先进复合材料及其制备讲义

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1、先进复合材料及其制备清华大学2008年5月23日《现代材料加工》讲座内容提要1、先进复合材料概述2、先进复合材料设计的基本原则3、先进复合材料的制备技术4、金属基复合材料及其制备5、纳米复合材料及其制备6、案例：镁基纳米复合材料制备7、先进复合材料发展方向1、先进复合材料概述1.1复合材料的定义和分类1.2复合材料的结构1.3复合材料的性能特点与复合效果1.4先进复合材料的分类与性能特点1.5先进复合材料的应用1.1复合材料的定义和分类定义：复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相

2、是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固纤维增强高分子复合材料结成一体，并起传递应力的作用。增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。（1）复合材料的定义（2）复合材料的分类复合材料按性能高低分为传统复合材料和先进复合材料。先进复合材料(

3、advancedcomposites)：以碳、芬纶、陶瓷等纤维和晶须以及纳米颗粒等高性能增强相与高聚物、金属、陶瓷和碳（石墨）等基体构成的复合材料。先进复合材料在性能和功能上远远超出其单质组分的性能和功能。（2）复合材料的分类按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层状复合材料。按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型（2）复合材料的分类结构复合材料按不同基体分类（2）复合材料的分类结构复合材料按不同增强体分类1.

4、2复合材料的结构几种典型复合材料结构1.2复合材料的结构a)单向纤维增强复合材料b)颗粒增强复合材料c)层状复合材料d)蜂窝夹心复合材料e)编织复合材料f)功能梯度复合材料1.3复合材料的性能特点比强度和比模量高其中纤维增强复合材料的最高。抗疲劳性能好碳纤维增强材料-1可达b的70~80%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。减振性能良好复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。高温性能好。比强度比较碳纤维树脂硼纤维树脂玻璃纤维树脂钛钢铝1.4先进复合材料及性能特点（1）颗粒增强复合材料粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，

5、使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。卫星用颗粒增强铝基复合材料零件聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材)等。陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。粒子增强SiC陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。硬质合金组

6、织(Co+WC)硬质合金铣刀硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。硬质合金模具硬质合金轴承刀具(2)层状复合材料层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。有TiN涂层的高尔夫球头层状复合铝合金蜂窝夹层板(3

7、)纤维增强复合材料纤维增强复合材料是指以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。I纤维增强复合原则在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。碳纤维a)弹性模量及强度外力方向与纤维轴向相同时，c=f=m(f-纤维、m-基体、c-复合材料)，则当外力垂直于纤维轴向时，则b)纤维的临界长径比c)纤维最小体积分数纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采

8、用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能