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第8章 聚合物纳米复合材料 史上最牛的钉子户 房子 复合材料无所不在！ 树木 贝壳 燕子窝 第一节 前言 一、材料发展与人类社会的进步 材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。 当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 二十一世纪将是一个新材料时代。 单一材料(金属、陶瓷、聚合物)难以满足现代高科技发展的综合要求。复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。 二、复合材料提出 三、复合材料的发展历史和意义 1、复合材料发展历史 6000年前，就会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料广泛用于高楼大厦和河堤大坝等建筑，发挥着重要作用； 20世纪40年代，美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材，发展成玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种广泛应用的现代化复合材料。 现代高科技发展更是离不开复合材料。例如：火箭壳体材料对射程的影响如下 2、复合材料意义 第二节 复合材料概述 一、复合材料定义和特点： 组元含量大于 5%； 复合材料性能显著不同于各组元性能 混合而成，可用机械方法分离 1、定义：两种以上理化性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。应满足三个条件： 1）两/多种组分经宏观/微观复合而成，组分间存在着明显界面。 2）各组分保持各自特性/优点，并产生新的优良性能。 3）复合材料具有可设计性。 2、特点 由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成连续相； 增强剂（增强相/增强体）：独立形态分布于基体中的分散相，会使材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度/模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体间存在着明显界面。 3、复合材料基本结构模式 普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。 先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物/金属/陶瓷和碳（石墨）等复合材料。 比强度和比刚度应达到400MPa /(g/cm3)和40GPa/(g/cm3) 。 二、复合材料分类 1、按性能分类 聚合物复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳碳复合材料 水泥基复合材料 2、按基体材料分类 结构复合材料 功能复合材料 结构/功能一体化 颗粒/晶须增强复合材料 短/连续/混杂纤维增强~ 三向编织~ 3、按用途分类 4、按增强剂分类 1、高比强度/比模量： 强度MPa-- 模量GPa/密度(g/cm3) 三、 复合材料基本性能（优点） 增强体不仅可以提高材料强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变增强体含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。 2、尺寸稳定性良好： 聚合物基复合材料最高耐温上限为350C； 金属基复合材料据基体不同，使用温度在350 1100C 陶瓷基复合材料达1400C 碳/碳复合材料可达2800C 3、高温性能良好： 4、化学稳定性良好 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。 5、抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性良好 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 6、功能性良好 界面是指基体与增强相间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。 界面是多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。 1、外力场 2、基体 3、基体表面区 4、相互渗透区 5、增强剂表面区 6、增强剂 第三节  复合材料界面 一、复合材料界面 它对复合材料性能有重要影响。界面强度要合适：界面结合较差的材料呈剪切破坏，断面为脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。界面结合过强材料则呈脆性断裂。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；此时复合材料具有最大断裂能和一定韧性。 界面结合状态/强度 1）基体应有足够韧性/强度，能将外载荷均匀传递到增强剂 2）基体中存在的局部应力不应在增强剂上形成高局部应力 3）基体与增强相热膨胀系数差异对界面结合/性能产生影响 二、复合材料组分的相容性 1、物理相容性 ★ 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的， 其两相化学势相等，比表面能效应也最小。 ★ 对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。 1）相反应自由能  F：小 2）化学势U：相近 3）表面能T： 低