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1、第六章：復(fù)合材料第六章：復(fù)合材料第六章：復(fù)合材料第六章：復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料本章本章主要內(nèi)容主要內(nèi)容復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述什么是復(fù)合材料？什么是復(fù)合材料？復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理、化學(xué)、復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成的多力學(xué)性能不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成的多相固體材料。相固體材料。復(fù)合材料的種類復(fù)合材料的種類復(fù)合材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料樹(shù)脂基復(fù)合材料樹(shù)脂基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材

2、料水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)磁復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)磁復(fù)合材料阻尼吸聲復(fù)合材料阻尼吸聲復(fù)合材料屏蔽功能復(fù)合材料屏蔽功能復(fù)合材料摩擦磨損復(fù)合材料摩擦磨損復(fù)合材料復(fù)合材料的性能特點(diǎn)復(fù)合材料的性能特點(diǎn)比強(qiáng)度和比彈性模量高比強(qiáng)度和比彈性模量高抗疲勞與斷裂安全性能好抗疲勞與斷裂安全性能好良好的減震性能良好的減震性能良好的高溫性能良好的高溫性能大量的增強(qiáng)纖維對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到阻礙作用大量的增強(qiáng)纖維對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到阻礙作用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的自震頻率，不易產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的自震頻率，不易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，具有一定的減震作用生共振現(xiàn)象，具有一定的減震作用增強(qiáng)纖維的熔點(diǎn)都很高，并且在高溫下仍具有較增強(qiáng)纖維的熔點(diǎn)都很

3、高，并且在高溫下仍具有較高的強(qiáng)度高的強(qiáng)度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維種類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維種類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中主要的新型纖維與晶須有：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中主要的新型纖維與晶須有：碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、氧化鋁碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及碳化硅晶須、氧化鋁晶須纖維以及碳化硅晶須、氧化鋁晶須等。等。這些纖維與晶須的主要特點(diǎn)是：這些纖維與晶須的主要特點(diǎn)是：密度低、強(qiáng)度高、彈性模量高、線膨脹系數(shù)小密度低、強(qiáng)度高、彈性模量高、線膨脹系數(shù)小等等特點(diǎn)。特點(diǎn)。復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)1。由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展。由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展微纖增強(qiáng)復(fù)合材料、納米復(fù)合

4、材料、分子復(fù)合材料微纖增強(qiáng)復(fù)合材料、納米復(fù)合材料、分子復(fù)合材料2。向多元混雜復(fù)合和超混雜復(fù)合發(fā)展。向多元混雜復(fù)合和超混雜復(fù)合發(fā)展例如兩種纖維的復(fù)合應(yīng)用，兩種基體的復(fù)合應(yīng)用等例如兩種纖維的復(fù)合應(yīng)用，兩種基體的復(fù)合應(yīng)用等3。由結(jié)構(gòu)復(fù)合為主向結(jié)構(gòu)復(fù)合與功能。由結(jié)構(gòu)復(fù)合為主向結(jié)構(gòu)復(fù)合與功能 復(fù)合并重的方向發(fā)展復(fù)合并重的方向發(fā)展功能復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等功能復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)4。由被動(dòng)復(fù)合向主動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展。由被動(dòng)復(fù)合向主動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展所謂被動(dòng)就是指在外界作用下材料只能被動(dòng)承受某種所謂被動(dòng)就是指在外界作用下材料只能被動(dòng)承受某種作用或作出某種反應(yīng)。主動(dòng)材料就是指具備

5、能自診斷、作用或作出某種反應(yīng)。主動(dòng)材料就是指具備能自診斷、自適應(yīng)和自修補(bǔ)作用材料。自適應(yīng)和自修補(bǔ)作用材料。5。由常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)方向發(fā)展。由常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)方向發(fā)展仿生設(shè)計(jì)就是利用某種生物體的特征，設(shè)計(jì)材料。仿生設(shè)計(jì)就是利用某種生物體的特征，設(shè)計(jì)材料。仿生設(shè)計(jì)可以參照生物體的功能機(jī)制設(shè)計(jì)出新的仿生設(shè)計(jì)可以參照生物體的功能機(jī)制設(shè)計(jì)出新的功能材料。功能材料。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論復(fù)合原理復(fù)合原理1。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理Fc=cAc=fAf mAm。條件是復(fù)合材料中基體是連續(xù)的、均勻的，纖維的性質(zhì)和條件是復(fù)合材料中基體是連續(xù)的、均勻的，纖維的性質(zhì)和

6、直徑都是均勻的，且平行連續(xù)排列，同時(shí)纖維與基體間的直徑都是均勻的，且平行連續(xù)排列，同時(shí)纖維與基體間的結(jié)合為理想結(jié)合，在界面上不產(chǎn)生滑移。結(jié)合為理想結(jié)合，在界面上不產(chǎn)生滑移。c=fVfmVm。Ec=EfVfEmVm。外載荷與纖維方向一致外載荷與纖維方向一致復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論復(fù)合原理復(fù)合原理1。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理c=f=m。c=fVfmVm。1/Ec=Vf/EfVm/Em。外載荷與纖維方向垂直外載荷與纖維方向垂直復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論復(fù)合原理復(fù)合原理2。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理c=pVpmVm。Ec=

7、EpVpEmVm。Ec=EpEm/(EpVmEmVp)。上限值上限值下限值下限值復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增強(qiáng)機(jī)理增強(qiáng)機(jī)理纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性纖維纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性纖維作增強(qiáng)體與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多作增強(qiáng)體與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。相材料。提高基體在室溫下和高溫下的強(qiáng)度和彈性模量。提高基體在室溫下和高溫下的強(qiáng)度和彈性模量。設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的目標(biāo)：設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的目標(biāo)：復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：

8、1。微細(xì)的增強(qiáng)纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低。微細(xì)的增強(qiáng)纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低。2。纖維在基體中，彼此隔離，纖維表面受到基體的保，。纖維在基體中，彼此隔離，纖維表面受到基體的保，護(hù)，不易受到損傷，不易在承載中產(chǎn)生裂紋，增大承載力。護(hù)，不易受到損傷，不易在承載中產(chǎn)生裂紋，增大承載力。3。纖維在基體中，即使有些裂紋會(huì)斷裂，但基體能阻止。纖維在基體中，即使有些裂紋會(huì)斷裂，但基體能阻止裂紋擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展。4。由于基體對(duì)纖維的粘結(jié)作用以及基體與纖維之間的摩擦。由于基體對(duì)纖維的粘結(jié)作用以及基體與纖維之間的摩擦力，使得材料的強(qiáng)度大大提高。力，使得材料的強(qiáng)度大大提高。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料

9、的基本理論增強(qiáng)纖維起到強(qiáng)化基體作用必要條件：增強(qiáng)纖維起到強(qiáng)化基體作用必要條件：1。增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。2?；w與纖維之間要有一定的粘結(jié)力，并具有一定的強(qiáng)度。基體與纖維之間要有一定的粘結(jié)力，并具有一定的強(qiáng)度。3。纖維應(yīng)有一定的含量、尺寸和分布。纖維應(yīng)有一定的含量、尺寸和分布。4。纖維與基體之間的線膨脹系數(shù)相匹配。纖維與基體之間的線膨脹系數(shù)相匹配。5。纖維與基體之間有良好的相容性。纖維與基體之間有良好的相容性。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增強(qiáng)機(jī)理增強(qiáng)機(jī)理顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性顆粒顆粒增強(qiáng)

10、復(fù)合材料是指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性顆粒作增強(qiáng)體與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多作增強(qiáng)體與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。相材料。納米微細(xì)硬顆粒彌散增強(qiáng)，微米顆粒增強(qiáng)。納米微細(xì)硬顆粒彌散增強(qiáng)，微米顆粒增強(qiáng)。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的種類：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的種類：復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論彌散強(qiáng)化復(fù)合材料中彌散顆粒種類彌散強(qiáng)化復(fù)合材料中彌散顆粒種類金屬氧化物金屬氧化物碳化物碳化物硼化物硼化物復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：彌散分布在金屬或合金中基體中的硬顆粒可以有效地阻止彌散分布在金屬或合金中基體中的硬顆?？梢杂行?/p>

11、地阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。這種復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制類似位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。這種復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制類似與合金的析出強(qiáng)化機(jī)理，基體乃是承受載荷的主體。與合金的析出強(qiáng)化機(jī)理，基體乃是承受載荷的主體。不同的是，這些細(xì)小彌散的硬顆粒并非借助于相變產(chǎn)生的不同的是，這些細(xì)小彌散的硬顆粒并非借助于相變產(chǎn)生的硬顆粒，他們?cè)跍囟壬邥r(shí)仍保持其原有尺寸，因而，增硬顆粒，他們?cè)跍囟壬邥r(shí)仍保持其原有尺寸，因而，增強(qiáng)效果可在高溫下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，使復(fù)合材料的抗蠕變性強(qiáng)效果可在高溫下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能明顯優(yōu)于金屬或合金基體。能明顯優(yōu)于金屬或合金基體。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增韌機(jī)理增韌機(jī)

12、理纖維增韌纖維增韌由于定向、取向或無(wú)序排布的纖維加入，使得由于定向、取向或無(wú)序排布的纖維加入，使得復(fù)合材料的韌性得到顯著提高。復(fù)合材料的韌性得到顯著提高。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論單向排布長(zhǎng)纖維增韌機(jī)理單向排布長(zhǎng)纖維增韌機(jī)理單向排布長(zhǎng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向單向排布長(zhǎng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向異性，沿纖維長(zhǎng)度方向的縱向性能大大高于橫異性，沿纖維長(zhǎng)度方向的縱向性能大大高于橫向性能。若材料中產(chǎn)生的裂紋平面垂直于纖維向性能。若材料中產(chǎn)生的裂紋平面垂直于纖維時(shí)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到纖維時(shí)，裂紋運(yùn)動(dòng)受阻，時(shí)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到纖維時(shí)，裂紋運(yùn)動(dòng)受阻，欲使裂紋繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，必須提高外加應(yīng)力。應(yīng)力欲使裂

13、紋繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，必須提高外加應(yīng)力。應(yīng)力繼續(xù)增大，纖維與基體解離，纖維從基體中拔繼續(xù)增大，纖維與基體解離，纖維從基體中拔出、斷裂或轉(zhuǎn)向，從而使復(fù)合材料的韌性得到出、斷裂或轉(zhuǎn)向，從而使復(fù)合材料的韌性得到提高。提高。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論多維多向排布長(zhǎng)纖維增韌多維多向排布長(zhǎng)纖維增韌克服了單向長(zhǎng)纖維只在一個(gè)方向上性能得到提克服了單向長(zhǎng)纖維只在一個(gè)方向上性能得到提高的弱點(diǎn)。多向長(zhǎng)纖維可實(shí)現(xiàn)陶瓷等脆性材料高的弱點(diǎn)。多向長(zhǎng)纖維可實(shí)現(xiàn)陶瓷等脆性材料在二維、三維方向上的性能提高。這種多維多在二維、三維方向上的性能提高。這種多維多向的排列方式有：向的排列方式有：1。將纖維編織成纖維布；。將纖維編織成纖維

14、布；2。纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度。纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度。多維長(zhǎng)纖維增韌的機(jī)理與單向一樣，主要是通多維長(zhǎng)纖維增韌的機(jī)理與單向一樣，主要是通過(guò)纖維的斷裂、拔出或轉(zhuǎn)向提高韌性。過(guò)纖維的斷裂、拔出或轉(zhuǎn)向提高韌性。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論短纖維增韌機(jī)理短纖維增韌機(jī)理短纖維增韌復(fù)合材料的制備工藝比長(zhǎng)纖維的簡(jiǎn)短纖維增韌復(fù)合材料的制備工藝比長(zhǎng)纖維的簡(jiǎn)便。通常是將長(zhǎng)纖維剪斷，再與基體粉體材料便。通常是將長(zhǎng)纖維剪斷，再與基體粉體材料混合、熱壓制得。在熱壓時(shí)，短纖維沿壓力方混合、熱壓制得。在熱壓時(shí)，短纖維沿壓力方向擇優(yōu)取向，產(chǎn)生性能上的各向異性。當(dāng)短纖向擇優(yōu)取向，產(chǎn)生性能上的

15、各向異性。當(dāng)短纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適當(dāng)時(shí)，復(fù)合材料的斷裂功顯著維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適當(dāng)時(shí)，復(fù)合材料的斷裂功顯著提高，從而使斷裂韌性得到提高。提高，從而使斷裂韌性得到提高。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論晶須增韌機(jī)理晶須增韌機(jī)理晶須的增韌機(jī)理與纖維增韌機(jī)理基本相同，即晶須的增韌機(jī)理與纖維增韌機(jī)理基本相同，即主要靠晶須拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)韌性提主要靠晶須拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)韌性提高產(chǎn)生貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明，晶須與界面的強(qiáng)高產(chǎn)生貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明，晶須與界面的強(qiáng)度直接影響復(fù)合材料的韌性。界面強(qiáng)度過(guò)高，度直接影響復(fù)合材料的韌性。界面強(qiáng)度過(guò)高，晶須與基體同時(shí)斷裂，限制了晶須的拔出；而晶須與基體同時(shí)斷裂，限制

16、了晶須的拔出；而結(jié)合強(qiáng)度過(guò)低，晶須拔出功減小。這兩種情況結(jié)合強(qiáng)度過(guò)低，晶須拔出功減小。這兩種情況都對(duì)韌性的提高不利。都對(duì)韌性的提高不利。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增韌機(jī)理增韌機(jī)理顆粒增韌顆粒增韌增韌的機(jī)理主要包括相變?cè)鲰g、裂紋轉(zhuǎn)向增韌的機(jī)理主要包括相變?cè)鲰g、裂紋轉(zhuǎn)向增韌和分叉增韌。增韌和分叉增韌。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論相變?cè)鲰g相變?cè)鲰g通過(guò)相變產(chǎn)生的體積膨脹，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從通過(guò)相變產(chǎn)生的體積膨脹，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而抵消外加應(yīng)力，阻止裂紋的擴(kuò)展，達(dá)到增韌而抵消外加應(yīng)力，阻止裂紋的擴(kuò)展，達(dá)到增韌的目的。的目的。復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌裂紋在陶瓷材料中不斷擴(kuò)展，裂紋前沿遇到裂紋在陶瓷材料中不斷擴(kuò)展，裂紋前沿遇到高強(qiáng)度的顆粒的阻礙，使擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)高強(qiáng)度的顆粒的阻礙，使擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，從而減小了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度，和分叉，從而減小了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度，提高材料的韌性。由于裂紋轉(zhuǎn)向和分叉不受提高材料的韌性。由于裂紋轉(zhuǎn)向和分叉不受溫度的限制，這種增韌機(jī)理適用于高溫結(jié)構(gòu)溫度的限制，這種增韌機(jī)理適用于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。陶瓷。