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第六章：复合材料,复合材料的基本理论,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,本章主要内容,复合材料概述,什么是复合材料？,复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。,复合材料的种类,复合材料,结构复合材料,功能复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,树脂基复合材料,水泥基复合材料,导电导磁复合材料,阻尼吸声复合材料,屏蔽功能复合材料,摩擦磨损复合材料,复合材料的性能特点,比强度和比弹性模量高,抗疲劳与断裂安全性能好,良好的减震性能,良好的高温性能,大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用,纤维增强复合材料具有较高的自震频率，不易产生共振现象，具有一定的减震作用,增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较高的强度,纤维增强复合材料的纤维种类,纤维增强复合材料中主要的新型纤维与晶须有：碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等。,这些纤维与晶须的主要特点是：密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小等特点。,复合材料的发展趋势,1。由宏观复合向微观复合发展,微纤增强复合材料、纳米复合材料、分子复合材料,2。向多元混杂复合和超混杂复合发展,例如两种纤维的复合应用，两种基体的复合应用等,3。由结构复合为主向结构复合与功能 复合并重的方向发展,功能复合材料的开发与应用等,复合材料的发展趋势,4。由被动复合向主动复合材料发展,所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种作用或作出某种反应。主动材料就是指具备能自诊断、自适应和自修补作用材料。,5。由常规设计向仿生设计方向发展,仿生设计就是利用某种生物体的特征，设计材料。仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的功能材料。,复合材料的基本理论,复合原理,1。纤维增强复合材料的复合原理,Fc=cAc=fAf mAm。,条件是复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和直径都是均匀的，且平行连续排列，同时纤维与基体间的结合为理想结合，在界面上不产生滑移。,c=fVfmVm。,Ec=EfVfEmVm。,外载荷与纤维方向一致,复合材料的基本理论,复合原理,1。纤维增强复合材料的复合原理,c=f=m。,c=fVfmVm。,1/Ec=Vf/EfVm/Em。,外载荷与纤维方向垂直,复合材料的基本理论,复合原理,2。颗粒增强复合材料的复合原理,c=pVpmVm。,Ec=EpVpEmVm。,Ec=EpEm/(EpVmEmVp)。,上限值,下限值,复合材料的基本理论,增强机理,纤维增强,纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。,提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。,设计纤维增强金属基复合材料的目标：,复合材料的基本理论,纤维增强复合材料的机理：,1。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。,2。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保，护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。,3。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但基体能阻止裂纹扩展。,4。由于基体对纤维的粘结作用以及基体与纤维之间的摩擦力，使得材料的强度大大提高。,复合材料的基本理论,增强纤维起到强化基体作用必要条件：,1。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。,2。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有一定的强度。,3。纤维应有一定的含量、尺寸和分布。,4。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。,5。纤维与基体之间有良好的相容性。,复合材料的基本理论,增强机理,颗粒增强,颗粒增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。,纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。,颗粒增强复合材料的种类：,复合材料的基本理论,弥散强化复合材料中弥散颗粒种类,金属氧化物,碳化物,硼化物,复合材料的基本理论,颗粒增强复合材料的机理：,弥散分布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止位错运动，产生显著的强化作用。这种复合强化机制类似与合金的析出强化机理，基体乃是承受载荷的主体。不同的是，这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的硬颗粒，他们在温度升高时仍保持其原有尺寸，因而，增强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于金属或合金基体。,复合材料的基本理论,增韧机理,纤维增韧,由于定向、取向或无序排布的纤维加入，使得复合材料的韧性得到显著提高。,复合材料的基本理论,单向排布长纤维增韧机理,单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性，沿纤维长度方向的纵向性能大大高于横向性能。若材料中产生的裂纹平面垂直于纤维时，当裂纹扩展遇到纤维时，裂纹运动受阻，欲使裂纹继续运动，必须提高外加应力。应力继续增大，纤维与基体解离，纤维从基体中拔出、断裂或转向，从而使复合材料的韧性得到提高。,复合材料的基本理论,多维多向排布长纤维增韧,克服了单向长纤维只在一个方向上性能得到提高的弱点。多向长纤维可实现陶瓷等脆性材料在二维、三维方向上的性能提高。这种多维多向的排列方式有：1。将纤维编织成纤维布；2。纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。多维长纤维增韧的机理与单向一样，主要是通过纤维的断裂、拔出或转向提高韧性。,复合材料的基本理论,短纤维增韧机理,短纤维增韧复合材料的制备工艺比长纤维的简便。通常是将长纤维剪断，再与基体粉体材料混合、热压制得。在热压时，短纤维沿压力方向择优取向，产生性能上的各向异性。当短纤维的质量分数适当时，复合材料的断裂功显著提高，从而使断裂韧性得到提高。,复合材料的基本理论,晶须增韧机理,晶须的增韧机理与纤维增韧机理基本相同，即主要靠晶须拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提高产生贡献。研究结果表明，晶须与界面的强度直接影响复合材料的韧性。界面强度过高，晶须与基体同时断裂，限制了晶须的拔出；而结合强度过低，晶须拔出功减小。这两种情况都对韧性的提高不利。,复合材料的基本理论,增韧机理,颗粒增韧,增韧的机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧和分叉增韧。,复合材料的基本理论,相变增韧,通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧的目的。,复合材料的基本理论,裂纹转向与分叉增韧,裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到高强度的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转和分叉，从而减小了裂纹尖端的应力强度，提高材料的韧性。由于裂纹转向和分叉不受温度的限制，这种增韧机理适用于高温结构陶瓷。,复合材料的界面,金属基复合材料的界面,什么是界面？界面就是复合材料中基体与增强材料之间的结合面。这种结合面是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。,复合材料的界面,纤维增强金属基复合材料界面的类型,I。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。,II。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。,III。纤维与基体反应形成界面反应层。,复合材料的界面,界面结合的类型,I。机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。,II。溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。,III。反应结合：基体与纤维之间形成界面反应层。,IV。混合结合：上述三种形式的混合结合方式。,复合材料的界面,陶瓷基复合材料的界面,在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的结合同样以机械结合、溶解与侵润结合、反应结合和混合结合的方式进行。界面的特性对复合材料的性能起到举足轻重的作用。,复合材料的界面,怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？,1。改变增强材料表面性质。,2。向基体内添加特定的元素。,3。在增强材料的表面施加涂层。,金属基复合材料,概述,金属基复合材料除具有与树脂基复合材料相同的高强度、高弹性模量和线膨胀系数小以外，还具有工作温度高、不易燃烧、导电、导热、热稳定性好等特点。但这类材料存在密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反应等缺点。,金属基复合材料包括长纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强以及原位复合增强等。,金属基复合材料,长纤维增强金属基复合材料,1。硼/铝复合材料,硼纤维高温强度高，1500度时蠕变速率低。但高温氧化后强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或B4C，防止纤维表面氧化。,金属基复合材料,长纤维增强金属基复合材料,2。石墨/铝复合材料,这种材料具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用石墨纤维表面沉积Ti/Bi涂层技术，可改善石墨纤维与液态铝的湿润性，有效控制铝与纤维的表面反应，提高复合材料的性能。,金属基复合材料,长纤维增强金属基复合材料,3。石墨/镁复合材料,这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。,金属基复合材料,长纤维增强金属基复合材料,3。碳化硅/钛复合材料,碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反应小，润湿性好。这种复合材料的高温强度高，主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。,金属基复合材料,长纤维增强金属基复合材料,5。氧化铝/铝复合材料,氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。,金属基复合材料,短纤维增强金属基复合材料,1。氧化铝/铝复合材料,2。碳化硅/铝复合材料,3。氧化铝/镍复合材料,金属基复合材料,颗粒增强金属基复合材料,2。碳化钛/钛复合材料,1。碳化硅/铝复合材料,1。颗粒增强金属间化合物复合材料,TiB2/NiAl、TiB2/TiAl,金属基复合材料,原位复合材料,什么是复合材料？,原位复合材料是采用定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则的温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身析出晶须或颗粒而得到的复合材料。,陶瓷基复合材料,陶瓷材料的晶体缺陷,什么是陶瓷基复合材料？,在陶瓷基体中添加碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须、氧化铝晶须、碳化硅颗粒和碳化钛颗粒，所形成的复合材料称为陶瓷基复合材料。这些纤维的加入可以大大提高陶瓷材料的强度和韧性。,陶瓷基复合材料,长纤维增强陶瓷基复合材料,1。碳/陶瓷基复合材料,这种复合材料具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧性。碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400度以上的高温下长期工作；碳纤维增强的石英陶瓷复合材料，冲击韧性比烧结石英陶瓷高40倍、抗弯强度大512倍。可承受12001500度高温气流的冲击。,陶瓷基复合材料,长纤维增强陶瓷基复合材料,2。碳化硅/陶瓷基复合材料,碳化硅纤维可与多重陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。碳化硅纤维通常采用CVD制备。利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高56倍，抗弯强度提高50以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。,陶瓷基复合材料,长纤维增强陶瓷基复合材料,3。碳/碳复合材料,这种材料是将碳纤维用聚合物浸润，固化成型后，在无样条件下，高温裂解树脂，得到碳/碳复合材料。碳/碳复合材料的强度和刚度都相当好，能承受极高的温度和极高的加热速度，高温力学性能比低温时还好，是目前使用温度最高的复合材料。,陶瓷基复合材料,短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料,1。碳/玻璃陶瓷基复合材料,晶须：SiC、Si3N4、Al2O3晶须。,2。晶须/陶瓷基复合材料,基体：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO2、莫来石等。,陶瓷基复合材料,颗粒增强陶瓷基复合材料,1。氧化锆/陶瓷基复合材料,利用ZrO2相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧性。利用ZrO2增韧的氧化Al2O3陶瓷，其断裂韧性可提高1。4倍。,2。氧化钇/陶瓷基复合材料,分析与建模（材料设计）,1.引言2.材料设计的基本内容3.材料设计计算机基础,1.引言,随着材料科学的飞速发展，新型材料不断涌现，与此同时，人类社会的整体科技水平也在不断的提高，因此对材料科学又提出了更高的要求。传统“炒菜式”的材料研制方法已不能满足人们的要求。“材料设计”应运而生。,核心问题：,用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么样的成分、结构和性质的材料。,“材料设计”构想始于50年代，80年代后实现“材料设计”的条件渐趋成熟。表现在以下三个方面：,1）基础理论的形成和发展量子力学，统计力学，能带理论，化学键理论等理论科学的发展使人们对材料的结构和性质的关系有了系统的了解；,2）计算机科学技术的发展计算机高速运算，模式识别，数据库技术等技术的发展，为材料设计与过程仿真的实施提供了手段；,3）合成与加工新技术的涌现各种新型材料合成加工技术为材料设计方案的实施提供了条件，同时材料智能加工又为合成加工的优化开辟了新方向。,材料设计贯穿于材料“四要素”的各个方面，即：,2.材料设计的内容,成分结构设计性质性能预测合成加工过程的控制与优化,将性质截然不同的材料在原子、分子水平上均匀混合，形成原子、分子层次的复合材料例如：高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料,微观结构设计,案例1：杂化材料,同传统复合材料的区别：复合材料 不同的组成相复合杂化材料不同的组成原子（分子）复合,同固溶体的区别：固溶体 热力学平衡体系 杂化材料 热力学非平衡体系,通过对原子排列的计算，可以了解到晶体材料的晶体学结构。,案例2：晶体结构计算,准晶照片,计算的剖面图,金属间化合物：处于相图中间的除固溶体以外的合金相。许多金属间化合物都是重要的功能材料，如：储氢材料，超导材料，磁性材料，高温结构材料，磁滞伸缩材料等。,案例3：金属间化合物预报,CaCu5型化合物的预报名单,案例4：超晶格结构设计,超晶格结构：通过外延生长的方法，使两种材料以极薄的薄膜方式交替叠合，从而沿生长方向在原晶格常数为a（几个埃）的晶格势场上，引入了一个周期为d（100埃数量级）的一维周期势，这种一维周期势结构就称为超晶格结构。,超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微小能带，可使电子能够在这些微能带间发生跃迁，从而导致各种新的物理现象产生。如：量子尺寸效应、室温激子非线性光子效应、迁移率增强效应、量子霍耳效应、共振隧穿效应。,利用超晶格结构的概念，在原子尺度上进行材料的组份及结构参数设计，改变材料的能带结构，采用先进的制备方法，人工合成各式奇特物理性质的新材料和新器件。,能带工程,制备方法：分子束外延（MBE）金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）化学束外延（CBE）原子层外延（ALE）,