纳米复合材料.
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散相组织了细长形 Si3N4 晶粒生长，将形成细小
等轴晶，而成为纳米-纳米型复合材料。这种复合材 料在高温下具有超塑性变形的能力。
10.2.2 高比强度、高比模量 比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。材料的比强度愈高，制作同
一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚性愈大。表5.2列出了几种典型金 属基纳米复合材料的比强度和比模量。
颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的金属基体大多采用密度较低的铝、镁 和钛合金，以便提高复合材料的比强度和比模量。
◆金属基纳米复合材料的力学性能明显改善大致可以归结如下：
（1）与长纤维增强复合材料不同，基体和增强体都将承担载荷，但颗粒与晶须得增强效 果不同。颗粒增强复合材料的强度与颗粒在基体中分布的平均间距有关。随颗粒间距增大， 复合材料的强度下降。也就是说，在同样体积含量下，颗粒越细，增强效果越好。
压烧结，烧结压力20~30MPa。可得到致密的（可达理论密度的
10.1纳米复合材料分类
金属基纳米复合材料
按基体种类分 陶瓷基纳米复合材料 高分子基纳米复合材料
按增强体种类分
颗粒增强纳米复合材料
晶须增强纳米复合材料
纤维增强纳米复合材料
按基体形状分
按增强体形状分
0－0复合 0－2复合 0－3复合 零维（颗粒状） 一维（纤维状） 二维（片状）
按复合方式分
晶内型
晶间型
晶内－晶间混合型
纳米－纳米型
按用途分
结构纳米复合材料
功能纳米复合材料
智能纳米复合材料
10.2纳米复合材料性能
102.1 高强度、高韧性 纳米复合材料的强度和韧性均比未加增强体的基体材料要高。
图5.6可见， 和单组分 Al2O3 和 MgO 陶瓷相比，SiCP / Al2O3 、Si3N4P / Al2O3
颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的疲劳强度和疲劳
寿命一般比基体金属高。图5.17为 SiCP 和 SiCW
增强6061 Al和其基体的S-N曲线。从中可见，在相同的疲劳
应力作用下，纳米复合材料的疲劳寿命比基体金属高1个数量级。
晶须增强与颗粒增强的纳米复合材料疲劳性能基本接近。纳米
复合材料疲劳性能的提高可能与其强度和刚度的提高有关。
◆弥散相对氮化物、碳化物、硼化物陶瓷基纳 米复合材料的作用明显与上述氧化物系陶瓷不同。 大致有如下几个原因：
（1）当增强体含量较低时，纳米级增强体离子在液
相烧结过程中，对 Si3N4 的析出起晶核作用，促
进细长型 Si3N4 晶粒长大，这种晶粒结构起增韧
和增强作用。
（2）在纳米级增强体含量较高时（ 25%），弥
10.3.1 固相法
1.热压烧结（HP）
将陶瓷粉体在一定温度和一定压力下进行烧结，称为热压烧
结。与无压烧结相比，烧结温度低得多。过热压烧结，可制得具
有较高致密度的陶瓷基纳米复合材料，并且晶粒无明显长大。例如
以
Si3
N
粉和纳米
4
SiCW
晶须为原料，加入少量添加剂（如 MgO
等），混合均匀后，装入石墨模具中，在1600~1700℃的氩气中热
复合材料的结构是以一个相为连续相，称为基相，而另 一相是以一定的形态分布于连续相中的分散相，称为增强体. 如果增强体是纳米级的话，如纳米颗粒，纳米晶片，纳米晶 须，纳米纤维等，就称为纳米复合材料。纳米复合材料的强 度和韧性比单组分纳米材料提高2－5倍，因此具有广泛的 应 用前景
主要内容有： 10.1 纳米复合材料分类 10.2纳米复合材料性能 10.3陶瓷基纳米复合材料 10.4金属基纳米复合材料 10.5高分子基纳米复合材料 10.6光学材料 10.7高介电材料 10.8仿生材料
10.3 陶瓷基纳米复合材料 陶瓷具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐
热性和耐腐蚀性好等特点。但是它的最大缺点是脆性大。今 年来，通过往陶瓷中加入或生成纳米级的颗粒、晶须、晶片 、纤维等，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量有了 提高。
陶瓷基纳米复合材料的基体主要有氧化铝、碳化硅和玻璃
纳米复合材料结构和性能
前言
. 复合材料是随着科学技术的发展而涌现出的一种新型材 料.它是由两种或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺手 段组合而成的复合体.由于各组成材料的协同作用，故具有单 一材料无法比拟的优异综合性能.具有刚性大，强度高,重量轻 等优点，并且可以根据作用条件的要求进行设计和制 造，以 满足各种特殊用途的需要。
复合材料温度超过1000℃的高温强度都有明显的改善。
纳米
从图5.7看出， Si3N4P / Al2O3 纳米复合材料的硬度随温度变化的转折点，即脆性-韧性 转变温度比纯 Al2O3 提高了。
◆ 陶瓷基纳米复合材料，特别是氧化物系陶瓷基纳 米复合材料力学性能的明显改善大致可归结如下： （1）纳米级弥散相抑制了氧化物基体晶粒生长和减 轻了晶粒的异常长大，起到细晶强化作用。 （2）在弥散相内或弥散相周围存在高的局部应力， 这种应力是基体和弥散相之间热膨胀失配而产生的， 使冷却期间产生位错。纳米级离子钉扎或进入位错区 使基体晶粒内形成亚晶界 ，是基体晶粒再细化而起 增强作用。 （3）纳米级粒子在高温牵制位错运动，从而也能使 高温力学性能获得明显改善。
（2）晶须的强度和长径比远高于颗粒，因此晶须的增强效果要比颗粒显著。但无论是颗 粒增强，还是晶须增强，复合材料的强度是随增强体含量的增加而增加。见图5.11
10.2.3抗蠕变、抗疲劳性好
图5.14为 SiCW 晶须增强Al2O3陶瓷基纳米复合材料
1500℃的蠕变性能，从中可见，在相同的应力下，SiCW / Al2O3 纳米复合材料的蠕变速率比 Al2O3陶瓷要小。
陶瓷等。它们与纳米级第二相的界面粘结形式主要有两种： 机械粘结和化学粘结。强的界面粘结往往导致脆性破坏。在 断裂过程中，强的界面结合不产生额外的能量消耗。当界面 结合较弱时，基体中的裂纹扩展至晶须、纤维等处时，将导 致界面脱粘，其后发生裂纹偏转、裂纹搭桥、晶须及纤维断 裂，以致最后拔出。所有这些过程都要吸收能量，从而提高 陶瓷的断裂韧性。
等轴晶，而成为纳米-纳米型复合材料。这种复合材 料在高温下具有超塑性变形的能力。
10.2.2 高比强度、高比模量 比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。材料的比强度愈高，制作同
一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚性愈大。表5.2列出了几种典型金 属基纳米复合材料的比强度和比模量。
颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的金属基体大多采用密度较低的铝、镁 和钛合金，以便提高复合材料的比强度和比模量。
◆金属基纳米复合材料的力学性能明显改善大致可以归结如下：
（1）与长纤维增强复合材料不同，基体和增强体都将承担载荷，但颗粒与晶须得增强效 果不同。颗粒增强复合材料的强度与颗粒在基体中分布的平均间距有关。随颗粒间距增大， 复合材料的强度下降。也就是说，在同样体积含量下，颗粒越细，增强效果越好。
压烧结，烧结压力20~30MPa。可得到致密的（可达理论密度的
10.1纳米复合材料分类
金属基纳米复合材料
按基体种类分 陶瓷基纳米复合材料 高分子基纳米复合材料
按增强体种类分
颗粒增强纳米复合材料
晶须增强纳米复合材料
纤维增强纳米复合材料
按基体形状分
按增强体形状分
0－0复合 0－2复合 0－3复合 零维（颗粒状） 一维（纤维状） 二维（片状）
按复合方式分
晶内型
晶间型
晶内－晶间混合型
纳米－纳米型
按用途分
结构纳米复合材料
功能纳米复合材料
智能纳米复合材料
10.2纳米复合材料性能
102.1 高强度、高韧性 纳米复合材料的强度和韧性均比未加增强体的基体材料要高。
图5.6可见， 和单组分 Al2O3 和 MgO 陶瓷相比，SiCP / Al2O3 、Si3N4P / Al2O3
颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的疲劳强度和疲劳
寿命一般比基体金属高。图5.17为 SiCP 和 SiCW
增强6061 Al和其基体的S-N曲线。从中可见，在相同的疲劳
应力作用下，纳米复合材料的疲劳寿命比基体金属高1个数量级。
晶须增强与颗粒增强的纳米复合材料疲劳性能基本接近。纳米
复合材料疲劳性能的提高可能与其强度和刚度的提高有关。
◆弥散相对氮化物、碳化物、硼化物陶瓷基纳 米复合材料的作用明显与上述氧化物系陶瓷不同。 大致有如下几个原因：
（1）当增强体含量较低时，纳米级增强体离子在液
相烧结过程中，对 Si3N4 的析出起晶核作用，促
进细长型 Si3N4 晶粒长大，这种晶粒结构起增韧
和增强作用。
（2）在纳米级增强体含量较高时（ 25%），弥
10.3.1 固相法
1.热压烧结（HP）
将陶瓷粉体在一定温度和一定压力下进行烧结，称为热压烧
结。与无压烧结相比，烧结温度低得多。过热压烧结，可制得具
有较高致密度的陶瓷基纳米复合材料，并且晶粒无明显长大。例如
以
Si3
N
粉和纳米
4
SiCW
晶须为原料，加入少量添加剂（如 MgO
等），混合均匀后，装入石墨模具中，在1600~1700℃的氩气中热
复合材料的结构是以一个相为连续相，称为基相，而另 一相是以一定的形态分布于连续相中的分散相，称为增强体. 如果增强体是纳米级的话，如纳米颗粒，纳米晶片，纳米晶 须，纳米纤维等，就称为纳米复合材料。纳米复合材料的强 度和韧性比单组分纳米材料提高2－5倍，因此具有广泛的 应 用前景
主要内容有： 10.1 纳米复合材料分类 10.2纳米复合材料性能 10.3陶瓷基纳米复合材料 10.4金属基纳米复合材料 10.5高分子基纳米复合材料 10.6光学材料 10.7高介电材料 10.8仿生材料
10.3 陶瓷基纳米复合材料 陶瓷具有优良的综合机械性能、耐磨性好、硬度高以及耐
热性和耐腐蚀性好等特点。但是它的最大缺点是脆性大。今 年来，通过往陶瓷中加入或生成纳米级的颗粒、晶须、晶片 、纤维等，使陶瓷的韧性大大地改善，而且强度及模量有了 提高。
陶瓷基纳米复合材料的基体主要有氧化铝、碳化硅和玻璃
纳米复合材料结构和性能
前言
. 复合材料是随着科学技术的发展而涌现出的一种新型材 料.它是由两种或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺手 段组合而成的复合体.由于各组成材料的协同作用，故具有单 一材料无法比拟的优异综合性能.具有刚性大，强度高,重量轻 等优点，并且可以根据作用条件的要求进行设计和制 造，以 满足各种特殊用途的需要。
复合材料温度超过1000℃的高温强度都有明显的改善。
纳米
从图5.7看出， Si3N4P / Al2O3 纳米复合材料的硬度随温度变化的转折点，即脆性-韧性 转变温度比纯 Al2O3 提高了。
◆ 陶瓷基纳米复合材料，特别是氧化物系陶瓷基纳 米复合材料力学性能的明显改善大致可归结如下： （1）纳米级弥散相抑制了氧化物基体晶粒生长和减 轻了晶粒的异常长大，起到细晶强化作用。 （2）在弥散相内或弥散相周围存在高的局部应力， 这种应力是基体和弥散相之间热膨胀失配而产生的， 使冷却期间产生位错。纳米级离子钉扎或进入位错区 使基体晶粒内形成亚晶界 ，是基体晶粒再细化而起 增强作用。 （3）纳米级粒子在高温牵制位错运动，从而也能使 高温力学性能获得明显改善。
（2）晶须的强度和长径比远高于颗粒，因此晶须的增强效果要比颗粒显著。但无论是颗 粒增强，还是晶须增强，复合材料的强度是随增强体含量的增加而增加。见图5.11
10.2.3抗蠕变、抗疲劳性好
图5.14为 SiCW 晶须增强Al2O3陶瓷基纳米复合材料
1500℃的蠕变性能，从中可见，在相同的应力下，SiCW / Al2O3 纳米复合材料的蠕变速率比 Al2O3陶瓷要小。
陶瓷等。它们与纳米级第二相的界面粘结形式主要有两种： 机械粘结和化学粘结。强的界面粘结往往导致脆性破坏。在 断裂过程中，强的界面结合不产生额外的能量消耗。当界面 结合较弱时，基体中的裂纹扩展至晶须、纤维等处时，将导 致界面脱粘，其后发生裂纹偏转、裂纹搭桥、晶须及纤维断 裂，以致最后拔出。所有这些过程都要吸收能量，从而提高 陶瓷的断裂韧性。