第四章 复合材料结构与性能
《复合材料结构设计》PPT课件
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键Байду номын сангаас
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公
差，以防按键手感不良。
§4.3 层合板与层合件设计
4.3.4 变厚度层合板设计
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§4.2 设计选材与设计许用值确定
4.2.2 设计许用值的定义与确定原则
金属材料设计许用值以应力表示，称设计许用应力 ；复合材料 结构的设计许用值选择应变，称设计许用应变。
确定设计许用值的一般原则： ★ 结构的拉伸设计许用值主要取决于含孔试样的许用值，结
构的压缩设计许用值主要取决于含冲击损伤试样的许用值。 ★ 薄蒙皮或薄面板蜂窝夹层结构设计许用值的确定，还需根
§4.4 夹层结构设计
4.4.1 夹层结构的破 坏模式与设计 准则
（1）夹层结构破坏模式
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§4.4 夹层结构设计
4.4.1 夹层结构的破坏模式与设计准则
（2）夹层结构设计准则
◆ 在设计载荷下，面板的面内应力应小于材料强度，或在设计载荷下，面 板应变小于设计许用应变；
◆ 芯子应有足够的厚度（高度）及刚度 ； ◆ 芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面板平拉强度； ◆ 面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理； ◆ 应尽量避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中载荷； ◆ 胶粘剂必须具有足够的胶接强度，同时还要考虑耐环境性能和老化性能； ◆ 碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问题； ◆ 对雷达罩等有特殊要求的夹层结构，面板、芯子和胶粘剂选择必须考虑 电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求。
第四章-杂化纳米复合材料【可编辑全文】
此类凝胶经脱液干燥后形成干胶，吸收液体后 又能恢复原状。此过程是可逆的，故又称为可逆 凝胶。
第四章 杂化复合材料
刚性凝胶 大多数为无机凝胶，如SiO2、TiO2、V2O5、
Fe2O3等，常以水为分散体系。 在吸收或释出液体时自身体积变化很小，显示
化学反应的这种特性，会造成复合材料的结构 不均匀、组成分布不均匀等不良现象。
第四章 杂化复合材料
4.4 聚合物溶胶与凝胶
1. 聚合物溶液与胶体体系 聚合物往往呈一定线团状态（大小介于1～
1000nm）分布于分散体系中，其分散体系属于胶体 体系。
聚合物溶胶就是通常意义上的聚合物溶液，是热 力学稳定体系。
第四章 杂化复合材料
聚合物溶胶与凝胶的判断： 若聚合物呈溶解分散状态，聚合物分子链间仅靠 范德华力相互作用缠结，则该体系属于溶胶体系。 聚合物分子链间存在氢键、静电作用等准化学键， 构成交联聚合物，形成分散体系中具有一定立体 构造的骨架分子结构，则该分散体系属于凝胶体 系。
第四章 杂化复合材料
聚合物溶液与普通胶体的异同点： 同：分散相胶粒的大小相当、扩散速率缓慢、都 不能透过半透膜等；
有学者研究发现SARS病毒还通过空气污染物气溶 胶颗粒这一载体，在空气中作中距离传播。
第四章 杂化复合材料
2. 溶胶的主要研究领域 ①分子溶胶（亲液溶胶）
聚合物在溶液中呈分子无规线团状态存在，线 团与溶剂之间没有清晰的界面。溶解分散过程是 一个自发过程，整个体系是热力学稳定体系。分 子溶胶在纳米材料和杂化纳米复合材料的制备中 应用较广泛。
异：①聚合物能够自动溶解在溶剂中，胶体粒子 不能；②聚合物溶液是均相体系，没有明显界面， 属于热力学稳定体系。溶胶是多项体系，为热力 学不稳定体系；③聚合物溶液的粘度比溶胶的粘 度大得多；聚合物溶液的丁达尔效应很弱而溶胶 的很强等。
复合材料原理第二版课后答案
复合材料原理第二版课后答案复合材料原理第二版课后答案第一章：绪论1.什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上的材料组成的各司其职、相互补充的一种材料。
2.复合材料的特点有哪些？复合材料具有强度高、刚度大、重量轻、抗腐蚀性强、无疲劳断裂、易成型等特点。
3.复合材料的分类有哪些？按矩阵分类有无机复合材料和有机复合材料；按增强材料分类有无定向增强和定向增强。
第二章：基础知识1.复合材料的加工方式有哪些？常用的复合材料加工方式有手工层压法、自动层压法（RTM、RTM-L、VARTM等）、注塑法、卷制法、旋转成型法等。
2.复合材料中的力学基础知识有哪些？复合材料中的力学基础知识包括应力、应变、应力应变关系、拉伸和压缩、剪切和弯曲等。
3.复合材料中的热力学基础知识有哪些？复合材料中的热力学基础知识包括热膨胀、热导率、热扩散系数等。
第三章：复合材料的基本组成1.复合材料的基本组成是什么？复合材料的基本组成是增强材料和矩阵材料。
2.复合材料的增强材料有哪些？复合材料的增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、金属纤维等。
3.复合材料的矩阵材料有哪些？复合材料的矩阵材料主要有四类，即金属基矩阵材料、有机高分子基矩阵材料、无机非金属基矩阵材料、无机金属基矩阵材料。
第四章：复合材料的制备过程1.复合材料的制备过程有哪些？复合材料的制备过程一般包括预处理、增强体制备、矩阵制备、复合成型和后处理等步骤。
2.复合材料的预处理有哪些？复合材料的预处理包括增强体表面处理、矩阵材料预处理、增强体和矩阵的匹配等。
3.如何选择复合材料的制备方法？选择复合材料的制备方法需要考虑到其应用环境和性能要求。
第五章：复合材料的性能和应用1.复合材料的性能有哪些？复合材料的性能包括机械性能、物理性能、化学性能等。
2.复合材料的应用领域有哪些？复合材料的应用领域包括航空航天、轨道交通、建筑结构、汽车制造、石油化工等领域。
3.复合材料的未来发展趋势是什么？未来复合材料的发展趋势是多材料复合、纳米复合、生物仿生等方向的综合发展。
氧化铝复合材料的结构与性能分析
氧化铝复合材料的结构与性能分析第一章引言氧化铝复合材料是由氧化铝和其它材料经过特定工艺进行结合制备而成的一种新型材料。
在材料科学领域有广泛的应用，特别是在航空、航天、电子、包装等领域有着广泛的应用前景。
本文将对氧化铝复合材料的结构与性能进行分析。
第二章氧化铝复合材料的结构氧化铝复合材料的结构可以根据加入的复合材料类型而分为氧化铝基体和复合材料增强层两部分。
其中，氧化铝基体是氧化铝的基本材料，增强层则可以是纤维增强材料、陶瓷增强材料或金属增强材料等。
2.1 氧化铝基体氧化铝基体是氧化铝复合材料中占比最大的部分，其对整个复合材料结构和性能的影响很大。
从微观结构上看，氧化铝基体由高纯度的氧化铝纳米颗粒组成，粒径分布在10~200 nm之间。
因为粒度较小，氧化铝基体的晶粒间界面面积较大，界面活性较强，从而增强了氧化铝基体的韧性和强度。
2.2 增强层氧化铝复合材料的增强层可以是纤维增强材料、陶瓷增强材料或金属增强材料等。
纤维增强材料主要包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
陶瓷增强材料主要包括碳化硅、氮化硅、碳化硼等。
金属增强材料主要包括钎料、钢网等。
增强层的选择应该根据氧化铝复合材料的使用环境和工作条件来确定。
第三章氧化铝复合材料的性能氧化铝复合材料的性能主要包括力学性能、热物性能、化学性能和耐磨性能等。
3.1 力学性能氧化铝复合材料的力学性能可以通过强度、硬度、韧性等指标来评价。
氧化铝复合材料的强度和硬度主要取决于氧化铝基体的性质和增强层的选择。
一般来说，采用陶瓷增强材料或金属增强材料的氧化铝复合材料具有较高的强度和硬度。
而对于韧性指标，则可以通过检测氧化铝复合材料的断裂韧度、冲击韧性等指标来评价。
3.2 热物性能氧化铝复合材料在高温和低温下的性能是制约其应用的重要因素之一。
热物性能主要包括热膨胀系数、热导率和热稳定性等指标。
由于氧化铝基体具有较好的高温稳定性和抗热震性能，因此氧化铝复合材料通常具有较好的高温性能。
复合材料概论
复合材料概论第一章总论1.复合材料的定义答：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的不同性能、不同形态的组分（或称组元）材料通过人工复合组合而成的多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
它既保持了原组分的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。
2.复合材料的发展进程(四代的发展)答：第一代复合材料（玻璃纤维增强塑料）第二代复合材料(碳纤维增强塑料)第三代复合材料（纤维增强金属基复合材料）第四代复合材料（多功能复合材料）3.复合材料的特点答：a.复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的b.复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）c.组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）.d.复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料e.复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。
复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的。
4.复合材料结构及分类答：(1)复合材料是由基体相、增强相和界面组成。
这三相的结构与性质、它们的配置方式和相互作用以及相对含量决定了复合材料的性能。
(2)5.相关符号的代表意义答：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GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep) 表示玻璃纤维/环氧第二章1.复合材料中基体的作用答：1.将纤维粘合为整体并使纤维固定，在纤维间传递载荷，并是载荷均衡；2.决定复合材料的一些性能，如高温使用性能、层间剪切性能、耐介质性能（耐水、耐化学性能）等；3.决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择；4.保护纤维免受各种损伤。
2.金属基体选择遵循原则答:（1）金属基复合材料的使用要求（2）金属基复合材料组成特点（3）基体金属与增强物的相容性3.常见金属基体的类型答:（1）结构用金属基复合材料的基体a.用于450 ︒C以下的轻金属基体b.用于450-700 ︒C的复合材料的金属基体c.用于1000 ︒C以上的高温复合材料的金属基体（2）功能用金属基复合材料的基体。
第四章工程材料基本知识
用标准试样的冲击吸收功Ak表示
5）疲劳强度
材料在无数次重复“交变应力”作用下，而不引起断裂的最 大应力值
6）耐磨性
材料在一定工作条件下抵抗磨损的能力 用体积磨损量、质量磨损量和长度磨损量来评定
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回 章 首
（2）工程材料的物理、化学及工艺性能 物理性能：指材料在重力、电磁场、热力等物理因素作用
下所表现出来的性能或属性，包括材料的密度、熔点、导 电性、磁性能、导热性、热膨胀性等
1) 金属材料 : 包括黑色金属（钢铁）和有色金属材料 2) 工程陶瓷 : 由金属和非金属元素的化合物所构成的
各种无机非金属材料 3) 有机高分子材料 ：工程中常见的有塑料、橡胶和胶
粘剂 4) 复合材料 ：将上述两种或多种单一材料人工合成到
一起的材料
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2. 工程材料的主要性能
（1）工程材料的力学性能 1）强度 2）塑性 3）硬度 4）冲击韧性 5）疲劳强度 6）耐磨性
化学性能：主要指材料的抗氧化性、耐蚀性和耐酸性等， 反映了材料在常温或高温环境下抵抗各种化学作用的能力。
材料工艺性能：指材料对各种加工工艺的适应性
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§4-2常用金属材料
1 . 碳素钢和合金钢
碳素钢 碳素钢工具钢 合金钢 合金钢工具钢
2 . 铸铁
灰铸铁 球墨灰铸铁 可锻铸铁 合金铸铁
3 . 有色金属材料
KT 200, KT 350,
保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点
应用 发动机曲轴、连杆等
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• 合金铸铁
代号
KT + H + 数字 + 数字
最小抗拉强度 断后延长率
特点
KT 200, KT 350, 保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点
复合材料-第四章复合材料界面
（1）物理因素
例1 粉末冶金制备的W丝/Ni，钨在镍中有很大的固溶度，在1100℃左右使用50小时后，钨丝发生溶解，造成钨丝直径仅为原来的60%，大大影响钨丝的增强作用，如不采取措施，将产生严重后果。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量合金元素，如钛和铝，可以起到一定的防止钨丝溶入镍基合金的作用。
如何防止碳在镍中先溶解后析出的问题，就成为获得性能稳定的Cf / Ni的关键。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降。
4.2.1 聚合物基复合材料的界面
1.界面的形成 聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段： ①基体与增强纤维的接触与浸润过程； 增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。 ②聚合物的固化阶段。聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。
1
2
复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，这一区域由五个亚层组成。
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归为以下几种效应。……P61
复合材料界面设计的原则(总的原则)
界面粘结强度要保证所受的力由基体通过界面传递给增强物，但界面粘结强度过高或过弱都会降低复合材料的强度。
第4章 复合材料的界面
界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏， 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、 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。 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。 呈脆性断裂，也降低了复合材料的整体性能。 界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时， 界面最佳态的衡量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； 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断裂能和一定的韧性。 的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。因 此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结 在研究和设计界面时， 合而应考虑到最优化和最佳综合性能。 合而应考虑到最优化和最佳综合性能。
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热力学说明两个表面结合的内在因素，表示结合的可能性； 热力学说明两个表面结合的内在因素，表示结合的可能性； 动力学反映实际产生界面结合的外界条件，如温度、 动力学反映实际产生界面结合的外界条件，如温度、压力等 的影响，表示结合过程的速度问题。 的影响，表示结合过程的速度问题。产生良好结合的条件如 下： (1)液体粘度尽量低； 液体粘度尽量低； 液体粘度尽量低 (2）γS 略大于γL ， 浸润性仅仅表示了液体与固体发生接触 ） 略大于γ 时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。一种体系的两个 时的情况，而并不能表示界面的粘结性能。 组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱， 组元可能有极好的浸润性，但它们之间的结合可能很弱，如 范德华物理键合。因此润湿是组分良好粘结的必要条件， 范德华物理键合。因此润湿是组分良好粘结的必要条件，并 非充分条件。 非充分条件。
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如图2-3所示，θ 角为接触 所示， 如图 所示 接触角表示了液体润湿固体的情况。 角。接触角表示了液体润湿固体的情况。
高中数学《第四章元素与材料世界3、复合材料》25PPT课件 一等奖比赛优质课
4-3.复合材料【教学目标】1.了解常见的复合材料及其用途【引入】1.前面我们学习了金属材料、无机非金属材料、有机合成材料,请指出我们日常生活用品分别用什么材料制造的?2.那么这些材料是否已能完全满足人们生活的需要呢?3.运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富弹性,这三种材料能满足要求吗?4.“神州五号”载人飞船穿过大气层时,外壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温,这些材料又能否经受这种考验而使飞船安然无恙?一、认识复合材料1、传统无机非金属材料的基本特征_________、_________、___________,新型无机非金属材料则具有_______._________。
金属材料分为__________.______________两大类。
复合材料1、定义：复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。
一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优良性能，在综合性能上超过了单一材料。
2、组成：复合材料有两部分组成，一部分为起黏结作用；另一部分称为，起骨架作用。
二、形形色色的复合材料1、复合材料的分类按基体分类：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料按增强体形状分类：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料、纤维增强复合材料2、几种复合材料的比较复合材料基体增强体主要性质玻璃钢合成树脂玻璃纤维强度高，密度小，耐化学腐蚀，绝缘性和机械加工性能好碳纤维增强复合材料合成树脂碳纤维韧性好，强度高，质轻航空复合材料金属最广泛的是碳纤维，还有硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐高温，强度高，导电性好，不吸湿和不易老化航天复合材料陶瓷多为碳纤维、碳化硅纤维或氧化硅纤维耐高温，韧性强例1：复合材料的使用使导弹的射程有了很大提高，其主要原因在于（）A、复合材料的使用可以使导弹能承受超高温的变化B、复合材料的使用可以使导弹的质量减轻C、复合材料的使用可以使导弹承受超强度的改变D、复合材料的使用可以使导弹承受温度剧烈变化例2、复合材料的优点是（）①强度高②质量轻③耐高温④耐腐蚀A、仅①④B、仅②③C、除③外D、①②③④例3、高温结构陶瓷优于金属材料的主要之点是（）A、耐高温、耐腐蚀，不怕氧化B、密度小，硬度大C、韧性好，易于切削、锻打、拉伸D、良好的传热导电性【巩固练习】1、在自然界中以游离态存在的金属是（）A．铁B．金C．钠D．铝2、下列金属中属于黑色金属的是（）A．铁B．金C．银D．铜3、下列金属中不属于货币金属的是（）A．铁B．金C．银D．铜4、下列说法不正确的是（）A．大量使用的不是纯金属而是它们的合金B．目前已制得的纯金属只有90多种，但制得的合金已达几千种C．钢是最纯的铁D．废弃铝质包装既浪费金属材料又造成环境污染5、关于合金性质的说法中，错误的是（）A．多数合金的硬度一般比其各成分金属的硬度高B．多数合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低C．合金的物理性质一般与其各成分金属的的物理性质不同D．合金的化学性质一般与其各成分金属的的化学性质不同6、下列关于合金的叙述中，不正确的是（）A．合金的熔点一般比它的各成分金属的熔点低B．合金的硬度一般比它的各成分金属的大C．合金的性质一般是各成分金属性质的总和D．铝合金在工业上的用途比纯铝更广7、现代建筑的门窗框架，常用电解加工成古铜色的硬铝制造。
复合材料结构设计03
n
(k )
n/2
(k )
n/2
(k )
一般层合板的刚度
应力--应变关系为：
ε 0 B N A = M B D k {k 其中为{M }扭矩， }为中面变形的曲率， A、B、D为方程的刚度系数。
一般层合板的刚度
0 x , xy
0 y , xy
a = a
对称层合板的面内工程弹性常数
由上述工程弹性常数可表达层合板面内应变与 面内力的关系：
1 0 0 Ex ε x γ0 0 x ε y = − 0 γ 0 E x xy η 0 xy , x 0 Ex
面内泊松耦合系数：γ = γ 面内拉剪耦合系数：η
0 xy , x
0 yx
∗ ε a 21 = − 0( x ) = ∗ a11 εx 0( x ) xy
∗ γ a16 = 0( x ) = ∗ εx a11
对称层合板的面内工程弹性常数
当在y方向进行单向拉伸（压缩）时
1 面内拉压弹性模量：E = ∗ a 22
0 y
面内泊松耦合系数：γ = γ
0 y
0 xy
a =− a
∗ 26 ∗ 22
∗ 12 ∗ 22
面内拉剪耦合系数：η
0 xy , y
a = a
对称层合板的面内工程弹性常数
当仅受面内剪切载荷时
面内剪切弹性模量：G 面内剪拉耦合系数：η 面内剪拉耦合系数：η
0 xy
1 = ∗ a 66 a = a
∗ 16 ∗ 66 ∗ 26 ∗ 66
∗ ∗ 0 ∗
a , β ,δ
∗ ij ∗ ij
∗ ij
生物基复合材料制备及其性能研究
生物基复合材料制备及其性能研究第一章绪论生物基复合材料是指由天然的生物高分子和其他无机或有机物质复合而成的新型复合材料。
它具有良好的生物相容性、可再生性、可降解性和可塑性等特点，因此在医学、食品等领域具有广泛的应用前景。
其中，生物基纳米复合材料是一种优良的材料，原因是其材料的尺寸和性质在纳米级别处，因此具有特殊的力学、光电、热物等性质。
本文将深入研究生物基复合材料的制备及性能研究，以期能够更好地掌握生物基复合材料的性能和应用。
第二章生物基复合材料制备技术2.1 天然高分子的提取天然高分子如蛋白质、多糖和脂质等可以从动物、植物的源头中获取，常用的提取方法包括酸碱提取法、超临界流体提取法、酶解提取法、离子液提取法等。
2.2 天然高分子的改性天然高分子的改性包括微观结构的改变以及物理化学性质的调整。
常见的改性方法有酯化反应、氨基化反应、羧化反应、磷酸酯化反应、凝胶化等方法。
2.3 复合材料的制备生物基复合材料的制备通常是将高分子改性后，与其他纳米级或微米级的无机物质、聚合物或其他有机物质形成复合材料。
常见的制备方法有浸涂法、溶液聚合法、胶体聚合法、熔融法等。
第三章生物基复合材料性能研究3.1 塑性生物基材料本身天然可塑，因此在制造生物基复合材料时，一般存在一定的可塑性。
由于复合材料的制备条件和与其他物质的复合效果，可塑性也相应受到影响。
因此，需要对生物基复合材料的可塑性进行研究，以评估其在制造和使用过程中的应用性能。
3.2 物理性能生物基复合材料的物理性能包括弹性模量、断裂韧性、硬度、重量、吸水性等指标，需要对这些指标进行研究，以评估其在制造和使用过程中的应用性。
实验手段可以使用拉伸力学测试、硬度测量仪、电子显微镜等。
3.3 化学性能化学性能包括水解、生物降解、氧化、还原、酸碱等反应。
其中，水解和生物降解是目前生物基复合材料最主要的研究对象，因为其生物可降解性使其具有良好的环境兼容性和生物相容性。
第四章生物基复合材料应用研究4.1 医学应用生物基复合材料在医学领域有广泛的应用前景，包括制造人工关节、骨修复材料、缝合线材料、医用植入材料等。
4.第四章-第五章 聚合物复合材料(PMC)制备工艺
5.3.2固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺） （1）真空热压扩散结合
（2）热等静压（HIP） 热等静压制备金属基复合材料管材示意图
（3）模压成型
模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体 预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，
最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各
种型材。
2.0 1.2 600 42 21 8
1.6 1.8 1120 130 81 0.2
7.8 1.4 180 210 27 12
2.8 0.48 170 77 27 23
4. 5 1. 0 210 110 25 9.0
4.3 聚合物复合材料的制备工艺
4.3.1 预浸料 / 预混料制备
预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、织物）
碳纤维 镁合金—— 固态、液态法 硼纤维
钛合金—— 固态法
SiC纤维 高温合金——固态法 氧化铝纤维 金属间化合物——固态法
5.1.4不连续增强相金属基复合材料的制备工艺
铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法 颗粒 晶须 短纤维 镁合金—液态法 钛合金—固态、液态法、原位生长法 高温合金—原位生长法 金属间化合物—粉末冶金、原位生长法
粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料 常采用的工艺。其优点如下： 1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控； 2）可根据要求设计复合材料的性能； 3）利于增强相与金属基体的均匀混合。 4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善； 5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。
但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。
5.1.2 金属基复合材料制备工艺的分类： 1）固态法：真空热压扩散结合、热等静压、 超塑性成型 / 扩散结合、模压、粉末冶金法。 2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、 半固态铸造。 3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜
A 低温和高应变速率下的面心立方金属，
B 某些含碳原子的体心立方铁合金 C 以及铝合金低溶质固溶体。
(4) 弹性-不均匀塑性-均匀塑性型 A 一些结晶态高聚物
B 未经拉伸的线型非晶态高聚物
(5) 弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型 A 一些体心立方铁合金 B 许多有色金属合金。
A standard tensile specimen
（2）简单剪切(shear)
切应变 = l / l 剪切力 s= F / S 0
F与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力
（3）均匀压缩(compress)
Compression stress-stain tests may be conducted when in-service forces are of this type. A com-pression test is conducted in a manner similar to the tension test, except that the force is compressive and the specimen contrasts along the direction of the stress.
的三种力学状态
①玻璃态 ②高弹态 ③粘流态
（2） 结晶聚合物的力学状态
A 结晶聚合物常存 在一定 的非晶部分，也有玻璃化转变 。 B 在T g 以上模量下降不大
Tm、 Tf
C 在T m 以上模量迅速下降
D 聚合物分子量很大，T m <
T f ，则在T m 与T f 之间将出现 高弹态。
E 分子量较低，T m > T f ， 则熔融之后即转变成粘流态，
材料表面与界面-第四章-复合材料的界面及界面优化
复合材料的增强机制及性能
1. 纤维增强复合材料的增强机制
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要
碳
承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 纤
维
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的 体积分数、尺寸和分布。
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性）
1240
环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380
环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100
纵向弹性模 量 GPa
6.9
45
145 76
210-280
聚合物基纤维增强复合材料零件
碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空 发动机高温构件
芳纶刹车片
3. 纤维--金属(或合金)复合材料
1电子显微镜观测法基材表面形貌分析尤其是经表面处理的基材未处理碳纤维的表面形态低温等离子处理碳纤维表面形态增强体材料表面形貌分析氧等离子处理后经80与苯乙烯反应4小时接枝聚苯乙烯分子链的碳纤维照片复合材料的断面形貌分析碳铝复合材料不同界面结合时的强度与断口特征结合状态拉伸强度mpa断口形貌不良结合206纤维大量拔出长度很大呈刷子状结合适中612纤维有拔出现象并有一定长度铝基体有缩颈现象并可发现劈裂状结合稍强470出现不规则断面并可看到很短的拔出纤维结合太强224典型脆断形式平断口2红外光谱与拉曼光谱波长为25m区间的波谱称为红外光谱它是分子键的振动光谱
Al2O3片
(2) 粒子增强复合材料
(3)叠层复合材料。
Al2O3纤维
三、复合材料的命名
（1）以基体为主来命名 例如金属基复合材料。 （2）以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。 （3）基体与增强相并用 如“C/Al复合材料”即
第四章 4.3复合材料加工原理--纤维增强复合材料的制备工艺
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
3.液态金属浸渍法 3.液态金属浸渍法 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 液态金属浸渍法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金 属而制成金属基复合材料的方法。 属而制成金属基复合材料的方法。 熔浸方法有两种，一 熔浸方法有两种， 种是在上部真空炉中熔化 金属后， 金属后，浇入下部放有预 成形体的型中进行熔浸； 成形体的型中进行熔浸； 另一种是将真空熔化的金 属浇入放有顶成形体的型 内后， 内后，用压缩空气或惰性 气体加压实现强制熔浸， 气体加压实现强制熔浸， 叫加压熔浸。 叫加压熔浸。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
7.电镀法 7.电镀法 利用电解沉积的原理在纤维表面附着一层金属 而制成金属基复合材料。如：将液态金属放置在电 而制成金属基复合材料。 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴， 镀液槽中，在液态金属中放置一卷轴，在卷轴与液 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极， 态金属之间接一直流电源，以金属为阳极，卷轴为 阴极，在金属不断电解的同时， 阴极，在金属不断电解的同时，卷轴以一定速度卷 集附着金属层的纤维。 集附着金属层的纤维。将电镀后的纤维按一定方式 层叠、热压，制成复合材料。 层叠、热压，制成复合材料。
4.3.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
6.等离子喷涂法 6.等离子喷涂法 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子，从 利用等离子弧向增强材料喷射金属微粒子， 而制备金属基纤维增强复合材料。 而制备金属基纤维增强复合材料。如：将碳化硅连 续纤维缠绕在滚筒上， 续纤维缠绕在滚筒上，用等离子喷涂的方法将铝合 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/ 金喷溅在纤维上，然后将碳化硅/铝合金复合材料 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。 切片堆叠，加压后制成铝基复合材料。
第四章聚合物基体复合材料
0.4 0.8
0.6 0.8 0.2 0.4 0.14 0.20 0.4 0.10 0.4 0.1 0.1 0.6
63 155
50 127 80 96 140 149 85 240 70 250 83 100
1.3~1.6 0.2~0.8
1.5~2.5 0.3~1.0 0.3~0.6 0.1~0.3 0.5~0.7 0.1~0.3 0.8~2.0 0.3~0.6 0.7~1.4 0.4~0.8 0.4~0.6 0.1~0.3
可以通过手糊、模压、缠绕、拉挤等各种工艺制备复合 材料。可根据制品性能要求和成型工艺方法来选择不同 牌号的树脂。 固化时收缩率较大，预浸料贮存期限短，含苯乙烯，有刺 激性气体，长期接触对身体健康不利。树脂的耐热性差。 但价格便宜、制备工艺性好。 广泛应用于电器、建筑、防腐、交通等诸多领域。
环氧树脂（EP）
聚酯
尼龙66
ABS树脂
高强度高模量纤维增强塑料
各种高强、高模纤维增强复合材料性能
常用的热固性树脂其它物理性能
热固性高聚物一直在连续纤维增强树脂基复合材
料中占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主
要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，
约占总量的80％，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀
性或先进复合材料基体。
传统的聚合物基体，固化前热固性树脂粘度很 低，宜于在常温常压下浸渍纤维，并在较低的 温度和压力下固化成型；固化后具有良好的耐 药品性和抗蠕变性。缺点是热固性树脂所用的 预浸料需要低温冷藏，且贮存期较短；成型周 期长，材料的韧性差。
35 85
21 90 70 110 95 200 130 200 110 260 67 130
45 60
20 35 100 130 88 150 130 150 34 170 80 100
第四章第九讲材料科学与工程基础(顾宜
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2020/11/29
第四章第九讲材料科学与工程基础 (顾宜
• 4-7 复合材料的性能(properties of composites)
• 4-7-1 复合材料的复合效应(principle of combined action ）
• 1. 复合材料各组元（相）相互作用
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第四章第九讲材料科学与工程基础 (顾宜
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第四章第九讲材料科学与工程基础 (顾宜
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第四章第九讲材料科学与工程基础 (顾宜
（2）横向载荷弹性行为（Elastic Behaviortransverse loading)
条件： σ c= σ m= σ f = σ εc= εm Vm +Vf εf Vm +Vf =1
这就是“残余应力”。
• 残余应力来源：
•① 增强相与基体相CTE不匹配
•② 相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均
•③ 成型过程中，由高温-室温由化学和物理变化引起的各组元体积
• 收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转变等
•④ 层合板中，铺层方向不同带来的层间残余应力（层合板的翘曲
）
P•P⑤T文档演模流板 变过程中，组元间的塑性变形差异→第流四章变第九残讲材余(顾料宜科应学与力工程基础
• 纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于102nm 量级的复合材料。由于其纳米量子尺寸效应，大的比表 面积及强的界面相互作用，使纳米复合材料的性能远优 于相同组份常规复合材料的物理力学性能。纳米复合材 料是获得高性能复合材料的重要途径之一。
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第四章第九讲材料科学与工程基础 (顾宜
第四章结构和性能的关系-3
流 I 成正比，即：
QAB AB I
AB 称为材料 A 和材料 B 的 相对 Peltier 系数。通常规定： 电流由 A 流向 B 时有热吸收 时为正，反之为负。
一个经典的实验：热电制冷
将金属铋 (Bi) 和金属锑 (Sb) 组成一个回路， 在一个接头处滴上一滴水，然后通以正向电流，一 段时间后发现水滴结成了冰；这时改变一下电流的 方向，不一会儿冰又熔化为水了。
Y. Xie, et al. J. Am. Chemቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Soc. 2012, 134, 7971
最后来看看固体材料的熔点
在一个大气压下，固体熔化为液态时的温度称 为该晶体的熔点
固体材料中只有晶体才有确定的熔点，非晶态 物质随着温度的升高逐渐软化，并无确定的熔 点
晶体的熔化是与晶格热振动随温度升高而加剧 导致的
在温度差 T 不大的情况下，Seeback 电势差 EAB 与 温度差成线性关系
E AB S AB T
其中 SAB 称为材料 A 和材料 B 的相对 Seebeck 系数。
通常规定：在热端的电流由 A 流向 B 时， SAB 为正，此时 EAB 也为正。反之则为负
Seeback 效应原理的一个直接应用就是热 电偶。
加致密的少数几种材料之一。
-锂霞石具有类石英结构，铝离子取
代硅离子，而锂离子则占据了 c 轴沟 道上的四面体 (4 配位) 或八面体空隙 (6 配位)。随着温度的升高，6 配位的 锂离子数量增多，使得单胞体积减小。
材料的体膨胀系数近似等于线膨胀系数之和
根据体膨胀系数的定义，可以得到
VT V0 (1 V T )
9
无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。
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一、概述
一、概述
• 水凝胶类人工皮又称冻胶，是亲水性聚合 物或水溶胀性聚合物，其粘附性能较好。 例如, 氧化乙烯-氧化丙烯的共聚物凝胶可 先制成溶液；将溶液涂在创面上于体温下 固化为人工皮。这种凝胶含水量达80%， 能帮助维持体液平衡，加入消炎药和维生 素等药物后还能促进创面愈合。
二、聚合物基复合材料
• 高分子复合材料 高分子复合材料是高分子和其他材料的交 叉科学，材料科学的目的就是制备性能完 美，功能更多，价格更便宜的材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物基 复合材料
聚合物基 宏观复合材料
聚合物基 纳米复合材料
通常所说的聚合物 基复合材料
二、聚合物基复合材料
5.2.1 概述
聚合物-玻璃纤维复合材料：20世纪50年代 碳纤维复合材料：20世纪60年代 聚合物-有机纤维复合材料：20世纪70年代
航空航天领域广泛应用
二、聚合物基复合材料
• 类型及特点 纤维增强制品 液晶分子复合制品 纳米复合制品
二、聚合物基复合材料
5.2.2 增强剂 主要品种: 玻璃纤维;碳纤维;硼纤维 ;芳纶纤
二、聚合物基复合材料
• 超高分子量聚乙烯纤维
超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一， 尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还 具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已 用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探 雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、 医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也 有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国 家的极大兴趣和重视。
二、聚合物基复合材料
以上。
一、概述
(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
一、概述(3)按用途分类 结 Nhomakorabea复合材料 功能复合材 结构 / 功能一体化复合材料
一、概述
(4)按增强剂分类 颗粒增强复合材 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
二、聚合物基复合材料
1、聚合物基复合材料的分类 2、聚合物基复合材料的性能 3、聚合物基复合材料的制备工艺 4、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
二、聚合物基复合材料 5 、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 6、 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
一、概述
人造皮肤
一、概述
1、复合材料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。
一、概述
2、复合材料的特点： 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或
维; 金属纤维 ; 液晶高分子（LCP） ;超高 分子量聚乙烯纤维; 纳米插层剂 ;天然纤维 等
二、聚合物基复合材料
高性能复合材料的玻璃纤维主要有: 高强度玻璃纤维、石英 玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等.
高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用 产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、 预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育 用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘 子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻 璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂 可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量 应用于火箭、导弹的防热材料。
一、概述
4、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)
二、聚合物基复合材料
• 芳纶纤维
20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展 了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已 投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、 比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复 合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流 罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救 生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、 高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。
二、聚合物基复合材料
• 碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能， 首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和 体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、 汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。 2019~2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31%， 而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。我国的碳 纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水 平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性 能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、 规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。
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 度地发挥各种组分的优点，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。
一、概述
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。