《仿生材料学基础》课件 第三章 复合材料

仿生材料学基础——复合材料基础12课程回顾1.绪论识记性知识点2.材料学基础（1）原子结构与键合（2）晶体学基础（3）相图3.复合材料基础4.生物材料基础5.仿生设计本次授课重点3课程要求教学目的与要求：明确复合材料的定义及研究内容了解复合材料发展的历史了解复合材料的热点研究领域及其进展教学重点、难点：解析复合材料的内涵及其主要研究内容之间的内在联系以及复合材料制备的方法教学方式及学时：讲授、4学时4课程内容复合材料的基本概念与分类方法复合材料的结构特征与性能特点复合材料设计方法复合材料的加工生产方法12345复合材料的基本概念与分类方法复合材料的基本概念复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织相的物体，通过物理或化学的方法，在宏观上组成新性能的材料。一定数量比（配比）两种/以上的组分/组元（组成）人工复合（方法）各相间有明显的界面、具有特殊性能的新材料（要求）异质、异性、异形连续相的基体分散相的增强体材料6复合材料概念的解释①复合材料应该是多相体系②多相的组合必须有复合效果复合材料“1+1>

2”复合材料纳米复合材料复合材料中分散相尺度向微细化方向进展两种或两种以上不同材料的组合，而在组合中要使二者的性能发挥到极致其组元之一至少在一维是纳米尺度。维数：纳米颗粒、纳米纤维、纳米板等7复合材料概念的解释广义定义：由两个或多个物理相组成的固体材料，包括气体为一相的材料纤维增强聚合物钢筋混凝土泡沫塑料狭义定义：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等增强塑料、金属和陶瓷材料碳纤维增强铝基复合材料碳纤维增强碳化硅复合材料8复合材料的命名根据增强材料与基体材料的名称来命名（1）强调基体时则以基体为主，如：树脂基复合材料、金属基复合材料（metal-matrixcomposites，MMCs）、陶瓷基复合材料（ceramic-matrixcomposites，CMCs）等（2）强调增强材料则以增强材料为主，如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料等。（3）基体与增强材料并用，常用于一种具体复合材料，如：碳纤维增强环氧树脂树脂复合材料。简化时常常写成“碳/环氧复合材料”，即在增强材料与基体材料两个名称之间加以斜线，而后加复合材料9复合材料的发展历史远古的复合材料（距今5000年）陕西半坡遗址——半地穴式房屋用树枝捆绑成围墙，内外抹上草泥10复合材料的发展历史春秋时期（距今约2500年）越王勾践剑吴王夫差矛采用两次铸造技术在其刃部复合一层含锡量较高的青铜，并在锡青铜的表面涂覆一层硫化铜（含铬和镍）制成花纹，使其内柔外刚，刚柔相济，可看成最早的包层金属复合材料11复合材料的发展历史中国漆器的巅峰时代——汉代漆器夹纻胎（两汉中期以后）以木或泥做成内胎，再以涂漆灰的麻布等裱糊若干层，干实后，去掉内胎，最后在麻布壳上髹漆。12近代的复合材料以1942年制出的玻璃纤维增强塑料为起点复合材料的发展历史第一阶段：1940~1960年，以玻璃纤维增强塑料复合材料为标志。不饱和聚酯玻璃纤维=玻璃钢13第二阶段：1960~1980年，主要以碳纤维、kevler纤维增强环氧树脂复合材料为标志，并被用于飞机、火箭的主要承力件上。碳/凯夫拉纤维环氧树脂=飞机结构件复合材料的发展历史14复合材料的发展历史第三阶段：1980~1990年，主要以纤维增强铝基复合材料为标志我国：氧化铝纤维增强铝基复合材料碳纤维金属基体=航空航天结构件15复合材料的发展历史第四阶段：1990年至今，主要以多功能复合材料为主，如智能复合材料、功能梯度复合材料等结构功能一体化：隐身飞机智能材料：能够自我组装的材料16复合材料的发展方向（1）功能复合材料过去的复合材料主要集中在结构应用，目前，充分利用复合材料设计自由度大的特点，已拓展到功能复合材料领域，具体如下：1）电功能：有导电、超导、绝缘、吸波（电磁波）、半导体，电屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等。2）磁功能：有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等。3）光功能：有透光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、X线屏蔽和透X光等。4）声功能：有吸声、声纳、抗声纳等。5）热功能：有导热、绝热与防热、耐烧蚀、阻燃、热辐射等。6）机械功能：有阻尼减震、自润滑、耐磨、密封、防弹装置等。7）化学功能：有选样吸附和分离、抗腐蚀等。（2）多功能复合材料充分运用复合材料的多样性，发展多功能复合材料，甚至功能与结构复合的新型复合材料，如隐身飞机的蒙皮采用了吸收电磁波的功能复合材料，而其本身又是高性能的结构复合材料。多功能复合材料是复合材料发展的方向之一。17复合材料的发展方向（3）机敏复合材料机敏材料是指具有传感功能的材料与具有执行功能的材料通过某种基体复合在仪器的功能复合材料。当连接外部功能处理系统，可把传感器给出的信息传达给执行材料，使之产生相应的动作，从而构成机敏复合材料系统。机敏复合材料可实现自诊断、自适应和自修复，广泛应用于航空、航天、建筑、交通、卫生、水利、海洋等领域。（4）智能复合材料智能复合材料是在机敏复合材料的基础上增加了人工智能系统，对传感信息进行分析、决策，并指挥执行材料做出相应的优化动作。显然，智能复合材料对传感材料和执行材料的灵敏度、精确度和响应速度均提出了更高的要求，是功能复合材料发展的最高境界。（5）仿生复合材料依靠大自然的进化，万事万物基本上是复合结构的物质，且结构非常合理，可以认为是最佳选择，这也是符合材料研究的重要参考对象。例如：贝壳是由无机成分与有机成分呈层状交替叠层而成，具有很高的强度和韧性；竹子结构也是一种典型的复合结构，表层为篾青，纤维外密内疏，并呈反螺旋分布。18（6）纳米复合材料纳米复合材料是复合材料的研究热点之一，包括有机-无机纳米复合材料和无机-无机纳米复合材料两大类。有机-无机纳米复合材料又分为三种：①共价键型：采用凝胶溶胶法制备，无机组分硅或金属烷基化合物经水解、缩聚等反应形成硅或金属氧化物的纳米粒子网络，有机组分以高分子单体引入网络，原位聚合形成；②配位键型：是将功能无机盐溶于带配合基团的有机单体中，使之形成配位键，然后进行聚合，形成纳米复合材料；③离子型：是通过对无机层状物插层制得，层状硅酸盐的片层之间表面带负电，先用阳离子交换树脂借助静电吸引作用进行插层，而该树脂又能与某些高分子单体或熔体发生作用，从而形成纳米复合材料。无机-无机纳米复合材料一般采用原位反应法制得，如通过原位反应在陶瓷基或金属基体中反应产生无机纳米颗粒，制备无机-无机纳米复合材料。（7）分级结构复合材料分级结构尚无统一的定义，一般是指不同尺度或不同形态的多相物质相对有序排列所形成的结构。该结构常见于大自然中，如蜘蛛网、竹子、树木等，目前，分级结构已被应用于制备生物材料、高分子材料和陶瓷材料。而如何组件分级结构，形成新型结构复合材料是复合材料研究的最新方向。复合材料的发展方向19复合材料的性能特点复合材料可由单一增强材料和基体材料组成。它是由各种组成材料取长补短复合而成的具有各种材料综合性能的新材料，其性能一般由组成的增强材料和基体材料的性能以及它们之间的界面决定，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。复合材料的共同特性如下：（1）比强度高，比刚度大；（2）成型工艺性能好；（3）材料性能可以设计；（4）抗疲劳性能好；（5）破坏安全性能好；（6）减震性能好；（7）高温性能好、抗蠕变能力强；（8）耐腐蚀性好。复合材料还存在一些缺点，如断裂伸长较小，抵抗冲击载荷的能力低，成本高，价格贵，可靠性相对较差。20复合材料的主要用途航空航天：飞机的垂直尾翼、水平安定面、方向舵、副翼、机身、机翼蒙皮等，火箭发动机壳体等。交通运输：鱼雷快艇、扫雷艇、救生艇、游船等，汽车的车身、仪表盘、车门、座椅等，火车的车箱、车门窗、座椅等。房屋建筑：卫生洁具、冷却塔、波形瓦、通风管道等。电子工业：绝缘线路板、绝缘器材等。机械工业：各种机械部件等。风力发动机叶片。化工设备：管道、泵、风机、容器、反应釜等。体育器材：撑杆、弓箭、赛车、赛艇、滑板、球拍、钓鱼杆等。21复合材料的分类方法按性能高低分按用途分按基体材料种类分按增强材料种类分按增强材料形状分复合材料分类

常用（普通）复合材料

先进复合材料

聚合物基复合材料

金属基复合材料

陶瓷基复合材料

石墨基复合材料（碳碳复合材料）

混凝土基复合材料

热固性

热塑性

橡胶结构复合材料功能复合材料智能复合材料颗粒增强晶须增强纤维增强随机分布择优分布零维（颗粒状）一维（纤维状）二维（片状或平面织物状）三维（三向编织体）单层复合材料多层复合材料长纤维短纤维层板复合混杂复合22复合材料的界面基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域（几纳米到几微米的多层结构过渡区域）复合材料的界面:相与相之间的交界区域（相邻两结晶空间的交界面）其中一个相为气体；（液体和固体与其饱和蒸汽之间的界面）界面表面1、外力场2、基体3、基体表面区4、相互渗透区5、增强剂表面区6、增强剂

复合材料的界面示意图

23复合材料的界面效应（1）传递效应：界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相，起到基体和增强相之间的桥梁作用。（2）阻断效应：基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。界面是复合材料的特征界面的机能归纳为以下几种效应：裂纹偏转现象24（3）不连续效应：界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、磁场尺寸稳定性等。电阻R1电阻R2电阻R1（4）散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。复合材料的界面效应25（5）诱导效应：一种物质（通常是增强剂）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。ROMHOHOHOHMHOOHSiRSiH2ORMHOOHSi无机表面聚合物表面复合材料的界面效应26复合材料的界面结合方式分类(1)机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹靠机械连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。(2)溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。(3)反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体和增强材料结合在一起。(4)交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。(5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。27液体取代固体表面上的空气（一种流体置换表面上的另一种流体的过程）。润湿:失去一个液-气和固-气界面，形成固-液界面粘附润湿浸渍润湿固体表面润湿铺展润湿液滴于固体表面上在恒温恒压条件下，液滴在固体表面自动铺展，形成液膜的过程固-气界面变为固-液+液气界面固体浸入到液体中气-固界面变为液-固界面复合材料的界面理论28复合材料的界面理论界面润湿理论：①表面层分子能量>内部分子能量润湿性表面能②固液接触形成界面发生降低表面能的吸附现象液体在固体表面铺展现象润湿29复合材料的界面理论接触角：液体润湿固体的情况（自固液界面经液体内部到气液界面间的夹角）当

>90º，液体不润湿固体；当

=180º,固体表面完全不能被液体润湿；当

<90º，液体润湿固体；当

=0º，液体完全平铺在固体表面。接触角随温度、保持时间、吸附气体等而变化。界面润湿理论：液滴在固体表面的不同润湿情况30复合材料的界面理论界面润湿理论：基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。界面产生空隙，引起缺陷和应力集中，降低界面强度提高界面强度，甚至优于基体的内聚强度浸润不良完全浸润

=（

F/

A）TV

为表面张力；F为自由能；A为面积；T和V分别为温度和体积表面张力：从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系温度和体积不变的情况下，自由能随表面积增加的增量31复合材料的界面理论表面张力可以理解为系统增加单位面积时所需要做的可逆功，也可理解为表面能。（1）高表面能材料的表面张力远大于一般液体的表面张力，一般液体均可在高表面能表面铺展润湿。（2）低表面能材料，只有表面张力等于或小于固体表面张力值的液体才能在该固体表面润湿。与构成表面材料本身的物理化学特性有关影响固体表面润湿性的因素与表面形貌也结构有关与外部条件如温度有关32机械作用理论：当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。静电理论：当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效复合材料的界面理论33化学键理论：在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合。在理论上可获得最强的界面粘结能（210-220J/mol）。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，从而形成反应结合或扩散结合。复合材料的界面理论34课堂小结复合材料的基本概念与分类方法1复合材料的概念树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳/碳复合材料复合材料的分类复合材料的界面复合材料的界面效应复合材料的界面理论35复合材料树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳/碳复合材料复合材料的分类方法36复合材料的结构特征与性能特点金属基复合材料的定义金属及其合金一种或几种金属或非金属基体增强相铝、镁、钛、镍及其合金碳化硅晶须氮化硅晶须碳化硼晶须硼纤维、碳（石墨）纤维碳化硅纤维、氧化铝纤维钨丝、铍丝、不锈钢丝碳化硅颗粒氧化铝颗粒碳化硼颗粒晶须颗粒纤维37金属基复合材料的特性复合材料的结构特征与性能特点

性能材料密度/（g/cm3）抗拉强度/（103MPa）弹性模量/（103MPa）比强度/104（N•m•kg-1）比模量/104（N•m•kg-1）钢7.81.032.10.1327铝2.80.470.750.1727玻璃钢2.01.060.40.5320高强碳纤维-环氧1.451.51.41.0397硼纤维-铝2.651.02.00.3875几型复合材料性能比较38金属基复合材料的特性复合材料的结构特征与性能特点例：连续纤维增强金属基复合材料。承载作用的纤维在高温下具有高强度，高温性能可保持到接近金属熔点，并高于金属基体的高温性能。（1）良好的导热、导电能力高导热性增强相：使金属基复合材料热导率高于纯金属基体（2）热膨胀系数小、尺寸稳定性好所涉及的增强相热膨胀系数小，模高量。如：高模量、负热膨胀系数的石墨纤维（3）良好的高温力学性能39金属基复合材料的特性复合材料的结构特征与性能特点性质稳定，不存在老化、分解、吸潮、性能自然退化等问题，不会分解出低分子物质污染仪器和环境。（4）良好的耐磨性（陶瓷）陶瓷材料硬度高、耐磨、化学性能稳定，提高了复合材料的强度、刚度、硬度、耐磨性（5）良好的抗疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强相分布及其与金属基体的界面结合状态最佳的界面状态既可有效传递载荷，又能阻止裂纹扩展。（6）良好的耐久性40复合材料的结构特征与性能特点无机非金属基复合材料陶瓷基复合材料碳基复合材料玻璃基复合材料水泥基复合材料使用温度高温陶瓷基复合材料以多晶陶瓷为基体耐受温度为1000～1400℃低温陶瓷基复合材料以玻璃及玻璃陶瓷为基体耐受温度在1000℃以下41复合材料的结构特征与性能特点优点：热膨胀系数低、导热好、耐热冲击、抗蠕变优异等优异特性缺点：碳碳复合材料中的孔隙与显微裂纹可明显降低其力学强度和

抗氧化性能碳基复合材料碳碳纤维基体增强相碳纤维基体碳碳纤维/基体碳界面层纤维裂纹和孔隙构成42复合材料的结构特征与性能特点陶瓷基复合材料高性能陶瓷基体增强相玻璃陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等高模量碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、a-Al0纤维、金属丝、碳化硅晶须、SiN晶须、颗粒等通过颗粒增强、微裂纹增韧、晶须增强及纳米强韧化等作用，形成异相颗粒弥散强化陶瓷复合材料优点：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、耐磨损、耐腐蚀、热膨

胀系数和比重小、韧性大缺点：陶瓷材料脆性大的弱点43复合材料的结构特征与性能特点陶瓷基复合材料类型汇总表增强体形态（材料名称）基体材料种类（材料名称）最高使用温度（K）颗粒（陶瓷、金属）晶须（陶瓷）纤维（连续、短纤维）（陶瓷、高熔点金属）结构复合式

（叠层、梯度）（按设计要求选择材料）玻璃：SiO2等玻璃陶瓷：LAS、MAS、CAS氧化物陶瓷：Al2O3,MgO,ZrO2,Mullite非氧化物陶瓷碳化物：B4C,SiC,TiC,ZrC,Mo2C,WC氮化物：BN,AlN,Si3N4,TiN,ZrN硼化物：AlB2,TiB2,ZrB2水泥硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等

1100

1650

860

130044复合材料的结构特征与性能特点

氧化物陶瓷性能氧化铝耐热、耐腐蚀、耐磨二氧化锆高断裂韧性、绝热堇青石(Mg2Al4Si5O18)低膨胀系数、极好的抗热震性钛酸铝低膨胀系数、绝热、极好抗热震性莫来石耐热、耐腐蚀氧化物复合材料高断裂韧性、高强度

非氧化物陶瓷性能氮化硅高断裂韧性、高强度、极好抗热震性、耐磨损六方氮化硼耐磨蚀、极好抗热震性、极好润滑性立方氮化硼非常高的硬度、极好的热传导体氮化铝耐热、高热传导体碳化硅耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体复合陶瓷高断裂韧性、高强度陶瓷基体材料45复合材料的结构特征与性能特点陶瓷基复合材料46复合材料的结构特征与性能特点玻璃基复合材料玻璃材料基体增强相硼硅玻璃、铝硅玻璃和高硅玻璃陶瓷、碳、金属等材料的纤维、晶须、晶片玻璃陶瓷（微晶玻璃）玻璃是典型的脆性材料，强度、韧性和断裂应变很小，引入补强增韧的纤维、晶须或第二相硬质颗粒构成玻璃基复合材料可有效改善基体力学性能。47复合材料的结构特征与性能特点水泥基复合材料硅酸盐水泥基体增强相硼硅玻璃、铝硅玻璃和高硅玻璃耐碱玻璃纤维、通用合成纤维、各种陶瓷纤维、碳和芳纶等高性能纤维、金属丝、天然植物纤维、矿物纤维填料、化学助剂和水缺点：易脆性破坏抗拉强度低（只有抗压强度的1/20～1/10）解决的方法：加入粗、细骨料（如沙和卵石等）制成混凝土以提高水泥的强度和韧性。但随着混凝土强度的提高，脆性会更为明显。48复合材料的结构特征与性能特点聚合物基体增强相颗粒、纤维、晶须、层片状聚合物基复合材料层片增强相：云母、玻璃及金属等优点：密度小、比强度高、比模量大、疲劳强度高、界面吸振性高，振动阻尼高、良好的可设计性及加工工艺性、具有阻燃、绝缘、耐磨、耐腐蚀性。缺点：耐高温性能、耐老化性能及材料性能均一性较低塑料、橡胶和纤维49复合材料的结构特征与性能特点聚合物基复合材料

性能材料密度/（g/cm3）抗拉强度/（103MPa）弹性模量/（103MPa）比强度/104（N•m•kg-1）比模量/104（N•m•kg-1）钢7.81.032.10.1327铝2.80.470.750.1727玻璃钢2.01.060.40.5320高强碳纤维-环氧1.451.51.41.0397硼纤维-铝2.651.02.00.3875几型复合材料性能比较50课堂小结2复合材料的结构特征与性能特点陶瓷基复合材料碳基复合材料玻璃基复合材料水泥基复合材料金属基复合材料聚合物基复合材料51作业与预习作业：（1）复合材料定义（2）何为复合材料的“界面”（3）举例复合材料界面效应（4）何为复合材料界面润湿性并举例界面理论（5）着重讲的复合材料分类及特点预习：简述其典型材料复合材料的制备方法52复合材料的加工生产方法金属基复合材料制备技术要求如连续纤维的分布及方向；一定的体积分数等；颗粒、晶须、短纤维等均匀分布于基体中（1）制造过程中要使增强相按设计要求在金属基体中均匀分布。（2）不能使增强材料和基体材料的原有性能下降特别是不能对高性能增强材料(如连续纤维)造成损伤，应该力图使它们的优点叠加和互补（3）尽量避免增强材料和金属基体之间各种不利的化学反应发生如基体的氧化，要求通过合理选择工艺参数得到合适的界面结构和性能，充分发挥增强材料的增强效果，以便保持金属基复合材料组织性能的稳定（4）工艺简单，适于批量生产，尽可能直接制成近终形状和尺寸

的金属基复合材料零件53复合材料的加工生产方法金属基复合材料制备难点（1）制备温度选择难度大（2）界面反应难以控制54复合材料的结构特征与性能特点（3）基体与增强相间润湿性差，甚至在制备温度下完全不润湿（4）将增强材料按照设计要求、方向均匀分布于基体中比较困难金属基复合材料制备难点55复合材料的结构特征与性能特点金属基复合材料工艺过程要考虑的因素56复合材料的结构特征与性能特点类别制造方法适用体系典型复合材料产品增强材料基体材料固态法粉末冶金法SiC、Al2O3、B4C等颗粒、晶须、短纤维Al、Cu、Ti等金属SiCp/Al、SiCw/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等零件、板、铸锭等热压法B、SiC、C（Gr）、WAl、Cu、Ti等耐热金属B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等零件、管、板等热等静压法B、SiC、WAl、Ti、超合金B/Al、SiC/Ti管挤压+拉拔轧制法-AlC/Al、Al2O3/Al棒、管液态法挤压铸造法纤维、晶须、Al2O3、SiC2、C、SiCpAl、Zn、Mg、Cu等SiCp/Al、SiCw/Al、C/Al、C/Mg、Al2O3/Al、SiO2/Al等零件、板、铸锭真空压力浸渗法各类纤维、晶须、颗粒Al、Mg、Cu、Ni基合金等C/Al、Cu/Al、C/Mg、SiCp/Al、SiCw+SiCp/Al等板、铸锭、坯料搅拌法颗粒、短纤维Al、Zn、Mg铸锭、锭坯共沉积法Al2O3、SiCp、B4C、TiC等颗粒Al、Ni、Fe等金属SiCp/Al、Al2O3/Al板、铸锭等真空铸造法Al2O3、C连续纤维Al、Mg铸锭、锭坯等零件其他方法反应自生法Al、Ti铸件电镀及化学镀法SiCp、B4C、Al2O3颗粒、碳纤维Ni、Cu表面复合层热喷镀法颗粒、SiCp、TiCNi、Fe管、棒57复合材料的结构特征与性能特点58复合材料的结构特征与性能特点烧结烧成一般是指固体粉末成型体在低于其熔点温度下加热，使物质自发地填充颗粒间隙而致密化并最终成型的过程。固体粉末成型体在低于其熔点温度下加热时发生的一系列物理化学反应过程。烧结是烧成过程中的物理变化。热压法加热的同时加压，烧结制品的方法。59复合材料的结构特征与性能特点为什么“尽量避免界面反应？”以陶瓷增强金属基复合材料为例，为了获得良好界面结合强度，提高复合材料综合性能，制备温度通常接近或高于金属基体熔点，金属处于熔化或半固态，陶瓷在高温下发生溶解，界面处会出现因界面反应而生成界面反应层，陶瓷本身较脆，界面产物呈现脆性，当界面反应程度较大时，削弱了陶瓷增强作用；界面反应程度较小时，界面润湿性较差，载荷传递作用变小，界面结合强度小。界面反应是需要适时控制的。60复合材料的结构特征与性能特点陶瓷基复合材料制备考虑因素挥发性熔点密度弹性模量热膨胀系数蠕变特性强度断裂韧性基体与增强相之间的相容性化学稳定性热相容性环境相容性61复合材料的结构特征与性能特点陶瓷基复合材料的制备工艺优点：操作简单，生产率高，易于自动化。缺点：成型时粉料容易发生团聚，使坯体内部密度不均匀，形状

精度差，且对模具质量要求高。（1）模压成型62复合材料的结构特征与性能特点模压成型原理63复合材料的结构特征与性能特点模压成型优点：模压成型缺点：（1）构造简单，制造成本及后期维护费用低（2）模具结构较简单，制造成本低，维修方便（3）制品的机械性能稳定（4）适应性广（5）原料成本相对低廉（1）一般适合于生产中小型制品（2）制品易产生飞边，后期需要修边（3）制品厚度方向的尺寸控制较难（4）生产周期长，生产效率低（5）只适合制造形状简单的制品64复合材料的结构特征与性能特点压力与温度同时作用于粉体，加快了粉体的致密化速度，使得产品的致密度更高，同时晶粒尺寸也更小。热压工艺制备增强纤维均匀排列在基体中的混合料混合料的热压浆体浸渍热压工艺：65复合材料的结构特征与性能特点压力与加热温度是热压工艺最重要的参数氧化铝/玻璃陶瓷复合材料热压工艺66复合材料的结构特征与性能特点热压成型优点：热压成型缺点：（1）加热温度低（2）结构较为简单，制造成本低，维修方便（3）得到的复合材料的力学性能高（1）零件形状不能太复杂（2）基体材料必须是低熔点或低软化点陶瓷，

较适合于非晶陶瓷基体67复合材料的结构特征与性能特点树脂基复合材料的制备（1）手糊成型法模具准备涂脱模剂手糊成型树脂胶液配制增强材料准备固化脱模后处理检验制品手糊成型工艺流程图68复合材料的结构特征与性能特点（2）缠绕成型法69复合材料的结构特征与性能特点缠绕成型优点：缠绕成型缺点：（1）按产品受力状况设计缠绕规律，充分发挥纤维强度（2）比强度高（3）可靠性高（4）生产效率高（5）成本低（1）缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品（2）投资大，技术要求高70复合材料的结构特征与性能特点（3）喷射成型法喷射法是指利用压缩空气将树脂和玻璃纤维喷射到模具表面成型的一种方法。71复合材料的结构特征与性能特点喷射成型优点：喷射成型缺点：（1）致密度高；（2）形成合金的氧含量低；（3）具有快速凝固的显微组织特征（等轴晶）；（3）合金性能比常规铸锻材料有较大的提高且容易加工

成形，甚至可以获得超塑性；（4）工艺流程短，成本降低；（5）充分利用能源；（6）沉积效率高；（1）存在过喷的现象，过喷粉末的处理与应用增加了成

本，降低了沉积效率；（2）产品的尺寸均匀性难以严格控制；（3）综合理论研究深度不够，无法有效指导各种实际应用；72复合材料的结构特征与性能特点手糊成型优点：手糊成型缺点：（1）不受尺寸、形状的限制（2）设备简单、投资少（3）工艺简单（4）可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求（5）产品树脂含量高，耐腐蚀性能好（1）生产效率低，劳动强度大，卫生条件差（2）产品性能稳定性差（3）产品力学性能较低73课堂小结3陶瓷基复合材料树脂基复合材料金属基复合材料复合材料的加工生产方法74复合效应将A、B两种组分复合起来，得到既有A组分的性能特征又具有B组分的性能特征的综合效果。线性复合效应非线性复合效应平均效应平行效应相补效应相抵效应相乘效应诱导效应系统效应共振效应复合材料设计方法——复合原理75复合效应之线性效应（1）平均效应又称作混合效应。具有平均效应的复合材料的某项性能等于组成复合材料各组分的性能乘以该组分的体积分数之加和，可以用混合定律来描述。（2）平行效应指复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相同。如GF/EP复合材料的耐腐蚀性能与EP的耐腐蚀性能基本相同，即表明GF/EP复合材料在耐化学腐蚀性能上具有平行复合效应。复合材料设计方法——复合原理76复合效应之线性效应（3）相补效应指复合材料中各组分复合后，可以相互补充，弥补各自的弱点，从而产生优异的综合性能。（正效应）（4）相抵效应指复合材料各组分之间出现性能相互制约，结果使其性能低于混合定律的预测值。（负效应）如复合状态不佳时，CMC的强度往往产生相抵效应。复合材料设计方法——复合原理77复合效应之非线性效应（1）相乘效应是指把两种具有能量（信息）转换功能的组分复合起来，使他们相同的功能得到复合，而不相同的功能得到新的转换。即（X/Y）*（Y/Z）=X/Z（2）诱导效应是指在复合材料中两组元（两相）的界面上，一相对另一相在一定条件下产生诱导作用（如诱导结晶），使之形成相应的界面层。这种界面层结构上的特殊性使复合材料在传递载荷的能力上或功能上具有特殊性，从而使复合材料具有某种独特的性能。

石墨粉+聚合物石墨粉/聚合物复合材料变形-温度变形-电阻温度自控发热体(智能器件)复合材料设计方法——复合原理78复合效应之非线性效应（3）系统效应是指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复合后，使复合材料具有单个组分不具有的新性能。（4）共振效应又称强选择效应。是指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能在复合材料中突出地发挥。（举例：在要求导电而不导热的场合，可以通过选择组分和复合状态，在保留导电组分导电性的同时，抑制其导热性而获得特殊功能的复合材料）复合材料设计方法——复合原理79复合材料设计方法——设计原则及步骤复合材料不仅是材料，更确切的说是结构复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此，复合材料力学在经典非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展。复合材料设计原则一次结构二次结构三次结构固体力学一次结构是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能二次结构是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学