材料科學(xué)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1材料科學(xué)材料科學(xué)復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述第1頁/共64頁什么是復(fù)合材料？什么是復(fù)合材料？復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理、化學(xué)、復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成的多力學(xué)性能不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成的多相固體材料。相固體材料。第2頁/共64頁復(fù)合材料的種類復(fù)合材料的種類復(fù)合材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料水泥基

2、復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)磁復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)磁復(fù)合材料阻尼吸聲復(fù)合材料阻尼吸聲復(fù)合材料屏蔽功能復(fù)合材料屏蔽功能復(fù)合材料摩擦磨損復(fù)合材料摩擦磨損復(fù)合材料第3頁/共64頁復(fù)合材料的性能特點復(fù)合材料的性能特點比強度和比彈性模量高比強度和比彈性模量高抗疲勞與斷裂安全性能好抗疲勞與斷裂安全性能好良好的減震性能良好的減震性能良好的高溫性能良好的高溫性能大量的增強纖維對裂紋的擴展起到阻礙作用大量的增強纖維對裂紋的擴展起到阻礙作用纖維增強復(fù)合材料具有較高的自震頻率，不易產(chǎn)纖維增強復(fù)合材料具有較高的自震頻率，不易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，具有一定的減震作用生共振現(xiàn)象，具有一定的減震作用增強纖維的熔點都很高，并且在高溫下仍具有較增強纖維的

3、熔點都很高，并且在高溫下仍具有較高的強度高的強度第4頁/共64頁纖維增強復(fù)合材料的纖維種類纖維增強復(fù)合材料的纖維種類纖維增強復(fù)合材料中主要的新型纖維與晶須有：纖維增強復(fù)合材料中主要的新型纖維與晶須有：碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、氧化鋁碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維以及碳化硅晶須、氧化鋁晶須纖維以及碳化硅晶須、氧化鋁晶須等。等。這些纖維與晶須的主要特點是：這些纖維與晶須的主要特點是：密度低、強度高、彈性模量高、線膨脹系數(shù)小密度低、強度高、彈性模量高、線膨脹系數(shù)小等等特點。特點。第5頁/共64頁復(fù)合材料的發(fā)展趨勢復(fù)合材料的發(fā)展趨勢1。由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展。由宏觀復(fù)合

4、向微觀復(fù)合發(fā)展微纖增強復(fù)合材料、納米復(fù)合材料、分子復(fù)合材料微纖增強復(fù)合材料、納米復(fù)合材料、分子復(fù)合材料2。向多元混雜復(fù)合和超混雜復(fù)合發(fā)展。向多元混雜復(fù)合和超混雜復(fù)合發(fā)展例如兩種纖維的復(fù)合應(yīng)用，兩種基體的復(fù)合應(yīng)用等例如兩種纖維的復(fù)合應(yīng)用，兩種基體的復(fù)合應(yīng)用等3。由結(jié)構(gòu)復(fù)合為主向結(jié)構(gòu)復(fù)合與功能。由結(jié)構(gòu)復(fù)合為主向結(jié)構(gòu)復(fù)合與功能 復(fù)合并重的方向發(fā)展復(fù)合并重的方向發(fā)展功能復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用等功能復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用等第6頁/共64頁復(fù)合材料的發(fā)展趨勢復(fù)合材料的發(fā)展趨勢4。由被動復(fù)合向主動復(fù)合材料發(fā)展。由被動復(fù)合向主動復(fù)合材料發(fā)展所謂被動就是指在外界作用下材料只能被動承受某種所謂被動就是指在外界作用下材

5、料只能被動承受某種作用或作出某種反應(yīng)。主動材料就是指具備能自診斷、作用或作出某種反應(yīng)。主動材料就是指具備能自診斷、自適應(yīng)和自修補作用材料。自適應(yīng)和自修補作用材料。5。由常規(guī)設(shè)計向仿生設(shè)計方向發(fā)展。由常規(guī)設(shè)計向仿生設(shè)計方向發(fā)展仿生設(shè)計就是利用某種生物體的特征，設(shè)計材料。仿生設(shè)計就是利用某種生物體的特征，設(shè)計材料。仿生設(shè)計可以參照生物體的功能機制設(shè)計出新的仿生設(shè)計可以參照生物體的功能機制設(shè)計出新的功能材料。功能材料。第7頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論復(fù)合原理復(fù)合原理1。纖維增強復(fù)合材料的復(fù)合原理。纖維增強復(fù)合材料的復(fù)合原理Fc=cAc = fAf mAm。條件是復(fù)合材料中基體是連

6、續(xù)的、均勻的，纖維的性質(zhì)和條件是復(fù)合材料中基體是連續(xù)的、均勻的，纖維的性質(zhì)和直徑都是均勻的，且平行連續(xù)排列，同時纖維與基體間的直徑都是均勻的，且平行連續(xù)排列，同時纖維與基體間的結(jié)合為理想結(jié)合，在界面上不產(chǎn)生滑移。結(jié)合為理想結(jié)合，在界面上不產(chǎn)生滑移。c = fVfmVm。Ec = EfVfEmVm。外載荷與纖維方向一致外載荷與纖維方向一致第8頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論復(fù)合原理復(fù)合原理1。纖維增強復(fù)合材料的復(fù)合原理。纖維增強復(fù)合材料的復(fù)合原理c= f = m。c = fVfmVm。1/Ec = Vf/EfVm/Em。外載荷與纖維方向垂直外載荷與纖維方向垂直第9頁/共64頁復(fù)合

7、材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論復(fù)合原理復(fù)合原理2。顆粒增強復(fù)合材料的復(fù)合原理。顆粒增強復(fù)合材料的復(fù)合原理c = pVpmVm。Ec = EpVpEmVm。Ec = EpEm/(EpVmEmVp)。上限值上限值下限值下限值第10頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增強機理增強機理纖維增強纖維增強纖維增強復(fù)合材料是指由高強度、高彈性模量的脆性纖維纖維增強復(fù)合材料是指由高強度、高彈性模量的脆性纖維作增強體與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多作增強體與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。相材料。提高基體在室溫下和高溫下的強度和彈性模量。提高基體在室溫下和高溫下的強度和彈

8、性模量。設(shè)計纖維增強金屬基復(fù)合材料的目標(biāo)：設(shè)計纖維增強金屬基復(fù)合材料的目標(biāo)：第11頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論纖維增強復(fù)合材料的機理：纖維增強復(fù)合材料的機理：1。微細(xì)的增強纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低。微細(xì)的增強纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低。2。纖維在基體中，彼此隔離，纖維表面受到基體的保，。纖維在基體中，彼此隔離，纖維表面受到基體的保，護(hù)，不易受到損傷，不易在承載中產(chǎn)生裂紋，增大承載力。護(hù)，不易受到損傷，不易在承載中產(chǎn)生裂紋，增大承載力。3。纖維在基體中，即使有些裂紋會斷裂，但基體能阻止。纖維在基體中，即使有些裂紋會斷裂，但基體能阻止裂紋擴展。裂紋擴展。4。由

9、于基體對纖維的粘結(jié)作用以及基體與纖維之間的摩擦。由于基體對纖維的粘結(jié)作用以及基體與纖維之間的摩擦力，使得材料的強度大大提高。力，使得材料的強度大大提高。第12頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增強纖維起到強化基體作用必要條件：增強纖維起到強化基體作用必要條件：1。增強纖維的強度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。增強纖維的強度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。2。基體與纖維之間要有一定的粘結(jié)力，并具有一定的強度?；w與纖維之間要有一定的粘結(jié)力，并具有一定的強度。3。纖維應(yīng)有一定的含量、尺寸和分布。纖維應(yīng)有一定的含量、尺寸和分布。4。纖維與基體之間的線膨脹系數(shù)相匹配。纖維與基體之間的線膨脹系數(shù)相

10、匹配。5。纖維與基體之間有良好的相容性。纖維與基體之間有良好的相容性。第13頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增強機理增強機理顆粒增強顆粒增強顆粒增強復(fù)合材料是指由高強度、高彈性模量的脆性顆粒顆粒增強復(fù)合材料是指由高強度、高彈性模量的脆性顆粒作增強體與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多作增強體與韌性基體或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。相材料。納米微細(xì)硬顆粒彌散增強，微米顆粒增強。納米微細(xì)硬顆粒彌散增強，微米顆粒增強。顆粒增強復(fù)合材料的種類：顆粒增強復(fù)合材料的種類：第14頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論彌散強化復(fù)合材料中彌散顆粒種類彌散強化復(fù)合材料中彌

11、散顆粒種類金屬氧化物金屬氧化物碳化物碳化物硼化物硼化物第15頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論顆粒增強復(fù)合材料的機理：顆粒增強復(fù)合材料的機理：彌散分布在金屬或合金中基體中的硬顆?？梢杂行У刈柚箯浬⒎植荚诮饘倩蚝辖鹬谢w中的硬顆?？梢杂行У刈柚刮诲e運動，產(chǎn)生顯著的強化作用。這種復(fù)合強化機制類似位錯運動，產(chǎn)生顯著的強化作用。這種復(fù)合強化機制類似與合金的析出強化機理，基體乃是承受載荷的主體。與合金的析出強化機理，基體乃是承受載荷的主體。不同的是，這些細(xì)小彌散的硬顆粒并非借助于相變產(chǎn)生的不同的是，這些細(xì)小彌散的硬顆粒并非借助于相變產(chǎn)生的硬顆粒，他們在溫度升高時仍保持其原有尺寸，因而，增硬

12、顆粒，他們在溫度升高時仍保持其原有尺寸，因而，增強效果可在高溫下持續(xù)較長時間，使復(fù)合材料的抗蠕變性強效果可在高溫下持續(xù)較長時間，使復(fù)合材料的抗蠕變性能明顯優(yōu)于金屬或合金基體。能明顯優(yōu)于金屬或合金基體。第16頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增韌機理增韌機理纖維增韌纖維增韌由于定向、取向或無序排布的纖維加入，使得由于定向、取向或無序排布的纖維加入，使得復(fù)合材料的韌性得到顯著提高。復(fù)合材料的韌性得到顯著提高。第17頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論單向排布長纖維增韌機理單向排布長纖維增韌機理單向排布長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向單向排布長纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向

13、異性，沿纖維長度方向的縱向性能大大高于橫異性，沿纖維長度方向的縱向性能大大高于橫向性能。若材料中產(chǎn)生的裂紋平面垂直于纖維向性能。若材料中產(chǎn)生的裂紋平面垂直于纖維時，當(dāng)裂紋擴展遇到纖維時，裂紋運動受阻，時，當(dāng)裂紋擴展遇到纖維時，裂紋運動受阻，欲使裂紋繼續(xù)運動，必須提高外加應(yīng)力。應(yīng)力欲使裂紋繼續(xù)運動，必須提高外加應(yīng)力。應(yīng)力繼續(xù)增大，纖維與基體解離，纖維從基體中拔繼續(xù)增大，纖維與基體解離，纖維從基體中拔出、斷裂或轉(zhuǎn)向，從而使復(fù)合材料的韌性得到出、斷裂或轉(zhuǎn)向，從而使復(fù)合材料的韌性得到提高。提高。第18頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論多維多向排布長纖維增韌多維多向排布長纖維增韌克服了單向

14、長纖維只在一個方向上性能得到提克服了單向長纖維只在一個方向上性能得到提高的弱點。多向長纖維可實現(xiàn)陶瓷等脆性材料高的弱點。多向長纖維可實現(xiàn)陶瓷等脆性材料在二維、三維方向上的性能提高。這種多維多在二維、三維方向上的性能提高。這種多維多向的排列方式有：向的排列方式有：1。將纖維編織成纖維布；。將纖維編織成纖維布；2。纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度。纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度。多維長纖維增韌的機理與單向一樣，主要是通多維長纖維增韌的機理與單向一樣，主要是通過纖維的斷裂、拔出或轉(zhuǎn)向提高韌性。過纖維的斷裂、拔出或轉(zhuǎn)向提高韌性。第19頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論短纖維增韌

15、機理短纖維增韌機理短纖維增韌復(fù)合材料的制備工藝比長纖維的簡短纖維增韌復(fù)合材料的制備工藝比長纖維的簡便。通常是將長纖維剪斷，再與基體粉體材料便。通常是將長纖維剪斷，再與基體粉體材料混合、熱壓制得。在熱壓時，短纖維沿壓力方混合、熱壓制得。在熱壓時，短纖維沿壓力方向擇優(yōu)取向，產(chǎn)生性能上的各向異性。當(dāng)短纖向擇優(yōu)取向，產(chǎn)生性能上的各向異性。當(dāng)短纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適當(dāng)時，復(fù)合材料的斷裂功顯著維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適當(dāng)時，復(fù)合材料的斷裂功顯著提高，從而使斷裂韌性得到提高。提高，從而使斷裂韌性得到提高。第20頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論晶須增韌機理晶須增韌機理晶須的增韌機理與纖維增韌機理基本相同，即晶須

16、的增韌機理與纖維增韌機理基本相同，即主要靠晶須拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機制對韌性提主要靠晶須拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機制對韌性提高產(chǎn)生貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明，晶須與界面的強高產(chǎn)生貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明，晶須與界面的強度直接影響復(fù)合材料的韌性。界面強度過高，度直接影響復(fù)合材料的韌性。界面強度過高，晶須與基體同時斷裂，限制了晶須的拔出；而晶須與基體同時斷裂，限制了晶須的拔出；而結(jié)合強度過低，晶須拔出功減小。這兩種情況結(jié)合強度過低，晶須拔出功減小。這兩種情況都對韌性的提高不利。都對韌性的提高不利。第21頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論增韌機理增韌機理顆粒增韌顆粒增韌增韌的機理主要包括相變增韌、裂紋轉(zhuǎn)向增

17、韌的機理主要包括相變增韌、裂紋轉(zhuǎn)向增韌和分叉增韌。增韌和分叉增韌。第22頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論相變增韌相變增韌通過相變產(chǎn)生的體積膨脹，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從通過相變產(chǎn)生的體積膨脹，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而抵消外加應(yīng)力，阻止裂紋的擴展，達(dá)到增韌而抵消外加應(yīng)力，阻止裂紋的擴展，達(dá)到增韌的目的。的目的。第23頁/共64頁復(fù)合材料的基本理論復(fù)合材料的基本理論裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌裂紋在陶瓷材料中不斷擴展，裂紋前沿遇到裂紋在陶瓷材料中不斷擴展，裂紋前沿遇到高強度的顆粒的阻礙，使擴展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)高強度的顆粒的阻礙，使擴展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，從而減小了裂紋尖端的應(yīng)力強度，和分叉，

18、從而減小了裂紋尖端的應(yīng)力強度，提高材料的韌性。由于裂紋轉(zhuǎn)向和分叉不受提高材料的韌性。由于裂紋轉(zhuǎn)向和分叉不受溫度的限制，這種增韌機理適用于高溫結(jié)構(gòu)溫度的限制，這種增韌機理適用于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。陶瓷。第24頁/共64頁復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面什么是界面？什么是界面？界面就是復(fù)合材料中基體與增界面就是復(fù)合材料中基體與增強材料之間的結(jié)合面。這種結(jié)合面是基體和強材料之間的結(jié)合面。這種結(jié)合面是基體和增強材之間發(fā)生相互作用和相互擴散而形成增強材之間發(fā)生相互作用和相互擴散而形成的。的。第25頁/共64頁復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面纖維增強金屬基復(fù)合材料界面的類型纖維增

19、強金屬基復(fù)合材料界面的類型I。纖維與基體互不反應(yīng)、互不溶解的界面。纖維與基體互不反應(yīng)、互不溶解的界面。II。纖維與基體不反應(yīng)、但相互溶解的界面。纖維與基體不反應(yīng)、但相互溶解的界面。III。纖維與基體反應(yīng)形成界面反應(yīng)層。纖維與基體反應(yīng)形成界面反應(yīng)層。第26頁/共64頁復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面界面結(jié)合的類型界面結(jié)合的類型I。機械結(jié)合：。機械結(jié)合：借助增強纖維表面凹凸不平的形態(tài)而產(chǎn)生的借助增強纖維表面凹凸不平的形態(tài)而產(chǎn)生的機械鉸合和基體與纖維之間的摩擦阻力形成。機械鉸合和基體與纖維之間的摩擦阻力形成。II。溶解與侵潤結(jié)合：。溶解與侵潤結(jié)合：液態(tài)金屬對增強纖維的侵潤，而產(chǎn)生的作用力，作用范圍只有若

20、干原子間距大小。液態(tài)金屬對增強纖維的侵潤，而產(chǎn)生的作用力，作用范圍只有若干原子間距大小。III。反應(yīng)結(jié)合：。反應(yīng)結(jié)合：基體與纖維之間形成界面反應(yīng)層?；w與纖維之間形成界面反應(yīng)層。IV?；旌辖Y(jié)合：。混合結(jié)合：上述三種形式的混合結(jié)合方式。上述三種形式的混合結(jié)合方式。第27頁/共64頁復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面陶瓷基復(fù)合材料的界面陶瓷基復(fù)合材料的界面在陶瓷基復(fù)合材料中，增強材料與基體之間的在陶瓷基復(fù)合材料中，增強材料與基體之間的結(jié)合同樣以機械結(jié)合、溶解與侵潤結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合同樣以機械結(jié)合、溶解與侵潤結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合和混合結(jié)合的方式進(jìn)行。界面的特性對復(fù)結(jié)合和混合結(jié)合的方式進(jìn)行。界面的特性對復(fù)合材料的性能

21、起到舉足輕重的作用合材料的性能起到舉足輕重的作用。第28頁/共64頁復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面怎樣通過控制界面特征對材料性能產(chǎn)生作用？怎樣通過控制界面特征對材料性能產(chǎn)生作用？1。改變增強材料表面性質(zhì)。改變增強材料表面性質(zhì)。2。向基體內(nèi)添加特定的元素。向基體內(nèi)添加特定的元素。3。在增強材料的表面施加涂層。在增強材料的表面施加涂層。第29頁/共64頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料概述概述金屬基復(fù)合材料除具有與樹脂基復(fù)合材料相同的高強度、高金屬基復(fù)合材料除具有與樹脂基復(fù)合材料相同的高強度、高彈性模量和線膨脹系數(shù)小以外，還具有工作溫度高、不易燃彈性模量和線膨脹系數(shù)小以外，還具有工作溫度高、不易燃燒、導(dǎo)

22、電、導(dǎo)熱、熱穩(wěn)定性好等特點。但這類材料存在密度燒、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱穩(wěn)定性好等特點。但這類材料存在密度高、制作成本高、工藝復(fù)雜、增強材與基體間易發(fā)生化學(xué)反高、制作成本高、工藝復(fù)雜、增強材與基體間易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等缺點。應(yīng)等缺點。金屬基復(fù)合材料包括長纖維增強、短纖維或晶須增強、顆金屬基復(fù)合材料包括長纖維增強、短纖維或晶須增強、顆粒增強以及原位復(fù)合增強等粒增強以及原位復(fù)合增強等。第30頁/共64頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料1。硼。硼/鋁復(fù)合材料鋁復(fù)合材料硼纖維高溫強度高，硼纖維高溫強度高，1500度時蠕變速率低。但高溫氧化后度時蠕變速率低。但高溫氧化后強

23、度降低，所以一般在硼纖維表面涂覆一層強度降低，所以一般在硼纖維表面涂覆一層SiC或或B4C，防，防止纖維表面氧化。止纖維表面氧化。第31頁/共64頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料2。石墨。石墨/鋁復(fù)合材料鋁復(fù)合材料這種材料具有導(dǎo)電性高、摩擦系數(shù)小和耐腐蝕等特點。利用這種材料具有導(dǎo)電性高、摩擦系數(shù)小和耐腐蝕等特點。利用石墨纖維表面沉積石墨纖維表面沉積Ti/Bi涂層技術(shù)，可改善石墨纖維與液態(tài)涂層技術(shù)，可改善石墨纖維與液態(tài)鋁的濕潤性，有效控制鋁與纖維的表面反應(yīng)，提高復(fù)合材料鋁的濕潤性，有效控制鋁與纖維的表面反應(yīng)，提高復(fù)合材料的性能。的性能。第32頁/共6

24、4頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料3。石墨。石墨/鎂復(fù)合材料鎂復(fù)合材料這種材料密度低、線膨脹系數(shù)為零，尺寸的穩(wěn)定性好，是這種材料密度低、線膨脹系數(shù)為零，尺寸的穩(wěn)定性好，是金屬基復(fù)合材料中具有最高比強度和比彈性模量的復(fù)合材金屬基復(fù)合材料中具有最高比強度和比彈性模量的復(fù)合材料?？稍谑w維表面沉積料?？稍谑w維表面沉積TiB2，提高石墨纖維的潤濕性。，提高石墨纖維的潤濕性。第33頁/共64頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料3。碳化硅。碳化硅/鈦復(fù)合材料鈦復(fù)合材料碳化硅纖維比強度高、比模量高，高溫強度高，耐熱

25、、耐碳化硅纖維比強度高、比模量高，高溫強度高，耐熱、耐氧化，與金屬的反應(yīng)小，潤濕性好。這種復(fù)合材料的高溫氧化，與金屬的反應(yīng)小，潤濕性好。這種復(fù)合材料的高溫強度高，主要應(yīng)用于飛機發(fā)動機部件和渦輪葉片以及火箭強度高，主要應(yīng)用于飛機發(fā)動機部件和渦輪葉片以及火箭發(fā)動機箱體材料。發(fā)動機箱體材料。第34頁/共64頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料長纖維增強金屬基復(fù)合材料5。氧化鋁。氧化鋁/鋁復(fù)合材料鋁復(fù)合材料氧化鋁纖維在氧化氣氛中穩(wěn)定，能在高溫下保持其強度、剛氧化鋁纖維在氧化氣氛中穩(wěn)定，能在高溫下保持其強度、剛度，且硬度高，耐磨性好。這種復(fù)合材料具有高強度和高剛度，且硬度高，耐磨性好。

26、這種復(fù)合材料具有高強度和高剛度，可用于汽車發(fā)動機活塞和其他發(fā)動機零件。度，可用于汽車發(fā)動機活塞和其他發(fā)動機零件。第35頁/共64頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料短纖維增強金屬基復(fù)合材料短纖維增強金屬基復(fù)合材料1。氧化鋁。氧化鋁/鋁復(fù)合材料鋁復(fù)合材料2。碳化硅。碳化硅/鋁復(fù)合材料鋁復(fù)合材料3。氧化鋁。氧化鋁/鎳復(fù)合材料鎳復(fù)合材料第36頁/共64頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料顆粒增強金屬基復(fù)合材料顆粒增強金屬基復(fù)合材料2。碳化鈦。碳化鈦/鈦復(fù)合材料鈦復(fù)合材料1。碳化硅。碳化硅/鋁復(fù)合材料鋁復(fù)合材料1。顆粒增強金屬間化合物復(fù)合材料。顆粒增強金屬間化合物復(fù)合材料TiB2/NiAl、 TiB2/TiAl第

27、37頁/共64頁金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料原位復(fù)合材料原位復(fù)合材料什么是原位復(fù)合材料？什么是原位復(fù)合材料？原位復(fù)合材料是采用定向凝固方法，使液態(tài)金屬和合金原位復(fù)合材料是采用定向凝固方法，使液態(tài)金屬和合金在有規(guī)則的溫度梯度場中進(jìn)行冷卻凝固，金屬基體自身在有規(guī)則的溫度梯度場中進(jìn)行冷卻凝固，金屬基體自身析出晶須或顆粒而得到的復(fù)合材料。析出晶須或顆粒而得到的復(fù)合材料。第38頁/共64頁陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷材料的晶體缺陷陶瓷材料的晶體缺陷什么是陶瓷基復(fù)合材料？什么是陶瓷基復(fù)合材料？在陶瓷基體中添加碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、在陶瓷基體中添加碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳化硅晶須、氧

28、化鋁晶須、碳化硅顆粒和碳化鈦顆粒，碳化硅晶須、氧化鋁晶須、碳化硅顆粒和碳化鈦顆粒，所形成的復(fù)合材料稱為陶瓷基復(fù)合材料。這些纖維的所形成的復(fù)合材料稱為陶瓷基復(fù)合材料。這些纖維的加入可以大大提高陶瓷材料的強度和韌性。加入可以大大提高陶瓷材料的強度和韌性。第39頁/共64頁陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料1。碳。碳/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料這種復(fù)合材料具有很高的高溫強度、彈性模量和較高的韌這種復(fù)合材料具有很高的高溫強度、彈性模量和較高的韌性。碳纖維增強的氮化硅陶瓷可在性。碳纖維增強的氮化硅陶瓷可在1400度以上的高溫下度以上的高溫下長期工作；碳纖維增強

29、的石英陶瓷復(fù)合材料，沖擊韌性比長期工作；碳纖維增強的石英陶瓷復(fù)合材料，沖擊韌性比燒結(jié)石英陶瓷高燒結(jié)石英陶瓷高40倍、抗彎強度大倍、抗彎強度大512倍?？沙惺鼙??？沙惺?2001500度高溫氣流的沖擊。度高溫氣流的沖擊。第40頁/共64頁陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料2。碳化硅。碳化硅/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料碳化硅纖維可與多重陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化鋁陶瓷、碳化硅纖維可與多重陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等復(fù)合。碳化硅纖維通常采用氧化鋯陶瓷等復(fù)合。碳化硅纖維通常采用CVD制備。利用制備。利用碳化硅纖維強化的碳化硅陶瓷，其斷裂韌性提高

30、碳化硅纖維強化的碳化硅陶瓷，其斷裂韌性提高56倍，倍，抗彎強度提高抗彎強度提高50以上，且基體與纖維之間的結(jié)合性能以上，且基體與纖維之間的結(jié)合性能良好。良好。第41頁/共64頁陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料長纖維增強陶瓷基復(fù)合材料3。碳。碳/碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料這種材料是將碳纖維用聚合物浸潤，固化成型后，在無這種材料是將碳纖維用聚合物浸潤，固化成型后，在無樣條件下，高溫裂解樹脂，得到碳樣條件下，高溫裂解樹脂，得到碳/碳復(fù)合材料。碳碳復(fù)合材料。碳/碳碳復(fù)合材料的強度和剛度都相當(dāng)好，能承受極高的溫度和復(fù)合材料的強度和剛度都相當(dāng)好，能承受極高的溫度和極高的加熱速度，高溫力學(xué)性能

31、比低溫時還好，是目前極高的加熱速度，高溫力學(xué)性能比低溫時還好，是目前使用溫度最高的復(fù)合材料。使用溫度最高的復(fù)合材料。第42頁/共64頁陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料短纖維及晶須增強陶瓷基復(fù)合材料短纖維及晶須增強陶瓷基復(fù)合材料1。碳。碳/玻璃陶瓷基復(fù)合材料玻璃陶瓷基復(fù)合材料晶須：晶須：SiC、Si3N4、Al2O3晶須。晶須。2。晶須。晶須/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料基體：基體：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO2、莫來石等。、莫來石等。第43頁/共64頁陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強陶瓷基復(fù)合材料1。氧化鋯。氧化鋯/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料利用利用ZrO2

32、相變增韌原理，提高陶瓷的斷裂韌性。利用相變增韌原理，提高陶瓷的斷裂韌性。利用ZrO2增韌的氧化增韌的氧化Al2O3陶瓷，其斷裂韌性可提高陶瓷，其斷裂韌性可提高1。4倍。倍。2。氧化釔。氧化釔/陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料第44頁/共64頁分析與建模（材料設(shè)計）分析與建模（材料設(shè)計）1. 1. 引言引言2. 2. 材料設(shè)計的基本內(nèi)容材料設(shè)計的基本內(nèi)容3. 3. 材料設(shè)計計算機基礎(chǔ)材料設(shè)計計算機基礎(chǔ)第45頁/共64頁1.1.引言引言隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，新型材料不隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，新型材料不斷涌現(xiàn)，與此同時，人類社會的整體科技水平斷涌現(xiàn)，與此同時，人類社會的整體科技水平也在不斷的提高，因此

33、對材料科學(xué)又提出了更也在不斷的提高，因此對材料科學(xué)又提出了更高的要求。高的要求。傳統(tǒng)傳統(tǒng)“炒菜式炒菜式”的材料研制方法已不能的材料研制方法已不能滿足人們的要求。滿足人們的要求?！安牧显O(shè)計材料設(shè)計”應(yīng)運而生。應(yīng)運而生。第46頁/共64頁核 心 問 題核 心 問 題：用什么樣的配方，什么樣的用什么樣的配方，什么樣的合成加工條件，來獲取具有什么合成加工條件，來獲取具有什么樣的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的材料。樣的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的材料。第47頁/共64頁“材料設(shè)計材料設(shè)計”構(gòu)想始于構(gòu)想始于5050年代，年代，8080年年代后實現(xiàn)代后實現(xiàn)“材料設(shè)計材料設(shè)計”的條件漸趨成的條件漸趨成熟。表現(xiàn)在以下三個方面：熟。表

34、現(xiàn)在以下三個方面：1 1）基礎(chǔ)理論的形成和發(fā)展）基礎(chǔ)理論的形成和發(fā)展量子力學(xué)，統(tǒng)計力學(xué)，能帶理論，化學(xué)鍵理論等理論科學(xué)的發(fā)展使人們對材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系有了系統(tǒng)的了解；第48頁/共64頁2 2）計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展）計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展計算機高速運算，模式識別，數(shù)據(jù)庫技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，為材料設(shè)計與過程仿真的實施提供了手段；3 3）合成與加工新技術(shù)的涌現(xiàn)）合成與加工新技術(shù)的涌現(xiàn)各種新型材料合成加工技術(shù)為材料設(shè)計方案的實施提供了條件，同時材料智能加工又為合成加工的優(yōu)化開辟了新方向。第49頁/共64頁材料設(shè)計材料設(shè)計貫穿于材料貫穿于材料“四要素四要素”的各個方面，即的各個方面，即：2.2.材料設(shè)計的內(nèi)容材料設(shè)計的內(nèi)容u成分結(jié)構(gòu)設(shè)計成分結(jié)構(gòu)設(shè)計u性質(zhì)性能預(yù)測性質(zhì)性能預(yù)測u合成加工過程的控制與優(yōu)化合成加工過程的控制與優(yōu)化第50頁/共64頁將性質(zhì)截然不同的材料在原子、分子水平上將性質(zhì)截然不同的材料在原子、分子水平上均勻混合，形成原子、分子層次的復(fù)合材料均勻混合，形成原子、分子層次的復(fù)合材料例如：例如：高分子聚乙烯和難熔重金屬鎢的高分子聚乙烯和難熔重金屬鎢的雜化材料雜化材料第51頁/共64頁同傳統(tǒng)復(fù)合材料