《金属学与热处理材料研究新进展精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属学与热处理材料研究新进展精选文档.ppt（95页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、金属学与热处理课件金属学与热处理课件 材料研究新进展材料研究新进展本讲稿第一页，共九十五页教学提示：新材料，也称先进材料，是指应用先进的科学技术，具有优异性能教学提示：新材料，也称先进材料，是指应用先进的科学技术，具有优异性能和使用功能的新型材料。新材料研究的内容是关于材料成分、组织结构、工艺流程和使用功能的新型材料。新材料研究的内容是关于材料成分、组织结构、工艺流程对于材料性质与用途的影响规律以及它们与工程技术的联系，它的根本任务是利用对于材料性质与用途的影响规律以及它们与工程技术的联系，它的根本任务是利用新的科学原理和技术设计、合成并制备出具有优异性能的材料。一种新材料已经不新的科学原理和
2、技术设计、合成并制备出具有优异性能的材料。一种新材料已经不是只具有单一功能的材料，在一定条件下可实现多种功能。从而为高新技术产品的是只具有单一功能的材料，在一定条件下可实现多种功能。从而为高新技术产品的智能化、微型化提供了材料基础。智能化、微型化提供了材料基础。教学要求：掌握复合材料、功能材料和纳米材料的基本概念、分类及其基本特点，了解新教学要求：掌握复合材料、功能材料和纳米材料的基本概念、分类及其基本特点，了解新材料和传统材料的异同点、制备工艺和应用领域。材料和传统材料的异同点、制备工艺和应用领域。本讲稿第二页，共九十五页新材料是当前高新技术发展的支柱，现代科学技术，特别是交通、能源、航空航
3、天、通新材料是当前高新技术发展的支柱，现代科学技术，特别是交通、能源、航空航天、通信、核工程、海洋工程、生物工程等领域的发展，对所需要的结构材料提出了更高的要求，既信、核工程、海洋工程、生物工程等领域的发展，对所需要的结构材料提出了更高的要求，既希望它们具有良好的综合性能，如低密度、高强度、高刚度、高韧性、高耐磨性和良好的抗疲希望它们具有良好的综合性能，如低密度、高强度、高刚度、高韧性、高耐磨性和良好的抗疲劳性能等，又期望它们能够在高温、高压、高真空、强烈腐蚀及辐照等极端环境条件下服役。劳性能等，又期望它们能够在高温、高压、高真空、强烈腐蚀及辐照等极端环境条件下服役。新材料发展的重要标志是可以
4、根据产品需要来设计新材料，一改传统上根据材料的功能来设计新材料发展的重要标志是可以根据产品需要来设计新材料，一改传统上根据材料的功能来设计产品的观念。这种材料设计可以从材料的组成、结构和工艺设计来实现其所需功能。一种新材产品的观念。这种材料设计可以从材料的组成、结构和工艺设计来实现其所需功能。一种新材料已经不是只具有单一功能，在一定条件下可实现多种功能。传统的单一材料，如金属材料、料已经不是只具有单一功能，在一定条件下可实现多种功能。传统的单一材料，如金属材料、陶瓷材料和高分子材料已远远不能满足上述要求。因此，人们设法采用某种可能的工艺将两种陶瓷材料和高分子材料已远远不能满足上述要求。因此，人
5、们设法采用某种可能的工艺将两种或两种以上组织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起，形成一类新的多相材料或两种以上组织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起，形成一类新的多相材料(即所即所谓的复合材料谓的复合材料)，使之既可保留原有组分材料的优点，又可能具有某些新的特性，以扩大结构，使之既可保留原有组分材料的优点，又可能具有某些新的特性，以扩大结构设计师们的选材余地，从而适应现代高技术发展的需求。设计师们的选材余地，从而适应现代高技术发展的需求。本讲稿第三页，共九十五页本章内容本章内容10.1复合材料复合材料10.2功功能能材材料料10.3纳纳米米材材料料小小结结本本章章习习题题本讲稿第四
6、页，共九十五页10.1 复合材料复合材料材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。古代就出现了原始型的复合材料，如用草茎材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。古代就出现了原始型的复合材料，如用草茎和泥土作建筑材料；砂石和水泥基体复合的混凝土也有很长历史。和泥土作建筑材料；砂石和水泥基体复合的混凝土也有很长历史。19世纪末复合材料开始进世纪末复合材料开始进入工业化生产。入工业化生产。20世纪世纪60年代由于高新技术的发展，对材料性能的要求日益提高，单质材料年代由于高新技术的发展，对材料性能的要求日益提高，单质材料很难满足性能的综合要求和高指标要求。复合材料因具有可设计性的特点受到各发达国家的重很难满
7、足性能的综合要求和高指标要求。复合材料因具有可设计性的特点受到各发达国家的重视，因而发展很快，开发出许多性能优良的先进复合材料视，因而发展很快，开发出许多性能优良的先进复合材料(成为航空、航天工业的首要关键材成为航空、航天工业的首要关键材料料)，各种基础性研究也得到发展，使复合材料与金属、陶瓷、高聚物等材料并列为重要材料。，各种基础性研究也得到发展，使复合材料与金属、陶瓷、高聚物等材料并列为重要材料。有人预言，有人预言，21世纪将是进入复合材料的时代。世纪将是进入复合材料的时代。本讲稿第五页，共九十五页10.1.1复合材料的定义及其分类复合材料的定义及其分类1.复合材料的定义复合材料的定义复合
8、材料复合材料(compositematerials)是由两种或两种以上异质、异性、异形的材料，在宏观尺度是由两种或两种以上异质、异性、异形的材料，在宏观尺度上复合而成的一种完全不同于其组成材料的新型材料。复合材料的定义包括以下四个方面：它包上复合而成的一种完全不同于其组成材料的新型材料。复合材料的定义包括以下四个方面：它包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料；它可以通过将几种分离的材料混合在含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料；它可以通过将几种分离的材料混合在一起而制成。混合的方法是，在人为控制下将一种材料分散在其他材料之中，使其达到最佳性能；一起而制成。混合的方法
9、是，在人为控制下将一种材料分散在其他材料之中，使其达到最佳性能；复合后的性能优于各单独的组成材料，并在某些方面可能具有组成材料所没有的独特性能；通过复合后的性能优于各单独的组成材料，并在某些方面可能具有组成材料所没有的独特性能；通过选取不同的组成材料、改变组成材料的含量与分布等微结构参数，可以改变复合材料的性能，即选取不同的组成材料、改变组成材料的含量与分布等微结构参数，可以改变复合材料的性能，即材料性能具有可设计性并拥有最大的设计自由度。材料性能具有可设计性并拥有最大的设计自由度。复合材料的组成材料称为组分材料。组分材料分为两部分：一部分为增强体复合材料的组成材料称为组分材料。组分材料分为两
10、部分：一部分为增强体(reinforcedbody)，承担结构的各种工作载荷：另一部分为基体，承担结构的各种工作载荷：另一部分为基体(matrix)，起到黏结增强体予以赋形并传递，起到黏结增强体予以赋形并传递应力和增韧作用。增强体分为纤维应力和增韧作用。增强体分为纤维(fibre)：连续纤维、短切纤维、晶须；颗粒：微米颗粒与纳米：连续纤维、短切纤维、晶须；颗粒：微米颗粒与纳米颗粒；片材：人工晶片与天然片状物。基体主要分为有机聚合物、金属、陶瓷、水泥和碳颗粒；片材：人工晶片与天然片状物。基体主要分为有机聚合物、金属、陶瓷、水泥和碳(石墨石墨)等。构造出的复合材料，能改善的性能主要有强度、刚度、疲
11、劳寿命、耐高温性、耐腐蚀性、耐等。构造出的复合材料，能改善的性能主要有强度、刚度、疲劳寿命、耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性、吸引性、质量、抗振性、导热性、绝热性、隔声性等。当然，上述各种性能不可能同时都磨性、吸引性、质量、抗振性、导热性、绝热性、隔声性等。当然，上述各种性能不可能同时都有所改善，工程实际中也不存在这样的要求。有所改善，工程实际中也不存在这样的要求。10.1 复合材料复合材料本讲稿第六页，共九十五页2.复合材料的定义复合材料的定义复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，根据复合材料的三要素复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，根据复合材料的三要素(见图见图10.1)来分
12、类。来分类。(1)按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等(见图见图10.2)。图图10.1复合材料的三要素复合材料的三要素图图10.2结构复合材料按不同基体分类结构复合材料按不同基体分类10.1 复合材料复合材料本讲稿第七页，共九十五页(2)按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料(见图见图10.3)。凡以各种粒子填料为分散质的是粒子复合材料，若分布均匀，是各向同性的；以纤维为增
13、强剂得凡以各种粒子填料为分散质的是粒子复合材料，若分布均匀，是各向同性的；以纤维为增强剂得到的是纤维增强复合材料，依据纤维的铺排方式，可以各向同性也可以是各向异性；层状复合材料如到的是纤维增强复合材料，依据纤维的铺排方式，可以各向同性也可以是各向异性；层状复合材料如胶合板由交替的薄板层胶合而成，因而是各向异性的。胶合板由交替的薄板层胶合而成，因而是各向异性的。(3)依据复合材料的用途可分为结构复合材料和功能复合材料，目前结构复合材料占依据复合材料的用途可分为结构复合材料和功能复合材料，目前结构复合材料占绝大多数，而功能复合材料有广阔的发展前途。预计绝大多数，而功能复合材料有广阔的发展前途。预计
14、21世纪会出现结构复合材料与功能复世纪会出现结构复合材料与功能复合材料并重的局面，而且功能复合材料更具有与其他功能材料竞争的优势。功能复合材料合材料并重的局面，而且功能复合材料更具有与其他功能材料竞争的优势。功能复合材料指能实现具有某种功能的复合材料，如导电材料、导磁材料、导热材料、屏蔽材料等。结指能实现具有某种功能的复合材料，如导电材料、导磁材料、导热材料、屏蔽材料等。结构复合材料则主要用作承力和次承力结构，要求质量小、强度和刚度高，且能耐受一定温构复合材料则主要用作承力和次承力结构，要求质量小、强度和刚度高，且能耐受一定温度，某种情况下还要求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能度
15、，某种情况下还要求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能(见图见图10.4)。10.1 复合材料复合材料本讲稿第八页，共九十五页图图10.3结构复合材料按不同增强体形式分类结构复合材料按不同增强体形式分类图图10.4复合材料分类复合材料分类10.1 复合材料复合材料本讲稿第九页，共九十五页10.1.2复合材料中各组元的基本作用复合材料中各组元的基本作用复合材料的中能够对其性能和结构起决定作用的，除了基体和增强体外还包括基复合材料的中能够对其性能和结构起决定作用的，除了基体和增强体外还包括基体与增强体间的界面。基体、增强体及界面的各自性质与相互作用决定着复合材料的体与增强体间的界面。基体
16、、增强体及界面的各自性质与相互作用决定着复合材料的性能特征，因此基体、增强体及其界面应是互相配合，协同性好，才能达到最好的复性能特征，因此基体、增强体及其界面应是互相配合，协同性好，才能达到最好的复合效果，复合材料的性能特点也正是建立在这一原则基础上的。合效果，复合材料的性能特点也正是建立在这一原则基础上的。基体是复合材料的重要组成部分之一，主要作用是利用其黏附特性、固定和黏附基体是复合材料的重要组成部分之一，主要作用是利用其黏附特性、固定和黏附增强体，将复合材料所受的载荷传递并分布到增强体上。载荷的传递机制和方式与增增强体，将复合材料所受的载荷传递并分布到增强体上。载荷的传递机制和方式与增强
17、体的类型和性质密切相关，在纤维增强的复合材料中，复合材料所承受的载荷大部强体的类型和性质密切相关，在纤维增强的复合材料中，复合材料所承受的载荷大部分由纤维承担。基体的另一作用是保护增强体在加工和使用过程中，免受环境因素的分由纤维承担。基体的另一作用是保护增强体在加工和使用过程中，免受环境因素的化学作用和物理损伤，防止诱发造成复合材料破坏的裂纹。同时基体还会起到类似隔化学作用和物理损伤，防止诱发造成复合材料破坏的裂纹。同时基体还会起到类似隔膜的作用，将增强体相互分开，这样即使个别增强体发生破坏断裂，裂纹也不易从一膜的作用，将增强体相互分开，这样即使个别增强体发生破坏断裂，裂纹也不易从一个增强体扩
18、展到另一个增强体。因此基体对复合材料的耐损伤和抗破坏、使用温度极个增强体扩展到另一个增强体。因此基体对复合材料的耐损伤和抗破坏、使用温度极限以及耐环境性能均起着十分重要的作用，正是由于基体与增强体的这种协同作用，限以及耐环境性能均起着十分重要的作用，正是由于基体与增强体的这种协同作用，才赋予复合材料良好的强度、刚度和韧性等。常见的基体有树脂基体才赋予复合材料良好的强度、刚度和韧性等。常见的基体有树脂基体(resinmatrix)、金属基体、金属基体(metallicmatrix)、陶瓷基体、陶瓷基体(ceramicmatrix)和碳素基体和碳素基体(carbonmatrix)等。等。10.1
19、复合材料复合材料本讲稿第十页，共九十五页在结构复合材料中，增强体主要用来承受载荷。因此在设计复合材料时，通常所选择在结构复合材料中，增强体主要用来承受载荷。因此在设计复合材料时，通常所选择的增强体的弹性模量应比基体高。以纤维增强的复合材料为例，外载作用下，当基体与增的增强体的弹性模量应比基体高。以纤维增强的复合材料为例，外载作用下，当基体与增强体应变量相同时，基体与增强体所受载荷比等于两者的弹性模量比，弹性模量高的纤维强体应变量相同时，基体与增强体所受载荷比等于两者的弹性模量比，弹性模量高的纤维就可承受高的应力。此外，增强体的大小、表面状态、体积分数及其在基体中的分布等，就可承受高的应力。此外
20、，增强体的大小、表面状态、体积分数及其在基体中的分布等，对复合材料的性能同样具有很大的影响。上述各因素的作用又与增强体的类型、基体的性对复合材料的性能同样具有很大的影响。上述各因素的作用又与增强体的类型、基体的性质紧密相关，在不同类型复合材料中的表现各不相同，不能一概而论。质紧密相关，在不同类型复合材料中的表现各不相同，不能一概而论。基体与增强体之间的界面特性决定着基体与复合材料之间结合力的大小。普遍认基体与增强体之间的界面特性决定着基体与复合材料之间结合力的大小。普遍认为，基体与增强体之间结合力的大小应相适度，其强度只要足以传递应力即可。结合为，基体与增强体之间结合力的大小应相适度，其强度只
21、要足以传递应力即可。结合力过小，增强体和基体间的界面在外载作用下易发生开裂；结合力过大，又易使复合力过小，增强体和基体间的界面在外载作用下易发生开裂；结合力过大，又易使复合材料失去韧性。因此需根据基体和增强体的性质，来控制界面的状态，以获得适宜的材料失去韧性。因此需根据基体和增强体的性质，来控制界面的状态，以获得适宜的界面结合力。另外，基体与增强体之间还应具有一定的相容性，即相互之间不发生反界面结合力。另外，基体与增强体之间还应具有一定的相容性，即相互之间不发生反应。应。10.1 复合材料复合材料本讲稿第十一页，共九十五页10.1.3复合材料的特性复合材料的特性复合材料不仅能保持原组分材料的部
22、分优点和特性，而且还可借助于对组分材料、复合工复合材料不仅能保持原组分材料的部分优点和特性，而且还可借助于对组分材料、复合工艺的选择与设计，使组分材料的性能相互补充，从而显示出比原有单一组分材料更为优越的性艺的选择与设计，使组分材料的性能相互补充，从而显示出比原有单一组分材料更为优越的性能。除性能可设计外，各种类型的复合材料，尤其是先进复合材料还具有优异的力学性能、物能。除性能可设计外，各种类型的复合材料，尤其是先进复合材料还具有优异的力学性能、物理性能和工艺性能。理性能和工艺性能。1.性能的可设计性性能的可设计性由于复合材料体系完全是人为确定，因此复合材料最显著的特性，是其性能由于复合材料体
23、系完全是人为确定，因此复合材料最显著的特性，是其性能(主要指力学性能、主要指力学性能、物理性能和工艺性能物理性能和工艺性能)在一定范围内具有可设计性。可根据材料的基本特性、材料间的相互作用和使用在一定范围内具有可设计性。可根据材料的基本特性、材料间的相互作用和使用性能要求，可以人为设计并选择基体材料类型、增强体材料类型及其数量形态和在材料中的分布方式，性能要求，可以人为设计并选择基体材料类型、增强体材料类型及其数量形态和在材料中的分布方式，同时还可以设计和改变材料基体和增强体的界面状态；由它们的复合效应可以获得常规材料难以提供同时还可以设计和改变材料基体和增强体的界面状态；由它们的复合效应可以
24、获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能。但是，复合材料性能的可设计性大都不是借助于传统材料。因此从理论上说的某一性能或综合性能。但是，复合材料性能的可设计性大都不是借助于传统材料。因此从理论上说可以获得一类材料，其能将两种以上不同材料的完全不同的优秀性能系于一身，满足更为复杂恶劣和可以获得一类材料，其能将两种以上不同材料的完全不同的优秀性能系于一身，满足更为复杂恶劣和极端使用条件的要求。极端使用条件的要求。10.1 复合材料复合材料本讲稿第十二页，共九十五页2.力学性能特点力学性能特点应该说不同复合材料是没有统一的力学性能特点。因为其性能是根据使用需求而设计确定的，应该说不同复合材料是没有统
25、一的力学性能特点。因为其性能是根据使用需求而设计确定的，其力学性能特点应该与复合材料的体系及加工工艺有关。但就常用的工程复合材料而言，与其相其力学性能特点应该与复合材料的体系及加工工艺有关。但就常用的工程复合材料而言，与其相应的基体材料相比较，其主要有如下的力学性能特点。应的基体材料相比较，其主要有如下的力学性能特点。比强度、比模量高：这主要是由于增强体一般为高强度、高模量而相对密度比强度、比模量高：这主要是由于增强体一般为高强度、高模量而相对密度小的材料，从而大大增加了复合材料的比强度小的材料，从而大大增加了复合材料的比强度(强度强度/密度密度)和比模量和比模量(弹性模量弹性模量/密度密度)
26、。如碳纤维增强环氧树脂比强度是钢的。如碳纤维增强环氧树脂比强度是钢的7倍，比模量则比钢大倍，比模量则比钢大3倍。材料的比强度和比倍。材料的比强度和比模量是材料性能的重要指标，高的比强度、比模量可使结构质量大幅度减小。低结构模量是材料性能的重要指标，高的比强度、比模量可使结构质量大幅度减小。低结构质量意味着军用飞机可增加弹载、提高航速、改善机动特性、延长巡航时间，而民用质量意味着军用飞机可增加弹载、提高航速、改善机动特性、延长巡航时间，而民用飞机则可多载燃油、提高客载。飞机则可多载燃油、提高客载。抗疲劳性能好：疲劳是材料在交变载荷下，因裂纹的形成和扩展而产生的低抗疲劳性能好：疲劳是材料在交变载荷
27、下，因裂纹的形成和扩展而产生的低应力破坏。在纤维增强复合材料中存在着许多的纤维应力破坏。在纤维增强复合材料中存在着许多的纤维树脂界面，这些界面能阻止裂树脂界面，这些界面能阻止裂纹进一步扩展，从而推迟疲劳破坏的产生，因此其疲劳抗力高；对脆性的陶瓷基复合纹进一步扩展，从而推迟疲劳破坏的产生，因此其疲劳抗力高；对脆性的陶瓷基复合材料这种效果还会大大提高其韧性，是陶瓷韧化的重要方法之一。大多数金属材料的材料这种效果还会大大提高其韧性，是陶瓷韧化的重要方法之一。大多数金属材料的疲劳强度是抗拉强度的疲劳强度是抗拉强度的40%50%，而碳纤维增强复合材料高达，而碳纤维增强复合材料高达70%80%，这是因，这
28、是因为裂纹扩展机理不同所致。为裂纹扩展机理不同所致。10.1 复合材料复合材料本讲稿第十三页，共九十五页耐高温性能好：复合材料增强体一般高温下仍会保持高的强度和模量，使复合材料较其所耐高温性能好：复合材料增强体一般高温下仍会保持高的强度和模量，使复合材料较其所用的基体材料具有更高的高温强度和蠕变抗力。如用的基体材料具有更高的高温强度和蠕变抗力。如Al合金在合金在400时强度从室温的时强度从室温的500MPa降至降至30MPa50MPa，弹性模量几乎降为零；如使用碳纤维或硼纤维增强后，弹性模量几乎降为零；如使用碳纤维或硼纤维增强后400时材料的强度和模时材料的强度和模量与室温的相差不大，从而提高
29、了金属材料的高温性能。量与室温的相差不大，从而提高了金属材料的高温性能。减振能力强：当结构所受外力的频率与结构的自振频率相同时，将产生共振，减振能力强：当结构所受外力的频率与结构的自振频率相同时，将产生共振，容易造成灾难性事故。而结构的自振频率不仅与结构本身的形状有关，还与材料比模容易造成灾难性事故。而结构的自振频率不仅与结构本身的形状有关，还与材料比模量的平方根成正比，因而纤维增强复合材料的自振频率较高，可以避免共振。此外，量的平方根成正比，因而纤维增强复合材料的自振频率较高，可以避免共振。此外，纤维与基体的界面具有吸振能力，具有很高的阻尼作用。纤维与基体的界面具有吸振能力，具有很高的阻尼作
30、用。断裂安全性高：纤维增强复合材料截面上分布着相互隔离的细纤维，当其受力发生过载时，断裂安全性高：纤维增强复合材料截面上分布着相互隔离的细纤维，当其受力发生过载时，其中部分纤维会发生断裂，但随即进行应力的重新分配，由未断纤维将载荷承担起来，不致造成其中部分纤维会发生断裂，但随即进行应力的重新分配，由未断纤维将载荷承担起来，不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而发生脆断，因此复合材料的工作安全性高。构件在瞬间完全丧失承载能力而发生脆断，因此复合材料的工作安全性高。化学稳定性好：能耐酸碱腐蚀。还具有一些特殊性能，如隔热性、烧蚀性、特殊的电、磁化学稳定性好：能耐酸碱腐蚀。还具有一些特殊性能，如隔热性、
31、烧蚀性、特殊的电、磁性能等。性能等。10.1 复合材料复合材料本讲稿第十四页，共九十五页3.物理性能特点物理性能特点除力学性能外，根据不同的增强体的特性及其与基体复合工艺的多样性，经过设计的复合除力学性能外，根据不同的增强体的特性及其与基体复合工艺的多样性，经过设计的复合材料还可以具有各种需要的优异的物理性能：如低密度材料还可以具有各种需要的优异的物理性能：如低密度(增强体的密度一般较低增强体的密度一般较低)、膨胀系数小、膨胀系数小(甚至可达到零膨胀甚至可达到零膨胀)、导热导电性好、阻尼性好、吸波性好、耐烧蚀、抗辐照等。因此，在选择、导热导电性好、阻尼性好、吸波性好、耐烧蚀、抗辐照等。因此，在
32、选择增强体和基体组分材料进行设计时，尽可能降低材料的密度和膨胀系数，这是结构用复合材料需增强体和基体组分材料进行设计时，尽可能降低材料的密度和膨胀系数，这是结构用复合材料需要考虑的重要因素。密度的降低有利于提高复合材料的比强度和比刚度，而通过调整增强体的数要考虑的重要因素。密度的降低有利于提高复合材料的比强度和比刚度，而通过调整增强体的数量和在基体中的排列方式，可有效降低复合材料的热膨胀系数，甚至在一定条件使其为零，这对量和在基体中的排列方式，可有效降低复合材料的热膨胀系数，甚至在一定条件使其为零，这对于保持在诸如交变温度作用等极端环境下工作的构件的尺寸稳定性具有特别重要的意义。金属基于保持在
33、诸如交变温度作用等极端环境下工作的构件的尺寸稳定性具有特别重要的意义。金属基复合材料中尽管加入的增强体大都为非金属材料，但仍可保持良好的导电和导热特性，这对扩展复合材料中尽管加入的增强体大都为非金属材料，但仍可保持良好的导电和导热特性，这对扩展其应用范围非常有利。基于不同材料复合在一起所具有的导电、导热、压电效应、换能、吸波及其应用范围非常有利。基于不同材料复合在一起所具有的导电、导热、压电效应、换能、吸波及其他特殊性能，目前已开发出了压电复合材料、导电及超导材料、磁性材料、耐磨减摩材料、吸其他特殊性能，目前已开发出了压电复合材料、导电及超导材料、磁性材料、耐磨减摩材料、吸波材料、隐身材料和各
34、种敏感材料，其中的许多材料已在航天、航空、能源、电子、电工等工业波材料、隐身材料和各种敏感材料，其中的许多材料已在航天、航空、能源、电子、电工等工业领域获得实际应用，成为功能材料中十分重要的新成员，同时复合化的方式也是功能材料领域的领域获得实际应用，成为功能材料中十分重要的新成员，同时复合化的方式也是功能材料领域的重要的研究和开发方向。重要的研究和开发方向。10.1 复合材料复合材料本讲稿第十五页，共九十五页4.工艺性能特点工艺性能特点复合材料的成形及加工工艺因材料种类不同而各有差别，但一般来说相对于其所用的复合材料的成形及加工工艺因材料种类不同而各有差别，但一般来说相对于其所用的基体材料而言
35、，成形加工工艺并不复杂。例如，以长纤维增强的树脂基、金属基、陶瓷基基体材料而言，成形加工工艺并不复杂。例如，以长纤维增强的树脂基、金属基、陶瓷基复合材料可整体成形，如此可大大减少结构件中的装配零件数量，进而提高构件的质量和复合材料可整体成形，如此可大大减少结构件中的装配零件数量，进而提高构件的质量和使用可靠性。再如，短纤维或颗粒增强的金属基复合材料可采用传统的金属工艺进行制备使用可靠性。再如，短纤维或颗粒增强的金属基复合材料可采用传统的金属工艺进行制备和二次加工，因而在工程应用中具有很大的灵活性和实用性，增强了这类复合材料的适应和二次加工，因而在工程应用中具有很大的灵活性和实用性，增强了这类复
36、合材料的适应能力。能力。10.1 复合材料复合材料本讲稿第十六页，共九十五页10.1.4复合材料的复合机理复合材料的复合机理复合理论正处在研究、应用和完善之中。下面简单介绍两种复合理论。复合理论正处在研究、应用和完善之中。下面简单介绍两种复合理论。1.粒子增强型复合材料的复合机制粒子增强型复合材料的复合机制根据增强颗粒的尺寸大小，颗粒增强复合材料可细分为弥散增强复合材料根据增强颗粒的尺寸大小，颗粒增强复合材料可细分为弥散增强复合材料和真正颗粒和真正颗粒(或称纯颗粒或称纯颗粒)增强复合材料两类。前者通常系指在金属或合金中加增强复合材料两类。前者通常系指在金属或合金中加入一定数量的惰性硬质粉末并使
37、之弥散分布而形成的复合材料；后者则指以微入一定数量的惰性硬质粉末并使之弥散分布而形成的复合材料；后者则指以微米级颗粒增强的金属、树脂或陶瓷。米级颗粒增强的金属、树脂或陶瓷。10.1 复合材料复合材料本讲稿第十七页，共九十五页(1)弥散强化复合材料。一般加入增强颗粒粒径在弥散强化复合材料。一般加入增强颗粒粒径在0.10.01之间，加入量也在之间，加入量也在1%15%之间。增之间。增强颗粒可以是一种或几种，但应是均匀弥散地分布于基体材料内部。该类复合材料的复合强化机理与强颗粒可以是一种或几种，但应是均匀弥散地分布于基体材料内部。该类复合材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，基体仍是承受载荷的
38、主体。所不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变合金的沉淀硬化机理类似，基体仍是承受载荷的主体。所不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生的第二相质点，它们随温度的升高仍可保持其原有尺寸。同时这些弥散颗粒将阻碍导致基体塑性产生的第二相质点，它们随温度的升高仍可保持其原有尺寸。同时这些弥散颗粒将阻碍导致基体塑性变形的位错的运动变形的位错的运动(金属基金属基)或分子链的运动或分子链的运动(树脂基树脂基)，提高了变形抗力。同时由于所加入的弥散粒子，提高了变形抗力。同时由于所加入的弥散粒子大都是高熔点高硬度且高稳定的氧化物碳化物或氮化物等，故粒子还会大大提高材料的高温强度和蠕大都是高熔点高硬度且高稳定
39、的氧化物碳化物或氮化物等，故粒子还会大大提高材料的高温强度和蠕变抗力；对于陶瓷基复合材料其粒子则会起到细化晶粒，使裂纹转向与分叉，从而提高陶瓷强度和韧变抗力；对于陶瓷基复合材料其粒子则会起到细化晶粒，使裂纹转向与分叉，从而提高陶瓷强度和韧性。当然粒子的强化效果与粒子粒径、形态、体积分数和分布状态等直接相关。性。当然粒子的强化效果与粒子粒径、形态、体积分数和分布状态等直接相关。(2)颗粒增强复合材料。这类材料是用金属或高分子聚合物把具有耐热、硬度高但不耐冲击颗粒增强复合材料。这类材料是用金属或高分子聚合物把具有耐热、硬度高但不耐冲击的金属氧化物碳化物或氮化物等颗粒黏结起来形成的材料，其中颗粒尺寸
40、为微米量级，原则上的金属氧化物碳化物或氮化物等颗粒黏结起来形成的材料，其中颗粒尺寸为微米量级，原则上讲，其几何形状可以是任意的，但一般情况下，基本上为几何对称。实践表明，复合材料的性讲，其几何形状可以是任意的，但一般情况下，基本上为几何对称。实践表明，复合材料的性能受到颗粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能使其均匀分能受到颗粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能使其均匀分布于基体之中。在该种复合材料中，颗粒不是通过有效阻碍位错的运动而使材料强化，而是布于基体之中。在该种复合材料中，颗粒不是通过有效阻碍位错的运动而使材料强化，而是10.1 复
41、合材料复合材料本讲稿第十八页，共九十五页借助于限制颗粒邻近基体的运动来达到强化基体的目的。它具有基体材料脆性小、耐借助于限制颗粒邻近基体的运动来达到强化基体的目的。它具有基体材料脆性小、耐冲击的优点，又具有陶瓷硬度耐热性特点，复合效果显著。其所用粒子粒径较大，一冲击的优点，又具有陶瓷硬度耐热性特点，复合效果显著。其所用粒子粒径较大，一般为般为150，体积分数在，体积分数在20%以上。因此复合材料的使用性能主要决定于粒子的性质，以上。因此复合材料的使用性能主要决定于粒子的性质，此时粒子的强化作用并不显著，但却大大提高了材料耐磨性和综合力学性能，这种方此时粒子的强化作用并不显著，但却大大提高了材料
42、耐磨性和综合力学性能，这种方式主要用作耐磨减摩的材料，如硬质合金、粘接砂轮材料等。式主要用作耐磨减摩的材料，如硬质合金、粘接砂轮材料等。2.纤维增强复合材料的复合机制纤维增强复合材料的复合机制广义的纤维增强复合材料是指由高强度、高模量脆性纤维类增强体与韧性基体广义的纤维增强复合材料是指由高强度、高模量脆性纤维类增强体与韧性基体(树脂、金属树脂、金属)或脆性基体或脆性基体(陶瓷陶瓷)经一定工艺复合而成的多相材料。提高基体在室温和高温下的强度和弹性模经一定工艺复合而成的多相材料。提高基体在室温和高温下的强度和弹性模量是纤维增强树脂或金属的主要设计目标，而纤维增强陶瓷的主要目的并非是为提高其强度和弹
43、量是纤维增强树脂或金属的主要设计目标，而纤维增强陶瓷的主要目的并非是为提高其强度和弹性模量，其着眼点在于提高基体材料的韧性，即增韧。因此，通常所讲的纤维增强复合材料主要性模量，其着眼点在于提高基体材料的韧性，即增韧。因此，通常所讲的纤维增强复合材料主要指纤维增强树脂或纤维增强金属材料。指纤维增强树脂或纤维增强金属材料。增强纤维的种类很多，根据直径的大小和性能特点，可分为纤维和晶须两种类型。目增强纤维的种类很多，根据直径的大小和性能特点，可分为纤维和晶须两种类型。目前用作增强体的纤维大多数是直径为几至几十微米的多晶材料或非晶材料，因长度的不同前用作增强体的纤维大多数是直径为几至几十微米的多晶材料
44、或非晶材料，因长度的不同又可细分为连续长纤维和短纤维。又可细分为连续长纤维和短纤维。10.1 复合材料复合材料本讲稿第十九页，共九十五页(1)短纤维及晶须增强复合材料。其强化机制与弥散强化复合材料的强化机制类似。但由于纤维明短纤维及晶须增强复合材料。其强化机制与弥散强化复合材料的强化机制类似。但由于纤维明显具有方向性，因此在复合材料制作时，如果纤维或晶须在材料内的分布也具有一定方向性，则其强化显具有方向性，因此在复合材料制作时，如果纤维或晶须在材料内的分布也具有一定方向性，则其强化效果必然也是各向异性的。短纤维效果必然也是各向异性的。短纤维(或晶须或晶须)对陶瓷的强化和韧化作用比颗粒增强体的作
45、用更有效更明显，对陶瓷的强化和韧化作用比颗粒增强体的作用更有效更明显，纤维增加了基体与增强体的界面面积，具有更为强烈的裂纹偏转和阻止裂纹扩展效果。纤维增加了基体与增强体的界面面积，具有更为强烈的裂纹偏转和阻止裂纹扩展效果。(2)长纤维增强复合材料。这类复合材料的增强效果主要取决于纤维的特性，基体只起传递和分散长纤维增强复合材料。这类复合材料的增强效果主要取决于纤维的特性，基体只起传递和分散应力的作用，材料力学性能主要取决于纤维的强度、纤维与基体的界面强度、基体的抗剪强度。其强度应力的作用，材料力学性能主要取决于纤维的强度、纤维与基体的界面强度、基体的抗剪强度。其强度的增强效果与纤维的体积分数、
46、纤维直径、纤维的抗拉强度、纤维长度、长径比、基体的黏结强度、基的增强效果与纤维的体积分数、纤维直径、纤维的抗拉强度、纤维长度、长径比、基体的黏结强度、基体的抗拉强度有关。应用较多的有玻璃纤维和碳纤维增强复合材料。纤维增强效果是按以下原则设计的：体的抗拉强度有关。应用较多的有玻璃纤维和碳纤维增强复合材料。纤维增强效果是按以下原则设计的：承受载荷的主要是纤维增强体，故选用纤维的强度和弹性模量要远远高于基体。承受载荷的主要是纤维增强体，故选用纤维的强度和弹性模量要远远高于基体。基体与纤维应有一定的相容性和浸润性，保证将基体所受力传递到纤维上；基体与纤维应有一定的相容性和浸润性，保证将基体所受力传递到
47、纤维上；但两者结合强度太低，纤维起不到作用，相反则会导致材料变脆。但两者结合强度太低，纤维起不到作用，相反则会导致材料变脆。纤维排列方向与构件受力方向一致。纤维排列方向与构件受力方向一致。纤维与基体热膨胀系数相近，且保证制造和使用时两者界面上不发生使力学纤维与基体热膨胀系数相近，且保证制造和使用时两者界面上不发生使力学性能下降的化学反应。性能下降的化学反应。10.1 复合材料复合材料本讲稿第二十页，共九十五页般纤维体积分数越高、长径比越大般纤维体积分数越高、长径比越大(L/d大大)强化效果越好。强化效果越好。10.1 复合材料复合材料本讲稿第二十一页，共九十五页10.1.5复合材料的应用复合材
48、料的应用除陶瓷基复合材料尚处在研究开发阶段，并有少量应用外，聚合物、金属、碳基和混凝除陶瓷基复合材料尚处在研究开发阶段，并有少量应用外，聚合物、金属、碳基和混凝土基复合材料已广泛应用于各个领域中。土基复合材料已广泛应用于各个领域中。1.在信息技术领域内的应用在信息技术领域内的应用信息技术包括信息获得、信息处理、信息存储执行几部分。信息技术包括信息获得、信息处理、信息存储执行几部分。(1)复合材料用于信息的获得。获得信息主要依靠各敏感器件的检测，而敏感器件则由各复合材料用于信息的获得。获得信息主要依靠各敏感器件的检测，而敏感器件则由各种换能材料组成。换能材料把对外界的感知通过物理量表现的信息种换
49、能材料组成。换能材料把对外界的感知通过物理量表现的信息(如光、热、声、磁、辐射如光、热、声、磁、辐射等等)转换成电信号。不仅可依靠功能复合材料设计自由度大的特点获得高优值的换能材料，还转换成电信号。不仅可依靠功能复合材料设计自由度大的特点获得高优值的换能材料，还可利用复合效应，特别是其中的可利用复合效应，特别是其中的“乘积效应乘积效应”设计出高效的新型换能材料。设计出高效的新型换能材料。(2)复合材料用于信息处理。信息处理主要依靠电子技术。随着电子技术的进步，复合材料用于信息处理。信息处理主要依靠电子技术。随着电子技术的进步，电子芯片的集成度将越来越高，而芯片的散热问题将是发展的障碍。研究表明
50、，碳化硅电子芯片的集成度将越来越高，而芯片的散热问题将是发展的障碍。研究表明，碳化硅颗粒增强铝复合材料的导热系数以及与集成电路硅片的热膨胀系数匹配均能满足要求。颗粒增强铝复合材料的导热系数以及与集成电路硅片的热膨胀系数匹配均能满足要求。这是一种用于芯片封装的廉价材料，可以预计在这是一种用于芯片封装的廉价材料，可以预计在21世纪会得到进一步提高与发展。此外，世纪会得到进一步提高与发展。此外，电子设备的电路板都是织物增强聚合物复合材料，电子设备的电路板都是织物增强聚合物复合材料，10.1 复合材料复合材料本讲稿第二十二页，共九十五页其用量可观。由于信息处理的速度越来越快，因此研制具有优良超高频介电