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复合材料原理 课程学科分类：材料学 课程授课人：成来飞 殷小玮 超高温结构复合材料国防科技重点实验室 2009.3.3 前 言 40学时 先修课：复合材料学 参考教材： 1 复合材料概论 王荣国等编著 2 陶瓷基复合材料－原理、工艺、性能与设计 张长瑞等编著 课外读物 目 录 第一讲 绪论 第二讲 复合材料学基础 第三讲 表面与界面基础 第四讲 界面热化学相容性 第五讲 界面热物理相容性 第六讲 界面特性与性能(一) 第七讲 界面特性与性能(二) 第八讲 界面结合与模量匹配 第九讲 金属基复合材料界面控制 第十讲 陶瓷基复合材料界面控制 第十一讲 聚合物基复合材料界面控制 第十二讲 界面控制与复合工艺 第十三讲 自生复合材料 1.材料为什么要复合？（基础）Why？ 2.材料根据什么复合？（原理）What？ 3.材料怎样进行复合？（工艺）How？ 1.1自然界的启示 竹子、木材、龟壳和鲍鱼壳等自然界生成的天然复合材料： 天然复合材料 混凝土、土墙：原始复合材料 漆器：复合材料 (胶为粘结剂，麻为增强体) 1.1自然界的启示 复合材料并不是人类发明的 木材：天然复合材料（纤维素纤维+聚多糖木质素） 广义地讲，天然材料均处于复合状态(自然复合) 原始复合，性能不能充分发挥（第一阶段） 提纯合成，挖掘材料潜能（第二阶段） 人为复合，发挥联合优势 （第三阶段） 一种材料在某一方面的性能可能是优异的。 很多材料的性能已经得到了充分的发展，继续提高只能是通过复合。 单一材料追求高性能价格很高，复合可以降低成本。 塑料：低密度、易成型和连接；热稳定性差、力学性能一般 陶瓷：低密度、热稳定性好、耐腐蚀、磨蚀、磨损性能好；脆；成型、加工难 金属：良好热稳定性、高力学性能和韧性、好成型和连接性；高温持久性差；高密度；低模量 。 2.1 复合材料定义 确切地下定义很难： a. 由基体和增强体复合而成的材料 b. 人工制造，两种以上的物理和化学区域，具有明显的界面，与基体及增强体具有完全不同的特性。 2.1 复合材料定义 ISO（国际标准化组织）的定义： a 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 b 复合材料各个组分相之间不是简单的加和，而是在总体性能和结构上有着重要的改进。 尺寸效应（热力学缺陷控制） 界面效应（界面区结构变化） 尺度效应（多尺寸效应协同） 结构效应（材料结构一体化） 复合原理：效应协同：和谐 多尺度复合效应实质上是不同尺度的材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。 Al/SiCp复合材料的流动应力主要取决于微结构尺度效应。若增强相尺寸，基体晶粒尺寸以及增强相间距三者大小相当，则复合材料的流动应力取决于增强相的分散程度和位错密度；若增强相尺寸及其间距大小相当，但比基体晶粒大得多，那复合材料的流动应力主要取决于增强相的分散度。 2000年左右，在西方材料学界，哈佛大学的Evans教授、剑桥大学的Ashby教授、MIT的Gibson教授等人率先提出了一种空间点阵材料（结构）。这种结构类似于现有的空间网架，只是尺寸上要小得多。这类材料可能具有的优越性能是高比强度、高比刚度和多功能性等，因此越来越受到材料学界的重视 现代复合材料=先进复合材料 Vf=30~50%，E= 200GPa 均质材料：各向同性，材料与构件设计分步进行 复合材料：各向异性，构件是材料与结构一体化 现代复合材料历史60多年 20世纪40年代，美国 玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料 二战军用飞机雷达罩、远航副油箱 20世纪60-70年代，PMC航空、机械、建筑、化工、体育用品 根据基体的种类分为： PMC Polymer Matrix Composite CMC Carbon and Ceramic Matrix Composite, 包括 Carbon/Carbon MMC Metal Matrix Composite IMMC Intermetallic Matrix Composite 根据增强的种类分为： Fiber增强复合材料 Whiskes 增强复合材料 Particles 增强复合材料 我们熟悉的所有的材料都可以被看成是复合材料，具有两种以上的相结构（第二相有些有利，有些有害） 根据界面可以分为： 弹性界面?弹性界面 弹性界面?塑性界面 根据复合材料的作用分为： 结构复合材料?综合力学性能 功能复合材料?多种功能耦合 结构功能复合材料?结构功能一体 基体 ? 成形和防护 增强体 ? 承载 界面 ? 传力 增强体?承载 这就是现代复合材料的最大