第二章增强材料
水泥混凝土增强剂的研究与应用
水泥混凝土增强剂的研究与应用随着城市化进程的加速和人口的快速增长，建筑业和基础设施建设的重要性越来越凸显。
水泥混凝土是现代建筑结构中最为普遍和重要的材料之一，因此，其性能和质量对于建筑物的安全、耐久和可持续性发展有着至关重要的影响。
为了提高水泥混凝土的强度、耐久性和耐久性表现，研究者们逐渐关注水泥混凝土增强剂的研究和应用。
本文将详细介绍水泥混凝土增强剂的种类、特性、研究进展和应用现状。
第一章水泥混凝土增强剂的种类水泥混凝土增强剂是指可以增强水泥混凝土性能的一类化学添加剂。
根据其作用方式和应用领域的不同，可以将其分为以下几类：1.硅酸盐类增强剂：硅酸盐类增强剂是应用最为广泛的一类水泥混凝土增强剂。
常见的硅酸盐类增强剂有硫铝酸盐、硅酸钙、硅酸铝和硅酸镁等。
这些增强剂不仅可以增强水泥混凝土的强度和硬度，还可以减少其收缩、增强抗裂能力和改善耐久性表现。
2.聚合物类增强剂：聚合物类增强剂是一类高分子化合物，可以在水泥混凝土中形成强而有力的粘结力。
聚合物类增强剂可以有效增强水泥混凝土的抗拉强度、耐冻融性和耐候性。
3.荷尔蒙类增强剂：荷尔蒙类增强剂又称为缓凝剂，可以延长水泥混凝土的凝结时间，使其在施工过程中更加易于操作。
这种增强剂常被用于大型基础设施建设工程中，确保施工的顺利进行。
第二章水泥混凝土增强剂的特点与传统的水泥混凝土相比，加入增强剂的混凝土具有以下特点：1.强度和硬度提高：增强剂的加入可以使水泥混凝土的强度和硬度提高，提高其承重能力和耐久性表现。
2.收缩降低：普通的水泥混凝土存在一定的收缩性，在干燥和成熟期间有可能出现不同程度的收缩和开裂现象。
增强剂的加入可以减少水泥混凝土的收缩量，降低开裂风险。
3.抗裂性能提高：水泥混凝土在施工和使用过程中容易受到各种因素的影响而导致开裂，而增强剂的加入可以增强水泥混凝土的抗裂性能，改善其整体表现。
4.耐久性提高：水泥混凝土中的骨料、水泥和其他填充物在长期使用中可能会遭受各种损耗和腐蚀，导致其性能下降，而增强剂的加入可以提高水泥混凝土的耐久性。
聚合物基复合材料 知识点总结
第二章增强材料1.增强材料的品种：1）无机纤维：（1）玻璃纤维（2）碳纤维：①聚丙烯腈碳纤维②沥青基碳纤维（3）硼纤维，（4）碳化硅纤维，（5）氧化铝纤维2）有机纤维：（1）刚性分子链——液晶（干喷湿纺）：①对位芳酰胺②聚苯并噁唑③聚芳酯（2）柔性分子链：①聚乙烯②聚乙烯醇2.玻璃纤维的分类：1）按化学组成份：有碱玻璃纤维，碱金属含量>12%；中碱玻璃纤维，碱金属含量6%~12%；低碱玻璃纤维，碱金属含量2%~6%；微碱玻璃纤维，碱金属含量<2%2）按纤维使用特性分：普通玻纤（A-GF）；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；高模玻纤（M-GF）；耐化学药品玻纤（C玻纤）……3）按产品特点分：长度（定长玻纤<6-50mm>，连续玻纤）；直径（粗纤维30μm，初级纤维20μm，中级纤维10-20μm，高级纤维3-9μm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，磨细纤维和玻璃粉）3.玻璃纤维的制备：目前生产玻璃纤维最多的方法有坩埚拉丝法（玻璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法）4.玻璃纤维的力学特性：1）玻璃纤维的拉伸应力--应变关系：玻璃纤维直到拉断前其应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性阶段，呈脆性材料特征2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低；解释：（1）Griffith微裂纹理论：玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。
当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。
所以，缺陷尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低（2）分子取向理论：玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。
3）玻璃纤维强度特点：单丝直径越小，拉伸强度σb越高；试样测试段长度L越大，拉伸强度σb越低。
这两点结果被称为玻璃纤维强度的尺寸效应和体积效应，即体积或尺寸越大，测试的强度越低4）缺点：①强度分散性大，生产工艺影响②强度受湿度影响，吸水后，湿态强度下降③拉伸模量较低（70GPa），断裂伸长率约为2.6%5.玻璃纤维纱的常用术语、参数：（填空）1）原纱：指玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱2）表示纤维粗细的指标：①支数β：指1g原纱的长度(m)，支数越大表示原纱越细②特(tex)：指1000m长原纱的质量(g)，tex数越大，纱越粗③旦、袋(den)：指9000m长原纱的质量(g)，den 数越大纱越粗3）捻度：表示纱的加捻程度，指每米长原纱的加捻数，即捻/m。
《复合材料》课件——第二章_复合材料界面和优化设计
伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合 金复
合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。 500℃
时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 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
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考 虑到最优化和最佳综合性能。
2.3复合材料组分的相容性
物理相容性： 1. 是指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. 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨
物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是 十分重要的。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。良好的或完全浸润将使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用 表面张力来表征。
胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从 而影响材料的各类性能。
2. 3复合材料组分的相容性
物理相容性： 例如：
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。
2.3复合材料组分的相容性
化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的
复合材料手糊成型工艺
第二章 手糊成型工艺
课件
原 材 料 的 选 择
存在“双基终止”反应，当共聚反应进行到一定 存在“ 双基终止” 反应， 程度后，随反应进行体系中出现凝胶现象，粘度增大， 程度后，随反应进行体系中出现凝胶现象，粘度增大， 大分子活性链的运动受到阻碍， 大分子活性链的运动受到阻碍，这样就减弱了双基终 止反应，而此时单体分子仍可以自由扩散， 止反应，而此时单体分子仍可以自由扩散，自由基还 在不断形成，链增长反应仍然继续进行， 在不断形成，链增长反应仍然继续进行，而且速度加 出现“自动加速效应” 快，出现“自动加速效应”。 以后进一步共聚反应， 以后进一步共聚反应，体系逐渐形成三维网状结 粘度更大，限制了单体的扩散， 构，粘度更大，限制了单体的扩散，使聚合速度下降 而终止反应。 而终止反应。
2.
第二章 手糊成型工艺
课件
2. 手 糊 成 型 工 艺
不受尺寸、形状的限制，适宜尺寸大、批量小、 (1) 不受尺寸、形状的限制，适宜尺寸大、批量小、 形状复杂产品的生产； 形状复杂产品的生产； 设备简单、投资少、设备折旧费低，成本低； (2) 设备简单、投资少、设备折旧费低，成本低； 工艺简单； (3) 工艺简单； 可在任意部位增补增强材料， (4) 可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要 求； 产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。 (5) 产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。
第二章 手糊成型工艺
O O
课件
过氧化二苯甲酰
C6H5
C O O C C6H5
2.1 原 材 料 的 选 择
过氧化甲乙酮(混合物) 过氧化甲乙酮(混合物)
CH3 C2H5 C OH OOH
过氧化环己酮(混合物) 过氧化环己酮(混合物)
OH OOH
北师大版八年级物理上册 第二章 第4节 新材料及其应用 (解析版)
第二章第4节新材料及其应用一、单选题1.碳化硅纤维是一种陶瓷纤维类材料，具有高强度、耐高温、抗腐蚀、易加工编织等特性，用做增强材料时，常与碳纤维、玻璃纤维、金属铝复合，具有耐磨损、质轻、耐疲劳等特性。
下列可以直接用碳化硅纤维来制作的是（）A. 喷气式飞机的刹车片B. 体育用品C. 过滤高温气体的滤布D. 汽车部件2.各种新材料正在提高我们的生活品质，坚硬的纳米材料一石墨烯，就是其中的一种，它几乎是完全透明的，并有着出色的导电性和导热性。
下列物体中不适合使用石墨烯制作的是（）A. 防弹衣B. 电脑元件C. 隔热手套D. 太阳能电池3.清华大学的研究人员发明一种新型陶瓷，既可以像海绵一样变形，也能像陶瓷一样隔热、绝缘，同时具有超轻、高韧性等特点这种材料适合用来制造下列哪种物品（）A. 自行车的车架B. 新型消防服C. 输电导线D. 便携式水果刀4.近年来，我国在科研领城不断取得新的突破，一些研究和应用已经步入世界先进行列。
下列研究中我国与世界先进国家还存在较大差距，需要努力追赶的是（）A. 量子科技B. 5G通信C. 北斗导航系统D. 芯片设计制造5.“智能纤维”是一种新型材料，能对外界环境和内部状态的变化做出响应．其中，相变纤维能够通过吸热、放热来实现对温度的调节；凝胶纤维能够对温度做出反应；电子纤维能够导电以及消除静电；记忆纤维能够在特定环境下恢复原状．下列说法正确的是（）A. 相变纤维制成的衣服可以调节体温是通过做功来实现的B. 用凝胶纤维有可能制成显示体温的衣服C. 电子纤维是一种绝缘体D. 记忆纤维发生形变后无法恢复原状6.纳米陶瓷作为高科技材料应用广泛，它具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、防浸透、完全无磁性等特点，但它不可用于下列哪项技术中（）A. 纳米陶瓷刀B. 公交IC卡C. “嫦娥二号”外表涂层D. 装浓硫酸的容器7.纳米磁性材料采用磁性颗粒作为记录介质，具有记录密度大、矫顽力高、记录质量好等特点，下列器件可用纳米磁性材料制成的是（）A. 洗衣机内壁B. 耐腐蚀容器C. 计算机存储器D. 高性能防弹背心8.“纳米材料”的出现成了人们谈论的热门话题，下列关于“纳米材料”的说法正确的是（）A. 人们找到了一种特殊的“纳米材料”，制成了“纳米抗菌奶瓶”B. “纳米防水布”是利用纳米能防水的特性制成的C. 只要认真的去探究寻找还可以找到许许多多的纳米材料D. 某些物质的尺度加工到1﹣100nm，它们的物理性质或化学性能发生了异常变化，这就是我们说的纳米材料9.下列现象中有悖文明的做法是（）A. 将秤砣内部用密度小的材料填充B. 用黄金制作首饰C. 将纳米技术应用于生活之中D. 用铝这种轻质材料制造飞机10.纳米陶瓷作为高新科技材料应用广泛，它具有坚硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、完全无磁性等特点，它不能应用于（）A. 公交IC卡B. 切割硬物的刀具C. “嫦娥二号”外表涂层D. 装浓硫酸的容器11.2010年诺贝尔物理学奖授予英国两位科学家，他们研究的石墨烯是只有一个原子厚度的碳纳米新型材料，该材料属性奇特，其中还具有良好的导电性．则下列说法错误的是（）A. 研究和生产石墨烯需要纳米技术B. 纳米技术是微观范围内的科学技术C. 石墨烯虽然是非金属但可以作为导体使用D. 石墨烯是超导体材料12.下列关于纳米的叙述错误的是（）A. 纳米是一个长度单位，符号是nmB. 人们在纳米尺度内发现很多新的现象，给技术上带来很多新进展C. 纳米技术是现代科学技术的前沿，我国在这方面的研究具有世界先进水平D. 所有的高科技产品都与纳米技术有关13.纳米技术在研究电学材料、光学材料、高密度材料方面有广泛的应用前景，纳米是下列哪种物理量的计算单位（）A. 长度B. 体积C. 质量D. 时间14.纳米陶瓷是一种高新科技材料，具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、防渗透、完全无磁性等特点，以下选项中哪项可以利用纳米陶瓷材料制造（）A. 高压输电线B. 装浓硫酸的容器C. 银行储蓄卡D. LED发光二极管15.在下列有关现象的解释中，正确的是（）A. 纳米材料颗粒能制造出很多特殊功能的物体，但它并不是分子B. 封闭在容器内的液体很难被压缩，说明分子间仅有排斥力C. 用手捏海绵，海绵的体积变小了，说明分子间有吸引力D. 铅笔笔芯在白纸上划出一条断断续续的细线，说明分子间有空隙二、填空题16.纳米技术是以0.1～100nm这样的尺度为研究对象的前沿科学，目前我国在纳米技术的研究方面已经跻身世界前列，我国制造出来的最薄的金箔的厚度为91nm=________dm．17.纳米是________的单位．1nm=________m，纳米技术是________尺度内的极微科学技术．18.石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质，它的导电性能好、导热性能强，熔点超过3000℃．你认为用石墨烯做成的导线________用来做保险丝（即熔丝）；________用来做高压输电线（选填“能”或“不能”）．科学试验表明：向空烧杯内倒入酒精与水的混合物（如图所示），盖紧石墨烯薄膜，一个月后，检查发现薄膜覆盖紧密完好，烧杯内只剩余酒精，再以后，烧杯内液体体积保持不变．在一个月时间内，烧杯内剩余液体的密度________（选填“变大”“变小”或“不变”）．此实验说明石墨烯薄膜能使________的分子通过（选填“酒精”或“水”）．19.纳米技术是在0.10纳米至100纳米的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术．纳米技术研究领域被公认为是21世纪最具有前途的科研领域之一．纳米是________的单位．（填写物理量的名称）20.我国对纳米技术的研究具有世界先进水平，纳米实际上是________单位，1nm=________m．21.经过纳米方法处理的领带具有很强的________性能，不沾水也不沾油．用纳米陶瓷粉制成的陶瓷具有一定的________性，不易碎．22.纳米技术是高新科学技术和工作技术．纳米（nm）是________单位，若一个原子的直径为10nm，合________m．把________个原子一个挨一个地排列起来长度是1mm．三、解答题23.我们学习了新材料及其作用，除了纳米材料、“绿色”能源、记忆合金外，写出你还知道的一种新材料的名称．答案解析部分一、单选题1.【答案】C【考点】纳米材料及其应用【解析】【解答】碳化硅纤维主要用做耐高温材料和增强材料，耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体的滤布等。
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。
增强材料
1190℃ 1135~1140℃
结 晶
600℃
冷却速率↑→玻璃化温度↑→自由体积↑→密度↓
18
2.2.4 玻璃纤维的性质
1）力学性质 （1）玻璃纤维的拉伸应力－应变关系 应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性 阶段; 呈脆性材料特征 （2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低。 拉伸强度： 10um以下 1000MPa； 5um以下2400MPa；
28
2）纱的品种和规格
（1）品种 有捻纱和无捻纱 随合股数的不同分：粗纱、细纱 无捻粗纱：纤维平行排列，较松散，对树脂的 浸润性好，但易断头、起毛、不易编制。 有捻细纱：刚好相反。 （2）规格 单丝直径：4um、6um、8um 原纱支数（m）:40、80、160 股数：有捻纱：2~8股；无捻纱：5~60股； 纱的公称支数（原丝支数/股数）、断裂强度及 捻度等。 （3）牌号表示法 无碱纱4－600/2： 4－单丝直径4um； 600－原纱支数； 2－股数N为2无碱玻璃纱。
4）电性能
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2.2.5 玻璃纤维制品的品种与规格
1 玻璃纤维纱 1）常用的术语、参数 （1）原纱 Strand 玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱； （2）表示（原）纱粗细的指标 支数: 1 g 纱的长度（m ）。 支数越大，原纱越细； 特（tex）: 1000 m 长纱的质量（g） 旦或袋（Denier）: 9000m 长纱的质量（g）， 特和旦数越大，纱越粗。
SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离 子结构物质。
（1） SiO2：作用：形成基本骨架，高熔点
（2） 金属氧化物
Al2O3、 CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3等， 作用：
① 改善制备玻璃纤维的工艺条件： Na2O、 K 2O；
高分子复合材料玻璃纤维.完整PPT资料
（2）玻璃纤维的结构
微晶结构假说：
玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”组成，在结构上是高 度变形的晶体，在“微晶子”之间由硅酸盐过冷溶液所填充。
网络结构假说：
玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连 成不规则三维网络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离 子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的 基础，填充的Na、Ca等阳离子称为网络改性物。
（2）玻璃纤维的结构 玻璃纤维结构示意图
（3）玻璃纤维的化学组成
玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化二硼(B2O3)、 氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3)等
以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃； 以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。
氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低玻璃的 熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，它主要通过破坏玻 璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。
高分子复合材料第二章玻璃纤维
第二章 增强材料
高分子复合材料的增强材料的基本特征
①增强材料应具有能明显提高树脂基体某种所需特性的性能，以便 赋予复合材料所需的特性和综合性能；
②增强材料应具有良好的化学稳定性； ③与树脂有良好的浸润性和适当的界面反应，使增强材料与基体树
脂有良好的界面结合； ④价格低廉。
公司年产玻纤65万吨。
我国玻纤工业起步于1958年，当年产能500吨，产量106吨。 2000年以后，随着玻璃纤维池窑拉丝工艺的迅速发展，我国玻纤产
量2007年达到160万吨, 成为世界玻纤产能第一大国。
年我国玻纤产量超过260万吨。
玻璃纤维的发展现状 2005年以前，全球玻纤行业一直是国外垄断格局。由 欧文斯科宁、PPG和法国圣戈班占据60%以上的份额。 近5年来，随着中国三大厂商巨石集团、重庆国际和泰 山玻纤每年30%的持续高速产能投入，中国三强不仅垄断着 国内市场，也成为全球格局中新的寡头。
第二章 材料的组成结构与性能
r
续固溶体。
当
r1 r2 0.15 r1
时，溶质与溶剂之间可以形成连
r
形成有限型固溶体， 而不是充分必要条件。
当
r1 r2 15% ~ 30% 时，溶质与溶剂之间只能 r 这是形成连续固溶体的必要条件， 1
固 溶体或不能形成 固溶体，而容易形成中间相或化合 物。因此Δr愈大，则溶解度愈小。
铁、铬、锰三种金属属于黑色金属，其余的所有金
属都属于有色金属。有色金属又分为重金属、轻金
属、贵金属和稀有金属等四类。
（2）金属合金 金属合金是指由两种或两种以上的
金属元素或金属元素与非金属元素构成的具有金属
性质的物质。如青铜是铜和锡的合金，黄铜是铜和
锌的合金，硬铝是铝、铜、镁等组成的合金。二元
合金、三元合金。 2、无机非金属材料的化学组成 从化学的角度来看，无机非金属材料都是由金属元 素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制
长石的过渡，其密度及折光率均递增。通过测定未知组
成固溶体的性质进行对照，反推该固溶体的组成。
固溶体化学式的写法
以CaO加入到ZrO2中为例，以1mol为基准，掺入 xmolCaO。
形成置换式固溶体：
CaO Ca Oo V
ZrO 2 '' Zr
O
空位模型
x
x
x
则化学式为：CaxZrl~xO2-x 形成间隙式固溶体：
2、无限固溶体（连续固溶体、完全互溶固溶体），
是由两个 ( 或多个 ) 晶体机构相同的组元形成的，
任一组元的成分范围均为0～100%。
Cu-Ni 系、Cr-Mo 系、Mo-W系、Ti-Zr系等 在室温下都能无限互溶，形成连续固溶体。 MgO-CoO 系统， MgO 、 CoO 同属 NaCl 型结 构，rCo2+= 8nm ，rMg2+= 8nm ，形成无限固溶体，
【课程思政案例】《陶瓷基复合材料》教学案例
课程基本情况· 课程名称：陶瓷基复合材料· 课程性质：专业选修· 教学对象：大四，材料科学与工程· 总学时：24学时课程思政教学整体设计思路（一）教学设计：目前陶瓷基复合材料在航空航天、军事武器、核工业等高技术领域，以及化工、机械、交通等民用和工业领域占据重要地位。
本课程主要介绍陶瓷基复合材料的原理、工艺、性能与设计，从陶瓷基复合材料概述出发，讲解所涉及的主要增强体材料和基体材料，进而针对强韧化和界面两个重要问题讲述陶瓷基复合材料的复合原理和结构设计，最后采用案例教学的方式讲述典型几类陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料的制备工艺、面临的主要问题及解决方法等。
通过课程学习，学生不仅能够学习陶瓷基复合材料的增韧机制、制备方法和性能评判准则，而且能够使学生根据复合材料的强韧化机理，选择基体和增强体，通过界面设计等解决陶瓷基复合材料的设计、制备以及工程问题。
在课程思政改革方面，本课程从陶瓷基复合材料领域的卓越成就、大师魅力和工匠精神三个方面，采用两次主题讲座和一次课堂讨论的形式，在专业教学中穿插课程思政教学内容，使学生了解和掌握中国选择中国特色社会主义现代化发展道路的历史必然性，并充分领略陶瓷基复合材料在高技术领域的重要性和先进性，从而增强大学生立志投身于先进陶瓷材料的学习，将个人的成才梦有机融入实现中华民族伟大复兴的中国梦的思想认识；通过分析国家发展方向和目前复合材料的瓶颈，让学生明白将来从事的工作要承担怎样的责任，引导学生树立严谨求实的态度和理念。
课程将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，在丰富学识，增长见识的同时，帮助学生树立正确的人生观、世界观和价值观，见下图。
《陶瓷基复合材料》中课堂教学与课程思政教学的有机结合课程思政典型教学案例（一）案例名称《陶瓷基复合材料》第二章增强材料部分“高性能碳纤维增强材料”（二）案例教学目标1、课堂教学目标能够掌握碳纤维的结构、性能优势、制备方法，尤其是关键制备步骤的作用与控制；深入了解全球碳纤维产业及其发展现状，以及我国碳纤维产业发展所面临的挑战和机遇。
增强材料专业知识课件
(3)、碳纤维旳制备——PAN碳纤维
空气氧化法制备PAN基碳纤维流程示意图
(2)、碳纤维分类
PAN基碳纤维
❖ 最早使用旳是人造丝炭化而成旳碳纤维，性能较差，强度、模量均低，目前基本淘 汰。
❖ 1959年日本首先发明了用聚丙烯腈纤维(PANF)制取碳纤维(CF)旳措施，在60年代旳 开发期，对PAN原丝构成及纺丝条件作了系统研究，制得了质量稳定旳高性能CF， 使PAN－CF在70年代得到高速发展，80年代由PAN原丝制取CF旳技术愈加完善，强度 与模量都有明显提升，并发展出不同性能旳系列产品。
含量；D—高介电性能；S—高机械强度；M—高弹性模量；AR—耐碱
（3）玻璃纤维旳制造工艺
❖ 玻璃球法（也称为坩埚拉丝法） ： 先将玻璃原料（砂、石灰石、硼酸
等）混匀后，装入熔炼炉，在1260℃ 左右熔融，流入造球机制成玻璃球； 然后将合格旳玻璃球再放入坩埚中熔 化拉丝制成玻璃纤维。
❖ 直接熔融法也称为池窑拉丝法： 直接将熔炼炉中熔化旳玻璃直接流入拉丝筛网中拉丝。来自（4）玻璃纤维旳特征和应用
特征：
❖ 经典性能： 密度：2.4～2.8 g/cm3 抗拉强度：3～4.6 GPa（为高强度钢旳2～3倍） 弹性模量：70～110 GPa（与铝和钛合金模量相当） 比强度为：12.5～18.4×106 cm（为高强度钢旳6～10倍） 比模量为：2.8～4.0×107 cm（略高于高强度钢）
❖ 但就我国目前碳纤维旳质量和产量与国外先进国家水平相比，仍有很大差距，就整 体水平而言，目前仍处于中试阶段，或工业模拟装置，还没真正到达工业规模旳生 产，年产量约为100吨左右。除生产规模小，产量低之外，产品品种也比较单一， 性能（强度、模量、密度）均低于国外同类产品（主要为T300）。关键性产品所需 碳纤维仍严重依赖进口。生产厂家主要是吉林炭素厂。
第二章 硼纤维碳化硅纤维-增强材料的制备工艺
5. BF性能特点 硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料
制备工艺：化学气相沉积（卤化法） 2BCl 3 + 3H 2 2B + 6HCl
中心是碳纤维或钨纤维
§2-6 碳化硅纤维
1化学气相沉积法制备SiC纤维
烷基硅烷 （氯甲基硅烷）
CH3 SiCl3 + H2 SiC + HCl
氢气
高温分解
3.卤化法制备硼纤维工艺 （1）卤化物制备钨芯－BF
W丝（直径12.5um） ①工艺流程
清洗室（H2，1200℃）
沉积室[ 2BCl3+3H2 1350℃ 2B+6HCl) ]
涂覆室（保护层，B4C3，厚2~4um）
钨芯－BF（直径约100um）
② 沉积效果评价 a. BCl3钨丝上沉积率：2％ b. 沉积速率：两磅/周 总结：生产成本高，沉积效率低
3600
400Biblioteka 36002802400
700
~ 20000
96.2 117.6 133.3 116.7 218.8
961.5 1058.8 1200.0 1000.0 ~6250.0
常用于金属基和陶瓷基复合材料
各种SiC纤维的性能比较
纤维
密度 （g/cm3）
弹性模量 （GPa）
拉伸强度 （MPa）
比模量 ( GPa/g/cm3)
比强度 （MPa/g/cm3）
Nicalon CVD-W芯 CVD-C芯
Tyranno 晶须
2.60 3.4 3.0 2.4 3.2
250
2500
400
H2
H2+HCl 反应区
预热区
芯线
4.有机金属法制备硼纤维工艺
第二章聚合物基复合材料的基体
第二章聚合物基复合材料的基体1．聚合物基体的作用复合材料＝基体+增强剂（填充剂）复合材料的原材料包括基体材料和增强材料聚合物基体是FRP的一个必需组分。
在复合材料成型过程中，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体，因而整体性能直接影响复合材料性能。
基体的作用主要包括以下四个部分①将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；②基体决定复合材料的一些性能。
耐热性、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能)等；③基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选择等。
④基体保护纤维免受各种损伤。
此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。
2．聚合物基体材料的分类用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。
热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。
热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。
聚合物基体按树脂特性及用途分为：一般用途树脂、耐热性树脂、耐候性树脂、阻燃树脂等。
按成型工艺分为：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕用树脂、拉挤用树脂等。
不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及被称为三大通用型热固性树脂。
它们是热固性树脂中用量最大、应用最广的品种。
3．聚合物基体的选择对聚合物基体的选择应遵循下列原则：（１）能够满足产品的使用需要；如使用温度、强度、刚度、耐药品性、耐腐蚀性等。
高拉伸(或剪切)模量、高拉伸强度、高断裂韧性的基体有利于提高FRP力学性能。
(2)对纤维具有良好的浸润性和粘接力；(3)容易操作，如要求胶液具有足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮存期、固化收缩小等。
《复合材料力学》2复合材料的基体材料(标准版)
行复合，如碳化硅/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等 复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。
20
工业集成电路： 高导热、低膨胀 如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀
的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒 复合，用作散热元件和基板。
21
2 金属基复合材料组成特点
针对不同的增强体系，应充分分析和考虑 增强物的特点来正确选择基体合金材料。
强材料与基体复合而成的复合材料。
4
复合材料性能的综合比较
使用温度 ℃
强度 耐老化
导热性 W/(mK)
耐化学 腐蚀
树脂基复 合材料
60~250
可设计
最差
0.35~0.45
最好
金属基复 合材料
400~600
可设计
一般
50~65
一般
陶瓷基复 1000~150
可设计
合材料
0
5
最好
0.7~3.5
最好
工艺 成熟 一般 复杂
氮化硅陶瓷(Si3N4)
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高 纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反 应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的 方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约 1350℃）。后者是将加适当的助烧剂 (MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
3复合材料的增强材料
近似的分子结构。
39
玻璃纤维的耐磨性是指纤维抵抗磨损的能力，耐折性是指 纤维抵抗折断的能力。 玻璃纤维这两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或断 裂，这是玻纤的严重缺点。 玻璃的导热系数为0.6 ~ 1.1千卡/米· 时，但拉制成玻璃纤 度· 维后，其导热系数只有0.03千卡／米· 时。 度· 纤维间的空隙较大，容重较小，其导热系数小，主要是因 为空气导热系数低所致；而导热系数越小，隔热性能越好。 温度的变化对玻璃纤维的导热系数影响不大。
41
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿 度。 无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多。 这主要是因为无碱纤维中碱金属离子少的缘故。碱 金属离子越少，电绝缘性能越好；
玻璃纤维的电阻率随着温度的升高而下降。
42
表5 空气湿度对玻璃布电阻率影响
43
玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维制品后， 其透光性远不如玻璃。 玻璃纤维制品的光学性能以反射系数、透光系数和 亮度系数来表示。 密度小而薄的玻璃布，透光系数可达65％； 密度大而厚的玻璃布，透光系数只有18％～20％。
28
3）玻璃纤维的物理性能与化学性能
玻璃纤维具有一系列优良的物理性能，拉伸强度高，
由于表面光滑，纤维之 防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。 间抱合力非常小，不利 于和树脂粘结；又由于 玻璃纤维的缺点是具有脆性，不耐腐蚀，对人的皮 呈圆柱状，所以玻璃纤 维彼此相靠近时，空隙 肤有刺激性等。 填充得较为密实。
33
表2 玻璃纤维拉伸强度与直径的关系
34
表3 玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系
35
一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。高强玻璃
第二章 复合材料的增强 体-纤维
石英、高硅氧玻璃纤维对水、酸的化学稳 定性较好，耐碱性远比普通纤维高。
玻璃纤维发展趋势
Ａ、普遍采用池窑拉丝新技术； Ｂ、大力发展多排多孔拉丝工艺； Ｃ、用于玻璃钢的纤维直径逐渐向粗的方向发展， 纤维直径为14--24um，甚至达27um； Ｄ、大量生产无碱纤维； Ｅ、大力发展无纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱和 短切纤维毡片所占比例增加； Ｆ、重视纤维--树脂界面的研究，偶联剂的品种 不断增加，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。
按成分分： 有机纤维 无机纤维
按来源分 植物纤维 天然纤维 动物纤维 矿物纤维 人造纤维 合成纤维
2. 几种合成纤维的制备方法和性能
合成纤维:
玻璃纤维 碳纤维 硼纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 氮化硼纤维
芳纶纤维 聚乙烯纤维 尼龙纤维
（1）玻璃纤维
1）玻璃纤维的结构和化学组成
2）玻璃纤维的制造
3）玻璃纤维的分类
4）玻璃纤维的性能
1）. 玻璃纤维的结构和化学组成
玻璃纤维的结构
玻璃纤维的结构与玻璃相同
玻璃：由熔融体经冷却、固化而成的非晶态固体 玻璃态：非晶态固体的一种
微晶结构假说的要点
玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶
子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过
1964年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量聚丙烯脂基碳 纤维（高温牵伸技术）；
英国皇家航空研究院的瓦特与日本近藤召南
合作制备出高强度和模量的碳纤维。
第一次飞跃
东丽公司发明的聚合催化环化原纤维，改革 了传统的炭化工艺，缩短了生产周期提高了质量。 第二次飞跃
聚合物基复合材料重点内容
考试题型一、填空题〔1分*10题=10分〕二、判断题〔1分*6=6分〕三、名词解释〔4分*5=20分〕四、简答题〔8分*8题=64分，含1道计算题〕第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.什么是复合材料？与金属材料相比有何主要差异？答：定义：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。
它既保持了原组分材料的主要特色，又通过符合效应获得原组分所不具备的的新性能。
可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并充分并联，从而获得新的优越性能，这与一般的简单的混合有本质的区别。
与金属材料的区别：2.复合材料有哪些优点？存在的主要问题是什么？答：优点：1〕比强度、比模量高；2〕耐疲劳性好，破损性能高；3〕阻尼减振性好：a.受力结构的自振频率除了与结构本身形状有关以外，还与材料的比模量平方根成正比；b.复合材料具有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振；c.复合材料机体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料得振动阻尼很高，一旦振起来，也可在较短时间内停下来。
4〕具有多种功能性：a.瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；b.优异的电绝缘性能和高频介电性能；c.良好的摩擦性能；d.优良的腐蚀性，维护本钱低；e.特殊的光学、电学、磁学的特性。
5〕良好的加工工艺性；6〕各向异性和性能的可设计性。
主要问题：工艺方法的自动化、机械化程度低，材料性能的一致性和产品质量的稳定性差，质量的检测方法不完善，破坏模式不确定和长期性能不确定，长期耐高温和环境老化性能不好等。
3.简述复合材料的组成。
界面为什么也是一个重要组成局部？答：复合材料是由基体材料和增强体材料构成的多项体系。
基体材料为连续相，按所用基体材料的不同，可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和聚合物基复合材料。
增强材料为分散相，通常为纤维状材料，如玻璃纤维、有机纤维等。
原因：界面也是重要组成局部的原因是因为增强相与基体相的界面区域因为其特殊的结构组成，这种结构对材料的宏观性能产生影响，因此也是不可缺少的重要组成局部。
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有机纤维：Kevlar纤维 无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维
第二章增强材料
1、芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维，Aromatic Polyamide fiber, Kevlar, KF）
芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，是一种 新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量、耐高温、 耐酸碱、质量轻等优良性能。
第二章 增强材料
(Reinforcements, reinforcing materials)
第二章增强材料
主要内容
❖ 增强材料概述
定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则
❖ 几类常用的增强材料
纤维、晶须、颗粒 制备方法、特性、应用
❖ 增强材料的表面处理
方法、原理、应用
第二章增强材料
一、增强材料概述
❖ 经过热处理和改善原料的结构后，可得到提高了综合性能的不同牌号的芳 纶纤维。
❖ 1973年正式以Kevlar作为其商品名。 ❖ 芳纶纤维从一开始就被蒙上神秘的面纱。 ❖ 我国将Kevlar纤维命名为芳纶纤维。1972年开始研制，1981年和1985年分
别研制出芳纶14和芳纶1414。
第二章增强材料
三维正交增强结构
第二章增强材料
4、增强材料的选择原则：
❖ 增强体的基本特性——强度、弹性模量、密度、热膨胀系数等； ❖ 增强材料与基体材料的物理相容性——浸润性、弹性匹配（弹性模
量）、热匹配（热膨胀系数）、互溶性等； ❖ 增强材料与基体材料的化学相容性——化学反应、极性、化学位等； ❖ 增强材料的形状、尺寸 ❖ 性能/价格比。
对结构复合材料而言，首先考虑的是增强材料的强度、模量和密度。 其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。
第二章增强材料
二、纤 维（fiber）
❖ 直径细到几微米或几十微米，而长度比直径大许多倍的 材料。
❖ 其长径比（aspect ratio)一般大于1000。 ❖ 作为增强材料使用时，纤维一般都具有高模量、高强度。 ❖ 大多数是有机高分子纤维，也有无机纤维和金属纤维。
含有原位生成的短纤维、晶须、 颗粒XD™MMC的显微组织结构
❖ 单向增强结构
这种结构是指增强材料一维 平行排列分布在基体中，PMC、 MMC、CMC中较为常见结构。
界面及界 面反应层
SiCf Ti基体
TaCf
SiCf /Ti单向增强复合材料
TaCf/Superalloy(原位定向凝固)
钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组织
（2）芳纶纤维的制造工艺
原料：对苯二胺与对苯二甲酰胺缩聚而成
工艺流程：
将原料溶 于浓硫酸
纺丝液
挤压喷丝
干湿纺
溶液萃取 与洗涤
干燥
Keclar29 纤维
（芳纶14）
Kevlar纤维的结构：
热处理 （550℃，N2)
Keclar49 纤维
（芳纶1414）
第二章增强材料
（3）芳纶纤维的性能
Kevlar纤维是属于一种液态结晶性棒状高分子,它具有非常好的热 稳定性、抗火性、抗化学性、绝缘性、高强度及高模量。
芳纶纤维是重要的国防军工材料，可用于防弹衣、头 盔使用，也可作为航空航天、机电、建筑、汽车、体育用 品等使用。
第二章增强材料
（1）芳纶纤维的发现
❖ 这种纤维的出现是科学发现中偶然性的一个事例， 1968年，美国杜邦公 司（Dupont）一位研究人员在实验时偶然发现全芳香族聚酰胺树脂溶解 于硫酸类，其分子完全不会分散，分子间又形成一定规则配列，经纺丝成 为一种全新耐热、高强度和模量的有机纤维。
第二章增强材料
❖ 层状增强结构
增强材料以织物（布、毡）方式增强，或双向正交、或铺层（多 向）方式分布在复合材料基体中，是PMC、C/C常用的结构，如层压 板、迭层板等。在CMC中，也可以纤维按层状，在基体中原位形成分 散状的增强相。
SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料
喷涂法制备的Al2O3与高温合金复合 的层状复合材料
第二章增强材料
❖ 分散状增强结构
这种结构也称为不连续增强复合材料的结构，即增强材料（相） 在基体中呈分散状，主要是短纤维、颗粒、晶须。这种结构是不连 续增强MMC、原位MMC、CMC等主要结构。值得注意的是纳米功 能复合材料的结构方式也多为分散状结构。
B4C原位增强ZrCN陶瓷基复合材料
第二章增强材料
第二章增强材料
蒙脱土/聚丙烯酰胺纳米层状复合材料 （龙斌，清华大学硕士学位论文，2007年）
第二章增强材料
❖ 网络状增强结构
网络状增强结构分为三维、多维网络状结构，三维结构也有称为 三向，或三向正交增强结构。一般通过编织方式将纤维或将预浸料编 织成三维或多维预制体。比较典型的是三维正交C/C复合材料，按纤 维的方向分为L、T、N三个方向经编织成三维立体结构，但各个方向 的纤维含量可以相同或不同。在C/C复合材料中，也可以在层状结构 的基础上采用Z向针刺的方法形成三维结构。
❖ 高强度——抗拉强度高达3.4GPa，模量为59～190GPa 强度是石棉纤维的2～11倍；是高强度石墨的1.6倍；是玻璃纤维的3倍； 是相同重量下钢纤维的5倍。
❖ 低密度——仅为1.44 g/cm3，几乎只有石棉密度的一半，低于碳纤维。 ❖ 热稳定性——在热试验中(TGA)非常稳定,直至600℃才有明显的重量丧
3、增强材料的结构类型：
在复合材料中，增强材料可以以连续相、或分散相 的形式存在于基体中，既可以是零维、一维、二维、三 维，甚至是多维。所以复合增强的结构类型可以分为：
❖ 分散状增强结构（Dispersed reinforcing structure） ❖ 单向增强结构（Unidirectional reinforcing structure） ❖ 层状增强结构（Layered or laminated reinforcing structure） ❖ 网络状增强结构（Network reinforcing structure）
1、定义：
增强材料，或增强体 reinforcements
❖ 结合在基体内、用以改进其力学等综合性能的高强度材料，称为 增强材料，也称为增强体、增强相、增强剂等。
❖ 增强材料就象树木中的纤维、混凝土中的钢筋一样，是复合材料 的重要组成部分，并起到非常重要的作用。
第二章增强材料
2、分类：
第二ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ增强材料