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1、第第10章章复合材料制备工艺复合材料制备工艺4/25/20231材料科学与工程学院材料科学与工程学院10.1概述概述n金属材料：金属材料：金属材料：金属材料：力学性能和可加工性好力学性能和可加工性好力学性能和可加工性好力学性能和可加工性好 多数不耐很高的温度多数不耐很高的温度多数不耐很高的温度多数不耐很高的温度 耐磨和耐蚀性差耐磨和耐蚀性差耐磨和耐蚀性差耐磨和耐蚀性差 陶瓷材料：陶瓷材料：陶瓷材料：陶瓷材料：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好 很脆，加工性能差很脆，加工性能差很脆，加工性能差很脆，加工性能差 高聚物材
2、料：高聚物材料：高聚物材料：高聚物材料：密度很低、韧性好密度很低、韧性好密度很低、韧性好密度很低、韧性好 强度、刚度、耐热性有限强度、刚度、耐热性有限强度、刚度、耐热性有限强度、刚度、耐热性有限4/25/20232材料科学与工程学院材料科学与工程学院n早早早早期期期期人人人人类类类类用用用用茅茅茅茅草草草草与与与与泥泥泥泥浆浆浆浆混混混混合合合合作作作作为为为为建建建建筑筑筑筑材材材材料料料料、在在在在战战战战国国国国时时时时期期期期的的的的越越越越王王王王剑剑剑剑和和和和吴吴吴吴王王王王矛矛矛矛是是是是金金金金属属属属包包包包层层层层复复复复合合合合材材材材料料料料、三三三三国国国国时时时时
3、期期期期的的的的藤藤藤藤甲甲甲甲是是是是用用用用藤藤藤藤浸浸浸浸渍渍渍渍桐桐桐桐油油油油后后后后形形形形成成成成的的的的纤纤纤纤维维维维增增增增强聚合物基复合材料强聚合物基复合材料强聚合物基复合材料强聚合物基复合材料。4/25/20233材料科学与工程学院材料科学与工程学院1 1、定定定定义义义义：由由由由两两两两种种种种以以以以上上上上在在在在物物物物理理理理和和和和化化化化学学学学上上上上不不不不同同同同的的的的物物物物质质质质组组组组合起来而得到的一种多相固体合起来而得到的一种多相固体合起来而得到的一种多相固体合起来而得到的一种多相固体2 2、组成、组成、组成、组成：基体：基体：基体：基
4、体连续相连续相连续相连续相(延性、韧性好延性、韧性好延性、韧性好延性、韧性好)增强增强增强增强/强化相强化相强化相强化相分散相分散相分散相分散相(强度高、密度小强度高、密度小强度高、密度小强度高、密度小)3 3、特点、特点、特点、特点与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：（1 1）密度低、比强度、比模量高）密度低、比强度、比模量高）密度低、比强度、比模量高）密度低、比强度、比模量高（2 2）疲劳强度高）疲劳强度高）疲劳强度高）疲劳强度高（3 3）热膨胀系数小）热膨胀
5、系数小）热膨胀系数小）热膨胀系数小（4 4）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等4/25/20234材料科学与工程学院材料科学与工程学院10.2增强材料增强材料 4/25/20235材料科学与工程学院材料科学与工程学院n选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：1)1)增强材料的强度、模量和密度；增强材料的强度、模量和密度；增强材料的强度、模量和密度；增强材料的强度、模量和密度；2)2)增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体
6、材料的相容性；4)4)性能性能性能性能/价格比。价格比。价格比。价格比。n晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵 颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨4/25/20236材料科学与工程学院材料科学与工程学院n n1 1、纤维增强材料纤维增强材料纤维增强材料纤维增强材料 主主主主要要要要有有有有玻玻玻玻璃璃璃璃、芳芳芳芳纶纶纶纶(KevlarKevlar )、尼尼尼尼龙龙龙龙、聚聚聚聚乙乙乙乙烯烯烯烯(Spectra(Spectra)、碳碳碳碳、硼硼硼硼、碳碳碳碳
7、化化化化硅硅硅硅(Nicalon(Nicalon)、氧氧氧氧化化化化铝铝铝铝 以及金属以及金属以及金属以及金属（如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维 碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维 4/25/20237材料科学与工程学院材料科学与工程学院碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型a-a-普通型普通型普通型普通型；b-b-高强度型；高强度型；高强度型；高强度型；c-c-高弹性模量型高弹性模量型高弹性模量型高弹性模量型一一一一般般般般碳碳碳碳纤纤纤纤维维维维由由由由乱乱乱乱层层层层结结
8、结结构构构构石石石石墨墨墨墨微微微微晶晶晶晶所所所所组组组组成成成成，石石石石墨墨墨墨的的的的网网网网平平平平面面面面不不不不完完完完整整整整，沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列
9、更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。4/25/20238材料科学与工程学院材料科学与工程学院n2 2、晶须晶须晶须晶须 目目目目前前前前已已已已研研研研发发发发出出出出上上上上百百百百种种种种晶晶晶晶须须须须，在在在在复复复复合合合合材材材材料料料料中中中中应应应应用用用用的的的的主主主主要是碳化硅要是碳化硅要是碳化硅要是碳化硅、氧化铝、氧化铝、氧化铝、氧化铝、氮化硅、氮化硅、氮化硅、氮化硅 等等等等陶瓷晶须。陶瓷晶须。陶瓷晶须。陶瓷晶须。-碳化硅晶须碳化硅晶须碳化硅晶须碳化硅晶须NbCNbC晶须晶须晶须晶须4/25/20239材料科
10、学与工程学院材料科学与工程学院a)a)多角状多角状多角状多角状SiCSiC颗粒颗粒颗粒颗粒b)b)等离子喷射熔融法制备的等离子喷射熔融法制备的等离子喷射熔融法制备的等离子喷射熔融法制备的AlAl2 2OO3 3颗粒颗粒颗粒颗粒c)c)溶胶凝胶法制备的溶胶凝胶法制备的溶胶凝胶法制备的溶胶凝胶法制备的AlAl2 2OO3 3颗粒颗粒颗粒颗粒d)-Ald)-Al2 2OO3 3片晶片晶片晶片晶 n 3 3、颗粒增强材料、颗粒增强材料、颗粒增强材料、颗粒增强材料碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼
11、、石墨等颗粒。碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。4/25/202310材料科学与工程学院材料科学与工程学院纤维增强复合材料的复合原则纤维增强复合材料的复合原则材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。（1）纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强度和刚度度和刚度。弹性模量弹性模量E愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发挥对材料的增强作用
12、。此外，刚度高，比重小，热稳定挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高也是保证结构稳定性所必要的。性高也是保证结构稳定性所必要的。（2）基体起粘结纤维的作用基体起粘结纤维的作用，因此必须：，因此必须：对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结力，而对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结力，而将纤维粘结为一个整体；将纤维粘结为一个整体；具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面的反应。的反应。4/25/202311材料科学与工程学院材料科学与工
13、程学院（3）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重要的结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥纤维是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强度，在
14、载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。（4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以便在受热后的冷却过程中，由于收缩较
15、大使基体处于受压便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压应力，增进韧性。应力，增进韧性。4/25/202312材料科学与工程学院材料科学与工程学院（5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在过高，增强效果又会下降。比较合适
16、的纤维含量在4070%范围内。范围内。纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度考虑，短纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用考虑，短纤维易于与基体混合，因此实
17、际生产中常采用长径比大于某一临界值的不连续纤维。长径比大于某一临界值的不连续纤维。纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排列平行于应力作用的方向。受力复杂的情况下，纤维采列平行于应力作用的方向。受力复杂的情况下，纤维采用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向的增用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向的增强效果。强效果。4/25/202313材料科学与工程学院材料科学与工程学院颗粒增强复合材料的复合原则颗粒增强复合材料的复合原则颗粒增强
18、复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为1002500，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，最常见的是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，最常见的是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，可以可以有效地阻碍位错的运动有效地阻碍位错的运动或在聚合物基体中，颗粒或在聚合物基体中，颗粒可阻碍可阻碍大分子链的运动大分子链的运动；或在陶瓷基体中，；或在陶瓷基体中，颗粒对裂纹可起到屏蔽颗粒对裂纹可起到屏蔽作用作用，进而产生显著的强化效果。这类复合材料的复合强化，进而产生显著的强化效果。这类复合材料的复合强化
19、机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用Orowan理论（即位错理论（即位错绕过质点的理论）予以解释。复合材料中基体是承受载荷的绕过质点的理论）予以解释。复合材料中基体是承受载荷的主体，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保持其原有的尺寸，因此第二相质点，它们随温度的升高仍保持其原有的尺寸，因此增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于所用的基体金属或合金。性能明显优于所用的基体金属或合金。4/25/2
20、02314材料科学与工程学院材料科学与工程学院若颗粒直径若颗粒直径小于小于100，这时材料结构接近于，这时材料结构接近于固溶体结构，位错容易绕过，难以对位错起障固溶体结构，位错容易绕过，难以对位错起障碍作用，增强作用不大。若颗粒直径大于碍作用，增强作用不大。若颗粒直径大于1000，在载荷作用下，颗粒周围将造成应力，在载荷作用下，颗粒周围将造成应力集中，或基体本身破裂，导致强度降低。为使集中，或基体本身破裂，导致强度降低。为使弥散增强复合材料的性能达到最佳，除要求颗弥散增强复合材料的性能达到最佳，除要求颗粒坚硬、稳定、与基体不发生化学反应外，颗粒坚硬、稳定、与基体不发生化学反应外，颗粒的尺寸、形
21、状、体积分数以及同基体结合能粒的尺寸、形状、体积分数以及同基体结合能力均是必须加以考虑的因素。实践表明，复合力均是必须加以考虑的因素。实践表明，复合材料的性能显著受到颗粒大小的影响，为提高材料的性能显著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，并且尽增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体中。可能地使其均匀分布在基体中。4/25/202315材料科学与工程学院材料科学与工程学院10.4典型的复合材料及其应用典型的复合材料及其应用（1 1）按）按）按）按用途用途用途用途分：结构材料、功能材料分：结构材料、功能材料分：结构材料、功能材料分：结构材料、功能材
22、料 （2 2）按按按按各各各各成成成成分分分分在在在在材材材材料料料料中中中中的的的的集集集集散散散散情情情情况况况况分分分分：分分分分散散散散强强强强化型化型化型化型、层状、层状、层状、层状、梯度、梯度、梯度、梯度 （3 3）按按按按基基基基体体体体材材材材料料料料类类类类型型型型分分分分：金金金金属属属属基基基基、聚聚聚聚合合合合物物物物基基基基、陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基、碳、碳、碳、碳/碳碳碳碳（C/CC/C）（4 4）按按按按增增增增强强强强材材材材料料料料形形形形态态态态分分分分：颗颗颗颗粒粒粒粒增增增增强强强强、晶晶晶晶须须须须增增增增强强强强、纤维增强、纤维增强、纤维增强、纤维增
23、强 4/25/202316材料科学与工程学院材料科学与工程学院层状复合材料层状复合材料层状复合材料层状复合材料铝包钢线铝包钢线铝包钢线铝包钢线 4/25/202317材料科学与工程学院材料科学与工程学院功能复合材料功能复合材料功能复合材料功能复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料4/25/202318材料科学与工程学院材料科学与工程学院n1、聚聚合合物物基基复复合合材材料料（PolymerPolymerMatrixMatrixCompositesComposites，简称，简称，简称，简称PMCPMC）在在在在结结结结构构构构复复复复合合合合材材材材料料料料中中中中发
24、发发发展展展展最最最最早早早早、研研研研究究究究最最最最多多多多、应应应应用用用用最广最广最广最广和和和和用量最大用量最大用量最大用量最大的是聚合物基复合材料。的是聚合物基复合材料。的是聚合物基复合材料。的是聚合物基复合材料。包包包包括括括括玻玻玻玻璃璃璃璃纤纤纤纤维维维维、碳碳碳碳纤纤纤纤维维维维、芳芳芳芳纶纶纶纶纤纤纤纤维维维维、硼硼硼硼纤纤纤纤维维维维、碳化硅纤维等增强复合材料碳化硅纤维等增强复合材料碳化硅纤维等增强复合材料碳化硅纤维等增强复合材料 4/25/202319材料科学与工程学院材料科学与工程学院q玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP)突出特点突出特点突
25、出特点突出特点：密度低、比强度高。：密度低、比强度高。：密度低、比强度高。：密度低、比强度高。应用应用应用应用航航航航空空空空航航航航天天天天工工工工业业业业：波波波波音音音音B B-747747飞飞飞飞机机机机的的的的机机机机内内内内、外外外外结结结结构构构构件件件件中中中中玻玻玻玻璃璃璃璃钢钢钢钢的的的的使使使使用用用用面面面面积积积积达达达达到到到到了了了了2700m2700m2 2，如如如如雷雷雷雷达达达达罩罩罩罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。机舱门、燃料箱、行李架和地板等。机舱门、燃料箱、行李架和地板等。机舱门、燃料箱、行李架和地板等。4/25/202320材料科学与工程学院材料
26、科学与工程学院火箭发动机壳体、火箭发动机壳体、火箭发动机壳体、火箭发动机壳体、喷管喷管喷管喷管(耐烧蚀耐烧蚀耐烧蚀耐烧蚀)。4/25/202321材料科学与工程学院材料科学与工程学院能源领域能源领域能源领域能源领域风力发动机叶片风力发动机叶片风力发动机叶片风力发动机叶片风能发电每年以约风能发电每年以约风能发电每年以约风能发电每年以约25%25%的速率递增的速率递增的速率递增的速率递增 随随随随发发发发电电电电功功功功率率率率增增增增大大大大，风风风风机机机机叶叶叶叶片片片片尺尺尺尺寸寸寸寸越越越越来来来来越越越越大大大大，对对对对强强强强度度度度和和和和刚刚刚刚度度度度的的的的要要要要求求求求
27、提提提提高高高高，大大大大多多多多采采采采用用用用玻玻玻玻璃璃璃璃钢钢钢钢（3030多米）多米）多米）多米）4/25/202322材料科学与工程学院材料科学与工程学院特特特特点点点点之之之之二二二二：具具具具有有有有良良良良好好好好的的的的耐耐耐耐腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀性性性性能能能能，在在在在酸酸酸酸、碱碱碱碱、海海海海水水水水，甚甚甚甚至至至至有有有有机机机机溶溶溶溶剂剂剂剂等等等等介介介介质质质质中中中中都都都都很很很很稳稳稳稳定定定定，耐耐耐耐腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀性性性性超过了不锈钢。超过了不锈钢。超过了不锈钢。超过了不锈钢。石油化工：贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等石油化工：贮罐、容器、管道
28、、洗涤器、冷却塔等石油化工：贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等石油化工：贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等 玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用4/25/202323材料科学与工程学院材料科学与工程学院玻璃钢容器（玻璃钢容器（玻璃钢容器（玻璃钢容器（200m200m3 3水箱）水箱）水箱）水箱）大口径玻璃钢输水管道大口径玻璃钢输水管道大口径玻璃钢输水管道大口径玻璃钢输水管道 4/25/202324材料科学与工程学院材料科学与工程学院 采采采采用用用用玻玻玻玻璃璃璃璃钢钢钢
29、钢制制制制作作作作的的的的体体体体育育育育用用用用品品品品也也也也越越越越来来来来越越越越多多多多，大大大大到到到到快快快快艇艇艇艇、帆帆帆帆船船船船、滑滑滑滑雪雪雪雪车车车车，小小小小到到到到自自自自行行行行车车车车赛赛赛赛车车车车、滑滑滑滑雪雪雪雪板板板板、钓鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有钓鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有钓鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有钓鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等，应有尽有。4/25/202325材料科学与工程学院材料科学与工程学院复合材料复合材料复合材料复合材料(玻璃钢玻璃钢玻璃钢玻璃钢)制作的渔船制作的渔船制作的渔船制作的渔船 4/25/202326材
30、料科学与工程学院材料科学与工程学院 玻玻玻玻璃璃璃璃钢钢钢钢具具具具有有有有透透透透光光光光、隔隔隔隔热热热热、隔隔隔隔音音音音和和和和防防防防腐腐腐腐等等等等性性性性能能能能，因因因因而而而而可可可可作作作作为为为为轻轻轻轻质质质质建建建建筑筑筑筑材材材材料料料料，如如如如用用用用于于于于建建建建筑筑筑筑工工工工程程程程的的的的各各各各种种种种玻璃钢型材。玻璃钢型材。玻璃钢型材。玻璃钢型材。玻璃钢建筑材料用于上海玻璃钢建筑材料用于上海玻璃钢建筑材料用于上海玻璃钢建筑材料用于上海 东方明珠电视塔大堂装潢东方明珠电视塔大堂装潢东方明珠电视塔大堂装潢东方明珠电视塔大堂装潢各种玻璃钢型材制品各种玻璃
31、钢型材制品各种玻璃钢型材制品各种玻璃钢型材制品4/25/202327材料科学与工程学院材料科学与工程学院n2、金金属属基基复复合合材材料料（Metal Matrix Composites、简称、简称MMC）耐耐耐耐高高高高温温温温、高高高高比比比比强强强强度度度度和和和和比比比比模模模模量量量量；具具具具有有有有高高高高韧韧韧韧性性性性、耐耐耐耐热热热热冲冲冲冲击击击击、导导导导电电电电和和和和导导导导热热热热性性性性能能能能好好好好，并并并并可可可可和和和和金金金金属属属属材材材材料料料料一一一一样样样样进进进进行行行行热热热热处处处处理理理理和和和和其其其其它它它它加加加加工工工工来来来来
32、进进进进一一一一步提高性能。步提高性能。步提高性能。步提高性能。MMCMMC以以以以基基基基体体体体来来来来分分分分类类类类可可可可分分分分为为为为：铝铝铝铝基基基基、钛钛钛钛基基基基、镁基和高温合金基复合材料。镁基和高温合金基复合材料。镁基和高温合金基复合材料。镁基和高温合金基复合材料。4/25/202328材料科学与工程学院材料科学与工程学院 铝铝铝铝 基基基基 复复复复 合合合合 材材材材 料料料料（AluminumAluminumMatrixMatrixCompositesComposites）是是是是当当当当前前前前使使使使用用用用最最最最广广广广泛泛泛泛、应应应应用用用用最最最最早
33、早早早、品种和规格最多的一种品种和规格最多的一种品种和规格最多的一种品种和规格最多的一种MMCMMC。硼纤维增强铝基复合材料用于航硼纤维增强铝基复合材料用于航硼纤维增强铝基复合材料用于航硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱天飞机主舱体龙骨桁架和支柱天飞机主舱体龙骨桁架和支柱天飞机主舱体龙骨桁架和支柱4/25/202329材料科学与工程学院材料科学与工程学院随着随着随着随着碳纤维、碳碳纤维、碳碳纤维、碳碳纤维、碳化硅纤维化硅纤维化硅纤维化硅纤维等增强等增强等增强等增强材料的开发，降材料的开发，降材料的开发，降材料的开发，降低了低了低了低了MMCMMC的成的成的成的成本，铝基本，
34、铝基本，铝基本，铝基MMCMMC已用于已用于已用于已用于空间站结空间站结空间站结空间站结构材料构材料构材料构材料如主结构如主结构如主结构如主结构支架等，和支架等，和支架等，和支架等，和飞机飞机飞机飞机结构件结构件结构件结构件如发动机如发动机如发动机如发动机风扇叶片、尾翼风扇叶片、尾翼风扇叶片、尾翼风扇叶片、尾翼等。等。等。等。飞机结构件飞机结构件飞机结构件飞机结构件4/25/202330材料科学与工程学院材料科学与工程学院n短短短短纤纤纤纤维维维维、晶晶晶晶须须须须和和和和颗颗颗颗粒粒粒粒增增增增强强强强材材材材料料料料在在在在MMCMMC的的的的应应应应用用用用以以以以及及及及MMCMMC新
35、新新新的的的的制制制制备备备备技技技技术术术术开开开开发发发发，降降降降低低低低了了了了成成成成本本本本，扩扩扩扩大大大大了了了了铝铝铝铝基基基基MMCMMC在在在在民民民民用用用用领领领领域域域域的的的的应应应应用用用用，最最最最明明明明显显显显的是在汽车工业中的应用。的是在汽车工业中的应用。的是在汽车工业中的应用。的是在汽车工业中的应用。n由由由由于于于于AlAl2 2OO3 3颗颗颗颗粒粒粒粒或或或或短短短短纤纤纤纤维维维维、SiCSiC颗颗颗颗粒粒粒粒或或或或晶晶晶晶须须须须、B B4 4C C颗颗颗颗粒粒粒粒增增增增强强强强的的的的铝铝铝铝基基基基MMCMMC具具具具有有有有良良良良
36、好好好好的的的的高高高高温温温温力力力力学学学学性性性性能能能能、导导导导热热热热性性性性和和和和耐耐耐耐磨磨磨磨性性性性，因因因因此此此此可可可可制制制制成成成成汽汽汽汽车车车车发发发发动动动动机机机机的的的的汽汽汽汽缸缸缸缸套套套套、活活活活塞塞塞塞（活活活活塞塞塞塞环环环环）、连连连连杆杆杆杆、气气气气门门门门挺挺挺挺柱以及制动器的刹车盘、刹车衬片等。柱以及制动器的刹车盘、刹车衬片等。柱以及制动器的刹车盘、刹车衬片等。柱以及制动器的刹车盘、刹车衬片等。4/25/202331材料科学与工程学院材料科学与工程学院AlAl2 2OO3 3短纤维短纤维短纤维短纤维/Al/Al汽车活塞汽车活塞汽车
37、活塞汽车活塞(活塞环活塞环活塞环活塞环)()(丰田汽车公司丰田汽车公司丰田汽车公司丰田汽车公司)()(左左左左)SiCp/AlSiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重连杆，锻件替代钢连杆，减重连杆，锻件替代钢连杆，减重连杆，锻件替代钢连杆，减重6kg(6kg(福特、通用汽车公司福特、通用汽车公司福特、通用汽车公司福特、通用汽车公司)()(中中中中)SiCp/AlSiCp/Al，AlAl2 2OO3 3p/Alp/Al汽车刹车盘，减重汽车刹车盘，减重汽车刹车盘，减重汽车刹车盘，减重6060(丰田、福特和通用汽车公司丰田、福特和通用汽车公司丰田、福特和通用汽车公司丰田、福特和通用汽车公司)(右右右
38、右)4/25/202332材料科学与工程学院材料科学与工程学院MMCMMC组织特点组织特点Al-7Si/SiCp的锭坯的锭坯组织组织(冷速不同冷速不同)p 增强相的分布特点增强相的分布特点(锭坯和塑性加工材料锭坯和塑性加工材料)挤压过程中陶瓷挤压过程中陶瓷颗粒流线的形成颗粒流线的形成4/25/202333材料科学与工程学院材料科学与工程学院Al-4wtCu/SiCp复合材料中复合材料中 相的分布照片相的分布照片铝基复合材料中的位错结构铝基复合材料中的位错结构4/25/202334材料科学与工程学院材料科学与工程学院p特殊的晶粒结构p 增强颗粒附近的位错密度非常高，容易导致细小亚晶粒的产生，特别
39、是对应层错能高的金属。p 增强颗粒抑制晶粒转动，因而减轻形变织构，效果与体积分数有关。4/25/202335材料科学与工程学院材料科学与工程学院P/MAl/10volSiCp挤挤压压后后的的扫扫描描电电镜镜照照片片。细细小小的的氧氧化化物物条条带带显显示示了了变变形形期期间间基基体体流流变变场场的的特特征征。SiC颗颗粒粒群群内内的的基基体体没没有有变变形形。实实际际上上，这这三三个个颗颗粒粒的的行行为为相相当当于于一一个个大大尺尺寸寸颗颗粒粒的的行行为为(在在这这个个颗颗粒粒群群周周围围存存在在与与大大颗颗粒外围相同的变形情况粒外围相同的变形情况)4/25/202336材料科学与工程学院材料
40、科学与工程学院p影响再结晶过程小尺寸颗粒会钉扎大角度晶界，如果颗粒尺寸较大，则会促进再结晶形核。再结晶过程对增强相的体积分数非常敏感。4/25/202337材料科学与工程学院材料科学与工程学院MMCMMC界面问题界面问题p 特点在界面处会出现材料的物理性质(弹性模量、膨胀系数、热导率、热力学参数)和化学性质等的不连续性。结构复杂性：接触连接面、反应产物、析出相、元素的扩散与偏聚、近界面的高密度位错区等。4/25/202338材料科学与工程学院材料科学与工程学院p界面结合类型化学结合化学结合 如Al/Cf、Ti/SiCf等物理结合物理结合 无反应无扩散。如：Al/SiCf、Al/Bf扩散结合扩散
41、结合机械结合机械结合4/25/202339材料科学与工程学院材料科学与工程学院p 界面优化及界面反应控制界面优化及界面反应控制采用惰性扩散层来抑制界面反应增强相表面改性，以提高界面结合强度问题提高熔体温度提高熔体温度在熔体中添加合金化元素在熔体中添加合金化元素增强相表面处理，如煅烧、氧化、粗糙化增强相表面处理，如煅烧、氧化、粗糙化涂层，如电镀、化学镀、气相沉积、涂层，如电镀、化学镀、气相沉积、sol-gel等等4/25/202340材料科学与工程学院材料科学与工程学院MMCS的性能特点p优点组织结构和性能的可设计性和可控制性强组织结构和性能的可设计性和可控制性强高弹性模量、高强高弹性模量、高强
42、、高刚性、高刚性膨胀系数可控膨胀系数可控高温性能较好高温性能较好(与基体合金相比与基体合金相比)阻尼性能优异阻尼性能优异耐磨损性质好耐磨损性质好抗蠕变性能优异抗蠕变性能优异抗疲劳性能好抗疲劳性能好吸收水气吸收水气(与树脂基复合材料比较与树脂基复合材料比较)4/25/202341材料科学与工程学院材料科学与工程学院MMC弹性模量弹性模量铝基复合材料的单周和循环应力应变曲线铝基复合材料的单周和循环应力应变曲线4/25/202342材料科学与工程学院材料科学与工程学院金属和金属和MMCs膨胀系数对比膨胀系数对比MMCs的耐热性能的耐热性能4/25/202343材料科学与工程学院材料科学与工程学院4/
43、25/202344材料科学与工程学院材料科学与工程学院p缺点塑性和韧性较低塑性和韧性较低疲劳性能不够理想疲劳性能不够理想复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危害害腐蚀问题复杂腐蚀问题复杂焊接工艺难度大焊接工艺难度大价格较高价格较高技术较技术较成熟成熟4/25/202345材料科学与工程学院材料科学与工程学院p金属基复合材料的主要应用领域卫星和空间结构材料：各种框架结构，可展开天线，公用机匣，紧固件等；导弹材料：舱段壳体、弹翼连接法兰盘、发动机部件、翼面、舵面电子及光学仪表：微波波导管、散热器、封装材料、雷达天线、惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、
44、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等；飞机：翼梁、起落架、压气机、风扇叶片、刹车片等；直升机的传动机匣、螺旋浆、旋翼桨毂等；4/25/202346材料科学与工程学院材料科学与工程学院轻武器：榴弹发射器枪管、轻型炮管、炮架；水中兵器：鱼雷壳体、潜望镜镜杆、鱼雷发动机缸套及缸盖、活塞等；坦克：履带、驱动轮、装甲、炮管等；交通：汽车发动机部件(活塞、缸体、汽缸套)、连杆、驱动轴、制动盘、摇臂、轴承套等；高速列车制动盘等。4/25/202347材料科学与工程学院材料科学与工程学院p在航天等领域的应用在航天等领域的应用4/25/202348材料科学与工程学院材料科学与工程学院n3、陶陶瓷瓷基基复
45、复合合材材料料（Ceramic Matrix Composites、简称简称CMC）基基基基体体体体：玻玻玻玻璃璃璃璃陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷（如如如如锂锂锂锂铝铝铝铝硅硅硅硅玻玻玻玻璃璃璃璃、硼硼硼硼硅硅硅硅玻玻玻玻璃璃璃璃）和和和和氧化铝、碳化硅、氮化硅等氧化铝、碳化硅、氮化硅等氧化铝、碳化硅、氮化硅等氧化铝、碳化硅、氮化硅等增增增增强强强强材材材材料料料料：碳碳碳碳化化化化硅硅硅硅纤纤纤纤维维维维、碳碳碳碳纤纤纤纤维维维维，碳碳碳碳化化化化硅硅硅硅晶晶晶晶须须须须、碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等典典典典型型型型的的的的CMCCMC
46、有有有有SiCSiCf f/SiC/SiC、C Cf f/SiC/SiC、SiCSiCww/Al/Al2 2OO3 3、SiCSiCww/Si/Si3 3N N4 4、SiCSiCp p/Al/Al2 2OO3 3、SiCSiCp p/Si/Si3 3N N4 4以以以以 及及及及氧化锆增韧氧化铝等。氧化锆增韧氧化铝等。氧化锆增韧氧化铝等。氧化锆增韧氧化铝等。4/25/202349材料科学与工程学院材料科学与工程学院用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料用于微波放大器中低压场发射排列阴极的共晶原位复合材料用于微波放大器中低压场发
47、射排列阴极的共晶原位复合材料钨与钼等难熔金属的连续纤维平行排列于氧化物基体中钨与钼等难熔金属的连续纤维平行排列于氧化物基体中钨与钼等难熔金属的连续纤维平行排列于氧化物基体中钨与钼等难熔金属的连续纤维平行排列于氧化物基体中4/25/202350材料科学与工程学院材料科学与工程学院 由由由由YBaYBa2 2CuCu3 3OO7-x7-x（淡淡淡淡色色色色的的的的表表表表面面面面层层层层）CVDCVD到到到到AlAl2 2OO3 3多多多多丝丝丝丝纤纤纤纤维维维维（黑色核心部分）上而制成的（黑色核心部分）上而制成的（黑色核心部分）上而制成的（黑色核心部分）上而制成的Y-Ba-Cu-OY-Ba-Cu
48、-O超导复合材料超导复合材料超导复合材料超导复合材料4/25/202351材料科学与工程学院材料科学与工程学院nCMCCMC的的的的高高高高硬硬硬硬度度度度、耐耐耐耐蚀蚀蚀蚀性性性性和和和和耐耐耐耐磨磨磨磨性性性性，如如如如SiCSiCww/AlAl2 2OO3 3和和和和SiCSiCww/Si/Si3 3N N4 4等等等等CMCCMC已已已已得得得得到到到到广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用的的的的领领领领域域域域是是是是用用用用于于于于现现现现代代代代高高高高速速速速、数数数数控控控控机机机机床床床床中中中中的的的的高高高高速速速速以以以以及及及及加加加加工工工工高硬度材料的切削刀具。高硬
49、度材料的切削刀具。高硬度材料的切削刀具。高硬度材料的切削刀具。SiCSiC晶须增强氧化铝钻头（左）晶须增强氧化铝钻头（左）晶须增强氧化铝钻头（左）晶须增强氧化铝钻头（左）颗粒增强氮化硅刀具颗粒增强氮化硅刀具颗粒增强氮化硅刀具颗粒增强氮化硅刀具(中中中中)采用颗粒增强氮化硅刀具加工高采用颗粒增强氮化硅刀具加工高采用颗粒增强氮化硅刀具加工高采用颗粒增强氮化硅刀具加工高硬度的高铬铸铁件（右）硬度的高铬铸铁件（右）硬度的高铬铸铁件（右）硬度的高铬铸铁件（右）4/25/202352材料科学与工程学院材料科学与工程学院nCMCCMC可可可可以以以以制制制制作作作作人人人人工工工工关关关关节节节节等等等等，
50、在在在在生生生生物物物物医医医医学学学学领领领领域也得到应用。域也得到应用。域也得到应用。域也得到应用。CMCCMC的人工关节和齿的人工关节和齿的人工关节和齿的人工关节和齿4/25/202353材料科学与工程学院材料科学与工程学院n4、碳碳/碳复合材料（碳复合材料（C/C）一一一一般般般般C/CC/C是是是是由由由由碳碳碳碳纤纤纤纤维维维维及及及及其其其其制制制制品品品品做做做做成成成成预预预预成成成成型型型型体体体体，通通通通过过过过CVDCVD或或或或液液液液态态态态树树树树脂脂脂脂、沥沥沥沥青青青青浸浸浸浸渍渍渍渍碳碳碳碳化化化化法法法法获获获获得得得得C/CC/C的基体碳来制备的。的基