第六章 功能复合材料概要
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复合材料力学第六章
1、直法线假定：（Kirchhoff 克希霍夫） 层合板变形前垂直于中面的法线，在变形后 ，仍 垂直于中面，而且长度不变
3、变形很小，认为是小挠度理论（弯曲问题） 认为是小应变理论（屈曲、振动问题） 4、忽略体积力
2、板很薄：
很小，忽略不计微分方程
对于 的特殊正交各向异性方 板和各向同性板的四个最低频率列与下表，其中系数k定义为：
波型
特殊正交各向异性
各向同性
m
n
k
m
n
k
第一
1
1
3.6055
1
1
2
第二
1
2
5.8309
1
2
5
不必考虑面内边界有关u、v 的条件。
§6-3 各种特殊层合板在横向均布载荷 作用下的弯曲
将w代入微分方程，并对比系数可得：
一旦w确定下来，则由几何方程可得应变 和 。由物理方程的应力应变关系可得应力:
有正轴应力分量可以考虑强度问题。 二、对称角铺设层合板 由于 ，仍然只需考虑一个微分方程
其中：P w 项是外力功，其余项是板的应变能。位移函数w展开，待定系数
则根据最小总势能原理，w满足平衡的条件是：
的存在增加了挠度，说明弯扭耦合刚度 降低了板的 抗弯刚度。
根据m、n取的项数，可得一联立方程组。解出 ，则w解出。当m=1~7，n=1~7（共49项）时，板中央的挠度为:
如果忽略 的作用，把板看作是特殊正交各向异性板，则
两者误差约24%。
设:
对称角铺设层合板 微分方程为：
6-4 各种特殊层合板在面内压缩载荷作用下的屈曲
简支边界条件为：
D16,D26的存在，无法得到封闭解，变量不可分离，同样可以由Rayleigh Ritz法求解： 设屈曲位移为：
功能复合材料
功能复合材料制备工艺的影响因素
材料性能
• 复合材料的性能受组成材料的性能影响
• 选择合适的材料是制备高性能复合材料的关键
制备工艺
• 制备工艺对复合材料的性能有很大影响
• 控制制备工艺是制备高性能复合材料的关键
⌛️
环境因素
• 环境因素对复合材料的性能有很大影响
• 控制环境因素是制备高性能复合材料的关键
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功能复合材料研究与应用
DOCS
01
功能复合材料பைடு நூலகம்基本概念与特
点
功能复合材料的定义与分类
功能复合材料的定义
• 由两种或多种具有不同性质的材料组成
• 通过物理或化学方法复合，实现单一材料无法达到的性能
• 具有功能性、结构性和外观性的复合材料
电性能
• 导电性能、介电性能等性能指标
• 电性能的评价指标通常与复合材料的应用要求相关
功能复合材料的性能优化与应用改进
材料设计
• 通过材料设计优化复合材料的性能
• 通过材料设计实现复合材料性能的定向调控
制备工艺
• 通过改进制备工艺提高复合材料的性能
• 通过优化制备工艺降低复合材料的制备成本
应用技术
功能复合材料制备技术的发展与创新
制备技术改进
新型制备技术
智能化制备
• 通过改进现有制备技术，提高复合
• 开发新型制备技术，实现新型复合
• 发展智能化制备技术，实现复合材
材料的性能
材料的生产
料制备过程的自动化和智能化
• 通过优化制备工艺，降低复合材料
• 通过新型制备技术，提高复合材料
第六章纳米复合材料的应用
以马来酸酐改性聚丙烯预聚物作为聚丙烯与粘土 的增溶剂，粘土片层间距因此而有了较大的扩展， 在一定粘土含量的范围内，粘土均能以纳米级片 层均匀扩散在聚丙烯基体中。
第六章纳米复合材料的应用
由于纳米级的分散状态，聚丙烯复 合材料的拉伸强度、杨氏模量等随着 增溶剂马来酸酐改性聚丙烯预聚物的 增加而增加，复合材料的玻璃化温度 都相当提高。
市场规模将高达6万亿美元
第六章纳米复合材料的应用
宰贝克斯公司认为，虽然纳米技 术每个阶段到来的时间有很大的不 确定性，难以准确预测，但在2010 年之前，纳米技术有可能发展到第 三个阶段，超越“量子效应障碍”的技
术将达到实用化水平。
第六章纳米复合材料的应用
ξ2 纳米复合材料的性质
纳米复合材料具有无机材料的性质、纳米粒 子的性质和聚合物材料的性质，因而具有其 他材料所不具备的特别性质。
环氧树脂基纳米复合材料的制备方法主要有： 溶液混合法、插层法。
第六章纳米复合材料的应用
溶液混合法 溶液混合法就是将表面改性的纳米粉体
填充于环氧树脂中，借助机械搅拌或者超 声分散，促使纳米粉体分散均匀。在随后 的固化剂作用下，固化成型得到复合材料。
环氧树脂的室温粘度较大，一般在高于 室温30～60℃下进行混合分散，以有利 于纳米粉体在环氧树脂中分散均匀。
纳米纳米复合塑料具有一般工程塑料所不复合塑料具有一般工程塑料所不具备的优异性能因此是一种全新的高具备的优异性能因此是一种全新的高技术新材料具有广阔的商业开发和应技术新材料具有广阔的商业开发和应用前景用前景对塑料的增韧增强作用对塑料的增韧增强作用改善塑料的抗老化性改善塑料的抗老化性赋予塑料的功能性赋予塑料的功能性热固性热固性功能热塑性纳米复合塑料的成型工艺是纳米热塑性纳米复合塑料的成型工艺是纳米填充物与热塑性树脂混合挤出成型填充物与热塑性树脂混合挤出成型由于纳米材料的团聚特性纳米相材料的由于纳米材料的团聚特性纳米相材料的彼此结合力大普通的塑料挤出机即使彼此结合力大普通的塑料挤出机即使是双螺杆挤出机也很难使整体的复合材料是双螺杆挤出机也很难使整体的复合材料达到无机相纳米级的分散程度
第六章纳米复合材料的应用
由于纳米级的分散状态，聚丙烯复 合材料的拉伸强度、杨氏模量等随着 增溶剂马来酸酐改性聚丙烯预聚物的 增加而增加，复合材料的玻璃化温度 都相当提高。
市场规模将高达6万亿美元
第六章纳米复合材料的应用
宰贝克斯公司认为，虽然纳米技 术每个阶段到来的时间有很大的不 确定性，难以准确预测，但在2010 年之前，纳米技术有可能发展到第 三个阶段，超越“量子效应障碍”的技
术将达到实用化水平。
第六章纳米复合材料的应用
ξ2 纳米复合材料的性质
纳米复合材料具有无机材料的性质、纳米粒 子的性质和聚合物材料的性质，因而具有其 他材料所不具备的特别性质。
环氧树脂基纳米复合材料的制备方法主要有： 溶液混合法、插层法。
第六章纳米复合材料的应用
溶液混合法 溶液混合法就是将表面改性的纳米粉体
填充于环氧树脂中，借助机械搅拌或者超 声分散，促使纳米粉体分散均匀。在随后 的固化剂作用下，固化成型得到复合材料。
环氧树脂的室温粘度较大，一般在高于 室温30～60℃下进行混合分散，以有利 于纳米粉体在环氧树脂中分散均匀。
纳米纳米复合塑料具有一般工程塑料所不复合塑料具有一般工程塑料所不具备的优异性能因此是一种全新的高具备的优异性能因此是一种全新的高技术新材料具有广阔的商业开发和应技术新材料具有广阔的商业开发和应用前景用前景对塑料的增韧增强作用对塑料的增韧增强作用改善塑料的抗老化性改善塑料的抗老化性赋予塑料的功能性赋予塑料的功能性热固性热固性功能热塑性纳米复合塑料的成型工艺是纳米热塑性纳米复合塑料的成型工艺是纳米填充物与热塑性树脂混合挤出成型填充物与热塑性树脂混合挤出成型由于纳米材料的团聚特性纳米相材料的由于纳米材料的团聚特性纳米相材料的彼此结合力大普通的塑料挤出机即使彼此结合力大普通的塑料挤出机即使是双螺杆挤出机也很难使整体的复合材料是双螺杆挤出机也很难使整体的复合材料达到无机相纳米级的分散程度
功能材料6.1
• (一)激光材料
• 1．激光和激光的产生
• 1960年，美国人麦蒙制成了世界上第一台红宝 石激光器。激光的出现使古老的光学焕发了青 春。激光之前的光学，是研究弱光束在介质中 传播规律的科学，即研究光在透射、反射、折 射、干涉、衍射、散射和吸收现象中的规律。 这时的光学仪器和装置主要是人类用来观察和 认识世界的工具。激光，这样的强光在介质中 传播时，出现许多新的现象和规律，促进光学 大步地向前发展。激光仪器和装置不仅可用来 观察和认识世界，还可用来改造世界。
• 2．激光材料
• 固体激光材料是由基质材料和激活离子两 部分组成。激光材料的各种物理化学性质 主要由基质材料决定，激光材料的光谱性 质主要由激活离子所决定。但两者之间也 存在着相互作用，必须注意。
• (1)基质材料
• 激光材料的基质材料有基质晶体和基质玻 璃两大类。
• 1)基质晶体
• 人们已合成出激光材料的基质晶体200多种。按结 晶学原则可分为简单氟化物晶体、复合氟化物晶体、 简单氧化物晶体、复合氧化物晶体和其他晶体五类。
• 光功能材料是指在光、电、声、磁、力等 外场作用下，其光学性能发生变化，利用 这种变化可实现光的探测和能量转换的材 料。如激光材料、电光材料、声光材料、 光信息存储材料、光电转换材料等。这些 材料的发展，推动了强光在介质中传播规 律的基础研究，也促使激光技术、红外技 术、信息技术等新兴技术的迅速发展。可 见，光功能材料主要是由于激光的出现， 而发展起来的一类材料。
• (二)功能材料的内容
• 正因为功能材料是一门新兴的学科，它所 包含的内容尚无止境，也不系统。常常随 一种新材料的发现而不断扩展其内容。为 此，本章只能对目前公认的某些功能材料 作些介绍，起一个抛砖引玉的作用。
无机复合材料第六章——碳碳复合材料
7
8
1、力学性能——与碳材料的对比
C/C复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于 基体的碳材料。
9
2、摩擦性能
碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能 显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹 车装置的重量。
◆ 摩擦系数：0.2-0.3
高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达500℃，而表面最 高温度可达1500℃以上。
从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
预制体； 高温和HIP下，沥青中挥发分进
行碳化，同时防止沥青流出预 制体； HIPIC一次需1～3天。
54
4、CVD/CVI工艺
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
55
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
等温 (Isothermal)法； 压力梯度 (Pressure gradient)法； 温度梯度(Thrmal gradient)法； 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
49
PIC工艺与在1大气压下浸渍－碳化工艺 对复合材料密度影响
50
◆ 沥青液态浸渍-碳化工艺
沥青液态浸渍－碳化工艺与树脂有相似之处，但根据 沥青的特性，也有不同之处。主要是沥青软化点低；熔化 后粘度低易浸渍；含有较多的低分子量芳香族分子可以在 压力下热解转化为碳；碳化后基体沥青碳易石墨化等。
8
1、力学性能——与碳材料的对比
C/C复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于 基体的碳材料。
9
2、摩擦性能
碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能 显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹 车装置的重量。
◆ 摩擦系数：0.2-0.3
高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达500℃，而表面最 高温度可达1500℃以上。
从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
预制体； 高温和HIP下，沥青中挥发分进
行碳化，同时防止沥青流出预 制体； HIPIC一次需1～3天。
54
4、CVD/CVI工艺
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
55
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
等温 (Isothermal)法； 压力梯度 (Pressure gradient)法； 温度梯度(Thrmal gradient)法； 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
49
PIC工艺与在1大气压下浸渍－碳化工艺 对复合材料密度影响
50
◆ 沥青液态浸渍-碳化工艺
沥青液态浸渍－碳化工艺与树脂有相似之处，但根据 沥青的特性，也有不同之处。主要是沥青软化点低；熔化 后粘度低易浸渍；含有较多的低分子量芳香族分子可以在 压力下热解转化为碳；碳化后基体沥青碳易石墨化等。
材料性能学第六章概要
六
章 摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润
材 滑条件差，以及接触应力大以及机械性能相差不 料 大的摩擦副的滑动摩擦条件下。
的 磨
3、磨损特征
损 摩擦副表面产生大小不等的结疤。
性
能 （粘着点不断形成又不断破坏并脱落）
2019/9/25
第
4、粘着磨损的两种形式
六
章
a、 若粘着点结合强度低于两侧材料，则沿接触
第
B、稳定磨损阶段（AB段）
六
该段为一直线，斜率即磨损速率（常数），零件
章 正常工作阶段，零件 的寿命取决于该阶段。
材 料
C、剧烈磨损阶段（BC段）
的 随着磨损量的增加，摩擦幅间隙增大，零件表面
磨 质量恶化（强化层磨穿）， 润滑膜被破坏，引起
损
剧烈振动，磨损加剧，零件快速失效。
性
能
2019/9/25
料
的
磨损的本质
磨
损
材料表面局部变形和断裂，且这种变形与断裂
性
是反复进行的，具有动态特征。
能
2019/9/25
第 六 章 材 料 的 磨 损 性 能
2019/9/25
零件正常运行的磨损过程一般分三个阶段：
A、跑合阶段（OA段） 零件表面被逐渐磨平，实际接触面积不断增大。 材料表层产生应变硬化，磨损速率逐渐下降。
b、球体的点接触应力
第
六 （滚珠与轴承套圈之间的接触）
章 材 料 的 磨 损 性 能
2019/9/25
第 六
最大切应力τyz45ºmax发生在Z=0.786b深处
章 材
τyz45ºmax=0.3 σmax
料 以上为纯滚动时的值，若两接触物体既作滚动又 的 有滑动，则应附加切向摩擦力，最大切应力分布 磨 如图:
第六章-陶瓷基复合材料的种类和性能-
陶瓷基体材料
氧化物陶瓷
氧化铝 二氧化锆 堇青石(Mg2Al4Si5O18) 钛酸铝 莫来石
性
能
耐热、耐腐蚀、耐磨 高断裂韧性、绝热 低膨胀系数、极好的抗热震性 低膨胀系数、绝热、极好抗热震性 耐热、耐腐蚀
氧化物复合材料
高断裂韧性、高强度
非氧化物陶瓷
氮化硅
六方氮化硼 立方氮化硼 氮化铝
性
能
高断裂韧性、高强度、极好抗热震性、耐磨损
耐磨蚀、极好抗热震性、极好润滑性 非常高的硬度、极好的热传导体 耐热、高热传导体
碳化硅
复合陶瓷
耐热、耐腐蚀、耐磨损、高热导体
高断裂韧性、高强度
三、陶瓷基复合材料的应用及前景
1. 陶瓷基复合材料在工业上的应用 陶瓷材料具有耐高温、高强度、高硬度 及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大的弱点限 制了它的广泛应用。
化的领域包括：刀具、滑动构件、航空航
天构件、发动机制件、能源构件等。
11
在切削工具方面， SiCw增韧的细颗粒 Al2O3陶瓷复合材料已成功用于工业生产制 造切削刀具。下图为用热压法制备的SiCw/ Al2O3复合材料钻头。
12
SiCw/ Al2O3复合材料钻头
13
在航空航天领域，用陶瓷基复合材料
本次主要讲解内容：
一、基本概念和分类 二、原材料及其性能特征 三、陶瓷基复合材料的应用及前景
一、基本概念和分类
1、定义
陶瓷基复合材料 （Ceramic Matrix Composites，简称CMCs）
以陶瓷材料为基体，以高强度纤维、晶须、晶片和颗粒 为增强体，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。
制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞
机的结构件等也收到了良好的效果。
第六章 陶瓷基复合材料
对于不同的晶须和基体，热膨胀系数的匹配问题可能存 在着以下几种情况： m w (3)沿晶须直径方向为正。在这种情况下，晶须与基 体的界面承受压应力。这种情况一般与(1)同时进行。
(4)沿晶须直径方向为负。在这种情况下，界面承受
张应力，在界面处易产生剥离而形成空隙。
良好的晶须与基体的热匹配应该是：
二者的热膨胀系数应尽可能接近或晶须稍大于基体。
晶须和基体材料的化学相容性
晶须和基体之间的化学作用主要是指晶须和基体之间在界面
上的化学反应。
如果晶须和基体之间存在着化学反应，则形成的界面层将是 和晶须、基体都不同的新相。这种界面结合一般都是比较强的， 不利于晶须－基体界面的解离和晶须的增韧作用； 如果形成的新界面相与反应物的体积、热膨胀系数不同，则
复合材料的制造；
七十年代初期，Fitzer和Naslain分别在德国Karsruhe大学和法国 Bordeaux大学利用CVI法进行SiC陶瓷基复合材料的制备；
1984年Lackey在美国Oak Ridge国家实验室（ORNL）提出了FCVI
（Forced CVI）法制备陶瓷基复合材料； 有关CVI基础理论和模型的研究直到二十世纪八十年代后期才开展。 从二十世纪九十年代开始西北工业大学等单位开展了系统深入的研 究工作。
1、陶瓷基复合材料的设计理论
以晶须增韧补强陶瓷基复合材料为例：
晶须和基体材料的选择；
晶须和基体材料之间的物理相容性； 晶须和基体材料之间的化学相容性； 晶须－基体界面的调控。
晶须和基体材料的选择
(1) 应选择高强度、高弹性模量的晶须；晶须的长径
比应适当大一些；和基体晶粒相比，晶须的直径不宜太
定义：