材料科學(xué)與工程學(xué)導(dǎo)論-第三章-結(jié)構(gòu)材料

材料科學(xué)與工程導(dǎo)論EngineeringScience第三章結(jié)構(gòu)材料本章主要內(nèi)容：

鋼鐵材料 有色金屬材料 陶瓷材料 玻璃材料 水泥材料 高分子材料 復(fù)合材料材料的分類按使用性能劃分：結(jié)構(gòu)材料、功能材料按用途劃分：電子信息材料、航空航天材料、能源材料……按組成與結(jié)構(gòu)劃分：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料按應(yīng)用與發(fā)展劃分：傳統(tǒng)材料、新材料結(jié)構(gòu)材料概述

什么是“結(jié)構(gòu)材料”？

結(jié)構(gòu)材料是主要利用材料的強(qiáng)度、韌性、彈性等力學(xué)性能，用于制造在不同環(huán)境下工作時(shí)承受載荷的各種結(jié)構(gòu)件和零部件的一類材料，即機(jī)械結(jié)構(gòu)材料和建筑結(jié)構(gòu)材料。

結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料:

水泥材料 高分子材料 鋼鐵材料 復(fù)合材料 有色金屬 材料

概述

玻璃材料陶瓷材料結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料純鐵工業(yè)純鐵強(qiáng)度低、硬度低、塑性好，一般不用于結(jié)構(gòu)材料。

成分、結(jié)構(gòu)與

鑄鐵C質(zhì)量分?jǐn)?shù)含C量性能的關(guān)系大于2.11%的鐵碳合金3000年鋼

碳鋼合金鋼結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料鋼鐵是怎樣煉成的？

轉(zhuǎn)爐煉鐵高爐吹氧煉鋼 鑄 坯鐵礦石還原鐵

脫磷、硫加合金元素鋼鐵碳相圖鑄鐵結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

鑄鐵 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金稱之 為鑄鐵，通常還含有較多的Si、Mn、S、P等元素。

鑄鐵時(shí)工程上最常用的金屬材料，廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、冶金、礦上、石油化工。鑄鐵的生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

結(jié)構(gòu)材料C在鐵碳合金中 的存在形式鋼鐵材料

鑄鐵

間隙固溶化合態(tài)的滲碳體Fe3CFe＋C亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下分解為鐵和石墨 穩(wěn)定態(tài)，可以從鑄鐵溶液游離態(tài)的石墨中析出，也可以從奧氏體中析出白口鑄鐵結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

鑄鐵根據(jù)石墨化程度的不同，鑄鐵的類型和組織也不同。

完全按照Fe-Fe3C相圖進(jìn)行結(jié)晶而得到的鑄 鐵。其中碳全部以滲碳體(Fe3C)形式存在， 斷口呈銀白色?；铱阼T鐵其中碳主要以片狀石墨形狀存在，斷口為暗灰色，常見的鑄鐵件多數(shù)是灰口鑄鐵。結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

鑄鐵可鍛鑄鐵由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理而獲得，其中碳大部分或全部以團(tuán)狀石墨形式存在，由于具有較灰口鑄鐵高得多的塑性和韌性，習(xí)慣上稱為可鍛鑄鐵，實(shí)際上并不可鍛。球墨鑄鐵鐵水在澆注前經(jīng)球化處理，其中碳大部分或全部以球狀石墨形式存在，機(jī)械性能高，生產(chǎn)工藝比可鍛鑄鐵簡(jiǎn)單，近年來(lái)日益得到廣泛的應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)材料

蠕墨鑄鐵碳以蠕蟲狀石墨形式存在，介于片狀和球狀石墨之間此外，為了滿足一些特殊要求，向鑄鐵中加入一些合金元素，如Cr、Cu、Al、B等，可得到耐蝕、耐熱及耐磨等特性的合金鑄鐵。鋼鐵材料

鑄鐵

結(jié)構(gòu)材料切削加工性能優(yōu)異

鋼鐵材料

鑄鐵鑄造性能良好石墨對(duì)鑄鐵具有耐磨性

的作用對(duì)缺口不敏感良好的減振性中

結(jié)構(gòu)材料碳鋼鋼鐵材料

碳鋼1.按碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分類2.11％C含量低

0.25％碳鋼

0.6％碳鋼高碳鋼鑄鐵含碳量越高，硬度、強(qiáng)度越高， 但塑性降低。結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

碳鋼2.按鋼的質(zhì)量分類(主要是雜質(zhì)硫、磷的含量) S

0.055％0.040％

0.030％優(yōu)質(zhì)碳素

普鋼通碳素鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì) 碳素鋼0.035％0.040％0.045％P

結(jié)構(gòu)材料3.按用途分類

碳素結(jié)構(gòu)鋼

主要用于橋梁、船 舶、建筑構(gòu)件、機(jī)器 零件等

碳素工具鋼

主要用于刀具、模 具、量具等鋼鐵材料

碳鋼結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料牌號(hào)及用途普通碳素結(jié)構(gòu)鋼碳鋼Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。 數(shù)字表示最低屈服強(qiáng)度。

塑性好，可軋制成鋼板、鋼筋、鋼管等。可軋制成型鋼、鋼板等。結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料牌號(hào)及用途優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳鋼鋼號(hào)以碳的平均質(zhì)量萬(wàn)分?jǐn)?shù)表示。 如20＃、45＃等。20＃表示含C：

0.20%（萬(wàn)分之20）。主要用于制造各種機(jī)器零件碳素工具鋼鋼號(hào)以碳的平均質(zhì)量千分?jǐn)?shù)表示，并在前冠以T。如T9、T12等。T9表示含C：0.9%（千分之9）。

主要用于制造各種刀具、量具、模具等鑄鋼

結(jié)構(gòu)材料牌號(hào)及用途鋼鐵材料

碳鋼

鑄鋼牌號(hào)是在數(shù)字前冠以ZG，數(shù)字代表鋼中平均質(zhì)量 分?jǐn)?shù)（以萬(wàn)分?jǐn)?shù)表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。主要用于制造形狀復(fù)雜并需要一定強(qiáng)度、塑性和韌性的零件，如齒輪、聯(lián)軸器等。溫度

結(jié)構(gòu)材料碳鋼的常規(guī)熱處理

退火時(shí)

鋼鐵材料

碳鋼

完全退火 等溫退火 球化退火 擴(kuò)散退火 去應(yīng)力退火間將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（隨爐冷卻），以獲得接近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。溫度

結(jié)構(gòu)材料碳鋼的常規(guī)熱處理正火

正火 淬火

鋼鐵材料

碳鋼將鋼件加熱到AC3和Acm以上30－50度，保持適當(dāng)時(shí)間后，在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的時(shí)間熱處理工藝。在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護(hù)氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強(qiáng)度，改善韌性。

結(jié)構(gòu)材料碳鋼的常規(guī)熱處理

溫 度淬火溫度鋼鐵材料

碳鋼

v0vv>v0時(shí)間成分將鋼件加熱到奧氏體化后，快速冷卻，使組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。所得的馬氏體的形態(tài)與鋼的成分、原始奧氏體晶粒的大小以及形成條件有密切關(guān)系。奧氏體晶粒越小，馬氏體越細(xì)。溫

結(jié)構(gòu)材料碳鋼的常規(guī)熱處理

度回火鋼鐵材料

碳鋼時(shí)間淬火或正火的材料重新加熱,可以松懈淬火應(yīng)力和使組織向穩(wěn)態(tài)過(guò)度，改善材料的延展性和韌性。合金鋼結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

合金鋼合金鋼＝碳鋼＋一種或多種合金元素分類

一、按所含合金元素的多少分

低合金鋼（總質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5％） 中合金鋼（總質(zhì)量分?jǐn)?shù)5％－10％） 高合金鋼（總質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10％）結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

合金鋼

二、按主要合金元素種類分

鉻鋼錳鋼鉻鎳鋼三、按用途分

工具鋼硅錳鋼…結(jié)構(gòu)鋼特殊性能鋼結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

合金鋼

合金元素的作用

1。合金元素與鐵的作用

合金元素加入鋼中，首先溶于鐵形成固溶體，超過(guò)溶解度極 限時(shí)與碳形成化合物。合金元素溶與鐵，形成合金鐵素體或合金 奧氏體。合金元素溶于鐵素體會(huì)使鋼的室溫強(qiáng)度提高，這種作用 稱為固溶強(qiáng)化。2。合金元素與碳的作用

對(duì)于與碳的親和力較弱的合金元素，不與碳發(fā)生作用，只溶于鐵素體或奧氏體中；對(duì)于與碳的親和力較強(qiáng)的合金元素，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，與鐵形成合金滲碳體，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，形成合金碳化物。用途結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

合金鋼不銹鋼能在大氣和一般腐蝕性介質(zhì)中具有很高耐

蝕性的鋼種。主要用來(lái)制造在各種腐蝕性介質(zhì)中工作并具有較高抗腐蝕能力的零件或結(jié)構(gòu)件。廣泛用于石油、化工、原子能、海洋開發(fā)、國(guó)防和一些先端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

合金鋼

不銹鋼中合金元素的作用

1。耐腐蝕性要求越高，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)越低；

2。加入主要的合金元素Cr。Cr能提高基體的電極電位。

在氧化性介質(zhì)中極易鈍化，形成致密的氧化膜，提高 耐腐蝕性；3。加入合金元素Ni?？色@得單項(xiàng)的奧氏體組織，顯著提

高耐腐蝕性并改善鋼的塑性，通過(guò)熱處理還可以改善 鋼的強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)材料鋼鐵材料

合金鋼

不銹鋼中合金元素的作用4。加入合金元素Mo、Cu等：提高鋼在非氧化性酸中的

耐腐蝕能力。5。加入合金元素Ti、Nb等：能優(yōu)先同C形成穩(wěn)定的碳化

物，使Cr保留在基體中，避免晶界貧Cr，提高鋼的耐腐 蝕性。6。加入合金元素Mn、N等：部分替代Ni以獲得奧氏體

組織，并能提高鉻不銹鋼在有機(jī)酸中的耐腐蝕性。結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料主要內(nèi)容：

鋁及鋁合金 鎂及鎂合金 鈦及鈦合金 銅及銅合金

…結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鋁及鋁合金鋁及鋁合金特點(diǎn):

密度低、比強(qiáng)度高。純鋁的密度為2700kg/m3， 約為鐵的1/3。 優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。導(dǎo)電性能好、磁化率 低、耐腐蝕等。 加工性能好。鑄造性能好、易于塑性變形，經(jīng)熱 處理后還具有很高的強(qiáng)度。鋁的生產(chǎn)過(guò)程鋁及鋁合金Al2O3+C電解Al+CO2

結(jié)構(gòu)材料純鋁有色金屬材料

鋁及鋁合金純鋁中含有Fe、Si、Zn等元素時(shí)，會(huì)使性能下降

名稱 高純鋁工業(yè)高純鋁 工業(yè)純鋁

純度99.93%-99.99% 98.85%-99.9% 98.0%-99.0%

用途 科學(xué)研究、制作電器 鋁箔、鋁合金原料電線、電纜、配置合金純鋁強(qiáng)度很低，不能用作結(jié)構(gòu)材料合金化鋁合金位錯(cuò)

結(jié)構(gòu)材料合金元素的作用有色金屬材料

鋁及鋁合金鋁中加入合金元素后，可提高合金的強(qiáng)度，并保持良好的加工性能。固溶強(qiáng)化阻礙時(shí)效強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化彌散強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鋁及鋁合金合金元素的作用固溶強(qiáng)化Al-Mg溫度/℃400200結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鋁及鋁合金合金元素的作用時(shí)效強(qiáng)化600αlCu在Al中的固溶度隨溫

5.7 α＋θ（Al2Cu）GP區(qū)固溶線度降低而降低。500℃時(shí)將有4％的Cu固溶在Al中，將含4％的Al冷卻到室溫，絕大部分的Cu將以GP區(qū)和過(guò)渡相等形式2Cu/%46析出。結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料合金元素的作用

溫 度時(shí)效強(qiáng)化鋁及鋁合金

Al-CuAl-Mg-SiAl2Cu

Mg2Si時(shí)間13090100305070度

結(jié)構(gòu)材料

合金元素的作用時(shí)效強(qiáng)化

130℃硬

Al-4%Cu有色金屬材料

鋁及鋁合金

時(shí)效處理時(shí)間 對(duì)Al-4%Cu及 合金硬度的影響0.010.11.010100時(shí)效時(shí)間/d結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鋁及鋁合金合金元素的作用彌散強(qiáng)化

液態(tài)中少量初生Al3Er粒子

固態(tài)中彌散分布的Al3Er粒子溫度

北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 含Er高強(qiáng)鋁合金的開發(fā)時(shí)間溫度結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鋁及鋁合金合金元素的作用

時(shí)

細(xì)晶強(qiáng)化間液態(tài)中初生Al3Er粒子成為基體Al的形核核心，減少基體晶粒長(zhǎng)大的孕育期，從而細(xì)化晶粒。結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料合金元素的作用細(xì)晶強(qiáng)化鋁及鋁合金鋁合金隨塑性加工量的增大，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化：

等軸晶---帶狀組織---細(xì)晶組織結(jié)構(gòu)材料

有色金屬材料純鋁：1×××系列分類非熱處理型Al-Mn系：3×××系列Al-Si系：4×××系列鋁及鋁合金

變形鋁合金 鑄造

熱處理型非熱處理型Al-Mg系：5×××系列Al-Cu系：2×××系列Al-Mg-Si系：6×××系列Al-Zn-Mg-Cu系：7×××系列

Al-Li系：8×××系列 純鋁：

Al-Mg系：如ZL103 Al-Si系：如ZL102鋁合金熱處理型Al-Mg系：如ZL107Al-Cu系：如ZL110Al-Mg-Si系：如ZL104Al-Zn-Mg-Cu系：如ZL305

結(jié)構(gòu)材料鋁合金的應(yīng)用 鑄 造 鋁 合 金有色金屬材料

鋁及鋁合金

結(jié)構(gòu)材料

鋁合金的應(yīng)用 變形鋁合金有色金屬材料

鋁及鋁合金結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

銅及銅合金銅及銅合金特點(diǎn)

導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕等，是抗磁材料。 加工性能好。容易冷熱成形，鑄造銅合金鑄造性能好。 具有某些特殊力學(xué)性能。比如優(yōu)良的減摩性和耐摩性 高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度。 色澤美觀。焙燒硫化銅精礦燒結(jié)銅及銅合金反射爐熔煉電爐熔煉閃速熔煉鼓風(fēng)爐熔煉連續(xù)熔煉冰吹 粗銅煉 銅火法精煉 陽(yáng)極板電解精煉2Cu2S+3O2＝2Cu2O+2SO2

2Cu2O+Cu2S＝6Cu+SO2

銅的生產(chǎn)過(guò)程電銅結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

銅及銅合金

純銅純銅為紫色，又稱紫銅。主要用于制作電導(dǎo)體及配制合金。工業(yè)純銅分為4種：T1、T2、T3、T4。編號(hào)越大，純度越低。

純銅的強(qiáng)度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料銅合金的種類結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

銅及銅合金銅合金銅中加入合金元素后，可提高合金的強(qiáng)度，并保持良好的加工性能。

…黃銅青銅白銅結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料銅合金黃銅

銅及銅合金 以Zn為主要合金元素。良好的加工性能，優(yōu)良的鑄造性能，耐腐蝕性能也好。結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料銅合金青銅

銅及銅合金以Sn為主要合金元素。用于鑄造形狀復(fù)雜的零件?？垢g性比黃銅還好。結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料銅合金白銅

銅及銅合金

以Ni為主要合金元素。具有較好的強(qiáng)度和塑性，能進(jìn)行冷加工變形，抗腐蝕性能也好。白銅線是國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的一種耐蝕性材料和裝飾結(jié)構(gòu)材料，在儀器儀表、機(jī)電、化工、衛(wèi)生和日用五金等工業(yè)部門用于制作耐蝕、彈性元件、醫(yī)療器械和日用裝飾品等。結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料銅合金銅鈹合金

銅及銅合金屬時(shí)效析出強(qiáng)化的銅基合金，經(jīng)淬火時(shí)效處理后具有高的強(qiáng)度、硬度、彈性極限，并且穩(wěn)定性好，具有耐蝕、耐磨、耐疲勞、耐低溫、無(wú)磁性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)材料銅合金制品有色金屬材料

銅及銅合金

結(jié)構(gòu)材料鈦及鈦合金特點(diǎn)

Highcorrosive resistance Biocompatible materialNonmagnetic property有色金屬材料

鈦及鈦合金

加工條件復(fù)雜， 成本較高。TITANIUM

旋 鍛Lowspecific gravityHighspecific strength機(jī)

結(jié)構(gòu)材料純鈦的晶體結(jié)構(gòu)有色金屬材料

鈦及鈦合金β－Ti882.5℃α－Ti結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鈦及鈦合金βα＋βγβαα2αα＋βMsαα＋ββ+γ α＋γMs三種類型的鈦合金相圖（Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變溫度）

鈦中加鋁、硼等α型α穩(wěn)定元素獲得

α－Ti合金。 鈦中加入鉬、鉻、β型釩等元素后可獲得

β－Ti合金。室溫強(qiáng)度較低，但高溫強(qiáng)度很高?？寡趸?、抗蠕變性以及焊接性能良好。 強(qiáng)度高，沖壓性能好， 并可通過(guò)淬火和時(shí)效熱處理 獲得強(qiáng)化。α+β型塑性好，容易鍛造、壓延和沖壓，并可通過(guò)固溶和時(shí) 效進(jìn)行強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度可提高50％-100％。

介于α和β兩者之間，可通過(guò)熱加工和熱處理 較大范圍內(nèi)調(diào)整顯微組織和結(jié)構(gòu)

滿足航空材料的使用要求結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鈦及鈦合金為滿足戰(zhàn)斗機(jī)的使用要求，鈦合金取代鋁合金，成為機(jī)體結(jié)構(gòu)材料的主體。

戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料用材用量分布

代機(jī)型第二代第三代第四代首飛殲8Ⅲ新殲蘇-27CKF-15F-16F/A-18A/BF-22材料類別1993199819771972197619781997鋁合金鈦合金鋼其他55

2241985

210 36015101537.325.8

5.531.464

3

330491215241541

539結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鈦及鈦合金鈦合金的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)材料鎂及鎂合金特點(diǎn)有色金屬材料

鎂及鎂合金比重?。轰X的2/3，鐵的1/4比強(qiáng)度高:比鋁合金高50MPa，碳鋼的2倍減震性好：阻尼性優(yōu)于鑄鐵抗沖擊：優(yōu)于鋁合金和軟鋼切削性好：切削力為鋁和軟鋼的1/2電磁屏蔽優(yōu)良:可屏蔽頻率范圍較廣易再生利用：可節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境限可使用年結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鎂及鎂合金比重小抗沖擊比強(qiáng)度高減震性好延長(zhǎng)性差1000年電磁屏蔽 優(yōu)良耐腐蝕性能差易再生 利用100年

鐵300年

鋁鎂21世紀(jì)的綠色工程材料

結(jié)構(gòu)材料原鎂冶煉有色金屬材料

鎂及鎂合金使用較少碳法熱碳熱海

電水為原

以DOW、

I.G.Frarben、Magnola工

化物熱還原原鎂冶煉解料菱藝為代表使用廣泛，以皮江法為代表還 原硅熱法

法料法

原為

鎂礦結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鎂及鎂合金皮江法工藝流程

排放白云石螢石粉煅燒球團(tuán)煤、煤粉、煤氣

粗鎂硅鐵破碎配料粉碎壓球還原精煉排放廢棄再生循環(huán)使用加工鑄錠成品

結(jié)構(gòu)材料

鎂合金的 成形與加工鑄造成形：冷室壓鑄熱室壓鑄重力鑄造低壓鑄造……

有色金屬材料

鎂及鎂合金變形加工：擠壓軋制鍛造沖壓……結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料鑄造成形冷室壓鑄鎂及鎂合金結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料鑄造成形熱室壓鑄鎂及鎂合金結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料

鎂及鎂合金變形加工軋制初軋熱軋精軋板帶沖壓擠壓擠壓

精軋型材板帶

結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用現(xiàn)狀有色金屬材料

鎂及鎂合金鎂合金結(jié)構(gòu)材料有色金屬材料發(fā)展方向

高溫抗蠕變Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Zn-Al、

Mg-RE系列固溶、析出和彌散

及復(fù)合強(qiáng)化鎂及鎂合金

高韌性降低Al含量或添加適量Li

均可提高韌性

強(qiáng)耐蝕性

控制成分，形成均勻組織 物理和化學(xué)方法進(jìn)行表面處理 陽(yáng)極氧化工藝

高強(qiáng)度

稀土強(qiáng)化、鎂基復(fù)合強(qiáng)化 快速凝固粉末冶金 高擠壓比及等通道角擠壓

變形鎂合金

常規(guī)、超輕、快速凝固三類主要含有Al、Mn、RE、Y、Zr

和Zn等元素

結(jié)構(gòu)材料主要內(nèi)容：

陶瓷的物質(zhì)結(jié)構(gòu) 陶瓷的晶體缺陷 陶瓷的性能特點(diǎn) 陶瓷的加工方法 結(jié)構(gòu)陶瓷的種類 陶瓷的應(yīng)用陶瓷材料

結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料的相組成

陶瓷材料陶瓷的物質(zhì)結(jié)構(gòu)

——晶體相、玻璃相、氣相（氣孔）晶體相是陶瓷材料最主要的組成相，主要是某些固溶體或化合物，其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、數(shù)量及分布決定了陶瓷材料的特性和應(yīng)用。晶體相又分為主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶體相主要有含氧酸鹽（硅酸鹽、鈦酸鹽等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的結(jié)合鍵

陶瓷材料的組成相的結(jié)合鍵為離子鍵（MgO、

Al2O3）、共價(jià)鍵（金剛石、Si3N4）以及離子 鍵與共價(jià)鍵的混合鍵。離子鍵共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的物質(zhì)結(jié)構(gòu)以離子鍵結(jié)合的晶體稱為離子晶體。離子晶體在陶瓷材料中占有很重要的地位。 它具有強(qiáng)度高、硬度高、熔 點(diǎn)高等特點(diǎn)。但這樣的晶體 脆性大，無(wú)延展性，熱膨脹 系數(shù)小，固態(tài)時(shí)絕緣，但熔 融態(tài)可導(dǎo)電等特點(diǎn)。金屬氧 化物晶體主要以離子鍵結(jié) 合，一般為透明體。BN結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的物質(zhì)結(jié)構(gòu)以共價(jià)鍵結(jié)合的晶體稱為共價(jià)晶體。共價(jià)晶體具有方向性和飽和性，因而共價(jià)鍵晶體的原子堆積密度較低。

SiC

共價(jià)鍵晶體具有強(qiáng)度高、硬 度高、熔點(diǎn)高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等 特點(diǎn)。但它脆性大，無(wú)延展 性，熱膨脹系數(shù)小，固態(tài)、Si3N4熔融態(tài)時(shí)都絕緣。最硬的金剛石、SiC、Si3N4、BN等材料都屬于共價(jià)晶體。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的物質(zhì)結(jié)構(gòu)Al2O3結(jié)構(gòu)

硅氧四面體是硅酸鹽陶瓷中最基本的結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的物質(zhì)結(jié)構(gòu)玻璃相的作用是將分散的晶體相粘結(jié)起來(lái)，填充晶體之間的空隙，提高材料的致密度；降低燒成溫度，加快燒結(jié)過(guò)程；阻止晶體轉(zhuǎn)變、抑止晶粒長(zhǎng)大。 玻璃相是陶瓷材料中原子不 規(guī)則排列的組成部分，其結(jié) 構(gòu)類似于玻璃。 玻璃相對(duì)陶瓷強(qiáng)度、介電常玻璃相數(shù)、耐熱性能是不利的。

結(jié)構(gòu)材料氣相（氣孔）

陶瓷材料

陶瓷的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷中氣孔主要是坯體各成

分在加熱過(guò)程中單獨(dú)或互相 發(fā)生物理、化學(xué)作用所生成 的空隙。這些空隙可由玻璃 相來(lái)填充，還有少部分殘留 下來(lái)形成氣孔。氣孔對(duì)陶瓷的性能是不利的。它降低材料的強(qiáng)度，是造成裂紋的根源。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的晶體缺陷

陶瓷材料的晶體缺陷

陶瓷材料主要是離子鍵和共價(jià)鍵。這兩種結(jié)合鍵造成位錯(cuò)的可動(dòng)性降低。當(dāng)位錯(cuò)滑移時(shí)，離子鍵中同號(hào)離子相斥，導(dǎo)致離子鍵斷裂；而共價(jià)鍵的方向性和飽和性，具有確定的鍵長(zhǎng)和鍵角，位錯(cuò)的滑移也會(huì)導(dǎo)致共價(jià)鍵的破斷。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的晶體缺陷

點(diǎn)缺陷

陶瓷材料晶體中存在的置換原 子、間隙原子和空位等缺陷稱 之為點(diǎn)缺陷。陶瓷材料的很多 性質(zhì)如導(dǎo)電性與點(diǎn)缺陷有直接 關(guān)系。此外，陶瓷材料的燒結(jié)、擴(kuò)散等物理、化學(xué)過(guò)程也與點(diǎn)缺陷有關(guān)。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的晶體缺陷

線缺陷位錯(cuò)是陶瓷材料晶體中存在的線缺陷。陶瓷材料中位錯(cuò)形成所需要的能量較大，因此，不易形成位錯(cuò)。陶瓷材料中位錯(cuò)密度很低。

位錯(cuò)也是一種線缺陷結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的晶體缺陷

面缺陷陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亞晶界就陶瓷材料中的面缺陷。

面缺陷結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的晶體缺陷

我們知道晶粒細(xì)化可以提高材料的強(qiáng)度。晶界對(duì)金屬材料和陶瓷材料強(qiáng)度的提高作用機(jī)理是不同的。 對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)，晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而強(qiáng)化了材料；而對(duì)陶瓷材料來(lái)說(shuō)，利用晶界兩側(cè)晶粒取向的不同來(lái)阻止裂紋的擴(kuò)展，提高強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)材料

陶瓷材料陶瓷的性能特點(diǎn)力學(xué)性能

硬度 剛度陶瓷的硬度很高，多為1000Hv～1500Hv（普通淬火鋼的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是離子晶體中離子堆積密度大、以及共價(jià)晶體中電子云的重疊程度高引起的。 陶瓷的剛度很高。剛度是由彈性模量衡量的， 而彈性模量又反映其化學(xué)鍵的鍵能。離子鍵和 共價(jià)鍵的鍵能都要高于金屬鍵，因此陶瓷材料 的彈性模量要高于金屬材料。強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能

陶瓷材料陶瓷的性能特點(diǎn)

陶瓷材料的強(qiáng)度取決于鍵的結(jié)合力，理論 強(qiáng)度很高。但陶瓷中由于組織的不均勻性， 內(nèi)部雜質(zhì)和各種缺陷的存在，使得陶瓷材 料的實(shí)際強(qiáng)度要比理論強(qiáng)度低100多倍。陶瓷材料的強(qiáng)度也受晶粒大小的影響。晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高。此外，陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬材料的高溫強(qiáng)度，高溫抗蠕變能力，且有很高的抗氧化性。常用于高溫材料。塑性與韌性

結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能

陶瓷材料陶瓷的性能特點(diǎn)

陶瓷材料的塑性和韌性較低，這是陶瓷材料 最大的弱點(diǎn)。陶瓷材料受到載荷時(shí)在不發(fā)生塑性變形的情況下，就發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋形成和擴(kuò)展的過(guò)程。陶瓷內(nèi)部和表面所產(chǎn)生的微裂紋，由于裂紋尖端的應(yīng)力集中，內(nèi)部裂紋在受到外應(yīng)力時(shí)擴(kuò)展很快，這是導(dǎo)致陶瓷材料斷裂的根本原因。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的性能特點(diǎn)熱學(xué)性能

熱容 熔點(diǎn)熱膨脹

陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫 下熱容增大。 陶瓷材料由離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合， 因此具有較高的熔點(diǎn)。陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，這是由晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵決定的。一般為10－5～10－6/K。

結(jié)構(gòu)材料電學(xué)性能

陶瓷材料陶瓷的性能特點(diǎn)

陶瓷材料是良好的絕緣體?？捎糜诟綦姷慕^緣材料；陶 瓷還具有介電特性，可作為電器的介質(zhì)。陶瓷的介電損 耗很小，可大量制造高頻、高溫下工作的器件。

光學(xué)性能陶瓷材料由于晶界和氣孔的存在，一般是不透明的?？梢酝ㄟ^(guò)燒結(jié)方法的改變和控制晶粒的大小，制備出透明的氧化物陶瓷。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的加工方法配料 成形 煅燒結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷的種類結(jié)構(gòu)陶瓷的種類

①氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷 ②炭化物結(jié)構(gòu)陶瓷 ③氮化物結(jié)構(gòu)陶瓷

結(jié)構(gòu)材料氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷

陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷的種類特點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、抗氧化性強(qiáng)、熔融溫度高、 高溫強(qiáng)度高。

Al2O3陶瓷

ZrO2陶瓷

BeO陶瓷

MgO陶瓷結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷的種類

Al2O3陶瓷Al2O3陶瓷又稱高鋁陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。主晶相為剛玉（α－Al2O3），隨著SiO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的增加，還會(huì)出現(xiàn)莫來(lái)石和玻璃相。根據(jù)陶瓷坯中主晶相的不同，分為剛玉瓷、剛玉－莫來(lái)石瓷和莫來(lái)石瓷。Al2O3有三中結(jié)晶形態(tài)，即α、β、γ型。α型是高溫型，而γ型是低溫型。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷的種類

Al2O3陶瓷的性能及應(yīng)用1.強(qiáng)度高2.硬度高：機(jī)械加工磨料、磨具、切削工具等3.熔點(diǎn)高、抗腐蝕：耐火材料、爐管、熱電偶保護(hù)

套等

結(jié)構(gòu)材料Al2O3陶瓷的性能及應(yīng)用

陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷的種類4.化學(xué)穩(wěn)定性好：坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼5.電絕緣性好：基板、火化塞、電路外殼6.光學(xué)性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、

激光振蕩元件等坩堝氧化鋁陶瓷基板

結(jié)構(gòu)材料ZrO2陶瓷

陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷的種類ZrO2陶瓷有三種晶型：常溫下是單斜晶系，1000度以上為四方晶系，到2300度以上又轉(zhuǎn)變成立方晶系。

由單斜向四方的轉(zhuǎn)變是可逆 的，并伴隨有7％的體積變 化。導(dǎo)致陶瓷在燒結(jié)時(shí)容易 開裂，為此，要加入適量的 穩(wěn)定劑，如Y2O3。

結(jié)構(gòu)材料ZrO2陶瓷的應(yīng)用

陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷的種類ZrO2陶瓷的特點(diǎn)是熱導(dǎo)率小，是理想的高溫絕熱材料。化學(xué)穩(wěn)定性好，能抵抗酸性或中性熔渣的侵蝕，可用作特種耐火材料；硬度高，可制作冷成型工具、整形模、切削工具、剪刀等；強(qiáng)度高、韌性好，可制作發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件等。

結(jié)構(gòu)材料BeO陶瓷

陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷的種類BeO晶體無(wú)色，屬六方晶系，在固態(tài)下無(wú)晶型轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

BeO陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系 數(shù)不大，抗熱震性高，高溫電絕緣 性好，電導(dǎo)率低，介電常數(shù)高；硬 度與Al2O3差不多，化學(xué)穩(wěn)定性好， 是抵抗炭還原作用最強(qiáng)的一種氧化 物。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷的種類

MgO陶瓷耐高溫，抗金屬及堿性熔渣腐蝕，可以用作坩堝冶煉高純度Fe、Mo、Cu、Mg等。也可用于高溫?zé)犭娕急Ｗo(hù)套等。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷的種類碳化物結(jié)構(gòu)陶瓷

特點(diǎn)：高耐火度、高硬度、高耐磨性。

SiC陶瓷有兩種晶體結(jié)構(gòu)：

α－SiC

和β－SiC。前者 屬六方晶系，是高溫穩(wěn)定 相；后者屬等軸晶系，是 低溫穩(wěn)定相。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷的種類SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高溫下仍能保持相當(dāng)高的彎曲強(qiáng)度；SiC陶瓷有很高的熱傳導(dǎo)能力，抗蠕變性能好，對(duì)酸性熔體有很強(qiáng)的抵抗力，但不抗強(qiáng)堿。

SiC陶瓷主要用作高溫結(jié) 構(gòu)材料。如火箭尾噴管的 噴嘴，熱電偶套管等高溫 零件。還可用于高溫下熱 交換器。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷的種類

氮化物結(jié)構(gòu)陶瓷

特點(diǎn)：高耐火度、高硬度、高耐磨性。Si3N4陶瓷是強(qiáng)共價(jià)鍵材料，原子結(jié)合力強(qiáng)，屬六方晶系。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

結(jié)構(gòu)陶瓷的種類

Si3N4陶瓷的性能特點(diǎn)Si3N4陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能抵抗除氫氟酸以外的各種酸、堿和熔融金屬的侵蝕；

具有優(yōu)異的絕緣性；硬度高，摩 擦系數(shù)小，是一種優(yōu)良的耐磨材 料；線膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高， 抗熱震性好；室溫強(qiáng)度雖然不 高，但高溫強(qiáng)度較高。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的應(yīng)用

日用陶瓷普通陶瓷

衛(wèi)生陶瓷建筑陶瓷工業(yè)陶瓷電器絕緣陶瓷化工陶瓷結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的應(yīng)用

日用陶瓷

一般應(yīng)具有良好的白度、光澤度、透光性、熱穩(wěn)定 性和強(qiáng)度。日用陶瓷主要應(yīng)用于茶具、餐具和工藝品。炻瓷結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的應(yīng)用

普通工業(yè)陶瓷

建筑陶瓷

以黏土為主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷 粗陶瓷以難熔黏土為主要原料，包括磚、瓦、盆罐等精陶瓷以瓷土和高嶺土為主要原料，包括釉面磚、建 筑衛(wèi)生陶瓷等

以陶土和黏土為主要原料，包括地磚、外墻 磚、耐酸陶瓷等結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的應(yīng)用

衛(wèi)生陶瓷以高嶺土為主要原料而制得的用于衛(wèi)生設(shè)施的帶釉陶瓷制品，有陶質(zhì)、炻瓷質(zhì)和瓷質(zhì)等。電器絕緣陶瓷又稱電瓷，是作為隔電、機(jī)械支撐及連接用的瓷質(zhì)絕緣器件。分為低壓電瓷、高壓電瓷和超高壓電瓷等。

化工陶瓷

要求耐酸、耐高溫、具有一定強(qiáng)度。主要用于化學(xué)、化 工、制藥、食品等工業(yè)。結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料

陶瓷的應(yīng)用普通工業(yè)陶瓷應(yīng)用結(jié)構(gòu)材料玻璃材料

玻璃什么是玻璃？凡熔融體通過(guò)一定方式冷卻，因黏度逐漸增加而具有固體性質(zhì)與一定結(jié)構(gòu)特征的非晶態(tài)物質(zhì)，都稱為玻璃。

種類鈉鈣玻璃鋼化玻璃磨光玻璃石英玻璃 變色玻璃夾層玻璃

鉛玻璃微晶玻璃磨砂玻璃硼硅酸鹽玻璃 彩色玻璃 壓花玻璃結(jié)構(gòu)材料玻璃材料玻璃的種類磨砂玻璃

鉛玻璃壓花玻璃

彩色玻璃變色玻璃結(jié)構(gòu)材料玻璃材料

玻璃的種類磨光玻璃鉛玻璃 石英玻璃鋼化玻璃夾層玻璃結(jié)構(gòu)材料玻璃材料

玻璃的性質(zhì)

力學(xué)性質(zhì)理論強(qiáng)度高，實(shí)際強(qiáng)度低。抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低。硬度高，脆性大。

物理性質(zhì)

高度透明，具有很重要的光學(xué)性質(zhì)。能投可見光 和紅外線。

化學(xué)性質(zhì)

化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗酸腐蝕，但不抗堿。結(jié)構(gòu)材料玻璃材料

玻璃的生產(chǎn)方法壓制成形 拉制成形 吹制成形 加工纖維結(jié)構(gòu)材料水泥材料

水泥水泥是一種加入適量水后，成為塑性漿體的，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料。

硅酸鹽水泥

鋁酸鹽水泥 硫鋁酸鹽水泥水泥的種類氟鋁酸鹽水泥 火山灰水泥結(jié)構(gòu)材料水泥材料

硅酸鹽水泥原料：石灰石、黏土、鐵粉、煤粉、礦化劑等(CaO)(Al2O3SiO2)(Fe2O3)硅酸鹽水泥制備工藝工藝結(jié)構(gòu)材料1300－1450度水泥材料配料粉磨成球煅燒粉磨包裝水泥的生料水泥的熟料

石膏 礦渣粉煤灰 火山灰普通水泥礦渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥

結(jié)構(gòu)材料

硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥的主要礦物成分：

硅酸三鈣3CaOSiO2,C3S

硅酸二鈣2CaOSiO2,C2S

鋁酸三鈣3CaOAl2O3,C3A水泥材料鐵鋁酸四鈣3CaOAl2O3Fe2O3,C4AF結(jié)構(gòu)材料水泥材料

硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥的主要礦物成分對(duì)水泥性能的影響：

①提高C3S可以提高水泥的強(qiáng)度，得到高強(qiáng)水泥 ②提高C3A、C3S，可以得到快硬水泥 ③降低C3A和C3S，提高C2S，可以得到中低熱水泥 ④提高C4AF，降低C3A，可以得到道路水泥

結(jié)構(gòu)材料衡量水泥性質(zhì)和質(zhì)量的指標(biāo)：水泥材料

密度 細(xì)度需水性

標(biāo)號(hào) 強(qiáng)度安定性

容重 水化熱凝結(jié)時(shí)間

結(jié)構(gòu)材料主要內(nèi)容：

高分子材料概述 高分子材料分類 典型高分子材料高分子材料

結(jié)構(gòu)材料多種多樣的高分子材料

高分子材料高分子材料概述

結(jié)構(gòu)材料高比強(qiáng)度的降洛傘繩索

高分子材料高分子材料概述

防彈衣

結(jié)構(gòu)材料高分子的含義：

高分子材料高分子材料概述

分子量很大（104-107，甚至更大）。 分子似“一條鏈”，由許多相同的結(jié)構(gòu)單元組成。 以共價(jià)鍵的形式重復(fù)連接而成。與小分子比較

分子量不確定，只有一定的范圍，是分子量不等 的同系物的混合物； 沒有固定熔點(diǎn)，只有一段寬的溫度范圍； 分子間力很大，沒有沸點(diǎn)，加熱到2000C-3000C以 上，材料破壞（降解或交聯(lián)）。結(jié)構(gòu)材料

高分子材料高分子材料概述

結(jié)構(gòu)材料高分子材料發(fā)展簡(jiǎn)史

高分子材料高分子材料概述天然高分子的利用天然高分子改性

天然橡膠硫化（1839年） 硝化纖維賽璐珞（1868年） 粘膠纖維（1893~1898年）合成高分子

20世紀(jì)初，出現(xiàn)了酚醛樹脂

1920年，Staudinger提出高分子概念

30年代、40年代，飛速發(fā)展

70年代，特種性能的高分子

結(jié)構(gòu)材料高分子材料形成過(guò)程

高分子材料高分子材料概述石油、天然氣、煤炭等裂解反應(yīng) 加工聚合反應(yīng)單體高分子材料高分子聚合物

結(jié)構(gòu)材料乙烯分子

聚合反應(yīng)

高分子材料高分子材料概述

聚乙烯

結(jié)構(gòu)材料熱塑性與熱固性

高分子材料高分子材料概述熱塑性塑料：受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復(fù)循環(huán)。熱固性塑料：由單體直接形成網(wǎng)狀聚合物或通過(guò)交聯(lián)線型預(yù)聚體而形成，一旦形成交聯(lián)聚合物，受熱后不能再回到可塑狀態(tài)。制品不溶不熔。優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕、電絕緣、耐化學(xué)腐蝕、容易成形加工等；缺點(diǎn)：力學(xué)性能比金屬材料差，表面硬度低，大多數(shù)品種易燃，耐熱性差。

結(jié)構(gòu)材料聚合物分子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

高分子材料高分子材料概述聚合物分子運(yùn)動(dòng)具有多重性。

運(yùn)動(dòng)單元：側(cè)基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段及整個(gè)大分子 等。 運(yùn)動(dòng)方式：鍵長(zhǎng)、鍵角的振動(dòng)或扭曲；側(cè)基、支鏈 或鏈節(jié)的搖擺、旋轉(zhuǎn)；分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)及整個(gè)大分子的 重心位移等。聚合物分子運(yùn)動(dòng)具有明顯的松弛特性。

具有時(shí)間依賴性的過(guò)程稱為松弛過(guò)程。 分子運(yùn)動(dòng)是一個(gè)速度過(guò)程，要達(dá)到一定的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)，提高溫度和延長(zhǎng)時(shí)間具有相同的效果，這稱為 時(shí)-溫等效原理，或時(shí)-溫轉(zhuǎn)化效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)材料力學(xué)狀態(tài)

高分子材料高分子材料概述玻璃態(tài)

鏈段運(yùn)動(dòng)處于“凍結(jié)”狀態(tài)，模量高形變小。具有虎 克彈性行為，質(zhì)硬而脆。高彈態(tài)

鏈段運(yùn)動(dòng)已充分發(fā)展。在較小應(yīng)力下，即可迅速發(fā) 生很大的形變，除去外力后，形變可迅速恢復(fù)。粘流態(tài)

由于鏈段的劇烈運(yùn)動(dòng)，整個(gè)大分子鏈重心發(fā)生相對(duì) 位移，產(chǎn)生不可逆位移即粘性流動(dòng)。 交聯(lián)聚合物無(wú)粘流態(tài)存在結(jié)構(gòu)材料高分子材料

高分子材料概述玻璃化轉(zhuǎn)變

聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變是指從玻璃態(tài)到高彈態(tài)之 間的轉(zhuǎn)變。從分子運(yùn)動(dòng)的角度看，玻璃化溫度

Tg是大分子鏈段開始運(yùn)動(dòng)的溫度。 玻璃化轉(zhuǎn)變是一個(gè)松弛過(guò)程。 在時(shí)間尺度不變時(shí)，凡是加速鏈段運(yùn)動(dòng)速度的 因素，如大分子鏈柔性的增大、分子間作用力 減小等結(jié)構(gòu)因素，都使Tg下降。

結(jié)構(gòu)材料高分子材料分類：

1、按材料來(lái)源分類

天然高分子 合成高分子

2、按材料性能和用途分類

塑料

高分子材料高分子材料分類橡膠纖維涂料粘合劑功能高分子三大合成材料結(jié)構(gòu)材料高分子材料

高分子材料分類塑料、橡膠、纖維，稱為三大合成材料，全世

界產(chǎn)量有1億多噸。 塑料主要品種有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯 乙烯、聚苯乙烯等 合成橡膠主要用途為制造輪胎，約占60%

合成纖維主要品種有：滌綸（PET）、尼 龍、聚丙烯腈、聚丙烯等 合成纖維、天然纖維、人造纖維比例為2?

3?1。22

結(jié)構(gòu)材料三大高分子材料的比較

高分子材料高分子材料分類纖維塑料橡膠

分子量加工方法一般1~7萬(wàn) 熔融紡絲

一般6~30萬(wàn)一般15~30萬(wàn)擠出、注塑、吹硫化交聯(lián)

塑成型等機(jī)械性能高強(qiáng)度（>35000N/cm)介于兩者之間初始模量很低，高模量(>35000N/cm)低伸長(zhǎng)率（<5~50%）高彈性形變(500-1000%)??

結(jié)構(gòu)材料3、按結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成分類

1）碳鏈高分子

高分子材料高分子材料分類?H??│?C??│?H─

H│

C│

H???????聚乙烯主鏈以C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)加聚反應(yīng)制得如：聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲 酯，聚丙烯??結(jié)構(gòu)材料高分子材料

高分子材料分類2）雜鏈高分子???????OC─

OHH

││─C─O─C─C─O

│││

HH???????滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價(jià) 鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對(duì)苯二甲酸乙二脂（滌 綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等?????????結(jié)構(gòu)材料高分子材料

高分子材料分類3）元素有機(jī)高分子?CH3??│?Si??│?CH3─O硅橡膠主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As

等元素與O組成，其側(cè)鏈為有機(jī)基團(tuán)；兼有無(wú)機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱 和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠。結(jié)構(gòu)材料高分子材料

高分子材料分類4）無(wú)機(jī)高分子SSSClCl\/\/││SiSiP=N─P=N

/S\S/

\S│Cl│Cl二硫化硅聚二氯一氮化磷主鏈既不含C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元 素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子 量不高，并易水解。

結(jié)構(gòu)材料聚乙烯（PE）

高分子材料典型高分子材料聚乙烯從1939年開始工業(yè)化生產(chǎn)，是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的品種。低密度聚乙烯（LDPE）

在各種聚乙烯中產(chǎn)量最大，主要用于生產(chǎn)薄膜（制 造食品袋、垃圾袋、地膜、大鵬膜等）；約10%用 于生產(chǎn)注塑用品。線型低密度聚乙烯（LLDPE）

主要用于生產(chǎn)薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制 品性能更好。還用于生產(chǎn)扁絲，制造編織袋。

結(jié)構(gòu)材料聚乙烯（PE）

高分子材料典型高分子材料高密度聚乙烯 注塑制品：工業(yè)容器、家用器皿、玩具等。 中空吹塑制品：食品、藥品、化妝品的包裝瓶等。 薄膜制品（約占20%）：大量用于食品包裝。聚乙烯管材 應(yīng)用領(lǐng)域主要有：生活用水和煤氣管道、農(nóng)業(yè)排灌 用管道以及圓珠筆內(nèi)的油墨管子等。 質(zhì)輕、堅(jiān)韌耐磨，力學(xué)性能良好，使用壽命長(zhǎng)，施 工安裝簡(jiǎn)便，輸送阻力小、安全可靠，鋪設(shè)費(fèi)用 低。

結(jié)構(gòu)材料聚乙烯（PE）

高分子材料典型高分子材料

結(jié)構(gòu)材料聚乙烯（PE）

高分子材料典型高分子材料超高分子量聚乙烯（UHMWPE）——可作為工程塑料 在汽車、機(jī)械、原子能以及宇宙 飛行等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。 具有優(yōu)異的耐沖擊和自潤(rùn)滑性， 耐腐蝕、抗磨損、不粘著等特 性。可作齒輪、軸套、滑板、儲(chǔ) 罐襯里等。

結(jié)構(gòu)材料聚乙烯（PE）

高分子材料典型高分子材料結(jié)構(gòu)材料

聚乙烯生產(chǎn)線高分子材料

結(jié)構(gòu)材料聚丙烯（PP）

高分子材料典型高分子材料性能：

密度0.90~0.91g/cm3，耐熱性好、優(yōu)良的耐化學(xué) 藥品和耐水性，有較好的物理機(jī)械性能，突出的耐 應(yīng)力開裂性，耐磨性和成形性好。應(yīng)用

汽車用樹脂：保險(xiǎn)杠（乙丙橡膠增韌PP）、儀表 盤、電器元件、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)葉等； 薄膜：有“包裝皇后”之稱。大量用于快餐食品、煙 草的包裝，還用于醫(yī)用包裝、各類封面及廣告宣傳 畫等。 纖維級(jí)PP：地毯、無(wú)紡布、旅游制品、土工布，建 筑材料等，發(fā)展前景廣闊。

結(jié)構(gòu)材料聚氯乙烯（PVC）

高分子材料典型高分子材料

結(jié)構(gòu)材料聚氯乙烯（PVC）

高分子材料典型高分子材料PVC，是耗石油最少的熱塑性樹脂。具有阻燃及較高的機(jī)械強(qiáng)度。PVC可以兼有兩種絕然不同的性能，從軟質(zhì)到硬質(zhì)，具有不同的用途。應(yīng)用：

農(nóng)用塑料制品：農(nóng)地膜、漁用單絲、繩纜等； 包裝材料，保鮮、防銹、防霉等，塑料編織袋、包 裝容器等； 日用品，塑料鞋、塑料袋、人造革、塑料玩具等； 化學(xué)建材，塑鋼門窗、水管、電線穿線管等。

結(jié)構(gòu)材料聚苯乙烯（PS）

PS保溫板

高分子材料

典型高分子材料PS光纖

結(jié)構(gòu)材料聚苯乙烯（PS）

高分子材料典型高分子材料PS，無(wú)色透明，相對(duì)密度1.05，電絕緣性能優(yōu)異，耐熱性好，吸濕性低、質(zhì)硬、剛性強(qiáng)，耐化學(xué)性好，易被染色，有良好的加工性。應(yīng)用：

世界市場(chǎng)上，PS主要用于包裝，其次是電子、電 器。發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）質(zhì)輕、隔熱、防震、價(jià) 廉，用于建筑和包裝。 國(guó)內(nèi)最大的市場(chǎng)是家電行業(yè)。國(guó)內(nèi)彩色電視機(jī)外殼 有60%使用高抗沖聚苯乙烯（HIPS）。

結(jié)構(gòu)材料氟塑料

高分子材料典型高分子材料氟塑料各種含氟塑料的總稱。聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公司投產(chǎn)。有“塑料王”之稱。高結(jié)晶度聚合物，無(wú)熔融態(tài)，分解溫度400℃，可在260℃以下長(zhǎng)期下使用，耐低溫-200℃，力學(xué)性能優(yōu)異。光滑不粘，摩擦系數(shù)極小，具有自潤(rùn)滑性。耐化學(xué)腐蝕性極強(qiáng)，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑，能耐王水及沸騰的氫氟酸。具有塑料中最好的電絕緣性能。廣泛用于化工機(jī)械和容器的防腐、耐磨密封、電絕緣等。

結(jié)構(gòu)材料氟塑料

高分子材料典型高分子材料纖維結(jié)構(gòu)材料

高分子材料典型高分子材料滌綸尼龍（錦綸）聚丙烯腈（腈綸、人造羊毛）

結(jié)構(gòu)材料聚酰胺（PA）

高分子材料典型高分子材料聚酰胺（PA）俗稱尼龍（Nylon），是主鏈上含有酰胺基團(tuán)—NH—C—的聚合物。O是開發(fā)最早的工程塑料，約占工程塑料總產(chǎn)量的1/3。優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨性及無(wú)潤(rùn)滑摩擦性能，較好的耐腐蝕性、耐油、耐溶劑性能，使用溫度-40~100℃，良好的阻燃性。缺點(diǎn)是吸水性較大，影響其尺寸穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料主要內(nèi)容：

復(fù)合材料概述 復(fù)合材料的基本理論 金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料

復(fù)合材料概述

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)、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。結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料

復(fù)合材料概述 顆粒 纖 維晶須

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的種類

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料復(fù)合材料

功能復(fù)合材料

復(fù)合材料

復(fù)合材料概述

金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 樹脂基復(fù)合材料 水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)磁復(fù)合材料 阻尼吸聲復(fù)合材料屏蔽功能復(fù)合材料摩擦磨損復(fù)合材料

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

復(fù)合材料復(fù)合材料概述①比強(qiáng)度和比彈性模量高復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量 普遍高于常用金屬材料的

材料硼纖維/環(huán)氧碳化硅/環(huán)氧石墨纖維/鋁 鋼 鋁合金 鈦合金

密度ρ/(g.cm-3) 2.1 2.0 2.2 7.8 2.8 4.5抗拉強(qiáng)度

σb/MPa 1600 1500 800 1400 500 1000彈性模量

E/MPa 220 130 231 210 77 110比強(qiáng)度

σb/ρ 762 750 364 179 179 222比彈性模量

E/ρ 105 65 105 27 28 24應(yīng)力/（MN.m-2）

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

復(fù)合材料復(fù)合材料概述②抗疲勞與斷裂安全性能好大量的增強(qiáng)纖維對(duì)裂紋的擴(kuò) 展起到阻礙作用。纖維基體 裂紋

纖維基體 裂紋15001000 500玻璃鋼碳纖維復(fù)合材料 鋁合金ab0102103104105106107a基體中初始裂紋b裂紋擴(kuò)展受阻于增強(qiáng)纖維

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中疲勞裂紋擴(kuò) 展過(guò)程示意圖

循環(huán)次數(shù)三種材料疲勞性能比較振幅

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

復(fù)合材料復(fù)合材料概述③良好的減震性能纖維增強(qiáng)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。

鋼 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料0時(shí)間鋼、碳纖維復(fù)合材料的振動(dòng)衰減特性比較抗拉強(qiáng)度/(MN.m-2)

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

復(fù)合材料復(fù)合材料概述④良好的高溫性能

10000

增強(qiáng)纖維的熔點(diǎn)都很高，并且在高溫 下仍具有較高的強(qiáng)度。

Al2O3晶須玻璃纖維5000硼纖維SiC纖維碳纖維0500100015002000

t/℃幾種纖維的高溫強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)

復(fù)合材料復(fù)合材料概述

①由宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展

微纖增強(qiáng)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

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

FilmcoatingKeepfoodlongernanotubesprotrudingfromanano-compositematerial.

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)

復(fù)合材料復(fù)合材料概述

③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)展功能復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用等

④由被動(dòng)復(fù)合向主動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展所謂被動(dòng)就是指在外界作用下材料只能被動(dòng)承受某種作用或作出某種反應(yīng)。主動(dòng)材料就是指具備能自診斷、自適應(yīng)和自修補(bǔ)作用材料。

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)

復(fù)合材料復(fù)合材料概述⑤由常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)方向發(fā)展

仿生設(shè)計(jì)就是利用某種生物體的特征，設(shè)計(jì)材料。仿生設(shè) 計(jì)可以參照生物體的功能機(jī)制設(shè)計(jì)出新的功能材料。

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合原理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

1.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理

①外載荷與纖維方向一致假設(shè)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(shí)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。

則：在外載荷作用下纖維和基體處于等應(yīng)變狀態(tài)

εc=εf=εm

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合原理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

εc=εf=εm復(fù)合材料上總力等于纖維和基體受力的和

Fc=Ff+Fm則：Fc=σcAc

=σfAf

＋σmAmσc

=σfVf＋σmVmEc

=EfVf＋EmVm其中：c、f、m分別代表復(fù)合材料、增強(qiáng)纖維和基體

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合原理一般復(fù)合材料的變形分為：

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

纖維和基體均 為線彈性變形隨纖維斷裂，復(fù)合材料斷裂纖維繼續(xù)線彈性變形， 基體非線性變形 纖維和基體都 是非線性變形應(yīng)力

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合原理

Ⅱ:Ec

=EfVf

Ⅰ:Ec

=EfVf＋EmVm

復(fù)合材料

復(fù)合材料的基本理論Ⅰ：?jiǎn)蜗蜻B續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性變形階段，復(fù)合材料彈性模量所遵循的規(guī)律：

Ec

=EfVf＋EmVm

Ⅱ：外載荷很大，基體材料發(fā) 生塑性變形時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)

力-應(yīng)變曲線不再保持線性關(guān) 系，此時(shí)，基體對(duì)復(fù)合材料剛

0度的貢獻(xiàn)很?。?/p>

應(yīng)變單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Ec

=EfVf

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合原理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

1.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理

②外載荷與纖維方向垂直如果外載荷垂直于單相連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維方向

則復(fù)合材料、纖維、基體處于等應(yīng)力狀態(tài)。

σc=σf

=σm

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合原理

σc

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

σf

σm

σc=σf

=σm復(fù)合材料中應(yīng)變量等于各組員應(yīng)變量與體積分?jǐn)?shù)乘積之和εc

=εfVf＋εmVm

又：ε=σ/E1/Ec=Vf/Ef＋Vm/Em其中：c、f、m分別代表復(fù)合材料、增強(qiáng)纖維和基體

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合原理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

2.顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原理顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的密度可以利用混合定律表達(dá)為：

ρc

=ρpVp＋ρmVm復(fù)合材料彈性模量的上限數(shù)值和下限數(shù)值上限值下限值Ec

=EpVp＋EmVmEc

=EpEm/(EpVm＋EmVp)角標(biāo)p代表顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

1.纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性纖維做增強(qiáng)體與韌性或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的目標(biāo)：提高基體在室溫下和高溫下的強(qiáng)度和彈性模量。

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

纖維增強(qiáng)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、氧化鋁纖維以及碳化硅晶須、氧化鋁晶須等。這些纖維與晶須的主要特點(diǎn)是：

密度低、強(qiáng)度高、彈 性模量高、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)。Si3N4晶須碳纖維

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：

微細(xì)的增強(qiáng)纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低。 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。 復(fù)合材料受到較大應(yīng)力時(shí)，一些有裂紋的纖維可能斷裂， 但塑性好和韌性好的基體能阻止裂紋擴(kuò)展。 由于基體對(duì)纖維的粘結(jié)作用以及基體與纖維之間的摩擦 力，使得復(fù)合材料的強(qiáng)度大大提高。

結(jié)構(gòu)材料

增強(qiáng)機(jī)理Themicrocrackspropagatedthroughthematrixandwerestoppedbythefiberbundles.Boththeinter-andintra-bundleporositiesaresubstantial.

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

Al2O3纖維增強(qiáng)AM100

復(fù)合材料斷口

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

增強(qiáng)纖維起到強(qiáng)化基體作用必要條件：

①增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)比基體材料的高。

增強(qiáng)纖維的彈性模量E越高，在相同應(yīng)變量的條件下， 所受應(yīng)力越大。②基體與纖維之間要有一定的粘結(jié)力，并具有一定的強(qiáng)度。

結(jié)合強(qiáng)度小，纖維無(wú)法發(fā)揮主要承受載荷的作用；結(jié)合 強(qiáng)度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致脆性斷裂，降低強(qiáng)度。

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

③纖維應(yīng)有一定的含量、尺寸和分布。

纖維越細(xì)，則缺陷越小，材料強(qiáng)度越高；同時(shí)細(xì)纖維的 比表面積大，有利于增強(qiáng)與基體的結(jié)合力。④纖維與基體之間的線膨脹系數(shù)相匹配。

對(duì)于韌性較低的基體，纖維的膨脹系數(shù)應(yīng)略高于基體； 對(duì)于韌性較好的基體，纖維的膨脹系數(shù)應(yīng)略低于基體。

⑤纖維與基體之間有良好的相容性。

以便在高溫作用下，纖維與基體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。最大抗拉強(qiáng)度/（MN.m-2）σb/（MN.m-2）

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

1260630

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論112056012000980 840700560 420280σbE

490 420 350 280 21014010000 8000 6000 4000 2000140 01020

3040ψf/%506070 00

246纖維直徑/μm810硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Si3N4纖維的最大抗拉強(qiáng)度與直徑關(guān)系（纖維長(zhǎng)625nm）

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

2.顆粒增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是指由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性顆粒做增強(qiáng)體與韌性或脆性基體經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的種類：

納米微細(xì)硬顆粒彌散增強(qiáng)，微米顆粒增強(qiáng)。

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論彌散強(qiáng)化復(fù)合材料中彌散顆粒種類：

金屬氧化物、碳化物、硼化物.SiCparticlesinmagnesiumalloyborideTEMimageofSi3N4particlestructure

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：

根據(jù)顆粒的尺寸大小，可分為彌散增強(qiáng)復(fù)合材料和真正顆 粒增強(qiáng)復(fù)合材料。前者通常是指尺寸為埃米數(shù)量級(jí)的微細(xì) 硬顆粒彌散分布在基體中；后者是指微米數(shù)量級(jí)的顆粒增 強(qiáng)的復(fù)合材料。

純顆粒增強(qiáng)在這種復(fù)合材料中，顆粒不是通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使材料強(qiáng)化，而是借助于限制顆粒臨近基體的運(yùn)動(dòng)，約束基體的變形來(lái)達(dá)到強(qiáng)化目的的。

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

彌散強(qiáng)化

彌散分布在金屬或合金基體中的硬顆?？梢杂行У刈柚刮诲e(cuò) 運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。這種復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制類似于合金的析出強(qiáng)化機(jī)理，基體乃是承受載荷的主體。只是，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?cè)跍囟壬邥r(shí)仍保持其原有尺寸。 因而，增強(qiáng)效果可在高溫下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)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。

結(jié)構(gòu)材料

增強(qiáng)機(jī)理單位長(zhǎng)度上的力τb

彌散增強(qiáng)原理圖

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)機(jī)理

thetensilefracturesurface oftheAZ92/SiCp

復(fù)合材料

復(fù)合材料的基本理論ExperimentallyobservedcrackpathinanAl/SiCmetalmatrixcomposite

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

1.纖維增韌由于定向、取向或無(wú)序排布的纖維加入，使得復(fù)合材料的韌性得到顯著提高。

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論①單向排布長(zhǎng)纖維增韌機(jī)理

單向排布長(zhǎng)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向異性，沿 纖維長(zhǎng)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時(shí)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到 纖維時(shí)，裂紋運(yùn)動(dòng)受阻，欲使裂紋繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，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 拔出、斷裂或轉(zhuǎn)向，從而使復(fù)合材料的韌性得到提高。

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

Fracturedcarbonfibre reinforcedcomposite

復(fù)合材料

復(fù)合材料的基本理論Cf/Si3N4復(fù)合材料中裂紋垂直于纖維方向擴(kuò)展示意圖

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

SiCfibersinaSiliconNitride matrix.Aspolishedcondition

復(fù)合材料

復(fù)合材料的基本理論CracksintheSiCfibers/ceramcomposite

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

②多維多向排布長(zhǎng)纖維增韌克服了單向長(zhǎng)纖維只在一個(gè)方向上性能得到提高的弱點(diǎn)。多向長(zhǎng)纖維可實(shí)現(xiàn)陶瓷等脆性材料在二維、三維方向上的性能提高。這種多維多向的排列方式有：

將纖維編織成纖維布； 纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度。多維長(zhǎng)纖維增韌的機(jī)理與單向一樣，主要是通過(guò)纖維的斷裂、拔出或轉(zhuǎn)向提高韌性。

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論CracksinSiC/SiCcompositeat1300°C

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論③短纖維增韌機(jī)理

短纖維增韌復(fù)合材料的制備工藝比長(zhǎng)纖維的簡(jiǎn)便。 通常是將長(zhǎng)纖維剪斷（<3mm），再與基體粉體材料混合、 熱壓制得。在熱壓時(shí)，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)短纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適當(dāng)時(shí)，復(fù)合材料的斷裂功顯著提高，從而使斷裂韌性得到提高。

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

Micrographofcarbonfiber reinforcedAS41

復(fù)合材料

復(fù)合材料的基本理論Short-carbonfibercomposite斷裂功W/(J.m-2)500400300200

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

Cf

/Pyrex玻璃(定向)

Cf

/Pyrex玻璃(隨機(jī))

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

可以看出：纖維的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)適當(dāng)時(shí)，復(fù)合材料 的斷裂功顯著提高，斷 裂韌性提高；而無(wú)序分 布時(shí)峰值減小，斷裂韌 性降低。100Cf

/玻璃陶瓷Cf

/MgO韌性提高來(lái)自：纖維拔出、纖維斷裂、裂紋轉(zhuǎn)010203040向三方面貢獻(xiàn)。

ψ(Cf)%碳纖維含量對(duì)碳纖維增韌玻璃陶瓷復(fù)合材料斷裂功的影響

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

④晶須增韌機(jī)理

晶須的增韌機(jī)理與纖維增韌機(jī)理基本相同，即主要靠晶須 拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)韌性提高產(chǎn)生貢獻(xiàn)。 研究結(jié)果表明，晶須與界面的強(qiáng)度直接影響復(fù)合材料的韌 性。界面強(qiáng)度過(guò)高，晶須與基體同時(shí)斷裂，限制了晶須的拔出；而結(jié)合強(qiáng)度過(guò)低，晶須拔出功減小。這兩種情況都對(duì)韌性的提高不利。

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

晶須橋連晶須橋連增 韌是指在基體出現(xiàn)裂 紋后，晶須承受外界 載荷并在基體裂紋相 對(duì)的兩邊之間架橋， 橋連晶須對(duì)基體產(chǎn)生 一個(gè)使基體閉合的 力，消耗外加載荷做 功而使材料韌性增 加。晶須的增韌機(jī)制

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

影響晶須韌化行為的因素：

①晶須的直徑

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

②晶須的強(qiáng)度 ③晶須的化學(xué)表面特性④體系組成⑤基體的彈性模量⑥晶須表面涂層⑦晶須的分散性

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

2.顆粒增韌影響其增韌效果的主要因素是基體與增強(qiáng)顆粒的彈性模量和熱膨脹系數(shù)之差以及兩相的化學(xué)相容性。

增韌的機(jī)理主要包括:

相變?cè)鲰g 裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌

結(jié)構(gòu)材料增韌機(jī)理

復(fù)合材料復(fù)合材料的基本理論

①相變?cè)鲰g

通過(guò)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(kuò)展，達(dá)到增韌的目的