复合材料-第十章材料复合新技术
金属基复合材料制备新技术
金属基复合材料制备新技术金属基复合材料是一种高性能的材料，可以通过将金属基材料与其他材料进行结合而得到，具有优异的力学性能和良好的耐腐蚀性能。
在工业制造领域中，金属基复合材料的制备技术日益成熟，不断推出新的技术方案，本文将介绍一些金属基复合材料制备的新技术。
1. 先进的制备技术先进的制备技术使得制备出具有优异性能的金属基复合材料成为可能。
例如，高温烧结、高温固相反应、电化学沉积等制备技术都可以制备出性能优异的金属基复合材料。
其中，高温烧结和高温固相反应是制备高温、高强度金属基复合材料的理想技术。
2. 3D打印技术3D打印技术在制备金属基复合材料方面得到了广泛的应用。
通过3D打印技术，可以在一个复合材料中同时加入多种不同的材料，从而获得更好的性能。
例如，可以利用3D打印技术制备精密复合材料，而且可以根据需要在3D打印过程中调整复合材料中各材料的含量。
3. 真空热压技术真空热压技术是现代制备金属基复合材料的一种新技术。
该技术通过真空条件下对金属和其他材料进行热压制备，可获得优异的材料性能。
这种制备技术不仅可以通过精密控制制备过程中的温度和压力从而提高复合材料的制备质量，而且可以获得高品质复合材料。
4. 原位合成法原位合成法是制备金属基复合材料的一种新技术，其中涉及到高分子基质、纳米颗粒等复合材料的制备方法。
通过这种方法，可以精确控制复合材料的组成、形貌和结构，在制备的复合材料中采用更为先进的纳米技术、化学反应技术等，可以制备出具有优异性能的金属基复合材料。
总之，金属基复合材料制备技术正在不断创新和发展，新技术的出现为制备高性能的材料提供了更为优异的手段。
金属基复合材料的制备技术未来将继续向更高、更快、更精确的方向发展。
复合材料新技术
复合材料新技术嘿，咱今儿就来唠唠这复合材料新技术！你说这复合材料，那可真是了不起啊！就好比一个团队，各种不同的“队员”组合在一起，发挥出的力量那可远超单个“队员”呢！以前啊，咱可能就只用一种材料，就像只依靠一个英雄去打天下，那多费劲呀！可现在有了这复合材料新技术，那可就大不一样喽！你想想看，要是咱盖房子，只用一种材料，那可能不是太脆了，就是太重了，或者不防火啥的。
但要是把几种材料巧妙地结合在一起呢？哇塞，那房子得多么坚固、耐用、安全呀！这复合材料新技术不就像个神奇的魔法嘛，把不同的材料变成一个超强的整体。
比如说碳纤维复合材料吧，那可真是厉害得很呐！又轻又结实，就跟那武侠小说里的绝世宝剑似的，轻巧锋利。
汽车用上它，跑得更快还更省油；飞机用上它，能飞得更高更远。
这不就是复合材料新技术带来的神奇效果嘛！再说说那陶瓷基复合材料，耐高温得很呢！就像个不怕火的勇士，在高温环境下依然能坚守岗位。
航天领域可少不了它呀，在那高温的太空中，它能稳稳地保护着各种设备，让它们正常工作。
这多牛呀！还有好多好多其他的复合材料呢，每一种都有自己独特的本领。
就像一个武林大会，各种高手齐聚一堂，各显神通。
这复合材料新技术就是把这些高手们组织起来，形成一股强大的力量。
咱生活中的好多东西都因为这复合材料新技术变得更好了呢！你看看那些新型的运动器材，又轻又好用，让咱运动起来更带劲；那些高科技的电子产品，外壳更结实，质量杠杠的。
这都是复合材料新技术的功劳呀！这新技术就像一把钥匙，打开了无数的可能性之门。
它让我们的生活变得更加丰富多彩，更加充满惊喜。
以后啊，谁知道还会出现什么样更厉害的复合材料呢！也许会有能自己修复的复合材料，受了伤自己就能好，那可太神奇啦！或者有能变色的复合材料，根据周围环境自动改变颜色，多好玩呀！反正啊，这复合材料新技术的未来那是一片光明，充满了无限的想象空间。
咱就好好期待着吧，看看它还能给我们带来多少惊喜和奇迹！这复合材料新技术，真是让人为之惊叹，为之兴奋呐！。
11.【复合材料】复合材料新技术(2)
楔形块状聚合物制备法
根据活性聚合物体系中两种单体的混合比,构 造分子内结构,使某分子链内具有从某一聚合 物组分向另一聚合物组分变化的部分,这种聚 合物称之为楔形块状共聚物。这种共聚物可 以采用原子自由基共聚(ATRP) 等方法来制备。
张彬等用原子自由基共聚法,在水分散体系中合成了 苯乙烯(St) 和甲基丙烯酸甲酯(MMA) 的梯度共聚物; 华东理工大学的王涛也通过原子转移自由基聚合以 及连续补加第二单体的方法制备了St 和MMA 的梯 度共聚物。 Gray 等通过硝基氧媒介控制自由基聚合反应 (nitroxide2mediated controlled radical polymerization) 方法制备了高分子量苯乙烯(S)P42 乙酸基苯乙烯(AS) 以及苯乙烯(S)P42羟基苯乙烯 (HS) 梯度共聚物。
FGM的研究内容
材料设计 材料制备 材料特性评价 三个部分，三者相辅相成
FGM的设计
首先根据材料的实际使用要求，进行材料内 部组成和结构的梯度分布设计。在设计时， 以知识库为基础选择可供合成的材料组成和 制备技术，然后选择表示梯度变化的分布函 数，并以材料基本物性数据库为依据进行功 能（温度、热应力等）的解析计算，最后将 最优设计方案提交材料合成部门。
制备方法举例
日本大阪市立工业研究所热塑性树脂第二研究室应用此法,已 成功开发出聚氯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯(PVC-PMMA) 等聚 合物功能梯度材料(膜材) 。 上利研究组发现此法还可能制造不相容性聚合物功能梯度材 料,如聚碳酸酯-聚苯乙烯混合物。 钱浩、林志勇通过聚合物共混,也得到了表面浓度呈梯度变化 的不相容型PP-EVA 梯度功能高分子材料。
图4 就是用该方法 制备的PP-talc 梯度 材料样品的数码照 片,其talc 含量由内 向外逐渐递增。
材料表界面-第十章
二、聚合物基复合材料
2. 环氧树脂
特点： 在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固
化反应起促进作用；
已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学
介质和耐烧蚀性能；
树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行； 固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但
断裂延伸率低，脆性大。
二、聚合物基复合材料
主链含有双键的不饱和聚酯：
O CO
HC=CH
O CO
HC=CH
调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例，可以控制不饱和聚酯中双键的含量
然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生
自由基共聚反应，交联成三元网状结构
O
O
CO
HC-CH
CO
HC-CH
CH-Ph
CH-Ph
CH
O
n
O
CH n
CO
HC-CH
二、聚合物基复合材料
1. 不饱和聚酯树脂
不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸（或酸酐）、不饱和 二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基 单体（如苯乙烯）中形成的溶液。是制造玻璃纤维复 合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤 维复合材料用树脂总量的80%以上。
二、聚合物基复合材料
1. 不饱和聚酯树脂
饱和二元酸或酸酐
不饱和二元酸或酸酐
O C CO O
COOH COOH
O HC C
HC COOH
HC C O HOOC CH
O
• 多元醇
CH 3CH-CH 2 HOCH2CH2OH
OH OH
• 交联剂
CH=CH2
二、聚合物基复合材料
1. 不饱和聚酯树脂
第十章 高分子材料、陶瓷材料及复合材料
图10-8四面体既可以孤立地在结构中存在，又可互成单链、双 链或层状连接，如图10-9所示。
图10-9 [SiO4]四面体连接模型 a) 单链 b) 双链 c) 层状
（二）玻璃相
玻璃相一般是指从熔融液态冷却时不进行结晶的非晶态固体。 陶瓷材料中，玻璃相的作用: 1.提高材料的致密度； 2.降低陶瓷的烧成温度，加快烧结过程； 3.阻止晶体相转变，抑制其长大； 4.获得一定程度的玻璃特性。
三、常用复合材料
（一）纤维增强复合材料 （二）粒子增强复合材料 （三）层叠复合材料
图10-1 大分子链形状示意图 a）线型 b）带支链 c）网型
（三）大分子链的构象——链的柔性
1．大分子链的运动 构象:大分子链总是处于不停的热运动之中，在热运动过程中， 大分子链的空间形象。 大分子主链是由成千上万原子经共价键连接而成，分子链在保持 共价键键长和键角不变的前提下进行自旋转，如图10-2所示。
六、常用高聚物材料——塑料
（一）塑料的组成
大多数塑料都是以各种合成树脂为基础，再加入一些用来改善使 用性能和工艺性能的添加剂而制成。
1．合成树脂 决定塑料性能和使用范围的主要组成物，起粘结其它组分的作用。 2．添加剂 常用的添加剂有：填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、 着色剂等。
（二）塑料的分类
图10-2 分子链自旋转示意图
2．影响大分子链柔性的因素 （1）不同元素组成的大分子链内旋转特性不同。 （2）大分子链上带有其它原子团或支链时，链的柔性就差。
（四）大分子链的聚集状态——晶态与非晶态
（1）无定型结构，属非晶态结构（图10-3a） （2）折叠链结晶结构，属晶态结构（图10-3b） （3）伸直链结晶结构，属晶态结构（图10-3c）
复合材料学(第十章 混杂纤维复合材料)
• 航天器上要求尺寸稳定的构件，如摄影机支架，太阳能帆板架， 卫星接收发射天线等。由于在-160～+100℃之间工作，可采用 CF+GF、KF+GF配合，制成零膨胀系数的混杂复合材料。
• 选用教材：王荣国、武卫莉、谷万里，复合 材料概论，哈尔滨工业大学出版社
d．层内／层间混杂复合材料——AB型 由A型和B型两种结构 形式迭加而成。
e．超混杂复合材料——D型 由金属材料、各种单一复合 材料(包括蜂窝夹芯、泡沫塑料夹芯等)所组成的复合材料。
3 混杂纤维复合材料的特性
• a．冲击强度和断裂韧性显著提高
b．相对于高级单纤维复合材料 混杂纤维增强 复合材料的成本明显降低
• 7、陈华辉，邓海金，李明，林小松，现代 复合材料，中国物资出版社
ห้องสมุดไป่ตู้
c. 提高疲劳强度 d. 改善刚度性能
避免热应力影 响
e. 特殊的热膨胀性能
预定热膨胀系数
零膨胀系数
高精度设备
4 混杂纤维复合材料的应用
• 飞机机翼、直升机旋翼，可选价廉的GF制作整体，用CF或KF补强 翼尖、翼缘。
• 快艇船壳用GF，边缘用KF提高刚度。
• 大型板壳体，内用GF外包CF制成夹层。
复合材料学
专 业：无机非金属材料 教 师：
第十章 混杂纤维复合材料
§10.1 混杂纤维增强复合材料的结构形式 §10.2 混杂纤维增强复合材料的特性 §10.3 混杂纤维增强复合材料的应用
1 定义
• 混杂纤维复合材料是指两种或两种以上纤 维混杂增强一种基体构成的复合材料
重要意义：
①节约成本，通过采用便宜的玻璃纤维取代昂贵的碳纤 维来降低成本； ②通过对所用纤维及其体积含量的优化选择，从而达到 较宽范围的物理和机械性能 ③可以得到独特的单项或组合的性质，这是只用单一类 型纤维所不易得到的。
复合材料第十章-芳纶纤维
复合材料第三部分 复合材料的增强材料教学目的:通过本章的学习，掌握芳纶纤维的定义、 分子结构式、结构及性能特点，芳纶纤维的优点、缺 点及主要应用。
重点内容: 1、芳纶纤维的结构特征及与性能的关系。
2、常见几种芳纶纤维的分子式及特点 难点:芳纶纤维分子结构与性能的关系。
第十章 芳纶纤维1熟悉内容:芳纶纤维的发展历史及目前的主要应用。
2主要英文词汇： Kevlar---凯芙拉 Poly[P-benzamide]---对位芳香族聚酰胺纤维 Poly[p-phenlene terephthalamide]--聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Aromatic Polymide Fibre---芳香族酰胺纤维 Kevlar, KF参考教材或资料：1、复合材料学----周祖福 （武汉理工大学出版社，2004年） 2、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 （中国物质出版社,1998） 3、复合材料概论----王荣国 武卫莉 （哈尔滨工业大学出版社,1999） 4、复合材料--------吴人洁（天津大学出版社,2000） 5、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002) 6、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003） 7、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 8、新材料概论--- 谭毅, 李敬锋(冶金工业出版社,2004) 9、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 （机械工业已出版社,2004） 10、复合材料--------周曦亚（化学工业出版社,2005）3410、芳纶纤维 芳纶纤维：芳香族聚酰胺类纤维的通称。
国外商品牌号为凯芙拉（Kevlar）纤维（美国杜 邦公司1968年开始研究，1973年研制成功），我国命 名为芳纶纤维。
特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度的 新型有机纤维。
用于：增强塑料、同步带、绳索、防弹板、复合材料 的增强材料。
复合材料的复合技术与应用
复合材料的复合技术与应用在当今科技飞速发展的时代，复合材料凭借其独特的性能优势，在众多领域得到了广泛的应用。
复合材料并非单一的材料，而是由两种或两种以上不同性质的材料，通过特定的复合技术组合而成的新型材料。
这些复合技术的不断创新和发展，为复合材料的性能提升和应用拓展提供了强大的支持。
复合材料的复合技术多种多样，常见的有以下几种：首先是层合复合技术。
这是一种将不同材料的薄板或薄片按照一定的顺序和角度层叠在一起，然后通过粘结或其他方式固定形成整体的技术。
例如，在航空航天领域中广泛使用的碳纤维增强复合材料（CFRP），就是通过层合技术将多层碳纤维布与树脂基体结合在一起，从而获得高强度、高刚度和轻量化的结构材料。
层合复合材料在承受拉伸、压缩和弯曲等载荷时，各层材料能够协同工作，发挥出优异的力学性能。
其次是共混复合技术。
这种技术是将两种或两种以上的聚合物材料在熔融状态下充分混合，形成均匀的混合物。
共混可以改善材料的加工性能、力学性能、耐热性能等。
比如，将聚乙烯和聚丙烯共混，可以综合两者的优点，得到一种既具有良好的柔韧性又具有一定强度的材料。
再者是填充复合技术。
通过在基体材料中添加一定量的颗粒、纤维或晶须等增强相，可以显著提高材料的性能。
例如，在塑料中添加玻璃纤维，可以大幅提高其强度和刚度；在橡胶中加入炭黑，可以增强其耐磨性和拉伸强度。
填充复合材料的性能取决于填充剂的种类、含量、形状和尺寸，以及与基体材料的界面结合情况。
此外，还有原位复合技术。
这是一种在材料制备过程中，通过化学反应或物理过程使增强相在基体中直接生成的技术。
原位生成的增强相与基体之间具有良好的界面结合，能够有效地传递载荷，从而提高复合材料的性能。
例如，通过在铝合金熔体中加入特定的反应剂，可以原位生成陶瓷颗粒增强的铝基复合材料。
复合材料的应用领域十分广泛，几乎涵盖了国民经济的各个方面。
在航空航天领域，复合材料的应用至关重要。
由于其轻量化、高强度和高刚度的特点，被广泛用于制造飞机的机身、机翼、发动机叶片等部件。
10新材料新技术与新工艺
对提高经济效益具有一定作用的产品。
产品造型材料与工艺
第十章 新材料新技术与新工艺
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第十章 新材料新技术与新工艺
1. 绿色制造技术
制造业是创造财富的主要产业，但同时又大量消耗掉人类 社会的有限资源，并且是污染环境的主要根源。20世纪70年代 以来，工业污染所导致的全球性环境恶化达到了前所未有的程 度，整个地球面临资源短缺、环境恶化、生态系统失衡的全球 性危机。20世纪的 100 年消耗掉了几千年甚至上亿年才能形成 的自然资源。工业界已逐渐认识到，工业生产对环境质量的损 害不仅严重影响了企业形象，而且不利于市场竞争，直接制约 着企业的发展。可持续发展的制造业应是以不损害当前生态环 境和不危害子孙后代的生存环境为前提，应是最有效地利用自 然资源（能源和材料）和最低限度地产生废气物和排放污染物， 以更清洁的工艺制造绿色产品的产业。一种干净而有效的工业 经济，应是能够模仿自然界具有材料再循环利用能力、同时又 产生最少废弃物的经济。
产品造型材料与工艺
第十章 新材料新技术与新工艺 15
第十章 新材料新技术与新工艺
图10-7是外层为耐高温陶瓷材料的神舟号飞船，能够经受重返 大气层时表面高达2000℃的高温。
图10-7 外层为陶瓷材料的神舟号飞船
10.2 新技术
新技术是指产品生产过程中采用新的技术原理、新设计构思及 新工艺装备等，对提高生产效率、降低生产成本、改善生产环境、 提高产品质量以及节能降耗等某一方面较原技术有明显改进，并对 提高经济效益具有一定作用的技术。
产品造型材料与工艺
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第十章 新材料新技术与新工艺
第十章 新材料新技术与新工艺
（1） （2） （3） （4） （5） （6） 智能材料概念设计的仿生学理论研究； 材料智能特性及智商评价体系的研究； 耗散结构理论应用于智能材料的研究； 机敏材料的复合-集成原理及设计理论； 智能结构集成的非线性理论； 仿人智能控制理论。
10新材料新技术与新工艺ppt课件
产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺
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❖第十章 新材料新技术与新工艺
图10-2 安装在建筑物上的太阳能电池板
3. 纳米材料
纳米材料是指由尺寸小于100nm（0.1～100nm）的超细颗粒 构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称。 按物理形态分，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米 膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。当前的研究热点和技术 前沿包括：以碳纳米管为代表的纳米组装材料；纳米陶瓷和纳米 复合材料等高性能纳米结构材料；纳米涂层材料的设计与合成； 单电子晶体管、纳米激光器和纳米开关等纳米电子器件的研制、 超高密度信息存贮材料等。
产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺
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❖第十章 新材料新技术与新工艺
4. 先进复合材料
复合材料按用途主要可分为结构复合材料和功能复合材料两类。 结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由能承受载荷
的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤 维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材 料，同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻 璃、碳和水泥等）构成。图10-3所示为采用复合材料制造的 风力发电机桨叶。
产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺
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❖第十章 新材料新技术与新工艺
主要包括：环境相容材料，如纯天然材料（木材、石材 等）、仿生物材料（人工骨、人工器脏等）、绿色包装材料 （绿色包装袋、包装容器）、生态建材（无毒装饰材料等）； 环境降解材料（生物降解塑料等）；环境工程材料，如环境修 复材料、环境净化材料（分子筛、离子筛材料）、环境替代材 料（无磷洗衣粉助剂）等。
复合材料新技术新材料新装备
复合材料新技术新材料新装备复合材料是由两种或更多种不同材料组合而成的材料，具有优异的性能和广泛的应用领域。
随着科技的不断进步，复合材料领域也迎来了新的技术、新的材料和新的装备，不断推动着行业的发展。
新技术方面，纳米技术的应用成为了复合材料领域的重要突破。
通过在复合材料中加入纳米材料，可以极大地改善材料的力学性能、导热性能和电磁性能等。
例如，将纳米碳管引入复合材料中可以大幅提高材料的强度和刚度，使其具备更好的抗冲击性能和耐磨性能。
同时，纳米氧化物的应用也可以显著提高复合材料的导热性能，使其在高温环境下具备更好的热稳定性。
新材料方面，碳纤维复合材料的研发和应用成为了复合材料领域的热点。
碳纤维具有重量轻、强度高、刚度大等优点，是一种理想的结构材料。
近年来，随着碳纤维生产工艺的改进和成本的降低，碳纤维复合材料在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。
与传统金属材料相比，碳纤维复合材料不仅重量轻，还具有更好的抗腐蚀性和疲劳寿命，可以大幅提升产品的性能和使用寿命。
新装备方面，3D打印技术的兴起为复合材料的制造带来了革命性的变化。
传统的复合材料制造过程中，需要通过层层叠加、压制和热处理等繁琐的工艺才能得到最终产品。
而3D打印技术可以直接将复合材料按照设计要求一次性打印成型，大大提高了生产效率和产品质量。
同时，3D打印技术还可以实现复合材料结构的精确控制和个性化定制，为产品的创新和应用提供了更多可能性。
复合材料新技术、新材料和新装备的不断涌现，为行业的发展带来了新的机遇和挑战。
我们相信，随着科技的进一步进步，复合材料将在更多领域展现出其独特的优势和潜力，为人类带来更多的惊喜和改变。
复合材料的技术和创新
复合材料的技术和创新作为一种新型的材料，复合材料近年来在各个领域都得到了广泛的应用。
这一材料的出现，不仅为现代工业技术的发展提供了更加丰富的选择，同时也带来了更高的可靠性、更强的性能与更优的性价比。
而在这一领域的技术和创新方面，则是需要借助领先的研发技术、制造工艺和合成技能，以满足不断增长的需求和更高的标准。
I. 复合材料的定义和特点复合材料是由两种或两种以上的不同材料，在微观和宏观上相互交织、或采用互为补充的方式组合成的新的一类材料。
这些材料的组成成分可以是金属、聚合物、纤维以及陶瓷等，采用复合材料的显著特点则包括了高强度、高模量、高韧性和高耐腐蚀性等。
与传统的单材料材料相比，复合材料还具有更高的比强度和比刚度：即在同样重量或体积下，能够承受更高的负载和更高的应力。
II. 复合材料的制造工艺虽然复合材料的性能和特点已经得到了广泛的认可，但是其制造工艺和研发技术仍然是复杂和高难度的。
在常见的复合材料制造流程中，包括了分散和混合、预制件加工、树脂浸渍和成型、固化和后续加工等若干个步骤。
其中，分散和混合的步骤一般是在一定的工艺条件下，将不同的材料分别加工或加工成小颗粒或小片状，再在作为基底的母板上进行均匀分布和混合。
在预制件加工的阶段，需要通过加热等方式将合成的复合材料进行加工，并制成所需要的形状。
这一步骤的关键在于协调复合材料的结构性和硬度，并保证其能够在随后步骤中具有必要的机械性能和形状。
在树脂浸渍和成型的环节中，需要将预制件沉浸于合适的树脂溶液中，然后通过一定的成型模具来使其变形固化。
这一步骤中，树脂溶液的选择和模具的设计等都至关重要，直接影响到复合材料的后续应用性能和成型完整性。
在固化和后续加工的过程中，需要将复合材料从模具中取出进行烘干、切割、研磨、打磨等操作，以达到其所需的工程要求和设计目的。
III. 复合材料的应用领域复合材料在各种行业和行业中均得到了广泛的应用。
例如，在航空航天和军事领域，复合材料以其高强度、高刚度、优良的防护性能和低密度等优点，得到了广泛的应用，成为现代航空发展的关键材料。
《材料复合新技术》幻灯片
其对称性等因素，以期到达功能材料所追求 的高优值。此外，复合材料所特有的复合 效应
更提供了广阔的设计途径。
1)功能复合材料
已经提到的功能复合材料目前已有不少品种得到应用，但从开展的眼光看还远远不够。功 能复合材料涉及的范围非常宽。在电功能方面有导电、超导、绝缘、吸波(电磁波)、半导 电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等；在磁功能方面有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致 伸缩等；在光功能方面有透光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、x线屏蔽和透X 光等；在声学功能方面有吸声、声纳、抗声纳等；在热功能方面有导热、绝热与防热、耐 烧蚀、阻燃、热辐射等；在机械功能方面那么有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防弹装
硅或金属的烷氧基化合物经水解、缩聚等反响形成硅或金属氧化物的纳米粒子网络，有机 组分那么以高分子单体引入此网络并进展原位聚合形成纳米复合材料。该材料能到达分子
级 的分散水平，所以能赋予它优异的性能。关于配位型纳米复合材料，是将有功能性的无机 盐溶于带配合基因的有机单体中使之形成配位键，然后进展聚合，使无机物以纳米相分散 在聚合物中形成纳米复合材料。该种材料具有很强的纳米功能效应，是一种有竞争力的功 能复合材料。新近开展迅速的离子型有机—无机纳米复合材料是通过对无机层状物插层来 制得的，因此无机纳米相仅有一维是纳米尺寸。由于层状硅酸盐的片层之间外表带负电， 所以可先用阳离子交换树脂借助静电吸引作用进展插层，而该树脂又能与某些高分子单体 或熔体发生作用，从而构成纳米复合材料。研究说明，这种复合材料不仅能作为构造用也 可作为功能材料，并且已显示出具有工业化的可能。
2)无机-无机纳米复合材料 无机 -无机纳米复合材料虽然研究较早，但开展较缓。原因在于无机的纳米粒子容易 在成型过程中迅速团聚或晶粒长大，因而丧失纳米效应，目前正在努力改善之中。采用原 位生长纳米相的方法可以制各陶瓷基纳米复合材料和金属基纳米复合材料，它们的性能有 明显改善。这类方法存在的问题是难以准确控制由原位反响生成的增强体含量和生成物的 化学组成，尚有待改进。 1．3．1．3 仿生复合材料 天然的生物材料根本上是复合材料。仔细分析这些复合材料可以发现，它们的形成结 构、排列分布非常合理。例如，竹子以管式纤维构成，外密内疏，并呈正反螺旋形排列， 成为长期使用的优良天然材料。又如，贝壳是以无机质成分与有机质成分呈层状交替叠层 而成，既具有很高的强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结 构形式。大量的生物体以各种形式的组合来适应自然环境的考验，优胜劣汰，为人类提供
第10章 复合材料的界面
10.1.2 增强材料
凡能提高基体材料机械强度、弹性模量
等力学性能的材料称为增强材料。 纤维增强材料： 玻璃纤维、碳纤维、有机纤维，无机纤 维； 连续长纤维、短切纤维、编织纤维、纤 维毡； 颗粒状增强材料：
10.1.3 复合材料的界面
1＋1>2的协同效应 玻璃纤维断裂能
10J/m2; 聚酯的断裂能 100J/m2; 玻璃钢的断裂能 105J/m2; 界面是复合材料产生协同效应的根 本原因。
致性 界面结合性差，层间剪切强度低。
10.1.1聚合物基体
1. 不饱和聚酯
不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸(或
酸酐)，不饱和二元酸（或酸酐）与 多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单 体（如苯乙烯）中的溶液。
• 饱和二元酸或酸酐：
O C O C O
COOH
COOH
• 不饱和二元酸或酸酐
O HC C O HC C O
O
Cl
→R-O-CH2-CH-CH2 OH Cl
→R-O-CH2-CH-CH2 O
缩水甘油胺型环氧树脂
R-NH2＋CH2-CH-CH2
O
→R-NH-CH2-CH-CH2 Cl OH Cl
→R-NH-CH2-CH-CH2 O
缩水甘油酯型环氧树脂
RCOOH＋CH2-CH-CH2→RCOO-CH2-CH-CH2 O Cl OH Cl
Si-OH + OH -
10.2.2 偶联剂
所谓偶联剂是分子中含有两种不同性
质基团的化合物，其中一种基团可与 增强材料发生化学或物理的作用。另 一种基团可与基体发生化学或物理作 用。通过偶联剂的偶联作用，使基体 与增强材料实现良好的界面结合。
材料复合新技术
自蔓延（SHS)高温合成技术
• （SHS）是利用配合的原料自身的燃烧反应放出的热量使 化学反应过程自发地持续地进行，进而获得具有指定成分 和结构产物的一种新型材料合成手段。
• 工艺设备简单、工艺周期短、生产效率高 • 无能耗 • 合成过程中极高的温度可对产物进行自纯化，同时极快的
FGM的研究内容
• 材料设计 • 材料制备 • 材料特性评价 • 三个部分，三者相辅相成
FGM的设计
• 首先根据材料的实际使用要求，进行材料 内部组成和结构的梯度分布设计。在设计 时，以知识库为基础选择可供合成的材料 组成和制备技术，然后选择表示梯度变化 的分布函数，并以材料基本物性数据库为 依据进行功能（温度、热应力等）的解析 计算，最后将最优设计方案提交材料合成 部门。
• 其特点是构成材料的组成、显微结构（陶瓷、金 属、显微气孔等）不仅是连续分布、适应环境， 而且是可以控制的。
• 以航天飞机用的超耐热材料构件为例，在承受高温的表面， 设计和配置耐高温陶瓷；在与冷却气体接触的表面，设计 采用导热性和强韧性良好的金属；而在两个表面之间，采 用先进的材料复合技术，通过控制金属和陶瓷的相对组成 及组织结构，使其无界面地、连续地变化，就得到一种呈 梯度变化的材料。从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐 渐降低，强度逐渐升高，在材料中部热应力达到最大值， 从而实现热应力缓和功能。鉴于FGM具有组成和显微结构 连续变化、适应环境和可设计性的特点，其应用领域已从 航空航天拓展到核能、生物医学、机械、石油化工、信息、 民用及建筑等其他诸多领域。
晶 • 适用于不相容两聚合物体系。
原位聚合技术
• 原理：利用聚合物单体在外力作用下，如氧化、 光、电、热、辐射等，原位产生聚合或共聚，使 得某一种聚合物或其它物质均匀分散在聚合物基 体中，起到对复合材料改性的作用。
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熔融共混技术
原理：通过热致液晶聚合物（TLCP）和热塑性树
脂共混物进行挤塑注塑等，在熔融共混加工过程
中，使刚性棒状分子的TLCP沿受力方向取向排列， 在热塑性树脂基体中原位形成足够长径比的纤维。
纤维直径小、比表面积大，与基体结合良好，可
这种材料的概念是由日本学者平井敏雄等人于 1987年首先提出的，该材料的应用目标主要是 航天飞机的防热系统和发动机。
与宏观均质复合材料相比，功能梯度材料的成分和结构
在每一处都是有控制地连续改变的。
其特点是构成材料的组成、显微结构（陶瓷、金属、显
微气孔等）不仅是连续分布、适应环境，而且是可以控 制的。
一、金属基原位复合技术
固相反应法 液-固相反应法
气-液反应法法
反应喷射沉积成型技术
1、固相反应法(放热分散技术) 原理：把含有反应剂元素的两种合金粉 末与基体金属或合金混合均匀，然后加 热到基体金属或合金的熔点以上的温度， 达到反应温度时反应剂元素在熔体中发 生放热化学反应，生成合金或陶瓷粒子, 如TiB2/TiAl。
梯 材料的性能要与目标环境(温度、气氛、强 度 度 ) 相适宜 材 料 材料间的物理化学相容性，热膨胀系数、 设 润湿性等等 计 热应力缓和结构设计
材料制备过程中的残余应力 使用条件下(温度梯度、热冲击)的热应力
梯度材料物系设计
三、梯度复合技术与结构控制方法
梯度复合的各种方法
1、化学气相沉积技术（CVD） 优点：
原位复合的原理：根据材料设计的要求选择适当的 反应剂(气相、液相或固相)，在适合的温度下借助 于基材之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的 第二相(或称增强相)。
优点：①界面无杂质污染，是理想的原位匹配，材 料具有优良的热力学稳定性；②简化了工艺，降低 了成本；③能够实现材料的特殊显微结构设计并获 得特殊性能；④避免了两相分散不均匀，界面结合 不牢等问题。
可以制备金属、陶瓷或聚合物第二相或增强相的聚合
物基复合材料
§10-3 自蔓延高温复合技术
Self-propagating High-temperature Synthesis
自蔓延高温合成(SHS)是利用配合的原材料自 身的燃烧反应放出的热量使化学反应过程自 发地持续进行，进而获得具有指定成分和结 构产物的一种新型材料合成手段。
反应喷射沉积成型技术的优点是：
①可近终形成型；
②可在复合材料中获得分散的大体积分数增强 相粒子；
③在液/固模式的反应中有大量的反应热产生， 有利于反应过程的进行并达到节能目的； ④原料成本低，工艺简单；
⑤熔铸法中陶瓷相粒子不会成渣上浮；
⑥粒子分布均匀，且粒径可控制。
二、陶瓷基原位复合技术 三、聚合物基原位复合技术
该技术优点： ①增强相的种类多，包括硼化物、碳化物、硅 化物； ②增强相粒子的体积百分比可以通过控制反应 剂的比例和含量加以控制； ③增强相粒子的大小可以通过调节温度控制；
④可以制备各种金属基和金属间化合物基复合 材料；
⑤由于反应是在熔融状态下进行的，可以进一 步近终形成型。
2、液固反应法(无压金属浸润技术)
熔融共沉淀技术
原理：在树脂基体中通过共溶液、共沉淀
均匀分散制备聚合物微纤维的技术。
解决了熔融共混技术中不相容聚合物不能
成纤的问题。
共沉淀技术的优点
增强相微纤维生成于共沉淀过程中，微纤维表
面洁净，分散均匀。 微纤维直径仅为纳米级
微纤维不仅起到增强作用，还促进树脂基体的
结晶 适用于不相容两聚合物体系。
第十章 材料复合新技术
§10-1 概 述
原位(in-situ)复合技术－－在材料合成过程中于基 体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重复 污染。 自蔓延复合技术(self-propagating synthesis)－－以 自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特点。 梯度复合技术－－以组分、结构及性能渐变为特 点。 分子自组装技术－－以携带电荷基体通过交替的 静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分散材 料为特点。
原位聚合技术
原理：利用聚合物单体在外力作用下，如氧化、光、
电、热、辐射等，原位产生聚合或共聚，使得某一
种聚合物或其它物质均匀分散在聚合物基体中，起
到对复合材料改性的作用。
原位聚合技术优点
制备工艺简单 能制备较多体系的复合材料 第二相或增强相种类多，体积分数高 第二相或增强相表面洁净，分散均匀
五、自蔓延复 合技术中的结 构控制方法
控制包括SHS促进 和抑制两方面的内 容。促进SHS过程 的方法主要是通过 物理或化学的方式 来进行，抑制SHS 过程的方法主要是 掺加稀释剂来实现。
§10-4 梯度ionally Gradient Materials， FGM) 是指由于材料 构成要素(成分、组织 结构等)在几何空间上 连续变化，从而导致 性能也连续变化的新 型非均质复合材料。
等离子喷涂是利用各种等离子体如Ar、H2、N2 等的发生来获得高温，使材料金属或陶瓷在从 等离子枪内射出并通过等离子焰时被熔融或部 分融化，最终在基体上成膜的表面加工技术。
§9-5 分子自组装技术
分子自组装技术是通过有机物或聚合物分子以一 定的结合方式在特定的基片上自行组装而获得具有 特殊性能材料的材料制备技术。 有机分子或聚合物分子与基片之间以及这些分子 之间的作用力，可以是化学键、氢键或静电引力。 巧妙的利用这种作用力在一定条件下能得到单层、 双层或多层自组装薄膜材料。
均匀的分布在基体中形成骨架，起到承受应力和 应力分散的作用，从而达到增强基体的作用。
熔融共混技术的优点
制备工艺简单
增强相种类多
由于增强相微纤维是在制备过程中产生的，其表
面洁净均匀
微纤维不仅起到增强剂的作用，还起到加工助剂
和促进树脂基体结晶的作用
可以近终形成型，制备形状复杂的产品
SHS致密化－－液压快速加压技术
三、SHS 熔铸技术
SHS熔铸技术是将SHS技术与传统的铸造工艺 相结合而发展起来的一种新型SHS复合技术。
利用这种技术进行陶 瓷与金属的复合可以 有效地克服传统铸造 工艺中的颗粒表面污 染、氧化问题，具有 “原位”复合的特点。
四、SHS 气相传质涂层技术
将反应物料和被涂层材料置于 SHS反应腔内，在反应中引入气相传 输介质，当SHS发生后，气相传输介 质和高温产物反应形成挥发性化合物， 在被涂层物表面沉积或再次发生化学 反应而形成涂层。
§10-2 原位复合技术
什么是原位复合？ 原位复合就是材料中的第二相或者复合材料中的增强 相生成于材料的形成过程中，即不是在材料制备之前 就有，而是在材料制备过程中原位就地产生。原位生 成的可以是金属、陶瓷或者高分子等物相，它们能以
颗粒、晶须、晶板或纤维等显微组织形式存在于基体
中。
原位复合来源于原位结晶(in-situ crystallization)和 原位聚合(in-situ polymerization)的概念。
点燃方式：瞬时放电、钨丝加热圈、激光器、 氧炔焰、微波加热 燃烧速度：由燃烧温度和反应活化能决定
影响燃烧合成的因素： 原子配比、初始温度、反应物颗粒大小等
一、SHS 粉末技术
粉末材料的自蔓延高温合成是SHS最早研究的 方向，也是较具生命力的研究方向。
二、SHS 致密化技术
液相致密化－－利用高放热反应的热量使反 应温度超过合成产物的熔点，从而使最终产 物全部或部分熔融。 SHS粉末烧结致密化－－首先是采用SHS方法 合成粉料，再通过成型、烧结来得到致密块 体材料 SHS结合压力致密化－－利用SHS反应刚刚完 成，合成材料处于红热软化状态时对其施加 外部压力而实现材料的致密化。
特点：
工艺设备简单、工艺周期短、生产效率高； 能耗低、物耗低； 合成过程中极高的温度可对产物进行自纯化， 同时，极快的升温和降温速率可获得非平衡 结构的产物。
自蔓延高温合成的理论基础
物料燃烧的最高温度就是理论绝热温度
理论绝热温度 Tad﹤1500K，放热不足以维持合成反应 Tad﹥2500K，反应可自我维持 1500K﹤Tad﹤ 2500K，须提高反应初温度等等
可以在远低于物质的熔点温度下合成材料， 能得到高纯度、致密的产物；
可以通过调整原料气体的流量、温度等来 控制材料组分、结构状态； 与烧结法和PVD方法等相比，还有不需粘 结剂、助燃剂，成膜速度快等特点。
合成热应力缓和型SiC／C系梯度材料 的CVD装置示意图
2、物理气相沉积技术（PVD）
PVD显著特点是：通过物理方法如直接加热或者 用离子束、电子束、等离子体等能量束来激发固 体，以原子或分子状态蒸发，在基板上沉积，或 与反应物气体相互作用后在基板上沉积。 PVD技术的优点是: 物系的可选择面宽，原则上可 以合成各种金属相和包括氧化物、氮化物、碳化 物在内的陶瓷以及金属／陶瓷的复合物。产物纯 度高、组成控制精度高，但成厚膜很困难。
用PVD技术在铜板上镀上Ti/TiC系梯度薄膜
3、自蔓延快速加压(SHS／QP) 梯度复合技术
自蔓延技术制备具有 块体特性的梯度材料 时，由于物相的组成、 熔点、烧结致密化温 度都相对试样位置呈 梯度变化，所以必须 配合以特殊的加压技 术，尤其是加压的时 机和加压速度。
4、等离子喷涂（熔射）法
分子自组装技术特点：
• 由于材料是以分子尺寸逐层组装而成，故材料 的厚度可精确控制到分子尺寸，这是其他任何 方法都无法实现的。 • 无机纳米粒子在材料中可以呈高密度的均匀分 散状态。 • 静电吸引过程是一个非常快的过程，若选择合 适的条件，每组装一层所需要的时间不超过10S • 组装材料与基体结合非常牢固，甚至超过基体 材料自身。 • 设备简单，操作方便，成本低。
本章结束！