复合材料导论第二次作业PPT
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《复合材料》PPT课件(2024)
优异的抗疲劳性能
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
复合材料能够抵抗循环载荷作用下的疲劳破坏，具有较长的疲劳寿命， 适用于承受交变应力的结构件。
2024/1/26
03
良好的减震性能
Hale Waihona Puke 复合材料具有较好的阻尼性能，能够吸收和分散振动能量，降低结构的
振动和噪音水平。
16
物理性能
耐高低温性能
复合材料能够在极端温度环境下保持稳定的性能，适用于高温或低 温工作条件。
2024/1/26
25
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建 筑结构部件，如梁、板 、柱和墙体等，具有轻 质、高强度和耐腐蚀等 优点。
2024/1/26
建筑材料
复合材料还可作为建筑 材料使用，如复合地板 、复合门窗和复合墙板 等，具有美观、环保和 耐用等特点。
装饰装修
复合材料也可用于建筑 装饰装修领域，如吊顶 、隔断和家具等，具有 多样化的外观和优良的 性能。
X射线衍射（XRD）
分析复合材料的晶体结构和相组成，确定增 强体和基体的晶体类型。
2024/1/26
透射电子显微镜（TEM）
揭示复合材料内部微观结构，如增强体的分 布、取向和缺陷等。
原子力显微镜（AFM）
研究复合材料表面纳米级形貌和力学性质。
20
宏观性能测试方法
拉伸试验
测定复合材料的拉伸强度、弹性模量 和断裂伸长率等力学性能指标。
性能变化。
疲劳试验
2024/1/26
研究复合材料在交变应力作用下的疲 劳性能，预测其疲劳寿命和疲劳强度
。
耐化学腐蚀试验
测试复合材料在不同化学介质中的耐 腐蚀性能，评估其耐酸、耐碱、耐盐 雾等能力。
加速老化试验
[高中教育]复合材料绪论2ppt王
![[高中教育]复合材料绪论2ppt王](https://img.taocdn.com/s3/m/41803ced9ec3d5bbfd0a74b4.png)
复合材料性能不足之处
1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。 2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。 3、制造的产品性能不稳定，分散性大，质检困难。 4、老化性能不好。 5、机械连接困难。 6、成本太高。
复习知识点
复合材料的基本结构模式
复合材料由基体和增强剂两个组分构成。复合材 料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一 相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相， 这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改 善和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。增 强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。增强剂（相）可以是纤维状、 颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在 着明显界面。
定义要点
一、多相材料。通常包括基体相和增强相。基体相可 以是一个或几个，把改善性能的增强相材料固结成 一体，起着粘结和传递应力的作用，又称为连续相。 增强相也可以是一个或几个，起着承受应力和显示 功能的作用，又称为分散相。 二、固体材料。若复合产物为液体或气体混合物，就 不是复合材料。 三、人工合成。自然界天然的复合材料不在材料科学 研究之列。
26 26 25 20 95 74
1010 461 942 1040 1472 981
一、比强度和比模量高。 比强度=强度/密度；比模量=弹性模量/密度 比强度高，制作的零件自重小；比模量高，零件刚性好。 C（f）/EP的比强度是钢的8倍，比模量是钢的3.5倍。 二、抗疲劳性能好。 金属材料的疲劳极限为其拉伸强度的40~50%，疲劳破坏往 往是突发性的，事先没有征兆；碳纤维树脂复合材料的疲劳 极限为其拉伸强度的70~80%，疲劳破坏总是从纤维的薄弱环 节开始，破坏前有明显的预兆。 原因：1）缺陷少的纤维抗疲劳能力强； 2）基体塑性好，使疲劳裂纹难以萌生为裂纹； 3）增强纤维与基体间的界面能有效地减缓疲劳裂纹的扩展。
《复合材料概论》课件
航天器结构材料
在卫星、火箭和空间站等航天器中， 复合材料用于制造结构件，如太阳能 电池板、卫星天线和推进器等。
汽车工业领域
汽车车身
复合材料可以减轻车身重量，提高燃油经济性和 降低排放，广泛应用于汽车车身制造。
汽车零部件
复合材料也可用于制造汽车零部件，如发动机罩 、车门和座椅骨架等。
汽车功能材料
复合材料在汽车功能件中也有广泛应用，如电池 外壳、传感器和油箱等。
THANKS
感谢观看
冷却凝固。
金属基复合材料的制备方法 主要包括
02
01
03
粉末冶金法：将增强材料与 金属粉末混合，然后进行热
压或烧结。
喷射沉积法：将增强材料与 金属熔体一起喷射并沉积在
冷却表面上。
04
05
这些方法的选择取决于所需 的复合材料的性能和用途。
陶瓷基复合材料的制备
陶瓷基复合材料的制备方法 主要包括
04
晶须增强法：将陶瓷晶须与 陶瓷基体混合，然后进行烧 结或热压。
体育器材领域
高性能运动器材
复合材料具有高强度、轻质和抗 冲击等特点，广泛应用于制造高 性能运动器材，如网球拍、滑雪 板和自行车等。
休闲运动器材
在休闲运动器材中，复合材料也 用于制造轻便、舒适和耐用的运 动装备，如泳镜、潜水服和滑水 板等。
建筑领域
建筑材料
复合材料可以用于制造轻质、高强度 的建筑材料，如复合板、玻璃纤维增 强水泥和碳纤维增强混凝土等。
良好的热性能和化学稳定性
复合材料在高温和恶劣环境下仍能保持较好 的性能。
抗腐蚀性
某些复合材料具有较好的耐腐蚀性能，能够 延长使用寿命。
易于加工和制造
复合材料的加工和制造相对简单，能够快速 成型，降低生产成本。
复合材料PPT教学课件
原有材料的特点，又使各组分间 协同作用，形成了优于原材料的 特性。
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
4 复合材料的分类：
（1）按基体分类
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
（2）按增强体 的形状分类
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
二 形形色色的复合材料
1 生产､生活中常用的复合材料
常见的复合材料有玻璃钢和 碳纤维增强复合材料。
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树 脂做基体的复合材料。
优点：玻璃钢的强度可达到甚至超过合金的强度，
而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着 较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能， 而且又不像普通玻璃那样硬脆。
玻璃钢制品
交流·研讨
你经常打羽毛球吗？现在羽毛球使用的大 多是碳素球拍，但几年前用的多是铝合金 球拍，人们还曾使用过木制球拍。
3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基， 则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效 胰岛素已通过临床实验。
4．治癌酶的改造
请与同学们讨论：用于制造碳素球拍的材 料有哪 些优越性？它为什么会具有这些 优越性？
• 碳纤维增强体 • 碳纤维复合材料
• 合成树脂做基体 优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点。
• 碳纤维增强复合材料也广泛应用于纺织机 械和化工机械的制造，以及医学上人体组 织中韧带的制作等。
2 航空、航天领域中的复合材料
本节教材小结 复 合 材 料
认识复合材料
基体 增强体
形形色色的复合材料
复合材料ppt
复合材料ppt复合材料是由两种或两种以上的不同性质的材料组成的,其特有的性能是单一材料所不具备的。
本文将介绍复合材料的定义、特点、分类、制备方法以及应用领域等方面内容。
一、定义复合材料是由两种或两种以上的材料按一定的方式组合而成的材料。
在组合过程中，各种材料之间可以有各种各样的界面形式，包括物理界面、化学界面和机械界面等。
复合材料的性能在很大程度上取决于各种材料之间的界面性质。
二、特点1. 复合材料具有很高的比强度和比模量，其强度和刚度远远高于单一材料。
2. 复合材料的力学性能可以通过改变材料组合方式和纤维布置方式来调节和设计。
3. 复合材料具有优异的耐腐蚀性能，能够抵抗各种化学介质的腐蚀。
4. 复合材料具有较低的热膨胀系数，能够在高温和低温条件下保持较好的尺寸稳定性。
三、分类根据组分材料的不同，复合材料可以分为无机复合材料和有机复合材料两大类。
1. 无机复合材料：由无机材料与无机材料组合而成，如轻质复合材料、陶瓷复合材料等。
2. 有机复合材料：由有机材料与无机材料或有机材料与有机材料组合而成，如碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等。
四、制备方法1. 压制法：将纤维和树脂料混合后，通过加热和压制的方式将其制成板材或型材。
2. 浸渍法：将纤维逐步浸入树脂中，使其充分浸润，并通过干燥和固化来形成复合材料。
3. 喷涂法：将纤维和树脂分别喷射到模具内，在模具内干燥和固化形成复合材料。
4. 熔融法：将纤维和树脂料一起加热熔化，并通过挤出或注塑的方式制备复合材料。
五、应用领域复合材料具有广泛的应用前景，已广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑、电子设备、医疗器械等领域。
1. 航空航天领域：复合材料具有优异的比强度和比刚度，用于飞机、导弹等载体的结构件制造。
2. 汽车制造领域：复合材料能够减轻汽车自重，提高燃油经济性，用于制造车身、悬挂系统等零部件。
3. 建筑领域：复合材料具有良好的防火性能和抗震性能，用于制造高层建筑、桥梁等结构件。
复合材料概论第2章--复合材料的基体材料ppt课件
常见的陶瓷基体有：微晶玻璃、氧化物陶瓷、 非氧化物陶瓷等。
.
31
1 微晶玻璃
微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中 形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶 材料，又称为玻璃陶瓷。
微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相 的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中 了玻璃与陶瓷的特点。
碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa， 仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐 碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻 型装甲陶瓷等。
B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得： B2O3+C→B4C
B4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度 过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。
化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。
.
45
2 辅助剂：
（1）交联剂（引发剂、促进剂）
交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合 交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形 成的物质。也称为固化剂。(为什么要用交联剂？常用的交联剂，p25)
引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、 双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固 化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
.
42
碳化硼和碳化钛陶瓷 —碳化钛陶瓷
碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型)。晶格常数为 0.4319nm，密度为4.93～4.9 g·cm-3 ，熔点为3160～ 3250℃，1.15K时TiC呈现超导特性，TiC莫氏硬度9～ 10，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。 TiC粉末制 取方法：
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1 微晶玻璃
微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃中 形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶 材料，又称为玻璃陶瓷。
微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同，其性质是由晶相 的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的，集中 了玻璃与陶瓷的特点。
碳化硼属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa， 仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸。耐 碱性。可用作喷砂嘴，切削工具，高温热交换器、轻 型装甲陶瓷等。
B4C粉末一般用适量的碳还原氧化硼制得： B2O3+C→B4C
B4C陶瓷难以烧结，原因是烧成温度范围窄，温度 过低，烧结不致密，温度太高易导致B4C分解。
化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。
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45
2 辅助剂：
（1）交联剂（引发剂、促进剂）
交联剂：能在线型分子间起架桥作用从而使多个线型分子相互键合 交联成网络结构的物质。 促进或调节聚合物分子链间共价键或离子键形 成的物质。也称为固化剂。(为什么要用交联剂？常用的交联剂，p25)
引发剂：指一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、 双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固 化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
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42
碳化硼和碳化钛陶瓷 —碳化钛陶瓷
碳化钛结晶为面心立方晶格（NaCl型)。晶格常数为 0.4319nm，密度为4.93～4.9 g·cm-3 ，熔点为3160～ 3250℃，1.15K时TiC呈现超导特性，TiC莫氏硬度9～ 10，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。 TiC粉末制 取方法：
复合材料力学讲义(第二版)2精品PPT课件
– Electrical conductivity, σe: Replace E by σe. – Thermal conductivity, k: Replace E by k.
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
• (A) Crack Deflection (偏转) – A crack meeting the reinforcement is deflected along the interface where energy is used to effect separation
– The properties of the fibre
– The properties of the resin
– The ratio of fibre to resin in the composite (Fibre Volume Fraction)
– The geometry and orientation of the fibres in the composite
TERMINOLOGY / CLASSIFICATION
• Composites
– Multiphase material w/significant proportions of ea. Phase
• Matrix — The continuous phase
– Purpose is to transfer stress to other pБайду номын сангаасases， protect phases from environment
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
• (A) Crack Deflection (偏转) – A crack meeting the reinforcement is deflected along the interface where energy is used to effect separation
– The properties of the fibre
– The properties of the resin
– The ratio of fibre to resin in the composite (Fibre Volume Fraction)
– The geometry and orientation of the fibres in the composite
TERMINOLOGY / CLASSIFICATION
• Composites
– Multiphase material w/significant proportions of ea. Phase
• Matrix — The continuous phase
– Purpose is to transfer stress to other pБайду номын сангаасases， protect phases from environment
复合材料ppt课件文字可编辑
铺层优化设计
通过调整复合材料的铺层顺序、纤维方向和厚度分布等参数，实现结构的最优化。
制造工艺优化
针对复合材料的制造工艺进行优化，提高生产效率和产品质量。
试验验证与反馈
对优化后的复合材料结构进行试验验证，并将结果反馈至设计阶段，不断完善和优化设计方案。
优化设计策略探讨
06
CHAPTER
复合材料加工与制造技术
自动铺放技术及应用实例
自动铺放技术概述
自动铺放技术是一种高效、精确的复合材料制造方法，主要包括自动铺带技术和自动铺丝技术。
应用实例
自动铺放技术在航空航天、汽车、船舶等领域具有广泛应用。例如，在航空航天领域，自动铺放技术可用于制造飞机机翼、机身等部件，提高生产效率和产品质量。
树脂传递模塑（RTM）是一种闭模成型技术，将低粘度树脂注入到闭合模具中，浸润增强材料并固化成型。
航空航天领域
汽车工业领域
体育器材领域
分享汽车轻量化设计中的复合材料应用案例，如车身、底盘、发动机罩等部件。
介绍高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等体育器材中复合材料的设计与应用。
03案例分享
01
02
03
04
有限元分析
利用有限元分析方法对复合材料结构进行力学性能和热学性能分析，以指导优化设计。
07
CHAPTER
复合材料回收利用与环保问题探讨
当前复合材料回收利用率较低，大量废弃物未得到有效利用。
回收利用率低
复合材料种类繁多，回收处理技术复杂，难以实现高效、低成本回收。
技术挑战
缺乏成熟的复合材料回收市场，回收产业链尚不健全。
市场机制不完善
回收利用现状及挑战
生产成本增加
环保法规的实施导致企业生产成本增加，对产业发展带来一定压力。
通过调整复合材料的铺层顺序、纤维方向和厚度分布等参数，实现结构的最优化。
制造工艺优化
针对复合材料的制造工艺进行优化，提高生产效率和产品质量。
试验验证与反馈
对优化后的复合材料结构进行试验验证，并将结果反馈至设计阶段，不断完善和优化设计方案。
优化设计策略探讨
06
CHAPTER
复合材料加工与制造技术
自动铺放技术及应用实例
自动铺放技术概述
自动铺放技术是一种高效、精确的复合材料制造方法，主要包括自动铺带技术和自动铺丝技术。
应用实例
自动铺放技术在航空航天、汽车、船舶等领域具有广泛应用。例如，在航空航天领域，自动铺放技术可用于制造飞机机翼、机身等部件，提高生产效率和产品质量。
树脂传递模塑（RTM）是一种闭模成型技术，将低粘度树脂注入到闭合模具中，浸润增强材料并固化成型。
航空航天领域
汽车工业领域
体育器材领域
分享汽车轻量化设计中的复合材料应用案例，如车身、底盘、发动机罩等部件。
介绍高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等体育器材中复合材料的设计与应用。
03案例分享
01
02
03
04
有限元分析
利用有限元分析方法对复合材料结构进行力学性能和热学性能分析，以指导优化设计。
07
CHAPTER
复合材料回收利用与环保问题探讨
当前复合材料回收利用率较低，大量废弃物未得到有效利用。
回收利用率低
复合材料种类繁多，回收处理技术复杂，难以实现高效、低成本回收。
技术挑战
缺乏成熟的复合材料回收市场，回收产业链尚不健全。
市场机制不完善
回收利用现状及挑战
生产成本增加
环保法规的实施导致企业生产成本增加，对产业发展带来一定压力。
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导致低应力破坏的主要原因是
（1）500℃加热处理所发生的界面反应使铝基体界面结合增强， 强界面结合使界面失去调节应力分布、阻止裂纹扩展的作用； 裂纹尖端的应力使纤维断裂，造成脆性断裂。
（2）纤维在基体中分布不均匀，特别是某些纤维相互接触，使 复合材料内部应力分布不均匀。
（3）纤维与基体之间存在脆性界面相也是复合材料低应力破坏 的原因之一。
8
3.1.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
关于界面的结构与性能对力学性能的影响机制前面已经介绍， 下面讨论对力学性能具体的影响。
界面结合强度对复合材料的弯曲、拉伸、冲击和疲劳等性 能有明显影响，界面结合适中的C/Al复合材料的弯曲压缩载荷 高，是弱界面结合的2～3倍，材料的弯曲刚度也大大提高。
纯Al Al0.1%Zr Al0.5%Zr
1155.4 1095.6 1224
1014.3 1032.1 1232.8
748.7 862.4 1102.5
表1 不同合金元素含量对碳/铝复合材料拉伸性能影响
13
5.1 复合材料界面表征
界面是复合材料极其重要的组成部分, 全面而确切地表征界面是控制和改善金 属基复合材料的最重要基础之一。
复合材料导论
金属基复合材料的界面
制作者：汤凯智 同组者：黄培 赵子淳 李昌健
目录
问题一：针对金属基、陶瓷基、聚合物基、水泥基 复合材料中的一种材料，简要介绍其界面的基本结 构特征，界面结合是如何对复合材料的性能产生影 响的？界面控制的途径有哪些？界面是如何表征的？
问题二：针对你所感兴趣的复合材料，简要介绍其 制备方法（原理、适用范围、优劣）
弯曲破坏分为材料下层的拉伸破坏区和上层的压缩破坏区。 在位拉伸破坏区内出现基体和纤维之间脱粘以及纤维轻微拔出 现象；在压缩区具有明显的纤维受压崩断现象。可见界面结合 适中，纤维不但发挥了拉伸增强作用，还充分发挥了压缩强度 和刚度。出于纤维的压缩强度和刚度比其拉伸强度和刚度更大， 因此对提高弯曲性能更为有利。强界面结合的复合材料弯曲性 能最差，受载状态下在边缘处一旦产生裂纹，便迅速穿过界面 扩展，造成材料脆性弯曲破坏。
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
14
二.制备方法
这里主要介绍粉末冶金复合法。
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。
一.界面
1.1界面的概念
金属基复合材料中增强体与金属基体接触构成的界面， 是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增 强体而异的、与基体有明显差别的新相——界面相 （界面层）。它是增强相和基体相连接的“纽带”， 也是应力及其他信息传递的桥梁。界面是金属基复合 材料极为重要的微结构，其结构与性能直接影响金属 基复合材料的性能。
2.1.1 界面的结合机制
界面的 结合力 有三类
机械结合力就是摩擦力，它决定于增强物的比表 面和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越 大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力 存在于所有复合材料中。
物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于 所有复合材料中，在聚合物基复合材料中占 有很重要的地位。
2.1界面的特征
金属基复合材料的基体一般是金属合金，此种复合材料的制 备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与增强 体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷却、 凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。 这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂。
在金属基复合材料界面区出现材料物理性质（如弹性模量、 热膨胀系数、导热率、热力学参数）和化学性质等的不连续性， 使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。因此，界面的 结构和性能对金属基复合材料中应力和应变的分布，导热、导电 及热膨胀性能，载荷传递，断裂过程都起着决定性作用。
9
界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种类型的复合材料冲 击断裂过程如图3-2所示，
①弱界面结合的复合材料
②适中界面结合的复合材料
③强界面结合复合材料
图3-1 三种复合材料的典型冲击载荷－时间关系曲线 1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
10
4.1 界面优化与界面反应控制的途径
金属基复合 材料制备过 程中生产、 应用的关键
界面优化 的目标
如何改善金属基体与 增强体的浸润性、控 制界面反应，形成最 佳的界面结构，是金 属基复合材料
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形成能有效 传递载荷、 调节应力分 布、阻止裂 纹扩展的稳定 的界面结构
解决途径
纤维等增强 体的表面涂 层处理、金 属基体合金 化及制备工 艺方法和参 数控制
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。
化学结合力就是化学键，它在金属基复合 材料中有重要作用
根据上面的三种结合力，金属基复合材料中的界面结合可以 分为五5 种。
机械结合
溶解和润湿结 合
反应结合
基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由 粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成
基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶 解而产生的一种结合形式
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界 面结构性能有很大差别。
图3-1是纤维增强复合材料的断裂模型。
图3-1 显微增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接”示意 （b）裂纹穿过纤维，造成脆断示意 7
3.1.1 连续纤维增强金属基复合材料的低应力破坏
连续纤维增强金属基复合材料存在低应力破坏现象：即在制 备过程中纤维没有受损伤，纤维强度没有变化，但复合材料 的抗拉强度远低于理论计算值，纤维的性能和增强作用没有 充分发挥。
基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物 而产生的一种结合形式
氧化物结合 这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况
混合结合
ห้องสมุดไป่ตู้
这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实 际的复合材料中经常同时存在几种结合形式
6
3.1 界面对性能的影响
在金属基复合材料中，界面结构和性能是影响基件和增 强体性能充分发挥，形成最佳综合性能的关键因素。
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表1所示为在铝中加入0.1%-0.5%Zr的复合材料在400℃、 600℃加热保温的拉伸强度。由表可见，加入0.5％Zr可以有 效阻止高温下碳和铝反应，形成稳定的界面，600℃加热1h， 抗拉强度与纯铝基体复合材料的室温强度相近，显示出明显 的效果。
室温
抗拉强度 / MPa 400℃、1h 600℃、1h
4.2.1 纤维等增强体的表面涂层处理 纤维表面改性及涂层处理可以有效地改善浸润性和阻止
严重的界面反应。
4.2.3 金属基体合金化 在液态金属中加入适当的合金元素改善金属液体与增强
体的浸润性，阻止有害的界面反应，形成稳定的界面结构， 是—种有效、经济的优化界面及控制界面反应的方法。现 有的金属基体合金多数是选用现行的金属合金。
（1）500℃加热处理所发生的界面反应使铝基体界面结合增强， 强界面结合使界面失去调节应力分布、阻止裂纹扩展的作用； 裂纹尖端的应力使纤维断裂，造成脆性断裂。
（2）纤维在基体中分布不均匀，特别是某些纤维相互接触，使 复合材料内部应力分布不均匀。
（3）纤维与基体之间存在脆性界面相也是复合材料低应力破坏 的原因之一。
8
3.1.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
关于界面的结构与性能对力学性能的影响机制前面已经介绍， 下面讨论对力学性能具体的影响。
界面结合强度对复合材料的弯曲、拉伸、冲击和疲劳等性 能有明显影响，界面结合适中的C/Al复合材料的弯曲压缩载荷 高，是弱界面结合的2～3倍，材料的弯曲刚度也大大提高。
纯Al Al0.1%Zr Al0.5%Zr
1155.4 1095.6 1224
1014.3 1032.1 1232.8
748.7 862.4 1102.5
表1 不同合金元素含量对碳/铝复合材料拉伸性能影响
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5.1 复合材料界面表征
界面是复合材料极其重要的组成部分, 全面而确切地表征界面是控制和改善金 属基复合材料的最重要基础之一。
复合材料导论
金属基复合材料的界面
制作者：汤凯智 同组者：黄培 赵子淳 李昌健
目录
问题一：针对金属基、陶瓷基、聚合物基、水泥基 复合材料中的一种材料，简要介绍其界面的基本结 构特征，界面结合是如何对复合材料的性能产生影 响的？界面控制的途径有哪些？界面是如何表征的？
问题二：针对你所感兴趣的复合材料，简要介绍其 制备方法（原理、适用范围、优劣）
弯曲破坏分为材料下层的拉伸破坏区和上层的压缩破坏区。 在位拉伸破坏区内出现基体和纤维之间脱粘以及纤维轻微拔出 现象；在压缩区具有明显的纤维受压崩断现象。可见界面结合 适中，纤维不但发挥了拉伸增强作用，还充分发挥了压缩强度 和刚度。出于纤维的压缩强度和刚度比其拉伸强度和刚度更大， 因此对提高弯曲性能更为有利。强界面结合的复合材料弯曲性 能最差，受载状态下在边缘处一旦产生裂纹，便迅速穿过界面 扩展，造成材料脆性弯曲破坏。
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
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二.制备方法
这里主要介绍粉末冶金复合法。
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。
一.界面
1.1界面的概念
金属基复合材料中增强体与金属基体接触构成的界面， 是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增 强体而异的、与基体有明显差别的新相——界面相 （界面层）。它是增强相和基体相连接的“纽带”， 也是应力及其他信息传递的桥梁。界面是金属基复合 材料极为重要的微结构，其结构与性能直接影响金属 基复合材料的性能。
2.1.1 界面的结合机制
界面的 结合力 有三类
机械结合力就是摩擦力，它决定于增强物的比表 面和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越 大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力 存在于所有复合材料中。
物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于 所有复合材料中，在聚合物基复合材料中占 有很重要的地位。
2.1界面的特征
金属基复合材料的基体一般是金属合金，此种复合材料的制 备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与增强 体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷却、 凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。 这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂。
在金属基复合材料界面区出现材料物理性质（如弹性模量、 热膨胀系数、导热率、热力学参数）和化学性质等的不连续性， 使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。因此，界面的 结构和性能对金属基复合材料中应力和应变的分布，导热、导电 及热膨胀性能，载荷传递，断裂过程都起着决定性作用。
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界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种类型的复合材料冲 击断裂过程如图3-2所示，
①弱界面结合的复合材料
②适中界面结合的复合材料
③强界面结合复合材料
图3-1 三种复合材料的典型冲击载荷－时间关系曲线 1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
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4.1 界面优化与界面反应控制的途径
金属基复合 材料制备过 程中生产、 应用的关键
界面优化 的目标
如何改善金属基体与 增强体的浸润性、控 制界面反应，形成最 佳的界面结构，是金 属基复合材料
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形成能有效 传递载荷、 调节应力分 布、阻止裂 纹扩展的稳定 的界面结构
解决途径
纤维等增强 体的表面涂 层处理、金 属基体合金 化及制备工 艺方法和参 数控制
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。
化学结合力就是化学键，它在金属基复合 材料中有重要作用
根据上面的三种结合力，金属基复合材料中的界面结合可以 分为五5 种。
机械结合
溶解和润湿结 合
反应结合
基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由 粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成
基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶 解而产生的一种结合形式
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界 面结构性能有很大差别。
图3-1是纤维增强复合材料的断裂模型。
图3-1 显微增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接”示意 （b）裂纹穿过纤维，造成脆断示意 7
3.1.1 连续纤维增强金属基复合材料的低应力破坏
连续纤维增强金属基复合材料存在低应力破坏现象：即在制 备过程中纤维没有受损伤，纤维强度没有变化，但复合材料 的抗拉强度远低于理论计算值，纤维的性能和增强作用没有 充分发挥。
基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物 而产生的一种结合形式
氧化物结合 这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况
混合结合
ห้องสมุดไป่ตู้
这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实 际的复合材料中经常同时存在几种结合形式
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3.1 界面对性能的影响
在金属基复合材料中，界面结构和性能是影响基件和增 强体性能充分发挥，形成最佳综合性能的关键因素。
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表1所示为在铝中加入0.1%-0.5%Zr的复合材料在400℃、 600℃加热保温的拉伸强度。由表可见，加入0.5％Zr可以有 效阻止高温下碳和铝反应，形成稳定的界面，600℃加热1h， 抗拉强度与纯铝基体复合材料的室温强度相近，显示出明显 的效果。
室温
抗拉强度 / MPa 400℃、1h 600℃、1h
4.2.1 纤维等增强体的表面涂层处理 纤维表面改性及涂层处理可以有效地改善浸润性和阻止
严重的界面反应。
4.2.3 金属基体合金化 在液态金属中加入适当的合金元素改善金属液体与增强
体的浸润性，阻止有害的界面反应，形成稳定的界面结构， 是—种有效、经济的优化界面及控制界面反应的方法。现 有的金属基体合金多数是选用现行的金属合金。