復(fù)合材料基礎(chǔ)

復(fù)合材料基礎(chǔ)第一頁，共八十九頁，2022年，8月28日三大材料：金屬無機(jī)非金屬有機(jī)高分子復(fù)合材料取長補(bǔ)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(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料復(fù)合材料9.1復(fù)合材料概述第二頁，共八十九頁，2022年，8月28日9.1復(fù)合材料概述復(fù)合材料歷史現(xiàn)代：1942年，美國PPG公司發(fā)明玻璃鋼（樹脂板，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂）；古代：仰韶文化草拌泥作墻體；美索不達(dá)米亞人用蘆葦、紙莎草加瀝青或樹膠制造小艇；古埃及木乃伊是將用香料處理過的尸體纏繞亞麻布帶后再浸漬天然樹脂；第三頁，共八十九頁，2022年，8月28日第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料第二代：1960年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維1971年美國杜邦公司開發(fā)出開芙拉（Kevlar）-49（聚對苯二甲酰對苯二胺）1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及開芙拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料”用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。第四代：1990年以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料，如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。第四頁，共八十九頁，2022年，8月28日第五頁，共八十九頁，2022年，8月28日一、概述一、復(fù)合材料定義(1)種類不同，性質(zhì)差異很大的幾種材料及其界面相（層）所組成（組成上）(2)多相固體材料（結(jié)構(gòu)）(3)經(jīng)設(shè)計復(fù)合而成（制備上）(4)通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組份材料所不具備的性能，或產(chǎn)生性能協(xié)同作用，與簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別（性能上）簡言之：復(fù)合材料由連續(xù)基體相(matrixphase)和分散增強(qiáng)相(dispersephase)及界面相(interfacephase)所構(gòu)成。第六頁，共八十九頁，2022年，8月28日復(fù)合材料系統(tǒng)組合分散相連續(xù)相金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料金屬纖維纖維/金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料金屬片材金屬/塑料板無機(jī)非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶瓷基復(fù)合材料晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料顆粒彌散強(qiáng)化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料碳纖維/樹脂基復(fù)合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹脂基有機(jī)高分子材料有機(jī)纖維纖維/樹脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料橡膠第七頁，共八十九頁，2022年，8月28日二、分類(1)按來源：天然、人工復(fù)合材料等；(2)按基體：樹脂基、金屬基、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料等；(3)按增強(qiáng)體形態(tài)：顆粒增強(qiáng)(particle-reinforced)短纖或晶須增強(qiáng)(choppedfiberorwhiskersreinforced)連續(xù)長纖增強(qiáng)(continuousfiber-reinforced)多維編織布增強(qiáng)(braidedfabricorfilamentwinding-reinforced)三維編織體增強(qiáng)等；(4)按應(yīng)用：結(jié)構(gòu)、功能、智能復(fù)合材料等；(5)按增強(qiáng)材料品種：玻纖、碳纖、有機(jī)纖維復(fù)合材料等；(6)按特定含義：通用、先進(jìn)、現(xiàn)代、近代、混雜、納米、原位、分子、宏觀復(fù)合材料等；第八頁，共八十九頁，2022年，8月28日第九頁，共八十九頁，2022年，8月28日三、復(fù)合材料的組成與特性聚合物基復(fù)合材料(polymer-matrixcomposites，PMC)金屬基復(fù)合材料(metal-matrixcomposites，MMC)陶瓷基復(fù)合材料(ceramicmatrixcomposites，CMC)第十頁，共八十九頁，2022年，8月28日（1）組成(composition)①基體(matrix)②增強(qiáng)材料(reinforcement)（都是一個龐大的材料體系、品種繁多，結(jié)構(gòu)與性能呈多樣化，復(fù)合體系的系統(tǒng)組合、排列給復(fù)合材料的巨大的發(fā)展空間，原則上，基體與增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)與性能差異越大，愈具復(fù)合價值，但更為重要的是基體與增強(qiáng)體之間的匹配。）A.顆粒增強(qiáng)體：高強(qiáng)、高模、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬材料的微細(xì)粉末，主要起增強(qiáng)、增韌作用，而不是普通填料的填充體積或降低成本的作用，增強(qiáng)體價格往往比基體還貴。B.短纖維（晶須）(choppedfiberorwhisker)：長徑比5~1000之間，橫截面積小于52×10―5cm2的含缺陷很少的單晶纖維，其模量和強(qiáng)度接近其純晶體的理論值。主要有金屬晶須、氧化物晶須、氮化物晶須、硼化物晶須和無機(jī)鹽類晶須。C.纖維及其織物(braidedfabricorfilamentwinding)：植物纖維、動物纖維、碳物纖維、合成纖維等

第十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日（2）復(fù)合材料的特性一般特性：a.可設(shè)計性b.構(gòu)件復(fù)合與成型一次性完成，整體性好c.性能分散性大，性能對工藝工程及工藝參數(shù)甚至一些偶然性因素都十分敏感，難以精確控制結(jié)構(gòu)和性能d.復(fù)合效應(yīng)（多種復(fù)合效應(yīng)）

一般性能特點：

a.比強(qiáng)度、比模量大

b.破壞安全性高

c.耐疲勞性好

d.阻尼減震性好

e.耐燒蝕性能好第十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日34510203040E/r(106cm)鋼鋁玻璃/環(huán)氧Al2O3晶須/NiAl2O3晶須/鋁碳化硼/鋁硼/環(huán)氧碳/環(huán)氧鈹硼/鉬硼/鎳硼/鋁σ/r(106cm)234510幾種常用材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量的比較(1)組分材料密度都較低；(2)由于纖維具有很小的直徑，其內(nèi)部缺陷要比塊狀形式的材料少得多，所以強(qiáng)度較高。第十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日材料名稱比強(qiáng)度比模量鋼0.130.27鋁0.170.26玻纖/聚酯CM0.530.21碳纖/環(huán)氧CM1.030.21第十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日

2、PMC的組成(1)基體

熱固性基體(thermosettingmatrix)：i)熔體或溶液粘度低，易于浸漬與浸潤，成型工藝性好ii)交聯(lián)固化成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尺寸穩(wěn)定性、耐熱性好，但性脆iii)制備過程伴有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)

熱塑性基體(thermoplasticmatrix)：i)溶體或溶液粘度大，浸漬與浸潤困難，需較高溫度和壓力下成型，工藝性差ii)線性分子結(jié)構(gòu)，抗蠕變和尺寸穩(wěn)定性差，但韌性好iii)制備過程中伴有聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及取向、結(jié)晶等物理現(xiàn)象)(2)增強(qiáng)體主要有碳纖、玻纖維、芳綸纖維、硼纖維等樹脂基體與增強(qiáng)體相容性、浸潤性較差，多經(jīng)過表面處理與表面改性，浸潤劑、偶聯(lián)劑、涂復(fù)層的使用，使其組成復(fù)雜化。第十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日第十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日第十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日3、MMC(1)基體：Al、Mg、Ti、Ni等輕金屬及其它們的合金（比強(qiáng)度、比模量高）(2)增強(qiáng)體：強(qiáng)度、模量和熔點遠(yuǎn)高于金屬基體的金屬或非金屬材料。主要有：硼纖維、碳纖維、SiC纖維、Al2O3纖維鎢絲、鋼絲、不銹鋼絲陶瓷顆粒、晶須等；特點：保持金屬材料特性外，與金屬基體相比具有高強(qiáng)、高模、高韌性、高抗沖、尺寸穩(wěn)定性好、抗疲勞性能好等特點，可沿用大部分金屬成型加工方法，適合于用作中、高溫結(jié)構(gòu)材料。第十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日4、CMC(1)基體：氧化鋁、氮化硅、碳化硅、玻璃等特種陶瓷

陶瓷本身：高模量、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺點：性脆、抗熱震性（抗熱沖擊性）差，抗震性差且對裂紋、氣孔和混雜物等細(xì)微缺陷敏感，易突然失效(2)增強(qiáng)材料：碳纖維、硼纖維、α-Al2O3纖維、氧化鋁-硼酸鹽纖維\鎢絲、鈮絲、不銹鋼絲、SiC晶須、SiN4晶須、ZrO2顆粒等，

復(fù)合的目的不是提高模量與強(qiáng)度，而是對陶瓷基體增韌CMC仍以燒結(jié)成型為主，適合于作高溫結(jié)構(gòu)材料，被稱為“材料的夢想”。

第十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日第二十頁，共八十九頁，2022年，8月28日5、C/C復(fù)合材料化學(xué)組成單一，C元素，但C的形態(tài)與結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜(1)基體碳：i)CVD碳；ii)樹脂碳；iii)瀝青碳(2)增強(qiáng)體：高性能碳纖維及其織物(3)性能特點：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、低蠕變、高導(dǎo)熱、高抗熱震性、高耐溫、耐燒蝕等；同時，還具有高強(qiáng)、高模、抗疲勞、力學(xué)性能隨溫度升高而升高的特點；缺點：高溫下易氧化，材料多孔而疏松；

高溫結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料，近年發(fā)展很快。第二十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日碳纖維的結(jié)構(gòu)模型PolymerMatrixComposites，PMC第二十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日四、

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)

①

無規(guī)分散（彌散）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（含顆粒、晶須、短纖維）(randomlyoriented)②

連續(xù)長纖單向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（單向板）(aligned)③

層合(板)結(jié)構(gòu)(二維織布或連續(xù)纖維鋪層)(laminate)④

三維編織體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(braidedfabricorfilamentwinding)⑤

夾層結(jié)構(gòu)（蜂窩夾層等）(sandwichconstructure)⑥

混雜結(jié)構(gòu)(hybridconstructure)第二十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日引入相的“連通性”概念，理論上可將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)劃分為

0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等幾種典型結(jié)構(gòu)。第二十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日三維編織纖維結(jié)構(gòu)

三維正交非織造的纖維結(jié)構(gòu)

(a)非線性法平面增強(qiáng)(b)一種開式格狀結(jié)構(gòu)(c）一種柔性結(jié)構(gòu)

管、容器的螺旋纏繞平面纏繞線型第二十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日各種玻璃夾層結(jié)構(gòu)第二十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日單向及準(zhǔn)各向同性板的鋪層結(jié)構(gòu)第二十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日混雜復(fù)合材料的混雜類型

第二十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日一、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

1、常用增強(qiáng)纖維

主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、Kevlar有機(jī)物纖維等。

玻璃纖維繩玻璃纖維繩玻璃纖維紙納米碳管纖維碳纖維繩五、常見復(fù)合材料基體、增強(qiáng)體舉例第二十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）

CFRP在空間站大型結(jié)構(gòu)以及太陽能電池支架中的應(yīng)用第三十頁，共八十九頁，2022年，8月28日

（1）玻璃纖維按玻璃纖維中Na2O和K2O的含量不同，可將其分為無堿纖維（堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<2%）、中堿纖維（堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～12%）、高堿纖維（堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>12%）。隨著堿量的增加，玻璃纖維的強(qiáng)度、絕緣性、耐蝕性降低。特點：強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000～3000MPa；彈性模量比金屬低得多，為（3～5）×104MPa；密度小，為2.5～2.7g/cm3；化學(xué)穩(wěn)定性好；不吸水、不燃燒、尺寸穩(wěn)定、隔熱、吸聲、絕緣等。缺點：脆性較大、耐熱性低，250℃以上開始軟化。優(yōu)點：價格便宜、制作方便第三十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

在2500～3000℃高溫的氬氣中進(jìn)行石墨化處理，就可獲得含碳量為Wc98%以上的碳纖維，又稱石墨纖維或高模量碳纖維，也稱Ⅰ型碳纖維。特點：與玻璃纖維相比，碳纖維具有密度?。?.33～2.0g/㎝3），彈性模量高（2.8～4×105MPa）；高溫及低溫性能好，導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、摩擦因數(shù)小、自潤濕性好。缺點：脆性大、易氧化

（2）碳纖維碳纖維是人造纖維（粘膠纖維、聚丙烯腈纖維等），是在200～300℃空氣中加熱并施加一定張力進(jìn)行預(yù)氧化處理，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下于1000～1500℃的高溫中進(jìn)行碳化處理而制得。其碳含量Wc85%～95%。由于其具有高強(qiáng)度，因而稱高強(qiáng)度碳纖維，也稱Ⅱ型碳纖維。第三十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日

（3）硼纖維它是用化學(xué)沉積法將非晶態(tài)的硼涂覆到鎢絲上而制得的。具有高熔點（2300℃）、高強(qiáng)度（2450～2750MPa）、高彈性模量（3.8～4.9×105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蝕性。缺點：密度大、直徑較粗及生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、價格昂貴。

第三十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日

（5）Kevlar有機(jī)纖維（芳綸、聚芳酰胺纖維）特點：比強(qiáng)度、比模量高；其強(qiáng)度可達(dá)2800～3700MPa；密度小，只有1.45g/㎝3；耐熱性比玻璃纖維好。它還具有優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性。

（4）碳化硅纖維它是用碳纖維作底絲，通過氣相沉積法而制得。具有高熔點、高強(qiáng)度、高彈性模量。其突出特點是具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，在1100℃時其強(qiáng)度仍高達(dá)2100MPa。第三十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日

2、纖維―樹脂復(fù)合材料

（1）玻璃纖維―樹脂復(fù)合材料亦稱玻璃纖維增強(qiáng)塑料，也稱玻璃鋼。1）熱塑性玻璃鋼它是由20%～40%的玻璃纖維和60%～80%的熱塑性樹脂（如尼龍、ABS等）組成，具有高強(qiáng)度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低熱膨脹系數(shù)。

第三十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日

2)熱固性玻璃鋼它是由60%～70%玻璃纖維（或玻璃布）和30%～40%熱固性樹脂（環(huán)氧、聚酯樹脂等）組成。主要優(yōu)點：密度小、強(qiáng)度高，耐蝕性、絕緣性、絕熱性好；吸水性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。缺點：彈性模量低，熱穩(wěn)定性不高，只能在300℃以下工作。

第三十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日

（3）硼纖維―樹脂復(fù)合材料主要由硼纖維與環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成。具有高的比強(qiáng)度、比模量，良好的耐熱性。其缺點是各向異性明顯。

（2）碳纖維―樹脂復(fù)合材料最常用的是碳纖維與聚酯、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和比模量，還具有優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐蝕性及耐熱性。缺點是纖維與基體結(jié)合力低。第三十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日

（4）碳化硅纖維樹脂復(fù)合材料由碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料，具有高的比強(qiáng)度、比模量。

（5）Kevlar纖維樹脂復(fù)合材料由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹脂組成。主要性能特點是抗拉強(qiáng)度大于玻璃鋼，而與碳纖維―環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相似；延性好，與金屬相當(dāng)；其耐沖擊性超過碳纖維增強(qiáng)塑料；其疲勞抗力高于玻璃鋼和鋁合金；減振能力為鋼的8倍。第三十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日

3、纖維―金屬（或合金）復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)金屬復(fù)合材料是由高強(qiáng)度、高模量的脆性纖維（碳、硼、碳化硅纖維）與具有較高韌性及低屈服強(qiáng)度的金屬（鋁及其合金、鈦及其合金、銅及其合金、鎳合金、鎂合金、銀鉛等）組成，具有高的橫向力學(xué)性能、高的層間剪切強(qiáng)度；沖擊韌性好、高溫強(qiáng)度高、耐熱性、耐磨性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好；不吸濕、尺寸穩(wěn)定性好、不老化等優(yōu)點。

第三十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日

（1）纖維―鋁（或合金）復(fù)合材料1）硼纖維―鋁（或合金）基復(fù)合材料。硼和鋁在高溫易形成AlB2，與氧易形成B2O3，故在硼纖維表面要涂一層SiC以提高硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性。特點：具有高彈性模量，高抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。應(yīng)用：主要用于制造飛機(jī)和航天器的蒙皮、航空發(fā)動機(jī)葉片等。

第四十頁，共八十九頁，2022年，8月28日

2）石墨纖維―鋁（或合金）基復(fù)合材料。由Ⅰ型碳纖維與純鋁或形變鋁合金、鑄造鋁合金組成。特點：具有高比強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，在500℃時其比強(qiáng)度為鈦合金的1.5倍應(yīng)用：主要用于制造航天飛機(jī)的外殼、飛機(jī)蒙皮。

3）碳化硅纖維―鋁（或合金）復(fù)合材料它是由碳化硅纖維與純鋁（或鑄造鋁合金、鋁銅合金等）組成的復(fù)合材料。特點：具有高的比強(qiáng)度、比模量，硬度高。應(yīng)用：用于制造飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件及汽車發(fā)動機(jī)的活塞、連桿等。第四十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

（2）纖維―鈦合金復(fù)合材料由硼纖維或改性硼纖維、碳化硅纖維與鈦合金（Ti—6Al—4V）組成。它具有低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高耐熱性、低熱膨脹系數(shù)的特點。

（3）纖維―銅（或合金）復(fù)合材料由石墨纖維與銅（或銅鎳合金）組成的材料。為了增強(qiáng)石墨纖維和基體的結(jié)合強(qiáng)度，常在石墨纖維表面鍍銅或鍍鎳后再鍍銅。石墨纖維增強(qiáng)銅或銅鎳合金復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、低的摩擦因數(shù)和高的耐磨性，以及在一定溫度范圍內(nèi)的尺寸穩(wěn)定性。

第四十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日

4、纖維―陶瓷復(fù)合材料

用碳（或石墨）纖維與陶瓷組成的復(fù)合材料能大幅度提高陶瓷的沖擊韌性和抗熱振性，降低脆性，而陶瓷又能保護(hù)碳（或石墨）纖維在高溫下不被氧化。因而這類材料具有很高的強(qiáng)度和彈性模量。除上述三大類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料外，近年來研制了多種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，例C/C復(fù)合材料、混雜纖維復(fù)合材料等。

第四十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日C/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用C/C作為剎車盤第四十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日

二、疊層復(fù)合材料

疊層復(fù)合材料是由兩層或兩層以上不同材料結(jié)合而成。

1、雙層金屬復(fù)合材料

將性能不同的兩種金屬用膠合或熔合鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復(fù)合在一起，以滿足某種性能要求的材料。

第四十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日

2、塑料—金屬多層復(fù)合材料

典型代表是SF型三層復(fù)合材料（如鋼—銅—塑料）

，可制作在高應(yīng)力、高溫及低溫、無潤滑條件下的軸承

。

第四十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日

三、粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料

1、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（d>1μm，體積分?jǐn)?shù)φv>20%）

金屬陶瓷是常見的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。硬質(zhì)合金就是以TiC、WC（或TaC）等碳化物為基體，以金屬Ni、Co為粘合劑，將它們用粉末冶金方法經(jīng)燒結(jié)所形成的金屬陶瓷。

2、彌散強(qiáng)化復(fù)合材料（d=0.01～0.1μm,φv=1%～15%）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一大批新型復(fù)合材料將得到應(yīng)用。例如，C/C復(fù)合材料、金屬化合物復(fù)合材料、納米復(fù)合材料、功能梯度復(fù)合材料、智能復(fù)合材料及體現(xiàn)復(fù)合材料“精髓”的“混雜”復(fù)合材料將得到發(fā)展及應(yīng)用。21世紀(jì)將是復(fù)合材料大力發(fā)展的時代。第四十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日各種材料的發(fā)展?fàn)顩r 玻璃鋼和樹脂基復(fù)合材料

非常成熟廣泛的應(yīng)用

金屬基復(fù)合材料

開發(fā)階段某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位

陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等

尚處于研究階段

有不少科學(xué)技術(shù)問題有待解決第四十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日9.2復(fù)合材料的界面理論和界面控制

復(fù)合材料界面的粘結(jié)方式

機(jī)械結(jié)合靜電作用界面擴(kuò)散界面反應(yīng)第四十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日9.3復(fù)合理論與復(fù)合材料設(shè)計Pc：復(fù)合材料的某性能，如強(qiáng)度、彈性模量、熱導(dǎo)率等；Pi：各組分材料的對應(yīng)復(fù)合材料的某性能；V：組成復(fù)合材料各組分的體積百分比；i：表示組成復(fù)合材料的組分?jǐn)?shù)。第五十頁，共八十九頁，2022年，8月28日纖維搭橋纖維拔出纖維脫粘第五十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日復(fù)合材料的設(shè)計－－從常規(guī)設(shè)計向仿生設(shè)計發(fā)展仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點，成功地制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復(fù)合材料。仿照鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復(fù)合材料比其原材料堅固40％。仿照骨骼的組織特點，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直升飛機(jī)的旋翼，外層是剛度、強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料，中層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。第五十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日9.4金屬復(fù)合材料制備與加工硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于航天飛機(jī)主艙體支柱第五十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日常用的金屬基復(fù)合材料制備工藝第五十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日(1)固態(tài)法固態(tài)法是指基體處于固態(tài)下制造金屬基復(fù)合材料的方法。(2)液態(tài)法液態(tài)法是指基體處于熔融狀態(tài)下制造金屬基復(fù)合材料的方法。(3)其他制造方法主要包括原位自生成法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)鍍和電鍍法、復(fù)合鍍法等。

第五十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日一、固態(tài)法1、擴(kuò)散黏結(jié)法(DiffusionBonding)擴(kuò)散黏結(jié)是一種在較長時間、較高溫度和壓力下，通過固態(tài)焊接工藝，使同類或不同類金屬在高溫下互擴(kuò)散而黏結(jié)在一起的工藝方法。

第五十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日第五十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日

2、形變法(PlasticForming)形變法就是利用金屬具有塑性成型的工藝特點，通過熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使已復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)一步加工成板材。

第五十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日3、粉末冶金法(PowderMetallurgyMethod)

粉末冶金法是一種用于制備與成形顆粒增強(qiáng)(非連續(xù)增強(qiáng)型)金屬基復(fù)合材料的傳統(tǒng)固態(tài)工藝法。

第五十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日第六十頁，共八十九頁，2022年，8月28日二、液態(tài)法

1、液態(tài)金屬浸潤法液態(tài)金屬浸潤法的實質(zhì)是使基體金屬呈熔融狀態(tài)時與增強(qiáng)材料浸潤結(jié)合，然后凝固成型。（1）擠壓鑄造法(SqueezeCasting)

擠壓鑄造是通過壓機(jī)將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料預(yù)制件中制造復(fù)合材料的方法。

第六十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

(2)真空壓力浸漬法(VacuumPressureInfiltration)

真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體的共同作用下，使熔融金屬浸滲入預(yù)制件中制造金屬基復(fù)合材料的方法。

第六十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日第六十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日(3)液態(tài)金屬攪拌鑄造法(Stir-CastingMethodofLiquidMetal)

液態(tài)金屬攪拌鑄造法是將增強(qiáng)相顆粒直接加入金屬熔體中，通過攪拌使顆粒均勻分散，然后澆鑄成型制成復(fù)合材料制品的方法。第六十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日

2、井噴沉積法(SprayCo-Deposition)

井噴沉積法是運(yùn)用特殊的噴嘴，將液態(tài)金屬基體通過惰性氣體氣流的作用后霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬流，將增強(qiáng)相顆粒加入到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起并沉積在襯底上，凝固形成金屬基復(fù)合材料的方法。

第六十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日井噴沉積法生產(chǎn)陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

第六十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日三、其他方法

通過運(yùn)用化學(xué)、物理等基本原理而發(fā)展的一些金屬基復(fù)合材料制造方法，如原位自生成法、物理氣相沉積法和化學(xué)氣相沉積法等。第六十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日9.5陶瓷基復(fù)合材料制備與加工第六十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日一、模壓成型(Dry-Pressing)

模壓成型又稱干壓成型,是將粉料裝入鋼模內(nèi)，通過沖頭對粉末單向或雙向壓力，壓制成具有一定形狀和尺寸壓坯的成型方法。二、等靜壓成型(IsostaticForming)

等靜壓成型是利用液體或橡膠等在各個方向傳遞壓力相等的原理對坯體進(jìn)行壓制的。三、注漿成型(SlipCasting)

注漿成型首先將陶瓷顆粒懸浮于液體中，然后注入多孔質(zhì)模具，由模具的氣孔把料漿中的液體吸出，而在模具內(nèi)留下坯體，經(jīng)脫模、干燥后獲得具有一定形狀和強(qiáng)度的坯體。

第六十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日四、熱壓成型(HotInjectionMolding)熱壓成型時，先將粉料與蠟或有機(jī)高分子粘結(jié)劑混合、加熱，利用蠟類材料熱熔冷固的特點，把粉料與熔化的蠟料等粘合劑迅速攪合成具有流動性的料漿，然后將混合料加壓注入模具，冷卻凝固后成型，即可得致密的、較硬實的坯體。五、注射成型(InjectionMolding)注射成型是從塑料的注射成型工藝借鑒來的，它將粉料與熱塑性樹脂等有機(jī)物混合后，加熱混煉，制成粒狀粉料，用注射成型機(jī)在一定的壓力和溫度下注射入金屬模具中，迅速冷卻后，脫模取出坯體，經(jīng)脫脂后就可按常規(guī)工藝燒結(jié)。

第七十頁，共八十九頁，2022年，8月28日六、直接氧化法（Lanxide法）將熔融金屬直接與氧化劑發(fā)生氧化反應(yīng)制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，稱為直接氧化法，商業(yè)上稱為Lanxide工藝。七、化學(xué)氣相滲透工藝(ChemicalVaporInfil-tration，CVI)將化學(xué)氣相沉積技術(shù)運(yùn)用在將大量陶瓷材料滲透進(jìn)增強(qiáng)材料預(yù)制坯件的方法稱為化學(xué)氣相滲透工藝。第七十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日第七十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日9.6纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料玻璃鋼天線反射面玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢第七十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日玻璃鋼應(yīng)用于體育用品第七十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日一、手糊成型工藝(handlaying-up)

所謂手糊成型工藝，是指用手工或在機(jī)械輔助下將增強(qiáng)材料和熱固性樹脂鋪覆在模具上，樹脂固化形成復(fù)合材料的一種成型方法。第七十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日第七十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日二、噴射成型工藝(SprayMoulding)

噴射成型工藝是利用噴槍將短纖維及樹脂同時噴到模具上，壓實固化成制件的工藝方法。第七十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日第七十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日三、袋壓成形工藝(BagMoulding)

袋壓成型工藝是在手糊成型的制品上，裝上橡膠袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，將氣體壓力施加到未固化的玻璃鋼制品表面而使制品成型的工藝方法。四、層壓成型工藝(LaminationProcess)

層壓成型工藝，是把一定層數(shù)的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機(jī)，在一定的溫度和壓力下壓制成板材的工藝。第七十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日五、模壓成型工藝(PressureMolding)

模壓成型工藝是指將模壓料置于金屬對模中，在一定的溫度下，加壓固化為復(fù)合材料