第21讲37.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案第7章高性能复合材料87.1复合材料的定义、分类和特点【目的要求】通过本讲课程的学习，了解复合材料的定义和特点，掌握复合材料的结构、分类：掌握复合材料的复合原则和复合方法：掌握金属基复合材料的定义和分类，理解金属基复合材料的制造工艺。本讲课的教学强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础理论知识灵活应用能力的培养：并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用提高学生的学习兴趣。【重点】复合材料的结构，复合材料和传统材料的差别，金属基复合材料的定义和分类，金属基复合材料的制造工艺。【难点】复合材料的结构，金属基复合材料的定义和分类。【本讲课程的内容】7.1.1复合材料定义国际标准化组织：由两种或两种以上在物理和化学上性质不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。《材料科学技术百科全书》：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。《材料大词典》：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。复合材料的特点之一是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能；特点之二是它的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。7.1.2复合材料的特点根据以上定义可知，复合材料应具有以下的特点：①复合材料是两种或两种以上不同性能的材料组元或相组成的混合物②复合材料的组元和相对含量是经人工选择和设计的：③组成复合材料的某些组元在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物
§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 第 7 章 高性能复合材料 §7.1 复合材料的定义、分类和特点 【目的要求】通过本讲课程的学习，了解复合材料的定义和特点，掌握复合材料的结构、分 类；掌握复合材料的复合原则和复合方法；掌握金属基复合材料的定义和分类，理解金属基 复合材料的制造工艺。本讲课的教学强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础 理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用， 提高学生的学习兴趣。 【重 点】复合材料的结构，复合材料和传统材料的差别，金属基复合材料的定义和分类， 金属基复合材料的制造工艺。 【难 点】复合材料的结构，金属基复合材料的定义和分类。 【本讲课程的内容】 7.1.1复合材料定义 国际标准化组织：由两种或两种以上在物理和化学上性质不同的物质组合起来而得到的 一种多相固体材料。 《材料科学技术百科全书》 ：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同 材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应 获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而 获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。 《材料大词典》 ：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机 非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。复合材料的 特点之一是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能；特点之二是它 的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料 的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。 7.1.2复合材料的特点 根据以上定义可知，复合材料应具有以下的特点： ①复合材料是两种或两种以上不同性能的材料组元或相组成的混合物； ②复合材料的组元和相对含量是经人工选择和设计的； ③组成复合材料的某些组元在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物
第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案和合金）；④复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能。③复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。7.1.3复合材料的结构与表示方法复合材料由三种相组成：增强相、基体相和界面相。增强相：在复合材料中主要承受外加载荷。主要有三类：纤维及其织物、晶须和颗粒。通常具有较高的强度、模量、硬度和脆性。在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围。也称分散相。基体相：也叫连续相。在复合材料中主要起支撑和保护增强相的作用。在复合材料承受外加载荷时，基体相以剪切变形的方式向增强相分配和传递载荷的作用。界面相：增强相与基体相之间的界面区域因其特殊的结构和组成被称为界面相。复合材料表示方法：增强相在前，基团材料名称在后，再加上复合材料四个字，为了书写简便也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线，再加上复合材料。增强相（名称、化学符号、专用代号）/基体相（名称、化学符号、专用代号）7.1.4复合材料的分类复合材料可以按照使用功能、增强体的几何形态或基体材料的性质分类。按照使用功能分：结构复合材料和功能复合材料。按照增强体几何形态分：（1）纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处：b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中（2）颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中：（3）板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体按照基体材料分类：（1）聚合物基复合材料：以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体：（2）金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；
§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 和合金）； ④复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特 性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能。 ⑤ 复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。 7.1.3复合材料的结构与表示方法 复合材料由三种相组成：增强相、基体相和界面相。 增强相：在复合材料中主要承受外加载荷。主要有三类：纤维及其织物、晶须和颗粒。 通常具有较高的强度、模量、硬度和脆性。在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围。 也称分散相。 基体相：也叫连续相。在复合材料中主要起支撑和保护增强相的作用。在复合材料承受 外加载荷时，基体相以剪切变形的方式向增强相分配和传递载荷的作用。 界面相：增强相与基体相之间的界面区域因其特殊的结构和组成被称为界面相。 复合材料表示方法： 增强相在前，基团材料名称在后，再加上复合材料四个字，为了书写简便也可仅写增强 材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线，再加上复合材料。 增强相（名称、化学符号、专用代号）/基体相（名称、化学符号、专用代号） 7.1.4复合材料的分类 复合材料可以按照使用功能、增强体的几何形态或基体材料的性质分类。 按照使用功能分：结构复合材料和功能复合材料。 按照增强体几何形态分： （1）纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中； （2）颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中； （3）板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 按照基体材料分类： （1）聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体； （2）金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；
第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案（3）无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。7.1.5复合材料与传统材料的主要区别（一）复合材料的性能具有可设计性复合材料通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。发展成熟的均质材料的力学分析和力学原理，以及各向异性材料力学和弹性理论、层合板理论、有限元理论均可应用于复合材料设计中。（二）材料与构件制造的一致性复合材料与复合材料构件是同时成型的。即，采用某种方法把增强体掺入基体形成复合材料的同时，也形成了复合材料的构件。称为复合材料与构件制造的一致性。（三）叠加效应依靠增强体与基体性能的叠加（或互补）使复合材料获得一种新的、独特而优于各单元组分的简单混合物的性能，这就是叠加效应。7.1.6复合材料的应用应用广泛。如运载火箭整流罩，广播卫星抛物面天线，轻型飞机，汽车外壳。A350复合材料的用量远远高于其他材料，A350飞机中采用碳纤维增强塑料等复合材料占飞机总质量52%的结构组件。87.2复合材料复合理论7.2.1.复合原则（一）、材料组元的选择首先，要明确哪种组元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。这种组元就是所要选择的增强材料，而其它组元应起传递载荷及协同作用，而且要把增强材料粘结在一起，这类组元就是要选的基体材料；其次，除考虑性能要求外，应该考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，包括物理、化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。其三，应考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之间达到比较理想的具有一定结合强度的界面。（二）、制备方法的选择材料的组元选择后，就要考虑复合材料的具体制备方法
§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 （3）无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。 7.1.5复合材料与传统材料的主要区别 （一）复合材料的性能具有可设计性 复合材料通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。发展成 熟的均质材料的力学分析和力学原理，以及各向异性材料力学和弹性理论、层合板理论、有 限元理论均可应用于复合材料设计中。 （二）材料与构件制造的一致性 复合材料与复合材料构件是同时成型的。即，采用某种方法把增强体掺入基体形成复合 材料的同时，也形成了复合材料的构件。称为复合材料与构件制造的一致性。 （三）叠加效应 依靠增强体与基体性能的叠加（或互补）使复合材料获得一种新的、独特而优于各单元 组分的简单混合物的性能，这就是叠加效应。 7.1.6复合材料的应用 应用广泛。如运载火箭整流罩，广播卫星抛物面天线，轻型飞机，汽车外壳。A350 复合 材料的用量远远高于其他材料，A350 飞机中采用碳纤维增强塑料等复合材料占飞机总质量 52%的结构组件。 §7.2 复合材料复合理论 7.2.1 复合原则 （一）、材料组元的选择 首先，要明确哪种组元主要起承受载荷的作用，它必须具有高强度和高模量。这种组元 就是所要选择的增强材料，而其它组元应起传递载荷及协同作用，而且要把增强材料粘结在 一起，这类组元就是要选的基体材料； 其次，除考虑性能要求外，应该考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，包括物理、 化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。 其三，应考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之间达到比较理想的具 有一定结合强度的界面。 （二）、制备方法的选择 材料的组元选择后，就要考虑复合材料的具体制备方法
第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案第一，应该考虑所选的工艺方法对材料组元的损伤最小：第二，应考虑任何形式的增强材料均匀分布或按预设计要求规则排列：第三，应考虑最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，而且各组元保留固有的特性；第四，应考虑复合材料的性能/价格比，尽可能采用简便易行的工艺。根据以上复合原则，可以归纳复合材料制品的设计和研制步骤如下：1）通过论证明确对于复合材料的使用性能要求，确定设计目标；2）选择材料体系（增强体、基体)；3）确定组分比例、几何形态及增强体的配置；4)确定制备工艺方法及工艺参数；5)依据市场供应情况采购原料，购置设备：6)按预定方案进行样品试制；7)测试样品性能，检验是否达到使用性能要求和设计目标调整方案，组织生产。8)7.2.2复合材料复合方法（1)登层法（层合法）该方法包括利用胶黏剂的粘结层合、热压层合、挤压层合、电沉积、真空沉积、贴面、喷涂、表面聚合等多种方法形成表面层。(2)混合法指将不同组分通过机械混合、粉未混合烧结、溶液或乳液混合-聚合等微观结合制备新型复合材料的方法。(3）浸渍法这是一种多孔连续相与浸渍成分结合制备复合材料的方法。如陶瓷与塑料复合，纤维增强塑料等。87.3金属基复合材料7.3.1MMC的定义和分类(一)、定义:金属基复合材料（metalmatrixcomposite，MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷
§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 第一， 应该考虑所选的工艺方法对材料组元的损伤最小； 第二， 应考虑任何形式的增强材料均匀分布或按预设计要求规则排列； 第三，应考虑最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，而且各组元保 留固有的特性； 第四，应考虑复合材料的性能/价格比，尽可能采用简便易行的工艺。 根据以上复合原则，可以归纳复合材料制品的设计和研制步骤如下： 1) 通过论证明确对于复合材料的使用性能要求，确定设计目标； 2) 选择材料体系（增强体、基体）； 3) 确定组分比例、几何形态及增强体的配置； 4) 确定制备工艺方法及工艺参数； 5) 依据市场供应情况采购原料，购置设备； 6) 按预定方案进行样品试制； 7) 测试样品性能，检验是否达到使用性能要求和设计目标； 8) 调整方案，组织生产。 7.2.2复合材料复合方法 (1)叠层法（层合法） 该方法包括利用胶黏剂的粘结层合、热压层合、挤压层合、电沉积、真空沉积、贴面、 喷涂、表面聚合等多种方法形成表面层。 (2)混合法 指将不同组分通过机械混合、粉末混合烧结、溶液或乳液混合-聚合等微观结合制备新型 复合材料的方法。 (3) 浸渍法 这是一种多孔连续相与浸渍成分结合制备复合材料的方法。如陶瓷与塑料复合，纤维增 强塑料等。 §7.3 金属基复合材料 7.3.1 MMC的定义和分类 （一）、定义: 金属基复合材料（metal matrix composite, MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或 几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷
第21讲S7.1复合材料的定义、分类和特点材料化学导论课程教案碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。（二）、MMC的分类：金属基复合材料的增强材料的种类和形态多种多样，既可以是连续纤维和短纤维，亦可是颗粒、晶须等。首先按增强材料的形态来分：（1）纤维增强金属基复合材料包括有长的连续纤维（硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和碳与石墨纤维）和短纤维（如氧化铝纤维，氧化铝-氧化硅纤维，氮化硼纤维）和金属丝（如钨丝，钳丝，钢丝等），长纤维增强金属基复合材料亦称为连续增强型金属基复合材料。常用的基体材料有铝，镁，钛，铜，铅和高温合金，其中铝基复合材料发展最迅速。典型的复合材料有：硼纤维或碳纤维增强铝基或钛基复合材料。纤维增强金属基复合材料的特点：1）比强度，比模量高：如纤维增强的铝、镁复合材料的比强度比铝、钛、钢等金属高4倍以上，比模量高9~10倍。2）良好的高温性和耐疲劳性；3）低热膨胀系数和良好的尺寸稳定性：4）良好的导热和导电性：5）良好的化学稳定性和放老化性。纤维增强金属基复合材料主要制备方法：1）扩散粘结法（热压法）：2）液态金属浸渍法3）挤压铸造法；4）真空压力浸渍法。（2）晶须增强金属基复合材料这类材料以金属或合金为基体，以各种晶须为增强体（如SiN4晶须、碳化硼晶须等）。也称为非连续增强型金属基复合材料。典型的复合材料有：碳化硅晶须增强铝基、镁基和钛基复合材料特点：这类材料的增强材料的承载能力不如连续纤维：但复合材料的强度、高温性能往往超过基体金属，尤其是晶须增强情况下。由于金属基体在不少性能上仍然起着较大作用，通常选用强度较高的合金，一般均应进行相应的热处理；这类材料既可以作为结构材料，也可以作为结构件中的耐磨件使用。（3）颗粒增强复合材料以金属或合金为基体，以碳化物，氮化物，石墨等颗粒为增强体，如SiC，TiC，TiB2，石墨等
§7.1 复合材料的定义、分类和特点 材料化学导论课程教案 第 21 讲 碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。 （二）、MMC 的分类： 金属基复合材料的增强材料的种类和形态多种多样，既可以是连续纤维和短纤维，亦可 是颗粒、晶须等。 首先按增强材料的形态来分： （1）纤维增强金属基复合材料 包括有长的连续纤维（硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和碳与石墨纤维）和短纤维（如 氧化铝纤维，氧化铝-氧化硅纤维，氮化硼纤维）和金属丝（如钨丝，钼丝，钢丝等），长纤 维增强金属基复合材料亦称为连续增强型金属基复合材料。 常用的基体材料有铝，镁，钛，铜，铅和高温合金，其中铝基复合材料发展最迅速。 典型的复合材料有：硼纤维或碳纤维增强铝基或钛基复合材料。 纤维增强金属基复合材料的特点： 1）比强度，比模量高；如纤维增强的铝、镁复合材料的比强度比铝、钛、钢等金属高 4 倍以上，比模量高 9~10 倍。 2）良好的高温性和耐疲劳性； 3）低热膨胀系数和良好的尺寸稳定性； 4）良好的导热和导电性； 5）良好的化学稳定性和放老化性。 纤维增强金属基复合材料主要制备方法：1）扩散粘结法（热压法）；2）液态金属浸渍法； 3）挤压铸造法；4）真空压力浸渍法。 （2）晶须增强金属基复合材料 这类材料以金属或合金为基体，以各种晶须为增强体（如 Si3N4 晶须、碳化硼晶须等）。 也称为非连续增强型金属基复合材料。 典型的复合材料有：碳化硅晶须增强铝基、镁基和钛基复合材料 特点：这类材料的增强材料的承载能力不如连续纤维；但复合材料的强度、高温性能往 往超过基体金属，尤其是晶须增强情况下。 由于金属基体在不少性能上仍然起着较大作用，通常选用强度较高的合金，一般均应进 行相应的热处理；这类材料既可以作为结构材料，也可以作为结构件中的耐磨件使用。 （3）颗粒增强复合材料 以金属或合金为基体，以碳化物，氮化物，石墨等颗粒为增强体，如 SiC，TiC，TiB2， 石墨等