金属基复合材料 PPT课件
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复合材料pdfPPT课件
复合材料的热膨胀系数通常低于单一材料，使其在温度变化时能保 持较好的尺寸稳定性。
良好的热导性
某些复合材料具有良好的热导性，适用于需要散热或传热的场合。
耐高温性能
通过选择合适的基体和增强材料，复合材料可以在高温环境下保持 较好的力学性能。
电学性能
绝缘性能
大多数复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气 和电子设备中。
后处理与加工
固化处理
对成型的复合材料进行加热或自然固化，使其达到所需的物理和化 学性能。
机械加工
对固化后的复合材料进行切割、钻孔、打磨等机械加工，以满足产 品形状和尺寸的要求。
表面处理
对复合材料表面进行喷漆、电镀、阳极氧化等处理，以提高其耐腐蚀 性、装饰性等性能。
04
复合材料的性能特点
力学性能
成型工艺
手糊成型
在模具上涂刷脱模剂，然后铺贴一层纤 维布或毡，再涂刷一层树脂，如此反复
直至达到所需厚度。
模压成型
将预浸料或纤维与树脂混合物放入模 具中，在加热和加压的条件下固化成
型。
喷射成型
将树脂和固化剂分别通过喷嘴喷到模 具上，同时用喷枪将纤维切断并喷到 树脂中，形成复合材料层。
注射成型
将树脂和固化剂混合后注入到装有纤 维的模具中，然后在一定温度和压力 下固化成型。
复合材料的组成与结构
基体材料
聚合物基体
如环氧树脂、聚酰亚胺等，具有良好的可加工性和韧 性。
金属基体
如铝、镁、钛等合金，具有高比强度和优异的导电导 热性能。
陶瓷基体
如氧化铝、氮化硅等，具有高温稳定性和耐磨损性。
增强材料
纤维增强材料
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比 强度和模量。
良好的热导性
某些复合材料具有良好的热导性，适用于需要散热或传热的场合。
耐高温性能
通过选择合适的基体和增强材料，复合材料可以在高温环境下保持 较好的力学性能。
电学性能
绝缘性能
大多数复合材料具有良好的绝缘性能，适用于电气 和电子设备中。
后处理与加工
固化处理
对成型的复合材料进行加热或自然固化，使其达到所需的物理和化 学性能。
机械加工
对固化后的复合材料进行切割、钻孔、打磨等机械加工，以满足产 品形状和尺寸的要求。
表面处理
对复合材料表面进行喷漆、电镀、阳极氧化等处理，以提高其耐腐蚀 性、装饰性等性能。
04
复合材料的性能特点
力学性能
成型工艺
手糊成型
在模具上涂刷脱模剂，然后铺贴一层纤 维布或毡，再涂刷一层树脂，如此反复
直至达到所需厚度。
模压成型
将预浸料或纤维与树脂混合物放入模 具中，在加热和加压的条件下固化成
型。
喷射成型
将树脂和固化剂分别通过喷嘴喷到模 具上，同时用喷枪将纤维切断并喷到 树脂中，形成复合材料层。
注射成型
将树脂和固化剂混合后注入到装有纤 维的模具中，然后在一定温度和压力 下固化成型。
复合材料的组成与结构
基体材料
聚合物基体
如环氧树脂、聚酰亚胺等，具有良好的可加工性和韧 性。
金属基体
如铝、镁、钛等合金，具有高比强度和优异的导电导 热性能。
陶瓷基体
如氧化铝、氮化硅等，具有高温稳定性和耐磨损性。
增强材料
纤维增强材料
如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，具有高比 强度和模量。
复合材料概述PPT课件
因此，基体开裂并不导致突然失效，材料的最终失效应变 大于基体的失效应变。
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2、高温力学性能 室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模
量提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然 后强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随着温度升 高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化显然与 材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
其中一个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒 状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受 外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。增强相或 增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此 也称作分散相；复合材料中的另一个组分是包围增强相并相 对较软和韧的贯连材料，称为基体相。
1、室温力学性能
对陶瓷基复合材料来说，陶瓷基体的失效应变低于纤维的 失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起 的开裂。 材料的拉伸失效有两种：
第一：突然失效。如纤维强度较低，界面结合强度高，基 体较裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。
第二：如果纤维较强，界面结合较弱，基体裂纹沿着纤维 扩展。纤维失效前纤维/基体界面在基体的裂纹尖端和尾 部脱粘。
.
复合材料是由多相材料复合而成，共同特点主要有三个：
(１)综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能， 具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料， 既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。如，针对方向性 材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。 (3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可 避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨 制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料 已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件 、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制 造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意 的使用效果。
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2、高温力学性能 室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模
量提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然 后强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随着温度升 高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化显然与 材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
其中一个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒 状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受 外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。增强相或 增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此 也称作分散相；复合材料中的另一个组分是包围增强相并相 对较软和韧的贯连材料，称为基体相。
1、室温力学性能
对陶瓷基复合材料来说，陶瓷基体的失效应变低于纤维的 失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起 的开裂。 材料的拉伸失效有两种：
第一：突然失效。如纤维强度较低，界面结合强度高，基 体较裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。
第二：如果纤维较强，界面结合较弱，基体裂纹沿着纤维 扩展。纤维失效前纤维/基体界面在基体的裂纹尖端和尾 部脱粘。
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复合材料是由多相材料复合而成，共同特点主要有三个：
(１)综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能， 具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料， 既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。如，针对方向性 材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。 (3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可 避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨 制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料 已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件 、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制 造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意 的使用效果。
金属基复合材料
压铸成型法的具体工艺
将包含有增强材料的金属 熔体倒入预热摸具中后，迅 速加压，压力约为70-100MPa， 使液态金属基复合材料在压 力下凝固。 复合材料完全固化后顶出， 制得所需形状及尺寸的复合 材料的坯料或压铸件。
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压铸成型法的特点
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要 有四个：①熔融金属的温度、 ②模具预热温度、 ③使用的 最大压力、 ④加压速度。 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料， 一般压力不低于50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜， 一般为1-3cm/s。 对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800℃，预 制件和模具预热温度一般可控制在500-800℃，并可相互补 偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。 采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、 无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。 与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简 单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。 32
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粉末冶金法的优点
① 热等静压或烧结温度低于金属熔点，由于高温引起的增 强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材 料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、 压力和时间等工艺参数来控制界面反应。 ② 可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与 基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒 含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。 ③ 降低增强材料与基体互相湿润及密度差的要求，使颗粒 或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。 ④ 采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般 不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到 明显改善，提高复合材料的性能。 ⑤ 金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加 21 工，得到所需形状的复合材料构件毛坯。
复合材料PPT课件
前景
随着科技的不断进步和环保意识的提高，未来复合材料将 更加注重环保、可再生、高性能等方向的发展，同时其在 智能制造、新能源等领域的应用也将不断拓展。
02
CATALOGUE
复合材料的组成与结构
基体材料
01
02
03
定义
基体材料是复合材料中连 续相，起粘结、保护增强 材料并传递载荷到增强材 料上的作用。
生物相容性
某些复合材料具有良好的生物相容性 ，可用于医疗器械、人体植入物等领 域。
05
CATALOGUE
复合材料的应用实例
航空航天领域应用
飞机结构
复合材料用于制造飞机机翼、机身和尾翼等结构部件，具 有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，可提高飞行器的性 能和燃油经济性。
航天器结构
复合材料在航天器结构中也有广泛应用，如卫星、火箭和 空间站等，其轻质高强的特性有助于减轻发射重量和提高 有效载荷。
美观、舒适、环保等特点。
03
动力系统
复合材料可用于制造汽车发动机罩、进气歧管等动力系统部件，具有优
异的耐高温性能和力学性能。
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构中的梁、板、柱等承重部件，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲 劳等优点，有助于提高建筑物的抗震性能和耐久性。
建筑装饰
复合材料也可用于制造建筑装饰材料，如墙板、吊顶、隔断等，具有美观、环保、易安装 等特点。
某些复合材料在受到冲击时能 够吸收大量能量，表现出良好
的抗冲击性能。
物理性能
低密度
相对于金属材料，复合材料通常具有较低的 密度，有利于实现轻量化设计。
优异的电绝缘性
某些复合材料具有极佳的电绝缘性能，适用 于电气和电子设备。
随着科技的不断进步和环保意识的提高，未来复合材料将 更加注重环保、可再生、高性能等方向的发展，同时其在 智能制造、新能源等领域的应用也将不断拓展。
02
CATALOGUE
复合材料的组成与结构
基体材料
01
02
03
定义
基体材料是复合材料中连 续相，起粘结、保护增强 材料并传递载荷到增强材 料上的作用。
生物相容性
某些复合材料具有良好的生物相容性 ，可用于医疗器械、人体植入物等领 域。
05
CATALOGUE
复合材料的应用实例
航空航天领域应用
飞机结构
复合材料用于制造飞机机翼、机身和尾翼等结构部件，具 有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，可提高飞行器的性 能和燃油经济性。
航天器结构
复合材料在航天器结构中也有广泛应用，如卫星、火箭和 空间站等，其轻质高强的特性有助于减轻发射重量和提高 有效载荷。
美观、舒适、环保等特点。
03
动力系统
复合材料可用于制造汽车发动机罩、进气歧管等动力系统部件，具有优
异的耐高温性能和力学性能。
建筑领域应用
建筑结构
复合材料可用于制造建筑结构中的梁、板、柱等承重部件，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲 劳等优点，有助于提高建筑物的抗震性能和耐久性。
建筑装饰
复合材料也可用于制造建筑装饰材料，如墙板、吊顶、隔断等，具有美观、环保、易安装 等特点。
某些复合材料在受到冲击时能 够吸收大量能量，表现出良好
的抗冲击性能。
物理性能
低密度
相对于金属材料，复合材料通常具有较低的 密度，有利于实现轻量化设计。
优异的电绝缘性
某些复合材料具有极佳的电绝缘性能，适用 于电气和电子设备。
6 金属基复合材料
6.2.2金属基复合材料的基本性能
5. 耐磨性好 6. 良好的疲劳性能和断裂韧性 良好的界面结合状态可有效传递载荷, 阻止裂纹的扩展， 提高材料的断裂韧性. 7. 不吸潮， 不老化，气密性好
6.2.3 金属基体在复合材料中的作 用
1. 固结增强体 2. 传递和承受载荷 3. 赋予复合材料一定形状， 保证复合材 料具有一定的可加工性. 4. 复合材料的强度、 刚度、密度、耐高 温、 耐介质、 导电、导热等性能均与基 体的相应性质密切相关.
二、钛及钛合金
钛及其合金由于具有比强度高、耐热性好、耐 蚀性能优异等突出优点，自1952年正式作为结构材 料使用以来发展极为迅速，在航空工业和化学工业 中得到了广泛的应用。化学性质十分活泼，缺点是 在真空或惰性气体中进行生产，成本高，价格贵。
钛基复合材料
二、钛及钛合金
（一）纯钛 钛是一种银白色的金属，密度小，熔点高，高的 比强度和比刚度，较高的高温强度。钛的热膨胀系数 很小，热应力较小，导热性差，切削、磨削加工性能 较差。在空气中，容易形成薄而致密的惰性氧化膜， 在氧化性介质中的耐蚀性优良，在海水等介质中也具 有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的酸（ HF 除外）以及 碱溶液和有机酸中，也具有良好的耐蚀性。 纯钛具有同素异构转变，在882.5℃以上直至熔点 具有体心立方晶格，称为β —Ti。在882.5℃以下具有 密排六方晶格，称为α —Ti。
（二）钛合金
钛合金分为α 型钛合金 β 型钛合金 α +β 型钛合金 以TA、TB和TC表示其牌号
三、铜及铜合金
在自然界中既以矿石的形式存在，又以纯金属的形 式存在。其应用以纯铜为主。铜及铜合金的产品中， 80%是以纯铜被加工成各种形状供应的。
（一）纯铜 呈紫红色，又称紫铜。属重金属范畴，无同素异构 转变，无磁性。最显著的特点是导电、导热性好，仅次于 银。 高的化学稳定性，在大气、淡水中具有良好的抗蚀 性，在海水中的抗蚀性较差。 纯铜具有立方面心结构，极优良的塑性，可进行冷热 压力加工。
金属基复合材料(MMC)
2．粉末冶金
适用于连续、长纤维 增强．也可用于短纤 维、颗粒或晶须增强 的金属基复合材料
长纤维增强：将纤维和 金属粉末按比例混合，密 封在容器中，然后进行热 等静压
整理ppt
18
其它增强相
整理ppt
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粉末冶金的优点
工艺过程温度低，可以控制界面反应
增强材料(纤维、颗粒或晶须)与基体金属粉末 可以任何比例混合，纤维含量最高可达75％， 颗粒含量可达50％以上
高温性能优良。合金化后的耐热性显著提高，可以作为
高温结构材料使用，如航空发动机的压气机转子叶片等， 长期使用最高温度已达540℃
在大气和海水中有优异的耐蚀性．在硫酸、盐酸、硝酸 相氢氧化纳等介质中都很稳定
导电与导热性差.导热系数只有铜的1／l 7和铝的l／10， 比电阻为铜的25倍
整理ppt
7
对浸润性和密度差的要求较小
采用热等静压工艺时，其组织细化、细密、均 匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使空 隙和其它内部缺陷得到明显改善，从而提高复 合材料的性能
可以用传统的加工方法进行二次加工
整理ppt
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粉末冶金的缺点
工艺过程比较复杂，金属基体必须制 成金属粉末，增加了工艺的复杂性和 成本
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普通压铸工艺过程
将包含有增强材料的金属熔体倒入预热模 具中后迅速加压，压力约为70—l00MPa， 使液态金属基复合材料在压力下凝固。待 复合材料完全固化后顶出，即制得所需形 状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸 件。
整理ppt
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增强材料预制体的压铸工艺过程
将熔融金属注入装有增强材料(长、短纤维， 颗粒或晶须)的预制件模具中，并在压力下使 之渗入预制件的间隙，在高压下迅速凝固成金 属基复合材料
复合材料PPT
总论 复合材料的基体材料 复合材料的增强材料 复合材料的界面 聚合物基复合材料 金属基复合材料 碳/碳复合材料
第一章
总 论
1.1 发展概况
1.2 复合材料定义、命名 和分类 1.3 复合材料的基本性能
第一章 总 论
1.1 发展概况
材料发展历史： 石器、铜器、铁器时代等 实现生产、科学目的： 新材料研究 材料科学历史： 四十多年
问 题： （1）复合产物能否为液体或气体？ （2）复合材料是不是只能是一个
连续相与一个分散相的复合？
1.2.2 命名
例：玻璃纤维增强树脂基复合材料命名
玻璃钢 玻纤增强塑料、玻璃塑料、玻璃布 层压板、玻璃纤维复合材料
命名原则：
增强材料+基体材料+复合材料
例：碳纤维环氧树脂复合材料 书写： 碳/环氧复合材料
亚短钢纤维（长度40—60mm) 短钢纤维（长度20—35mm) 超短钢纤维（长度＜15mm)
横截面形状：圆形、矩形截面 钢纤维主要品种：不锈钢、低碳钢
图 15
高架桥
1.3.6 三种复合材料性能比较 （1）使用温度、硬度 使用温度： CMC >MMC > PMC 硬 度: CMC >MMC > PMC
纤维增强树脂基复合材料：
● 基体强韧性降低裂纹扩展速度 ● 纤维对裂纹阻隔作用，使裂纹 尖端变纯或改变方向
裂纹扩展路径曲折、复杂
图12 三种材料疲劳性能比较
1—碳纤维复合材料
3—铝合金
2—玻璃钢
金属疲劳强度=20—50%抗张强度
碳纤维复合材料疲劳强度=
70—80%抗张强度
（3）减振性能好 影响自振频率因素：
1.3.2 聚合物基复合材料及主要性能
第一章
总 论
1.1 发展概况
1.2 复合材料定义、命名 和分类 1.3 复合材料的基本性能
第一章 总 论
1.1 发展概况
材料发展历史： 石器、铜器、铁器时代等 实现生产、科学目的： 新材料研究 材料科学历史： 四十多年
问 题： （1）复合产物能否为液体或气体？ （2）复合材料是不是只能是一个
连续相与一个分散相的复合？
1.2.2 命名
例：玻璃纤维增强树脂基复合材料命名
玻璃钢 玻纤增强塑料、玻璃塑料、玻璃布 层压板、玻璃纤维复合材料
命名原则：
增强材料+基体材料+复合材料
例：碳纤维环氧树脂复合材料 书写： 碳/环氧复合材料
亚短钢纤维（长度40—60mm) 短钢纤维（长度20—35mm) 超短钢纤维（长度＜15mm)
横截面形状：圆形、矩形截面 钢纤维主要品种：不锈钢、低碳钢
图 15
高架桥
1.3.6 三种复合材料性能比较 （1）使用温度、硬度 使用温度： CMC >MMC > PMC 硬 度: CMC >MMC > PMC
纤维增强树脂基复合材料：
● 基体强韧性降低裂纹扩展速度 ● 纤维对裂纹阻隔作用，使裂纹 尖端变纯或改变方向
裂纹扩展路径曲折、复杂
图12 三种材料疲劳性能比较
1—碳纤维复合材料
3—铝合金
2—玻璃钢
金属疲劳强度=20—50%抗张强度
碳纤维复合材料疲劳强度=
70—80%抗张强度
（3）减振性能好 影响自振频率因素：
1.3.2 聚合物基复合材料及主要性能
【大学课件】复合材料PPT
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③ 基体金属与增强物的相容性
金属基复合材料需要在高温下成型，制备 过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与 金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应 层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一 定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长 小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤 维断裂，导致复合材料整体破坏。
• 仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和 直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料， 中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。
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9.3 复合材料的基体材料
复合材料的原材料： • 基体材料
– 金属材料 – 陶瓷材料 – 聚合物材料
• 增强材料
– 纤维 – 晶须 – 颗粒
则、增韧机制和界面作用； • 了解复合材料的成型工艺。
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3
参考书目
• 王荣国 主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学 出版社，1999
• 闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出 版社，1998
• 鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，2004 • ASM International, Engineered materials
– 基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟 的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处 于研究阶段。
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9.3.1.3 功能用金属基复合材料的基体
• 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具 有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗 电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
Chapter 9 Composites
复合材料
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本章内容
1. 复合材料概述 2. 复合材料分类 3. 复合材料的基体 4. 复合材料的增强相 5. 复合材料的复合原理 6. 复合材料的成型工艺