陶瓷基复合材料要点
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第七章陶瓷基体复合材料
连续长纤维增强陶瓷复合材料的韧性、强度和模量都 有不同程度增强，而且制备工艺复杂，不容易均匀分 布。
短纤维（晶须）增强复合材料可以明显改善韧性，但 强度提高不够显著。晶须具有长径比，当其含量较高 时，因其桥架效应而使致密化变得因难，引起了密度 的下降并导致性能的下降。
复合材料的性能与基体的气孔率、界面结合有很大的 关系
二、ห้องสมุดไป่ตู้压烧结法
热压是目前制备纤维增强陶瓷基复合材料最常 用的方法，是压力与温度同时作用于粉体，加 快了粉体的致密化速度，使得产品的致密度更 高，同时晶粒尺寸也更小。主要包括以下两个 步骤：①增强相渗入没有固化的基体中；②固 化的复合材料被热压成型。
f(MPa)
Al2O3+ SiCw
复
SiCw含量（vol%）
SiCw含量（vol%）
合 材
维 氏
料
硬
弹 性
的
度
力
模 量
E(GPa)
学
性
能
SiCw含量（vol%）
从上面的讨论知道，由于晶须具有长 径比，因此，当其含量较高时，因其桥架 效应而使致密化变得因难，从而引起了密 度的下降并导致性能的下降。
氮化硅是一种出色的耐腐蚀材料，可用作坩锅， 热电欧保护管，金属冶炼炉的内衬材料。有极高 的热稳定性和中等的机械强度，可以用作火箭喷 嘴、导弹发射台和尾气喷管以及燃气轮叶片。
氮化硅原子自扩散系数非常小，制备难，近年来 人们开始研究添加氧化铝形成的氮化硅固溶体形 成Sialon陶瓷（赛隆，含有Si、Al、O、N四种元 素）。
工业陶瓷中碳化硅有黑色和绿色两种，黑色是碳过 量，绿色是硅过量
2）氮化硅陶瓷
氮和硅的唯一化合物。有α 、β 两中晶型，α 属于低 温型，在1400～1600℃时转变为β型（高温稳定型）。 两种变体均属于六方晶系，但c方向上α 型晶格常数 β型的2倍。两种晶型密度很相近，相变时几乎不发 生体积变化 。理论密度为3.184g/cm3，布氏硬度99 级，分解温度1900℃，α型膨胀系数为3.0×10-6/℃, β 型热膨胀系数为3.6×10-6/℃。20℃时电阻率为 1013~14Ω∙cm。机械强度高，尤其是高温机械强度。 化学稳定性好，抗氧化能力强
第七章 陶瓷基复合材料
航空航天领域，用陶瓷基复合材料制作
的导弹的头锥、火箭的喷管等也收到了
良好的效果。
法国已将长纤维增强碳化硅复合材 料应用于制作超高速列车的制动件， 具有优异的磨擦磨损特性。
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普通使用的燃气轮机高温部件: 镍基台金或钴基合金 可使汽轮机的进口温度高达1400 ℃ ，但这些合金的耐高温极限受到了 其熔点的限制，因此采用陶瓷材料来代替高温合金已成了目前研究的 一个重点内容。
界面强度过低、则使晶须的拔出功减小，这对韧化和强化都不利，因
此界面强度存在一个最佳值。
有明显的锯齿效应，这是晶须拔出桥连机制作用的结果。
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7.2 陶瓷基复合材料的成型加工
7.2.1 纤维增强陶瓷基复合材料的加工 基体方面：与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺陷有关；
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7.1.2 纤维增强陶瓷基复合材料
1、单向排布长纤维复合材料
单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点：各向异性，即沿纤维长
度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。 裂纹的扩展必须克服
由于纤维的加入而产
生的拔出功和纤维断 裂功，使得材料的断 裂更为困难，起到增 韧的作用。
纤维成一定角度，根据构件
的形状用纤维浸浆缠绕的方 法做成所需要形状的壳层状 构件。
增韧机理
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三维多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料
三维多向编织纤维增韧陶瓷是为了满足某些情况的性能要求而设计的。
这种材料最初是从宇航用三向C/C复合材料开始的，现已发展到三向石英/ 石英等陶瓷复合材料。 由于每束纤维呈直线伸展，不存在相 互交缠和绕曲，因而使纤维可以充分
第7章陶瓷基复合材料
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。
ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
20~40 － －
5、碳化硅陶瓷（SiC, Silicon Carbide）
以SiC为主要成分的陶瓷材料。
碳化硅（SiC）变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体结构， 一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属立方晶系，具有半导体特 性。多数碳化硅陶瓷是以-SiC为主晶相。
1、氧化铝陶瓷（Al2O3, alumina）
以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按 氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯氧化铝瓷等。
主晶相为-Al2O3，属六方晶系，体积密度为3.9 g/cm3左右，熔点 达2050℃。
氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除-Al2O3外，其它均 为不稳定晶型。-Al2O3为低温型，具有FCC结构，在950~1200℃范围 内可转化为-Al2O3，体积收缩约13%。在氧化铝陶瓷制备过程中， 一般先将原料预烧， 使-Al2O3转化为-Al2O3。
基复合材料
❖ 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状
材料
❖ 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 ❖ 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复
合材料。
陶瓷基复合材料类型汇总表
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。
ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
20~40 － －
5、碳化硅陶瓷（SiC, Silicon Carbide）
以SiC为主要成分的陶瓷材料。
碳化硅（SiC）变体很多，但作为陶瓷材料的主要有两种晶体结构， 一种是-SiC，属六方晶系；一种是-SiC，属立方晶系，具有半导体特 性。多数碳化硅陶瓷是以-SiC为主晶相。
1、氧化铝陶瓷（Al2O3, alumina）
以氧化铝为主成分的陶瓷材料。氧化铝含量越高，性能越好。按 氧化铝含量可分为75瓷、85瓷、95瓷、99瓷和高纯氧化铝瓷等。
主晶相为-Al2O3，属六方晶系，体积密度为3.9 g/cm3左右，熔点 达2050℃。
氧化铝有多种变体，其中主要有、型。除-Al2O3外，其它均 为不稳定晶型。-Al2O3为低温型，具有FCC结构，在950~1200℃范围 内可转化为-Al2O3，体积收缩约13%。在氧化铝陶瓷制备过程中， 一般先将原料预烧， 使-Al2O3转化为-Al2O3。
基复合材料
❖ 晶片补强增韧陶瓷基复合材料——包括人工晶片和天然片状
材料
❖ 长纤维补强增韧陶瓷基复合材料 ❖ 叠层式陶瓷基复合材料——包括层状复合材料和梯度陶瓷基复
合材料。
陶瓷基复合材料类型汇总表
陶瓷基复合材料的复合机理
陶瓷基复合材料的复合机理、制备、生产、应用及发展前景1.陶瓷基复合材料的复合机理陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。
陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。
这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。
而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。
纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
1．1陶瓷基复合材料增强体用于复合材料的增强体品种很多，根据复合材料的性能要求，主要分为以下几种。
1.1．1纤维类增强体纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。
连续长纤维的连续长度均超过数百。
纤维性能有方向性，一般沿轴向均有很高的强度和弹性模量。
连续纤维中又分为单丝和束丝，碳（石墨）纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维（烧结法制）、碳化硅纤维是以500~12000根直径为5.6~14微米的细纤维组成束丝作为增强体使用。
而硼纤维、碳化硅纤维是以直径为95~140微米的单丝作为增强体使用。
连续纤维制造成本高、性能高，主要用于高性能复合材料。
短纤维连续长度一般几十毫米，排列无方向性，一般采用生产成本低，生产效率高的喷射成型制造。
其性能一般比长纤维低。
增强体纤维主要包括无机纤维和有机纤维。
1.1.2颗粒类增强体颗粒类增强体主要是一些具有高强度、高模量。
耐热、耐磨。
耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒，主要有碳化硅、氧化铝、碳化钛、石墨。
细金刚石、高岭土、滑石、碳酸钙等。
主要还有一些金属和聚合物颗粒类增强体，后者主要有热塑性树脂粉末。
1.1.3晶须类增强体晶须是在人工条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为0.2~1微米，长度为几十微米，由于其具有细小组织结构，缺陷少，具有很高的强度和模量。
1.1.4金属丝用于复合材料的高强福、高模量金属丝增强物主要有铍丝、钢丝、不锈钢丝和钨丝等，金属丝一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料的增强，但前者比较多见。
陶瓷基复合材料
3、莫来石陶瓷（3Al2O3· 2SiO2, mullite）
莫来石一般是由人工合成的。工业上多用天然高铝矾土、粘土或工 业氧化铝等为原料，常用烧结或电熔法合成莫来石熔块，然后破碎成各 种粒度的莫来石粉料。一般合成温度高于1700℃。
实验室一般用化学法（如Sol-gel法）合成高纯、超细的莫来石粉体。
晶须
（陶瓷）
纤维
（连续、短纤维） （陶瓷、高熔点金属）
1650
结构复合式
（叠层、梯度） （按设计要求选择材料）
水泥
硅酸盐化合物、铝酸盐化合物等
叠层式（叠层、梯度）
（按设计要求选择材料）
二、原材料及其特性
陶瓷基复合材料是由基体材料和增强体材料组成。
基体材料有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、水泥、玻璃等。 增强体材料主要以不同形态来区分，有颗粒状、纤维状、 晶须、晶板等。
表面强化增韧
陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂 应力开始的。由于ZrO2陶瓷烧结体表面存在基 体的约束较少，t-ZrO2容易转变为m-ZrO2，而 内部t-ZrO2由于受基体各方向的压力保持亚稳 定状态。因此表面的m-ZrO2比内部的多，而转 变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应 力，可以抵消一部分外加的拉应力，从而造成 表面强化增韧。
莫来石质陶瓷通常是在1550~1600℃下常压烧结而成，纯莫来石陶 瓷通常要在1750℃左右才能烧结。
加入适量的稳定剂后，t相可以部分或全部以亚稳定状态存在于室 温，分别称为部分稳定氧化锆（PSZ）或四方相氧化锆多晶体（TZP）。
利用t-ZrO2m-ZrO2的马氏体相变，可以用来增韧陶瓷材料，即 氧化锆增韧陶瓷材料（ZTC）。 ZrO2陶瓷的特点是呈弱酸性或惰性，导热系数小（在100~1000℃ 范围内，导热系数=1.7~2.0W/(mK)，其推荐使用温度为2000~2200℃， 主要用于耐火坩埚、炉子和反应堆的绝热材料、金属表面的热障涂层等。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料引言。
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。
它具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、化工等领域。
本文将介绍陶瓷基复合材料的组成、性能和应用，并对其未来发展进行展望。
一、陶瓷基复合材料的组成。
陶瓷基复合材料通常由陶瓷基体和增强材料组成。
陶瓷基体可以是氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，而增强材料则可以是碳纤维、玻璃纤维、陶瓷颗粒等。
这些材料通过复合加工技术，如热压、注射成型等，将陶瓷基体与增强材料紧密结合，形成具有优异性能的复合材料。
二、陶瓷基复合材料的性能。
1. 耐磨性，陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性，可以在高速、高负荷条件下保持较长的使用寿命，因此被广泛应用于机械设备的零部件制造。
2. 耐腐蚀性，由于陶瓷基复合材料具有优异的化学稳定性，可以在酸、碱等腐蚀性介质中长期稳定运行，因此在化工领域得到广泛应用。
3. 高强度，陶瓷基复合材料在高温、高压条件下依然保持优异的强度和刚性，因此被广泛应用于航空航天领域。
4. 高温稳定性，陶瓷基复合材料在高温条件下依然保持稳定的性能，因此被广泛应用于发动机、燃气轮机等高温设备的制造。
三、陶瓷基复合材料的应用。
1. 航空航天领域，陶瓷基复合材料被广泛应用于航空发动机、航天器外壳等高温、高压零部件的制造。
2. 汽车制造领域，陶瓷基复合材料被应用于汽车刹车片、离合器片等零部件的制造，以提高其耐磨性和耐高温性能。
3. 化工领域，陶瓷基复合材料被应用于化工设备的制造，以提高其耐腐蚀性和耐高温性能。
四、陶瓷基复合材料的发展展望。
随着科学技术的不断进步，陶瓷基复合材料将会在性能和应用范围上得到进一步提升。
未来，我们可以期待陶瓷基复合材料在新能源领域、生物医药领域等新兴领域的广泛应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
结论。
陶瓷基复合材料具有优异的耐磨、耐腐蚀、高强度和高温稳定性等特点，因此在航空航天、汽车制造、化工等领域得到广泛应用。
复合材料第5章----陶瓷基复合材料
热压铸成型、挤压成型、轧膜成型、注浆成型、流 延成型、注射成型、直接凝固成型、泥浆渗透成型 、模压成型、等静压成型
3. 烧结
从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密制品的过程叫烧结。 为了烧结，必需有专门的窑炉。窑炉的种类繁多，按其功能进行划分可 分为间歇式和连续式。 烧结方法：普通烧结、热致密烧结、反应烧结、微波烧结及放电等离子 体。
较为复杂，因此也使这种方法具有很大的局限性。
橡皮模成型法：是用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成
。 型，故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性之类的问题
挤压成型法：把料浆放入压滤机内挤出水分，形成块状后， 从安装各种挤形口的真空挤出成型机挤出成型的方法，它适用于
断面形状简单的长条形坯件的成型。
41
轧膜成型
37
2晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备
与陶瓷材料相似，晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制造工 艺也可大致分为以下几个步骤：
配料 成型 烧结 精加工
这一过程看似简单，实则包含着相当复杂的内容。即使坯体 由超细粉(微米级)原料组成，其产品质量也不易控制，所以随着现 代科技对材料提出的要求的不断提高，这方面的研究还必持进一步 深入。
上述的干燥粉料充入模型内，加压后即可成型。通常有金属模成型 法和橡皮模成型法。
金属模成型法具有装置简单，成型成本低廉的优点，仍它的加压方 向是单向的。粉末与金属模壁的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀。 故易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形状比较简单的制件。
40
注射成型法：从成型过程上看，与塑料的注射成型过程相类 似，但在陶瓷中必须从生坯里将粘合剂除去并再烧结，这些工艺均
31
刚性颗粒弥散强化陶瓷增韧机理
裂纹分支、裂纹偏转和钉扎。 颗粒弥散增韧与温度无关，可作为高温增韧机制。颗粒弥散强化是一种
3. 烧结
从生坯中除去粘合剂组分后的陶瓷素坯烧固成致密制品的过程叫烧结。 为了烧结，必需有专门的窑炉。窑炉的种类繁多，按其功能进行划分可 分为间歇式和连续式。 烧结方法：普通烧结、热致密烧结、反应烧结、微波烧结及放电等离子 体。
较为复杂，因此也使这种方法具有很大的局限性。
橡皮模成型法：是用静水压从各个方向均匀加压于橡皮模来成
。 型，故不会发生生坯密度不均匀和具有方向性之类的问题
挤压成型法：把料浆放入压滤机内挤出水分，形成块状后， 从安装各种挤形口的真空挤出成型机挤出成型的方法，它适用于
断面形状简单的长条形坯件的成型。
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轧膜成型
37
2晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工与制备
与陶瓷材料相似，晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制造工 艺也可大致分为以下几个步骤：
配料 成型 烧结 精加工
这一过程看似简单，实则包含着相当复杂的内容。即使坯体 由超细粉(微米级)原料组成，其产品质量也不易控制，所以随着现 代科技对材料提出的要求的不断提高，这方面的研究还必持进一步 深入。
上述的干燥粉料充入模型内，加压后即可成型。通常有金属模成型 法和橡皮模成型法。
金属模成型法具有装置简单，成型成本低廉的优点，仍它的加压方 向是单向的。粉末与金属模壁的摩擦力大，粉末间传递压力不太均匀。 故易造成烧成后的生坯变形或开裂、只能适用于形状比较简单的制件。
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注射成型法：从成型过程上看，与塑料的注射成型过程相类 似，但在陶瓷中必须从生坯里将粘合剂除去并再烧结，这些工艺均
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刚性颗粒弥散强化陶瓷增韧机理
裂纹分支、裂纹偏转和钉扎。 颗粒弥散增韧与温度无关，可作为高温增韧机制。颗粒弥散强化是一种
陶瓷基复合材料要点课件(1).ppt
3
按基体分：
金属基复合材料MMC
复合材料
有机材料基复合材料
无机非金属基复合材料
木质基复合材料
聚合物基复合材料PMC
橡胶基 树脂基
水泥或混凝土基复合材料
热塑性树脂 热固性树脂
陶瓷基复合材料CMC
4
按增加体分：
复合材料
颗粒状分散复合材料 纤维状分散复合材料
分散强化复合材料
片晶增强复合材料
颗粒增强复合材料
单向纤维强化复合材料
连续纤维复合材料
非编织纤维层 二维、三维编织纤维层
不连续纤维复合材料
短纤维
随机排列 定向排列
晶须
随机排列
定向排列 5
按性能分：
聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 功能基复合材料 纳米基复合材料 梯度基复合材料
6
复合材料在21世纪中应起的作用
对信息技术提供服务：信息获得、处 理、储存、传输和执行
32
莫来石 （3Al2O3·2SiO2~2Al2O3·SiO2), 一般1550～1600℃烧成，纯的莫来石 要在1750 ℃左右才能烧成。
尖晶石（AR2O4，A代表二价元素离子， R代表三价元素），典型的有镁铝尖晶 石。
33
基体材料 — 非氧化物陶瓷
指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物 和硅化物等。自然界比较少，需要人工合 成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成 分和晶相，主要由共价键结合而成，也有 一定的金属键成分。
10
纳米复合材料
纳米效应—表面及界面效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应等，这些效应使纳米复合材料不仅有 优良的力学性质而且会产生光学、排线性光学、光 化学和电学的功能作用。 （1）有机—无机纳米复合材料 将无机纳米粒子引入有机聚合物——电磁流变液 （2）无机——无机纳米复合材料
按基体分：
金属基复合材料MMC
复合材料
有机材料基复合材料
无机非金属基复合材料
木质基复合材料
聚合物基复合材料PMC
橡胶基 树脂基
水泥或混凝土基复合材料
热塑性树脂 热固性树脂
陶瓷基复合材料CMC
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按增加体分：
复合材料
颗粒状分散复合材料 纤维状分散复合材料
分散强化复合材料
片晶增强复合材料
颗粒增强复合材料
单向纤维强化复合材料
连续纤维复合材料
非编织纤维层 二维、三维编织纤维层
不连续纤维复合材料
短纤维
随机排列 定向排列
晶须
随机排列
定向排列 5
按性能分：
聚合物基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 功能基复合材料 纳米基复合材料 梯度基复合材料
6
复合材料在21世纪中应起的作用
对信息技术提供服务：信息获得、处 理、储存、传输和执行
32
莫来石 （3Al2O3·2SiO2~2Al2O3·SiO2), 一般1550～1600℃烧成，纯的莫来石 要在1750 ℃左右才能烧成。
尖晶石（AR2O4，A代表二价元素离子， R代表三价元素），典型的有镁铝尖晶 石。
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基体材料 — 非氧化物陶瓷
指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物 和硅化物等。自然界比较少，需要人工合 成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成 分和晶相，主要由共价键结合而成，也有 一定的金属键成分。
10
纳米复合材料
纳米效应—表面及界面效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应等，这些效应使纳米复合材料不仅有 优良的力学性质而且会产生光学、排线性光学、光 化学和电学的功能作用。 （1）有机—无机纳米复合材料 将无机纳米粒子引入有机聚合物——电磁流变液 （2）无机——无机纳米复合材料
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复合材料新的设计和制备方法：
?新型设计方法 ?新的制备方法
14
第二章 复合材料的基本理论
?力学性能的复合准则 ?增强原理：弥散增强和颗粒增强、连续增强 ?以弹性论为基础的复合法则 ?物理性能的复合法则 ?加和特性 ?传递特性 ?结构敏感特性
15
复合材料组织与性能之间的关系
材料的微观组织 ﹡形状、分散程度 ﹡体积分数 ﹡几何学特征
? 复合材料基础理论问题：
界面问题、可靠性问题 复合材料新的设计和制备方法
9
功能复合材料
?电功能方面——有导电、超导、绝缘、半导电、压电等 ?磁功能方面——有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等 ?声功能方面——有吸声、声纳、抗声纳等 ?机械功能方面——有阻尼减振、自润滑、防弹装甲等 ?化学功能方面——有吸附与分离、抗腐蚀等
4
按基体分：
复合材料
金属基复合材料MMC 有机材料基复合材料
无机非金属基复合材料
Байду номын сангаас
木质基复合材料
聚合物基复合材料PMC
橡胶基 树脂基
水泥或混凝土基复合材料
热塑性树脂 热固性树脂
陶瓷基复合材料CMC
5
按增加体分：
复合材料
颗粒状分散复合材料 纤维状分散复合材料
分散强化复合材料
片晶增强复合材料
颗粒增强复合材料
22
举例1：对材料施加磁场而产生电流。如具有压电作结构 的钛酸钡BaTiO与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4的微细 粉末烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时, 会在铁氧体中产生压力，此压力传递到钛酸钡， 就会在复合材料中产生电场。
? P c ?
( Pi ) n V i
i?1
式中Pc为复合材料的特性，Pi为构成复合材料的原 材料特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分数， n由实验确定，其范围为-1 ﹤ n ﹤ 1
21
物理性能的复合法则
-----传递特性（乘积特性）
?构成复合材料的两种以上原材料的不同 性能。 假定X作为输入时产生输出（ Y/X）； 而Y 又作为第二次的输入，产生输入出 Z （Z/Y），这样就相当于产生了连销反应， 从而引出新的机能（ Z/X）。
17
连续纤维增强
?对于As→∞的场合，最简单的是将其简化 为二维层板模型，有并联和串联两种考虑方 式。在忽略泊松比影响的情况下，复合材料 的弹性模量可以表示为：
并联： Ec ? Em fm ? Er fr ? Em (1? fr ) ? Er fr
? ? ? 串联：
1 Ec
fm
fr
Em Er
Em fm ? Er (1? fr ) Em Er
? 对信息技术提供服务：信息获得、处 理、储存、传输和执行
? 对提高人类生活质量作出贡献： 改善舒适性、提高安全性、提高人类 健康水平等。
8
复合材料新的生长点和有待深入研究、开拓的问题
未来复合材料发展的新领域
? 发展功能、多功能、机敏、智能复合材料 ? 纳米复合材料 ? 仿生复合材料
基础理论、设计和制备方法的深化、开拓与创新
多功能复合材料
?兼具功能与结构的复合材料。如美国的军用飞机即具有 自我保护的隐身功能又有好的结构性能。
10
机敏复合材料
?具有能感知外界作用而且作出适当反应的能力。将传感 功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一 起，并且连接外部信息处理系统，把传感器给出的信息 传达给执行材料，使之产生相应的动作——构成机敏复 合材料及系统。
复合材料的 基本理论
复合材料的 整体性能
原材料的性能 ﹡力学性能 ﹡物理性能 ﹡界面状态
16
增强原理
?分散相的形状可以由形数比（即形状尺 As：aspect ratio）来描述。 As→∞为连续 棒状，对应于连续纤维，1＜ As ＜ ∞为 棒状，对应于不连续的纤维， As≈1为球 状，对应于颗粒。
智能复合功能
?功能复合材料的最高形式，在机敏复合材料基础上向自 决策能力上的发展。依靠在外部信息中处理系统增加的 工人智能系统，对信息进行分析，给出决策，指挥执行 材料做出优化动作——对材料的传感部分和执行部分的 灵敏度、精确度和响应速度提出了更高的要求。
11
纳米复合材料
?纳米效应—表面及界面效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应等，这些效应使纳米复合材料不仅有 优良的力学性质而且会产生光学、排线性光学、光 化学和电学的功能作用。 （1）有机—无机纳米复合材料 将无机纳米粒子引入有机聚合物——电磁流变液 （2）无机——无机纳米复合材料
单向纤维强化复合材料
连续纤维复合材料
非编织纤维层 二维、三维编织纤维层
不连续纤维复合材料
短纤维
随机排列 定向排列
晶须
随机排列
定向排列 6
按性能分：
? 聚合物基复合材料 ? 金属基复合材料 ? 无机非金属基复合材料 ? 功能基复合材料 ? 纳米基复合材料 ? 梯度基复合材料
7
复合材料在21世纪中应起的作用
18
由复合化理论计算的复合材料特性的上限与下限
19
以弹性论为基础的复合法则
复合材料的两种解析模型 a—两相模型 b —三相模型
20
物理性能的复合法则
-----加和特性
?复合材料的加和特性主要由原材料的组合形 状和体积分数决定。相当于力学性能中的弹性
模量、线膨胀率等结构不敏感特性。
复合法则为：
N
12
仿生复合材料
?天然的生物材料 ——基本上都是复合材 料
?竹子——以管式纤维构成 ?贝壳——无机质成分与有机质成分呈层
状交替叠层构成
13
复合材料基础理论问题：
? 界面问题：表征方法、界面设计、界面改性、界 面残余应力等。
?可靠性问题：制约复合材料发展的关键问题与其 组分、设计、加工工艺和环境等密 切相关。
陶瓷基复合材料
1
陶瓷基复合材料
第一章 绪论 第二章 复合材料的基本理论 第三章 原材料及特性 第四章 陶瓷基复合材料的制备方法 第五章 界面与表面
2
第一章 绪 论
? 复合材料的分类 ? 复合材料在21世纪中应起的作用 ? 复合材料新的生长点和有待深入
研究、开拓的问题
3
复合材料的分类 —定义
定义1：把两种以上不同的原材料组成，使原材 料的性能得到充分发挥，并通过复合化而得到单 一材料所不具备的性能 的材料。 定义2：把一些个体典型或基本的特性组合，而得 到的物质。 定义3：经过一定的操作，将复数个原材料合体， 或者是由复数个相生成，且具有比原材料优异的 性能的材料。 共同特点： （1）两种以上不同的化学相 （2）具有每个组分所不具备的优良性能
?新型设计方法 ?新的制备方法
14
第二章 复合材料的基本理论
?力学性能的复合准则 ?增强原理：弥散增强和颗粒增强、连续增强 ?以弹性论为基础的复合法则 ?物理性能的复合法则 ?加和特性 ?传递特性 ?结构敏感特性
15
复合材料组织与性能之间的关系
材料的微观组织 ﹡形状、分散程度 ﹡体积分数 ﹡几何学特征
? 复合材料基础理论问题：
界面问题、可靠性问题 复合材料新的设计和制备方法
9
功能复合材料
?电功能方面——有导电、超导、绝缘、半导电、压电等 ?磁功能方面——有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等 ?声功能方面——有吸声、声纳、抗声纳等 ?机械功能方面——有阻尼减振、自润滑、防弹装甲等 ?化学功能方面——有吸附与分离、抗腐蚀等
4
按基体分：
复合材料
金属基复合材料MMC 有机材料基复合材料
无机非金属基复合材料
Байду номын сангаас
木质基复合材料
聚合物基复合材料PMC
橡胶基 树脂基
水泥或混凝土基复合材料
热塑性树脂 热固性树脂
陶瓷基复合材料CMC
5
按增加体分：
复合材料
颗粒状分散复合材料 纤维状分散复合材料
分散强化复合材料
片晶增强复合材料
颗粒增强复合材料
22
举例1：对材料施加磁场而产生电流。如具有压电作结构 的钛酸钡BaTiO与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4的微细 粉末烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时, 会在铁氧体中产生压力，此压力传递到钛酸钡， 就会在复合材料中产生电场。
? P c ?
( Pi ) n V i
i?1
式中Pc为复合材料的特性，Pi为构成复合材料的原 材料特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分数， n由实验确定，其范围为-1 ﹤ n ﹤ 1
21
物理性能的复合法则
-----传递特性（乘积特性）
?构成复合材料的两种以上原材料的不同 性能。 假定X作为输入时产生输出（ Y/X）； 而Y 又作为第二次的输入，产生输入出 Z （Z/Y），这样就相当于产生了连销反应， 从而引出新的机能（ Z/X）。
17
连续纤维增强
?对于As→∞的场合，最简单的是将其简化 为二维层板模型，有并联和串联两种考虑方 式。在忽略泊松比影响的情况下，复合材料 的弹性模量可以表示为：
并联： Ec ? Em fm ? Er fr ? Em (1? fr ) ? Er fr
? ? ? 串联：
1 Ec
fm
fr
Em Er
Em fm ? Er (1? fr ) Em Er
? 对信息技术提供服务：信息获得、处 理、储存、传输和执行
? 对提高人类生活质量作出贡献： 改善舒适性、提高安全性、提高人类 健康水平等。
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复合材料新的生长点和有待深入研究、开拓的问题
未来复合材料发展的新领域
? 发展功能、多功能、机敏、智能复合材料 ? 纳米复合材料 ? 仿生复合材料
基础理论、设计和制备方法的深化、开拓与创新
多功能复合材料
?兼具功能与结构的复合材料。如美国的军用飞机即具有 自我保护的隐身功能又有好的结构性能。
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机敏复合材料
?具有能感知外界作用而且作出适当反应的能力。将传感 功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一 起，并且连接外部信息处理系统，把传感器给出的信息 传达给执行材料，使之产生相应的动作——构成机敏复 合材料及系统。
复合材料的 基本理论
复合材料的 整体性能
原材料的性能 ﹡力学性能 ﹡物理性能 ﹡界面状态
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增强原理
?分散相的形状可以由形数比（即形状尺 As：aspect ratio）来描述。 As→∞为连续 棒状，对应于连续纤维，1＜ As ＜ ∞为 棒状，对应于不连续的纤维， As≈1为球 状，对应于颗粒。
智能复合功能
?功能复合材料的最高形式，在机敏复合材料基础上向自 决策能力上的发展。依靠在外部信息中处理系统增加的 工人智能系统，对信息进行分析，给出决策，指挥执行 材料做出优化动作——对材料的传感部分和执行部分的 灵敏度、精确度和响应速度提出了更高的要求。
11
纳米复合材料
?纳米效应—表面及界面效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应等，这些效应使纳米复合材料不仅有 优良的力学性质而且会产生光学、排线性光学、光 化学和电学的功能作用。 （1）有机—无机纳米复合材料 将无机纳米粒子引入有机聚合物——电磁流变液 （2）无机——无机纳米复合材料
单向纤维强化复合材料
连续纤维复合材料
非编织纤维层 二维、三维编织纤维层
不连续纤维复合材料
短纤维
随机排列 定向排列
晶须
随机排列
定向排列 6
按性能分：
? 聚合物基复合材料 ? 金属基复合材料 ? 无机非金属基复合材料 ? 功能基复合材料 ? 纳米基复合材料 ? 梯度基复合材料
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复合材料在21世纪中应起的作用
18
由复合化理论计算的复合材料特性的上限与下限
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以弹性论为基础的复合法则
复合材料的两种解析模型 a—两相模型 b —三相模型
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物理性能的复合法则
-----加和特性
?复合材料的加和特性主要由原材料的组合形 状和体积分数决定。相当于力学性能中的弹性
模量、线膨胀率等结构不敏感特性。
复合法则为：
N
12
仿生复合材料
?天然的生物材料 ——基本上都是复合材 料
?竹子——以管式纤维构成 ?贝壳——无机质成分与有机质成分呈层
状交替叠层构成
13
复合材料基础理论问题：
? 界面问题：表征方法、界面设计、界面改性、界 面残余应力等。
?可靠性问题：制约复合材料发展的关键问题与其 组分、设计、加工工艺和环境等密 切相关。
陶瓷基复合材料
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陶瓷基复合材料
第一章 绪论 第二章 复合材料的基本理论 第三章 原材料及特性 第四章 陶瓷基复合材料的制备方法 第五章 界面与表面
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第一章 绪 论
? 复合材料的分类 ? 复合材料在21世纪中应起的作用 ? 复合材料新的生长点和有待深入
研究、开拓的问题
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复合材料的分类 —定义
定义1：把两种以上不同的原材料组成，使原材 料的性能得到充分发挥，并通过复合化而得到单 一材料所不具备的性能 的材料。 定义2：把一些个体典型或基本的特性组合，而得 到的物质。 定义3：经过一定的操作，将复数个原材料合体， 或者是由复数个相生成，且具有比原材料优异的 性能的材料。 共同特点： （1）两种以上不同的化学相 （2）具有每个组分所不具备的优良性能