复合材料序论解析

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1、复合材料复合材料 (Matrix Composites) 绪绪 论论 Introduction n复合材料的重要性 n复合材料的基本概念 n本课程的主要内容及要求 一、复合材料的重要性一、复合材料的重要性 材料是人类社会发展的基石 人类社会发展历程 复合材料作为一类重要的高技术新材料，是一门多学 科交叉的新型学科、是新材料开发应用的一个新型领域 。 从学科发展和技术革新两方面均有其独特的重要性。 西北工业大学张立同院士等，以“耐高温长寿命抗 氧化陶瓷基复合材料应用技术研究”荣获国家技术发 明一等奖。 中南工业大学黄伯云院士等，以“高性能炭/炭航空 制动动材料的制备备技术术”荣获国家技术发明一等

2、奖。 2005年国家科技部颁发了两项国家技术发明一等奖 v 国家技术发明一等奖，这个代表着我国原创性发明最高水准的奖项 ，在连续6年的国家科技奖励中一直空缺。国人翘首以盼，科技界望 眼欲穿！2005年3月，6年的沉寂终于被打破！ v 这两项均是有关复合材料的项目，而且均是无机复合材料。 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合 材料应用技术 胡锦涛总书记接见张立同院士 张立同院士工作照 阅读资料1：国家科技发明一等奖获得者张立同院士创新之路 v 该项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料，在国际上被公 认为是反映一个国家先进航空航天器制造能力的战略性新型热结构 材料。 v 它比铝还轻、比钢还强、比碳化硅

3、陶瓷更耐高温、抗氧化烧蚀，而 且克服了陶瓷的脆性，不会发生突发灾难性破坏，替代金属材料可 解决目前航空航天器燃料20%至30%浪费的问题，以满足其向高速 度、高精度、高搭载和长寿命发展的需求。 v 产品价格与传统金属相当，解决了用不起的问题 。 v 提出的“具有类似金属断裂行为的连续纤维增韧高温陶瓷基复合材 料”的思想具有很重要的学术意义 。 v 近二十种这种材料的构件应用于航空发动机、液体火箭发动机、冲 压发动机、固体火箭发动机和飞行器防热结构上。 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合 材料应用技术 张立同课题组研制的新材料制品 C/SiC复合材料航天飞 机头锥 C/SiC复合材料机翼前缘 高性能炭

4、/炭航空制动材料的制备技术 阅读资料2：国家科技发明一等奖获得者黄伯云院士创新之路 黄伯云当选选“感动动中国2005年度人物”黄伯云所在的粉末冶金实验室 v 该项目涉及飞机用高性能炭/炭刹车材料。 v 它具有密度低、性能好、寿命长等特点，代表了当今 航空制动材料的发展方向。以前，炭/炭复合材料航空 刹车副只有美、英、法三国能生产，垄断了国际市场 ，并实行严密的技术封锁。我国每年需进口数亿元炭/ 炭刹车副。 v 该项目首次提出并采用了全炭纤维准三维针刺整体毡 预制体，创新设计、采用了热解炭和浸渍炭复合增密 技术，大大提高了产品性能。发明了系列的高温热处 理工艺技术。发明了自愈合抗氧化特种复合涂层

5、技术 。 高性能炭/炭航空制动材料的制备技术 二、复合材料的基本概念二、复合材料的基本概念 1、材料（materials） 定义（定义（definitiondefinition）：）： 广义上讲：所有的物质都是材料substances 狭义上讲：有用的物质才是材料materials 可用来制造结构（structures）、机械（machines）、装 置设备（devices）或其它产品（products） n根据组成（composition or constitution），可 分为三大类： 金 属 Metals 非金属 Non-Metals or Ceramics 聚合物 Polymers

6、2、材料的类别（category） 非金属和聚合物 金属和合金 陶瓷 金属材料 金属材料是由化学元素周期 表中的金属元素组成的材料。可 分为由一种金属元素构成的单质 （纯金属）；由两种或两种以上 的金属元素或金属与非金属元素 构成的合金。合金又可分为固溶 体和金属间化合物。 在103种元素中，除He、Ne、Ar等6种惰性元素和C、Si、N 等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金 属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及 良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚 度、延展性及耐冲击性。 合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金 属

7、元素溶合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与 组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量 、形状及分布有关。 无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸 盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼 化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备 而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的 总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材 料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法 。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无 机非金属材料两大类。 传统的无机非金属材料主要 是指由SiO2及其硅酸盐化合物为 主要成分

8、制成的材料，包括陶瓷 、玻璃、水泥和耐火材料等。此 外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩 、玄武岩等）、碳素材料、非金 属矿（石棉、云母、大理石等） 也属于传统的无机非金属材料。 先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮 化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种 无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。 主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机 涂层、无机纤维等。 陶瓷按其概念和用途不同，可 分为两大类，即普通陶瓷和特种 陶瓷。 根据陶瓷坯体结构及其基本物 理性能的差异，陶瓷制品可分为 陶器和瓷器。 无机非金属材料 之一：陶瓷 n特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领 域的陶瓷制品。

9、包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷 主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质 、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括 电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能 的陶瓷材料。 常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼 化物、氮化物、硅化物。 功能陶瓷包括：装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷 、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、 超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能 陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射 陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功 能陶瓷等。 无机非金属材料 之二：玻璃 玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网

10、 络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃 等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材 料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。 普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。 普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和 玻璃纤维等。 特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型 原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一 些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。 特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻 璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐 、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物 、氮化物、

11、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等 。 根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生 物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。 无机非金属材料 之三：水泥 水泥是指加入适量水后可 成塑性浆体，既能在空气中硬 化又能在水中硬化，并能够将 砂、石等材料牢固地胶结在一 起的细粉状水硬性材料。 水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水 泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水 硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、 硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方 材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种 。 无机非金属材料 之四：耐火材料 耐火材料是指耐火

12、度不低于1580的无机非金属材料。 它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设 备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能 承受相应的物理化学变化及机械作用。 大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱 镁矿、白云母等）为原料制造的。 按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质 、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料； 按制造方法分为天然矿石和人造制品； 按形状分为块状制品和不定形耐火材料； 按热处理方式分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品； 按耐火度分为普通、高级及特级耐火制品； 按化学性

13、质分为酸性、中性及碱性耐火材料； 按密度分为轻质及重质耐火材料。 按制品的形状和尺寸可分为标准砖、异型砖、特异 型砖、管和耐火器皿等。 按应用分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑 用耐火材料等等。 有机高分子材料（高聚物） 高聚物是由一种或几种简单 低分子化合物经聚合而组成的分 子量很大的化合物。高聚物的种 类繁多，性能各异，其分类的方 法多种多样。按高分子材料来源 分为天然高分子材料和合成高分 子材料；按材料的性能和用途可 将高聚物分为橡胶、纤维、塑料 和胶粘剂等。 三类材料的特点及局限性： v 金属材料：不耐高温、易氧化、易腐蚀 v 陶瓷材料：脆性、使用可靠性差、加工困难 v 聚合物材料

14、：不耐高温、强度低、易老化 基本特点： v 金属材料：导电、导热、延展性、易加工 v 陶瓷材料：高强、高硬、质量轻、耐高温、耐 腐蚀、耐磨损 v 聚合物材料：柔韧性、易加工、化学稳定 局限性： 复合材料复合材料： 复合材料 金属 非金属 聚合物 3、复合材料的定义： 把两种或两种以上不同性能的材料人工复合在一起，形 成具有特殊性能的新型材料，就是复合材料。 无机复合材料的定义无机复合材料的定义： 除了以聚合物为基体的复合材料以外的其它复合材料的 总称，可分为陶瓷基复合材料、金属基复合材料和碳碳复合 材料。 4、复合材料的发展简史： v 古代复合材料 在古代，人类祖先很早就利用复合材料，如草秸与

15、泥土复合盖房、盔甲 兵器、漆器等。 吴王矛 越王剑 漆器猪形盒（战国时期） 阅读资料3：古剑之谜-越王剑 v 近代复合材料 木质胶合板、帘线增强橡胶制作的汽车轮胎等 v 现代复合材料 树脂基复合材料（Polymer matrix composites, PMC） 金属基复合材料（Metal matrix composites, MMC） 陶瓷基复合材料（Ceramic matrix composites, CMC） “玻璃钢” 玻璃钢用于上海东方明珠 电视塔内的装潢 玻璃钢制造的轮船 阅读资料4：玻璃钢是钢吗？ 三、本课程的主要内容三、本课程的主要内容 1、主要内容 序论 第一章 复合材料概述 第二章 增强材料 第三章 复合原理 第四章 聚合物基复合材料 第五章 陶瓷基复合材料 第六章 金属基复合材料 第七章 碳/碳复合材料 v 对PMC、MMC、CMC，C/C 材料有基本概念和了解； v 对复合材料的复合原理、主要用于复合材料的增强材料、复合材 料界面等有较清晰了解； v 对一些典型的PMC、MMC、CMC，C/C 材料的构成、性能有所 了解，并熟悉其特性和应用； v 对一些典型的PMC、 MMC、CMC，C/C 材