复合材料复习题

●复合材料的概念：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。 复合材料的特点（树脂基，金属基，金属基设计，代号）

(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。(2)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持殊性能。 (3)复合材料具有可设计性。 ●影响复合材料的因素：

复合材料中增强体与基体界面的性能 界面的好坏将直接影响到复合材料的综合性能。?复合材料的结构及成型技术 ?基体的性能 ?增强材料的性能 ? 树脂基（RMC）： 1. 比强度和比模量高2. 良好的抗疲劳性能 3. 减振性能好4. 过载安全性好5、具有多种功能性6、有很好的加工工艺性 7. 各向异性和性能可设计性8. 材料与结构的统一性 缺点：1、耐高温稳定性和老化性差；2、层间剪切强度低；3、材料强调的一致性不足；4、高性能复合材料的价格较高，主要用于尖端领域或奢侈品。 金属基（MMC）：1、比强度和比模量高见教材图1-1（P5） 2、良好的导热、导电性 3、热膨胀系数小、尺寸稳定性高4、高温性能和耐磨性能优5、不吸潮、老化性能好缺点：成型加工困难，质量较重

复合材料分类（基体，增强材料）

增强按照纤维的类型，纤维增强复合材料分：① 玻璃纤维复合材料；② 碳纤维复合材料③ 有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；④ 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤ 陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。

① 结构复合材料；结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，主要用于制造受力构件；它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。结构复合材料又可按基体材料类型和增强体材料类型来分类 ② 功能复合材料

按基体类型分类 聚合物基复合材料 按增强体类型分类叠层式复合材料 金属基复合材料 片材增强复合材 陶瓷基复合材料 颗粒增强复合材料 水泥基复合材料 纤维增强复合材料 碳基复合材料

先进复合材料定义及发展：先进复合材料是比原有的通用复合材料有更高性能的复合材料。包括用各种高性能增强剂(纤维等)与耐温性好的热固性和热塑性树脂基体所构成的高性能树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、碳基复合材料。包括使用其力学性能的结构复合材料和使用热、电、磁、光、核、生物及其他性能的功能复合材料

强度：材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力 塑性：材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能 硬度：材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。

冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。 疲劳强度：金属材料抵抗交变载荷的作用而不破坏的能力。 金属材料物理性能：常温下金属大都是固体（汞除外），有金属光泽，大多数金属都是电和热的良导体（导电导热性），有延展性（可以拉成细丝，可以展成薄片），有韧性，所有的性质都可以用金属键理（金属原子和自由电子）进行解释。

金属材料工艺性能：铸造性能：流动性、收缩性、偏析论 锻造性能：塑性、变形抗力 焊接性能：焊接性、碳当量 切削性能：表面粗糙度、刀具寿命 热处理性能：淬透性 合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质，仍然具有金属特性。 组元：组成合金的基本元素。

相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。 为改善铝的机械性能，研究发现向铝中加入适量的某些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。

目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、Mn、Zn和Li等，可单独加入，也可配合加入。由此得到多种不同工程应用的铝合金。Al合金还常常要加一些辅助微量元素，如Ni、B、Zr、Cr、Ti、稀土等，进一步改善合金综合性能。

变形铝合金分类：指合金成分小于D点的合金，可以得到单相固溶体组织，塑性变形能力 好，适合于冷热加工。可分热处理强化和不可热处理强化两种

铸造铝合金：指成分比D点高的合金属铸造铝合金。有良好的铸造性能，熔液流动性好，收缩性好，抗热裂性高，可直接浇铸在砂型或金属型内，制成各种形状复杂的甚至薄壁的零件或毛坯。 强化方式

1.固溶强化：铝合金中加入的主要合金元素Cu，Mg，Zn，Mn，Si，Li等都与Al形成有限固溶体，有较大的固溶度，具有较好的固溶强化效果。

2.时效（沉淀）强化：单纯靠固溶作用对Al合金的强化作用是很有限的，另一种更为有效的强化方式是Al合金的固溶（淬火）处理+时效热处理。 铝合金中较强的沉淀强化效果的基本条件：①沉淀强化相是硬度高的质点；②加入铝中的合金元素有高的极限固溶度，且极限固溶度随温度降低而显著减小；③淬火后形成的过饱和固溶体在时效过程中能析出均匀，弥散的共格或半共格的亚稳相，在基体能形成强烈的应变场。 3.变质处理：以铝硅合金为例，组织中硅晶体呈初针状或片状，强度和塑性低

4.细晶强化：通过向合金中加微量合金元素，或改变加工工艺及热处理工艺，使合金基体及沉淀相和过剩相细化，既提高合金强度，还改善塑性和韧性。

5.形变强化 对合金进行冷塑性变形，利用金属的加工硬化提高合金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。

铜及铜合金性能特点:纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。 纯钛加入合金元素形成钛合金。

●金属基复合材料（MMC）性能的影响因素：

1 基体的影响：不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。基

体的合金化也对复合材料的强度有重要影响，另外稀土元素的加入也能提高复合材料的强度 2 增强体的影响：加入增强体，材料的抗拉强度和屈服强度都有所提高

3 基体和增强体相容性的影响：由于基体和增强体热膨胀系数（CET）的差别引起的错配应力在基体中诱发了高密度位错、晶粒尺寸变化、残余应力（热错配应力）、时效析出组织等。 4 工艺的影响：

5 界面的影响：目前界面优化的方法：金属基体合金化、增强体表面涂层处理、改变粘结剂及制备工艺和参数的控制等 金属基体选择原则:

1、根据金属基复合材料的使用要求:在航天、航空技术中，高比强度和比模量以及尺寸稳定性，宜选密度小的轻金属合金（如镁合金和铝合金）作为基体.高性能发动机则要有高比强度和比模量，耐高温性能。应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物为基体。汽车发动机要求耐热、耐磨、导热、高温强度，成本低廉，适合批量生产，选铝合金作基体。 工业集成电路选有高导热率的银、铜、铝 等金属为基体 2、根据金属基复合材料组成特点

连续纤维增强的复合材料，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，选纯铝或含有少量合金元素的铝合金作基体

非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，要选较高强度的合金作基体。一般选用高强度铝合金（如A365， 6061，7075）为基体 3、基体金属与增强物的相容性

化学相容性: 应选利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳 定的界面合金元素。

物理相容性：最重要的是要求纤维和基体的热膨胀系数匹配。选择金属基复合材料的组分材料时，为避免过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀系数不要相差很大。 其他成分；选择适宜的成型方法；缩短材料在高温下的停留时间等。 有机胶凝材料：以天然或人工合成高分子化合物为基本组成

无机胶凝材料：当其与水或水溶液拌合后形成的浆体，经过一系列物理、化学作用后能逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石

气硬性：只能在空气中凝结硬化，并保持和发展强度的胶凝材料。

水硬性：既能在空气中硬化，又能更好的在水中硬化，保持并继续发展其强度 无机胶凝材料特点：

1) 原料丰富，能就地取材，生产成本低；

(2) 耐久性好，适应性强，可用于水中、海洋及炎热、寒冷的环境； (3) 耐火性好；

(4) 维修工作量小，折旧费用低；

(5) 作为基材组合或复合其他材料的能力强； (6) 有利于有效地利用工业废渣。 水泥性质 1. 水泥硬化：（1）在水中或潮湿环境中进行；（2）产生大量水化热；（3）普通水泥：在空气中体积收缩，水中体积略有增大。 2. 水泥凝固分为初凝和终凝。初凝不宜过短，终凝不宜太长。时间的规定：硅酸盐水泥不早于45min—不迟于390 min；其他水泥不早于45min—不迟于600min。 3. 水泥凝结硬化：颗粒越细、温度越高、加水越适量，凝结硬化速度越快。

4. .水泥的体积安定性：硬结过程中体积变化的均匀程度。 硅酸盐水泥

生产工艺：水泥＋水→具有流动性、可塑性浆体→浆体变稠、失去可塑性——凝结，随后水泥浆体开始产生强度 →坚硬的水泥石——硬化

（1）(3CaO·SiO2)+6H2O═3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2 （2）2(2CaO·SiO2)+4H2O═3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2 （3）3 CaO·Al2O3+6H2O═3CaO·Al2O3·6H2O

（4）4 CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O═3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O料，有时称菱苦土。一般指苛性苦土(MgO)和苛性白云石(主要成分是MgO和CaCO3) 凝结硬化特点：速度慢、体积收缩大、而且强度很低 硬化特点：在干燥条件下具有硬化快、强度高的特点。

抗水性：差，在潮湿条件下其强度很快降低 ：氯盐的吸湿性大，结晶接触点的溶解度高，水化物具有高的溶解度。

改善方法：1，掺入外加剂：少量磷酸或磷酸盐水溶性树脂 ,2，不采用氯化镁做调和剂，采用硫酸镁(MgSO4·7H2O)、铁矾(FeSO4)

陶瓷制品的生产阶段：坯料制备、成型、烧结

烧结的原理：颗粒在接触点处的离子，因热的振动扩散而完成的。 陶瓷材料结构及其性能特点（晶相，玻璃相，气相）

陶瓷结构中各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。

晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。气相指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产过程中不可避免的，陶瓷中的孔隙率常为5~10%，要力求使其呈球状，均匀分布。 特种陶瓷种类及特点：1.氧化铝陶瓷 以Al2O3为主要成分，含少量SiO2的陶瓷。根据Al2O3含量不同，分75瓷，又称刚玉-莫来石瓷；95瓷、99瓷，又称刚玉瓷。Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈高。 2.以Si3N4为主要成分；按生产工艺不同，分为热压烧结氮化硅陶瓷和反应烧结氮化硅陶瓷； 热压烧结氮化硅陶瓷 3.以Si3N4粉为原料，加入少量添加剂，装入石墨模具中，在1600～1700℃高温和20～30MPa的高压下烧结成型，得到组织致密，气孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形状简单的制品。

4.主晶相SiC，有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷；

高温强度高，工作温度可达1600～1700℃ 1400℃时，抗弯强度为500～600MPa ；有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性，且耐辐射；是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。

5.主晶相BN，共价晶体，晶体结构为六方结构，有白石墨之称；良好的耐热性和导热性，热导率与不锈钢相当，热胀系数比金属和其它陶瓷低得多，故抗热振性和热稳定性好；高温绝缘性好，2000℃仍是绝缘体，是理想的高温绝缘材料和散热材料；化学稳定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金属的侵蚀；硬度较其它陶瓷低，可切削加工；有自润滑性，耐磨性好。 聚合物基体种类：金属基体材料、陶瓷基体材料和聚合物基体材料

聚合物材料：是指分子量大于10000以上的化合物(又称高分子) 材料。 聚合物结构及性能特点

优点：1、优良的加工性能（可挤压性、可模塑性、可延展性、可纺性）2、质轻，比强度高。

3、导热系数小。4、化学稳定性能好5、电绝缘性好6、装饰性能好 缺点:易老化、易燃、耐热性差、刚度小。 聚合物材料组成（树脂，填料，添加剂）

合成树脂决定高分子材料性质的主要成分，在高分子材料中的含量可达30％～100％

填充料可为提高聚合物材料的强度、耐热性、耐磨性、硬度，降低高分子材料的成本，常用填充料有粉状和纤维状，粉状填充料有木粉、滑石粉、石灰石粉、石英粉、铝粉、硅藻土、碳黑等，纤维状填充料有石棉、玻璃纤维等。填充料的掺入量可达40％～70％ 添加剂是为改善聚合物材料性质而掺入的某些助剂，如增塑剂、固化剂、稳定剂、抗老化剂、抗静电剂、阻燃剂、着色剂、发泡剂等。

●增强材料：在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。 增强材料分三类：①纤维及其织物②晶须③颗粒 纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。

增强材料作用分类作用纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。 纤维特点（有机纤维P54，无机纤维）：Pe:超轻、高比强度、高比模量、成本较低。高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等

聚乙烯纤维的不足：(1)熔点较低（约135℃）(2)高温容易蠕变。因此仅能在100℃以下使用 ②玻璃纤维的分类：以不同含碱量分：(1)无碱玻璃纤维(2)中碱玻璃纤维 (3)有碱玻璃纤维(4)特种玻璃纤维

玻璃纤维（GF）比玻璃的强度高的原因：

Ａ、玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。

Ｂ、玻璃纤维的断面较小，随着表面积的减小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强度增高。

●影响玻璃纤维化学稳定性的因素A．玻璃纤维的化学成分；B、纤维表面情况；C、侵蚀介质体积和温度；D．玻璃纤维纱的规格及性能。

碳纤维（CF）是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。 ① 碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高；②化学稳定性好；另外，碳纤维对

碱也稳定。

气相法是在惰性气氛中，小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。

代号（GFRP玻璃纤维增强树脂，CFFP碳纤维增强树脂）

玻璃钢玻璃钢材料是一种具有可设计性的材料品种:可根据不同的使用环境及特殊的性能要求，自行设计复合制作而成，

金属基复合材料ＭＭＣ分类：按增强材料分： 颗粒增强金属基复合材料 层状复合材料 按基体材料分类：铝基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 高温合金基复合材料 金属间化合物基复合材料

按用途分类：结构复合材料：功能复合材料，智能复合材料

AL基MMC性能特点1）高比强度、比模量2）导热、导电性能3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好（4）良好的高温性能5）良好的耐磨性6）良好的断裂韧性和抗疲劳性能（7）不吸潮、不老化、气密性好

MMC成型工艺（选择原则，关键技术）

选择原则：1）基体与增强剂的匹配选择，基体与增强剂的结合；2）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计；3）增强剂在基体中的均匀分布；4）制备工艺方法及参数的选择和优化；5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。

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