华中科技大学第四章——纳米复合材料要点解析.ppt

第四章 纳米复合材料 是由两种或两种上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成的复合体。其中一相为连续相，称为“基体”；另一相是以一定的形态分布于连续相中的分散相，称为“增强体”。如果增强体为纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等，则称为“纳米复合材料”。 复合材料的性能 由于各组成材料的协同作用，因而具有单一材料无法比拟的优异综合性能，例如：刚度大，强度高，质量轻，且可根据使用条件进行设计和制造，以满足各种特殊用途的需要。 §4.1 纳米复合材料分类 (1) 按基体种类分类 金属基纳米复合材料 陶瓷基纳米复合材料 高分子基纳米复合材料 (2) 按增强体分类 颗粒增强纳米复合材料 晶须增强纳米复合材料 纤维增强纳米复合材料 0-0复合(即纳米粒子-纳米粒子的复合，可以是金属-金属、陶瓷-高分子、陶瓷-陶瓷、陶瓷-高分子等) 0-2复合(即纳米粒子-二维薄膜的复合，又可分为均匀弥散型、非均匀弥散型两类) 0-3复合(即纳米粒子-常规三维固体的复合) (4) 按增强体形状分类 零维(颗粒增强) 一维(纤维、晶须增强) 二维(晶片、薄层、叠层增强) (5) 按复合方式分类 晶内型 晶间型 晶内-晶间型 纳米-纳米型(由纳米级增强体和纳米基体晶粒构成的，从而使材料具有某些新的功能，例如可加工性和超塑性等) (6) 按用途分类a、结构纳米复合材料 组成：基本上是由纳米级增强体和基体组成的，前者是承受载荷的主要组元，后者则起使增强体彼此粘结起来予以赋型并传递应力和增韧的作用。可按受力的状态进行复合结构的设计。 用途：主要用作承力和次承力结构——因此，要求质量轻、强度和刚度高，且能耐一定的温度。在某些情况下，甚至还要求膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能。 组成：主要由纳米功能体和基体组成。基体不仅起到粘结和赋型的作用，同时也会对复合材料整体的物理性能有影响。可按其功能进行成分与结构设计。 用途：因有各种电学性能(如导电、超导、半导、压电等)、磁学性能(如永磁、软磁、磁致伸缩等)、热学性能(如绝热、导热、低膨胀系数等)、光学性能(如透光、选择吸收、光致变色等)、声学性能(如吸音、消声纳等)，主要用作功能件。 指具有自检测、自判断、自恢复、自协调和执行功能的纳米复合材料。 材料具有智能的关键是其对环境有“反映能力”。若将复杂的反映能力引进到现有的材料中，就能使材料具有传感、处理和执行功能。 “复合”是使材料智能化的有效途径之一。若将纳来级功能体(如形状记忆合金纳米粒子)与具有相变粒子的材料复合，则具有对损伤的自预警和自修复功能。 §4.2 纳米复合材料的力学性能 纳米复合材料的力学性能主要包括：高强度、高韧性；高比强度、高比模量；抗蠕变、抗疲劳性好；高温性能好；断裂安全性高等。 (1) 高强度、高韧性 陶瓷基纳米复合材料特别是氧化物系陶瓷基纳米复合材料，力学性能明显改善的原因 纳米级弥散相抑制了氧化物基体晶粒生长和晶粒异常长大，起到细晶强化作用。 在弥散相内或弥散相周围存在高的局部应力，这种应力是基体和弥散相之间热膨胀失配而产生的，使冷却期间产生位错。纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，使基体晶粒再细化而起增强作用。 纳米级粒子周围的局部拉伸应力引起穿晶断裂，并由于硬粒子对裂纹尖端的反射作用而产生韧化。破坏模式从穿晶和晶间到单纯晶间断裂，晶界相(通常约10%体积的无定形相)的改变和对高温力学性能影响的减小，使高温力学性能获得明显改善。 纳米级粒子在高温下牵制位错运动，从而使高温力学性能获得明显改善。 弥散相对氮化物、碳化物、硼化物陶瓷基纳米复合材料的强化作用大致有以下3个原因 当增强体含量较低时，纳米级增强体粒子在液相烧结过程中，对β-Si3N4的析出起晶核作用，促进细长β-Si3N4从晶粒生长，这种晶粒结构(纳米晶须或纤维)起增韧和增强作用。 在纳米级增强体含量较高时(25%) ，弥散相阻止了细长形Si3N4晶粒生长，将形成细小等轴晶，而成为纳米一纳米型复合材料。这种复合材料在高温下具有超塑性变形的能力。 纳米级增强体位于Si3N4 基体的晶界。在添加8%Y2O3助烧剂时，SiC 和Si3N4晶粒之间没有观察到晶界杂质相，可见是直接结合的。这改善了复合材料的高温力学性能。 新一代陶瓷材料的研究方向，将是晶片增强、晶须增强、纤维增强的纳米复合材料。 (2) 高比强度、高比模量 比强度、比模量 指材料的强度或模量与密度之比。材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚性愈大。 金属基体——大多数采用密度较低的铝、镁和钛合金，以便提高复合材料的比强度和比模量，其中较成熟、且应用较多的是铝基纳米