第3章 增强体材料
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第二章 基体材料——其它基体
第二章 基体材料——2.4 陶瓷基体
陶瓷材料可分为： 普通陶瓷 (Conventional Ceramics）：砖、陶 器、瓷 器等。 特种陶瓷(Advanced Ceramics)：硅、铝、钛、锆等的 氧化物、氮化物和碳化物等。 陶瓷材料以高的抗压性能、很高的化学稳定性和高的 熔点著称。
陶瓷材料的致命弱点是脆性大、韧性差，常因存在裂 纹、空隙、杂质等缺陷而引起不可预测的灾难性后果。
1.氧化物陶瓷 ：氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2 和莫来石（3 Al2O32 SiO2）等。其熔点在2000C 以上 非氧化物陶瓷 ：
2、非氧化物陶瓷主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它 们的特点是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。碳 化物、硼化物的抗热氧化温度约900 - 1000C ，氮化物略低 些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度可达 1300-1700C。
第二章 基体材料——2.3 金属基体
优点: 耐热、导热、导电、力学性能好 弥补了聚合物基复合材料不耐老化、变质、耐热性和传热 性差、尺寸不稳定的缺点
特点：基体所占比例很大 颗粒增强（80-90%） 连续纤维增强（50-70%） 晶须增强（70%）
常用金属复合材料的基体：铝及其合金、钛及其合金、铜、镁、铅
人们研制镍基复合材料的一个重要目 的，即是希望于制造工艺及可靠性等问题 尚未解决，所以还未能取得满意的结果。
第二章 基体材料——2.4 陶瓷基体
现代陶瓷材料具个耐高温、耐磨损、 耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。
但是，陶瓷材料同时也具有致命的缺 点，即脆性，这一弱点正是目前淘瓷材料 的使用受到很大限制的主要原因。
纯钛的塑性极好，其强度可通过冷加工硬化和合金化得到显著 提高。合金化后的耐热性显著提高，可作为高温结构材料，长期 使用温度可达 650C 。
TRIZ理论导向的《复合材料学》教学方法探索与创新平台构建
的实践 和创 新 能力 ，向社会 输 送优 秀 的无 机 非金 属 材料 工 程 技术 人才 。 关于 Ｔ ＲＩ Ｚ 理 论
一
统思维的条框和约束。运用Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论 ， 探索教学方法 ， 构建 创新平 台， 实现无机非金属材料工程专业本科生的“ 研究型
学习” 。
二、 教 学方 法探 索
泛的适用性 ； （ ２ ） 通用 、 统一的求解参数 ； （ ３ ） 规范 、 科学的创 新步骤Ｉ 。Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论强调创新能力的培养 ， 创新的关键在于 非逻辑思维 ， 即逆向思维Ｉ Ｉ 。Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论认为创新是有规律可 循 的， 并不是灵感的闪现和随机的探索。 这些规律可以指导 人们按 照什么样的方法和过程进行创新 ，并且创新结果具 有一定 的预测性和可控性。 如果掌握 了这些规律 ， 就能够主 动地进行创新并对创新加以预测 。 创新思维能冲破传统的 条框 ， 大胆地质疑 ， 敢于发表与众不同的意见和建议 。创新 思维 ， 是在普通思维方式方法的基础上发展并建立起来的，
《 复合材料学》 是无机非金属材料工程专业本科生的专 业平 台课程 ， 课程 内容侧重于复合材料基础知识 的讲授 ， 涉 及理论性 、 设计性与实践性等 内容。 本门课程侧重复合材料 的基本概念 、结构设计原理、增强体材料 的性 能及制造工 艺、 界面结构及特征 、 金属基复合材料 、 高分子聚合物基复 合材料 、 无机非金属复合材料 的设计原理 与制造技术 、 工艺 等教学 ， 课程 内容相对抽象 ， 理论枯燥难懂 ， 而且 ， 教学中多 以教师讲解为主 ，学生 只是被动接受 ，限制了学生创新意 识， 制约了学生能力的提高。 因此， 必须从教学创新人手 ， 探 索教学方法 ， 构建创新平 台， 以Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论 为导 向， 培养学生
一
统思维的条框和约束。运用Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论 ， 探索教学方法 ， 构建 创新平 台， 实现无机非金属材料工程专业本科生的“ 研究型
学习” 。
二、 教 学方 法探 索
泛的适用性 ； （ ２ ） 通用 、 统一的求解参数 ； （ ３ ） 规范 、 科学的创 新步骤Ｉ 。Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论强调创新能力的培养 ， 创新的关键在于 非逻辑思维 ， 即逆向思维Ｉ Ｉ 。Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论认为创新是有规律可 循 的， 并不是灵感的闪现和随机的探索。 这些规律可以指导 人们按 照什么样的方法和过程进行创新 ，并且创新结果具 有一定 的预测性和可控性。 如果掌握 了这些规律 ， 就能够主 动地进行创新并对创新加以预测 。 创新思维能冲破传统的 条框 ， 大胆地质疑 ， 敢于发表与众不同的意见和建议 。创新 思维 ， 是在普通思维方式方法的基础上发展并建立起来的，
《 复合材料学》 是无机非金属材料工程专业本科生的专 业平 台课程 ， 课程 内容侧重于复合材料基础知识 的讲授 ， 涉 及理论性 、 设计性与实践性等 内容。 本门课程侧重复合材料 的基本概念 、结构设计原理、增强体材料 的性 能及制造工 艺、 界面结构及特征 、 金属基复合材料 、 高分子聚合物基复 合材料 、 无机非金属复合材料 的设计原理 与制造技术 、 工艺 等教学 ， 课程 内容相对抽象 ， 理论枯燥难懂 ， 而且 ， 教学中多 以教师讲解为主 ，学生 只是被动接受 ，限制了学生创新意 识， 制约了学生能力的提高。 因此， 必须从教学创新人手 ， 探 索教学方法 ， 构建创新平 台， 以Ｔ Ｒ Ｉ Ｚ 理论 为导 向， 培养学生
第九章 复合地基理论
复合地基的基本类型： (1)水泥搅拌桩复合地基； (2)夯实水泥土桩复合地基 (3)振冲碎石桩复合地基； (4)挤密砂石桩复合地基； (5)夯扩挤密桩复合地基； (6)强夯置换碎石墩复合地： (7)灰土桩复合地基； (8)低强度桩复合地基； (9)刚性桩复合地基； (10)长短桩复合地基； (11)加筋土地基。
粘结材料桩
桩体复合地基具有以下两个基本特点： (1)加固区是由基体和增强体两部份组成，是 非均质的和各项异性的； (2)在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷 载的作用。 前一特征使复合地基有别于均质地基，后一 特征使复合地基有别于桩基， 从某种意义上讲，复合地基介于均质地基和 桩基之间。 形成复合地基的条件是基体与增强体在荷载 作用下，通过两者变形协调，共同分担荷载。
斜向增强体复合地基
（3）按基础刚度和垫层设置：①刚性基础， 设垫层；②刚性基础，不设垫层；③柔性基 础，设垫层；④柔性基础，不设垫层。 （4）按增强体长度：①等长度；②不等长度 （长短桩复合地基）
长短桩复合地基
（5）根据桩型数量 桩体复合地基分为单一桩型复合地基和组 合桩型复合地基、多桩型复合地基、多元复 合地基、混合桩型复合地基、长短桩复合地 基。前者桩体为同一种材料，后者由两种 或两种以上类型的桩组成，以充分发挥各桩 型的优势，大幅度提高地基承载力，减少地 基沉降量，显示良好的技术效果和经济效益。
在复合地基计算中，为了简化计算，将 加固区视作一均质的复合土体，则复合地基 的复合模量Esp： Esp=m Ep+(1-m) Es 或 Esp=〔1+m(n-1)Es 式中:Esp—复合地基压缩模量,MPa ； m—复合地基面积置换率； n—桩土应力比； Ep—桩体压缩模量,MPa； Es—土体压缩模量, MPa 。
材料概论(周达飞)(二版)_第2章
*溶入溶质原子，将使固溶体的强度和硬 度↗，称为固溶强化；
第二章 材料的组成、结构与性能
*不少固溶元素可明显地改变基体的理化性 能。如Si溶入-Fe中可↗导磁率、↗比电阻，
含24%Si的硅钢片是1种应用广泛的软磁材料。
*要求高导磁率、高塑性和高抗蚀性的合 金，其金相组织多数由1种固溶体组成；
*要求强韧兼备的结构材料：常采用以固溶体为
• 固溶体：固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的 晶格中所形成的单相固体。保持溶剂组元的晶格 类型。如：C溶入Fe形成以Fe为基的固溶 体，其晶格没变仍为体心立方结构。 • 合金与陶瓷中有不少是属于固溶体。
第二章 材料的组成、结构与性能
固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同可分成:
•置换型固溶体(或称取 代型)：溶剂A晶格中的原
子被溶质B的原子取代所 形成的固溶体。原子A同 B的大小要大致相同。
•填隙型固溶体(也称间隙型)：在溶剂A的晶格间隙
内有溶质B的原子填入(溶入)所形成的固溶体。B原
子必须是充分小的，如C和N等是典型的溶质原子。
第二章 材料的组成、结构与性能
• 对同1种晶体，可同时存在这2种形式的 固溶体，如普碳钢中，Mn在-Fe中是取 代固溶，C是填隙固溶。 • 与纯金属相比，合金固溶体的物理、化 学性能均发生了不同程度的变化：
2.1 材料的组成 2.2 材料的结构 2.3 材料的性能
第二章 材料的组成、结构与性能
2.1 材料的组成
材料通常都是由原子or分子结合而成的，也可以
说是由各种物质组成的，而物质是由≥1种元素组成
的。按原子or分子的结合与结构分布状态的不同， 可分成3类：
固溶体、聚集体和复合体
•聚集体 •复合体
第六章 陶瓷基复合材料
19
3、化学气相浸渗法 (Chemical Vapor Infiltration，简称CVI法）
定义：
反应物以气体的形式渗入到纤维预制体的内部并发
生化学反应，形成陶瓷固体沉积在预制体表面，使预
制体逐渐致密形成陶瓷基复合材料的一种工艺。
20
CVI的突出优点是：
能在较低温度进行高温材料的制备，SiC陶瓷的烧结温度通常 高达2000℃以上，而采用CVI法则能在900－1100℃的温度下 制备出高纯度的SiC陶瓷：
21
CVI法制备的Cf/SiC陶瓷基复合材料的显微结构
22
4、反应性熔体浸渗法 (Reactive Melt Infiltration，简称RMI法)
在采用RMI法制备SiC陶瓷基复合材料过程中， 将Si熔化后，在毛细管力的作用下Si熔体渗入到以 多孔C/C材料内部，并同时与基体碳发生化学反应 生成SiC陶瓷基体。
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。
SiC具有很高的热传导能力，较好的热稳定性、耐 磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。
12
4、玻璃陶瓷（glass-ceramics）
某些玻璃经热处理后可以晶化形成大量的微晶体。这种含
抗弯强度MPa
弹性模量Gpa 断裂韧性K1C，MPam1/2
473±30
247±16 3.7±0.7
454±42
188±18 15.6±1.2
热膨胀系数
(室温-1000℃)10-3/℃
4.62
2.51
28
（3）纤维/碳化硅陶瓷基复合材料 SiC基CMC的密度2～2.5g/cm3，仅为高温合金和铌
材料表面与界面 第四章 复合材料的界面及界面优化
4.2 界面的效应（1）
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种 效应：
(1)传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起 到基体和增强物之间的桥梁作用。
(2)阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料 破坏、减缓应力集中的作用。
阻止裂纹的扩展
4.2 界面的效应（2）
(3)不连续效应：在界面上产生物理性能的不 连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的
体积分数、尺寸和分布。
碳 纤 维
弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则
c f V f mVm , Ec E f V f EmVm
许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、 分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸 水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、
表面层的力学特性、润湿速度等。
4.3 复合材料组分的相容性
物理相容性：
1.
是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不 应在增强剂上形成高的局部应力。 基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面 结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。
ZnO晶须
自增韧Si3N4陶瓷
二、叠层复合材料
叠层复合材料是指在基 体中含有多重层片状高 强高模量增强物的复合 材料。
三明治复合 层状陶瓷复合材料断口形貌
第4章复合材料界面
表面张力（surface tension）
将含有一个活动边框的金属
2 l
线框架放在肥皂液中，然后取出
悬挂，活动边在下面。
由于金属框上的肥皂膜的表 面张力作用，可滑（surface tension）
如果在活动边框上挂一重物，使重 物质量W2与边框质量W1所产生的重力F 与总的表面张力大小相等方向相反，则 金属丝不再滑动。
5)混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以 上几种结合方式中几个的组合。
4.2 复合材料的界面效应
• 界面是复合材料的特征，可将界面的机能归 纳为以下几种效应：
• （1）传递效应：界面可将复合材料体系中 基体承受的外力传递给增强相，起到基体和 增强相之间的桥梁作用。
• （2）阻断效应：基体和增强相之间结合力 适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中 的作用。
由此可见，在研究和设计界面时， 不应只追求界面粘结而应考虑到最优 化和最佳综合性能。
4.3复合材料组分的相容性
• 物理相容性：
1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将 外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有 明显的不连续现象。
2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部 应力不应在增强剂上形成高的局部应力。
C12 (C2H5)2O
H2O NaCl LiCl Na2SiO3(水玻璃) FeO A12O3 Ag Cu
Pt
-30 25 20 803 614 1000 1427 2080 1100 1083 1773．5
25.56 26.43 72.88 113.8 137.8 250 582 700 878.5 1300 1800
4.4 复合材料的界面理论
• 由于界面尺寸很小且不均匀、化学成分及结 构复杂、力学环境复杂、对于界面的结合强 度、界面的厚度、界面的应力状态尚无直接 的、准确的定量分析方法；
树脂基复合材料课件(四)
4.1 复合材料的结构及复合效应
2. 复合效应——非线性效应
相乘效应—两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应， 如将有磁光效应的材料与电磁效应材料复合时，可能会使复 合材料产生电光效应。这种效应可用这样的式子表示： (X/Y)· (Y/Z)=X/Z (X· Y· Z：各种物理参数) 这就是相乘效应的由来。 诱导效应—在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用 使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应 。如结晶的增强纤维可诱导基体结晶或晶型变化。
树脂基复合材料
主要学习的内容：
• 第一章 导论 • 第二章 复合材料的增强原理 • 第三章 树脂基复合材料界面 • 第四章 复合材料的复合效应 • 第五章 树脂基复合材料成型方法
4.1 复合材料的结构及复合效应
1. 结构类型
基体：通常是三维连续物质，即将其它组分相形成整体材料的物质。 分散相：另一个（或几个）以独立的形态分布于整个连续相中的相。
i Vi
（此式即为混合率）
对复合材料而言，属于固有性质的物理量，都应服从混合率。
4.3 复合性质与一般规律
2. 传递性质
• 材料的传递性质是材料在外作用场作用时，表征某通量通过材料阻
力大小的物理量，诸如：导热性质（导热系数）、导电性质（电阻 率）等。 • 该性质本质上表征材料中微粒子的运动状态及通过运动传递能量、 物质的能力。 • 对于复合材料多相体系，由于不同介质的传递性质差异，相结构及 相间边界条件的差异，使传递的路径、速率与均质材料不相同。从 物理角度讲，即使由作用场输入的是一维均匀流，输出的通量仍是 非均匀的杂散流。
4.1 复合材料的结构及复合效应
2. 复合效应——非线性效应
麻纤维／热塑性树脂复合材料的应用与发展
成 型制备工 艺和界面相 容性等方 面综述 了麻 纤维／ 热塑性树 脂复合材料研 究的最新
进展 。
关键词 ：麻纤维 ；热塑 性树 脂复合材 料 中图分类号 ：Ｔ ７ １ Ｓ２ ． ４ 文献标识码 ：Ａ
近年 来 ，由于 全球 能源 和环 境 问题 的 日益突 出，纤维 增 强复合材 料 逐渐 向绿色 生 态方 向 发展 。天然 植物 纤 维 ，如 麻类 纤 维 、木 材 纤维 ， 以及 甘蔗 渣 、木 粉 、木 浆【和 一些 废 弃 的植 ｌ Ｊ 物 材料 ，由于质 轻 、价廉 、易 得 、生 物 降解性 、生态 环境 相容 性 、容 易种植 、机 械 性 能优 良
等诸多特点而具有 巨大 的市场价值与发展前景。 其中麻纤维长度在植物纤维中居首， 具有强 度高、耐摩擦、弹性模量高的特点，是当前纤维增强复合材料使用最多的增强纤维之一。而 热塑性树脂作为基体材料 ，由于在浸渍前聚合反应 已经完成 ，其成型加工完全是物理过程，
较之 热 固性 树脂 ，无 环境 污染 问题 ，被 称 为 ２ ｌ世纪 的绿色材 料 。 因此 ，麻 纤维 增 强热塑 性
第 ｌ ６卷第 ４期
２０ ０ ８年 ｌ ２月
纤 维 素 科 学 与 技 术
Ｊ ｒ ａ ｌ ｏ ｅ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｅ ｈ ｏｌｇ ｏｕ ｌｏｆＣｅｌ ｓ ｃｅ ｃ ｎｄ Ｔ ｃ ｎ ｏ ｙ ｎ ｕｌ
、０ ．１ ＮＯ． ，１ ６ ４ Ｄｅ ． ０ ｃ ２ ０８
文 章 编 号 ： １０ －４ ５２ ０ ）４０ ６ －６ ０ ４８０ （０ ８０ —０ ９０
麻纤维／ 热塑性树脂 复合材料 的应 用与发展
王 书睿 ， 段 晶湛 ， 陈南梁
（ 东华大学 纺织学 院，上海 ２ １２ ） ０６０
高中化学二轮配套课件(鲁科版必修一)第四章 第3节 复合材料
栏 目 链 接
①定义。
两种或两种以上 性质不同的材料经 特殊加工 将 _______________ ________ 而制成 原有材料 的材料称为复合材料。它既保持了 ________的特点，又使各 原材料 的特性。 组分之间协同作用，形成了优于 ________
知 清
第四章
材料家族中的元素
第3节 复合材料
栏 目 链 接
1．认识复合材料的组成和特点。 2．了解复合材料相对于金属材料、无机非金属材 料、有机合成材料的优越性。
栏 目 链 接
3．知道生产生活中常见的复合材料和航空、航天
中复合材料的基体和增强体的性能与用途。
栏 目 链 接
知 清
识 单
1．认识复合材料。
(1)材料科学的发展过程。
天然材料 无机非金属材料 材料科学的发展经历了____________ 、 ____________、 金属材料 、有机合成材料 复合材料 这五个过程。 ____________ ____________、____________ (2)复合材料。
识 单
②构成。
基体 ，在复合材料中起 _________ 黏结 作 一部分称为 _________
增强体 ，在复合材料中起 ________ 骨架 作 用；另一部分称为 ________
用。
2．形形色色的复合材料。
栏 目 链 接
(1)生产、生活中的复合材料。
①玻璃钢。
合成树脂 a．玻璃钢的构成：以 玻璃纤维 ________做增强体、_________ 做基体的复合材料。
栏 目 链 接
)
C．光导纤维
D．玻璃钢
答案：D
自 检
①定义。
两种或两种以上 性质不同的材料经 特殊加工 将 _______________ ________ 而制成 原有材料 的材料称为复合材料。它既保持了 ________的特点，又使各 原材料 的特性。 组分之间协同作用，形成了优于 ________
知 清
第四章
材料家族中的元素
第3节 复合材料
栏 目 链 接
1．认识复合材料的组成和特点。 2．了解复合材料相对于金属材料、无机非金属材 料、有机合成材料的优越性。
栏 目 链 接
3．知道生产生活中常见的复合材料和航空、航天
中复合材料的基体和增强体的性能与用途。
栏 目 链 接
知 清
识 单
1．认识复合材料。
(1)材料科学的发展过程。
天然材料 无机非金属材料 材料科学的发展经历了____________ 、 ____________、 金属材料 、有机合成材料 复合材料 这五个过程。 ____________ ____________、____________ (2)复合材料。
识 单
②构成。
基体 ，在复合材料中起 _________ 黏结 作 一部分称为 _________
增强体 ，在复合材料中起 ________ 骨架 作 用；另一部分称为 ________
用。
2．形形色色的复合材料。
栏 目 链 接
(1)生产、生活中的复合材料。
①玻璃钢。
合成树脂 a．玻璃钢的构成：以 玻璃纤维 ________做增强体、_________ 做基体的复合材料。
栏 目 链 接
)
C．光导纤维
D．玻璃钢
答案：D
自 检