復(fù)合材料學(xué)

目錄緒論1復(fù)合材料概論2復(fù)合材料的基體3復(fù)合材料的增強材料4

復(fù)合材料的界面5

復(fù)合材料的成型工藝6復(fù)合理論緒論什么是材料？材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料。如燃料和化學(xué)原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥物，一般都不算是材料。但是這個定義并不那么嚴格，如炸藥、固體火箭推進劑，一般稱之為“含能材料”，因為它屬于火炮或火箭的組成部分。（百度百科）。

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)（可以滿足人類對吃、穿、住、行的需求）。在人類歷史的發(fā)展跟材料的發(fā)展密切相關(guān)，人類的歷史進程是按材料的發(fā)展來區(qū)分的（石器時代、青銅器時代，鐵器時代）。

20世紀70年代人們把信息、材料和能源譽為當(dāng)代文明的三大支柱。80年代以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標志。這主要是因為材料與國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和人民生活密切相關(guān)。材料除了具有重要性和普遍性以外，還具有多樣性。由于材料多種多樣，分類方法也就沒有一個統(tǒng)一標準。材料的用途

材料經(jīng)過加工制成各種實物、燃料、物品、零件、機器最終滿足人們對吃、穿、住、行、用、交流的需求。吃：食材，穿：布料，?。航ú?，行：工程材料通常本專業(yè)所指的材料為工程材料。指具有一定性能，在特定條件下，能夠承擔(dān)某種功能，被用來制取零件和元件的材料。是用于制備各種工具，設(shè)備，以及交通工具的材料。不同的材料制成的零件在機器、設(shè)備、不同用具上發(fā)揮自己的作用最終保證了不同設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。材料的獲取人類能夠獲取的材料及工具最早是從自然界中直接獲得的，比如木材、石頭、動物的骨骼等。而隨著人類社會的發(fā)展，人類開始發(fā)現(xiàn)并制造新的材料，比如金屬材料，高分子材料，纖維材料等。緒論材料如何加工成設(shè)備零件生產(chǎn)準備毛坯制造機械加工裝配調(diào)試（車，銑，刨，磨，鉆，鏜等）（組裝，部裝，總裝）（鑄造，鍛造，焊接，沖壓等）（市場調(diào)查，購買原材料）為改善加工性和提高材質(zhì)的力學(xué)性能，通常要進行熱處理緒論金屬材料的生產(chǎn)工藝緒論TheMaterialsScienceTetrahedron

材料科學(xué)四面體結(jié)構(gòu)固有特性制作方法測定性能使用性能性能價格比Cost(price)performance緒論材料的性能

材料（零件）的失效——使用壽命衣服，座椅，房屋，都有一定的使用壽命。零件也有一定的使用壽命，比如汽車發(fā)動機，跑了多少萬公里以后就要進行更換。當(dāng)材料制成的零件由于某種原因失去承擔(dān)某種功能的能力時，材料就發(fā)生了失效。機械零件的失效主要有磨損、斷裂和腐蝕，而磨損失效占60%—80%。緒論工程材料（我們通常所指的材料）指具有一定性能，在特定條件下，能夠承擔(dān)某種功能，被用來制取零件和元件的材料。工程材料的分類：⑴按使用功能分類

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結(jié)構(gòu)材料（structuralmaterial）實現(xiàn)運動、傳遞運動，承擔(dān)力、負荷為主（機械工程等）。

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功能材料（functionalmaterial）理化功能為主，力性為輔（導(dǎo)電材料、磁盤、光纖等）。緒論⑵按成分分類----三大類或四大類材料（包括復(fù)合材料）緒論1.復(fù)合材料概述三大材料：金屬無機非金屬有機高分子復(fù)合材料取長補短協(xié)同作用產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能無機非金屬材料有機高分子材料金屬材料復(fù)合材料11Chapter9Composites1.1復(fù)合材料的定義國際標準化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料復(fù)合材料的特點之一：是不僅保持原組分的部分優(yōu)點，而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能；特點之二：是它的可設(shè)計性，通過對原材料的選擇、各組分分布的設(shè)計和工藝條件的保證等，使原組分材料的優(yōu)點互相補充，同時利用復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢。1.3復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，它顯著增強材料的性能，故常稱為增強材料（增強體、增強劑、增強相等）在基體和增強體之間存在著界面。1.3復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，它顯著增強材料的性能，故常稱為增強材料（增強體、增強劑、增強相等）。多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體和增強體之間存在著界面。1.6復(fù)合材料分類①聚合物基復(fù)合材料:以有機聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體；②金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；③無機非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體按基體分類復(fù)合材料按功能分類按增強材料形態(tài)分類1、纖維增強復(fù)合材料：

a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個端點都位于復(fù)合材料的邊界處；

b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；2、顆粒增強復(fù)合材料：微小顆粒狀增強材料分散在基體中；3、板狀增強體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強材料與基體復(fù)合而成。其它增強體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體

金屬基復(fù)合材料的分類按復(fù)合材料的定義可分為1）宏觀組合型：其組成組分可用肉眼識別出來的兼?zhèn)鋬煞N組分性能的材料，有包覆材料、涂鍍材料、雙金屬及層壓材料。2）微觀強化型金屬基復(fù)合材料其組分只有通過顯微鏡才能分辨出來，是以通過材料強度為主要目的的復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料分散強化金屬基復(fù)合材料顆粒增強金屬基復(fù)合材料纖維增強金屬基復(fù)合材料單層多層分層混雜連續(xù)纖維增強不連續(xù)纖維增強定向排列多向排列短纖維增強晶須強化定向排列定向排列隨機排列隨機排列第二章復(fù)合材料的基體復(fù)合材料基體分類①聚合物基復(fù)合材料:以有機聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體；②金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體；③無機非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體熱塑性樹脂熱塑性樹脂：是具有受熱軟化、冷卻硬化的性能，而且不起化學(xué)反應(yīng)，無論加熱和冷卻重復(fù)進行多少次，均能保持這種性能。凡具有熱塑性樹脂其分子結(jié)構(gòu)都屬線型。它包括含全部聚合樹脂和部分縮合樹脂。熱固性樹脂：加熱后產(chǎn)生化學(xué)變化，逐漸硬化成型，再受熱也不軟化，也不能溶解。熱固性樹脂其分子結(jié)構(gòu)為體型，它包括大部分的縮合樹脂，熱固性樹脂的優(yōu)點是耐熱性高，受壓不易變形。其缺點是機械性能較差。3復(fù)合材料的增強材料在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)，均稱為增強復(fù)合材料。纖維在復(fù)合材料中起增強作用是主要成力組分。它不僅能使材料顯示出較高的抗拉強度和剛度，而且能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度等。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纖維后，抗拉強度可以從600兆帕提高到1000兆帕，彈性模量可從3000兆帕提高到8000兆帕，其變形溫度可以從85攝氏度提高到105攝氏度，使零下40攝氏度的沖擊強度提高10倍。增強基的分類按來源：天然和人造按形態(tài)：顆粒；纖維（長短之分，粗細之分）；晶須按物質(zhì)結(jié)合鍵和物化性能：陶瓷類——氧化物：Al2O3、Al2O3(SiO3)3、K2TiO3——非氧化物：SiC、Si3N4、TiB2

高聚物類：聚芳酰胺纖維、聚乙烯纖維金屬類：金屬絲，如：W、Mo

碳纖維類玻璃纖維為什么玻璃纖維、具有很高的強度？

第四章、復(fù)合材料的界面復(fù)合材料中實際存在的界面可以分為5類：復(fù)合材料的成型工藝制造金屬基復(fù)合材料時必須注意的問題：1）纖維與基體金屬的潤濕性、結(jié)合性和反應(yīng)性，即相容性問題。2）纖維分布狀態(tài)的控制。3）制造過程中纖維因熱學(xué)、力學(xué)方面的原因造成的損傷和劣化。4）纖維和基體金屬的膨脹及制造時承受的殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。5）纖維質(zhì)量的穩(wěn)定性。6）適于工業(yè)化生產(chǎn)，便于質(zhì)量控制的制造方法。2纖維增強金屬基復(fù)合材料的復(fù)合成形顆粒增強金屬基復(fù)合材料復(fù)合成形法5.4顆粒增強金屬基復(fù)合材料的成形方法粉末冶金法熱軋法機械合金化法固態(tài)法液態(tài)法重力鑄造法壓鑄法離心鑄造法電磁場鑄造法噴霧鑄造法半固態(tài)復(fù)合鑄造法1）固態(tài)成形法（1）粉末冶金法如典型的WC-Co超硬質(zhì)合金就是用粉末冶金法生產(chǎn)，還有碳化硅－鋁復(fù)合材料（2）熱軋法用熱軋法制造顆粒增強金屬基復(fù)合材料時，可將作為基體的各種金屬粉末等混入作為增強粒子的各種陶瓷顆粒，或?qū)⒎勰┗旌狭隙逊e在Al、低碳鋼或不銹鋼等金屬板材上，在保護性氣氛下加熱，使基體金屬粉末或板材加熱至半熔融狀態(tài)，保溫一定時間后進行軋制，制成既有較高韌性，表面又耐磨、耐熱的表面復(fù)合材料。如：在鋼管中加入鑄鐵粉、碳化硅粉，加熱至半熔融狀態(tài)，軋制，切分成表面復(fù)合材料。2）液態(tài)復(fù)合法：它是將密度與液體金屬不同的顆粒等增強材料直接加入液體金屬進行復(fù)合成形。如Mg/SiC，主要問題：顆粒增強材料的加入和均勻分散（1）顆粒的加入方法A氣流噴入法：將顆粒增強材料用惰性氣體作載體噴入到金屬液中。B在澆注過程中加入金屬流中C塊狀加入：用增強顆粒和基體金屬粉末的混合塊往比重大的金屬液里添加時，不壓入是難以成功的，但可以把鋁粉和Cu或Ni涂覆過的石墨粉末混合物壓成塊加入到Al合金液體內(nèi)。（2)金屬液攪拌法A旋渦法：用葉輪使金屬液旋轉(zhuǎn)形成旋渦，將加入的顆粒及短纖維卷入金屬液內(nèi)。用于10微米以上的顆粒。5.5定向凝固法

定向凝固定向結(jié)晶，是使金屬或合金由液相中定向生長晶體的一種方法。用于制造單晶、柱狀晶和自生復(fù)合材料。對于共晶合金，采用定向凝固方法，通過合理控制工藝參數(shù)，可使基體和增強相均勻相間，定向整齊排列。當(dāng)增強相按凝固方向長成細長的晶須時，就可得到晶須增強復(fù)合材料。這種復(fù)合材料有以下優(yōu)點：1）第二相是在結(jié)晶凝固過程中析出的，兩相界面結(jié)合牢固，界面強度高，利于應(yīng)力傳遞。同時避免了潤濕、化學(xué)反應(yīng)和相容性問題。2）由于兩相是在高溫接近熱力學(xué)平衡條件下緩慢生長而成，兩界面處于低界面能狀態(tài)，具有良好的熱穩(wěn)定性。3）纖維分布均勻。如：Ni基與碳化物構(gòu)成的共晶合金性能超過常用合金的高溫合金，有“共晶高溫合金”之稱。定向凝固的工藝方法定向凝固的主要工藝參數(shù)：1）凝固過程中固液界面前沿液相中的溫度梯度G2）固液界面向前推進速度，即晶體凝固速度R。G/R是控制晶體長大的重要判據(jù)，應(yīng)使：G/Rm(C-CE)/DT/D式中：m－液相線的斜率C-CE－對共晶成分CE的成分偏差D－液相中溶質(zhì)原子的擴散系數(shù)T－固液共存的溫度范圍定向凝固的方法：發(fā)熱劑法、功率降低法、快速凝固法、液體金屬冷卻法、液體流動床法、定邊供膜生長法定向凝固過程及組織示意圖Ni基高溫合金飛機發(fā)動機葉片5.3半固態(tài)復(fù)合鑄造半固態(tài)鑄造是將固－液態(tài)金屬或合金漿液鑄造成形的方法。對正在凝固的金屬或合金進行強烈攪拌，雖然隨著溫度的下降合金中固相組分不斷增加，當(dāng)增加到40～60％甚至更高時，這種合金仍象糊狀漿料一樣，具有良好的流動性，并帶有粘性，即流變性，將其直接壓鑄成形，叫做半固態(tài)流變鑄造或流變鑄造。半固態(tài)觸變成形或鑄造：熔化－制備半固態(tài)漿料－鑄造－再加熱至半固態(tài)（固態(tài)狀態(tài)）－搬運－壓力－凝固成形液固相軋制復(fù)合層狀金屬復(fù)合材料的制備方法鑄造復(fù)合PPT液態(tài)液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài)固態(tài)300440454045(b)3004404530044045(b)(a)30044045固-固軋制復(fù)合4爆炸焊接

利用炸藥爆炸的能量把兩層或兩層以上的金屬板或者預(yù)制帶結(jié)合在一起的一種加工方法。主要用于金屬層合板和金屬纖維增強金屬復(fù)合材料特點：1）結(jié)合力大2）能使其它方法無法結(jié)合的異種金屬結(jié)合在一起3）與焊接法相比，受到熱影響的區(qū)域小。4）可進行多達幾十層層合材料的加工。第六章復(fù)合理論6.1復(fù)合強度理論6.2復(fù)合材料的相容性6.3基體與增強基的潤濕性6.1復(fù)合強度理論

6.1.1分散強化原理（Vp=10~15%）分散強化復(fù)合材料是由細微硬質(zhì)點與金屬基體復(fù)合而成。作為增強劑的硬質(zhì)點主要是金屬氧化物、碳化物和硼化物等。分散強化原理：與析出強化機理相似，可用Orowan位錯繞過機制說明。載荷主要由基體負擔(dān)，分散硬質(zhì)點阻礙基體中的位錯運動，質(zhì)點阻止位錯運動能力越大，強化效果越好。在切應(yīng)力的作用下，位錯滑移，遇到硬質(zhì)點位錯線彎曲，位錯彎曲部分曲率半徑R為：式中：Gm－基體剪切模量b－柏氏矢量若質(zhì)點間距為Dp，在剪應(yīng)力的作用下，位錯線曲率半徑R＝Dp/2時，復(fù)合材料產(chǎn)生塑性變形，此時剪應(yīng)力為復(fù)合材料的屈服強度：如果質(zhì)點直徑為d，體積分數(shù)為Vp，質(zhì)點彌散且均勻分布，根據(jù)體式金相學(xué)有如下關(guān)系：可得：因此：質(zhì)點尺寸越小，體積分數(shù)越高，強化效果越好，一般Vp=10~15%，d＝0.1~0.01um6.1.2顆粒增強原理顆粒增強復(fù)合材料是由尺寸較大（>1微米）的堅硬顆粒與金屬基體復(fù)合而成。載荷主要由基體承受，但顆粒也承受載荷并約束基體的變形。顆粒阻止基體位錯運動的能力越大，增強效果越好。在外力作用下，基體內(nèi)位錯的滑移在基體－顆粒界面上受到阻止，并在顆粒上產(chǎn)生應(yīng)力集中，其值：σσi

由位錯理論，應(yīng)力集中因子為：得到：當(dāng)應(yīng)力集中達到顆粒斷裂強度時，顆粒開始破壞，產(chǎn)生裂紋，引起復(fù)合材料變形，有：因此顆粒增強復(fù)合材料的屈服強度為：把質(zhì)點直徑、體積分數(shù)和質(zhì)點間距的關(guān)系式代入得：因此：質(zhì)點尺寸越小，體積分數(shù)越高，強度越高，顆粒對復(fù)合材料的增強效果越好。在實際用的顆粒增強復(fù)合材料中，增強顆粒直徑為1～50微米，體積分數(shù)為5～50％。6.1.3纖維增強原理纖維增強復(fù)合材料是由連續(xù)纖維或不連續(xù)（短）纖維與金屬基體復(fù)合而成。復(fù)合材料受力時，高強度、高模量的增強纖維承受大部分載荷，而基體主要作為媒介，傳遞和分散載荷。通常纖維增強復(fù)合材料的彈性模量和斷裂強度與各組分性能關(guān)系如下：強度增強率：復(fù)合材料強度與基體強度之比，它表示復(fù)合材料的增強效果。分散強化的強度增強率：顆粒增強復(fù)合材料強度增強率：在分散強化和顆粒增強復(fù)合材料中，強度增強率與質(zhì)點或顆粒體積分數(shù)、直徑及其分布有關(guān)，一般說，質(zhì)點越細，增強率F越大。分散強化時，質(zhì)點尺寸在0.1~0.01微米時，F(xiàn)＝4～15。質(zhì)點再細就容易形成固溶體，質(zhì)點較大，在0.1~1微米時，F(xiàn)＝1～3，增強效果不明顯：主要質(zhì)點尺寸在此范圍內(nèi)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，強度下降。當(dāng)Vf一定時，比越大，纖維承受載荷越大，增強作用就越大。因此復(fù)合材料要采用高強度、高模量的增強纖維，而基體用低強度、低模量的材料，但基體韌性要好當(dāng)值一定時，

Vf值越大，纖維貢獻越大。理論計算Vf最大可達0.9069，但實際Vf大于0.80時，復(fù)合材料的強度不但不隨纖維含量的增大，反而下降。這是因為纖維太多，沒有足夠的基體去潤濕和滲入纖維，造成纖維粘結(jié)不好，有空隙，因此強度不高。實際使用體積分數(shù)為0.3~0.6纖維強化時的強度增強率：

復(fù)合材料變形第二階段:纖維的彈性模量大于基體，纖維仍然彈性變

形，基體已經(jīng)屈服，即進入塑性變形。

由于載荷主要由纖維承擔(dān)，隨變形增加，纖維載荷增加快，當(dāng)達到

纖維破

斷強度時，復(fù)合材料破壞，這時基體仍在塑性變形階段。如果設(shè)纖維破斷應(yīng)變?yōu)?，這基體拉伸應(yīng)力為，復(fù)合材料的強度為：6.2復(fù)合材料的相容性復(fù)合材料的相容性：指在加工和使用過程中，復(fù)合材料中各組元之間的相互配合程度。復(fù)合材料的相容性包括：1）物理相容：主要指在應(yīng)力作用下和熱變化時，材料性能和材料常數(shù)之間的關(guān)系。（1）力學(xué)相容：主要指基體應(yīng)有足夠韌性和強度，能將外部載荷均勻地傳到增強物上，而不會產(chǎn)生明顯地不連續(xù)現(xiàn)象。（2）熱相容：指基體和增強材料在熱膨脹時相互配合地程度。2）化學(xué)相容性（1）化學(xué)熱力學(xué)相容：要求復(fù)合材料中兩相熱力學(xué)平衡，或者發(fā)生有害反應(yīng)的化學(xué)動力學(xué)十分緩慢?；瘜W(xué)相容也是基體與增強材料之間化學(xué)反應(yīng)問題，有的組分希望通過反應(yīng)來促進基體和增強材料之間的結(jié)合，有的則希望避免某些反應(yīng)以減少纖維損傷或在界面形成硬脆相。如Fe－Al（2）動力學(xué)相容：即反應(yīng)速度問題在界面部分敘述?；w與增強材料之間的相互作用類型1）基體與纖維不互相作用，也不互溶；如Al－B，在最佳工藝條件下，鋁表面存在氧化膜保護基體與增強材料不反應(yīng)。Cu－不銹鋼，Al－SiC。2）基體與纖維間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但互溶。Ni－W,Ni－C.3）基體與纖維間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上生產(chǎn)化合物。如Al－B，當(dāng)鋁表面氧化膜破壞，基體與增強材料反應(yīng)，形成化合物。6.3金屬基體與增強材料的潤濕性液體對固體的潤濕性：就是液體在固體表面鋪開的能力。如果固體表面能超過液體表面能，則液體在固體表面上鋪開，即液體潤濕固體。潤濕程度可用二者之間的接觸角表示，平衡時：得：

如果，液體不能潤濕固體，如果，則能潤濕固體。液體與固體之間的粘結(jié)程度可用粘著功來度量粘著功W：指在固體－真空界面和液體－飽和蒸氣界面形成單位面積固－液相界面所需得功。

用接觸角表示：表明：固體與液