复合材料原理09第13讲
材料复合原理
材料复合原理材料复合是指将两种或两种以上的材料组合在一起，通过各种方式使它们相互作用，形成新的材料，以获得更好的性能和更广泛的应用。
材料复合技术已经成为当今材料科学领域中的热点之一，其原理和应用已经被广泛研究和应用。
首先，材料复合的原理在于不同材料之间的相互作用。
例如，将纤维素材料与树脂复合，可以充分利用纤维素材料的高强度和树脂的耐腐蚀性能，形成一种新的复合材料，具有更好的综合性能。
这种相互作用可以通过物理方法（如机械混合、热压等）或化学方法（如原位聚合、化学反应等）来实现。
其次，材料复合的原理还在于各种材料之间的协同效应。
不同材料之间的协同作用可以使复合材料具有更好的性能。
例如，将纳米材料与传统材料复合，可以利用纳米材料的特殊性能改善传统材料的性能，如提高强度、硬度、耐磨性等。
这种协同效应可以使复合材料具有更广泛的应用前景。
另外，材料复合的原理还在于不同材料之间的界面效应。
复合材料中各种材料的界面对于整体性能起着至关重要的作用。
良好的界面结合可以有效地传递应力，提高材料的强度和韧性；而界面的不良结合则会导致材料性能的下降。
因此，研究和控制材料复合界面的效应对于提高复合材料的性能具有重要意义。
最后，材料复合的原理还在于不同材料之间的相容性。
不同材料之间的相容性对于复合材料的性能和稳定性具有重要影响。
良好的相容性可以使复合材料的界面结合更加牢固，提高材料的耐久性和稳定性；而不良的相容性则会导致材料的分相或相分离，从而降低材料的性能。
因此，研究和改善不同材料之间的相容性是材料复合技术的重要内容之一。
综上所述，材料复合原理涉及材料之间的相互作用、协同效应、界面效应和相容性等方面，通过研究和控制这些原理，可以获得更好的复合材料，为各种工程应用提供更好的材料选择。
材料复合技术的发展将为材料科学领域带来更多的可能性和机遇，有望成为未来材料研究的重要方向。
复合材料的复合理论
复合材料的增韧机理（一）
——纤维增韧
短纤维增韧陶瓷基复合材料
要求：短纤维择优取向或定向排列 机理：纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向
Fc
Ac Fc
复合材料的混合定律：
c f f mm
f m
纤维与基体处于等应变状态： c
c f m f m c f m
复合材料弹性模量的混合定律：
Ec E f f Emm
纤维增强复合材料的复合原理（二）
——外载荷与纤维方向垂直
理想情况：复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和 直径都是均匀的，并且连续排列，同时纤维与基体间为理想结 合，在界面上不发生滑移。 纤维与基体处于等应变状态： c
f m
Fc
Ac Fc
纤维与基体处于等应变状态： c 作用在复合材料上的总力： 纤维受到的应力： 基体受到的应力： 纤维所承受的载荷： 基体所承受的载荷：
第六章 复合材料
第一节 复合材料概述
第二节 复合材料的复合理论
第三节 复合材料的界面 第四节 典型的复合材料
知识要点
复合原理
纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料
增强原理
纤维增强树脂基复合材料、纤维增强金属 基复合材料
增韧原理
纤维增强陶瓷基复合材料
纤维增强复合材料的复合原理（一）
——外载荷与纤维方向一致
弥散增强复合材料
增强材料：金属氧化物、碳化物、硼化物等 机理：弥散分布的硬颗粒阻碍位错的运动
复合材料原理
复合材料1、定义复合材料由两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同复合方法得到的宏观多相材料。
复合材料主要由基体和增强体（对功能材料称功能体）组成作用：A、结构复合材料：增强体：在结构复合材料中主要起承受载荷的作用；基体：起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。
B、功能复合材料：基体：主要起连接作用；功能体：是赋予复合材料以一定的物理、化学功能。
2.分类（1）基体种类树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料（2）增强材料形状：颗粒、晶须、纤维、织物类型: 无机和有机材料（3）用途结构复合材料、功能复合材料3.复合材料特点（1）可设计性复合材料的力学、热、电、声、光等物理化学性能都可通过组分材料的选择、界面控制等设计手段达到。
（2）材料与结构的一致性复合材料的构件与材料同时形成。
（3）存在复合效应区别于任意混杂材料复合材料的性能不是其组分材料性能的简单叠加，可以产生新的性能。
4.复合材料的复合效应复合效应;1.线性效应:平均效应平行效应互补效应相抵效应2.非线性效应相乘效应诱导效应共振效应系统效应5.材料的复合效果1.组分效果只把组分的相对组成作为变量，不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响时产生的效果。
2.结构效果①几何形态（形状）②分布状态③尺度3.界面效果界面是影响基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。
界面结构（物理和化学结构）的变化会引起复合材料性能的明显变化。
6.复合材料性质①固有性质材料性质的直观表现,只与组分含量有关②传递性质与组分含量、几何形状及分布、尺寸均有关③强度性质不是各相性能的简单叠加，除与组分含量、几何形状及分布、尺寸有关，还与外场分布、界面有关.④转换性质影响因素较多，除了前述因素外，还与各组分之间的相互作用有关。
7.复合材料的界面状态解析界面密切接触的两相之间的过渡薄层区域，厚度约几个分子大小，称为界面。
表面: 一相为气体的界面.比表面积：单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。
复合材料原理
复合材料原理
哎呀，说起这个复合材料原理啊，咱们得用点儿咱们四川人的“巴适”语言来摆一摆龙门阵。
你晓得不，复合材料，就像咱们四川的火锅，里头
啥子料都有，红的、绿的、白的，混在一起，那味道，绝了！
首先啊，你得明白，复合材料不是简单地把两样东西粘一块儿就完事
儿了。
它讲究的是个“协同作战”，就像咱们打麻将，四个人各有各的牌，但关键是要配合好，才能和出大牌。
复合材料里的每种材料，都有自己的
长处和短处，比如碳纤维硬得跟铁一样，但可能脆了点；树脂呢，软和，
能粘东西，但单独用又不结实。
把它们按一定比例、用特殊方法混在一起，嘿，那效果，比单独用任何一种材料都强得多！
再来说说细节哈，复合材料里头，这些材料是怎么“相处”的呢？就
像是咱们四川的泡菜坛子，各种蔬菜放进去，水、盐、糖、辣椒、花椒，
一样都不能少，还得密封好，慢慢发酵。
复合材料也是，材料之间得有个“化学反应”或者“物理纠缠”，让它们紧紧抱成一团，你中有我，我中
有你。
这样一来，外力想把它们分开，可就难喽！
最后，说说我的独特见解吧。
我觉得啊，复合材料原理就像咱们四川
人的生活哲学——包容并蓄，和谐共生。
不管你是啥子性格，啥子背景，
只要大家心往一处想，劲往一处使，就能创造出超越个体的奇迹。
就像那
复合材料，单独看每种材料可能平平无奇，但组合在一起，就成了航空航
天的宝贝，汽车工业的支柱，甚至是我们日常生活中不可或缺的一部分。
所以啊，朋友们，下次当你看到复合材料制品的时候，不妨多想想它的“火锅哲学”和“泡菜智慧”，感受一下那份来自四川的，对事物深刻理解和独特见解的温暖与力量吧！。
复合材料原理
复合材料原理
复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料经过一定方式进行组合而成的材料。
复合材料的原理可以归纳为以下几个方面：
1. 综合性能优异：复合材料由于不同材料的相互补充作用，往往能够获得优于单一材料的综合性能。
例如，碳纤维复合材料具有高强度、高刚度、低密度等优点，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。
2. 尺寸稳定性好：复合材料由于各组分之间具有良好的结合连接，因此在温度、湿度等环境条件变化下，其尺寸变化相对较小。
这使得复合材料在高温、低温等极端条件下仍能保持稳定性能。
3. 耐腐蚀性强：复合材料中常使用的树脂等材料具有较好的化学稳定性，能够抵抗酸、碱等腐蚀介质的侵蚀，因此具有较好的耐腐蚀性能。
4. 可调性强：复合材料的成分、结构和制备方法可根据需要进行调控，因此具有较高的可调性。
通过改变复合材料的成分比例、纤维排列方式等，可以获得不同的性能和应用。
5. 能量吸收能力优秀：复合材料由于纤维间的增强效应和界面效应，能够吸收和分散外界作用力，从而提高其抗冲击性能。
这使得复合材料在汽车、船舶等领域的碰撞保护和防护装备中得到广泛应用。
6. 制备工艺灵活多样：复合材料的制备工艺多样，可以通过手工层压、预浸料注塑、自动纺织成型等方式进行制备。
这使得复合材料的制备过程更加灵活，并且能够满足不同材料性能和结构需求。
综上所述，复合材料具有综合性能优异、尺寸稳定性好、耐腐蚀性强、可调性强、能量吸收能力优秀以及制备工艺灵活多样等特点，因此在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到广泛应用。
《复合材料》PPT课件
增韧机理。
（4）纤维桥接（Fiber Bridge） 对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转， 只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂 纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起 小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一 个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹 难以进一步扩展，起到增韧作用。
散凝状。即在浆体中呈弥散分布。
采用浆体浸渍法也可制备连续纤维增韧陶瓷
基复合材料。
浆体法制备陶瓷基复合材料示意图
9.2.3反应烧结法
用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料
几乎无收缩外，还具有以下优点：
（1）增强剂的体积比可以相当大；
（2）可用多种连续纤维预制体；
（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于
（3）纤维拔出（Pull – out） 纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用 下沿着它和基体的界力松弛，从而减缓
了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧
作用。
纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧
效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的
液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧
化物或其它化合物固体的方法。该方法可控制材料
的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量
级水平。
（1）Sol – Gel法制备SiO2陶瓷原理如下：
Si(OR)4 + 4 H2O Si(OH)4+ 4 ROH
Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O
工艺流程：
原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）
均匀混合（球磨、超声等） 冷压成形
（热压）烧结
适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。
9.2.2浆体法（湿态法） 为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问 题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短
《复合材料原理》金属基复合材料界面控制 ppt课件
金具有很好的润湿性，润湿性好，才能充填
纤维束和丝之间的间隙。基体改性很少采用。
ppt课件
23
3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素可以减少碳纤维的溶解和界面反应：
提高活化能，减少碳纤维溶解 阻止碳在反应产物中的扩散
System Al-C E103
0.43
(Al/Fe)-C (Al/Ga)-C
复合材料原理
ppt课件
1
第九讲 金属基复合材料界面控制
1 强结合及其失效机制 2 界面问题与纤维涂层 3 界面反应与界面控制
ppt课件
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
0.23
0.38
System (Al/Zn)-C (Al-Mg)-C (Al-Si)-C
E103 4.8
6.0
7.1
溶质元素对C在Al中溶解的影响 ppt课件
Al4C3速度常数 24
3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素在界面偏聚形成溶解和反应阻挡层：
ppt课件
25
3 界面反应与界面控制
表面涂层处理： (1) 改善润湿性，提高界面结合强度 (2) 防止过渡界面反应，降低界面脆性
ppt课件
11
2 界面问题与纤维涂层
2.1 界面化学反应
涂层能控制界面反应，有了涂层基体元素越过涂 层扩散与纤维发生反应或纤维元素越过涂层扩散 与基体反应将受到抑制。
80
扩散控制的反应层厚度
复合材料原理教学大纲
《复合材料原理》教学大纲课程编号：B03080400课程名称：复合材料原理英文名称：Composites Theory课程性质：必修课学时/学分：32/2考核方式：闭卷考试和平时成绩相结合，以闭卷考试成绩为主。
选用教材：《复合材料原理》，朱和国编著，国防工业出版社，2013年先修课程：复合材料学，高分子物理，高分子化学后继课程：纳米复合材料，功能复合材料，金属基复合材料适用专业及层次：复合材料与工程专业,本科生一、课程目标通过本课程的学习，使学生掌握复合材料的复合效应和复合原理、复合材料增强体和基体形成界面的热力学和动力学条件、复合材料界面结构和界面结合理论以及复合界面处理技术和界面设计方法。
通过本课程的教学，使学生具备下列能力：1.能够准确理解材料复合的基本原则、九大界面结合理论和复合材料的界面破坏理论，以解决复合材料制造和应用及相关领域的复杂工程问题。
2. 能够运用材料复合八大复合效应、界面结合理论，从微观、亚微观角度设计、制备复合材料，探究复合材料组成-结构-性能及其相互关系。
3. 能够利用现代分析仪器对复合材料进行识别表征，分析复合材料增强体表面物理形态和化学组成，分析复合材料界面的物理结构和化学以及界面结合强度进行分析表征，并综合所得信息解决复合材料领域相关复杂工程问题。
二、课程目标与毕业要求的对应关系三、教学基本内容第一章：绪论（支撑课程目标1）1. 材料为什么要进行复合（Why）2. 材料依据什么进行复合（What）3. 材料怎样进行复合（How）4. 复合材料原理课程的研究范围5. 学习本课程的意义和要求要求学生：理解并掌握复合材料复合的四大基本原则，并对本课程所涉及的主要内容有所了解。
第二章：复合材料的复合效应（支撑课程目标1、2）1. 材料的复合效应2. 复合材料的结构与复合效果3. 复合材料的模型及性能的一般规律4. 复合材料增强原理要求学生：理解并掌握复合材料复合的八大复合效应，及有复合效应决定的复合材料的复合效果。
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液固界面结构
共晶组织形态取决于两相的熔融熵： ASf/R 界面粗糙度(Jackson interface roughness parameter) A 结晶学参数1， Sf 熔化熵 R 气体常数 <2，固-液界面为原子粗糙界面，非小面界面状形成，生长不受 形核率限制。 >2，固-液界面为原子光滑界面，小面界面状形成，生长受形核 率限制。
区域熔炼SMC (a) 纵向光学 (b) 纵向扫描 (c) 横向扫描
电弧熔炼AMC (a)低倍 (b)高倍
悬浮熔炼FMC (a) 纵向光学 (b) 纵向扫描 (c) 横向扫描
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
ZrC/Mo (Mo-14.0Zr-11.7C) 复合材料性能
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
通常认为，生长方向不能发散而且不能出现枝晶。
根据界面力的传递，强界面结合，纤维不需要太长， 因而可以发散，也可以重新形核生长，这在凝固过程 中是经常出现的，出现枝晶后增加了侧向性能也使工 艺条件变得容易实现了。
H. BEI, G. M. PHARR, E. P. GEORGE, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 39 (2004) 3975 – 3984
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
• Hardness,Young’s modulus, and brittle-ductile transition temperature of monolithic intermetallics with high melting points
复合材料原理
课程学科分类：材料学 课程授课人：成来飞 殷小玮 超高温结构复合材料国防科技重点实验室 2009.4.23
第十三讲 自生复合材料
1 自生复合材料及其理论基础 2 自生复合材料制备方法 3 自生复合材料的结构与性能
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
片层状共晶复合材料的形成条件
规则结构 (棒状或片层状)形成条件 两相都有低熔融熵S S/Rg < 2 Rg 气体常数
一般当两共熔相的体积分散相近(0.3 < Vf < 0.5)， 优先形成片层状结构 （V-V3Si例外）
定向凝固 (Directional Solidification)
由于第二相要生长为长 径比很大的纤维状，第 二相晶体在某一生长方 向的速度必须很大。因 此，必须在定向凝固条 件下的定向生长，才能 获得自生复合材料。
每个固相排斥另一相
由于定向凝固是在一定的温度梯度下进行的，而温度梯 度只能是一个方向，因此自生复合材料只能是单向的。
2.自生复合材料的制备方法
2.1 共晶复合材料制备技术途径：
从工艺角度讲, 获得均匀微结构的关键是 生长过程中保持平固/液界面 ，这需要在 凝固方向具有大温度梯度 1970 Bridgman法<102K/cm 新方法>103104K/cm
(a) 悬浮区熔法 (b) 限制生长法 (c) 显微提拉法 箭头方向为生长方向 R为共晶棒直径 R0为原料棒或润湿直径 界面生长角
silicide eutectics
H Bei, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 39 (2004) 3975 – 3984
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
Cr3Si/Cr共晶复合材料形貌
Fe-Cr-C(M7C3/)
凝固速度越快，纤维直径和纤维间距越小
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
Fe-Cr-C(M7C3/)共晶复合材料性能
Fe-Cr-C(M7C3/)
3.自生复合材料的结构与性能
ZrC/Mo (Mo-14.0Zr-11.7C)复合材料形貌：
V尖端生长速度 界面动力学系数
动力学过冷随着生长速度的增加而增加，在金属体系中可忽略， 但在具有高熔化熵的氧化物陶瓷体系即使生长速度低也不可忽略
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
共晶复合材料的相间距和界面
共晶体的相间距可以用凝固速度来改变 自生复合材料的界面： ① 共晶生长满足界面能最低的条件，因而界面是 稳定的，相容的，无扩散化学反应和热物理不 相容等问题 ② 二相间存在一定的位相关系，最小界面能方向 是优先生长的取向。
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
Fe-Cr-C(M7C3/)共晶复合材料形貌
R凝固速度 提拉速度
(a) R=10mm/h Fe-Cr-C(M7C3/)
(b) R=52mm/h
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
Fe-Cr-C(M7C3/)共晶复合材料控制
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
共晶复合材料的强韧化
① 晶粒细化对强度的影响 Hall-Petch = 0-1/2 ② 界面强结合，有一定的结晶学关系，界面的作用 表现为界面位错和缺陷对强度的贡献，而不是载 荷传递 ③ 虽然第二相体积分数很小，但非常细小<1m 强度很高 尺寸效应
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
定向凝固过冷度：
T TE T0 TC T TK
成分过冷
TC mi CC
曲率过冷
2 T r Sm
固液界面能 Sm 单位体积熔化熵 r 曲率半径
动力学过冷
Gd裂纹偏转能 Gp 裂纹穿过能 A. Larrea, L. Contreras, and R.I. Merino, J. Mater. Res., 15［6］1314－1319（2000）
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
Fe-Cr-C(M7C3/)共晶复合材料制备方法：
conventional
UDS
平面前沿条件
m相图液相斜率 GL实际温度梯度 D残留液相溶质扩散系数 R凝固速度 C0液固浓度差
温度梯度 成分 凝固速度
Liming Lu, Hiroshi Soda, Alexander McLean, Materials Science and Engineering A347 (2003) 214-222
60mm/h和60rpm ，(a) 横向 (b) 纵向
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
Cr3Si/Cr共晶复合材料形貌
(a) 被Cr阻止的Cr3Si裂纹 (b) Cr3Si单晶中的裂纹
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
共晶组织形态-----按组成相的 α值大小分类：
· 金属-金属型（粗糙-粗糙界面）
· 金属-非金属型（粗糙-光滑界面）
· 非金属-非金属型（光滑-光滑界面）
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
2.自生复合材料的制备方法
2.3 限制生长法制备共晶复合材料：
Film-fed Edge-Defined-Growth (EFG)
2.自生复合材料的制备方法
2.4 显微提拉法制备共晶复合材料
Micro pulldown
3.自生复合材料的结构与性能
3.1 金属与金属间化合物共晶复合材料体系
规则结构 (棒状或层状) 两相都有低熔融熵S/Rg S/Rg < 2 Rg 气体常数
依靠人工复合方法制备的复合材料都有可能存在界 面强度不合理，界面稳定性差的界面问题。自生复 合材料在液态向固态转变过程中基体和增强体是共 生的，因而不存在界面不稳定的问题(界面自适应)。
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
共晶复合材料(Eutectic Composites)
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)
共晶相界面关系 两相间的关系有三种： 非小晶面/非小晶面共晶 规则层片状或棒状 (粗糙-粗糙界面) 1<2， 2<2两者都小于2 非小晶面/小晶面共晶 （粗糙-光滑界面） 小晶面/小晶面 （光滑-光滑界面） 不规则共晶组织 1or 2>2 其中之一大于2 共晶组织相互独立 1>2，2>2两者都大于2
1.自生复合材料及其理论基础
1.1 自生复合材料(In-Situ Composites)：
在单一方向热流的温度场中共晶自生复材料中两相 共生生长的条件： 一是合适的结晶前沿溶质场和界面过冷度 二是两相共同生长时界面必须匹配，也即小的界面张 力时自生复合材料易于按平界面稳定生长的条件生长
在强制凝固的条件下，满足以上两个条件，一些非规 则共晶可以按规则共晶组织的生长方向生长。