航空航天复合材料(下篇共上中下3篇)

第八章隐身复合材料目录1隐身复合材料概述2单频段隐身复合材料3多频谱兼容隐身复合材料4隐身复合材料的应用1隐身复合材料概述隐身技术简介隐身技术，准确的术语应该是“低可探测技术”。即通过研究利用各种不同的技术手段来改变己方目标的可探测性信息特征，最大程度地降低对方探测系统发现的概率，使己方目标和装备不被敌方的探测系统发现和探测到。隐身技术简介隐身技术作为提高飞行器设备与装备系统生存能力和突防能力的有效手段，越发受到世界各国的高度重视，世界主要国家都在发展隐身技术。F-117F-22隐身复合材料简介隐身复合材料是一种由多种材料组成的新型复合材料，通过特殊的结构设计，使其具有降低雷达、红外、声波等探测信号的功能，从而达到隐身效果。隐身复合材料通常由导电材料、绝缘才、吸波剂等组成，通过精密的制造工艺，实现各种材料的最佳组合，以达到最佳的隐身效果。隐身复合材料的特性隐身复合材料能够吸收和散射雷达波，降低目标的雷达反射面积，使敌方难以探测和跟踪。低雷达反射特性隐身复合材料能够吸收和散射红外辐射，降低目标的红外特征，使敌方难以通过红外探测器发现目标。低红外特征隐身复合材料不仅具有轻质、高强度的特点，还具有良好的耐腐蚀、耐疲劳等性能，能够满足各种复杂环境下的使用要求。良好的力学性能隐身复合材料避免与空间背景产生色差，乃至主动调整可见光颜色，摆脱激光雷达锁定，使敌方难以探测和跟踪。低可见光背景差异隐身复合材料的“复合”策略单一组分的隐身材料往往难以满足实际服役条件对于多频谱隐身和工程与环境适应性的要求。需要通过多元复合来综合不同组分的优势，使材料整体表现出更优异的综合性能和服役特性。通过多元复合，优化结构和界面设计，实现对多频段电磁波的吸收，是隐身材料发展的趋势和重要策略。复合材料中的不同组分和微观结构可以相互作用，形成多重界面和多重反射，从而增强电磁波的吸收效果。同时，复合策略可以提供更大的材料设计自由度和电磁波吸收性能的调控能力，从而实现更高效的材料隐身。隐身复合材料的用途隐身复合材料广泛应用于军事领域，如隐形战斗机、隐形导弹、隐形坦克等武器装备，提高其战场生存能力和突袭能力。军事用途隐身复合材料在民用领域也有广泛应用，如隐形卫星、隐形飞机、隐形船舶等，可用于雷达、红外等探测系统的隐身和防护。民用用途隐身复合材料的发展趋势复杂的服役环境要求隐身复合材料具有高效的雷达、红外、可见光兼容隐身性能。此外，根据服役环境的变化，隐身材料还需要兼顾其他特性，如耐高温、耐腐蚀、抗紫外线、抗力学变形等。2单频段隐身复合材料雷达隐身复合材料---简介微波的频率范围以及应用场景S波段---手机、收音机信号等；C波段---无线网络、宽带信号X波段---军用雷达、卫星通讯、探测；Ku波段---航空航天领域在大气/太空中通讯、探测X波段雷达雷达隐身复合材料---简介雷达隐身复合材料一般通过设计高效的吸波材料涂层来实现。吸波材料是指能够有效的吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能材料，它可以探测系统的雷达散射截面(RCS)，从而降低被雷达发现的可能性。雷达隐身复合材料---原理有效的吸波材料可以大幅削弱雷达反射波与透射波，使大部分雷达波能量以热量的形式损耗于吸波材料内部，大幅降低RCS信号。入射波反射波入射波非吸波材料透射波入射波反射波入射波吸波材料透射波雷达隐身复合材料---特性材料特性吸波材料通常具有特殊的材料结构和成分，能够有效地吸收和散射电磁波。阻抗匹配通过调整材料的阻抗，使其与周围环境的阻抗相匹配，从而最大程度地减少电磁波的反射。损耗机制材料内部的损耗机制，例如电介质损耗、磁损耗和导电损耗，可以有效地将电磁波的能量转化为热能。吸波材料雷达隐身复合材料---阻抗匹配阻抗匹配对电磁波进行有效的吸收的前提条件：使电磁波最大限度进入到材料内部，以减少电磁波的直接反射，即具有良好的阻抗匹配特性。介质对电磁波的反射系数为：（Z和Z0分别是介质的特性阻抗和自由空间的波阻抗）雷达隐身复合材料---损耗机制损耗机制电磁波进入材料内部后，要设法对入射的电磁波进行有效的吸收和衰减。能量损耗:tanD=tanDE+tanDM=Ed/Ec+Ld/LcDL为感应电场D相对于外加电场的滞后相位；

DM为感应磁场B相对于外加磁场的滞后相位；

Ed为在外加电场下，材料的电偶极矩产生重拍引起的损耗的量度；

Ld为在外加磁场下，材料的磁偶极矩产生重拍引起的损耗量度；

Ec和Lc分别为材料在电场和磁场作用下产生极化和磁化的程度。雷达隐身复合材料---性能评价材料吸波效能的评估：1、反射损耗(RL)2、有效吸收带宽（EAB）反射损耗(dB)-5-10-20-30-40-50吸收率(%)68.4909999.999.9999.999即RL<-10dB的对应的电磁波频带宽度雷达隐身复合材料---服役特性雷达隐身复合材料一般由雷达波吸收材料和添加剂组成，从而具有高度隐身性能和耐久性。目前被证明具有重要应用价值的雷达隐身复合材料涂层主要包括：高磁损耗复合材料涂层、磁性纤维复合隐身涂层、手性复合隐身涂层、导电高聚物复合隐身涂层、智能化多功能复合隐身涂层等。制造商基本性能Plessey(英)厚度0.5~1.5mm，在6~16GHz吸收率均大于6dB(75%吸收)APP(美)厚度0.76mm，在6~18GHz吸收率3dB~13dB(50%~95%吸收)BHAM(俄)厚度0.95mm，在3~18GHz吸收率均大于4dB(60%吸收)红外隐身复合材料---简介红外隐身材料是指能够吸收、散射或改变目标红外辐射能量，降低目标与背景之间红外辐射特征差异，使目标在红外探测系统中的可见度降低的一类材料。红外隐身材料主要应用于军事领域，如飞机、导弹、坦克等武器装备，以提高其战场生存能力和突袭能力。红外隐身材料还可以提高武器装备的突袭成功率，对作战胜利具有重要意义。随着红外探测技术的不断发展，红外制导武器已经成为现代战争中的重要武器之一。红外隐身材料能够有效地降低武器装备的红外特征，使其在复杂的战场环境中更好地隐藏自己，提高生存能力。红外隐身复合材料---分类根据工作原理，红外隐身材料可分为吸收型、散射型和干涉型等。根据使用方式，红外隐身材料可分为涂覆型和结构型。涂覆型是将红外隐身材料涂覆在目标表面，结构型是将红外隐身材料与目标材料复合在一起。根据应用领域，红外隐身材料可分为飞机用、坦克用、导弹用等类型。不同类型的应用领域对红外隐身材料的要求也不同。红外隐身复合材料---原理红外隐身原理是利用材料对红外辐射的吸收、反射、折射、散射等特性，降低目标与周围环境的红外辐射对比度，从而降低目标的可探测性。红外隐身材料的作用机理是通过特定的化学键合和分子结构，实现对红外辐射的强吸收和散射，从而减少目标对红外探测器的热辐射。红外隐身材料的作用机理主要涉及物理、化学、材料科学等多个学科领域，需要综合考虑材料的分子结构、晶体结构、表面形貌等因素。红外隐身复合材料---性能指标红外隐身材料的性能指标主要包括光谱透过率、发射率、比辐射率等。光谱透过率是指材料在不同波长下的透过能力；发射率是指材料在特定温度下发射热辐射的能力；比辐射率是指材料与黑体在同一温度下发射热辐射能力的比值。这些性能指标直接影响着红外隐身材料的性能和应用效果，是评价红外隐身材料优劣的重要依据。涂装隐身涂层前（左侧）后（右侧）模拟运行飞行器的红外探测成像效果对比涂装隐身涂层前（左侧）后（右侧）

红外隐身复合材料---制备过程低发射率复合材料涂层制备过程红外隐身复合材料---应用VS在航空航天领域，红外隐身材料主要用于卫星、航天器、空间探测器等航天器的红外隐身。由于航天器在运行过程中会产生强烈的红外辐射，因此使用红外隐身材料可以减少被敌方红外探测器发现的概率，提高航天器的生存能力和侦察能力。具体而言，红外隐身材料可以应用于航天器的蒙皮、发动机舱、太阳能电池板等部位，通过降低热辐射强度和改变热辐射方向，实现红外隐身效果。此外，一些新型的红外隐身材料还可以通过吸收和散射红外辐射，进一步降低航天器的红外特征。可见光隐身复合材料---简介可见光隐身复合材料是一种通过特殊结构设计或材料组合，能够减少或消除目标在可见光波段（380-780nm）的反射、散射或透射特征，使其与背景环境光学特性匹配，从而实现视觉隐身的先进功能材料。其核心目标是降低人眼或光学探测设备的识别概率。可见光波段频谱自然界及人造设备的可见光隐身可见光隐身复合材料---原理可见光隐身复合材料的实现依赖于多种物理和化学机制，主要包括以下原理：1.

光谱匹配与表面伪装通过材料表面涂层或纹理设计，模拟周围环境（如植被、天空、沙漠）的光谱反射特性。2.

低反射率与吸光特性采用高吸光材料（如碳纳米管、导电聚合物）将入射光转化为热能，减少反射光强度。3.

多层复合与干涉效应利用多层介质薄膜（如SiO₂/TiO₂交替层）的干涉效应，选择性抵消特定波长的反射光。4.

散射调控与透明材料通过梯度折射率介质（如聚合物复合材料）减少光在材料界面处的散射，使光线平滑过渡。可见光隐身复合材料---制备可见光隐身复合材料（隐身涂料）一般由成膜物质、可见光吸收材料、溶剂和助剂等组成。成膜物质早期一般选用醇酸树脂、丙烯酸树脂，如美国的醇酸型伪装瓷漆、英国的自干型无光泽伪装涂料、法国的F1伪装涂料、瑞典的C5-350自千型醇酸伪装涂料（装备瑞典陆军）等。随着材料技术的发展，近些年发展到选用聚氨酯树脂或丙烯酸聚氨酯混合树脂。可见光吸收材料，又称可见光吸收染料，是近年来染料化学领域中研究的较多的功能性染料之一。从技术可行性和经济性着眼，有机吸收染料是实现可见光防护的主要途径。当前对这类近红外激光防护染料的主要技术要求包括：可见光-近红外宽带强吸收，光、热及化学稳定性良好，与有机基体材料相容性好，对人体毒副作用小等。目前可见光-近红外吸收染料主要包括：菁类染料、酞菁类染料、酞菁类染料、金属配合物染料、醌型染料、偶氮染料、游离基型染料、芳甲烷型染料、苝类染料等。3多频谱兼容隐身复合材料多频谱兼容隐身复合材料---简介随着雷达、红外、可见光等探测技术的迅速发展，单一频段的隐身材料已经很难应对日益先进的探测技术。一方面，单频段隐身材料通常仅适用于特定频率范围内的隐身，而现代探测技术的多频段探测能力会使被保护基体在其他频带暴露出来。另一方面，现代探测技术还在不断发展改进，例如相控阵雷达、多普勒雷达和红外探测技术等，这些技术可以通过不同的探测方式和工作原理来检测和追踪目标，使得隐身材料需要面对更多种类的探测手段。因此，为了应对这些挑战，需要研制兼容性强的多频谱隐身材料，提高在不同频段和探测方式下的隐身性能，保持其在探测与反探测对抗中的优势。多频谱兼容隐身复合材料---简介随着雷达、红外、可见光等探测技术的迅速发展，单一频段的隐身材料已经很难应对日益先进的探测技术。单频段隐身材料通常仅适用于特定频率范围内的隐身，而现代探测技术的多频段探测能力会使被保护基体在其他频带暴露出来。因此，为了应对挑战，需要研制兼容性强的多频谱隐身材料，提高在不同频段和探测方式下的隐身性能，保持其在探测与反探测对抗中的优势。相控阵雷达红外制导激光制导红外/雷达兼容隐身复合材料红外和雷达探测技术是两种应用最普遍的探测技术，因此红外与雷达兼容隐身材料一直是国内外研究的焦点。实现红外与雷达兼容隐身的材料有两类：一是研制微波高吸收、红外低辐射的材料；二是分别研制高性能微波吸收材料和红外低辐射材料，然后将其进行复合，并保证复合后其微波吸收能力和红外低辐射能力保持基本不变或者变化不大。红外/雷达兼容隐身原理红外/雷达兼容隐身复合材料

复合型红外/雷达隐身材料是指将高性能的雷达隐身材料和红外隐身材料通过特殊工艺复合成一体所形成的材料，主要分为涂层型、夹层型和多层膜结构型三种。涂层型红外/雷达兼容隐身复合材料夹层型红外/雷达兼容隐身复合材料多层膜型红外/雷达兼容隐身复合材料可见光/红外/雷达兼容隐身复合材料随着现代探测技术的多元化发展，战场环境中的探测手段已从单一的雷达探测扩展到可见光、红外、雷达等多频谱协同探测。这种多模探测能力的提升对传统隐身材料提出了严峻挑战，促使开发能够同时对抗多种探测手段的兼容隐身复合材料。这类材料需要在可见光波段实现视觉伪装，在红外波段降低热辐射特征，同时在微波/毫米波波段减少雷达散射截面积(RCS)，是当前隐身技术领域的前沿研究方向。然而，不同波段隐身机理存在物理本质差异：可见光隐身依赖散射/吸收，红外隐身依赖辐射特性，雷达隐身依赖阻抗匹配；同时，多频谱调控参数相互制约：如低红外发射率需要高反射，这与雷达波吸收要求相矛盾；而且，缺乏统一的理论模型描述跨尺度电磁相互作用。鉴于这些难点，高性能可见光/红外/兼容隐身复合材料仍在研究中，距离实际应用仍然有一段路程。4隐身复合材料的应用隐身复合材料的应用F-117“夜鹰”隐身战斗机研发并生产于美国洛克希德公司，服役于20世纪80~90年代，是公认的世界上第一型具有隐身能力的飞机。4F-117的蒙皮由铝合金制成，几乎都涂覆了隐身复合材料。同时，采用同样成分的填泥或涂层来覆盖紧固件、密封间隙和使不均匀的表面平整，进气道也敷设有隐身材料，RCS降低到了0.005m2。随着雷达探测波段的拓宽、探测能力的增强，F-117的在海湾战争中首次被雷达捕捉并被被击落，也因此退出了历史舞台。隐身复合材料的应用由美国诺斯洛普

格鲁门公司研制的B-2是目前世界上唯一一款在役的隐身战略轰炸机，其隐身不仅局限于雷达侦测层面，也包括降低红外线、可见光等讯号，具有优异的综合隐身性能。隐身复合材料得到了大量应用，在机身三角楔处的内部采用填充了碳的玻璃纤维蜂窝结构复合材料；缝隙处使用导电填泥和导电胶带进行连接，同时对不连续处的蒙皮进行镀银处理。开始服役于上世纪90年代，新世纪之后开始大量采用直径几微米到几十微米的球形磁性颗粒作为主要填充剂，获得了更佳的雷达隐身效果。隐身复合材料的应用美国主力隐身战斗机F-22继承了B-2的多种RCS衰减技术，并在此基础上进一步进行了隐身性能改进：首先，外形由基身融合翼组成，大大降低了连接机身与机翼的连接点，减少了表面波与RCS反射；同时，设计人员对机翼、操纵面和发动机进气口周边做了很明显的边缘处理，并采用内衬了隐身涂层S形进气道；在一些口盖和阻抗间隙上也大量应用了磁性隐身材料，以降低雷达波反射。第九章:耐空间辐射复合材料在高剂量辐射能量照射下，能长时间使用的复合材料电离辐射天然辐射人工辐射

宇宙射线地球放射性元素核工业医学治疗第九章:耐空间辐射复合材料1

空间辐射的概念与分类概念：在地球大气层的外部，广袤宇宙中充满各种形式的辐射。辐射是一种以射线、电磁波或粒子释放能量的现象。在某些情况下，我们可以直接观察到辐射（如可见光），或通过辐射（如红外辐射）对人生理机能的作用来感受辐射的存在。但有些形式的辐射，如X射线和γ射线，并不可见，只能借助特殊设备进行观察。辐射对生物系统和机械系统都可能产生负面影响，我们可以通过学习辐射的产生和物质的作用机理来深入了解辐射对空间设备及对人的影响。空间环境与地面环境有很大的区别，其主要特征为强辐射、微重力、弱磁场、高真空和昼夜温差大等。其中，空间辐射是在长期飞行或实际生存作业过程中导致航天员损伤的主要因素。

第九章:耐空间辐射复合材料1

空间辐射的概念与分类空间辐射主要由太阳宇宙射线、银河宇宙射线、地球辐射带三部分构成。

太阳宇宙射线来自日冕质量喷射和太阳耀斑产生的高通量带电粒子。这些粒子沿星际磁场线盘旋，在日食平面场线内自太阳扩展到星际间介质，形成一束类似橡胶软管盘旋样的螺旋，地球与太阳间的辐射带就通过这种盘旋状螺旋相连。银河宇宙射线来自太阳系以外的星际，如超新星爆炸、中子星、脉冲星或其他发射高能粒子的星球。银河宇宙射线通过很强的星际风注入星际介质，银河磁场对他们有加速作用。地球辐射带来自银河宇宙射线和太阳宇宙射线与地球磁场和大气层的相互作用产生的高能粒子，包括电子、质子和少量重离子。太阳活动程度、地磁长短期变化（磁暴）、太阳宇宙线事件等都对地球辐射带有影响。第九章:耐空间辐射复合材料辐射类型第九章:耐空间辐射复合材料2耐空间辐射的机制辐射主要包括电磁辐射和离子辐射两种形式。电磁辐射是指一切带电粒子（如电子、离子）在运动过程中，所携带的能量以波动方式传播出去，包括可见光、无线电波、微波、紫外线等。离子辐射是指带电粒子失去或吸收能量后发生的一种形式，包括α粒子、β粒子、γ射线、X射线等。第九章:耐空间辐射复合材料2耐空间辐射的机制抗辐射原理主要通过以下途径保护人体和设备免受辐射的危害

：屏蔽辐射

使用特殊材料，如金属屏蔽或铅板等，可以阻挡辐射的传播，屏蔽材料的选择与辐射种类有关。吸收辐射

利用吸收材料，如特殊电子元件、吸波材料等，来吸收辐射能量，减少辐射对人体和设备的影响。远离源头

保持一定的距离可以降低辐射对人体和设备的影响。辐射的能量随着距离的增加而迅速减弱。第九章:耐空间辐射复合材料2耐空间辐射的机制抗辐射原理主要通过以下途径保护人体和设备免受辐射的危害

：使用防护装置

佩戴辐射防护装置，如铅衣、防护面罩等，可以减少辐射对人体的直接接触。这些装置能够吸收或反射辐射能量，起到保护作用。辐射监测和控制

通过定期监测辐射水平，及时采取控制措施，降低辐射对人体和设备的危害。第九章:耐空间辐射复合材料2耐空间辐射的机制

辐射屏蔽（RadiationShielding）是一种利用辐射与材料原子的互相作用来降低某一区域的辐射水平，以达到保护环境、减少人体受辐照量的辐射防护技术。辐射屏蔽的主要对象是γ射线（γ光子）和中子。γ光子在通过屏蔽体时主要通过光电效应、康普顿散射和电子对形成等过程把能量传递给屏蔽体而被减弱或吸收。快中子进入屏蔽体，多数情况是通过弹性散射和非弹性散射将其能量传递给屏蔽物质，变成热中子或超热中子，然后通过辐射俘获等过程被物质吸收的。第九章:耐空间辐射复合材料2耐空间辐射的机制现有的防护方法主要分为物理防护、生物医学和化学防护。物理防护增加与辐射源的距离减少受照时间根据粒子或射线的不同物理性质和强度，选择合适的物质材料进行阻挡和屏蔽。第九章:耐空间辐射复合材料2耐空间辐射的机制现有的防护方法主要分为物理防护、生物医学和化学防护。生物医学防护通过药物、营养补充和其他手段调节、增强、提高生物对辐射因素的抗性和耐受性。第九章:耐空间辐射复合材料2耐空间辐射的机制现有的防护方法主要分为物理防护、生物医学和化学防护。化学辐射防护过在细胞水平迅速辐射物理和辐射化学反应实现辐射防护作用。第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料分类：耐X射线辐射复合材料耐γ射线辐射复合材料耐中子辐射复合材料耐紫外线辐射复合材料耐热辐射复合材料第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：X射线是一种介于紫外线和γ射线之间且频率高于3×1016Hz、波长只有0.001～10nm的电磁波，覆盖了从250eV到数兆eV的光子能量范围，是一种高能量光子流，常作为一种短波电离辐射源。第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：1.抗X射线辐射石墨基复合材料第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：1.抗X射线辐射石墨基复合材料第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：1.抗X射线辐射石墨基复合材料第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：2．抗X射线辐射碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料航天器的外壁被CFRP外壳覆盖，为飞行器内部提供屏蔽保护。第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：3．抗X射线辐射柔性材料在聚合物基质中添加不同的化合物作为填料可屏蔽或降低辐射能量。如：天然橡胶/Bi2O3聚酰亚胺/Bi2O3PVA（聚乙烯醇）水凝胶/Bi2O3硅橡胶/W/Bi2O3、第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：3．抗X射线辐射柔性材料第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐X射线辐射复合材料：3．抗X射线辐射柔性材料第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐γ射线辐射复合材料：γ射线作为一种高能的电离辐射，与物质相互作用的机制主要为光电效应、康普顿效应和电子对效应。保护方式：通过对γ射线的衰减与吸收形成屏蔽作用第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐γ射线辐射复合材料：应用受限制传统的耐γ射线辐射材料主要为单质铅（Pb）、混凝土等材料特点：密度高、易加工、质量或体积高，具有重金属的毒性。新型耐γ射线辐射复合材料防护基体+功能填料复合而成第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐γ射线辐射复合材料：1．金属及金属化合物基复合材料

优点：对γ射线屏蔽作用高、制备成本低及加工技术简单缺点：硬度较低，易蠕变，耐高温性能差铅（Pb）钨（W）优点：具有更高的原子序数，密度较大，具有更高的衰减性能和更小的半值层数值缺点：成本相对较高其他铁基合金（尤其是含硼钢）铝基复合材料（通常以Pb、W、Mo等作为功能填料）高原子序数金属元素的化合物（WC、Nb2O5等金属化合物）第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐γ射线辐射复合材料：2．聚合物基复合材料聚合物和塑料优点：成本低、密度低具有良好的几何适应性，可以用作结构材料丰富的氢含量使其对中子有良好的屏蔽作用在辐照过程中，γ射线诱使聚合物大分子链断裂或交联，形成自由基，在6kGy/h的低剂量率下往往发生聚合物的降解。第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐γ射线辐射复合材料：2．聚合物基复合材料第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐中子辐射复合材料：通过非弹性散射与快中子相互作用的重元素通过弹性散射与热中子反应、起慢化剂作用的轻元素具有高中子吸收截面的硼元素传统的铅等高原子序数金属

高密度混凝土金属氧化物Gd2O3产生屏蔽作用外硼基材料吸收。衰减与吸收中子辐射保护方式第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐中子辐射复合材料：

含氢材料聚合物含有大量氢元素，氢元素能通过弹性散射有效衰减高能中子并削弱γ辐射。含硼材料六方氮化硼（h-BN）作为功能填料对材料的中子防护能力有增强作用。如新型六方氮化硼（h-BN）PI基纳米复合材料、钨纳米粒子（W-NPs）修饰的氮化硼纳米片（BNNS）混合物。稀土材料稀土元素的中子吸收截面较大，其中钆的中子吸收截面是10B的14.4倍，因此理想的中子屏蔽材料配方应该既包含轻元素（如氢和碳），又包含像稀土微粒这样具有吸收低能中子能力的重元素。第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐紫外线辐射复合材料：防紫外线纤维CN具有抗紫外线破坏能力的纤维含有紫外线屏蔽剂的纤维防紫外线织物织物上施加一种能屏蔽紫外线的物质，该物质对织物的使用性能影响小防紫外线涂料成膜树脂，高效紫外线吸收剂，自由基捕获剂第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐紫外线辐射复合材料：防紫外线纤维本身具有抗紫外线破坏能力，含紫外线屏蔽剂紫外线屏蔽剂：具有吸收或反射紫外线作用的物质无机：反射或散射作用，无光能的转化高岭土，滑石粉，CaCO3，FezO3，ZnO，TiOz颗粒达到纳米级分散时，比表面积增大，表面化学活性高有机：具有强烈的，选择性吸收高能量紫外线的性质通过光物理或光化学过程将吸收的能量转换分子间能量转移，分子内结构变化第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐紫外线辐射复合材料：含紫外屏蔽剂纤维制备将紫外屏蔽剂与单体一起共聚得到防紫外线聚合物浸渍，印花，涂层等，直接黏附在纤维上共混熔融纺丝要求屏蔽剂与纤维有良好的相容性，屏蔽剂不升华，不分解，对人体安全，粒径小，对纤维质量影响小第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐紫外线辐射复合材料：防紫外线织物纤维法：利用具有防紫外线功能的纤维生产织物后处理法：用含屏蔽剂的溶液或胶粘剂对成品纤维或织物进行浸渍或涂覆处理交联剂将屏蔽剂的分子与纤维大分子连接胶粘剂将屏蔽剂机械的黏附在纤维上第九章:耐空间辐射复合材料3常用的耐空间辐射复合材料耐热辐射复合材料：高分子复合材料（如聚合物、半纤维素、低聚糖、聚合物基、聚碳酸酯、聚氨酯等）碳纤维（SiC）陶瓷气凝胶（二氧化硅、二氧化锆、碳化硅、氮化硼、氧化铝）碳气凝胶柔性耐蚀材料（丁腈橡胶、乙烯-丙烯-二烯单体（EPDM）和硅橡胶）第九章:耐空间辐射复合材料1

课后思考（1）耐γ射线辐射复合材料抗辐射主要原理是什么？（2）环氧树脂基复合材料的优势是什么？（3）耐中子辐射复合材料抗辐射的主要原理是什么？（4）简述耐中子辐射复合材料的分类。（5）为什么聚合物材料在紫外线作用下一般不会发生灾难性的破坏？（6）光稳定剂可分类为哪几种？（7）如何提高复合材料的耐紫外线老化性能？南京理工大学新型复合材料

1-2011新型复合材料第11教学单元知识点1-分级结构复合材料★

本教学单元知识点：知识点2-剪切增稠液柔性防护复合材料2-201.增强体存在问题2.解决方法3.分级结构4.分级结构复合材料★知识点1-分级结构复合材料主要内容复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI3-20★一、存在问题Fig.1Intermetallicscrackinaluminummatrixcomposites:(a)Al3Ti;(b)Al3Zr复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI4-20★一、存在问题-增强体撕裂Fig.1Fig.2Ceramiccrackinthealuminummatrixcomposites(a)Mg2Si;(b)Al2O3;(c)B4C复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI5-20★二、解决方法1.微米+纳米2.细化基体和增强体协同效应提高韧性细晶强化

复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI6-20★二、解决方法举例1Fig.3SEMimagesofthereactionresultsatthemolarratiosofB/ZrO2=0(a),1(b)and2(c)Al–ZrO2–Bsystem-改善组织复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI7-20★二、解决方法举例1Fig.4SEMphotographsofthetensilefracturesurfaceofthecompositeswithdifferentmoleratiosofB/ZrO2andwiththereinforcementvolumefractionof30vol.%atroomtemperature:(a)r

B/ZrO2=0;(b)r

B/ZrO2=1;(c)r

B/ZrO2=2.Al–ZrO2–Bsystem–拉伸断口复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI1-20★二、解决方法举例2Fig.5SEMphotographs(a,b,c)ofthecompositessynthesizedwithdifferentmolarratiosofC/TiO2(a):rC/TiO2=0;(b):rC=TiO2=0.5;(c):rC=TiO2=1.0.Al–TiO2–Csystem复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI9-20★二、解决方法举例2Fig.6.SEMmicrographsofthetensilefracturesurfaceofthecompositespreparedwiththepowdershavingdifferentC/TiO2moleratios:(a)C/TiO2moleratio=0,(b)C/TiO2moleratio=0.5,and(c)C/TiO2moleratio=1.0.Al–TiO2–Csystem-拉伸断口复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI10-20★二、解决方法举例2Fig.12Engineeringstress-strainplotsobtainedfromthetensiletestingofthecompositespreparedwiththepowdershavingdifferentC/TiO2molarratiosatroomtemperature.Al–TiO2–Csystem-拉伸断口复

合

材

料原理

FUHECAILIAO

YUANLI11-20★二、解决方法举例3Fig.7SEMphotographs(a,b,c)ofthecompositessynthesizedwithdifferentmolarratiosofB2O3/TiO2(a):rB2O3/TiO2=0;(b):rB2O3/TiO2=0.5;(c):rB2O3/TiO2=1.0[7].Al–TiO2–B2O3system复

合

材

料原理

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YUANLI12-20★二、解决方法举例3Fig.8.SEMmicrographsofthetensilefracturesurfaceofthecompositespreparedwiththepowdershavingdifferentB2O3/TiO2moleratios:(a)B2O3/TiO2moleratio=0,(b)B2O3/TiO2moleratio=0.5,and(c)B2O3/TiO2moleratio=1.0Al–TiO2–B2O3system-断口复

合

材

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YUANLI13-20★三、分级结构Fig.9(a)Hierarchialstructureoftendon(b)schematisationofthehierarchicalprocedureinmultiscalesimulationsFig.10HierarchialstructureofAl3Ti/Al2O3复

合

材

料原理

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YUANLIHeguoZhu,YalingJiang,JianliangLi,PaulMunroe,ZonghanXie.In-situsynthesisandcharacterizationofahierarchicallystructuredAl2O3/Al3Ticomposite.JMS,48:929-935,2013.14-20★三、分级结构1)分级结构铝合金

PeterV.Liddicoat,Xiao-ZhouLiao,YonghaoZhao,YuntianZhu,MaximY.Murashkin,EnriqueJ.Lavernia,RuslanZ.Valiev&SimonP.Ringer.Nanostructuralhierarchyincreasesthestrengthofaluminiumalloys.Nature,2010(7):1-7复

合

材

料原理

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YUANLI(a)(b)Fig.11

Hierarchystructure(a)andmechanicalproperty(b)ofaluminiumalloys15-205-Al-Mg7-Al-Cu-Mg-Zn★三、分级结构2)分级结构镁合金(b)Fig.12

Hierarchystructure(a)andresult(b)ofthemagnesiumnano-composites复

合

材

料原理

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YUANLI16-20★三、分级结构3)分级结构铝基复合材料Fig.13.MicrostructureofconsolidatedhierarchicalAlMMCs:(a)opticalmicrograph(b)darkfieldTEMmicrograph复

合

材

料原理

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YUANLIcoarsegrain-(CG)ultrafinegrain-(UFG)17-20★三、分级结构3)分级结构铝基复合材料（a）UFG/CG界面的STEM图（b）UFG/CG界面的TEM

（c）图b中C点的HRTEM图（d）图b中D点的HRTEM图图15UFG/CG界面微观结构复

合

材

料原理

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YUANLI18-20★三、分级结构3)分级结构铝基复合材料（a）UFG/B4C界面的TEM图（b）UFG/B4C界面的HRTEM（c）UFG/B4C界面非晶区的HRTEM图（d）B4C与UFGAl5083晶格直接连结区的HRTEM图图16UFG/B4C界面微观结构复

合

材

料原理

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YUANLI19-20★三、分级结构3)分级结构铝基复合材料制备过程Level0:CGAl5083(1~2μm),UFGAl5083(100~200nm)andB4C(~0.7μm)Level1:grainsizeofCGAl5083andofUFGAl5083;Level2:subgrains,dislocations,twinsandsecondphasedispersoids;Level3:elementalsegregationofN,OandC.复

合

材

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YUANLI20-20纳米基复合材料复合材料原理

纳米基复合材料纳米复合材料的概述金属基纳米复合材料陶瓷基纳米复合材料主要内容一二三高分子基纳米复合材料四知识点1-纳米复合材料概述纳米复合材料的基本概念主要内容一二三四纳米粒子效应纳米粉体的制备方法纳米复合材料的分类(a)(b)

(c)(d)1.纳米材料：是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料(人类制造)。图1纳米材料形貌照片（a）纳米线（b）纳米膜（c）纳米簇（d）纳米颗粒注意：仅在尺度上满足纳米尺度，而不具有尺寸减小所产生的奇异性能，仍不算是纳米材料。一、纳米复合材料的基本概念2.纳米材料分类：纳米材料根据维数、纳米材料的基本单元可分为以下几种：（1）一维指在空间沿一维方向延伸，另外两维方向处于纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米纤维、纳米管等。（2）二维指在空间沿二维方向延伸，另外一维方向处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜和超晶格等。（3）三维指在空间沿三维方向延伸，但仍处于纳米尺度，如纳米花簇和原子团簇等。（4）零维指纳米微粒或纳米孔洞等。（5）分数维指纳米尺度的材料自相似性的排列，如具有纳米微粒多重分数维结构的准晶物质。3.纳米物质(a)(b)

(c)(d)图2自然界的纳米物质(a)：荷花；(b)：蜜蜂；(c)：孔雀羽毛；(d)：DNA纳米物质早在人类产生之前就已存在，而纳米材料则是在人类产生后，由人类制造产生具有纳米尺度的产品4.纳米结构定义：是纳米基本单元按一定规律建筑的一种新的纳米结构体系。特点：一方面具有基本单元所具有的自身特点外，还具有量子耦合效应和协同效应，纳米结构是功能纳米器件的设计基础。构建方法：有“从上到下”和“从下到上”两种方法。“从上到下”法类似于雕刻，即对材料表面进行切削和加工，在表面上刻出纳米结构或向该表面加入大团分子，微芯片的制备即为一应用实例，微芯片上的电路线宽已降到了100nm以内（10nm、7nm）。“从下到上”法是将原子或分子组装成纳米结构。原理是让原子和分子在适当的条件下自发地形成有序排列，纳米碳管就是自组装纳米结构的一实例。1）

量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续态变为离散态的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。久保(Kubo)公式：能级平均间距δ为:δ=4Ef/3N式中:Ef为费米势能，N为粒子中的总电子数。能级的平均间距与组成粒子中的自由电子总数成反比，

粒子大：N→∞，则δ→0;粒子小纳米时，N值很小，δ大，能级间距分裂。当δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，产生量子尺寸效应，导致纳米粒子磁、光、声、热、电以及超导电性显著变化。二、纳米粒子效应。2）

小尺寸效应定义：当微粒尺寸与光波波长、德布罗意波长相当或比它们更小时，比表面积显著增加，导致材料的声、光、电、磁、热、力学、化学活性、催化特性及熔点等与普通颗粒相比发生显著变化，即为小尺寸效应.特殊的力学性质：由于界面急剧增加，原子排列相对混乱，易于迁移，易于变形，韧性和延展性好。如牙齿是纳米磷酸钙构成的牙釉,高强高硬。特殊的热学性质：当颗粒尺寸减小时，熔点减小，小于10nm时尤为显著。如块金的熔点为1064℃，粒度为10nm时的降为1037℃，当粒度为2nm时，其熔点仅327℃了。3）

表面效应定义：纳米微粒的表面能高，活性强，极不稳定，很容易吸附。此即为纳米颗粒的表面效应。4）

宏观量子隧道效应微观粒子的隧道效应（量子隧道效应，基本粒子的隧道效应）微观粒子所具有的能量低于势垒高度，但它仍具有一定的概率出现在势垒限域区之外，好似势垒壁上凿出了隧道跑出的现象。纳米颗粒的宏观量子隧道效应即纳米颗粒具有的一些宏观物理量，如磁化强度、磁通量以及电荷等，也具有的隧道效应。宏观量子隧道效应研究对发展微电子学器件具有重要的理论和实践意义。5）

介电限域效应定义：在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相比于裸露纳米材料的光学性质有较大的变化，这就是介电限域效应。红移现象：介电材料使带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了电子—空穴对之间的结合能和振子强度，减弱了产生量子尺寸效应的主要因素、电子—空穴对之间的空间限域能，即此时表面效应引起的能量变化大于空间效应所引起的能量变化，从而使能带间隙减小，反映在光学性质上就是吸收光谱出现明显的红移现象。纳米材料与介质的介电常数相差越大，介电限域效应就越明显，吸收光谱红移也就越大。纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2

中均有红移现象。介电限域效应：是纳米微粒由于界面引起的体系介电增强的现象。表现：A.特殊的光学性质:金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米的厚度就能完全消光。B.特殊的热学性质:超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。C.特殊的磁学性质:当颗粒尺寸减小到20纳米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若小于6纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。D.特殊的力学性质:强度、柔韧度、延展性E.特殊的电学性质:原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时不导电;绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。1）正H-P关系(K>0)

如：蒸发凝聚、原位加压纳米TiO2；用机械合金化(高能球磨)制备的纳米Fe和Nb3Sn2；用金属Al水解法制备的γ-Al2O3和α-Al2O3纳米结构材料等试样。2）反H-P关系(K<0)

即硬度随纳米晶粒的减小而下降。如：用蒸发凝聚、原位加压纳米Pd晶体；非晶化法制备的Ni-P纳米晶体。3）正-反混合H-P关系存在一个临界晶粒尺寸dc，当d>dc，呈正H-P关系(K>0)；当d<dc，呈反H-P关系(K<0)。这在常规粗晶材料中从未见过的新现象。6）Hall—Petch(H—P)关系1）物理类方法旋转全质收集器超高真空室漏斗波纹管座套套筒活塞移动器接真空泵阀门待蒸发物质及容器固定活塞图3惰性气体冷凝法原理图原理：主要是将装有待蒸发物质的容器抽致10-6Pa高真空后、充填惰性气体，然后加热蒸发源，蒸发成雾状原子，随惰性气体冷凝到冷凝器。将聚集的纳米尺度粒子刮下、收集，得到纳米粉体。此粉体在高压作用下（1GPa～5GPa）得到固体纳米材料，可达理论密度的70%～90%。如果采用多个蒸发源，同时得到复合粉体或化合物粉体。颗粒尺寸由蒸发速率、凝聚气的压力来进行调整三、纳米粉体的制备方法（1）

惰性气体冷凝法（2）高能球磨法

HvτCenterofcontactστHvσCenterofcontact图4粉末在球表面的形态及其弹塑性变形

特点：1）可制备纳米晶或复合纳米品；

2）工艺简单

3）制粉效率高4）易带进杂质5）仅比较适合于金属材料2）化学类方法（1）湿化学法在溶液中添加适当的反应物，发生化学反应产生盐沉淀，再对盐进行清洗、冷冻、干燥、加热分解获得氧化物纳米粉体的方法。如：氧化锆纳米粉，在可溶性阴离子的盐溶液中，通过加入适当的沉淀剂（OH-、CO32-、SO42-等）使之形成不溶性沉淀，经多次洗涤，再将沉淀物进行热分解，即可获得氧化物纳米粉体。特点：易硬团聚。对以后的制备工艺，特别是致密化带来困难。措施：可通过控制沉淀中反应物的浓度、PH值以及冷冻干燥技术避免形成硬团聚。（2）化学气相法化学气相法是利用高温裂解原理，采用直流等离子、微波等离子或激光作热源，使前驱体发生分解。反应成核并长大成纳米粉体。优点：1）它更适合于制备纳米非氧化物粉体；2）能获得粒径均匀、尺寸可控以及小于50nm的超细粉末，粉末可以是晶态也可以是非晶态。缺点：1）原料价格较高；2）对设备要求高。工艺的主要影响因素：气体浓度、温度、反应时间及冷却速度等。

（3）

溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法以金属有机化合物（主要是金属醇盐）和部分无机盐为先驱体，首先将先驱体溶于溶剂（水或有机溶剂）形成均匀的溶液，接着溶质在溶液中发生水解或醇解，水解产物缩合聚集成粒径为1nm左右的溶胶粒子（sol），溶胶粒子进一步聚集生长形成凝胶（gel）。也即溶液

溶胶

凝胶法。是湿化学法中的一种。其原理有三个阶段：（1）单体（即先驱体）经水解、缩合生成溶胶粒子（粒径为2nm左右的初生粒子）（2）溶胶粒子聚集生长（粒径为6nm左右的次生粒子）；（3）长大的粒子（次生粒子）相互连接成链，进而在整个液体介质中扩展成二维网络结构，形成凝胶。凝胶结构的因素：主要取决于水解反应速率和缩合反应速率。特点：①高的纯度和均匀度，低反应温度；

②超微结构可控。

③从溶液反应开始、易于直接加工成型；

④不需任何真空条件和过高的温度；

⑤可以在大面积或任意形状的基体上制得薄膜或涂层；

⑥反应物种多，产物颗粒均一，适合氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。应用：光学、电子、机械、热学、敏感器、催化剂，以及生物、医学等领域。根据基体的特性和成分，可分为：纳米聚合物基复合材料纳米陶瓷基复合材料纳米金属基复合材料纳米半导体复合材料四种。若根据材料使用特性，可分为：纳米结构复合材料纳米功能复合材料；而纳米功能复合材料，可分为：纳米磁性复合材料纳米催化复合材料纳米半导体复合材料等。四、

纳米复合材料的分类若按复合形式则可分为四种类型：（1）0-0复合，即不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体，这种复合体的纳米粒子可以是金属与金属、金属与陶瓷、金属与高分子、陶瓷与陶瓷、陶瓷与高分子等构成。（2）0-2复合，即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中，它又可分为均匀弥散和非均匀弥散两类，称为纳米复合薄膜材料。（3）0-3复合，即纳米粒子分散在常规三维固体中。（4）纳米插层复合，即由不同材质交替形成的组分或结构交替变化的多层膜，各层膜的厚度均为纳米级。谢谢！纳米基复合材料复合材料原理

知识点2：金属基纳米复合材料概述主要内容一二三四性能应用与展望制备方法1）定义：是以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强相相结合的复合材料（6）不吸湿、（7）不吸气（8）尺寸稳定（9）不老化等优点（1）力学性能好（2）剪切强度高（3）工作温度较高（4）耐磨损、（5）导电导热好3）应用：自动化、航空、航天等高技术领域2）性能特点：一、概述二、制备方法1.高能球磨法

原理：高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使研磨介质对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，将其粉碎为纳米级微粒的方法。优点：成本低、产量高、工艺简单易行等，并能制备出常规方法难以获得的高熔点金属或合金的纳米微粒及纳米复合材料。缺点：能耗大、粒度不够细、粒径分布宽、杂质易混入等。应用：可制备各种金属-金属纳米复合材料、金属-陶瓷纳米复合材料及陶瓷-陶瓷纳米复合材料，如CeO2/Al、CeO2/Zn、NiO/Al、NiO/Zn、CeO2/Al-Ni、CeO2/Zn-Ni等多种功能复合材料。原位复合技术是指根据材料设计的要求选择适当的反应剂（气相、液相或固相），在适当的温度下借助于基材之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的第二相（或称增强相），制备复合材料的技术。由于原位复合技术界面干净无反应、无脆性层具有巨大的潜力。该法可制备TiC/Ti5Si3、Cu-2.65Al2O3等多种纳米复合材料。以Ni、Al、Ti、C粉末为原料进行球磨，球磨过程中发生两个独立的放热反应：Ni+Al→NiAl、Ti+C→TiC，合成出TiC/NiAl纳米复合材料。优点：过程简单、不需要复杂的设备、产品纯度高、能获得复杂的相和亚稳相。不足:不易获得高密度产品、反应过程和产品性能难以严格控制。2.原位复合技术定义：大塑性变形法是指材料处于较低的温度（通常低于0.4Tm）环境中，在大的外部压力作用下发生严重塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸细化到亚微米或纳米量级的方法。该工艺能大大促进大角度晶界的形成。3.大塑性变形法ECAP变形示意图（a）ECAP纯剪切示意图（b）4.快速凝固工艺定义：快速凝固工艺是利用快速凝固能显著细化晶粒的原理，制备纳米复合材料的工艺。应用：如制备铝-过渡金属-稀土纳米复合材料，纳米级的面心立方Al晶体均匀地分布在非晶的基体中。室温强度高达1.6GPa，相当于相同成分完全非晶铝合金的1.5倍和传统时效强化铝合金的3倍；其高温强度更加优越，300℃时达1GPa，是传统铝合金的20倍。注意：将快速凝固与热挤成型技术相结合，制备的TiC/Al自生铝复合材料，与常规熔铸工艺相比，其室温拉伸强度增加了100MPa左右，并表现出良好的高温力学性能。定义：磁控溅射法是采用高能粒子撞击靶材的表面，与靶材表面的原子或分子交换能量或动量，使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成金属基纳米复合材料。工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子;新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。应用：磁控溅射技术将Zr-Cu（62/38at.%）靶材沉积到钢基板上，得到一种新型的超硬光学纳米复合薄膜ZrN/Cu，研究表明，这种超硬纳米复合薄膜的显微组织由坚硬的并具有强烈择优取向的纳米ZrN柱状晶和软相基体Cu(1-2at.%)构成，其显微硬度高达55GPa。5.磁控溅射法定义：纳米复合镀法是运用电镀或化学镀原理，将悬浮在镀液中的不溶性纳米微粒，共沉积到单一金属或合金上，经过二次热处理而形成金属基纳米复合涂层。举例：运用电化学沉积工艺在镀锌液中分别加入纳米CeO2粉末（平均粒径为30nm）和微米CeO2粉末进行共沉积，在基片上分别获得CeO2/Zn纳米复合镀层和CeO2/Zn微米复合镀层。分析表明：CeO2/Zn纳米复合镀层的耐蚀性较纯锌镀层有明显改善，而CeO2/Zn微米复合镀层的耐蚀性与纯锌镀层相比变化不大；另外还发现CeO2/Zn纳米复合镀层中由于纳米CeO2的存在，基体Zn晶核生长具有择优取向<101>现象。6.纳米复合镀法金属基纳米复合材料的主要制备方法和适用的范围制备方法复合方式特点适用范围高能球磨0-00-3成本低、产量高、工艺简单、但易混入杂质。纳米金属/金属；纳米陶瓷/金属原位复合0-3增强体与基体界面无污染、理想原位匹配、一次合成、工艺简化、成本低。纳米陶瓷/金属大塑性变形0-0产品高致密、界面洁净、且粒度可控性好。纳米陶瓷/金属快速凝固0-31-3技术成熟、工艺简单且易于控制、成本低、产量高。纳米金属/非晶；碳纳米管增强合金纳米复合镀0-2纳米微粒有效抑制基体组织晶粒长大、工艺简单、且易于控制、成本低。各种高耐磨、耐热、耐蚀镀层溅射法0-2靶材无限制、薄膜组织致密、粒度小、表面清洁、附着力大、适于实验室制备。各种功能纳米复合薄膜非晶晶化0-3成本低、产量高、界面清洁致密、无微孔隙、粒度可控。非晶形成能力较强的合金系惰性气体凝聚法0-00-3表面清洁、粒度小、设备要求高、产量低。Cu/Fe、Ag/Fe、SiO2/BiSb反应性等离子体法0-3沉积速度快、粒度小、表面洁净、但能耗大。氮、氧、碳化物增强体系微乳液法0-0核-壳结构纳米晶复合，粒度分布窄且可控。各种纳米金属复合体系三、

性能1.强度、塑性和断裂韧性纳米颗粒增强金属基复合材料的主要强化机制为

Orowan强化、热错配强化、Hall-Petch强化。注意：纳米颗粒在基体中的分布状态对何种机制起主导作用具有重要影响。以纳米SiC颗粒增强AZ91D复合材料时，发现：（1）颗粒完全分布于晶内时，颗粒难以阻碍晶粒的长大，细晶强化作用微小，而颗粒与基体结合良好，增强效果最好，主要增强机制为Orowan强化；（2）颗粒完全分布于晶界上时，颗粒有效地阻碍了晶粒的长大，细晶强化成为主要的强化机制，增强效果最差，主要增强机制为Hall-Petch强化。（3）颗粒在晶内晶界上均有分布时，多种强化机制共同发挥作用，增强效果随着晶内与晶界上颗粒比例的减小而逐渐减小。2.耐磨性纳米TiN/TiC/TiNi复合材料的耐磨损性优于TiC/TiNi复合材料和硬质颗粒覆盖表面的WC/NiCrBSi材料。复合涂层的硬度和耐磨性随着纳米金刚石粉加入量的增多而提高，当复合涂层中添加的纳米金刚石粉的质量分数在0.8%~10%时，其耐磨性能最好，摩擦因数可减小60%。发现10%~14%碳纳米管的铜基复合材料,具有较好的摩擦性能。3.磁化性能纳米级磁性材料具有高的矫顽力、低的居里温度，颗粒尺寸小于某一临界值时，具有超顺磁性等。4.巨磁电阻效应20世纪90年代，人们在Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁电阻效应。1992年美国率先报道了Co2Ag、Co2Cu颗粒膜中存在巨磁电阻效应。在通常由铁磁薄膜、非磁性绝缘膜所构成的三明治结构，如Fe/Al2O3/Fe中，Al2O3绝缘层厚度小于10nm。5.超顺磁性用共蒸发和惰性气体凝聚、原位氧化、原位压实技术合成的由铁的氧化物和银组成的磁性纳米复合材料，调节氦气压力为133.322Pa可得到10nm的复合颗粒。铁纳米团簇被银晶粒包围，作为单畴的单个晶粒表现出超顺磁性。

1)性能发展方向：继续向高硬度、高弹性模量、高屈服强度和低温超塑性等高性能的方向发展。

2)研究发展方向：用先进的分析技术和手段深入研究界面的反应规律、界面微结构对复合材料各种性能的影响、界面结构和性能的优化与控制途径以及界面结构性能的稳定性成为金属基纳米复合材料研究的重要方向。

3)碳纳米管增强金属基纳米复合材料是一新兴发展方向。前景：虽然目前一些金属基纳米复合材料的制备工艺仍停留在实验阶段，但随着分析方法的不断进步、制备工艺的不断成熟和制备成本的不断降低，金属基纳米复合材料必将以其优良的特性在新材料、冶金、自动化和航空航天等领域发挥更加巨大的作用。谢谢！四、

应用与展望纳米基复合材料复合材料原理

知识点3-陶瓷基纳米复合材料概述主要内容一二三四制备性能应用与展望一、陶瓷基纳米复合材料的概述1.定义：通过有效的分散、复合使异质相纳米颗粒分布于基体陶瓷中的一类材料。2.分类：据异质相分布位置的不同分为：晶内型、晶界型、晶内-晶界混合型、纳米-纳米型四类图1晶内型晶界型晶内-晶界混合型纳米-纳米型1）机械混合法机械混合法即球磨后烧结成型。优点：工艺简单、成本低廉。不足：纳米颗粒的团聚、分散不均、球磨介质磨损带入杂质等措施：使用大功率超声振荡以破坏团聚，并使用适量分散剂，提高分散均匀性。球磨介质采用与基质相同的材料，可减少因球磨带来的杂质，如制备纳米SiC粉末增强Si3N4基陶瓷复合材料采用Si3N4磨球。二、制备方法1.制备流程2.制粉方法制粉挤压烧结2）复合粉末法复合粉末法是目前最常用的一种方法。制备过程：是先经化学、物理过程制备含有基质和弥散相均匀分散的混合粉末，然后烧结成型，得到陶瓷基纳米复合材料。复合粉末制备方法通常有：化学气相沉积(CVD)先驱体转化法激光合成法等。3）

原位反应法定义：原位反应法是将基体粉末分散于可生成纳米颗粒的先驱体溶液中，经干燥、预成型、热处理生成含纳米颗粒的复合粉末，最后热压成型。特点：可保证两相均匀分散，且热处理过程中生成的纳米颗粒不发生团聚。举例：1）通过热解有机先驱体聚六甲基环四烷，得到含SiC和Si3N4的复合粉末，经烧结成型可制得Si3N4/SiC陶瓷基纳米复合材料。2）以Ti和B4C为原料，通过高能球磨能原位反应生成纳米TiB2/TiC材料粉体，由于C原子的扩散首先生成TiC粒子。球磨30h后，Ti和B4C完全反应生成TiC和TiB2两相。其反应机制为减慢的自蔓延反应。长时间球磨后，形成TiB2颗粒内部嵌有纳米TiC粒子的复合纳米粉体。4）湿化学法过程：液相中进行。特点：1）由于在液相中配制，各组分的含量可精确控制并可实现在分子或原子水平上的均匀混合。

2）可使生成的固相颗粒尺寸远小于1μm，

3）可获得粒度分布窄，形状为球体的粒子。应用：湿化学法特别适用于制备多组分、超细粉料。分类：均匀共沉淀法、醇盐水解法、溶胶一凝胶法、非均相凝固法、包裹法等。运用最广泛的是溶胶-凝胶法，该法一般分四个步骤：1）先把基体粉末和溶剂配成溶液，然后加入纳米粉末，采用超声波、分散剂及调节溶液pH值等方法，实现均匀分散、破坏原有的团聚结构；2）通过调节工艺参数，在不发生析晶、团聚、沉降的情况下，使体系凝胶聚合3）经热处理制得复合粉末；4）复合粉末烧结成型制成纳米复合材料。由于基体粉末均匀分散在纳米颗粒周围，在热处理过程中成核、长大，容易生成“晶内型”结构。此外，还有如等离子相合成法、离子溅射等方法。3.