无机复合材料第一章无机复合材料概述.ppt

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第一章复合材料概述主要内容主要内容v复合材料的概念复合材料的概念v复合材料的分类复合材料的分类v复合材料的特性复合材料的特性v复合材料的用途复合材料的用途v复合材料的发展方向复合材料的发展方向一、复合材料的概念一、复合材料的概念复合材料：

复合材料：

复合材料：

复合材料：

compositematerials;compositescompositematerials;compositesv广义上讲：

广义上讲：

由两种或两种以上的物质组成的材料。

由两种或两种以上的物质组成的材料。

v狭义上讲：

狭义上讲：

由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合而成的新型材料。

而成的新型材料。

三个要点三个要点：

（1）材料组元材料组元两种或以上不同组元两种或以上不同组元

（2）制备工艺制备工艺人工复合人工复合（3）新型材料新型材料具有原组元所不具备的新性能具有原组元所不具备的新性能1、定义、定义复合材料的复合材料的结构结构通常是一个相为连续相，成为通常是一个相为连续相，成为基体基体基体基体；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为它显著增强材料的性能，故常称为增强体增强体增强体增强体。

多数情况下，多数情况下，增强体增强体增强体增强体较基体较基体硬硬硬硬，刚度和强度刚度和强度刚度和强度刚度和强度较基体大。

较基体大。

增强相可以是增强相可以是纤维及其编织物纤维及其编织物，也可以是，也可以是颗粒状颗粒状或弥散的或弥散的填料填料。

在基体和增强体之间存在着在基体和增强体之间存在着界面界面界面界面。

2、复合材料的结构、复合材料的结构因此，复合材料是由因此，复合材料是由两种以上组分两种以上组分以及它们之以及它们之间的间的界面界面构成。

构成。

组分材料组分材料主要指主要指增强体增强体和和基体基体，它们也被称为，它们也被称为复合材料的复合材料的增强相增强相和和基体相基体相。

增强相与基体相之间。

增强相与基体相之间的的界面区域界面区域界面区域界面区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的料中的“相相”，即，即界面相界面相。

增强相和基体相是根据它们增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质组分的物理和化学性质和在和在最终复合材料中的最终复合材料中的形态形态来区分的。

来区分的。

其中一个组分是纤维（连续的或短切的）、薄片或颗粒其中一个组分是纤维（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体增强相或增强体增强相或增强体增强相或增强体（reinforcingphaseorreinforcement）。

）。

增强相或增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔增强相或增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作离包围，因此也称作分散相分散相分散相分散相；复合材料中的另一个组分是包围增强相并复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为相对较软和韧的贯连材料，称为基体相基体相基体相基体相（matrixphase）。

）。

复合材料的各种形态示意于下图中：

复合材料的各种形态示意于下图中：

复合材料及其增强相的各种形态复合材料及其增强相的各种形态纤维状纤维状颗粒状颗粒状层状层状片状片状填充状填充状复合材料在制造前，复合材料在制造前，基体材料的基体材料的基体材料的基体材料的形状形状形状形状可以是薄片、粉可以是薄片、粉末、块体或无定形的流体，它的末、块体或无定形的流体，它的状态状态状态状态可以是固态、气态、可以是固态、气态、熔融态或半固熔融态或半固半液态。

半液态。

基体材料在与增强相固结后，基体相在复合材料中就基体材料在与增强相固结后，基体相在复合材料中就成为包裹增强相的连续体。

因此，基体相也叫做成为包裹增强相的连续体。

因此，基体相也叫做连续相连续相连续相连续相。

基体相具有基体相具有支撑和保护支撑和保护支撑和保护支撑和保护增强相的作用，在复合材料承增强相的作用，在复合材料承受外加载荷时，基体相主要以受外加载荷时，基体相主要以剪切变形的方式剪切变形的方式剪切变形的方式剪切变形的方式起着向增强起着向增强相相分配和传递载荷分配和传递载荷分配和传递载荷分配和传递载荷的作用。

的作用。

在复合材料中，在复合材料中，增强相和基体相之间增强相和基体相之间增强相和基体相之间增强相和基体相之间还存还存在着明显的结合面。

在着明显的结合面。

位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域，别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域，称为称为复合材料的界面复合材料的界面复合材料的界面复合材料的界面（interface）。

）。

复合材料中复合材料中界面层的厚度界面层的厚度通常在通常在亚微米亚微米以下，但以下，但界面层的总面积界面层的总面积界面层的总面积界面层的总面积在复合材料中很大，且复合材料的界在复合材料中很大，且复合材料的界面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很大影响。

大影响。

所以，人们以极大的注意力开展对所以，人们以极大的注意力开展对复合材料界面复合材料界面复合材料界面复合材料界面的研究的研究的研究的研究-表面和界面工程表面和界面工程表面和界面工程表面和界面工程（surfaceandinterfaceengineering）。

）。

复合材料的性能复合材料的性能复合材料的性能复合材料的性能取决于取决于组分材料的组分材料的种类种类、性能性能、含量含量和和分布分布。

主要包括：

增强体的性能和它的表面。

主要包括：

增强体的性能和它的表面物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。

置、分布和体积含量。

3、复合材料具有可设计性、复合材料具有可设计性组分设计：

组分设计：

材料材料A材料材料B优点优点缺点缺点缺点缺点优点优点组合组合I组合组合II组合组合III组合组合IV最佳组合最佳组合最最差组合差组合复合材料的性能复合材料的性能还取决于还取决于复合材料的复合材料的制造工艺制造工艺条件条件、复合方法复合方法、零件几何形状零件几何形状和和使用环境条件使用环境条件。

复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可以通过以通过材料设计材料设计材料设计材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的性能。

联，从而获得新的性能。

复合材料设计：

复合材料设计：

复合材料设计：

复合材料设计：

选择选择复合材料的组分复合材料的组分、增强体增强体分布分布和和复合材料制造工艺复合材料制造工艺、使其具有、使其具有使用所要求的使用所要求的性能性能过程。

过程。

复合材料设计复合材料设计复合材料设计复合材料设计可分为三个层次：

可分为三个层次：

单层材料单层材料单层材料单层材料设计、设计、铺层铺层铺层铺层设计、设计、结构结构结构结构设计。

设计。

单层材料设计单层材料设计单层材料设计单层材料设计包括正确选择包括正确选择增强材料增强材料、基体材料基体材料及及其其配比配比，该层次决定单层板的性能；，该层次决定单层板的性能；铺层设计铺层设计铺层设计铺层设计包括对铺层材料的包括对铺层材料的铺层方案铺层方案做出合理性的做出合理性的安排安排，该层次决定层合板的性能；该层次决定层合板的性能；结构设计结构设计结构设计结构设计则最后确定则最后确定产品结构的形状和尺寸产品结构的形状和尺寸。

上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。

上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。

因此，复合材料及其结构的设计打破了因此，复合材料及其结构的设计打破了材料研材料研究究和和结构研究结构研究的传统界限。

设计人员必须把的传统界限。

设计人员必须把材料性材料性材料性材料性能能能能和和结构性能结构性能结构性能结构性能统一考虑，换言之，统一考虑，换言之，材料设计材料设计材料设计材料设计和和结构结构结构结构设计设计设计设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方案中案中。

与单质材料相比，现代复合材料具有以下一些特点：

与单质材料相比，现代复合材料具有以下一些特点：

v复合材料是一种多相材料，其中的组分的类型和相对含复合材料是一种多相材料，其中的组分的类型和相对含量是人们有意识选择与设计的；量是人们有意识选择与设计的；v复合材料本身是人工制造的，而不是天然的（区别天然复合材料本身是人工制造的，而不是天然的（区别天然材料）；材料）；v复合材料中至少有一固相为连续体，称为基体，其它固复合材料中至少有一固相为连续体，称为基体，其它固相可为分散相或连续相，称为增强相（或增强体、增强相可为分散相或连续相，称为增强相（或增强体、增强材料），可为一维、二维、三维或多维状态；材料），可为一维、二维、三维或多维状态；v复合材料具有各单个组分所没有的综合的优良性能。

复合材料具有各单个组分所没有的综合的优良性能。

4、复合材料的特点、复合材料的特点影响复合材料性能的因素：

影响复合材料性能的因素：

主要取决于主要取决于增强材料增强材料增强材料增强材料的的性能性能、含量含量及及分布状况分布状况，基体材料基体材料基体材料基体材料的的性能性能、含量含量，以及它们之间的，以及它们之间的界面结合界面结合情况，作为产品还与情况，作为产品还与成型工艺成型工艺和和结构设计结构设计有关有关。

因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值，而只能给出其主要合材料的性能也不是一个定值，而只能给出其主要性能。

性能。

（）复合材料不仅保留了原组成材料的特（）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，而且通过各组分的点，而且通过各组分的相互补充和关联相互补充和关联相互补充和关联相互补充和关联可以获得可以获得原组分所没有的新的优越性能；原组分所没有的新的优越性能；一般材料的简单混合与复合材料的两点本一般材料的简单混合与复合材料的两点本质区别：

质区别：

（）复合材料的可设计性（）复合材料的可设计性（）复合材料的可设计性（）复合材料的可设计性如结构复合材料不仅可根据材料在使用中如结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求受力的要求进进行行组元选材设计组元选材设计组元选材设计组元选材设计，更重要的是还可进行，更重要的是还可进行复合结构设计复合结构设计复合结构设计复合结构设计，即，即增增强体的比例、分布、排列和取向等的设计强体的比例、分布、排列和取向等的设计。

对于结构复合材。

对于结构复合材料来说，是由能承受载荷的料来说，是由能承受载荷的增强体组元增强体组元增强体组元增强体组元与能连接增强体又起与能连接增强体又起传递力作用的传递力作用的基体组元基体组元基体组元基体组元构成。

由不同的增强体和不同的基体构成。

由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。

即可组成名目繁多的结构复合材料。

二、复合材料的分类二、复合材料的分类三、复合材料特性三、复合材料特性复合材料与基体材料相比，具有以下优异的性能：

复合材料与基体材料相比，具有以下优异的性能：

v轻质高强、比强度和比模量高轻质高强、比强度和比模量高v良好的抗疲劳性能良好的抗疲劳性能v高韧性和抗热冲击性高韧性和抗热冲击性v减振性能好减振性能好v耐热性好耐热性好v特殊的光、电、磁性能特殊的光、电、磁性能v良好的耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热性良好的耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热性v复合材料是由复合材料是由多种组分多种组分的材料组成，许多性能的材料组成，许多性能优于单一组分的材料