2-7复合材料的复合原理及界面
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复合材料 第七章 复合材料的复合原则及界面
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另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认 识还是很不充分的，不能以一个通用的模型 来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重 要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界 面的工作，以便掌根其规律。
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第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度是衡量复合材料中增 强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学 性能的影响很大，界面粘结过高或过弱 都是不利的。
的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应
光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透 光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
28
(5)诱导效应
一种物质(通常是增强物)
的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与 之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改 变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的
14
(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过 大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们 之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学
反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引 起纤维性能降低而失去强化作用。
15
(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必 须适宜。
一般而言，基体中纤维的体积含量越高， 其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也 越高；
制备具有高冲击强度的避弹衣。
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由于界面尺寸很小且不均匀、化学
成分及结构复杂、力学环境复杂、对于
界面的结合强度、界面的厚度、界面的 应力状态尚无直接的、准确的定量分析 方法；
44
所以，对于界面结合状态、形态、结 构以及它对复合材料性能的影响尚没有适
另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认 识还是很不充分的，不能以一个通用的模型 来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重 要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界 面的工作，以便掌根其规律。
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第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度是衡量复合材料中增 强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学 性能的影响很大，界面粘结过高或过弱 都是不利的。
的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应
光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透 光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
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(5)诱导效应
一种物质(通常是增强物)
的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与 之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改 变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的
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(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过 大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们 之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学
反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引 起纤维性能降低而失去强化作用。
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(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必 须适宜。
一般而言，基体中纤维的体积含量越高， 其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也 越高；
制备具有高冲击强度的避弹衣。
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由于界面尺寸很小且不均匀、化学
成分及结构复杂、力学环境复杂、对于
界面的结合强度、界面的厚度、界面的 应力状态尚无直接的、准确的定量分析 方法；
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所以，对于界面结合状态、形态、结 构以及它对复合材料性能的影响尚没有适
复合材料及其力学基础教材
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一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2120.10.2107:5107:51:2807:51:28Oc t-20
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相信相信得力量。20.10.212020年10月 21日星 期三7时51分28秒20.10.21
1）分子量及其分布：分子量要适中，其分布范围应尽量小 2）粘度和流动性：若树脂粘度小，则易于浸渍纤维，并且
流动性好。 3）挥发分 ：树脂挥发分应尽量小 4）固化特性：要求固化温度尽可能低，固化压力尽可能
小，固化时间尽可能短。 5）力学性能：具有一定的强度，模量，延伸率，压缩性能 6）与纤维的相容性：要好。 7）耐热性能：包含耐温性和耐热老化性。 8）有耐腐蚀性能，介电性能，阻燃性，自熄性等。
2、按基体材料的种类分： ①聚合物基复合材料：热固性、热塑性、橡胶； ②金属基复合材料：铝，钛合金； ③陶瓷基复合材料； ④石墨基复合材料：C-C； ⑤混凝土基复合材料
3、按增强相分类： ①纤维增强复合材料：长纤维，短纤维； ②晶须增强复合材料； ③颗粒增强复合材料； ④混合增强复合材料：不同形态的增强相共同增强的复合 材料。
碳纤维/树脂复合材料
碳/碳复合材料
生物医学制品和体育运动
复合材料被用来预防受伤，矫正生理 生物医学制品和以体育运动器材为主
机能，和帮助病人复原。
的碳纤维复合材料制品
热塑性复合材料在近20年中，增长速率持续较快， 是热固性的3倍。
聚合物 层状粘土
聚合物纳米复合材料
传统的 复合材料
插入的 纳米复合材料
界面结构课件
位错间距D与柏氏矢量b的关系：
D
b
2 sin
2
当θ很小时，sin(θ/2)≈θ/2，于是：
D b
可以看出，θ较大时D就会变得很小，致使位错中心发生重
叠，因此该模型仅适用小角晶界。
2. 不对称倾转晶界
不对称倾转界的位错模型 （简单立方晶格）
不对称倾转晶界，如任意的(hk0)面，需要用柏氏矢量分别为[100] 及[010]的两组平行的刃位错来表示。
主要内容
一、晶界 二、界面的空间自由度 三、小角晶界及界面能 四、大角晶界及界面能 五、共格界面理论
纳米材料与纳米技术的发展，微电子与 光电子器件集成度的日益增高，使表面 与界面科学的重要性更加突出，成为当 今十分活跃的前沿领域。
界面是增强材料和基体间的结合处，即增强 材料分子和基体分子在界面形成原子作用 力；界面又作为从基体向增强材料传递载荷 的过渡带或媒介，对复合材料力学性能举足 轻重。界面的问题是复合材料的核心问题
原子面是连续的。 半共格晶界：晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面位错线附近发生
局部晶格畸变。 非共格晶界：界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸变的原子排列。
（3）堆积层错
六方最紧密堆积
原子堆积排列
面心立方最紧密堆积
原子堆积排列层错
层错是堆积中原子排错了一层，错层上原子仍是密排的。 密堆原子层的表面能变化不大。 层错的畸变区约为一个原子的尺度，因此层错的交界区（晶界
学习的方法－宏观性能与微观结构
手机事故（寿命变短、爆炸）
硅电极的膨胀
一、晶界
1. 定义
多晶材料中晶粒间的交界过渡区称晶粒间界，简称晶界。 晶界对材料的力学、光学、磁学和电学性质影响很大。
(最新整理)复合材料细观力学(哈工大)
2021/7/26
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Budiansky指出，当离散相为空洞时，按自洽 理论计算的等效剪切模量
3(12f)
G 1f
G 0
当 f0.5,G 0
原因：仅考虑了单夹杂与周围有效介质的作用，而 当夹杂体积分数或裂纹密度较大时，预报的有效弹 性模量过高（含硬夹杂）或过低（含软夹杂），特 别是夹杂与基体弹性模量相差较大时，等明显。随 机取向微裂纹密度=9/16，有效杨氏模量=0
2021/7/26
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算例：含缺陷纤维复合材料热膨胀系 数预报
含圆币型基体裂纹的单向复合材料，假定定 向分布的微裂纹垂直于纤维方向
在纤维夹杂 Cf (中 ~'*)Cm(~'* *) * (f m)T是纤维与基体之配 间应 热变 失 在圆币型裂纹夹 Cm(杂 ~中 2 **)0 已知 'S1* 2 S2**
2021/7/26
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按基体材料分类
聚合物基复合材料（热固性、热塑性树脂） 金属基复合材料（铝、钛、镁） 无机非金属基复合材料（陶瓷、水泥） 碳碳复合材料
按材料作用分类
结构复合材料 （卫星承力筒） 功能复合材料 （导电、换能、防热）
2021/7/26
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复合材料的基本特点 共同特点：
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out
pqCpq{ mnCijkl* jiGm,lkn(x,x')dV }
得到各向同性介质椭球体中，存在
S *
ij
ijkl kl
S是四阶Eshelby张量，与材料性能和夹杂形状 有关，具有椭圆积分形式，并可推广到各向异 性介质和本征应变不均匀情况。对于特殊形状 夹杂，可以写出解析表达式：
2021/7/26
复合材料----复合材料的复合原理及界面
复合材料
第二章复合材料的复合原理及界面
1、弥散增强和颗粒增强的原理
1）弥散增强：复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成，荷载主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动，微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大，微粒尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。
2）颗粒增强：复合材料是由尺寸较大（直径大于1 m）颗粒与基体复合而成，载荷主要由基体承担，但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好；颗粒尺寸越小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。
2、什么是混合法则，其反映什么规律
混合法则（复合材料力学性能同组分之间的关系）：σc=σf V f+σm V m，E c=E f V f+E m V m式中σ为应力，E为弹性模量，V 为体积百分比，c、m和f 分别代表复合材料、基体和纤维；反映的规律：纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。
3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些
金属基复合材料界面结合方式：
①化学结合
②物理结合
③扩散结合
④机械结合。
界面改性方法：
①纤维表面改性及涂层处理；
②金属基体合金化；
③优化制备工艺方法和参数。
4、界面反应对金属基复合材料有什么影响
界面反应和反应程度（弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应）决定了界面的结构和性能，其主要行为有：
①增强了金属基体与增强体界面的结合强度；
②产生脆性的界面反应产物；
③造成增强体损伤和改变基体成分。
材料科学基础：第七章 表 面 与 界 面
大角晶界模型：
晶界力求与重合点阵 密排面重合，即使有偏 离，晶界会台阶化，使 大部分面积分段与密排 面重合，中间以小台阶 相连。
如图，AB、CD与重合 点阵密排面重合，中间 BC小台阶相连。
3． 小角度晶界：
对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界、扭转晶界
3．小角度晶界—
对称倾侧晶界
由相隔一定距离刃 型位置垂直排列组成
如Cu-1Sn%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%，发生严重点阵畸变。 当Sn处于晶界时畸变能明显降低
7.晶界偏聚---平衡偏聚：
B. 平衡偏聚公式 Cg=Co exp（dEs/RT）
Cg：晶界上溶质原子浓度，Co晶内溶质原子浓度， dEs晶界、晶内能量差
C. 平衡偏聚特点
a. 由公式可见一定溶质浓度在一定温度下对应一 定偏聚量
EC为位错中心能量,金属晶界能与晶粒位向差θ的 关系
晶界能---实线测量值、虚线计算值 小于15-
200 两者符合很好。EB在小角时与位向敏感，大 角度时为常数
晶界能---三个晶界平衡时有 E1/sinφ1=E2/sinφ2=E3/sinφ3
6.晶界能应用---少量第二相形状
A. A、第二相基体晶粒内
持……
化学工业：胶水，涂料，油漆，洗涤剂….. 写字，作画：纸张与墨水…. 食物消化：消化液与食物…… 建筑：砌砖，混疑土….. 烹调：灰面炸鸡……
7.晶界偏聚---平衡偏聚及非平衡偏聚
A. 平衡偏聚
平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很界--- 每个晶粒中直径10-100μm的晶块（亚晶粒）
之的界面
亚晶界---溶质原子优先聚集和第二相优先析
出的地方可阻碍位错运动，影响材料力学性能
7 复合材料的力学性能
(5) 可设计性强
通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排 布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。 复合材料的高比强度、高模量的特点，是由于这种材料受力 时高强度、高模量的增强纤维承受了大部分载荷，基体只是 作为传递和分散载荷给纤维的媒介引起的。
第二节 单向复合材料的力学性能
(2) 钢的冲击断裂机理是穿晶解理或微孔聚集断裂，复合 材料的冲击断裂是各类损伤的积累或非积累破坏。 (3) 高弹性模量复合材料往往比低弹性模量复合材料的冲 击韧性差，如碳纤维-环氧复合材料与玻璃纤维-环氧复 合材料的冲击韧性。 前者以纤维断裂为主要损伤模式，断裂扩展能低，后者 以纤维拔出和分层裂纹为损伤模式，断裂扩展能高。
是垂直于裂纹扩展方向的纤维，当其应变达到断裂应变时发生的。 在复合材料受载早期就有个别纤维产生这种损伤，随着载荷增加， 断裂纤维数也增加。
(2) 基体变形和开裂
复合材料中，基体因强度低，所以在材料受载时先于纤维变形， 到复合材料完全断裂时，纤维周围的基体也随之断裂。
(3) 纤维脱胶
若裂纹穿过基体扩展遇到纤维时，裂纹可能分叉，转向平行于纤 维方向扩展。裂纹可在基体内，也可沿界面扩展，取决于界面与 基体的相对强度。如果界面结合较弱，就将使纤维与基体脱胶。
Vf>Vfmin时，复合材料的抗拉强度才按此式计算：
（二）纵向抗压强度
屈曲的形式有两种： （1）挤压型 纤维彼此间反向弯曲，使基 体产生横向拉伸或压缩应变； 当纤维间距离相当大，即纤 维体积分数很小时，这种屈 曲模式才可能发生。 （2）剪切型 纤维之间同向弯曲，基体主 要产生剪切变形，这种屈曲 模式较为常见。
一、基体与纤维间的应力传递
La2Ti2O7及其复合材料的合成及光催化性能的研究
La2Ti2O7及其复合材料的合成及光催化性能的研究La2Ti2O7是一种具有良好催化性能的钙钛矿型氧化物材料，近年来备受关注。
它具有良好的光催化活性、热稳定性和光学性能，因此在环境净化、光电催化和光催化水分解等领域有着广泛的应用前景。
La2Ti2O7的制备主要有固相法、溶胶-凝胶法和水热法等。
其中，在固相法中，La2O3和TiO2按照一定的摩尔比例混合，然后在高温下进行退火处理，最终得到La2Ti2O7。
溶胶-凝胶法则是通过将金属盐或金属有机化合物与有机物混合，然后进行水热处理和焙烧，制备出La2Ti2O7。
水热法则是通过将La(NO3)3和TiCl4等金属盐溶液进行水热反应，得到La2Ti2O7。
这些方法制备简单，操作灵活，相应地，不同方法制备得到的La2Ti2O7材料的晶型和形貌也有所不同。
研究表明，La2Ti2O7的光催化性能与其结构、晶粒尺寸、表面缺陷等因素密切相关。
La2Ti2O7具有近带隙的光电催化活性，其光谱范围主要在紫外线到可见光区域。
通过改变La2Ti2O7的成分和结构，可以调控其光催化活性。
例如，引入其他金属元素形成复合材料，可以提高光催化活性。
一些研究表明，改变La2Ti2O7中的Ti离子含量，有助于提高光催化性能。
此外，表面修饰也是提高光催化活性的重要途径。
通过在La2Ti2O7表面修饰稀土元素、贵金属或半导体量子点等材料，可改变其表面电子结构，从而提高光催化活性。
除了La2Ti2O7的自身光催化性能外，还可以与其他材料形成复合材料，以提高其光催化活性。
常见的复合材料包括La2Ti2O7和二氧化硅、La2Ti2O7和石墨烯等。
这些复合材料具有较大的比表面积和丰富的缺陷位点，有利于光催化反应的进行。
同时，复合材料也能够提供更多的光吸收活性位点和电子传输通道，提高光催化反应的效率。
光催化性能的研究主要通过一些基于目标反应的评价方法进行，如光催化降解有机物、光催化还原CO2等。
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图3 钢-铝复合导电轨
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钢-铝复合的实现途径
机械结合
螺栓、螺钉、铆钉，弹性夹紧，折叠咬合
机械/冶金结合
挤压-焊接、挤压-滚压、铸造-冷轧
冶金结合
液态热压接、铸造-复合挤压、共同挤压
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a) 复合良好的钢头
b) 复合不良的钢圈和轮毂
图4 钢-铝结合分开面照片
14
2θ,degree
图5 钢-铝复合界面的SEM照片及界面的XRD谱
41
42
思考题
1、你认为铜-铝复合材料的界面结合存在哪些问题， 如何加以解决？
2、陶瓷层状复合材料应用的最大障碍是什么，通 过哪些技术途径可以推动该类材料的应用？
界面金属间化合物、氧化，复合温度控制、气体保护等。 制备工艺复杂（烧结难）、成本高，烧结助剂、纳米粉体、 开发新工艺等。
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15
图 钢/铝复合界面电子扫描成分分析
16
图6 Al-Fe二元相图
17
(a)
(a)原始试样 (b) 400℃×2h 空冷，10次 (c) 500℃×2h 空冷，4次 (d) 500℃×2h 空冷，5次
图7 不同试样的扫描电镜照片
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剪切力/N
60 54 48 42 36 30
2
4
6
8
加热-冷却循环 次数
方法 层状复合材料的界面
3
思考题
1、聚合物基复合材料的界面有哪些特点？ 2、避免金属基复合材料界面过度化学反应
的措施有哪些？
1、聚合物基复合材料的界面往往含有改性层，而且界面 层的模量一般低于增强材料的模量。 2、增强材料处理（氧化、涂层）、基体材料合金化、改 进制备工艺（避免液态、降低温度）。
6
固-固复合
轧制复合法 爆炸复合法 爆炸-轧制复合法 扩散焊接法
液-固复合
铸造复合法 钎焊法
表面工程技术
电镀 刷镀 化学镀 热喷涂 物理气相沉积
7
爆炸复合的可能金属组合
8
一、钢-铝复合材料界面
电解铝阳极导电杆 铝合金轮毂 钢-铝复合导电轨
9
图1 钢-铝阳极导电杆
10
图2 铝合金轮毂
11
34
石墨与六方 BN 部分性能的比较
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高温下 C/BN 复合材料的界面热稳定性和耐热冲击性， 这种复合体系具有优良的界面稳定性，同时在 1800℃仍可保持良好的结构，说明该材料具有优良 的热匹配性。
石墨和氮化硼均为难烧结材料，制备这种 C/BN 层状 复合材料是相当困难的，通常采用 CVD 法在石墨基 体上镀一层 BN。
图8 抗弯特性随500℃ ×2h -空冷循环次数的变化
19
0.9
500℃
0.8
电阻 /μ Ω
0.7
400℃
0.6
0.5 2
4
6
8
10
加热-冷却循环 次数
图9 界面电阻与温度、热-冷循环次数的关系
20
(SEM照片
21
存在的问题 1、Fe-Al金属间化合物的形成； 2、钢、铝热膨胀系数的差异； 3、生产过程中工艺参数的严格控制； 4、实际使用中的加热-冷却循环。
29
30
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图18 充芯连铸铜包铝复合材料及其界面组织
32
图19 铜包铝电力线缆
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三、陶瓷层状复合材料界面
真空蒸镀技术是一种最普遍，应用最广泛的膜制造技术。 金属蒸镀行业对舟皿材料提出了许多方面的要求: 合适的
电阻率范围和电阻温度系数、优良的耐热冲击性、优良 的耐熔融金属腐蚀性、高温下与熔融金属的良好润湿性、 易机械加工性、足够的强度等。 碳素石墨材料和六方氮化硼具有相同的晶体结构，极为 相似的热膨胀系数和热导率，优良的耐冷热循环冲击特 性，是最为理想的热匹配体系。
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图20 立方氮化硼及蒸发舟
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铝塑复合板的特性
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图21 铝塑复合板及其结构
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层状复合材料的界面
钢-铝复合材料界面 铜-铝复合材料界面 陶瓷层状复合材料界面
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思考题
1、你认为铜-铝复合材料的界面结合存在哪些问题， 如何加以解决？
2、陶瓷层状复合材料应用的最大障碍是什么，通 过哪些技术途径可以推动该类材料的应用？
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二、铜-铝复合材料界面
图11 铜包铝材料照片
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图12 不同试样的扫描电镜照片
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图13 铜侧XRD分析结果
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图14 不同试样界面附近的电镜扫描成分分析
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图15 热扩散处理温度与界面强度之间的关系
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图16 铜-铝出现金属间化合物的温度-时间关系
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图17 铜包铝复合线工艺流程
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层状复合材料的界面
钢-铝复合材料界面 铜-铝复合材料界面 陶瓷层状复合材料界面
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金属层状复合材料是利用复合技术，使两种或两种以上物 理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固的冶金结合 而制备的一种新型复合材料。 经过恰当组合而形成的金属层状复合材料，可以极大地改 善单一金属材料的热膨胀性、强度、断裂韧性、冲击韧性、耐 磨性、电性能、磁性能等诸多性能 近年来受到世界各国的普遍重视，已被广泛的应用于汽车、 船舶、电子、医疗、环保设备和化工设备等方面。
复合材料原理
江苏大学材料学院
1
第二章 复合材料的复合原理及界面
2.1 复合原则 2.2 弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性 2.7 复合材料界面表征
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2.6 复合材料界面及其改性
界面的基本概念 聚合物基复合材料的界面改性 金属基复合材料的界面及其改性