金屬學(xué)與熱處理 材料研究新進(jìn)展

1、金屬學(xué)與熱處理課件 材料研究新進(jìn)展第1頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 教學(xué)提示：新材料，也稱先進(jìn)材料，是指應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，具有優(yōu)異性能和使用功能的新型材料。新材料研究的內(nèi)容是關(guān)于材料成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝流程對(duì)于材料性質(zhì)與用途的影響規(guī)律以及它們與工程技術(shù)的聯(lián)系，它的根本任務(wù)是利用新的科學(xué)原理和技術(shù)設(shè)計(jì)、合成并制備出具有優(yōu)異性能的材料。一種新材料已經(jīng)不是只具有單一功能的材料，在一定條件下可實(shí)現(xiàn)多種功能。從而為高新技術(shù)產(chǎn)品的智能化、微型化提供了材料基礎(chǔ)。 教學(xué)要求：掌握復(fù)合材料、功能材料和納米材料的基本概念、分類及其基本特點(diǎn)，了解新材料和傳統(tǒng)材料的異同點(diǎn)、制備工藝和應(yīng)用

2、領(lǐng)域。第2頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 新材料是當(dāng)前高新技術(shù)發(fā)展的支柱，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是交通、能源、航空航天、通信、核工程、海洋工程、生物工程等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)所需要的結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求，既希望它們具有良好的綜合性能，如低密度、高強(qiáng)度、高剛度、高韌性、高耐磨性和良好的抗疲勞性能等，又期望它們能夠在高溫、高壓、高真空、強(qiáng)烈腐蝕及輻照等極端環(huán)境條件下服役。新材料發(fā)展的重要標(biāo)志是可以根據(jù)產(chǎn)品需要來設(shè)計(jì)新材料，一改傳統(tǒng)上根據(jù)材料的功能來設(shè)計(jì)產(chǎn)品的觀念。這種材料設(shè)計(jì)可以從材料的組成、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)其所需功能。一種新材料已經(jīng)不是只具有單一功能，在一定條件下可實(shí)現(xiàn)多

3、種功能。傳統(tǒng)的單一材料，如金屬材料、陶瓷材料和高分子材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足上述要求。因此，人們?cè)O(shè)法采用某種可能的工藝將兩種或兩種以上組織結(jié)構(gòu)、物理及化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)結(jié)合在一起，形成一類新的多相材料(即所謂的復(fù)合材料)，使之既可保留原有組分材料的優(yōu)點(diǎn)，又可能具有某些新的特性，以擴(kuò)大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們的選材余地，從而適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的需求。第3頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三本章內(nèi)容10.1 復(fù)合材料10.2 功 能 材 料10.3 納 米 材 料小 結(jié)本 章 習(xí) 題第4頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.1 復(fù)合材料 材料的復(fù)合化是材料發(fā)展的必然趨勢(shì)之

4、一。古代就出現(xiàn)了原始型的復(fù)合材料，如用草莖和泥土作建筑材料；砂石和水泥基體復(fù)合的混凝土也有很長(zhǎng)歷史。19世紀(jì)末復(fù)合材料開始進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)60年代由于高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求日益提高，單質(zhì)材料很難滿足性能的綜合要求和高指標(biāo)要求。復(fù)合材料因具有可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，因而發(fā)展很快，開發(fā)出許多性能優(yōu)良的先進(jìn)復(fù)合材料(成為航空、航天工業(yè)的首要關(guān)鍵材料)，各種基礎(chǔ)性研究也得到發(fā)展，使復(fù)合材料與金屬、陶瓷、高聚物等材料并列為重要材料。有人預(yù)言，21世紀(jì)將是進(jìn)入復(fù)合材料的時(shí)代。第5頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.1.1 復(fù)合材料的定義及其分類 1.

5、 復(fù)合材料的定義 復(fù)合材料(composite materials)是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異性、異形的材料，在宏觀尺度上復(fù)合而成的一種完全不同于其組成材料的新型材料。復(fù)合材料的定義包括以下四個(gè)方面：它包含兩種或兩種以上物理上不同并可用機(jī)械方法分離的材料；它可以通過將幾種分離的材料混合在一起而制成。混合的方法是，在人為控制下將一種材料分散在其他材料之中，使其達(dá)到最佳性能；復(fù)合后的性能優(yōu)于各單獨(dú)的組成材料，并在某些方面可能具有組成材料所沒有的獨(dú)特性能；通過選取不同的組成材料、改變組成材料的含量與分布等微結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以改變復(fù)合材料的性能，即材料性能具有可設(shè)計(jì)性并擁有最大的設(shè)計(jì)自由度。 復(fù)合材料的組

6、成材料稱為組分材料。組分材料分為兩部分：一部分為增強(qiáng)體(reinforced body)，承擔(dān)結(jié)構(gòu)的各種工作載荷：另一部分為基體(matrix)，起到黏結(jié)增強(qiáng)體予以賦形并傳遞應(yīng)力和增韌作用。增強(qiáng)體分為纖維(fibre)：連續(xù)纖維、短切纖維、晶須；顆粒：微米顆粒與納米顆粒；片材：人工晶片與天然片狀物?；w主要分為有機(jī)聚合物、金屬、陶瓷、水泥和碳(石墨)等。構(gòu)造出的復(fù)合材料，能改善的性能主要有強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命、耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨性、吸引性、質(zhì)量、抗振性、導(dǎo)熱性、絕熱性、隔聲性等。當(dāng)然，上述各種性能不可能同時(shí)都有所改善，工程實(shí)際中也不存在這樣的要求。10.1 復(fù)合材料第6頁，共95頁，20

7、22年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 2. 復(fù)合材料的定義 復(fù)合材料的種類繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法，根據(jù)復(fù)合材料的三要素(見圖10.1)來分類。 (1) 按基體材料分類，有金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，水泥、混凝土基復(fù)合材料，塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料等(見圖10.2)。 圖10.1 復(fù)合材料的三要素 圖10.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按不同基體分類10.1 復(fù)合材料第7頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 (2) 按增強(qiáng)劑形狀可分為粒子、纖維及層狀復(fù)合材料(見圖10.3)。 凡以各種粒子填料為分散質(zhì)的是粒子復(fù)合材料，若分布均勻，是各向同性的；以纖維為增強(qiáng)劑得到的是纖維

8、增強(qiáng)復(fù)合材料，依據(jù)纖維的鋪排方式，可以各向同性也可以是各向異性；層狀復(fù)合材料如膠合板由交替的薄板層膠合而成，因而是各向異性的。 (3) 依據(jù)復(fù)合材料的用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料，目前結(jié)構(gòu)復(fù)合材料占絕大多數(shù)，而功能復(fù)合材料有廣闊的發(fā)展前途。預(yù)計(jì)21世紀(jì)會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與功能復(fù)合材料并重的局面，而且功能復(fù)合材料更具有與其他功能材料競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。功能復(fù)合材料指能實(shí)現(xiàn)具有某種功能的復(fù)合材料，如導(dǎo)電材料、導(dǎo)磁材料、導(dǎo)熱材料、屏蔽材料等。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料則主要用作承力和次承力結(jié)構(gòu)，要求質(zhì)量小、強(qiáng)度和剛度高，且能耐受一定溫度，某種情況下還要求有膨脹系數(shù)小、絕熱性能好或耐介質(zhì)腐蝕等其他性能(見圖10.4

9、)。10.1 復(fù)合材料第8頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三圖10.3 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按不同增強(qiáng)體形式分類 圖10.4 復(fù)合材料分類10.1 復(fù)合材料第9頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.1.2 復(fù)合材料中各組元的基本作用 復(fù)合材料的中能夠?qū)ζ湫阅芎徒Y(jié)構(gòu)起決定作用的，除了基體和增強(qiáng)體外還包括基體與增強(qiáng)體間的界面。基體、增強(qiáng)體及界面的各自性質(zhì)與相互作用決定著復(fù)合材料的性能特征，因此基體、增強(qiáng)體及其界面應(yīng)是互相配合，協(xié)同性好，才能達(dá)到最好的復(fù)合效果，復(fù)合材料的性能特點(diǎn)也正是建立在這一原則基礎(chǔ)上的。 基體是復(fù)合材料的重要組成部分之一，主要作用是利用其黏

10、附特性、固定和黏附增強(qiáng)體，將復(fù)合材料所受的載荷傳遞并分布到增強(qiáng)體上。載荷的傳遞機(jī)制和方式與增強(qiáng)體的類型和性質(zhì)密切相關(guān)，在纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中，復(fù)合材料所承受的載荷大部分由纖維承擔(dān)。基體的另一作用是保護(hù)增強(qiáng)體在加工和使用過程中，免受環(huán)境因素的化學(xué)作用和物理損傷，防止誘發(fā)造成復(fù)合材料破壞的裂紋。同時(shí)基體還會(huì)起到類似隔膜的作用，將增強(qiáng)體相互分開，這樣即使個(gè)別增強(qiáng)體發(fā)生破壞斷裂，裂紋也不易從一個(gè)增強(qiáng)體擴(kuò)展到另一個(gè)增強(qiáng)體。因此基體對(duì)復(fù)合材料的耐損傷和抗破壞、使用溫度極限以及耐環(huán)境性能均起著十分重要的作用，正是由于基體與增強(qiáng)體的這種協(xié)同作用，才賦予復(fù)合材料良好的強(qiáng)度、剛度和韌性等。常見的基體有樹脂基體(r

11、esin matrix)、金屬基體(metallic matrix)、陶瓷基體(ceramic matrix)和碳素基體(carbon matrix)等。10.1 復(fù)合材料第10頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，增強(qiáng)體主要用來承受載荷。因此在設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)，通常所選擇的增強(qiáng)體的彈性模量應(yīng)比基體高。以纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料為例，外載作用下，當(dāng)基體與增強(qiáng)體應(yīng)變量相同時(shí)，基體與增強(qiáng)體所受載荷比等于兩者的彈性模量比，彈性模量高的纖維就可承受高的應(yīng)力。此外，增強(qiáng)體的大小、表面狀態(tài)、體積分?jǐn)?shù)及其在基體中的分布等，對(duì)復(fù)合材料的性能同樣具有很大的影響。上述各因素的作用又與

12、增強(qiáng)體的類型、基體的性質(zhì)緊密相關(guān)，在不同類型復(fù)合材料中的表現(xiàn)各不相同，不能一概而論。 基體與增強(qiáng)體之間的界面特性決定著基體與復(fù)合材料之間結(jié)合力的大小。普遍認(rèn)為，基體與增強(qiáng)體之間結(jié)合力的大小應(yīng)相適度，其強(qiáng)度只要足以傳遞應(yīng)力即可。結(jié)合力過小，增強(qiáng)體和基體間的界面在外載作用下易發(fā)生開裂；結(jié)合力過大，又易使復(fù)合材料失去韌性。因此需根據(jù)基體和增強(qiáng)體的性質(zhì)，來控制界面的狀態(tài)，以獲得適宜的界面結(jié)合力。另外，基體與增強(qiáng)體之間還應(yīng)具有一定的相容性，即相互之間不發(fā)生反應(yīng)。10.1 復(fù)合材料第11頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.1.3 復(fù)合材料的特性 復(fù)合材料不僅能保持原組分材料的部分

13、優(yōu)點(diǎn)和特性，而且還可借助于對(duì)組分材料、復(fù)合工藝的選擇與設(shè)計(jì)，使組分材料的性能相互補(bǔ)充，從而顯示出比原有單一組分材料更為優(yōu)越的性能。除性能可設(shè)計(jì)外，各種類型的復(fù)合材料，尤其是先進(jìn)復(fù)合材料還具有優(yōu)異的力學(xué)性能、物理性能和工藝性能。 1. 性能的可設(shè)計(jì)性 由于復(fù)合材料體系完全是人為確定，因此復(fù)合材料最顯著的特性，是其性能(主要指力學(xué)性能、物理性能和工藝性能)在一定范圍內(nèi)具有可設(shè)計(jì)性?？筛鶕?jù)材料的基本特性、材料間的相互作用和使用性能要求，可以人為設(shè)計(jì)并選擇基體材料類型、增強(qiáng)體材料類型及其數(shù)量形態(tài)和在材料中的分布方式，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)和改變材料基體和增強(qiáng)體的界面狀態(tài)；由它們的復(fù)合效應(yīng)可以獲得常規(guī)材料難以提

14、供的某一性能或綜合性能。但是，復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性大都不是借助于傳統(tǒng)材料。因此從理論上說可以獲得一類材料，其能將兩種以上不同材料的完全不同的優(yōu)秀性能系于一身，滿足更為復(fù)雜惡劣和極端使用條件的要求。10.1 復(fù)合材料第12頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 2. 力學(xué)性能特點(diǎn) 應(yīng)該說不同復(fù)合材料是沒有統(tǒng)一的力學(xué)性能特點(diǎn)。因?yàn)槠湫阅苁歉鶕?jù)使用需求而設(shè)計(jì)確定的，其力學(xué)性能特點(diǎn)應(yīng)該與復(fù)合材料的體系及加工工藝有關(guān)。但就常用的工程復(fù)合材料而言，與其相應(yīng)的基體材料相比較，其主要有如下的力學(xué)性能特點(diǎn)。 比強(qiáng)度、比模量高：這主要是由于增強(qiáng)體一般為高強(qiáng)度、高模量而相對(duì)密度小的材料，從而大大

15、增加了復(fù)合材料的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)和比模量(彈性模量/密度)。如碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂比強(qiáng)度是鋼的7倍，比模量則比鋼大3倍。材料的比強(qiáng)度和比模量是材料性能的重要指標(biāo)，高的比強(qiáng)度、比模量可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅度減小。低結(jié)構(gòu)質(zhì)量意味著軍用飛機(jī)可增加彈載、提高航速、改善機(jī)動(dòng)特性、延長(zhǎng)巡航時(shí)間，而民用飛機(jī)則可多載燃油、提高客載。 抗疲勞性能好：疲勞是材料在交變載荷下，因裂紋的形成和擴(kuò)展而產(chǎn)生的低應(yīng)力破壞。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中存在著許多的纖維樹脂界面，這些界面能阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而推遲疲勞破壞的產(chǎn)生，因此其疲勞抗力高；對(duì)脆性的陶瓷基復(fù)合材料這種效果還會(huì)大大提高其韌性，是陶瓷韌化的重要方法之一。大多數(shù)金屬材料

16、的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的40%50%，而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高達(dá)70%80%，這是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展機(jī)理不同所致。10.1 復(fù)合材料第13頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 耐高溫性能好：復(fù)合材料增強(qiáng)體一般高溫下仍會(huì)保持高的強(qiáng)度和模量，使復(fù)合材料較其所用的基體材料具有更高的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力。如Al合金在400時(shí)強(qiáng)度從室溫的500MPa降至30MPa50MPa，彈性模量幾乎降為零；如使用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)后400時(shí)材料的強(qiáng)度和模量與室溫的相差不大，從而提高了金屬材料的高溫性能。 減振能力強(qiáng)：當(dāng)結(jié)構(gòu)所受外力的頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率相同時(shí)，將產(chǎn)生共振，容易造成災(zāi)難性事故。而結(jié)構(gòu)的自振頻率

17、不僅與結(jié)構(gòu)本身的形狀有關(guān)，還與材料比模量的平方根成正比，因而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的自振頻率較高，可以避免共振。此外，纖維與基體的界面具有吸振能力，具有很高的阻尼作用。 斷裂安全性高：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料截面上分布著相互隔離的細(xì)纖維，當(dāng)其受力發(fā)生過載時(shí)，其中部分纖維會(huì)發(fā)生斷裂，但隨即進(jìn)行應(yīng)力的重新分配，由未斷纖維將載荷承擔(dān)起來，不致造成構(gòu)件在瞬間完全喪失承載能力而發(fā)生脆斷，因此復(fù)合材料的工作安全性高。 化學(xué)穩(wěn)定性好：能耐酸堿腐蝕。還具有一些特殊性能，如隔熱性、燒蝕性、特殊的電、磁性能等。10.1 復(fù)合材料第14頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 3. 物理性能特點(diǎn) 除力學(xué)性能外，根

18、據(jù)不同的增強(qiáng)體的特性及其與基體復(fù)合工藝的多樣性，經(jīng)過設(shè)計(jì)的復(fù)合材料還可以具有各種需要的優(yōu)異的物理性能：如低密度(增強(qiáng)體的密度一般較低)、膨脹系數(shù)小(甚至可達(dá)到零膨脹)、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、阻尼性好、吸波性好、耐燒蝕、抗輻照等。因此，在選擇增強(qiáng)體和基體組分材料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能降低材料的密度和膨脹系數(shù)，這是結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料需要考慮的重要因素。密度的降低有利于提高復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度，而通過調(diào)整增強(qiáng)體的數(shù)量和在基體中的排列方式，可有效降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，甚至在一定條件使其為零，這對(duì)于保持在諸如交變溫度作用等極端環(huán)境下工作的構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性具有特別重要的意義。金屬基復(fù)合材料中盡管加入的增強(qiáng)體大都為

19、非金屬材料，但仍可保持良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性，這對(duì)擴(kuò)展其應(yīng)用范圍非常有利?；诓煌牧蠌?fù)合在一起所具有的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、壓電效應(yīng)、換能、吸波及其他特殊性能，目前已開發(fā)出了壓電復(fù)合材料、導(dǎo)電及超導(dǎo)材料、磁性材料、耐磨減摩材料、吸波材料、隱身材料和各種敏感材料，其中的許多材料已在航天、航空、能源、電子、電工等工業(yè)領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用，成為功能材料中十分重要的新成員，同時(shí)復(fù)合化的方式也是功能材料領(lǐng)域的重要的研究和開發(fā)方向。10.1 復(fù)合材料第15頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 4. 工藝性能特點(diǎn) 復(fù)合材料的成形及加工工藝因材料種類不同而各有差別，但一般來說相對(duì)于其所用的基體材料而言，

20、成形加工工藝并不復(fù)雜。例如，以長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的樹脂基、金屬基、陶瓷基復(fù)合材料可整體成形，如此可大大減少結(jié)構(gòu)件中的裝配零件數(shù)量，進(jìn)而提高構(gòu)件的質(zhì)量和使用可靠性。再如，短纖維或顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料可采用傳統(tǒng)的金屬工藝進(jìn)行制備和二次加工，因而在工程應(yīng)用中具有很大的靈活性和實(shí)用性，增強(qiáng)了這類復(fù)合材料的適應(yīng)能力。10.1 復(fù)合材料第16頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.1.4 復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理 復(fù)合理論正處在研究、應(yīng)用和完善之中。下面簡(jiǎn)單介紹兩種復(fù)合理論。 1. 粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)制 根據(jù)增強(qiáng)顆粒的尺寸大小，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料可細(xì)分為彌散增強(qiáng)復(fù)合材料和真正顆粒(或稱純

21、顆粒)增強(qiáng)復(fù)合材料兩類。前者通常系指在金屬或合金中加入一定數(shù)量的惰性硬質(zhì)粉末并使之彌散分布而形成的復(fù)合材料；后者則指以微米級(jí)顆粒增強(qiáng)的金屬、樹脂或陶瓷。10.1 復(fù)合材料第17頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 (1) 彌散強(qiáng)化復(fù)合材料。一般加入增強(qiáng)顆粒粒徑在0.10.01之間，加入量也在1%15%之間。增強(qiáng)顆?？梢允且环N或幾種，但應(yīng)是均勻彌散地分布于基體材料內(nèi)部。該類復(fù)合材料的復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理與合金的沉淀硬化機(jī)理類似，基體仍是承受載荷的主體。所不同的是這些細(xì)小彌散顆粒不是借助于相變產(chǎn)生的第二相質(zhì)點(diǎn)，它們隨溫度的升高仍可保持其原有尺寸。同時(shí)這些彌散顆粒將阻礙導(dǎo)致基體塑性變形的

22、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)(金屬基)或分子鏈的運(yùn)動(dòng)(樹脂基)，提高了變形抗力。同時(shí)由于所加入的彌散粒子大都是高熔點(diǎn)高硬度且高穩(wěn)定的氧化物碳化物或氮化物等，故粒子還會(huì)大大提高材料的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力；對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料其粒子則會(huì)起到細(xì)化晶粒，使裂紋轉(zhuǎn)向與分叉，從而提高陶瓷強(qiáng)度和韌性。當(dāng)然粒子的強(qiáng)化效果與粒子粒徑、形態(tài)、體積分?jǐn)?shù)和分布狀態(tài)等直接相關(guān)。 (2) 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。這類材料是用金屬或高分子聚合物把具有耐熱、硬度高但不耐沖擊的金屬氧化物碳化物或氮化物等顆粒黏結(jié)起來形成的材料，其中顆粒尺寸為微米量級(jí)，原則上講，其幾何形狀可以是任意的，但一般情況下，基本上為幾何對(duì)稱。實(shí)踐表明，復(fù)合材料的性能受到顆粒大小的影

23、響，為提高增強(qiáng)效果，通常選擇尺寸較小的顆粒，并且盡可能使其均勻分布于基體之中。在該種復(fù)合材料中，顆粒不是通過有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而使材料強(qiáng)化，而是10.1 復(fù)合材料第18頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三借助于限制顆粒鄰近基體的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。它具有基體材料脆性小、耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)，又具有陶瓷硬度耐熱性特點(diǎn)，復(fù)合效果顯著。其所用粒子粒徑較大，一般為150，體積分?jǐn)?shù)在20%以上。因此復(fù)合材料的使用性能主要決定于粒子的性質(zhì)，此時(shí)粒子的強(qiáng)化作用并不顯著，但卻大大提高了材料耐磨性和綜合力學(xué)性能，這種方式主要用作耐磨減摩的材料，如硬質(zhì)合金、粘接砂輪材料等。 2. 纖維增強(qiáng)復(fù)合材

24、料的復(fù)合機(jī)制 廣義的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指由高強(qiáng)度、高模量脆性纖維類增強(qiáng)體與韌性基體(樹脂、金屬)或脆性基體(陶瓷)經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。提高基體在室溫和高溫下的強(qiáng)度和彈性模量是纖維增強(qiáng)樹脂或金屬的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，而纖維增強(qiáng)陶瓷的主要目的并非是為提高其強(qiáng)度和彈性模量，其著眼點(diǎn)在于提高基體材料的韌性，即增韌。因此，通常所講的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要指纖維增強(qiáng)樹脂或纖維增強(qiáng)金屬材料。 增強(qiáng)纖維的種類很多，根據(jù)直徑的大小和性能特點(diǎn)，可分為纖維和晶須兩種類型。目前用作增強(qiáng)體的纖維大多數(shù)是直徑為幾至幾十微米的多晶材料或非晶材料，因長(zhǎng)度的不同又可細(xì)分為連續(xù)長(zhǎng)纖維和短纖維。10.1 復(fù)合材料第19頁，共95

25、頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 (1) 短纖維及晶須增強(qiáng)復(fù)合材料。其強(qiáng)化機(jī)制與彌散強(qiáng)化復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制類似。但由于纖維明顯具有方向性，因此在復(fù)合材料制作時(shí)，如果纖維或晶須在材料內(nèi)的分布也具有一定方向性，則其強(qiáng)化效果必然也是各向異性的。短纖維(或晶須)對(duì)陶瓷的強(qiáng)化和韌化作用比顆粒增強(qiáng)體的作用更有效更明顯，纖維增加了基體與增強(qiáng)體的界面面積，具有更為強(qiáng)烈的裂紋偏轉(zhuǎn)和阻止裂紋擴(kuò)展效果。 (2) 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這類復(fù)合材料的增強(qiáng)效果主要取決于纖維的特性，基體只起傳遞和分散應(yīng)力的作用，材料力學(xué)性能主要取決于纖維的強(qiáng)度、纖維與基體的界面強(qiáng)度、基體的抗剪強(qiáng)度。其強(qiáng)度的增強(qiáng)效果與纖維的體

26、積分?jǐn)?shù)、纖維直徑、纖維的抗拉強(qiáng)度、纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比、基體的黏結(jié)強(qiáng)度、基體的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。應(yīng)用較多的有玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)效果是按以下原則設(shè)計(jì)的： 承受載荷的主要是纖維增強(qiáng)體，故選用纖維的強(qiáng)度和彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體。 基體與纖維應(yīng)有一定的相容性和浸潤(rùn)性，保證將基體所受力傳遞到纖維上；但兩者結(jié)合強(qiáng)度太低，纖維起不到作用，相反則會(huì)導(dǎo)致材料變脆。 纖維排列方向與構(gòu)件受力方向一致。 纖維與基體熱膨脹系數(shù)相近，且保證制造和使用時(shí)兩者界面上不發(fā)生使力學(xué)性能下降的化學(xué)反應(yīng)。10.1 復(fù)合材料第20頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 般纖維體積分?jǐn)?shù)越高、長(zhǎng)徑比越大(L/

27、d大)強(qiáng)化效果越好。10.1 復(fù)合材料第21頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.1.5 復(fù)合材料的應(yīng)用 除陶瓷基復(fù)合材料尚處在研究開發(fā)階段，并有少量應(yīng)用外，聚合物、金屬、碳基和混凝土基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。 1. 在信息技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用 信息技術(shù)包括信息獲得、信息處理、信息存儲(chǔ)執(zhí)行幾部分。 (1) 復(fù)合材料用于信息的獲得。獲得信息主要依靠各敏感器件的檢測(cè)，而敏感器件則由各種換能材料組成。換能材料把對(duì)外界的感知通過物理量表現(xiàn)的信息(如光、熱、聲、磁、輻射等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。不僅可依靠功能復(fù)合材料設(shè)計(jì)自由度大的特點(diǎn)獲得高優(yōu)值的換能材料，還可利用復(fù)合效應(yīng)，特別是其中

28、的“乘積效應(yīng)”設(shè)計(jì)出高效的新型換能材料。 (2) 復(fù)合材料用于信息處理。信息處理主要依靠電子技術(shù)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，電子芯片的集成度將越來越高，而芯片的散熱問題將是發(fā)展的障礙。研究表明，碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及與集成電路硅片的熱膨脹系數(shù)匹配均能滿足要求。這是一種用于芯片封裝的廉價(jià)材料，可以預(yù)計(jì)在21世紀(jì)會(huì)得到進(jìn)一步提高與發(fā)展。此外，電子設(shè)備的電路板都是織物增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料，10.1 復(fù)合材料第22頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三其用量可觀。由于信息處理的速度越來越快，因此研制具有優(yōu)良超高頻介電性能的復(fù)合材料是當(dāng)前和今后的重要內(nèi)容，此外機(jī)殼和屏蔽板也大量

29、使用復(fù)合材料。 (3) 復(fù)合材料用于信息存儲(chǔ)。目前用于信息寫入、記錄、存儲(chǔ)和讀出的磁性材料如磁帶、磁盤等，大都是軟磁質(zhì)細(xì)粉混入聚合物基體制成的復(fù)合材料。盡管目前光盤記錄已經(jīng)普遍，但是磁記錄仍有寫、讀方便的優(yōu)點(diǎn)，在一定時(shí)期內(nèi)仍會(huì)向高記錄密度方向發(fā)展。 (4) 復(fù)合材料用于信息傳輸。信息的傳輸，在地面上用光纜和微波，遠(yuǎn)距離要用人造衛(wèi)星。光纜中的光導(dǎo)纖維本身就是一種復(fù)合纖維，光纜護(hù)套管也大量采用復(fù)合材料。微波通信設(shè)備中，拋物形天線反射板以及波導(dǎo)管等均用先進(jìn)復(fù)合材料制造，因而質(zhì)量小、剛度好。至于通信衛(wèi)星，人們采用先進(jìn)復(fù)合材料作為星體結(jié)構(gòu)和天線。因此復(fù)合材料在這方面大有用武之地。 (5) 信息執(zhí)行對(duì)復(fù)合

30、材料的要求。信息的執(zhí)行除了聲、光、圖像外，重要的是在機(jī)械動(dòng)作上。例如信息指揮機(jī)械手和機(jī)器人以及其他一些自控機(jī)械進(jìn)行動(dòng)作。對(duì)前兩種，要求其動(dòng)作臂的運(yùn)動(dòng)慣性小，從而使動(dòng)作快速而準(zhǔn)確，這就需要運(yùn)動(dòng)部位的結(jié)構(gòu)材料具有低密度、高剛度和高強(qiáng)度，復(fù)合材料是最能勝任的?？梢灶A(yù)見復(fù)合材料在這方面會(huì)有好的發(fā)展前景。10.1 復(fù)合材料第23頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 2. 復(fù)合材料在機(jī)械工業(yè)的應(yīng)用 復(fù)合材料在機(jī)械工業(yè)主要用于閥、泵、齒輪、風(fēng)機(jī)、葉片、軸承及密封件等。用酚醛玻璃鋼和纖維增強(qiáng)聚丙烯制成的閥門使用壽命比不銹鋼閥門的長(zhǎng)，且價(jià)格便宜，玻璃鋼不僅質(zhì)量小而且耐腐蝕，常用于泵殼、葉輪、

31、風(fēng)機(jī)機(jī)殼及葉片。鑄鐵泵一般重幾十千克，而玻璃鋼泵僅重幾千克，并且耐腐蝕性好。碳/碳復(fù)合材料耐高溫，摩擦系數(shù)低，常用于機(jī)械密封件。 3. 復(fù)合材料在汽車工業(yè)及交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用 要使汽車提高速度，必須減小汽車的質(zhì)量。汽車質(zhì)量減小還可以節(jié)省燃料，降低污染。用高強(qiáng)鋼代替普通鋼，質(zhì)量可降低20%30%，用鋁合金代替，質(zhì)量可降低50%，但價(jià)格高出80%。復(fù)合材料應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是汽車工業(yè)，聚合物基復(fù)合材料可用做車身、驅(qū)動(dòng)軸、操縱桿、方向盤、客艙隔板、底盤、結(jié)構(gòu)梁、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、散熱器罩等部件。在國(guó)外聚合物基復(fù)合材料已廣泛用于制作各種汽車外殼、摩托車外殼以及高速列車車廂廂體。盡管玻璃纖維復(fù)合材料的比剛度比金屬

32、低，但石墨纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比剛度比金屬要高；聚合物基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量小、比強(qiáng)度大、比剛度大、比疲勞強(qiáng)度高、耐腐蝕，并可整體成形。10.1 復(fù)合材料第24頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 4. 復(fù)合材料在化學(xué)工業(yè)的應(yīng)用 化學(xué)工業(yè)存在的主要問題是腐蝕嚴(yán)重，因此往往用非金屬取代金屬制作零部件。玻璃鋼的出現(xiàn)給化學(xué)工業(yè)帶來了光明的前景，目前玻璃鋼主要用于各種槽、罐、釜、塔、管道、泵、閥、風(fēng)機(jī)等化工設(shè)備及其配件，玻璃鋼的特點(diǎn)是耐腐蝕、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格遠(yuǎn)比不銹鋼低廉。但玻璃鋼僅能用于低壓或常壓情況，并且溫度不宜超過120。 5. 在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用 在建筑業(yè)，玻璃鋼已廣泛

33、用于冷卻塔、儲(chǔ)水塔、衛(wèi)生間的浴盆浴缸、桌椅門窗、安全帽、通風(fēng)設(shè)備等。玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在強(qiáng)堿中的化學(xué)穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性和在鹽水介質(zhì)中耐腐蝕等特點(diǎn)，作為高層建筑墻板等的應(yīng)用日趨廣泛。近年來一些國(guó)家，如日本在建筑物領(lǐng)域中還采用碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料來修補(bǔ)加固了由阪神大地震造成損壞的鋼筋混凝土橋墩板橋，修復(fù)工作取得了突破性進(jìn)展。英國(guó)也曾用碳纖維復(fù)合材料來增強(qiáng)倫敦地下隧道的鑄鐵梁和增加石油平臺(tái)的耐沖擊波性能等。 6. 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 在船舶業(yè)，用玻璃鋼制成的船體具有抗海生物吸附和耐鹽水腐蝕的特性。10.1 復(fù)合材料第25頁，共95頁，2022年，5月20日，22

34、點(diǎn)2分，星期三 在生物醫(yī)學(xué)方面，由于碳/碳復(fù)合材料具有良好的生物相容性，現(xiàn)已作為牢固的材料用作高應(yīng)力使用的外科植入物、牙根植入體以及人工關(guān)節(jié)。 碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料由于比強(qiáng)度高、比模量大，也廣泛用于制造網(wǎng)球拍、高爾夫球棒、釣魚桿、賽車賽艇、滑雪板、樂器等文體用品。采用團(tuán)狀模塑料工藝，將3mm12mm短切纖維與樹脂混合后還可用于制作家庭用品。 由此可見，復(fù)合材料不僅可用于航空航天等高科技領(lǐng)域，而且在日常生活中也廣泛使用復(fù)合材料。但是，盡管復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，由于仍存在一些問題，如價(jià)格太貴，特別是碳纖維和硼纖維增強(qiáng)的高級(jí)復(fù)合材料；同時(shí)復(fù)合材料組元間的結(jié)合以及復(fù)合材料的連接技術(shù)仍是人

35、們致力解決的問題。10.1 復(fù)合材料第26頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.1.6 復(fù)合材料的發(fā)展 復(fù)合材料發(fā)展的新領(lǐng)域，首先應(yīng)看領(lǐng)域的科學(xué)性，其次要依據(jù)時(shí)代的需求，最后是考查能否充分體現(xiàn)復(fù)合材料的特色和優(yōu)勢(shì)。 1. 功能、多功能、機(jī)敏、智能復(fù)合材料 過去復(fù)合材料主要用于結(jié)構(gòu)。其實(shí)它的設(shè)計(jì)自由度大的特點(diǎn)更適合于發(fā)展功能復(fù)合材料，特別在由功能多功能機(jī)敏智能復(fù)合材料，即從低級(jí)形式到高級(jí)形式的過程中體現(xiàn)出來。設(shè)計(jì)自由度大是由于復(fù)合材料可以任意調(diào)節(jié)其復(fù)合度、選擇其連接形式和改變其對(duì)稱性等因素，以期達(dá)到功能材料所追求的高優(yōu)值。10.1 復(fù)合材料第27頁，共95頁，2022年，

36、5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 1) 功能復(fù)合材料 功能復(fù)合材料涉及的范圍非常寬。在電功能方面導(dǎo)電、超導(dǎo)、絕緣、吸波(電磁波)、半導(dǎo)電、屏蔽或透過電磁波、壓電與電致伸縮等；在磁功能方面有永磁、軟磁、磁屏蔽和磁致伸縮等；在光功能方面有遠(yuǎn)光、選擇濾光、光致變色、光致發(fā)光、抗激光、X線屏蔽和透X光等；在聲學(xué)功能方面有吸聲、聲納、抗聲納等；在熱功能方面有導(dǎo)熱、絕熱與防熱、耐燒蝕、阻燃、熱輻射等；在機(jī)械功能方面則有阻尼減振、自潤(rùn)滑、耐磨、密封、防彈裝甲等；在化學(xué)功能方面有選擇吸附和分離、抗腐蝕等。在上述各種功能中，復(fù)合材料均能夠作為主要材料或作為必要的輔助材料而發(fā)揮作用。 2) 多功能復(fù)合材料 復(fù)合材料

37、具有多組分的特點(diǎn)，因此必然會(huì)發(fā)展成多功能的復(fù)合材料。首先是形成兼具功能與結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。例如，美國(guó)的軍用飛機(jī)具有自我保護(hù)的隱身功能，即在飛機(jī)的蒙皮上應(yīng)用了吸收電磁波的功能復(fù)合材料來躲避雷達(dá)跟蹤，而這種復(fù)合材料又是高性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。目前正在研制兼有吸收電磁波、紅外線并且可以作為結(jié)構(gòu)的多功能復(fù)合材料。可以說向多功能方向發(fā)展是發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)的必然趨勢(shì)。10.1 復(fù)合材料第28頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 3) 機(jī)敏復(fù)合材料 人類一直期望著材料具有能感知外界作用而且做出適當(dāng)反應(yīng)的能力。目前已經(jīng)開始試將傳感功能材料和具有執(zhí)行功能的材料通過某種基體復(fù)合在一起，并且連接外部

38、信息處理系統(tǒng)，把傳感器給出的信息傳達(dá)給執(zhí)行材料，使之產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，這樣就構(gòu)成了機(jī)敏復(fù)合材料及其系統(tǒng)。它能夠感知外部環(huán)境的變化，做出主動(dòng)的響應(yīng)，其作用可表現(xiàn)在自診斷、自適應(yīng)和自修復(fù)的能力上。機(jī)敏復(fù)合材料將會(huì)在國(guó)防尖端技術(shù)、建筑、交通運(yùn)輸、水利、醫(yī)療衛(wèi)生、海洋漁業(yè)等方面有很大的應(yīng)用前景，同時(shí)也會(huì)在節(jié)約能源、減少污染和提高安全性上發(fā)揮很大的作用。 4) 智能復(fù)合材料 智能復(fù)合材料是功能材料的高級(jí)形式。實(shí)際上它是在機(jī)敏復(fù)合材料基礎(chǔ)上向自決策能力上的發(fā)展，依靠在外部信息處理系統(tǒng)中增加的人工智能系統(tǒng)，對(duì)信息進(jìn)行分析、給出決策、指揮執(zhí)行材料做出優(yōu)化動(dòng)作。這樣就對(duì)材料的傳感部分和執(zhí)行部分的靈敏度、精確度和響

39、應(yīng)速度提出更高的要求。 2. 納米復(fù)合材料 當(dāng)材料尺寸進(jìn)入納米范圍時(shí)，材料的主要成分集中在表面。例如直徑為2nm的顆粒其表面原子數(shù)將占有整體的80%。巨大的表面所產(chǎn)生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強(qiáng)的團(tuán)聚作用而使顆粒尺寸變大。如果能將這些10.1 復(fù)合材料第29頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三納米單元體分散在某種基體之中構(gòu)成復(fù)合材料，使之不團(tuán)聚而保持納米尺寸的單個(gè)體(顆粒或其他形狀物體)，則可發(fā)揮其納米效應(yīng)。這種效應(yīng)的產(chǎn)生是來源于其表面原子呈無序分布狀態(tài)而具有特殊的性質(zhì)，表現(xiàn)為量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)等。由于這些效應(yīng)的存在使納米復(fù)合材料不僅

40、具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且會(huì)產(chǎn)生光學(xué)、非線性光學(xué)、光化學(xué)和電學(xué)的功能作用。 1 ) 有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料 目前有機(jī)-無機(jī)分子間存在相互作用的納米復(fù)合材料發(fā)展很快。因?yàn)樵摲N材料在結(jié)構(gòu)與功能兩方面均有很好的應(yīng)用前景，而且具有工業(yè)化的可能性。有機(jī)-無機(jī)分子間的相互作用有共價(jià)鍵型、配位鍵型和離子鍵型、各種類型的納米復(fù)合材料均有其對(duì)應(yīng)的制備方法。例如，制備共價(jià)鍵型納米復(fù)合材料基本上采用凝膠溶膠法。該種復(fù)合體系中的無機(jī)組分是用硅或金屬的烷氧基化合物經(jīng)水解、縮聚等反應(yīng)形成硅或金屬氧化物的納米粒子網(wǎng)絡(luò)，有機(jī)組分則以高分子單體引入此網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行原位聚合形成納米復(fù)合材料。該材料能達(dá)到分子級(jí)的分散水平，所以能賦予它優(yōu)

41、異的性能；關(guān)于配位鍵納米復(fù)合材料，是將有功能性的無機(jī)鹽溶于帶配合基團(tuán)的有機(jī)單體中使之形成配位鍵，然后進(jìn)行聚合，使無機(jī)物以納米相分散在聚合物中形成納米復(fù)合材料。該種材料具有很強(qiáng)的納米功能效應(yīng)，是一種有競(jìng)爭(zhēng)力的功能復(fù)合材料；新近發(fā)展迅速的離子鍵型有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料是通過對(duì)10.1 復(fù)合材料第30頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 無機(jī)層狀物插層來制得的，因此無機(jī)納米相僅有一維是納米尺寸。由于層狀硅酸鹽的片層之間表面帶負(fù)電，所以可用陽離子交換樹脂借助靜電吸引作用進(jìn)行插層，而該樹脂又能與某些高分子單體或熔體發(fā)生作用，從而構(gòu)成納米復(fù)合材料。研究表明，這種復(fù)合材料不僅能作為結(jié)構(gòu)材

42、料也可作為功能材料，并且已顯示出具有工業(yè)化的可能性。 2) 無機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料 無機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料雖然研究較早，但發(fā)展較慢。原因在于無機(jī)的納米粒子容易在成形過程中迅速團(tuán)聚或晶粒長(zhǎng)大，因而喪失納米效應(yīng)，目前正在努力改善之中。采用原位生長(zhǎng)納米相的方法可以制備陶瓷基納米復(fù)合材料和金屬基納米復(fù)合材料，它們的性能有明顯改善。這類方法存在的問題是難以精確控制由原位反應(yīng)生成的增強(qiáng)體含量和生成物的化學(xué)組成，尚有待改進(jìn)。 10.1 復(fù)合材料第31頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 3. 仿生復(fù)合材料 天然的生物材料基本上是復(fù)合材料。仔細(xì)分析這些復(fù)合材料可以發(fā)現(xiàn)，它們的形成結(jié)構(gòu)、排列

43、分布非常合理。例如，竹子以管式纖維構(gòu)成，外密內(nèi)疏，并呈正反螺旋形排列、成為長(zhǎng)期使用的優(yōu)良天然材料。又如，貝殼是以無機(jī)質(zhì)成分與有機(jī)質(zhì)成分呈層狀交替疊層而成，既具有很高的強(qiáng)度又有很好的韌性。這些都是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化演變中形成的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式。大量的生物體以各種形式的組合來適應(yīng)自然環(huán)境的考驗(yàn)，優(yōu)勝劣汰，為人類提供了學(xué)習(xí)借鑒的途徑。為此，可以通過系統(tǒng)分析和比較，吸取有用的規(guī)律并形成概念，把從生物材料學(xué)習(xí)到的知識(shí)結(jié)合材料科學(xué)的理論和手段來進(jìn)行新型材料的設(shè)計(jì)與制造。因此逐步形成新的研究領(lǐng)域仿生復(fù)合材料。正因?yàn)樯锝缒芴峁┑男畔⒎浅ＸS富，以現(xiàn)有水平還無法認(rèn)識(shí)其機(jī)理，所以具有很強(qiáng)的發(fā)展生命力。目前雖已經(jīng)開展了部分

44、研究并建立了模型，進(jìn)行了理論計(jì)算，但距離真正掌握自然界生物材料的奧秘還有很大差距，可以肯定這是復(fù)合材料發(fā)展的必由之路，而且前景廣闊。10.1 復(fù)合材料第32頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.2 功 能 材 料 一般認(rèn)為，功能材料是指應(yīng)用材料的物理和化學(xué)性能如光、電、磁、聲、熱等特性的各種材料，包括電功能材料、磁功能材料、光功能材料、超導(dǎo)材料、形狀記憶合金、儲(chǔ)氫材料、生物醫(yī)學(xué)材料、組織工程材料、納米藥物載體、 功能膜、功能陶瓷、功能纖維等。但是功能材料本身的范圍還沒有公認(rèn)的嚴(yán)格的界定，所以對(duì)它的分類也就很難有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。比較常見的分類法有： 按材料的化學(xué)鍵分類，功能材

45、料分為功能性金屬材料、功能性無機(jī)非金屬材料、功能性有機(jī)材料和功能性復(fù)合材料。 按材料物理性質(zhì)分類，這樣就有磁性材料、電性材料、光學(xué)材料、聲學(xué)材料、力學(xué)材料、化學(xué)功能材料等。 按功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域分類，這樣有電子材料、軍工材料、核材料、信息工業(yè)用材料、能源材料、醫(yī)學(xué)材料等。 按使用性能，可分為微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫(yī)用材料、生態(tài)環(huán)境材料、能源材料和機(jī)敏(智能)材料等。 這里主要介紹形狀記憶合金、超導(dǎo)材料、儲(chǔ)氫材料、非晶態(tài)合金、智能材料和梯度功能材料。第33頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.2.1 形狀記憶合金 所謂形狀記憶材料是指具有一定初

46、始形狀的材料經(jīng)變形并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理后，又可恢復(fù)成初始狀態(tài)(形狀)的材料，即無生命的材料卻具有一定的“記憶”功能。在研究Ti-Ni合金時(shí)發(fā)現(xiàn)：原來彎曲的合金絲被拉直后，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，它又恢復(fù)到原來彎曲的形狀。人們把這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect，SME)，具有形狀記憶效應(yīng)的金屬稱為形狀記憶合金(SMA)。迄今為止，已有10多個(gè)系列、50多個(gè)品種形狀記憶合金。形狀記憶合金已廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、機(jī)器人和自動(dòng)控制系統(tǒng)、儀器儀表和醫(yī)療設(shè)備。近年來，又在高分子聚合物、陶瓷、玻璃材料、超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶現(xiàn)象。 1.

47、形狀記憶原理 形狀記憶合金與普通金屬變形及恢復(fù)有不同，如圖10.5所示。普通金屬材料，當(dāng)變形在彈性范圍內(nèi)除去載荷后可以恢復(fù)到原來形狀，無永久變形，但當(dāng)變形超過彈性范圍，再去載荷，材料就發(fā)生永久變形，如圖10.5(a)所示。而形狀記憶合金在變形超過彈性范圍，去除載荷也會(huì)發(fā)生殘留變形，但這部分殘留變形在其后加熱到某一溫度即會(huì)消除而恢復(fù)原來形狀，如圖10.5(c)所示。10.2 功 能 材 料第34頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三形狀記憶合金又是一種超彈性合金，當(dāng)變形超過彈性范圍后在某一程度內(nèi)，當(dāng)去除載荷后，它能慢慢地返回原形，如圖10.5(b)所示，這種現(xiàn)象稱為起彈性或偽彈

48、性。大部分形狀記憶合金的形狀記憶機(jī)理是熱彈性馬氏體相變。馬氏體相變往往具有可逆性，即把馬氏體(低溫相)以足夠快的速度加熱，可以不經(jīng)分解直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵?母相)。母相向馬氏體相轉(zhuǎn)變開始、終了溫度稱為、。馬氏體向母相逆轉(zhuǎn)變開始、終了溫度稱為、。具有馬氏體逆轉(zhuǎn)變，且與相差很小的合金，將其冷卻到點(diǎn)以下，馬氏體晶核隨溫度下降逐漸長(zhǎng)大，溫度回升時(shí)馬氏體片又反過來同步地隨溫度上升而縮小，這種馬氏體叫熱彈性馬氏體。在以上某一溫度對(duì)合金施加外力也可引起馬氏體轉(zhuǎn)變，形成的馬氏體叫應(yīng)力誘發(fā)馬氏體。有些應(yīng)力誘發(fā)馬氏體也屬?gòu)椥择R氏體，應(yīng)力增加時(shí)馬氏體長(zhǎng)大，反之馬氏體縮小，應(yīng)力消除后馬氏體消失，這種馬氏體叫應(yīng)力彈性馬氏體

49、。應(yīng)力彈性馬氏體形成時(shí)會(huì)使合金產(chǎn)生附加應(yīng)變，當(dāng)除去應(yīng)力時(shí)，這種附加應(yīng)變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為超彈性(偽彈性)。10.2 功 能 材 料第35頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 (a)普通金屬 (b)超彈性 (c)形狀記憶合金圖10.5 形狀記憶效應(yīng)和超彈性10.2 功 能 材 料第36頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 母相受力生成馬氏體并發(fā)生形變，或先淬火得到馬氏體，然后使馬氏體發(fā)生塑性變形，變形后的合金受熱(溫度高于)時(shí)，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，回復(fù)母相原始狀態(tài)；溫度升高至?xí)r，馬氏體消失，合金完全回復(fù)到原來的形狀。由此可見，形狀記憶材料應(yīng)具備如下條件

50、：馬氏體相變是熱彈性的；馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e(cuò)；母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。形狀記憶效應(yīng)是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時(shí)向高溫相進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。但是,具有熱彈性馬氏體相變的材料并不都具有形狀記憶效應(yīng)。 形狀記憶效應(yīng)分為兩種。材料在高溫下制成某種形狀，在低溫下將其任意變形，若將其加熱到高溫時(shí)，材料恢復(fù)高溫下的形狀，但重新冷卻時(shí)材料不能恢復(fù)低溫時(shí)的形狀，這是單程記憶效應(yīng)；若低溫下材料仍能恢復(fù)低溫下的形狀，就是雙程記憶效應(yīng)。 2. 形狀記憶合金的分類 形狀記憶合金是因熱彈性馬氏體相變及其逆轉(zhuǎn)變而具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料。形狀記憶合金是形狀記憶性能最好的材料。按照

51、合金組成和相變特征，具有較完全形狀記憶效應(yīng)的合金可分為三大系列：Ti-Ni系形狀記憶合金，銅基系形狀記憶合金和鐵基系形狀記憶合金。10.2 功 能 材 料第37頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 1) Ti-Ni合金 近等原子比的Ti-Ni合金是最早得到應(yīng)用的一種記憶合金。由于其具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)、高的耐熱性、耐蝕性、高的強(qiáng)度以及其他合金無法比擬的熱疲勞性與良好的生物相容性以及高阻尼特性等，因而得到廣泛的應(yīng)用。但原材料昂貴，制造工藝?yán)щy，使其成本高，且切削加工性不良。實(shí)用的具有形狀記憶效應(yīng)的Ti-Ni合金的成分是在近等原子比的范圍內(nèi)，Ni元素的含量為55%56%(質(zhì)量

52、分?jǐn)?shù))，根據(jù)使用目的不同可適當(dāng)選取準(zhǔn)確的合金成分。Ti-Ni記憶合金的相變溫度對(duì)成分最敏感，含Ni量每增加0.1%，就會(huì)引起相變溫度降低10，添加的第三元素對(duì)Ti-Ni合金相變溫度的影響也很大。 2) 銅基合金 由于銅基形狀記憶合金母相都是有序相，故熱彈性馬氏體相變的特性很明顯。銅基合金具有價(jià)格便宜、生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單、良好的形狀記憶效應(yīng)、電阻率小、加工性能好等特點(diǎn)，但長(zhǎng)期或反復(fù)使用時(shí)，表現(xiàn)出記憶性能衰退現(xiàn)象，這種衰退可能是由于馬氏體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的范性和局部馬氏體相變產(chǎn)生“穩(wěn)定化”所致。逆相變加熱溫度越高，衰退速率越快；載荷越大，衰退也越快。加入適量的稀土和Ti、Mn、V、B等元素，或采用粉末冶金

53、和快速凝固等方法可提高記憶性能，其中已得到實(shí)際應(yīng)用的是CuZnAl、Cu-Al-Mn和CuAlNi，尤其是CuZnAl合金應(yīng)用較廣。10.2 功 能 材 料第38頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 3) 鐵基合金 鐵基形狀記憶合金具有強(qiáng)度高、塑性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，正在逐漸受到人們的重視。鐵基系形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)既有通過熱彈性馬氏體相變來獲得的，也有通過應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變(非熱彈性馬氏體)而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)的。正在開發(fā)和研究的鐵基記憶合金主要有Fe-Mn-Si系和Fe-Ni-Co-Ti系。 3. 形狀記憶合金的應(yīng)用 形狀記憶材料的應(yīng)用已遍及航空、航天、機(jī)械、電子、

54、能源、醫(yī)學(xué)以及日常生活中。具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性的合金已發(fā)現(xiàn)很多，但目前已進(jìn)入實(shí)用化的主要有Ni-Ti合金和Cu-Zn-A1合金，前者價(jià)格較高，但性能優(yōu)良，并與人體有生物相容性，后者價(jià)格低廉。其他合金因晶界面易斷裂，只有處于單晶時(shí)才能使用，目前尚不適宜于工業(yè)應(yīng)用。形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，從精密復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件到較為簡(jiǎn)單的連接件、緊固件；從節(jié)約能源的形狀記憶合金發(fā)動(dòng)機(jī)到過電流保護(hù)器等。用作管道連接件，是記憶合金用量最大的一項(xiàng)用途。選用記憶合金制作管接頭連接件，連接管接頭，可以防止用傳統(tǒng)焊接所引起的組織變化，更適合于嚴(yán)禁明火的管道連接，而且操作簡(jiǎn)便，密封性能可靠。利用形狀記憶合金在恢復(fù)到高溫態(tài)形

55、狀時(shí)彈性模量高，而在低溫馬氏體相狀態(tài)下彈性模量較低的特性，可以將形狀記憶合金制作成彈簧元件，使之具有雙向動(dòng)作功能，起到溫度控制元件的作用。應(yīng)用于電流斷路器、自動(dòng)干燥箱、空調(diào)機(jī)風(fēng)向自動(dòng)調(diào)節(jié)器、熱機(jī)等。Ti-Ni合金可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的口腔牙齒矯形絲以及外科中各種矯形體、骨連接器、血管夾、血管擴(kuò)張?jiān)?、凝血濾器等。10.2 功 能 材 料第39頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三10.2.2 超導(dǎo)材料 1. 超導(dǎo)材料理論 1911年，荷蘭物理學(xué)家恩涅斯在液氮溫度下測(cè)量水銀電阻時(shí)發(fā)現(xiàn)，在4.2K(熱力學(xué)溫標(biāo))時(shí)，出現(xiàn)電阻突然消失的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。能出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的物體稱為超

56、導(dǎo)體；超導(dǎo)體出現(xiàn)零電阻狀態(tài)時(shí)稱為超導(dǎo)態(tài)；定義超導(dǎo)態(tài)出現(xiàn)的溫度為臨界溫度，記為，用熱力學(xué)溫標(biāo)(單位K)計(jì)。后來還發(fā)現(xiàn)，如果把超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中加以冷卻，則在材料電阻消失的同時(shí)，磁感應(yīng)線將從導(dǎo)體中排出，即出現(xiàn)所謂完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))。超導(dǎo)性和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)主要特征。 在一定條件(溫度、磁場(chǎng)、電流等)下具有超導(dǎo)電性的材料為超導(dǎo)材料(superconducting material)。根據(jù)超導(dǎo)體排斥磁力線的特性及其和臨界磁場(chǎng)的關(guān)系來看，超導(dǎo)體可以分為兩類：第類超導(dǎo)體和第類超導(dǎo)體。兩者區(qū)分可由金茲堡-朗道參量K決定。第類超導(dǎo)體在臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度以下，磁通量被完全排斥，因而這類超導(dǎo)體又稱為完全抗磁體。

57、隨著超導(dǎo)現(xiàn)象研究的不斷深入，一方面是提出各種關(guān)于超導(dǎo)電性的理論，另一方面是在這些理論指導(dǎo)下，研究提高超導(dǎo)臨界參數(shù)的途徑，研制各種具有高臨界參數(shù)的超導(dǎo)材料。在理論研究方面，F(xiàn). 倫敦和H. 倫敦(London)兄弟二人提出了倫敦方程，預(yù)言超導(dǎo)體存在一個(gè)電磁透入層；1950年，朗道和金茲堡提出了GL方程，形象地描述了超導(dǎo)電子的行為，有助于深入理解超導(dǎo)體中包括磁通量子化現(xiàn)象在內(nèi)的各種電磁性能。10.2 功 能 材 料第40頁，共95頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2分，星期三 1957年，巴丁、庫(kù)珀和施里弗三人由電子-聲子作用出發(fā)，提出了解釋超導(dǎo)現(xiàn)象比較成功的微觀理論，稱為BCS理論。根據(jù)BCS理

58、論，在正常態(tài)的金屬中，導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流的自由電子，主要是費(fèi)米能級(jí)附近的自由電子。金屬的費(fèi)米能級(jí)為leV10eV的數(shù)量級(jí)，所以這部分電子的德布羅意波長(zhǎng)為4A12A(0.4nm1.2nm)，這正是晶格間距的數(shù)量級(jí)。這部分電子在晶格中傳播時(shí)，會(huì)受到晶格振動(dòng)、晶格缺陷和雜質(zhì)的散射，形成電阻。在低溫下，盡管晶格的振動(dòng)減弱會(huì)使電子受到的散射減小，但雜質(zhì)和晶格缺陷與溫度無關(guān)，如果仍然是由單個(gè)的自由電子來傳導(dǎo)電流，則電阻不可能為零。BCS理論的基本點(diǎn)是，在低溫下超導(dǎo)體中，動(dòng)量大小相等、方向相反、自轉(zhuǎn)方向相反的兩個(gè)電子會(huì)彼此吸引而形成束縛的電子對(duì)，稱為庫(kù)珀對(duì)。大量庫(kù)珀對(duì)的集合態(tài)就是超導(dǎo)態(tài)，而庫(kù)珀對(duì)的形成則是通過電

59、子-聲子的相互作用。進(jìn)一步的研究表明，庫(kù)珀對(duì)中兩個(gè)電子的結(jié)合很松散，它們之間的距離可以達(dá)到微米(10-6m)這一宏觀數(shù)量級(jí)。因此不會(huì)受到晶格缺陷和雜質(zhì)這種微觀尺度(大約為10-10m)結(jié)構(gòu)的散射。另外，由于庫(kù)珀對(duì)中兩個(gè)電子的動(dòng)量相反，庫(kù)珀對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量為零。有電流時(shí)，庫(kù)珀對(duì)作為整體產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，質(zhì)心的動(dòng)量很小，波長(zhǎng)很長(zhǎng)，也不會(huì)被晶格振動(dòng)、晶體缺陷和雜質(zhì)散射，所以超導(dǎo)態(tài)以庫(kù)珀對(duì)作為傳導(dǎo)電流的載體，就沒有電阻。庫(kù)珀對(duì)的結(jié)合能只有10-3eV左右，當(dāng)導(dǎo)體的溫度T(臨界超導(dǎo)溫度)時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使庫(kù)珀對(duì)解體成為正常電子，超導(dǎo)態(tài)就被破壞而進(jìn)入正10.2 功 能 材 料第41頁，共95頁，2022年，5月20日，

60、22點(diǎn)2分，星期三常態(tài)。由BCS理論計(jì)算出的電子的比熱容、臨界磁場(chǎng)等和溫度的關(guān)系都與實(shí)驗(yàn)符合。同時(shí)，它還可以導(dǎo)出在它之前就已經(jīng)發(fā)展起來的唯象理論，如金茲堡-朗道理論、倫敦理論，并且可以解釋更多由這些理論不能解釋的現(xiàn)象，因而為大家普遍地接受。 2. 超導(dǎo)材料的種類 1) 超導(dǎo)元素 1911年末恩涅斯首次在元素汞中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性。汞發(fā)生正常超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度()是4.15K。兩年后，發(fā)現(xiàn)鉛的7.2K，比汞高。至今，已發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)元素接近50種，其中常壓下有28種元素具有超導(dǎo)性，其余的元素在高壓下或者經(jīng)過特殊工藝處理(如制備成薄膜、電磁波輻照、離子注入等)顯示具有超導(dǎo)性。元素中最高的是鈮(9.26K)。超導(dǎo)