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1、第七章复合材料的本讲稿第一页，共十六页第一节 复合材料的发展方向n复合材料基础理论问题n复合材料新的设计和制备方法n功能、多功能、机敏、智能复合材料n纳米复合材料n仿生复合材料本讲稿第二页，共十六页一、复合材料基础理论问题n复合材料的基础理论问题较多，但是突出的当属界面问题和可靠性问题，复合材料性能受其界面结构的影响极大，因而前者是复合材料所特有而重要的问题。可靠性问题也是制约复合材料发展的关键问题，因此需要给予足够的重视。本讲稿第三页，共十六页n 界面的研究。首先对各种基体的复合材料结构进行细致的考察，提高包括迄今尚未完善的表征方法。优化界面的设计、界面改性方法和及界面残余应力的行为等研究水
2、平。同时开展目前尚未涉足的功能复合材料的界面研究来了解界面传递功能的行为等新课题。本讲稿第四页，共十六页n可靠性的研究。复合材料的可靠性与其组分、设计加工工艺和环境等密切相关，同时也需要进一步完善评价检测和监控的方法。本讲稿第五页，共十六页二、复合材料新的设计和制备方法n计算机技术和信息技术的发展给复合材料的发展带来了新的机遇，发展了逆向设计和虚拟设计等方法。n目前复合材料的制备工艺正在不断的改善与提高如树脂迁移模塑法、反应注射成型(含增强体的方式)以及电子束固化等新工艺，提高了工艺效率，并改善了制品质量。同时一些新的复合技术如原位复合、自蔓延技术、梯度复合以及其他一些新技术已经崭露头角，显示
3、各自的优越特点。这也是复合材料发展的驱动力。n特别令入注意的是，设计制造一体化已经形成概念，并正向成为现实的方向进展。本讲稿第六页，共十六页三、功能、多功能、机敏、智能复合材料n传统复合材料多为结构复合材料，其实它的设计自由度大的特点更适合于发展功能复合材料，特别是能在由功能 多功能 机敏 智能复合材料，即从低级形式到高级形式的过程中体现出来。设计自由度大是由于复合材料可以任意调节其复合度，选择其连接形式和改变其对称性等因素，以期达到功能材料所追求的高优值。此外复合材料所特有的复合效应更提供广阔的设计途径。本讲稿第七页，共十六页n功能复合材料：它涉及的范围非常宽，如用于电学功能的导电、超导、绝
4、缘、吸波(电磁波)、半导电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等：用于磁学功能则有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等，在光学功能上有透光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、x线屏蔽和透x光等：在声学功能方面有吸声、声纳、抗声纳等；在机械功能方面则有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防弹装甲等；在化学功能方面有选择吸附和分离、抗腐蚀等本讲稿第八页，共十六页n多功能复合材料：利用复合材料多组分特点，发展成多功能复合材料，首先会形成功能与结构共存的形式，例如美国军用飞机具有自我保护的隐身功能，即在飞机的蒙皮上使用吸收电磁波的功能复合材料来躲避雷达跟踪，而这种复合材科又是高性能的结构复合材料，从而成为多功能
5、复合材料。目前正在研制兼有吸收电磁波、红外线和结构多功能复合材料。本讲稿第九页，共十六页n机敏复合材料 入类一直期望着材料具有能感知外界且可作出适当反应的能力。目前已经开始试将传感功能材料和具有执行功能的材料，通过某种基体复合在一起，并联外部信息处理系统把传感器给出的信息传达并启动执行材料动作。这样就构成了机敏复合材料(smart composite)及其系统，使之能够感知外部环境的变化，作出主动的响应。它的作用可表现在自诊断、自逅应和自修复的能力上。本讲稿第十页，共十六页n智能复合材料 它是功能类材料的最高形式，实际上它是在机敏复合材料的基础上进行自决策，指挥执行材料作出优化动作。这当然对材
6、料的传感部分和执行部分的灵敏度、稳定性和响应速度提出了更高的要求。尽管难度很大但是具有重要意义，值得作为追求的目标。本讲稿第十一页，共十六页四、纳米复合材料n当材料尺寸进入纳米范围时，材料的主要成分集中在表面，例如直径为2nm的颗粒其表面原子数将占有整体的8。巨大的表面所产生的表面能使具有的米尺寸的物体之间存在极强的团聚而又能令保持纳米尺寸的单个体(颗粒或其他形状物体)发挥其纳米效应。这种效应的产生是来源于其表面原子呈无序分布状态而具有特殊的性质，表现在量子尺寸效应、宏观量隧道效应、表面与界面效应等。由于这些效应的存在使纳米复合材科不仅具有优良的力学性质而且也会产生光学、非线性光学、光化学和电
7、学的功能作用。本讲稿第十二页，共十六页n有机无机纳米复合材料 有机无机分子间强相互作用有共价健型、配位键型和离子键型，形成种类健型均有其对应的制备方法。例如共价键型纳米复合材料的制各基本上采用凝胶溶胶法，可以实现分子水平混合，赋予它优异的性能。新近发展迅速的离子型有机无机纳米复合材料是通过对无机层状物插层来制得的，因此无机纳米相仅有一维是纳米尺寸。由于层状硅酸盐的片层之间表面带负电，所以可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构成纳米复合材料。研究表明这种复合材料不仅能作为结构用也可作为功能材料。本讲稿第十三页，共十六页n无机无机纳米复合材料
8、 无机无机纳米复合材料虽然研究较早，但进展较慢，这是因为在加工过程中无机纳米颗粒间的团聚和晶粒长大作用难以克服，正在研究解决中，采用在基体中利用反应原位产生纳米增强相的方法可能是有效的措施。本讲稿第十四页，共十六页五、仿生复合材料n仿生复合材料 仔细分析天然材料可以发现它们的形成结构、排列分布非常合理。例如竹子为管式纤维，外密内硫，并呈正反螺旋形排列使之成为人类长期使用的优良天然材料。又如贝壳则是以天机质成分与有机质成分里层状交替更层而成，从而使之既具有很高强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结构形式，为人类提供了学习借鉴的源泉。为此，可以通过系统分析和比较，吸取有用的规律井形成概念，把从生物材料学习到的知识结合材料科学的理论基础和手段来进行新型材料的设计与制造。本讲稿第十五页，共十六页六、金属基复合材料的新进展n微结构的优化设计（1）金属基梯度复合材料 最常见的是陶瓷颗粒呈梯度分布，如耐磨或者防弹复合材料SiCp-Al梯度复合材料。（2）微结构韧化梯度复合材料 一般情况下要求增强相在基中均匀分布，而不希望出现未被增强的较大区域。但从微结构韧化的角度却相反本讲稿第十六页，共十六页