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复合材料原理 40学时 先修课：复合材料学 第一章绪论 ?1－1前言 广义地讲，原始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） 复合技术是获得高性能材料的必由之路：发挥各自组元的性能优势获得良好的综合性能： 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时价格很高，复合可以降低成本 广义复合材料 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） 金属和无机非金属材料：性能表现为基体的特点，不是人为的 复相材料 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 复合材料定义 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。 确切地下定义很难 现代复合材料=先进复合材料 Vf=30~50%，E= 200GPa 结构复合材料 综合力学性能 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 功能复合材料 综合各种功能 结构——功能一体复合材料Smart→复相结构、界面结构→微结构设计与组装 ?1－2复合材料学基础 复合材料三大要素 增强体 基体 界面 根据基体的种类分为三种： PMC Polymer Matrix Composite CMC Carbon and Ceramic Matrix Composite, 包括Carbon/Carbon MMC Metal Matrix Composite IMMC Intermetallic Matrix Composite 根据增强体可以分为： Fiber增强复合材料 连续 Whiskes 增强复合材料 混杂 Particles 增强复合材料 弥散 Whiskers和Particles虽是均质，但第二相是加入的。因此，可以称为复合材料，也可称为增强或增韧材料，如SiC增强Al金属材料，ZrO2增韧陶瓷材料 根据界面可以分为： 弹性界面?弹性界面 弹性界面?塑性界面 通常基体可以分为弹性和塑性，而增强体都是弹性的。 增强纤维?承载 这就是现代复合材料的最大特点 纤维承受90%以上的载荷 纤维束增大，3k, 12k, 24k, 36k, 48k 用做高性能结构复合材料的增强纤维必须具有如下的特征 1.相对于晶粒尺寸或者其他显微结构单元，纤维的直径很小，纤维的强度接近理论强度，比块体材料的强度高很多。这就是所谓的尺寸效应，尺寸效应最直接的结果即纤维直径越小，材料中存在缺陷的可能性越低。 2.高的长径比可以保证界面受到剪切应力时纤维能不很快拔出或者裂纹通过偏转从纤维的端部绕过，使施加的载荷大部分通过基体转移到刚度和强度都更高的纤维上。 3.高度的柔软性。这实际上是刚性很高，但直径细小的材料的特性。高度的柔软性使人们使用各种复合技术，使用这些纤维制备复合材料成为可能。编制、缠绕、热压浸渍等。 基体材料?成形和防护 作用两个方面： 传递载荷到增强体上 保护增强体不受环境的有害影响 基体材料主要分为三种： 聚合物 Polymer 金属 Metal 陶瓷 Ceramic Polymer：thermoset, thermoplastic 四种链状分子键： 复杂程度 塑性 强度 1. Linear Polymer 2. Branched Polymers 3. Cross linked Polymers 4. Ladder Polymers 使用温度提高 Polymer基体的特点是强度低，分子链与分子链之间主要是范德华作用力?主要问题是增强 Metal：纤维增强主要为有色金属Al，Mg，Cu等及其合金 晶须或颗粒增强的有色和黑色金属复合材料均有 三种晶体结构： 面心立方 体心立方 密堆六方 滑移（有一定韧性） 金属键（有一定的强度） 主要是增强，降低比重(比强度)，提高使用温度 位错等热力学缺陷是影响强度的主要因素， 增强体不仅承受大部分载荷而且阻止位错的运动）。 Ceramic：氧化物 非氧化物 三种基本结构： 面心立方 ①晶格上的原子团 体心立方 ②晶格中溶入阳离子，造成变体 密堆立方 ③经常出现同素异构体SiC，Si3N4 共价键和离子键：强