湖大材料工程基础课件第十章 复合材料制备工艺
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《复合材料》PPT课件(2024)
优异的抗疲劳性能
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
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建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
复合材料的成形工艺PPT课件
• 制品质量稳定，生产率高；但投资大，层间剪切强度低； • 湿法
• 劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动化； • 半干法
第29页/共33页
七、拉挤成形工艺（pultrusion process）
• 送纱→浸胶→预成形→固化成形→牵引→恒定截 面型材
• 设备价低，生产率高，原料利用率高 • 制品方向性强，剪切强度低 • 适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。
第8页/共33页
9.2 金属基复合材料成形工艺
• 制备金属基复合材料（metal matrix composites, MMC），关键在于获得基体与增强体之间良好的浸润 与合适的界面结合。金属基复合材料复合加工较为困难， 主要分为三大类：
• 固态法 基体处于固态的加工方法，以避免金属基体与 增强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、扩散粘结 法（热压法、热等静压法）、形变法（轧制、挤压、拉 拔）、爆炸焊接法等。
品。
第26页/共33页
四、层压成形工艺（lamination p ro c e s s ） • 层叠胶布→模板之间→加热、加压固化→冷却、脱模、修整→层压板
• 制品表面光，质量好且稳定，设备简单，生产率高 • 只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，劳动轻度大。
第27页/共33页
五、模压成形工艺（press m oul di ng ） • 生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，表面光洁，价低，自动化程度高，无
第6页/共33页
三、复合材料的增强机制和复合原则
• 复合原则 • 基体起粘接作用 • 基体对纤维的润湿性好； • 基体的塑性和韧性好； • 基体能保护好纤维表面。 • 增强材料承载大部分； • 强度、刚度要高，密度小，热稳定性高； • 增强体与基体结合强度高； • 纤维表面处理，增加表面粗糙度或形成活性基团 • 纤维的含量、直径、长度、分布适当； • 纤维、基体热胀系数相近。
• 劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动化； • 半干法
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七、拉挤成形工艺（pultrusion process）
• 送纱→浸胶→预成形→固化成形→牵引→恒定截 面型材
• 设备价低，生产率高，原料利用率高 • 制品方向性强，剪切强度低 • 适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。
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9.2 金属基复合材料成形工艺
• 制备金属基复合材料（metal matrix composites, MMC），关键在于获得基体与增强体之间良好的浸润 与合适的界面结合。金属基复合材料复合加工较为困难， 主要分为三大类：
• 固态法 基体处于固态的加工方法，以避免金属基体与 增强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、扩散粘结 法（热压法、热等静压法）、形变法（轧制、挤压、拉 拔）、爆炸焊接法等。
品。
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四、层压成形工艺（lamination p ro c e s s ） • 层叠胶布→模板之间→加热、加压固化→冷却、脱模、修整→层压板
• 制品表面光，质量好且稳定，设备简单，生产率高 • 只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，劳动轻度大。
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五、模压成形工艺（press m oul di ng ） • 生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，表面光洁，价低，自动化程度高，无
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三、复合材料的增强机制和复合原则
• 复合原则 • 基体起粘接作用 • 基体对纤维的润湿性好； • 基体的塑性和韧性好； • 基体能保护好纤维表面。 • 增强材料承载大部分； • 强度、刚度要高，密度小，热稳定性高； • 增强体与基体结合强度高； • 纤维表面处理，增加表面粗糙度或形成活性基团 • 纤维的含量、直径、长度、分布适当； • 纤维、基体热胀系数相近。
复合材料的制备方法与工艺概述
复合材料的制备方法与工艺概述复合材料（composite material）是由两种或两种以上不同类型的材料组合而成的材料，具有比单一材料更优异的性能。
复合材料的制备方法与工艺可以分为以下几个步骤：首先，确定复合材料的纤维类型。
常用的纤维类型包括玻璃纤维、碳纤维、草木纤维等。
选择合适的纤维类型取决于复合材料所需的性能和应用场景。
其次，对纤维进行表面处理。
表面处理的目的是增加纤维与基体之间的粘合力，提高复合材料的强度和韧性。
常用的表面处理方法包括喷涂处理剂、化学处理等。
接下来，制备复合材料的基体。
基体通常由树脂或者金属制成。
树脂基体常用的有环氧树脂、聚酯树脂等，金属基体常用的有铝合金、钛合金等。
然后，将纤维与基体进行组合。
组合方法有多种，常用的有手工层叠法和机械叠放法。
手工层叠法是指将纤维一层层地放置在基体上，然后通过刷涂、挤压等方法使其充分浸润基体。
机械叠放法则是通过机器将纤维与基体进行叠放，并利用胶合剂将其固定在一起。
最后，进行固化和热处理。
固化是使树脂基体硬化的过程，可通过加热或加压等方式进行。
热处理则是将复合材料在高温下进行热处理，以提高其性能。
综上所述，复合材料的制备方法与工艺主要包括纤维的选择和表面处理、基体的制备、纤维与基体的组合、固化和热处理等步骤。
这些步骤的选择与操作将直接影响复合材料的性能和应用领域。
因此，在制备复合材料时需根据实际需求合理选择方法与工艺，以获得最佳的综合性能。
继续写相关内容，1500字：2.1 纤维的选择和表面处理在制备复合材料时，纤维的选择是非常重要的一步。
不同类型的纤维具有不同的性能特点和应用场景。
常用的纤维类型包括玻璃纤维、碳纤维、草木纤维等。
玻璃纤维是最常用的一种纤维，具有良好的抗拉强度和抗化学侵蚀性能。
它在电子、航空航天、建筑等领域得到广泛应用。
碳纤维具有良好的强度和刚度，同时具有重量轻、耐热性好等优点，主要用于航空航天、汽车和体育器材制造等领域。
草木纤维主要通过天然植物纤维，如棉花、麻、竹等，具有良好的生物降解性和可再生性，广泛应用于纺织和包装等领域。
复合材料的制备方法和工艺流程
复合材料的制备方法和工艺流程复合材料由两种或两种以上不同种类的材料组成，以互补和协作的方式结合在一起。
它是一种现代的、高性能的材料，因其优异的性能被广泛应用于太空、军事、汽车、航空、船舶、建筑和体育器材等领域。
本文主要介绍复合材料的制备方法和工艺流程。
一、材料的选择和设计复合材料的制备首先要遵循“材料设计”的原则，也就是根据所需的性能和用途，选取合适的材料，并进行深入的研究和设计。
选取材料时要考虑它们的成本、可用性、加工性、耐用性、强度、韧性、密度、热性能、电性能、振动等特性。
二、预制备处理预制备处理是指在复合材料制备前，对原材料进行处理。
这些处理旨在改善材料的性能，并准备加工之用。
下面是一些常规的预制备处理方法：1. 纤维的表面处理：纤维的表面处理可以使其更具有附着力、耐水性和化学稳定性。
这可以通过化学处理、表面改性、表面覆盖、氧化、电化学方法和等离子体处理等方式实现。
2. 树脂的过滤：在树脂的制备过程中，可能会产生颗粒物和杂质。
这些颗粒物和杂质会影响树脂的成型性能和强度。
因此，要在树脂制备前对其进行过滤和去除杂质。
三、复合材料的成型方法复合材料的成型方法主要有手工层压、自动层压、注塑成型、挤出成型等。
这些成型方法的选择取决于材料的性质、制备要求和加工成本等因素。
1. 手工层压：手工层压是一种较为简单的成型方法，在制备中使用的是手工制造的“模具”。
首先将纤维和树脂混合成浆状，均匀涂在模具表面。
然后将纤维放在树脂浆上，并依次加上更多的纤维和树脂，直到形成完整的复合材料。
2. 自动层压：自动层压是一种全自动化的制备方法，其原理是在制备过程中使用自动控制系统。
自动层压设备由成型模块和控制系统组成。
在制备过程中，将预处理的纤维或预浸树脂制成所需的形状，并放入模具中，再加上压板和电热片。
控制系统会自动将温度和压力调整到适当的值，以制备出所需的复合材料。
3. 注塑成型：注塑成型主要用于制备高强度、高密度和复杂形状的复合材料。
复合材料的制造方法PPT课件
▪ 穿刺技术与缝合技术的出现和应用极大改进了复合材料的
断裂韧性，意味着复合材料能够承受更高冲击强度和剥离
应力。该技术比缝合技术更具发展潜力，主要是因为其节
省了高成本的缝合机，尺寸不受限制，特别是能够进行局
部结构的加强，因此是未来飞机机体应用的关键技术。
.
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（3） 三维机织
▪ 该工艺目前已经广泛用于复合材料工业，主 要用于生产单层、宽幅织物，作为复合材料 的增强体。三维异型整体机织技术是国外上 世纪80年代发展起来的高新纺织技术，它创 造了一类新的复合材料结构形式。采用三维 异型整体机织技术制造的复合材料制件具有 整体性和力学的合理性两大特点，是一种高 级纺织复合材料。其突出特点是纺织异型整 体织物，如T形、U形、工形、十字形等型 材和圆管等，灵活的机织工艺还可以创造出 许多新的复杂形状织物。
➢粉末冶金（热压、 ➢粉体烧结 机械合金化、SPS） ➢反应成形 ➢合金箔扩散键合 ➢拉拔等机加工成 形
气相工艺
➢PVD（物理气相 沉积）
.
➢CVD（化学气相
沉积）
➢CVI（化学气相
渗透）
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塑料基复合材料的制备成形
.
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4.2 树脂基复合材料
▪ 先进复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳、各向异性 和可设计性、材料与结构的一次成型等性能，自上世纪60 年代问世以来，很快获得广泛应用，成为航空航天4大材料 之一。随着其材料性能和制造技术的不断改进，复合材料 未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占 有重要地位。
技术进行加热和加压。这样生产出的结构件相对于同样的
铝合金零件重量减少25%，成. 本降低20%。
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（2） 穿刺
▪ 穿刺是复合材料结构三维加强的一种简单方法，在某些方 面优于缝合技术。但是它不能用于制造预成形体。在这个 工艺中利用薄的削棒以正确的角度在固化前或固化时插入 二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复 合材料结构。Z向削棒可以是金属材料，也可采用非金属材 料。削棒插入的方式有两种，一是采用真空袋热压的方法， 二是采用超声技术。
复合材料的制备方法与工艺
2 树脂浸渍技术
一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种树脂浸渍技术&其成形过程是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块;安放于模具的底部;其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体&然后依据真空成形工艺的要点将模腔封装;于热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸& 目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩&
长纤维的编织树脂基复合材料的压挤渗透用
汽车储气罐
门型纤维编织成形机
碳纤维强化网球拍的成形装置
Beech Starship飞机翅膀的成型中使用的autoclave 高压成形
4.3 金属基复合材料的制备方法
发展得较晚;仍处于幼年期& 使用的领域也受到限制& 研究是方兴未艾& 有已经得到了工业化的应用& 液相的方法成本较低&
7 层板及蜂窝结构制造技术
纤维增强金属层板FRML是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料& 改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改变FRML的性能 主要使用铝合金薄板&使用铝锂合金可提高FRML的比刚度;使用钛合金可大大可提高FRML的耐温性& FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维 具有良好的比强度和比刚度 在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景&
3 纤维缠绕
该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件;如管路及油箱&纤维束通过一个树脂池后以各种方向和速度缠绕到芯轴上;方向和速度由纤维进给机控制&这是一项已经发展较为成熟的技术;无论是在自动化、速度、变厚度、质量和纤维方向上都得到了巨大改进&它是筒形件的低成本快速制造方法&
一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种树脂浸渍技术&其成形过程是将树脂制备成树脂膜或稠状树脂块;安放于模具的底部;其上层覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体&然后依据真空成形工艺的要点将模腔封装;于热环境下采用真空技术将树脂由下向上抽吸& 目前在航空领域主要应用于飞机雷达天线罩&
长纤维的编织树脂基复合材料的压挤渗透用
汽车储气罐
门型纤维编织成形机
碳纤维强化网球拍的成形装置
Beech Starship飞机翅膀的成型中使用的autoclave 高压成形
4.3 金属基复合材料的制备方法
发展得较晚;仍处于幼年期& 使用的领域也受到限制& 研究是方兴未艾& 有已经得到了工业化的应用& 液相的方法成本较低&
7 层板及蜂窝结构制造技术
纤维增强金属层板FRML是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料& 改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改变FRML的性能 主要使用铝合金薄板&使用铝锂合金可提高FRML的比刚度;使用钛合金可大大可提高FRML的耐温性& FRML中的纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维 具有良好的比强度和比刚度 在未来的大型军用运输机及无人机等机体具有相当广泛的应用前景&
3 纤维缠绕
该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件;如管路及油箱&纤维束通过一个树脂池后以各种方向和速度缠绕到芯轴上;方向和速度由纤维进给机控制&这是一项已经发展较为成熟的技术;无论是在自动化、速度、变厚度、质量和纤维方向上都得到了巨大改进&它是筒形件的低成本快速制造方法&
复合材料的制备方法资料59页PPT
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
复合材料ppt课件文字可编辑
铺层优化设计
通过调整复合材料的铺层顺序、纤维方向和厚度分布等参数，实现结构的最优化。
制造工艺优化
针对复合材料的制造工艺进行优化，提高生产效率和产品质量。
试验验证与反馈
对优化后的复合材料结构进行试验验证，并将结果反馈至设计阶段，不断完善和优化设计方案。
优化设计策略探讨
06
CHAPTER
复合材料加工与制造技术
自动铺放技术及应用实例
自动铺放技术概述
自动铺放技术是一种高效、精确的复合材料制造方法，主要包括自动铺带技术和自动铺丝技术。
应用实例
自动铺放技术在航空航天、汽车、船舶等领域具有广泛应用。例如，在航空航天领域，自动铺放技术可用于制造飞机机翼、机身等部件，提高生产效率和产品质量。
树脂传递模塑（RTM）是一种闭模成型技术，将低粘度树脂注入到闭合模具中，浸润增强材料并固化成型。
航空航天领域
汽车工业领域
体育器材领域
分享汽车轻量化设计中的复合材料应用案例，如车身、底盘、发动机罩等部件。
介绍高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等体育器材中复合材料的设计与应用。
03案例分享
01
02
03
04
有限元分析
利用有限元分析方法对复合材料结构进行力学性能和热学性能分析，以指导优化设计。
07
CHAPTER
复合材料回收利用与环保问题探讨
当前复合材料回收利用率较低，大量废弃物未得到有效利用。
回收利用率低
复合材料种类繁多，回收处理技术复杂，难以实现高效、低成本回收。
技术挑战
缺乏成熟的复合材料回收市场，回收产业链尚不健全。
市场机制不完善
回收利用现状及挑战
生产成本增加
环保法规的实施导致企业生产成本增加，对产业发展带来一定压力。
通过调整复合材料的铺层顺序、纤维方向和厚度分布等参数，实现结构的最优化。
制造工艺优化
针对复合材料的制造工艺进行优化，提高生产效率和产品质量。
试验验证与反馈
对优化后的复合材料结构进行试验验证，并将结果反馈至设计阶段，不断完善和优化设计方案。
优化设计策略探讨
06
CHAPTER
复合材料加工与制造技术
自动铺放技术及应用实例
自动铺放技术概述
自动铺放技术是一种高效、精确的复合材料制造方法，主要包括自动铺带技术和自动铺丝技术。
应用实例
自动铺放技术在航空航天、汽车、船舶等领域具有广泛应用。例如，在航空航天领域，自动铺放技术可用于制造飞机机翼、机身等部件，提高生产效率和产品质量。
树脂传递模塑（RTM）是一种闭模成型技术，将低粘度树脂注入到闭合模具中，浸润增强材料并固化成型。
航空航天领域
汽车工业领域
体育器材领域
分享汽车轻量化设计中的复合材料应用案例，如车身、底盘、发动机罩等部件。
介绍高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等体育器材中复合材料的设计与应用。
03案例分享
01
02
03
04
有限元分析
利用有限元分析方法对复合材料结构进行力学性能和热学性能分析，以指导优化设计。
07
CHAPTER
复合材料回收利用与环保问题探讨
当前复合材料回收利用率较低，大量废弃物未得到有效利用。
回收利用率低
复合材料种类繁多，回收处理技术复杂，难以实现高效、低成本回收。
技术挑战
缺乏成熟的复合材料回收市场，回收产业链尚不健全。
市场机制不完善
回收利用现状及挑战
生产成本增加
环保法规的实施导致企业生产成本增加，对产业发展带来一定压力。
复合材料 课件
02
手糊成型是一种手工操作工艺，将增 强材料浸渍在树脂中，然后将其铺放 在模具上，通过刮刀或刷子去除多余 的树脂，最后进行固化。该工艺简单 易行，适用于小批量生产，但生产效 率较低。
03
喷射成型是一种半机械化或全自动化 工艺，将树脂和增强材料通过混合器 混合后，通过喷嘴喷涂在模具或制品 表面，形成一定厚度的层，然后进行 固化。该工艺生产效率高，适用于大 型制品的生产。
化学性能
耐腐蚀性
复合材料通常具有较好的耐腐蚀性，能够抵抗酸、碱、盐等化学 物质的侵蚀。
环境适应性
某些复合材料能够适应极端环境，如高湿度、紫外线暴露等。
阻燃性
一些复合材料具有阻燃性，能够有效地阻止火焰的蔓延。
03
复合材料的制备工艺
聚合物基复合材料的制备工艺
01
聚合物基复合材料是由聚合物基体和 增强材料组成的复合材料。其制备工 艺主要包括手糊成型、喷射成型、模 压成型和树脂传递模塑等。这些工艺 通常需要使用树脂、填料、增强材料 和其他添加剂，通过混合、涂布、浸 渍和固化等步骤来制备聚合物基复合 材料。
聚合物基复合材料的制备工艺
模压成型是一种半自动或全自动的工艺，将预浸料或干纤维 增强材料放在模具中，加热加压固化后得到制品。该工艺生 产效率高，制品尺寸精度高，适用于中小型制品的生产。
树脂传递模塑是一种全自动化或半自动化的工艺，将预浸料 或干纤维增强材料放在模具中，通过注射器将树脂注入模具 中，浸渍纤维后进行固化。该工艺生产效率高，适用于大型 制品的生产。
建筑领域
桥梁和高层建筑
复合材料用于制造桥梁和高层建筑的 承重结构，以减轻重量并提高结构的 稳定性。
建筑材料
复合材料用于制造建筑材料，如钢筋 混凝土的替代品，以提高建筑物的耐 久性和性能。
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第10章 复合材料制备工艺
材料科学与工程学院
§10.1 概述
金属材料：力学性能和可加工性好 多数不耐很高的温度 耐磨和耐蚀性差
陶瓷材料：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好 很脆，加工性能差
高聚物材料：密度很低、韧性好 强度、刚度、耐热性有限
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材料科学与工程学院
早期人类用茅草与泥浆混合作为建筑材料、在战 国时期的越王剑和吴王矛是金属包层复合材料、 三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增 强聚合物基复合材料。
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材料科学与工程学院
（5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。 一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量 过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在 40~70%范围内。 纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面 积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤 维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比 短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的 临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度 考虑，短纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用 长径比大于某一临界值的不连续纤维。 纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的 纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排 列平行于应力作用的方向。受力复杂的情况下，纤维采 用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向的增 强效果。
21.01.2纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。 结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重要的 是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥纤维 的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无 法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材 料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强 度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。
2、晶须 目前已研发出上百种晶须，在复合材料中应用的主
要是碳化硅~、氧化铝~、氮化硅~等陶瓷晶须。
α-碳化硅晶须
NbC晶须
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材料科学与工程学院
3、颗粒增强材料
碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。
a) 多角状SiC颗粒b) 等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒 c) 溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒 d) α-Al2O3片晶
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材料科学与工程学院
纤维增强复合材料的复合原则
材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。 （1度）和纤刚维度是。材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强
弹性模量E愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承 受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发 挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定 性高也是保证结构稳定性所必要的。 （2）基体起粘结纤维的作用，因此必须： ①对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结力，而 将纤维粘结为一个整体； ②具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用； ③能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面 的反应。
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若颗粒直径小于100Å，这时材料结构接近于 固溶体结构，位错容易绕过，难以对位错起 障碍作用，增强作用不大。若颗粒直径大于 1000Å，在载荷作用下，颗粒周围将造成应力 集中，或基体本身破裂，导致强度降低。为 使弥散增强复合材料的性能达到最佳，除要 求颗粒坚硬、稳定、与基体不发生化学反应 外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及同基 体结合能力均是必须加以考虑的因素。实践 表明，复合材料的性能显著受到颗粒大小的 影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小 的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体 中。
（4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。 通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀 系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削 弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对 于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以 便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压 状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体， 纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压 应力，增进韧性。
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1、定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质组
合起来而得到的一种多相固体
2、组成：基体—连续相(延性、韧性好)
增强/强化相—分散相(强度高、密度小)
3、特点
与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点： （1）密度低、比强度、比模量高 （2）疲劳强度高 （3）热膨胀系数小 （4）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等
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§10.2 增强材料
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选择增强材料的原则： 1) 增强材料的强度、模量和密度； 2) 增强材料与基体材料的相容性； 4) 性能/价格比。
晶须和纤维：高强度、价格昂贵 颗粒增强材料：价廉、耐磨
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颗粒增强复合材料的复合原则
颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为 100~2500Å，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属， 最常见的是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的颗粒， 可以有效地阻碍位错的运动或在聚合物基体中，颗粒可阻碍 大分子链的运动；或在陶瓷基体中，颗粒对裂纹可起到屏蔽 作用，进而产生显著的强化效果。这类复合材料的复合强化 机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用Orowan理论（即位 错绕过质点的理论）予以解释。复合材料中基体是承受载荷 的主体，所不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生 的第二相质点，它们随温度的升高仍保持其原有的尺寸，因 此增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕 变性能明显优于所用的基体金属或合金。
碳纤维的结构模型
a-普通型 ；
b-高强度型；
c-高弹性模量型
一般碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整， 沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；
高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；
高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。
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1、纤维增强材料 主 要 有 玻 璃 ~ 、 芳 纶 ~(Kevlar ~) 、 尼 龙 ~ 、 聚 乙 烯 ~(Spectra ~)、碳~、硼~、碳化硅~(Nicalon ~)、氧化铝 ~以及金属~（如钨、钼、不锈钢丝等）。
玻璃纤维
碳纤维
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§10.1 概述
金属材料：力学性能和可加工性好 多数不耐很高的温度 耐磨和耐蚀性差
陶瓷材料：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好 很脆，加工性能差
高聚物材料：密度很低、韧性好 强度、刚度、耐热性有限
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早期人类用茅草与泥浆混合作为建筑材料、在战 国时期的越王剑和吴王矛是金属包层复合材料、 三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增 强聚合物基复合材料。
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（5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。 一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量 过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在 40~70%范围内。 纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面 积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤 维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比 短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的 临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度 考虑，短纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用 长径比大于某一临界值的不连续纤维。 纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的 纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排 列平行于应力作用的方向。受力复杂的情况下，纤维采 用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向的增 强效果。
21.01.2纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。 结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重要的 是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥纤维 的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无 法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材 料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强 度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。
2、晶须 目前已研发出上百种晶须，在复合材料中应用的主
要是碳化硅~、氧化铝~、氮化硅~等陶瓷晶须。
α-碳化硅晶须
NbC晶须
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3、颗粒增强材料
碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。
a) 多角状SiC颗粒b) 等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒 c) 溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒 d) α-Al2O3片晶
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纤维增强复合材料的复合原则
材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。 （1度）和纤刚维度是。材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强
弹性模量E愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承 受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发 挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定 性高也是保证结构稳定性所必要的。 （2）基体起粘结纤维的作用，因此必须： ①对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结力，而 将纤维粘结为一个整体； ②具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用； ③能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面 的反应。
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若颗粒直径小于100Å，这时材料结构接近于 固溶体结构，位错容易绕过，难以对位错起 障碍作用，增强作用不大。若颗粒直径大于 1000Å，在载荷作用下，颗粒周围将造成应力 集中，或基体本身破裂，导致强度降低。为 使弥散增强复合材料的性能达到最佳，除要 求颗粒坚硬、稳定、与基体不发生化学反应 外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及同基 体结合能力均是必须加以考虑的因素。实践 表明，复合材料的性能显著受到颗粒大小的 影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小 的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体 中。
（4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。 通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀 系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削 弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对 于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以 便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压 状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体， 纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压 应力，增进韧性。
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1、定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质组
合起来而得到的一种多相固体
2、组成：基体—连续相(延性、韧性好)
增强/强化相—分散相(强度高、密度小)
3、特点
与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点： （1）密度低、比强度、比模量高 （2）疲劳强度高 （3）热膨胀系数小 （4）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等
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颗粒增强复合材料的复合原则
颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为 100~2500Å，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属， 最常见的是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的颗粒， 可以有效地阻碍位错的运动或在聚合物基体中，颗粒可阻碍 大分子链的运动；或在陶瓷基体中，颗粒对裂纹可起到屏蔽 作用，进而产生显著的强化效果。这类复合材料的复合强化 机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用Orowan理论（即位 错绕过质点的理论）予以解释。复合材料中基体是承受载荷 的主体，所不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生 的第二相质点，它们随温度的升高仍保持其原有的尺寸，因 此增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕 变性能明显优于所用的基体金属或合金。
碳纤维的结构模型
a-普通型 ；
b-高强度型；
c-高弹性模量型
一般碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整， 沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；
高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；
高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。
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1、纤维增强材料 主 要 有 玻 璃 ~ 、 芳 纶 ~(Kevlar ~) 、 尼 龙 ~ 、 聚 乙 烯 ~(Spectra ~)、碳~、硼~、碳化硅~(Nicalon ~)、氧化铝 ~以及金属~（如钨、钼、不锈钢丝等）。
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