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1、第六章：复合材料第六章：复合材料第六章：复合材料第六章：复合材料复合材料的基本理论复合材料的基本理论金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料本章本章主要内容主要内容复合材料概述复合材料概述什么是复合材料？什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上物理、化学、复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。相固体材料。复合材料的种类复合材料的种类复合材料复合材料结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料树脂基复合材料水泥基复合材
2、料水泥基复合材料导电导磁复合材料导电导磁复合材料阻尼吸声复合材料阻尼吸声复合材料屏蔽功能复合材料屏蔽功能复合材料摩擦磨损复合材料摩擦磨损复合材料复合材料的性能特点复合材料的性能特点比强度和比弹性模量高比强度和比弹性模量高抗疲劳与断裂安全性能好抗疲劳与断裂安全性能好良好的减震性能良好的减震性能良好的高温性能良好的高温性能大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用纤维增强复合材料具有较高的自震频率，不易产纤维增强复合材料具有较高的自震频率，不易产生共振现象，具有一定的减震作用生共振现象，具有一定的减震作用增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较增强纤维的熔点都很
3、高，并且在高温下仍具有较高的强度高的强度纤维增强复合材料的纤维种类纤维增强复合材料的纤维种类纤维增强复合材料中主要的新型纤维与晶须有：纤维增强复合材料中主要的新型纤维与晶须有：碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等。等。这些纤维与晶须的主要特点是：这些纤维与晶须的主要特点是：密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小等等特点。特点。复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势1。由宏观复合向微观复合发展。由宏观复合向微观复合发展微纤增强复合材料、纳米复合
4、材料、分子复合材料微纤增强复合材料、纳米复合材料、分子复合材料2。向多元混杂复合和超混杂复合发展。向多元混杂复合和超混杂复合发展例如两种纤维的复合应用，两种基体的复合应用等例如两种纤维的复合应用，两种基体的复合应用等3。由结构复合为主向结构复合与功能。由结构复合为主向结构复合与功能 复合并重的方向发展复合并重的方向发展功能复合材料的开发与应用等功能复合材料的开发与应用等复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势4。由被动复合向主动复合材料发展。由被动复合向主动复合材料发展所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种作用或作出某种反应。主动材料就是指具备
5、能自诊断、作用或作出某种反应。主动材料就是指具备能自诊断、自适应和自修补作用材料。自适应和自修补作用材料。5。由常规设计向仿生设计方向发展。由常规设计向仿生设计方向发展仿生设计就是利用某种生物体的特征，设计材料。仿生设计就是利用某种生物体的特征，设计材料。仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的功能材料。功能材料。复合材料的基本理论复合材料的基本理论复合原理复合原理1。纤维增强复合材料的复合原理。纤维增强复合材料的复合原理Fc=cAc = fAf mAm。条件是复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和条件是复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性
6、质和直径都是均匀的，且平行连续排列，同时纤维与基体间的直径都是均匀的，且平行连续排列，同时纤维与基体间的结合为理想结合，在界面上不产生滑移。结合为理想结合，在界面上不产生滑移。c = fVfmVm。Ec = EfVfEmVm。外载荷与纤维方向一致外载荷与纤维方向一致复合材料的基本理论复合材料的基本理论复合原理复合原理1。纤维增强复合材料的复合原理。纤维增强复合材料的复合原理c= f = m。c = fVfmVm。1/Ec = Vf/EfVm/Em。外载荷与纤维方向垂直外载荷与纤维方向垂直复合材料的基本理论复合材料的基本理论复合原理复合原理2。颗粒增强复合材料的复合原理。颗粒增强复合材料的复合原
7、理c = pVpmVm。Ec = EpVpEmVm。Ec = EpEm/(EpVmEmVp)。上限值上限值下限值下限值复合材料的基本理论复合材料的基本理论增强机理增强机理纤维增强纤维增强纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。相材料。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。设计纤维增强金属基复合材料的目标：设计纤维增强金属基复合材料的目标：复合材料的基本理论复合材料的基本理论纤维增强复
8、合材料的机理：纤维增强复合材料的机理：1。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。2。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保，。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保，护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。3。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但基体能阻止。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但基体能阻止裂纹扩展。裂纹扩展。4。由于基体对纤维的粘结作用以及基体与纤维之间的摩擦。由于基体对纤维的粘结作用以及基体与纤维之间的摩擦力，使得材料的强度大大提高。力，使得材料的强
9、度大大提高。复合材料的基本理论复合材料的基本理论增强纤维起到强化基体作用必要条件：增强纤维起到强化基体作用必要条件：1。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。2。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有一定的强度。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有一定的强度。3。纤维应有一定的含量、尺寸和分布。纤维应有一定的含量、尺寸和分布。4。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。5。纤维与基体之间有良好的相容性。纤维与基体之间有良好的相容性。复合材料的基本理论复合材料的基本理论增强机理增强机理颗粒增强颗粒增强颗粒增强复合材料是指
10、由高强度、高弹性模量的脆性颗粒颗粒增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。相材料。纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。颗粒增强复合材料的种类：颗粒增强复合材料的种类：复合材料的基本理论复合材料的基本理论弥散强化复合材料中弥散颗粒种类弥散强化复合材料中弥散颗粒种类金属氧化物金属氧化物碳化物碳化物硼化物硼化物复合材料的基本理论复合材料的基本理论颗粒增强复合材料的机理：颗粒增强复合材料的机理：弥散分布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止弥散分
11、布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止位错运动，产生显著的强化作用。这种复合强化机制类似位错运动，产生显著的强化作用。这种复合强化机制类似与合金的析出强化机理，基体乃是承受载荷的主体。与合金的析出强化机理，基体乃是承受载荷的主体。不同的是，这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的不同的是，这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的硬颗粒，他们在温度升高时仍保持其原有尺寸，因而，增硬颗粒，他们在温度升高时仍保持其原有尺寸，因而，增强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于金属或合金基体。能明显优于金属或合金基体。复合材料的基
12、本理论复合材料的基本理论增韧机理增韧机理纤维增韧纤维增韧由于定向、取向或无序排布的纤维加入，使得由于定向、取向或无序排布的纤维加入，使得复合材料的韧性得到显著提高。复合材料的韧性得到显著提高。复合材料的基本理论复合材料的基本理论单向排布长纤维增韧机理单向排布长纤维增韧机理单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性，沿纤维长度方向的纵向性能大大高于横异性，沿纤维长度方向的纵向性能大大高于横向性能。若材料中产生的裂纹平面垂直于纤维向性能。若材料中产生的裂纹平面垂直于纤维时，当裂纹扩展遇到纤维时，裂纹运动受阻，时，当裂纹扩展遇到纤维时，裂纹运动受阻，欲使裂纹
13、继续运动，必须提高外加应力。应力欲使裂纹继续运动，必须提高外加应力。应力继续增大，纤维与基体解离，纤维从基体中拔继续增大，纤维与基体解离，纤维从基体中拔出、断裂或转向，从而使复合材料的韧性得到出、断裂或转向，从而使复合材料的韧性得到提高。提高。复合材料的基本理论复合材料的基本理论多维多向排布长纤维增韧多维多向排布长纤维增韧克服了单向长纤维只在一个方向上性能得到提克服了单向长纤维只在一个方向上性能得到提高的弱点。多向长纤维可实现陶瓷等脆性材料高的弱点。多向长纤维可实现陶瓷等脆性材料在二维、三维方向上的性能提高。这种多维多在二维、三维方向上的性能提高。这种多维多向的排列方式有：向的排列方式有：1。
14、将纤维编织成纤维布；。将纤维编织成纤维布；2。纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。多维长纤维增韧的机理与单向一样，主要是通多维长纤维增韧的机理与单向一样，主要是通过纤维的断裂、拔出或转向提高韧性。过纤维的断裂、拔出或转向提高韧性。复合材料的基本理论复合材料的基本理论短纤维增韧机理短纤维增韧机理短纤维增韧复合材料的制备工艺比长纤维的简短纤维增韧复合材料的制备工艺比长纤维的简便。通常是将长纤维剪断，再与基体粉体材料便。通常是将长纤维剪断，再与基体粉体材料混合、热压制得。在热压时，短纤维沿压力方混合、热压制得。在热压时，短纤维沿压力方向择优取向，产生性能上的各
15、向异性。当短纤向择优取向，产生性能上的各向异性。当短纤维的质量分数适当时，复合材料的断裂功显著维的质量分数适当时，复合材料的断裂功显著提高，从而使断裂韧性得到提高。提高，从而使断裂韧性得到提高。复合材料的基本理论复合材料的基本理论晶须增韧机理晶须增韧机理晶须的增韧机理与纤维增韧机理基本相同，即晶须的增韧机理与纤维增韧机理基本相同，即主要靠晶须拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提主要靠晶须拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提高产生贡献。研究结果表明，晶须与界面的强高产生贡献。研究结果表明，晶须与界面的强度直接影响复合材料的韧性。界面强度过高，度直接影响复合材料的韧性。界面强度过高，晶须与基体同时断裂，限制了
16、晶须的拔出；而晶须与基体同时断裂，限制了晶须的拔出；而结合强度过低，晶须拔出功减小。这两种情况结合强度过低，晶须拔出功减小。这两种情况都对韧性的提高不利。都对韧性的提高不利。复合材料的基本理论复合材料的基本理论增韧机理增韧机理颗粒增韧颗粒增韧增韧的机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧的机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧和分叉增韧。增韧和分叉增韧。复合材料的基本理论复合材料的基本理论相变增韧相变增韧通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧而抵消外加应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧的目的。的目的。复合材料的基本理论复合材料
17、的基本理论裂纹转向与分叉增韧裂纹转向与分叉增韧裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到高强度的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转高强度的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转和分叉，从而减小了裂纹尖端的应力强度，和分叉，从而减小了裂纹尖端的应力强度，提高材料的韧性。由于裂纹转向和分叉不受提高材料的韧性。由于裂纹转向和分叉不受温度的限制，这种增韧机理适用于高温结构温度的限制，这种增韧机理适用于高温结构陶瓷。陶瓷。复合材料的界面复合材料的界面金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面什么是界面？什么是界面？界面就是复合材料中基体与增界面就是复合材料中基体与增强材料之间的结合面
18、。这种结合面是基体和强材料之间的结合面。这种结合面是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。的。复合材料的界面复合材料的界面纤维增强金属基复合材料界面的类型纤维增强金属基复合材料界面的类型I。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。II。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。III。纤维与基体反应形成界面反应层。纤维与基体反应形成界面反应层。复合材料的界面复合材料的界面界面结合的类型界面结合的类型I。机械结合：机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的借助增强纤维表面凹凸不平的
19、形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。II。溶解与侵润结合：溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而液态金属对增强纤维的侵润，而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。III。反应结合：反应结合：基体与纤维之间形成界面反应层。基体与纤维之间形成界面反应层。IV。混合结合：混合结合：上述三种形式的混合结合方式。上述三种形式的混合结合方式。复合材料的界面复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的结合同样
20、以机械结合、溶解与侵润结合、反应结合同样以机械结合、溶解与侵润结合、反应结合和混合结合的方式进行。界面的特性对复结合和混合结合的方式进行。界面的特性对复合材料的性能起到举足轻重的作用合材料的性能起到举足轻重的作用。复合材料的界面复合材料的界面怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？1。改变增强材料表面性质。改变增强材料表面性质。2。向基体内添加特定的元素。向基体内添加特定的元素。3。在增强材料的表面施加涂层。在增强材料的表面施加涂层。金属基复合材料金属基复合材料概述概述金属基复合材料除具有与树脂基复合材料相同的高强度、高金属基复合材料除具有与树脂基复合材
21、料相同的高强度、高弹性模量和线膨胀系数小以外，还具有工作温度高、不易燃弹性模量和线膨胀系数小以外，还具有工作温度高、不易燃烧、导电、导热、热稳定性好等特点。但这类材料存在密度烧、导电、导热、热稳定性好等特点。但这类材料存在密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反应等缺点。应等缺点。金属基复合材料包括长纤维增强、短纤维或晶须增强、颗金属基复合材料包括长纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强以及原位复合增强等粒增强以及原位复合增强等。金属基复合材料金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料1。硼。硼/铝复合材料铝
22、复合材料硼纤维高温强度高，硼纤维高温强度高，1500度时蠕变速率低。但高温氧化后度时蠕变速率低。但高温氧化后强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或或B4C，防防止纤维表面氧化。止纤维表面氧化。金属基复合材料金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料2。石墨。石墨/铝复合材料铝复合材料这种材料具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用这种材料具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用石墨纤维表面沉积石墨纤维表面沉积Ti/Bi涂层技术，可改善石墨纤维与液态涂层技术，可改善石墨纤维与液态铝的湿润性，有效控制铝与纤维的表面反应，提高
23、复合材料铝的湿润性，有效控制铝与纤维的表面反应，提高复合材料的性能。的性能。金属基复合材料金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料3。石墨。石墨/镁复合材料镁复合材料这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。提高石墨纤维的润湿性。金属基复合材料金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料3。碳化硅。碳化硅/钛复合材料钛复
24、合材料碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反应小，润湿性好。这种复合材料的高温氧化，与金属的反应小，润湿性好。这种复合材料的高温强度高，主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭强度高，主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。发动机箱体材料。金属基复合材料金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料5。氧化铝。氧化铝/铝复合材料铝复合材料氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高
25、强度和高刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。金属基复合材料金属基复合材料短纤维增强金属基复合材料短纤维增强金属基复合材料1。氧化铝。氧化铝/铝复合材料铝复合材料2。碳化硅。碳化硅/铝复合材料铝复合材料3。氧化铝。氧化铝/镍复合材料镍复合材料金属基复合材料金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料2。碳化钛。碳化钛/钛复合材料钛复合材料1。碳化硅。碳化硅/铝复合材料铝复合材料1。颗粒增强金属间化合物复合材料。颗粒增强金属间化合物复合材料TiB2/NiAl、 TiB2/TiAl金属
26、基复合材料金属基复合材料原位复合材料原位复合材料什么是复合材料？什么是复合材料？原位复合材料是采用定向凝固方法，使液态金属和合金原位复合材料是采用定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则的温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身在有规则的温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身析出晶须或颗粒而得到的复合材料。析出晶须或颗粒而得到的复合材料。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷材料的晶体缺陷陶瓷材料的晶体缺陷什么是陶瓷基复合材料？什么是陶瓷基复合材料？在陶瓷基体中添加碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、在陶瓷基体中添加碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须、氧化铝晶须、碳化硅颗粒和碳化钛颗粒，碳化硅晶须、
27、氧化铝晶须、碳化硅颗粒和碳化钛颗粒，所形成的复合材料称为陶瓷基复合材料。这些纤维的所形成的复合材料称为陶瓷基复合材料。这些纤维的加入可以大大提高陶瓷材料的强度和韧性。加入可以大大提高陶瓷材料的强度和韧性。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料1。碳。碳/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料这种复合材料具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧这种复合材料具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧性。碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在性。碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400度以上的高温下度以上的高温下长期工作；碳纤维增强的石英陶瓷复合材料，冲击韧性比长期工作；碳纤维增强的石英陶瓷复合
28、材料，冲击韧性比烧结石英陶瓷高烧结石英陶瓷高40倍、抗弯强度大倍、抗弯强度大512倍。可承受倍。可承受12001500度高温气流的冲击。度高温气流的冲击。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料2。碳化硅。碳化硅/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳化硅纤维可与多重陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅纤维可与多重陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。碳化硅纤维通常采用氧化锆陶瓷等复合。碳化硅纤维通常采用CVD制备。利用制备。利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高56倍，倍，抗弯强度提高抗弯强度提高50
29、以上，且基体与纤维之间的结合性能以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。良好。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料3。碳。碳/碳复合材料碳复合材料这种材料是将碳纤维用聚合物浸润，固化成型后，在无这种材料是将碳纤维用聚合物浸润，固化成型后，在无样条件下，高温裂解树脂，得到碳样条件下，高温裂解树脂，得到碳/碳复合材料。碳碳复合材料。碳/碳碳复合材料的强度和刚度都相当好，能承受极高的温度和复合材料的强度和刚度都相当好，能承受极高的温度和极高的加热速度，高温力学性能比低温时还好，是目前极高的加热速度，高温力学性能比低温时还好，是目前使用温度最高的复合材料。使用温度
30、最高的复合材料。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料1。碳。碳/玻璃陶瓷基复合材料玻璃陶瓷基复合材料晶须：晶须：SiC、Si3N4、Al2O3晶须。晶须。2。晶须。晶须/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料基体：基体：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO2、莫来石等。莫来石等。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒增强陶瓷基复合材料颗粒增强陶瓷基复合材料1。氧化锆。氧化锆/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料利用利用ZrO2相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧性。利用相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧性。利用ZrO2增韧的氧化增韧的氧化Al2O3陶瓷，其断裂韧性可提高陶
31、瓷，其断裂韧性可提高1。4倍。倍。2。氧化钇。氧化钇/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料分析与建模（材料设计）分析与建模（材料设计）1. 1. 引言引言2. 2. 材料设计的基本内容材料设计的基本内容3. 3. 材料设计计算机基础材料设计计算机基础1.1.引言引言随随着着材材料料科科学学的的飞飞速速发发展展，新新型型材材料料不不断断涌涌现现，与与此此同同时时，人人类类社社会会的的整整体体科科技技水水平平也也在在不不断断的的提提高高，因因此此对对材材料料科科学学又又提提出出了了更更高高的要求。的要求。传传统统“炒炒菜菜式式”的的材材料料研研制制方方法法已已不不能能满满足人们的要求。足人们的要求。“材料
32、设计材料设计”应运而生。应运而生。核心问题核心问题：用什么样的配方，什么样的用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么合成加工条件，来获取具有什么样的成分、结构和性质的材料。样的成分、结构和性质的材料。“材材料料设设计计”构构想想始始于于5050年年代代，8080年年代代后后实实现现“材材料料设设计计”的的条条件件渐渐趋趋成成熟。表现在以下三个方面：熟。表现在以下三个方面：1 1）基础理论的形成和发展）基础理论的形成和发展量子力学，统计力学，能带理论，化学键理论等理论科学的发展使人们对材料的结构和性质的关系有了系统的了解；2 2）计算机科学技术的发展）计算机科学技术的发展计算机高速运
33、算，模式识别，数据库技术等技术的发展，为材料设计与过程仿真的实施提供了手段；3 3）合成与加工新技术的涌现）合成与加工新技术的涌现各种新型材料合成加工技术为材料设计方案的实施提供了条件，同时材料智能加工又为合成加工的优化开辟了新方向。材料设计材料设计贯穿于材料贯穿于材料“四要素四要素”的各个方面，即：的各个方面，即：2.2.材料设计的内容材料设计的内容u成分结构设计成分结构设计u性质性能预测性质性能预测u合成加工过程的控制与优化合成加工过程的控制与优化将将性性质质截截然然不不同同的的材材料料在在原原子子、分分子子水水平平上上均匀混合，形成原子、分子层次的复合材料均匀混合，形成原子、分子层次的复
34、合材料例如：例如：高分子聚乙烯和难熔重金属钨的高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料杂化材料88微观结构设计微观结构设计微观结构设计微观结构设计案例案例1：杂化材料杂化材料同传统复合材料的区别：同传统复合材料的区别：复合材料复合材料 不同的组成相复合不同的组成相复合杂化材料杂化材料 不同的组成原子（分子）复合不同的组成原子（分子）复合同固溶体的区别：同固溶体的区别：固溶体固溶体 热力学平衡体系热力学平衡体系 杂化材料杂化材料 热力学非平衡体系热力学非平衡体系通过对原子排列的计算，通过对原子排列的计算，可以了解到晶体材料的晶可以了解到晶体材料的晶体学结构。体学结构。案例案例2：晶体结构计算晶体结构
35、计算准晶照片准晶照片计算的剖面图计算的剖面图金属间化合物：处于相图中间的除固金属间化合物：处于相图中间的除固溶体以外的合金相。许多金属间化合溶体以外的合金相。许多金属间化合物都是重要的功能材料，如：储氢材物都是重要的功能材料，如：储氢材料，超导材料，磁性材料，高温结构料，超导材料，磁性材料，高温结构材料，磁滞伸缩材料等。材料，磁滞伸缩材料等。 案例案例3：金属间化合物预报金属间化合物预报1969年年前已知前已知预报预报可能存可能存在在CaCu5型化合型化合物的预报名单物的预报名单案例案例4：超晶格结构设计超晶格结构设计超超超超晶晶晶晶格格格格结结结结构构构构：通通过过外外延延生生长长的的方方法
36、法，使使两两种种材材料料以以极极薄薄的的薄薄膜膜方方式式交交替替叠叠合合，从从而而沿沿生生长长方方向向在在原原晶晶格格常常数数为为a a（几几个个埃埃）的的晶晶格格势势场场上上，引引入入了了一一个个周周期期为为d d（100100埃埃数数量量级级）的的一一维维周周期期势势，这这种一维周期势结构就称为超晶格结构。种一维周期势结构就称为超晶格结构。超超晶晶格格结结构构使使原原来来的的能能带带分分裂裂为为一一系系列列微微小小能能带带，可可使使电电子子能能够够在在这这些些微微能能带带间间发发生生跃跃迁迁，从从而而导导致致各各种种新新的的物物理理现现象象产产生生。如如：量量子子尺尺寸寸效效应应、室室温温
37、激激子子非非线线性性光光子子效效应应、迁迁移移率率增增强强效效应应、量量子子霍霍耳耳效效应应、共振隧穿效应。共振隧穿效应。利利用用超超晶晶格格结结构构的的概概念念，在在原原子子尺尺度度上上进进行行材材料料的的组组份份及及结结构构参参数数设设计计，改改变变材材料料的的能能带带结结构构，采采用用先先进进的的制制备备方方法法，人人工工合合成成各各式式奇奇特特物物理理性性质质的的新新材材料料和和新新器件。器件。能带工程能带工程制备方法：制备方法：分子束外延（分子束外延（MBE）金属有机化合物化学金属有机化合物化学气相沉积（气相沉积（MOCVD）化学束外延（化学束外延（CBE）原子层外延（原子层外延（ALE）
