往往采用测试密度的方法来实现。
各种玻璃布所用的胶液密度见P137,表6-1。
(2)、浸胶时间一般控制在15~45,不同的布浸透时间不同。
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2、良好的高温性能：
目前已经达到的水平： 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。
2020/7/19/05:40:25
15
聚合物基复合材料的特性 1) 比强度、高比模大
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18
▪ Glass fiber reinforced composites ▪ Carbon fiber reinforced composites ▪ Boron fiber reinforced composites
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。
2020/7/19/05:40:25
5
复合材料结构示意图 a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合
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6
❖复合材料的命名
➢由两个或两个以上独立的物理 相，包含粘结材料（基体）和粒 料、纤维或片状材料所组成的一 种固体产物。
玻璃纤维增强高分子复合材料
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3
复合材料的应用
行业 飞机制造 汽车制造
造船 化工 家具 电气工业 运动器材
实例 机翼，机身，起落架，垂直尾翼
车身，灯壳罩，保险杠 船壳体，甲板，桅杆
复合材料的基本性能（优点）
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。通过改变合材料中增 强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。
2020/7/19/05:40:25
16
复合材料的基本性能（优点）
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。
2020/7/19/05:40:25
9
材料的优缺点组合示意图
2020/7/19/05:40:25
10
因此复合材料必须通过对原材料的选择， 各组分分布的设计和工艺条件的保证等，以使 原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材 料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地 发挥优势。
2020/7/19/05:40:25
复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。增强 材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上 “复合材料”。如“玻璃纤维环氧树脂复合材料”
碳/环氧复合材料 碳/金属复合材料 碳/碳复合材料
2020/7/19/05:40:25
为书写简便，也可仅写增强 材料和基体材料的缩写名称， 中间加一斜线隔开，后面再 加“复合材料”。如玻璃纤 维和环氧树脂构成的复合材 料，也可写做“玻璃／环氧 复合材料”。以及左面例
11
复合材料应具有以下三个特点：
(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通 过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明 显的界面。
(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最 大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不 具备的优良持殊性能。
(3) 复合材料具有可设计性。
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玻璃纤维复合材 料有较高的比强 度、比模量，而 碳纤维、硼纤维、 有机纤维增强的 聚合物基复合材 料的比强度相当 于钛合金的3～5 倍，它们的比模 量相当于金属的 4倍之多。
19
2) 耐疲劳性能好：
疲劳破坏的种类不同：
金属
突发性破坏 极限=抗张强度20%－50%
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12
通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：
组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，至 少包括两种物理或化学性能不同的独立组元，其中一组元的 体积分数一般不低于20％，第二组元通常为纤维、晶须或颗 粒；
复合材料是人工制造的，而非天然形成的。
复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于 独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。
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13
复合材料的基本性能（优点） 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)
钨基合金箭头
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集束箭弹小箭
铁基合金尾翼
14
复合材料的基本性能（优点）
7
国外还常用英文编号来表示，如MMC （Metal Matrix Composite）表示金属基复合材 料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维 增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep)
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复合材料分类
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
6、良好的功能性能
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17
6.2 几种复合材料
聚合物基复合材料的性能
➢ 聚合物基复合材料（纤维-树脂复合材料 Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Composite）是复合材料中发 展最迅速、应用最广泛的一类复合材料，以此为例说明。
材料合成与制备
李亚伟 赵雷 无机非金属材料系
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第6章 复合材料的制备
Preparation of Composite Materials
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2
Composite Materials
6.1 复合材料的基本概念和性能
定义
➢复合材料是由两种或两种以上 单一材料构成的，具有一些新性 能的材料
管道，储油罐，压力容器 椅子，桌子，梯子，台板，住房 仪器面盘，配电盘，绝缘材料 钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇
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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，会使 材料的性能显著改善和增强。
目前已经达到的水平： 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。
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聚合物基复合材料的特性 1) 比强度、高比模大
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▪ Glass fiber reinforced composites ▪ Carbon fiber reinforced composites ▪ Boron fiber reinforced composites
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。
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复合材料结构示意图 a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合
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❖复合材料的命名
➢由两个或两个以上独立的物理 相，包含粘结材料（基体）和粒 料、纤维或片状材料所组成的一 种固体产物。
玻璃纤维增强高分子复合材料
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复合材料的应用
行业 飞机制造 汽车制造
造船 化工 家具 电气工业 运动器材
实例 机翼，机身，起落架，垂直尾翼
车身，灯壳罩，保险杠 船壳体，甲板，桅杆
复合材料的基本性能（优点）
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。通过改变合材料中增 强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。
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复合材料的基本性能（优点）
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。
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材料的优缺点组合示意图
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因此复合材料必须通过对原材料的选择， 各组分分布的设计和工艺条件的保证等，以使 原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材 料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地 发挥优势。
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复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。增强 材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上 “复合材料”。如“玻璃纤维环氧树脂复合材料”
碳/环氧复合材料 碳/金属复合材料 碳/碳复合材料
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为书写简便，也可仅写增强 材料和基体材料的缩写名称， 中间加一斜线隔开，后面再 加“复合材料”。如玻璃纤 维和环氧树脂构成的复合材 料，也可写做“玻璃／环氧 复合材料”。以及左面例
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复合材料应具有以下三个特点：
(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通 过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明 显的界面。
(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最 大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不 具备的优良持殊性能。
(3) 复合材料具有可设计性。
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玻璃纤维复合材 料有较高的比强 度、比模量，而 碳纤维、硼纤维、 有机纤维增强的 聚合物基复合材 料的比强度相当 于钛合金的3～5 倍，它们的比模 量相当于金属的 4倍之多。
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2) 耐疲劳性能好：
疲劳破坏的种类不同：
金属
突发性破坏 极限=抗张强度20%－50%
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通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：
组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，至 少包括两种物理或化学性能不同的独立组元，其中一组元的 体积分数一般不低于20％，第二组元通常为纤维、晶须或颗 粒；
复合材料是人工制造的，而非天然形成的。
复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于 独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。
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复合材料的基本性能（优点） 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)
钨基合金箭头
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集束箭弹小箭
铁基合金尾翼
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复合材料的基本性能（优点）
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国外还常用英文编号来表示，如MMC （Metal Matrix Composite）表示金属基复合材 料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维 增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep)
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复合材料分类
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
6、良好的功能性能
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6.2 几种复合材料
聚合物基复合材料的性能
➢ 聚合物基复合材料（纤维-树脂复合材料 Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Composite）是复合材料中发 展最迅速、应用最广泛的一类复合材料，以此为例说明。
材料合成与制备
李亚伟 赵雷 无机非金属材料系
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第6章 复合材料的制备
Preparation of Composite Materials
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Composite Materials
6.1 复合材料的基本概念和性能
定义
➢复合材料是由两种或两种以上 单一材料构成的，具有一些新性 能的材料
管道，储油罐，压力容器 椅子，桌子，梯子，台板，住房 仪器面盘，配电盘，绝缘材料 钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇
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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，会使 材料的性能显著改善和增强。