复合材料复习题

复合材料复习题●复合材料的概念：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），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。

复合材料的特点（树脂基，金属基，金属基设计，代号）(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。

(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。

(3)复合材料具有可设计性。

●影响复合材料的因素：复合材料中增强体与基体界面的性能界面的好坏将直接影响到复合材料的综合性能。

复合材料的结构及成型技术基体的性能增强材料的性能树脂基（RMC）：1.比强度和比模量高2.良好的抗疲劳性能3.减振性能好4.过载安全性好5、具有多种功能性6、有很好的加工工艺性7.各向异性和性能可设计性8.材料与结构的统一性缺点：1、耐高温稳定性和老化性差；2、层间剪切强度低；3、材料强调的一致性不足；4、高性能复合材料的价格较高，主要用于尖端领域或奢侈品。

金属基（MMC）：1、比强度和比模量高见教材图1-1（P5）2、良好的导热、导电性3、热膨胀系数小、尺寸稳定性高4、高温性能和耐磨性能优5、不吸潮、老化性能好缺点：成型加工困难，质量较重复合材料分类（基体，增强材料）增强按照纤维的类型，纤维增强复合材料分：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料③有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。

①结构复合材料；结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，主要用于制造受力构件；它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。

结构复合材料又可按基体材料类型和增强体材料类型来分类②功能复合材料按基体类型分类聚合物基复合材料按增强体类型分类叠层式复合材料金属基复合材料片材增强复合材陶瓷基复合材料颗粒增强复合材料水泥基复合材料纤维增强复合材料碳基复合材料先进复合材料定义及发展：先进复合材料是比原有的通用复合材料有更高性能的复合材料。

包括用各种高性能增强剂(纤维等)与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、碳基复合材料。

包括使用其力学性能的结构复合材料和使用热、电、磁、光、核、生物及其他性能的功能复合材料强度：材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力塑性：材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能硬度：材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。

冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。

疲劳强度：金属材料抵抗交变载荷的作用而不破坏的能力。

金属材料物理性能：常温下金属大都是固体（汞除外），有金属光泽，大多数金属都是电和热的良导体（导电导热性），有延展性（可以拉成细丝，可以展成薄片），有韧性，所有的性质都可以用金属键理（金属原子和自由电子）进行解释。

金属材料工艺性能：铸造性能：流动性、收缩性、偏析论锻造性能：塑性、变形抗力焊接性能：焊接性、碳当量切削性能：表面粗糙度、刀具寿命热处理性能：淬透性合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质，仍然具有金属特性。

组元：组成合金的基本元素。

相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。

为改善铝的机械性能，研究发现向铝中加入适量的某些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。

目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、Mn、Zn和Li等，可单独加入，也可配合加入。

由此得到多种不同工程应用的铝合金。

Al 合金还常常要加一些辅助微量元素，如Ni、B、Zr、Cr、Ti、稀土等，进一步改善合金综合性能。

变形铝合金分类：指合金成分小于D点的合金，可以得到单相固溶体组织，塑性变形能力好，适合于冷热加工。

可分热处理强化和不可热处理强化两种铸造铝合金：指成分比D点高的合金属铸造铝合金。

有良好的铸造性能，熔液流动性好，收缩性好，抗热裂性高，可直接浇铸在砂型或金属型内，制成各种形状复杂的甚至薄壁的零件或毛坯。

强化方式1.固溶强化：铝合金中加入的主要合金元素Cu，Mg，Zn，Mn，Si，Li等都与Al形成有限固溶体，有较大的固溶度，具有较好的固溶强化效果。

2.时效（沉淀）强化：单纯靠固溶作用对Al合金的强化作用是很有限的，另一种更为有效的强化方式是Al合金的固溶（淬火）处理+时效热处理。

铝合金中较强的沉淀强化效果的基本条件：①沉淀强化相是硬度高的质点；②加入铝中的合金元素有高的极限固溶度，且极限固溶度随温度降低而显著减小；③淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体能形成强烈的应变场。

3.变质处理：以铝硅合金为例，组织中硅晶体呈初针状或片状，强度和塑性低4.细晶强化：通过向合金中加微量合金元素，或改变加工工艺及热处理工艺，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高合金强度，还改善塑性和韧性。

5.形变强化对合金进行冷塑性变形，利用金属的加工硬化提高合金强度。

这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。

铜及铜合金性能特点:纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。

具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。

塑性好。

纯钛加入合金元素形成钛合金。

●金属基复合材料（MMC）性能的影响因素：1基体的影响：不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。

基体的合金化也对复合材料的强度有重要影响，另外稀土元素的加入也能提高复合材料的强度2增强体的影响：加入增强体，材料的抗拉强度和屈服强度都有所提高3基体和增强体相容性的影响：由于基体和增强体热膨胀系数（CET）的差别引起的错配应力在基体中诱发了高密度位错、晶粒尺寸变化、残余应力（热错配应力）、时效析出组织等。

4工艺的影响：5界面的影响：目前界面优化的方法：金属基体合金化、增强体表面涂层处理、改变粘结剂及制备工艺和参数的控制等金属基体选择原则:1、根据金属基复合材料的使用要求:在航天、航空技术中，高比强度和比模量以及尺寸稳定性，宜选密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金）作为基体.高性能发动机则要有高比强度和比模量，耐高温性能。

应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物为基体。

汽车发动机要求耐热、耐磨、导热、高温强度，成本低廉，适合批量生产，选铝合金作基体。

工业集成电路选有高导热率的银、铜、铝等金属为基体2、根据金属基复合材料组成特点连续纤维增强的复合材料，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，选纯铝或含有少量合金元素的铝合金作基体非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，要选较高强度的合金作基体。

一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体3、基体金属与增强物的相容性化学相容性:应选利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面合金元素。

物理相容性：最重要的是要求纤维和基体的热膨胀系数匹配。

选择金属基复合材料的组分材料时，为避免过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀系数不要相差很大。

其他成分；选择适宜的成型方法；缩短材料在高温下的停留时间等。

有机胶凝材料：以天然或人工合成高分子化合物为基本组成无机胶凝材料：当其与水或水溶液拌合后形成的浆体，经过一系列物理、化学作用后能逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石气硬性：只能在空气中凝结硬化，并保持和发展强度的胶凝材料。

水硬性：既能在空气中硬化，又能更好的在水中硬化，保持并继续发展其强度无机胶凝材料特点：1)原料丰富，能就地取材，生产成本低；(2)耐久性好，适应性强，可用于水中、海洋及炎热、寒冷的环境；(3)耐火性好；(4)维修工作量小，折旧费用低；(5)作为基材组合或复合其他材料的能力强；(6)有利于有效地利用工业废渣。

水泥性质1.水泥硬化：（1）在水中或潮湿环境中进行；（2）产生大量水化热；（3）普通水泥：在空气中体积收缩，水中体积略有增大。

2.水泥凝固分为初凝和终凝。

初凝不宜过短，终凝不宜太长。

时间的规定：硅酸盐水泥不早于45min—不迟于390min；其他水泥不早于45min—不迟于600min。

3.水泥凝结硬化：颗粒越细、温度越高、加水越适量，凝结硬化速度越快。

4..水泥的体积安定性：硬结过程中体积变化的均匀程度。

硅酸盐水泥生产工艺：水泥＋水→具有流动性、可塑性浆体→浆体变稠、失去可塑性——凝结，随后水泥浆体开始产生强度→坚硬的水泥石——硬化（1）(3CaO·SiO2)+6H2O═3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2（2）2(2CaO·SiO2)+4H2O═3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2（3）3CaO·Al2O3+6H2O═3CaO·Al2O3·6H2O（4）4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O═3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O料，有时称菱苦土。

一般指苛性苦土(MgO)和苛性白云石(主要成分是MgO和CaCO3)凝结硬化特点：速度慢、体积收缩大、而且强度很低硬化特点：在干燥条件下具有硬化快、强度高的特点。

抗水性：差，在潮湿条件下其强度很快降低：氯盐的吸湿性大，结晶接触点的溶解度高，水化物具有高的溶解度。

改善方法：1，掺入外加剂：少量磷酸或磷酸盐水溶性树脂,2，不采用氯化镁做调和剂，采用硫酸镁(MgSO4·7H2O)、铁矾(FeSO4)陶瓷制品的生产阶段：坯料制备、成型、烧结烧结的原理：颗粒在接触点处的离子，因热的振动扩散而完成的。

陶瓷材料结构及其性能特点（晶相，玻璃相，气相）陶瓷结构中各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。

晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。

玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。

气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。

是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为5~10%，要力求使其呈球状，均匀分布。

特种陶瓷种类及特点：1.氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分，含少量SiO2的陶瓷。

根据Al2O3含量不同，分75瓷，又称刚玉-莫来石瓷；95瓷、99瓷，又称刚玉瓷。

Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈高。