金属基复合材料-第一章
金属基复合材料
Metal－Matrix
发展方向
1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。
• 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材 料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的 SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。
2、高温金属基复合材料的研究
Metal－Matrix
缺点
1、金属基复合材料在基体屈服以前的一个较小范围内，应力应变关系才 是线性的。除非采用很硬的基体，否则在拐点以上，金属基复合材料的 有效弹性模量就不再明显大于树脂基复合材料。 一般来说，树脂基复合材料在纤维方向具有很好的线性弹性，具有很高 的比强度和比刚度。这是金属基复合材料所不及的。 2、剪切强度和层间拉伸强度较低 与金属基体材料相比，金属基复合材料的面内剪切强度、层间剪切强度、 横向拉仲强度和层间拉仲强度都比较低。与纤维方向金属基复合材料的 拉、压强度比就更低。但与树脂基复合材料的这些性能比，又强得多。 提高界面的结合强度，可提高这些性能，但冲击强度下降。 3、在抵抗某些环境腐蚀方面，金属基复合材料不如树脂基复合材料。 4、在金属基复合材料制造过程中，涉及到高温、增强材料的表面处理、 复合成型等复杂工艺。因此，金属基复合材料很难制造、成本很高。 5、金属基复合材料密度较大。 6、由于金属基复合材料的研究起步较晚，再加上实际应用范围和制造成 本等因素的影响，目前金属基复合材料的技术水平落后于聚合物基复合 材料和陶瓷基复合材料。
应用
3、电子材料工业 • 电子材料工业，特别是近年来蓬勃发展的微电子工业，对材料有较高的使用
要求。SiC颗粒增强铝基复合材料，可通过调节SiC颗粒的含量使其热膨胀系 数于与基材匹配，并且具有导热性好、尺寸稳定性优良、低密度、适合钎焊 等性能。用它代替钢/钼基座，可以改善微电子器件的性能。 • 硼/铝复合材料用作多层半导体芯片的支座，是一种很好的散热冷却材料，由 于这种材料导热性好、热膨胀系数与半导体芯片非常接近，故能大大减少接 头处的热疲劳。 • 石墨纤维增强铜基复合材料的强度和模量比铜高，又保持了铜的优异的导电 和导热性能。通过调节复合材料中石墨纤维的含量及排布方向，可使其热膨 胀系数非常接近任何一种半导体材料，因此被用来制造大规模集成电路的底 板和半导体装置的支持电板，防止了底板的翘曲和半导体基片上裂纹的产生， 提高器件稳定性。 • 在大型蓄电池中的铅电极自重大、刚性差，容易翘曲引起短路，影响电解过 程的正常进行。用碳纤维增强铅的复合材料，既保持原来优良的电化学性能， 又使强度和模量提高，不易翘曲，同时减小蓄电池的体积。
金属基复合材料基体材料
金属基复合材料基体材料姓名：xx班级：xx学号：xx学院：xx金属基复合材料基体材料金属基复合材料是上世纪60年代发展起来的一门相对较新的材料科学，是复合材料的一个分支。
随着航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，这些都有力地促进了先进复合材料的迅速发展。
电子、汽车等民用工业的迅速发展又为金属基复合材料的应用提供了广泛的前景。
特别是近年来，由于复合材料成本的降低，制备工艺逐步完善，在21世纪金属基复合材料将会得到大规模的生产和应用。
本文主要介绍金属基复合材料的基体材料。
一、金属机体的作用：固结增强体，与增强体一道构成复合材料整体，保护纤维使之不受环境侵蚀；传递和承受载荷，在颗粒增强金属基复合材料中基体是主要承载相，在纤维增强金属基复合材料中，基体对力学性能的贡献也远大于在聚合物基体和陶瓷基体在复合材料中的贡献；赋予复合材料一定形状，保证复合材料具有一定的可加工性;复合材料的强度、刚度、耐高温、耐介质、导电、导热等性能均与基体的相应性质密切相关。
二、金属基体占得比重：基体在复合材料中占有很大的体积百分数。
在连续纤维增强金属基复合材料中基体约占50%一70％的体积，一般占60%左右最佳。
颗粒增强金属基复合材料中根据不同的性能要求，基体含量可在90%一25％范围内变化，多数额粒增强金属基复合材料的基体约占80%一90％。
而晶须、短纤维增强金属基复合材料基体含量在70％以上，一般在80一90％。
三、金属基体的优势：金属是最古老、最通用的工程材料之一，它们有许多成熟的成型、加工、连接方法可供金属基复合材料借鉴。
在使用寿命、性能测试等方面有丰富的技术资料；对金属基体自身的性能积累有丰富的数据，对它们在使用中的优缺点拥有丰富的经验。
弹性模量和耐热性高；强度高，还可以通过各种工程途径来进行强化；塑性、韧性好，是强而韧（strong and tough)的材料; 电、磁、光、热、弹等性能好，有应用于多功能复合材料的发展潜力。
金属基复合材料
现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
现代材料方面不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。
金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。
1.金属基复合材料的分类金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。
前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等)；后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。
根据用途分类：（1）结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。
用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。
（2）功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。
强调具有电、热、磁等功能特性。
（3）智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。
按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。
2.金属基复合材料的性能特点与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。
金属基复合材料
压铸成型法的具体工艺
将包含有增强材料的金属 熔体倒入预热摸具中后，迅 速加压，压力约为70-100MPa， 使液态金属基复合材料在压 力下凝固。 复合材料完全固化后顶出， 制得所需形状及尺寸的复合 材料的坯料或压铸件。
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压铸成型法的特点
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要 有四个：①熔融金属的温度、 ②模具预热温度、 ③使用的 最大压力、 ④加压速度。 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料， 一般压力不低于50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜， 一般为1-3cm/s。 对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800℃，预 制件和模具预热温度一般可控制在500-800℃，并可相互补 偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。 采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、 无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。 与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简 单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。 32
20
粉末冶金法的优点
① 热等静压或烧结温度低于金属熔点，由于高温引起的增 强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材 料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、 压力和时间等工艺参数来控制界面反应。 ② 可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与 基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒 含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。 ③ 降低增强材料与基体互相湿润及密度差的要求，使颗粒 或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。 ④ 采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般 不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到 明显改善，提高复合材料的性能。 ⑤ 金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加 21 工，得到所需形状的复合材料构件毛坯。
金属基复合材料
金属基复合材料的制备
（一）粉末冶金复合法 粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合 材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。 粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选 择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。 缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料 等。
（二）铸造凝固成型法 铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射 沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。
1、原生铸造复合法 原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术Liquid Contact Reaction：LCR）是将生产强化颗粒的原料 加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良 好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化 合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。该方法可用于制备A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料，强化相可以是硼化 物、碳化物、氮化物等。 2、搅拌铸造法 搅拌铸造法也称掺和铸造法等，是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工 坯料，此法易于实现能大批量生成，成本较低。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗 粒的组合受限制。原因有两方面：①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的 合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差，另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。 3、半固态复合铸造法 半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达 0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网 络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达 0.5%～0.6%仍具有一 定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热 到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强 烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液 中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。 4、含浸凝固法（MI技术） 含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体 金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。有加压含浸和非加压含浸两种方法。含浸法适合于强化相与熔融基体金 属之间润湿性很差的复合材料的制备。强化相含量可高达30%～80%；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。 但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大 尺寸复合材料的制备较困难。
金属基复合材料
金属基复合材料颗粒增强前言金属基复合材料(MMC)是多功能复合材料的一种。
它是一类以金属或合金为基体,以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物,其共同点是具有连续的金属基体[1]。
金属基复合材料集高比模量、高比强度、良好的导热导电性、可控的热膨胀系数以及良好的高温性能于一体,成为当代发展迅速的重要先进材料之一.目MMCs按基体不同可分为黑色金属基(如钢、铁)和有色金属基(如铝、镁、钛、镍等)两大类.按照增强相的形态不同又可分为分散强化型、颗粒增强型和纤维增强型三大类.分散强化型MMCs强化相的平均尺寸小于0.1μm,强化相的容积比Vf只有千分之几,通过强化相阻止基体中位错运动而强化基体.颗粒增强型MMCs颗粒平均尺寸在1μm以上,Vf最大可达90%,靠颗粒自身强度强化,基体作用是把颗粒组合在一起.纤维增强型MMCs是利用纤维(或金属细线)的极高强度来增强金属,纤维可以是长纤维,也可以是短纤维或者是晶须,纤维直径从3μm到150μm(晶须直径小于1μm),长度与直径比在100以上.目前,MMCs中的增强相已有多种,重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须;颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等;丝状的有钨、铍、硼、钢等.[2]前在MMCs中仍以SiC和Al2O3颗粒增强铝为主,其次为短纤维增强和连续纤维增强的MMCs。
颗粒增强型MMCs以其高耐磨、高强度、低成本等优点受到广泛关注。
目前已具备批量生产条件,具有良好的发展及应用前景[3]。
1 金属基复合材料的沿革与发展现代金属基复合材料是从20 世纪60 年代初发展起来的。
60 年代初分别以美苏为首的两大阵营在宇宙空间开展的竞争推动了航空航天技术的发展，促进了定向凝固复合材料、难熔金属丝增强高温合金材料的研究与开发。
由于硼纤维的研制成功，并应用于环氧树脂基复合材料，因此出现了硼纤维增强铝基复合材料，并得到成功的应用。
金属基复合材料
飞行器和卫星构件宜选密度小的轻金属合金－镁、铝合金为 基体，与高强、高模石墨纤维、硼纤维组成石墨/镁、石墨/铝、硼 /铝等复合材料； ② 高性能发动机要求：高比强、比模量，优良的耐高温性能在 高温氧化性气氛中工作。
而选用钛合金、镍基合金及金属间化合物，如碳化硅 / 钛、镥、 钨丝/镍基起合金复合材料，可用于喷气发动机叶片、转轴等重要 零件。
基本原理是： 液态金屑基体通过特殊的喷嘴，在隋性气体气流的作用下雾化成细小的液态金属沉，
喷向衬底．将颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上，
凝固形成金属基复合材料。
共喷沉积法的特点：
①适用面广。可用于铝、铜、镍、钻等有色金同基体，也可用于铁、 金属间化合物基体，可加入SiC、Al2O3、、石墨等多种颗粒产品可以 是圆棒、圆锭、板带、管材等。 ②生产工艺简单、效率高。与粉末冶金法相比，不必先制成金属粉末， 然后再与颗粒混合、压型、烧结等工序，而是快速一次复合成坯料， 雾化速率可达25-100Kg／min，沉淀凝固迅速。 ③冷却速度大。所得复合材料基体金属的组织与快速凝固相近，晶粒 细、无宏观偏析、组织均匀。 ④颗粒分布均匀。在严格控制工艺参数的条件下颗粒在基体中的分布 均匀。 ⑤复合材料中的气孔卒较大。气孔率在2%-5%之间，但经挤压处理后可 消除气孔．获得致密材科。
液态法
液态法是制备金属基复合材料的主要方法：
真空压力浸渍法； 共喷沉积；
挤压铸造；
真空吸铸； 搅拌铸造等方法
共喷沉积法
共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效 方法，1960年由Siager发明，随后由Ospray金属有限公 司发展成工业生产规模的制造技术，可用来制造铝、铜、 镍、铁、金属间化合物基复合材料。
金属基复合材料
⾦属基复合材料以⾦属或合⾦为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。
按所⽤的基体⾦属的不同，使⽤温度范围为350～120℃。
其特点在⼒学⽅⾯为横向及剪切强度较⾼，韧性及疲劳等综合⼒学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数⼩、阻尼性好、不吸湿、不⽼化和⽆污染等优点。
例如碳纤维增强铝复合材料其⽐强度3～4×107mm，⽐模量为6～8×109mm，⼜如⽯墨纤维增强镁不仅⽐模量可达1.5×1010mm，⽽且其热膨胀系数⼏乎接近零。
⾦属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按⾦属或合⾦基体的不同，⾦属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、⾼温合⾦基、⾦属间化合物基以及难熔⾦属基复合材料等。
由于这类复合材料加⼯温度⾼、⼯艺复杂、界⾯反应控制困难、成本相对⾼，应⽤的成熟程度远不如树脂基复合材料，应⽤范围较⼩。
树脂基复合材料通常只能在350℃以下的不同温度范围内使⽤。
近些年来正在迅速开发研究适⽤于350℃～1200℃使⽤的各种⾦属基复合材料。
⾦属基复合材料是以⾦属或合⾦为基体与各种增强材料复合⽽制得的复合材料。
增强材料可为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝及碳纤维。
⾦属基体除⾦属铝、镁外，还发展有⾊⾦属钛、铜、锌、铅、铍超合⾦和⾦属间化合物，及⿊⾊⾦属作为⾦属基体。
⾦属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有⾼强度、⾼模量外，它能耐⾼温，同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。
是令⼈注⽬的航空航天⽤⾼温材料，可⽤作飞机涡轮发动机和⽕箭发动机热区和超⾳速飞机的表⾯材料。
⽬前不断发展和完善的⾦属基复合材料以碳化硅颗粒铝合⾦发展最快。
这种⾦属基复合材料的⽐重只有钢的1/3，为钛合⾦的2/3，与铝合⾦相近。
它的强度⽐中碳钢好，与钛合⾦相近⽽⼜⽐铝合⾦略⾼。
其耐磨性也⽐钛合⾦、铝合⾦好。
⽬前已⼩批量应⽤于汽车⼯业和机械⼯业。
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Titanium
汽车工业
外饰件
外饰件
更具体的定义：用经过选择的、含一定数量 比的两种或两种以上的组分（或组元），通过 人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有 明显界面的、具有特殊性能的材料。
这些新材料常常保留了原有单一组分 的优点，同时克服或弥补了它的缺点，并 显示出一些新的特性，一般具有刚度大、 强度高、重量轻的优点。
相补效应和相抵效应
现代复合材料的发展
80年代： 陶瓷基复合材料——纤维补强提高韧性； 混凝土基复合材料——碳纤维增强水泥，不仅提高
强度，而且可改善水泥的导电性，由此开发出具有压
力敏感或温度敏感的本征智能材料，适用于混凝土大 坝等工程的无损自诊断检测。 碳/碳复合材料——低密度、高的导热性、低的热膨 胀系数、高温下高强度和模量，可用于2800℃——唯
结构设计（三次结构）：确定产品的结构、形状和尺寸— 决
定构件性能
复合材料力学：在单层板和层合板 复合材料结构设计基础 这两个层次上展开。
微观力学——单层板 宏观力学——层合板
复合材料结构力学：工程结构分析。以纤维增强复合材料层
压结构为研究对象，
题以及耐久性、
内容包括层合板
和层合板结构的弯曲、屈曲与振动等问 损伤容限、安全系数 和气动弹性剪载等。
按材料 作用分类
结构复合材料
特点：具有良好的力学性能， 用于建造和构造结构的材料
功能复合材料
特点：以功能性为主导，如电学、 磁学、光学、热学、放射等性能
1.3 复合材料的基本性能
复合材料共同的性能特点：
1.比强度和比模量高 复合材料的最大优点是比强度和比模量高。比 强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比， 即
我国在封建时代故宫的 建造中所使用了粘合剂
茅草和泥土的复合 －建造房子
现代复合材料的发展
复合材料作为一门学科，作为一种新兴的 材料工业，直到本世纪末40年代才出现。 1942年： 美国诞生了玻璃纤维增强塑料 （树脂基）——玻璃钢，用以制造飞机雷 达罩、渔船等，从此复合材料作为一种新 型材料得到大力发展。--第一代现代复合材 料。
同时碳纤维还可降低塑料的摩擦系数，而 石棉纤维复合材料，则可提高摩擦系数，制 成摩阻材料（如汽车离合器摩擦片）。
4.耐热性高
耐热性是指材料在一定温度上限内长期使用， 而其力学性能保持不低于80%的一种性能指标。
聚合物基复合材料最高耐温上限为350℃（一 般高聚物使用温度100～200℃）。 金属基复合料使用温度：350～1100℃，视 基体而变。
4.耐热性高
SiC 纤 维 、 Al2O3 纤 维 / 陶 瓷 使 用 温 度 ： 1200～1400℃（用于柴油发动机，可取消散热 器水冷系统，减量约100公斤）
碳基复合材料使用温度：（耐热性最高）在非 氧化气氛中可在2400～2800℃长期使用。
5.高韧性和高抗热冲击性、导电性和导热 性。 6.其它特殊性能
现代复合材料的发展
60年代未： 树脂基高性能复合材料已用于制
造军用飞机承力结构。
硼纤维、碳纤维和芳纶纤维增强塑料基复合
材料的最高使用温度可达150℃以上，且具有
高比刚度和比强度。--第二代现代复合材料。
现代复合材料 的发展
70年代：金属基复合材料广泛用于航天航空等尖 端领域。 氧化铝纤维（晶须）、碳化硅纤维（晶须） 增强复合材料—向耐热、高性能和多功能方向发 展，--第三代现代复合材料。
复合材料的发展
2004年全世界复合材料产量为550万 吨，中国位居世界第二，为102万吨。 专家预测，2010年中国复合材料产量 将翻两番，达到400多万吨，从业人员 将达到40多万，需要大量高层次人才。
早期复合材料
公元前5000年，中东 人用沥青和芦苇复合 在一起用来造船
公元前3000年前， 印度人用虫胶树脂 制作复合板
金属基复合材料
Metal Matrix Composite
主讲 周潘兵
南昌大学材料科学与工程学院
内容提要
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
总论 基体材料 增强纤维 复合材料的界面 聚合物基复合材料 金属基复合材料
课程安排
讲课为主、自学为辅，笔记为主、教材为辅 课堂讲授32课时，课堂讨论约2课时 课程考核：考勤占20%，期末考试占80％
1.2
复合材料的命名和分类
命名： 将增强材料的名称放在前面，基体材料的
名称放在后面，再加上“复合材料”。为简便书 写，一般仅写增强材料和基体材料的缩写名称， 中是加一斜线隔开，后面再加“复合材料。”
例如：硼纤维/铝复合材料， SiC纤维/钛复合材料 (Bf/Al复合材料) （SiCf/Ti复合材料） SiC晶须/铝复合材料 硼纤维/环氧复合材料 (SiCw/Al复合材料)
按基体材料分类（本课本以此分类）
热固性树脂 （1）聚合物基复合材料 热塑性树脂 Polymer matrix composite(PMC) 橡胶 （2）金属基复合材料：如Al基、Ti基、Mg基等。
Metal matrix composite(MMC)
（3）无机非金属基复合材料
陶瓷基复合材料 石墨基复合材料 混凝土基复合材料
2.化学稳定性优良
即使含有钼的不锈钢在这种介质中，也会
钢材不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，
很快被腐蚀。但纤维增强塑料可在含Cl离
子的酸性介质中长期使用。
3.减摩、耐磨、自润滑性好
在热塑性塑料中掺入少量短切碳纤维可 大大提高它的耐磨性，如：
聚氯乙烯 聚四氟乙稀 聚丙烯 聚酰胺 聚 酯 + + + + + 短切碳纤维 短切碳纤维 短切碳纤维 短切碳纤维 短切碳纤维 耐磨性提高3.8倍 耐磨性提高 3 倍 耐磨性提高2.5倍 耐磨性提高1.2倍 耐磨性提高2 倍
单位为MPa/(g/cm3)
弹性模量 比模量 单位为GPa· 3/（g/cm3） 10 材料密度
比强度和比模量越大， 这种结构材料制成同样强度构件的质量越小， 这对航空航天工业有着特别重要的意义。 如宇宙飞船的质量减轻1kg， 就可以使推送它的火箭减轻500kg的质量。
材料力学性能比较
材 料
先进复合材料的性能可用“三高一低”来 概括，即 高强度、高模量、耐高温和低密
度。
1.4 复合材料结构设计基础
复合材料结构分：一次结构、二次结构和三次结构三个层次。
单层材料设计（一次结构）：选择增强材料、基体材料
复合材料 结构设计 的内容分 三个层次
及其配比——单层性能（材料设计成分多）
铺层设计（二次结构）：铺层方案——决定层合板性能
1.5
复合材料的应用
建筑工业上的应用 交通运输业 船舶和近海工程 防腐工程 电子/电气工业 航天航空和国防工业
航空工业
先进复合材料- Boeing 787
Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) CFRP sandwich
Aluminum Fiberglass
A
B
复合材料应具有以下五个特点：
①复合材料的组分和他们的相对含量是人工选择和设计 的；——具有可设计性。 ②复合材料是经人工制造而非天然的—区别于具有复合材 料特征的天然材料。
③组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物 理和化学性能；——区别于化合物和合金。
④复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料 具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材 料性能所不及或不同的；
复合材料的分类方法：
短纤维 复合材料
连续纤维 复合材料
粒状填充 复合材料
按增强材料 的形态分类
缠绕 复合材料 编织 复合材料 片状填充 复合材料
依据增强纤维的种类，则可分 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 有机纤维复合材料 金属纤维复合材料 陶瓷纤维复合材料 ……
混杂复合材料：用两种或两种以上纤维增强同 一基体制成的复合材料成为混杂复合材料。
钢 铝 钛 玻璃钢 CfII/Epoxy CfI /Epoxy Kevlar/Epoxy 硼纤维/Epoxy 硼纤维/铝
密度/ 抗拉强度 弹性模量 比强度 比模量 3 g/cm /GPa /GPa 7.8 1.01 206 0.13 26 2.8 0.46 74 0.17 26 4.5 0.94 112 0.21 25 2.0 1.04 39 0.52 20 1.45 1.47 137 1.02 95 1.6 1.05 235 0.66 147 1.4 1.37 78 0.98 56 2.1 1.34 206 0.64 98 2.65 0.98 196 0.37 74
一的。
现代复合材料的发展
90年代： 纳米复合材料：只要其中某一组成相至少有一维的尺 寸处在纳米范围（1～100 nm）内，即可将其视为纳米 复合材料。 机敏复合材料：能验知环境变化，并通过改变自身一 个或多个性能参数对环境变化及时做出响应，使之与变化 后的环境相适应。机敏材料具有自诊断、自适应或自愈合 功能。 智能复合材料：是机敏复合材料的高级形式，即在机 敏复合材料自诊断、自适应和自愈合的基础上，增加了自 决策、自修补的功能。 可以预测，21世纪我们面临的将是复合材料迅猛发 展和更广泛应用的时代。
参教资料：
郝元恺等
高性能复合材料学，化学工业出版社 陈华辉等 现代复合材料 中国物资出版社 于化顺 金属基复合材料及其制备技术 化学工业出版 社 杂志： 《复合材料学报》、《纤维复合材料》等
第一章 总 论
1.1 复合材料的发展概况
什么是复合材料？
关于复合材料的定义人们说法不同。有人说“复 合材料是由两种或者两种以上单一材料构成的具 有一些新性能的材料”，这种解释虽容易被人理 解，但从科学的角度来看，尚不完善，也不够确 切。 最具有说服力的定义是 ISO（International Organization for Standandization），即“复 合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不 同的物质组合而成的一种多相固体材料。”