第四章复合材料的制备-2015

1、1第四章第四章 复合材料的制备复合材料的制备四川大学材料科学与工程学院四川大学材料科学与工程学院周大利周大利2复合材料复合材料(Composite)(Composite) 复合材料是由两种或多种性质不同的复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。该类材料不或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。而且还可具有组分单独不具有的独特性能。3复合材料的组成复合材料的组成基体基体Matrix增强体增强体Rei

2、nforcement界面界面Interface4 复合材料分类复合材料分类1.1.复合材料按用途分为：复合材料按用途分为：结构复合材料：通过复合，显著改善材料结构复合材料：通过复合，显著改善材料的机械性能，主要用于结构零件。的机械性能，主要用于结构零件。功能复合材料：通过复合，显著改善材料功能复合材料：通过复合，显著改善材料的其他性能，形成多功能材料。的其他性能，形成多功能材料。2.2.按基体类型分为按基体类型分为树脂基复合材料树脂基复合材料RMCRMC（如玻璃钢，（如玻璃钢，Resin Resin Matrix CompositeMatrix Composite）, ,也称纤维增强塑料也称纤

3、维增强塑料（Fiber Reinforced PlasticsFiber Reinforced Plastics） ；橡胶基复；橡胶基复合材料（如轮胎）合材料（如轮胎）5金属基复合材料金属基复合材料MMC MMC （如纤维增强金属，（如纤维增强金属，Metal Matrix CompositeMetal Matrix Composite）陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料CMC CMC （如钢筋混凝土、（如钢筋混凝土、纤维增强陶瓷，纤维增强陶瓷，Ceramic Matrix Ceramic Matrix CompositeComposite）6 按增强材料分类：按增强材料分类： 纤维增强复合材料（连

4、续纤维增强纤维增强复合材料（连续纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强纤维）：复合材料、短纤维或晶须增强纤维）： 纤维增强橡胶（轮胎）、纤维增强塑料纤维增强橡胶（轮胎）、纤维增强塑料（玻璃钢、碳纤维增强塑料）、纤维增（玻璃钢、碳纤维增强塑料）、纤维增强陶瓷、纤维增强金属（碳纤维强陶瓷、纤维增强金属（碳纤维/ /铝锡合铝锡合金）等。金）等。 颗粒增强复合材料：陶瓷颗粒颗粒增强复合材料：陶瓷颗粒-金属基（硬质合金），金属颗粒金属基（硬质合金），金属颗粒-塑塑料基等。料基等。 7 叠层复合材料：如双金属板，叠层复合材料：如双金属板，夹层玻璃，多层板等。夹层玻璃，多层板等。 夹层结构复合材料：如多孔夹层结

5、构复合材料：如多孔性铁基和青铜基自润滑衬套。性铁基和青铜基自润滑衬套。8复合材料特点复合材料特点 (l)(l)可综合发挥各种组成材料的优点，使一种可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。性能和耐腐蚀性能。 (2)(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造，例如，针对方向性材料强度的设计，制造，例如，针对方向性材料

6、强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。 (3)(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序，例如，可避免金属产品的铸模、次加工工序，例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。切削、磨光等工序。9金属基复合材料的主要性能金属基复合材料的主要性能 (1)(1)高比强度、比模量高比强度、比模量 (2)(2)导热、导电性能导热、导电性能 (3)(3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好 (4)(4)良好的高温性能良好的高温性能 (5)(5)耐磨性好耐磨性好 (6)(6)良好的疲劳性能和断裂韧性良好的疲

7、劳性能和断裂韧性 (7)(7)不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好10陶瓷基复合材料的主要性能陶瓷基复合材料的主要性能 陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小，蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小，这些优异的性能是一般常用金属材料、这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的优高分子材料及其复合材料所不具备的优异性能，但陶瓷材料抗弯强度不高，断异性能，但陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。裂韧性低，限制了其作为结

8、构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或晶须增强当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。后，其高温强度和韧性可大幅度提高。11复合材料的复合原则与性能复合材料的复合原则与性能 基体材料和增强相的类型和性质及两基体材料和增强相的类型和性质及两者之间的结合力，决定其性能，增强相者之间的结合力，决定其性能，增强相的形状、数量、分布及制备过程等也影的形状、数量、分布及制备过程等也影响其性能。响其性能。12一、增强机制一、增强机制 (1)(1)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 (2)(2)纤维增强复合材料纤维增强复合材料 (3)(3)晶须增强复合材料晶须增强复合材料13二、复合

9、原则二、复合原则 纤维增强复合原则纤维增强复合原则1.1.纤维增强相是承载体，要求高的强度、弹纤维增强相是承载体，要求高的强度、弹性模量、热稳定性。性模量、热稳定性。2. 2. 基体起粘结剂作用，要求润湿性基体起粘结剂作用，要求润湿性( (对纤维对纤维) )、塑性和韧性及保护不损伤表面性。塑性和韧性及保护不损伤表面性。3. 3. 纤维和基体之间高而适合的结合强度。过纤维和基体之间高而适合的结合强度。过低的结合强度易裂，过高易脆断。低的结合强度易裂，过高易脆断。4. 4. 纤维增强相有合理的含量、尺寸和分布。纤维增强相有合理的含量、尺寸和分布。5. 5. 纤维和基体间不能有化学反应。纤维和基体间

10、不能有化学反应。14 细粒增强复合原则细粒增强复合原则1.1.颗粒应高度均匀弥散分布在基体中。颗粒应高度均匀弥散分布在基体中。2. 2. 颗粒大小应适当。一般几微米到几十颗粒大小应适当。一般几微米到几十微米，过大易裂，过小起不到强化作用。微米，过大易裂，过小起不到强化作用。3. 3. 颗粒的体积含量应在颗粒的体积含量应在2020以上，否则以上，否则达不到强化效果。达不到强化效果。4. 4. 颗粒与基体之间有一定的结合强度。颗粒与基体之间有一定的结合强度。15 由能承受载荷的由能承受载荷的增强体组元增强体组元（如玻璃、（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤

11、维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结织物、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增强体成为整体材料同时又起传力作用的的基体组元基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。璃、碳和水泥等）构成。结构复合材料主要作为承力结构结构复合材料主要作为承力结构使用的材料使用的材料16 结构材料通常按基体的不同分结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料等。材料和水泥基复合材料等。17 包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致包括

12、压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未未来的功能复合材料比重将超过结构复合材来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。料，成为复合材料发展的主流。 功能材料功能材料 是指除力学性能以外还提供其它物理、化是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。学、生物等性能的复合材料。18 未来复合材料的研究方向主未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复要集中在纳米复合材料、仿生复合材料和发展多功能、机敏、天合材料和发展

13、多功能、机敏、天然复合材料等领域然复合材料等领域。19a a、是玻纤增强、是玻纤增强PPPP的冲击试样的断口扫描电镜照片的冲击试样的断口扫描电镜照片（a a）是加入）是加入MPPMPP相相容剂的玻纤增强体容剂的玻纤增强体系，系，( a( a）中玻璃）中玻璃纤维与基体的结合纤维与基体的结合较好，纤维拔出较较好，纤维拔出较少少. .20 b b 是未加相容剂的玻纤增强体系。是未加相容剂的玻纤增强体系。从中可以看出，而从中可以看出，而（b b）中有大量的玻）中有大量的玻纤从基体中拔出，证纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较明与基体的粘接性较差，因而体系的力学差，因而体系的力学性能不高。性能不高。21

14、Figure Microstructure of an aluminum casting alloy reinforced with silicon carbide particles. In this case, the reinforcing particles have segregated to interdendritic regions of the casting ( 125). (Courtesy of David Kennedy, Lester B. Knight Cost Metals Inc.)22试样的冲击试样的断口扫描电镜的背散射电子图像试样的冲击试样的断口扫描电镜的

15、背散射电子图像 1250目CaCO3粒子/PP25002500目目CaCOCaCO3 3粒子粒子/PP/PP23GF/CFGF/CF不同的纤维种类不同的纤维种类24Composite materials configurationsMaterials: Glass/carbon/aramid fibres with thermoset/thermoplastic resinsArchitecture: Unidirectional tapes, woven, braided, chopped strand mat, pultruded, filament wound, RTM, injecti

16、on moulded/www.merl-ltd.co.uk/./ composites01.shtml 252627复合材料的特点复合材料的特点 1.1.可设计性可设计性 2.2.各相异性各相异性 3.3.一次成型一次成型 4.4.可制成各种形状可制成各种形状 5.5.能综合发挥各组分的优点，并具有多能综合发挥各组分的优点，并具有多种性能。种性能。28树脂基复合材料的性能特点树脂基复合材料的性能特点 树脂基复合材料作为一种复合材料，是由两树脂基复合材料作为一种复合材料，是由两个或两个以上的独立物理相，包含基体材料（树个或两个以上的独立物理相，包含基体材料（树脂）和增强材料所组成的一种固体产物。

17、树脂基脂）和增强材料所组成的一种固体产物。树脂基复合材料具有如下的特点：复合材料具有如下的特点：（1 1）各向异性（短切纤维复合材料等显各向）各向异性（短切纤维复合材料等显各向同性）；表征其复合后材料的性能。同性）；表征其复合后材料的性能。29 （2 2）不均质（或结构组织质地的不连续性）；）不均质（或结构组织质地的不连续性）；（3 3）呈粘弹性行为；）呈粘弹性行为；（4 4）纤维（或树脂）体积含量不同，材料的物）纤维（或树脂）体积含量不同，材料的物理性能差异；理性能差异；（5 5）影响质量因素多，材料性能多呈分散性。）影响质量因素多，材料性能多呈分散性。30聚合物基复合材料的主要性能聚合物基

18、复合材料的主要性能优点：优点：1.1.比强度、比模量高比强度、比模量高2.2.耐疲劳性好耐疲劳性好3.3.减震性好减震性好4.4.过载时安全性好过载时安全性好5.5.具有多种功能性具有多种功能性 耐烧蚀性、耐腐蚀性耐烧蚀性、耐腐蚀性好，高度的电绝缘，好，高度的电绝缘，良好的摩擦性，特殊良好的摩擦性，特殊的光学、电性能的光学、电性能6.6.良好的可加工性能良好的可加工性能缺点：缺点：1.1.使用温度低，耐高温使用温度低，耐高温性能差（性能差（300300度以下）度以下）2.2.材料强度一致性差材料强度一致性差3.3.耐老化性能差耐老化性能差31增强体的性能增强体的性能 增强体的种类繁多，下页表列

19、出了主要增增强体的种类繁多，下页表列出了主要增强体的主要参数。强体的主要参数。 增强体的特点是增强体的特点是高强度、高模量。高强度、高模量。增强体增强体直径较小直径较小，含有缺陷的机率少，所以保持了高，含有缺陷的机率少，所以保持了高强度、高模量的特性。用于航天、航天结构的强度、高模量的特性。用于航天、航天结构的复合材料的增强体密度一般都低。复合材料的增强体密度一般都低。32增强体的性能参数增强体的性能参数生产厂家生产厂家 商品名及牌号商品名及牌号直径直径 m m 密度密度 g/cmg/cm3 3抗拉强度抗拉强度 MPaMPa弹性模量弹性模量GPaGPaE E玻璃纤维玻璃纤维 915 915 2

20、.6 2.6 32323232 72 72日本东丽日本东丽 T 300 T 300 碳纤维碳纤维 7 7 1.761.763 5003 500230230日本东丽日本东丽T T一一1000 1000 碳纤维碳纤维5 5 1.821.8270607060294294日本东丽日本东丽M60J M60J 碳纤维碳纤维 5 51 941 94382038205885883M3M公司公司Nextel 480 A1Nextel 480 A12 2O O3 3纤纤维维10-1210-123.053.0522752275 224 224日本碳日本碳( (株株) )Nicalon SiC Nicalon SiC

21、 纤维纤维101510152.552.552450-29402450-2940167-176167-176美美AVCOAVCOSCS-6SiC SCS-6SiC 纤维纤维1401403 340004000400400法法SNPESNPEB B4 4C C 涂复钨芯硼纤维涂复钨芯硼纤维1401402.52.537003700400400美美Kevlar49 Kevlar49 芳纶纤维芳纶纤维12121.441.44176017606262 ( (原原) )苏联苏联 APMOC APMOC 芳纶纤维芳纶纤维1.431.4350005000150150W W丝丝131319.419.44020402

22、0407407钢丝钢丝13137.747.7441204120193193- SiC- SiC晶须晶须53.857000070000 6000 6000美杜邦公司美杜邦公司A1A12 2O O3 3晶须晶须20203.953.9537937933 基体材料的性能基体材料的性能分类分类名称名称拉伸强度拉伸强度杨氏模量杨氏模量抗弯强度抗弯强度聚聚合合物物聚丙烯聚丙烯3341 MPa3341 MPa1.2-1.4 GPa1.2-1.4 GPa41.455.1 41.455.1 MPaMPa尼龙尼龙666681.3 MPa81.3 MPa3.13.2 GPa3.13.2 GPa9

23、8107.8 MPa98107.8 MPaABSABS16.662MPa16.662MPa0.72.8 GPa0.72.8 GPa24.893 MPa24.893 MPa聚碳酸酯聚碳酸酯65.7 MPa65.7 MPa2.22.4 GPa2.22.4 GPa96103.9 MPa96103.9 MPa金金属属0808碳素钢碳素钢325 MPa325 MPa210 GPa210 GPa铸铁铸铁HT15-33HT15-33150 MPa150 MPa150160 GPa150160 GPa330 MPa330 MPa工业铝工业铝L4L4140 MPa140 MPa69 GPa69 GPa陶陶瓷瓷A

24、lAl2 2O O3 399.9%99.9%300 MPa300 MPa370 GPa370 GPa碳化钛碳化钛258 MPa258 MPa450 GPa450 GPa烧结烧结SiCSiC300 MPa300 MPa410 GPa410 GPa34 复合效应复合效应 复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。互作用、相互依存、相互补充的结果。 复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料不复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组分没但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组分没有

25、的性能。有的性能。 它表现为树脂基复合材料的性能在其组分材料基它表现为树脂基复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，性础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，性能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合之后能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不可避免某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不可避免的。的。 35 线性效应线性效应非线性效应非线性效应界面效应界面效应尺寸效应尺寸效应各向异性效应各向异性效应 复合效应复合效应 线性效应可细分为线性效应可细分为平均效应平均效应、平行效应、相补效应、平行效应、相补效应、相

26、抵效应。相抵效应。 非线性效应可细分为非线性效应可细分为乘积效应乘积效应、系统效应、诱导效应、系统效应、诱导效应、共振效应。共振效应。361 1、线性效应、线性效应（1 1）平均效应（混合效应）平均效应（混合效应） 复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该组分体积分数之加和。可用混合物定律描述：组分体积分数之加和。可用混合物定律描述： Kc = Kii Kc = Kii （串联模型）（串联模型） 1/Kc = i/Ki 1/Kc = i/Ki （并联模型）（并联模型）（2 2）平行效应）平行效应 复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基复合材

27、料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当。本相当。 Kc Ki Kc Ki 37（3 3）相补效应）相补效应 复合材料各组分复合后相互补充，弥补复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自的弱点，产生优异的综合性能。各自的弱点，产生优异的综合性能。 C = AC = AB B（4 4）相抵效应）相抵效应 复合材料各组分之间出现性能相互制约，复合材料各组分之间出现性能相互制约，使其性能低于混合物定律预测值。使其性能低于混合物定律预测值。 Kc KiiKc Kii38以下举例对其中的重要效应简单作一说明以下举例对其中的重要效应简单作一说明 平均效应又可称为加和效应平均效应又可称为加和效应(Mean

28、Properties)(Mean Properties)，反映，反映在复合材料的混合定则在复合材料的混合定则(Rule of Mixture)(Rule of Mixture)中。中。该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质产生的效果，即产生的效果，即式中式中 pp某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等PcPc复合材料的某一性质；复合材料的某一性质；PiPi原始原始i i材料的某一性质；材料的某一性质； 体积分数；体积分数；i Ni N种原始材料中第种原始材料中第i i种材料体积分数种材料体积分数

29、nn由实验确定，其范围为由实验确定，其范围为-1 n 1-1 n 1Niinicpp139Niinicpp1例题：例题：p(PA66) =81.3MPa, p(GF)=3232MPa, p(PA66) =81.3MPa, p(GF)=3232MPa, p(CF)=3500p(CF)=35001= 0.7 , 2=0.3 n=11= 0.7 , 2=0.3 n=1Pc1=81.3Pc1=81.30.7+32320.7+32320.3=1026.51 (MPa)0.3=1026.51 (MPa)Pc2=81.3Pc2=81.30.7+35000.7+35000.3=1106.91 (MPa)0.3

30、=1106.91 (MPa)40相补效应和相抵相应相补效应和相抵相应AB41非线性效应中，乘积效应非线性效应中，乘积效应(Product ProPcnMs(Product ProPcnMs）又叫传递特性，交叉耦合效应。又叫传递特性，交叉耦合效应。 例如对材料例如对材料X X输入时输出为输入时输出为Y Y，即一种转换功能材料，即一种转换功能材料Y/X(Y/X(如磁场压力的换能材料如磁场压力的换能材料) )；而；而Y Y又作为另一种材料的又作为另一种材料的第二次输入，产生输出第二次输入，产生输出Z Z，即为另一种换能材料，即为另一种换能材料Z ZY(Y(如电如电阻磁场转换材料阻磁场转换材料) )。

31、两种材料复合得出一新的机能材料，。两种材料复合得出一新的机能材料，即即Y YXZXZY YZ ZX(X(即电阻压力转换材料即电阻压力转换材料) )。 乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因为这种乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚至还可利用它效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。422 2、非线性效应、非线性效应相乘效应相乘效应（X/YX/Y） （Y/ZY/Z）=X/Z=X/ZA A组元性质组元性质X/YX/YB B组元性质组元性质Y/ZY/Z相乘性

32、质相乘性质X/ZX/Z压磁效应压磁效应压磁效应压磁效应磁致伸缩磁致伸缩热致变形热致变形磁阻效应磁阻效应电磁效应电磁效应压阻效应压阻效应压敏效应压敏效应压阻效应压阻效应压电效应压电效应磁阻效应磁阻效应热敏效应热敏效应43 当你在点燃煤气灶或当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电瓷上，使它产生

33、很高的电压，进而将电能引向燃气压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压陶瓷的这种功能就叫做压电效应。反之施加电压，电效应。反之施加电压，则产生机械应力，称为逆则产生机械应力，称为逆压电效应。压电效应。 44 原理上利用锆钛酸铅原理上利用锆钛酸铅PZTPZT压电陶瓷在电能与机械能之间相压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物机械振动而发射超声波，当超声波在空

34、气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。小障碍物，实用性相当强。 超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大

35、货车、矿山汽车等大型车辆。载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。 45由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能（或电磁信息）转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反转换成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）转换成电磁能（或也可以将机械能（或机械位移与信息）转换成电磁能（或电磁信息）。它是重要的能

36、量与信息转换功能材料。它在电磁信息）。它是重要的能量与信息转换功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。46复合材料的界面效应复合材料的界面效应 (1) (1)阻断效应阻断效应 (2)(2)不连续效应不连续效应 (3)(3)散射和吸收效应散射和吸收

37、效应 (4)(4)感应效应感应效应 (5)(5)界面结晶效应界面结晶效应 (6)(6)界面化学效应界面化学效应47复合材料的界面效应复合材料的界面效应(1)(1)阻断效应阻断效应 起到阻止裂纹扩展，中断材料破起到阻止裂纹扩展，中断材料破坏，减缓应力集中等。坏，减缓应力集中等。(2)(2)不连续效应不连续效应 在界面上引起的物理性质的不连在界面上引起的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、续性和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等磁性、耐热性、尺寸稳定性等(3)(3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击

38、波等在界面产生的散射和吸收，如透光性、隔击波等在界面产生的散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。热性、隔音性、耐冲击性等。48(4)(4)感应效应感应效应 在界面产生的感应效应，特别在界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力和由此而引起的现象，如是应变、内部应力和由此而引起的现象，如弹性、热膨胀性、抗冲击性和耐热性的改变弹性、热膨胀性、抗冲击性和耐热性的改变等。感应等。感应( (或诱导或诱导) )可以是一种物质可以是一种物质( (通常是增通常是增强物强物) )的表面结构使另一种的表面结构使另一种( (通常是聚合物基通常是聚合物基体体) )与之接触的物质的结构出了诱导作用而改与之接触

39、的物质的结构出了诱导作用而改变。变。(5)(5)界面结晶效应界面结晶效应 基体结晶时易在界面上形基体结晶时易在界面上形核，界面形核诱发了基体结晶。核，界面形核诱发了基体结晶。(6)(6)界面化学效应界面化学效应 基体与增强材料间的化学基体与增强材料间的化学反应，官能团、原子分子之间的作用。反应，官能团、原子分子之间的作用。49阻止裂纹的扩展阻止裂纹的扩展50不连续效应不连续效应电阻R1电阻R1电阻R251散射和吸收效应散射和吸收效应52界面化学效应界面化学效应ROM HOHOHOHM HOOHSiRSiH2ORM HOOHSi无机表面聚合物表面53丁达尔效应和光散射丁达尔效应和光散射 1869

40、1869年，英国科学家丁达尔发现了丁达尔效应。年，英国科学家丁达尔发现了丁达尔效应。光射到粒子上可以发生两种情况，一是当粒子直径大于入光射到粒子上可以发生两种情况，一是当粒子直径大于入射光波长很多倍时，发生光的反射；二是当粒子直径小于射光波长很多倍时，发生光的反射；二是当粒子直径小于入射光的波长时，发生光的散射，散射出来的光称为乳光。入射光的波长时，发生光的散射，散射出来的光称为乳光。 散射光的强度，随着颗粒半径增加而变化。悬（乳）散射光的强度，随着颗粒半径增加而变化。悬（乳）浊液分散质粒子直径太大，对于入射光只有反射而不散射；浊液分散质粒子直径太大，对于入射光只有反射而不散射；溶液里溶质粒子

41、太小，对于入射光散射很微弱，观察不到溶液里溶质粒子太小，对于入射光散射很微弱，观察不到丁达尔效应；只有溶胶才有比较明显的乳光，这时粒子好丁达尔效应；只有溶胶才有比较明显的乳光，这时粒子好像一个发光体，无数发光体散射的结果就形成了光的通路。像一个发光体，无数发光体散射的结果就形成了光的通路。 散射光的强度还随着粒子浓度的增大而增加，因此，散射光的强度还随着粒子浓度的增大而增加，因此，进行实验时，溶胶浓度不要太小。进行实验时，溶胶浓度不要太小。54丁达尔效应丁达尔效应55界面化学、扩散效应界面化学、扩散效应M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si M O Si 无无机机

42、介介质质扩散界面层扩散界面层偶联剂偶联剂高聚物高聚物化学键连接界面化学键连接界面56 从复合材料结构单元和尺度上讲，从复合材料结构单元和尺度上讲，把增强颗粒尺度为把增强颗粒尺度为1-50 m1-50 m的叫颗的叫颗粒增强复合材料，把粒增强复合材料，把0.01-1 m0.01-1 m尺尺度增强的叫分散强化度增强的叫分散强化( (弥散强化弥散强化) )复复合材料。而把亚微米至纳米级叫精合材料。而把亚微米至纳米级叫精细复合材料，其强化原理各不相同。细复合材料，其强化原理各不相同。 复合材料尺寸效应复合材料尺寸效应57 功能材料有时要在微米至纳米尺度上进功能材料有时要在微米至纳米尺度上进行复合。首先因

43、为在电、磁、声、光等领域行复合。首先因为在电、磁、声、光等领域中，功能材料的使用频率越来越高。中，功能材料的使用频率越来越高。电磁波电磁波和弹性波在媒质中传播时的波长非常小，仅和弹性波在媒质中传播时的波长非常小，仅为为500-5000 nm 500-5000 nm 。如果复合单元本身及其间如果复合单元本身及其间隔大于激励波长隔大于激励波长时，那么波在材料中传播时，那么波在材料中传播时特产生严重的散射或反常谐振，严重影响时特产生严重的散射或反常谐振，严重影响波的传播。在这种情况下，复合材料的优点波的传播。在这种情况下，复合材料的优点难以发挥。难以发挥。58 只有当尺度远小于激励波长只有当尺度远小

44、于激励波长时才能发挥复合结构所提供的优越性时才能发挥复合结构所提供的优越性能。也就是说，能。也就是说，材料的复合尺度应该在材料的复合尺度应该在 5-500 nm5-500 nm左右，实际上就是微米复合材左右，实际上就是微米复合材料或纳米复合材料，二者都可统称为精料或纳米复合材料，二者都可统称为精细复合材料。细复合材料。59 )(1LEXPF式中式中 F()-LF()-L长纤维在应力不超过长纤维在应力不超过时的破坏概率时的破坏概率; ;尺度参数；尺度参数；形状参数形状参数,和和均可由实验测出。均可由实验测出。用于增强的纤维强度离散性多为韦布尔用于增强的纤维强度离散性多为韦布尔(Weibull)(

45、Weibull)分布形式分布形式WeibullWeibull分布为分布为伽玛函数纤维的平均强度；式中（纤维的平均强度为)11()1L从以上公式可知，从以上公式可知，纤维破坏概率和纤维平均强度都与纤维的长纤维破坏概率和纤维平均强度都与纤维的长度度L L有关。有关。用纤维增强的复合材料的性能不仅与纤维的长度有用纤维增强的复合材料的性能不仅与纤维的长度有关，与纤维的长径比关，与纤维的长径比L/dL/d也有关，还与复合材料板的厚度有也有关，还与复合材料板的厚度有关。这些都是复合材料尺寸效应的体现。关。这些都是复合材料尺寸效应的体现。60常见复合材料常见复合材料一一. .玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料

46、-玻璃钢玻璃钢 增强剂：玻璃纤维（增强剂：玻璃纤维（SiOSiO2 2+ +其它氧化物）其它氧化物）, ,比强度和比模量高，耐高温，化学稳定性好，比强度和比模量高，耐高温，化学稳定性好，电绝缘性较好。电绝缘性较好。 热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢 粘结剂：热塑性树脂粘结剂：热塑性树脂尼龙、聚烯烃类、尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、聚苯乙烯类、( (热塑性聚脂，聚碳酸脂热塑性聚脂，聚碳酸脂) )机械机械性能、介电性能、耐热性和抗衰老性能较好性能、介电性能、耐热性和抗衰老性能较好61 (2)(2)热固性玻璃钢热固性玻璃钢 粘结剂粘结剂: :热固性树脂热固性树脂-酚醛树脂，酚醛树脂，环氧树脂（不饱和聚酯树脂，

47、有机硅树环氧树脂（不饱和聚酯树脂，有机硅树脂）脂） 性能：轻，比强度高性能：轻，比强度高( (高于铜合金高于铜合金和铝合金，有的高于合金钢和铝合金，有的高于合金钢) )，耐蚀性好，耐蚀性好, ,介电性能优越，成型性能良好介电性能优越，成型性能良好, ,刚度较差，刚度较差，易老化，易蠕变。易老化，易蠕变。 用途：玻璃纤维用途：玻璃纤维/ /尼龙尼龙轴承，轴轴承，轴承架，齿轮；玻璃纤维承架，齿轮；玻璃纤维/ /聚苯乙烯聚苯乙烯汽车汽车内装饰制品，机壳。内装饰制品，机壳。62二二. .碳纤维复合材料碳纤维复合材料增强剂：碳纤维（石墨）高强度、高弹性模增强剂：碳纤维（石墨）高强度、高弹性模量且量且20

48、002000以上保持不变；以上保持不变；-180-180不变脆。不变脆。(1)(1)碳纤维树脂复合材料碳纤维树脂复合材料 基体基体-环氧树脂，酚醛树脂，聚四环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯性能普遍优于玻璃钢；氟乙烯性能普遍优于玻璃钢； 用途：航天材料用途：航天材料-飞行器，火箭外飞行器，火箭外层材料，天线支架，壳体，机架层材料，天线支架，壳体，机架 , ,齿轮，轴齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器承，活塞，密封圈，化工容器63 (2)(2)碳纤维金属复合材料碳纤维金属复合材料 基体基体-金属金属( (主要为熔点较低的主要为熔点较低的金属或合金，如碳纤金属或合金，如碳纤/ /铝锡合金铝锡合金) )

49、 性能特点：接近于金属熔点仍有很性能特点：接近于金属熔点仍有很好的强度和弹性模量好的强度和弹性模量 用途：碳纤用途：碳纤/ /铝锡合金铝锡合金高强度高级高强度高级轴承轴承, ,其减磨性能优于铝锡合金。其减磨性能优于铝锡合金。642.2.硼纤维复合材料硼纤维复合材料增强剂：硼纤维增强剂：硼纤维-硼纤维沉积于钨丝硼纤维沉积于钨丝(1)(1)硼纤维树脂复合材料硼纤维树脂复合材料 基体基体环氧树脂，聚苯并咪唑，聚酰亚胺树脂环氧树脂，聚苯并咪唑，聚酰亚胺树脂 性能：抗压强度为碳纤维复合材料的性能：抗压强度为碳纤维复合材料的2 22.52.5倍，剪切倍，剪切强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，高疲劳强度强度

50、高，蠕变小，硬度和弹性模量高，高疲劳强度（340340390MN/m390MN/m2 2），耐辐射，化学稳定（水，有机溶剂，），耐辐射，化学稳定（水，有机溶剂，燃料，润滑剂），导热性能和导电性能好，硼纤维是半导燃料，润滑剂），导热性能和导电性能好，硼纤维是半导体。体。 应用：航空和宇航材料，如：翼面，仪表盘，转子，应用：航空和宇航材料，如：翼面，仪表盘，转子，叶片，直升机螺旋桨叶的传动轴等叶片，直升机螺旋桨叶的传动轴等65 (2)(2)硼纤维金属复合材料硼纤维金属复合材料 基体基体铝镁及其合金，钛及其合金铝镁及其合金，钛及其合金应用：航空、火箭应用：航空、火箭 性能：如铝基复合材料的强度、弹性

51、能：如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金和耐性模量、疲劳极限高于高强铝合金和耐热铝合金，比强度高于钢和钛合金。热铝合金，比强度高于钢和钛合金。66三三. .金属基复合材料金属基复合材料 金属和陶瓷组成的复合材料，属颗粒增金属和陶瓷组成的复合材料，属颗粒增强复合材料，又称金属陶瓷。强复合材料，又称金属陶瓷。硬质合金硬质合金 性能及应用：具有高硬度，高耐磨性，高的热性能及应用：具有高硬度，高耐磨性，高的热稳定性和抗氧化性。稳定性和抗氧化性。 适用于各种高速切削刀具，各种高温下工作的适用于各种高速切削刀具，各种高温下工作的耐磨件，如热拉丝模等。耐磨件，如热拉丝模等。671.1.钨钴

52、类硬质合金钨钴类硬质合金由钴由钴CoCo和碳化钨和碳化钨WCWC压制压制烧结而成烧结而成 牌号：牌号：YG+CoYG+Co的百分含量，如：的百分含量，如：YG3YG3、YG6YG6、YG8YG8。CoCo的含量越高，其韧性越好。的含量越高，其韧性越好。 性能特点性能特点高硬度，高耐磨性，韧性较好。高硬度，高耐磨性，韧性较好。 用途用途制作切削铸铁、有色金属和非金属材料等脆制作切削铸铁、有色金属和非金属材料等脆性材料的刀具。如：性材料的刀具。如：YG8YG8刀具适合粗加工铸铁，刀具适合粗加工铸铁，YG3YG3适合适合精加工铸铁，精加工铸铁，YG6YG6适合半精加工铸铁。适合半精加工铸铁。682.

53、2.钨钛钴类硬质合金钨钛钴类硬质合金由钴由钴CoCo和碳化钨和碳化钨WCWCTiCTiC压制烧结而成压制烧结而成 牌号：牌号：YT+TiCYT+TiC的百分含量，如：的百分含量，如：YT5YT5、YT15YT15、YYT30YYT30。TiCTiC含量越高，其韧性越好。含量越高，其韧性越好。 性能特点性能特点硬度高于硬度高于YGYG类，韧性，强度略低于类，韧性，强度略低于YGYG类。类。 用途用途制作切削各种钢的刀具。如：制作切削各种钢的刀具。如：YT5YT5刀具刀具适合粗加工钢，适合粗加工钢，YT15YT15适合精加工钢，适合精加工钢，YTYT适合半精加适合半精加工钢。工钢。693.3.钨钛

54、钽钴类硬质合金钨钛钽钴类硬质合金由由钴钴CoCoWCWCTiCTiCTaCTaC压制烧结而成压制烧结而成 牌号：牌号：YW YW 如：如：YW1 YW1 和和 YW2 YW2 性能特点性能特点兼具兼具YGYG，YTYT优点，又称通用硬质合优点，又称通用硬质合金及万能硬质合金。金及万能硬质合金。 用途用途制作切削耐热钢及合金等难加工材料的制作切削耐热钢及合金等难加工材料的刀具。刀具。70树脂基复合材料的制备方法树脂基复合材料的制备方法 复合材料及其制件的成型方法，是根据复合材料及其制件的成型方法，是根据产品的外形、结构与使用要求，结合材料的产品的外形、结构与使用要求，结合材料的工艺性来确定的。已

55、在生产中采用的成型方工艺性来确定的。已在生产中采用的成型方法有：手糊成型法有：手糊成型湿法铺层成型；真空袋湿法铺层成型；真空袋压法成型；压力袋成型；树脂注射和树脂传压法成型；压力袋成型；树脂注射和树脂传递成型；喷射成型；真空辅助树脂注射成型；递成型；喷射成型；真空辅助树脂注射成型；夹层结构成型；模压成型；注射成型；挤出夹层结构成型；模压成型；注射成型；挤出成型；纤维缠绕成型；拉挤成型；连续板材成型；纤维缠绕成型；拉挤成型；连续板材成型；层压或卷制成型；热塑性片状模塑料成型；层压或卷制成型；热塑性片状模塑料热冲压成型；离心浇铸成型等。热冲压成型；离心浇铸成型等。71手糊工艺手糊工艺 手糊工艺是聚

56、合物基复合材料制造中最早手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程如下：采用和最简单的方法。其工艺过程如下：72手糊工艺优缺点手糊工艺优缺点 优点：优点：(1)(1)手糊成型不受产品尺寸和形状限制，手糊成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产。适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产。(2)(2)设备简单、投资少、设备折旧费低。设备简单、投资少、设备折旧费低。(3)(3)工艺简工艺简便。便。(4)(4)易于满足产品设计要求，可以在产品不易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料。同部位任意增补增强材料。(5)(5)制品树脂含量较制品

57、树脂含量较高，耐腐蚀性好。高，耐腐蚀性好。 缺点：生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件缺点：生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差；产品质量不易控制，性能稳定性不高；产品差；产品质量不易控制，性能稳定性不高；产品力学性能较低。力学性能较低。73原料的选择原料的选择 (l)(l)聚合物基体的选择：聚合物基体的选择： 能在室温下凝胶、固能在室温下凝胶、固化。并在固化过程中无低分子物产生。化。并在固化过程中无低分子物产生。能配制能配制成粘度适当的胶液，适宜手糊成型的胶液粘度为成粘度适当的胶液，适宜手糊成型的胶液粘度为0.2-0.5Pa0.2-0.5Pa. .s s。无毒或低毒。无毒或低毒。价格便宜。

58、价格便宜。 (2)(2)增强材料的选择：手糊成型工艺用量最多的增强材料的选择：手糊成型工艺用量最多的增强材料是玻璃纤维及其织物，如无碱纤维、中增强材料是玻璃纤维及其织物，如无碱纤维、中碱纤维、有碱纤维、玻璃纤维无捻粗纱、短切纤碱纤维、有碱纤维、玻璃纤维无捻粗纱、短切纤维毡、无捻粗纱布、玻璃纤维细布和单向织物等。维毡、无捻粗纱布、玻璃纤维细布和单向织物等。少量有碳纤维、芳伦纤维和其他纤维。少量有碳纤维、芳伦纤维和其他纤维。74 (3)(3)脱模剂的选择：手糊成型用的是外脱模剂的选择：手糊成型用的是外脱模剂，常用的外脱模剂有：脱模剂，常用的外脱模剂有： a a薄膜型脱模剂：主要有聚醋薄膜，薄膜型脱

59、模剂：主要有聚醋薄膜，聚乙烯醇薄膜，玻璃纸等，其中聚醇聚乙烯醇薄膜，玻璃纸等，其中聚醇薄膜用量较大薄膜用量较大 b b混合溶液型脱模剂：此类脱模剂中混合溶液型脱模剂：此类脱模剂中聚乙烯醇溶液应用最多。聚乙烯醇溶液应用最多。 c c蜡型脱模剂：蜡型脱模剂使用方便，蜡型脱模剂：蜡型脱模剂使用方便，省工省时省料，脱模效果好，价格也省工省时省料，脱模效果好，价格也不高，因此得到最广泛的应用。不高，因此得到最广泛的应用。75手糊成型模具的设计与制造手糊成型模具的设计与制造 是手糊成型工艺中唯一的重要设备，合理是手糊成型工艺中唯一的重要设备，合理设计和制造模具是保证产品质量和降低成本的设计和制造模具是保证

60、产品质量和降低成本的关键。手糊成型模具分单模和对模两类。单模关键。手糊成型模具分单模和对模两类。单模又分阳模和阴模两种，如图所示。又分阳模和阴模两种，如图所示。76原材料准备原材料准备 (1)(1)胶液准备胶液准备 胶液的工艺性主要指胶液粘度和凝胶胶液的工艺性主要指胶液粘度和凝胶时间：时间： 胶液粘度表征流动特性，对胶液粘度表征流动特性，对手糊作业影响大；手糊作业影响大；凝胶时间指在一凝胶时间指在一定温度条件下，树脂中加入定量的引定温度条件下，树脂中加入定量的引发剂、促进剂或固化剂，从粘流态失发剂、促进剂或固化剂，从粘流态失去流动性，变成软胶状态的凝胶所需去流动性，变成软胶状态的凝胶所需的时间