第六章 纳米复合材料

1、2022-5-242022-5-242 2 复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，通过复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺手段组合而成的复合体。复合材料是由于各组成各种工艺手段组合而成的复合体。复合材料是由于各组成材料的协同作用，因而兼具刚度大、强度高、质量轻等单材料的协同作用，因而兼具刚度大、强度高、质量轻等单一材料无法比拟的优异性能。一材料无法比拟的优异性能。 复合材料的结构是一个相为复合材料的结构是一个相为连续相（称为基体）连续相（称为基体）而另而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相（称分散相（称为增强体）。为增强

2、体）。如果增强体是纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶如果增强体是纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等纳米结构单元，那么就称为纳米复合材料。须、纳米纤维等纳米结构单元，那么就称为纳米复合材料。2022-5-242022-5-243 3 多数情况下，多数情况下，较基体较基体，较基体较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状颗粒状或或弥散的弥散的填料填料。在基体和增强体之间存在着在基体和增强体之间存在着。 基体相具有基体相具有增强相的作用，在复合材料增强相的作用，在复合材料承受外加载荷时，基体相主要以承受外加载荷时，基体相主要以起向增起向增强相强相的作用

3、。的作用。复合材料的各种形态示意于图中：复合材料的各种形态示意于图中：2022-5-242022-5-244 4复合材料及其增强相的各种形态复合材料及其增强相的各种形态纤维状纤维状颗粒状颗粒状层状层状片状片状填充状填充状2022-5-242022-5-245 56.1 纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类有多种方法：纳米复合材料的分类有多种方法： 按基体形状按基体形状可把纳米复合材料分为可把纳米复合材料分为0-0复合，即纳米粒复合，即纳米粒子和其他种类纳米粒子复合。子和其他种类纳米粒子复合。0-2复合，纳米粒子分散到二复合，纳米粒子分散到二维的薄膜材料中。维的薄膜材料中。0-

4、3纳米粒子分散到常规的三维固体中。纳米粒子分散到常规的三维固体中。 按增强体形状按增强体形状可把纳米复合材料分为零维（颗粒增强）、可把纳米复合材料分为零维（颗粒增强）、一维（纤维、晶须增强）、二维（晶片、薄层、叠层增强）。一维（纤维、晶须增强）、二维（晶片、薄层、叠层增强）。 按复合方式不同按复合方式不同，纳米复合材料可分为晶内型、晶间型、，纳米复合材料可分为晶内型、晶间型、晶内晶内-晶间型和纳米晶间型和纳米-纳米型。纳米型。2022-5-242022-5-246 6 按用途不同来分按用途不同来分，纳米复合材料可以分为结构型、功，纳米复合材料可以分为结构型、功能型和智能型。能型和智能型。 结构

5、纳米复合材料主要用作承力和次承力结构。因此结构纳米复合材料主要用作承力和次承力结构。因此要求质量轻、强度和刚度高，且能耐一定的温度。结构纳要求质量轻、强度和刚度高，且能耐一定的温度。结构纳米复合材料基本是由纳米级增强体和基体组成的。米复合材料基本是由纳米级增强体和基体组成的。 功能纳米复合材料是指提供机械性能以外其他物理性功能纳米复合材料是指提供机械性能以外其他物理性能的纳米复合材料，其中包括电学、磁学、热学、光学、能的纳米复合材料，其中包括电学、磁学、热学、光学、声学性能等。声学性能等。 智能化纳米复合材料是指具有自检测、自判断、自恢智能化纳米复合材料是指具有自检测、自判断、自恢复、自协调和

6、执行功能的纳米复合材料。复合是是材料智复、自协调和执行功能的纳米复合材料。复合是是材料智能化的有效途径之一。能化的有效途径之一。2022-5-242022-5-247 7金属基纳米复合材料金属基纳米复合材料陶瓷基纳米复合材料陶瓷基纳米复合材料高分子基纳米复合材料高分子基纳米复合材料结构复合材料结构复合材料颗粒增强纳米复合材料颗粒增强纳米复合材料晶须增强纳米复合材料晶须增强纳米复合材料纤维增强纳米复合材料纤维增强纳米复合材料0-0复合复合0-2复合复合0-3复合复合零维（颗粒状）零维（颗粒状）一维（纤维状）一维（纤维状）二维（片状）二维（片状）晶内型晶内型晶间型晶间型晶内晶内-晶间混合型晶间混合

7、型纳米纳米-纳米型纳米型结构纳米复合材料结构纳米复合材料功能纳米复合材料功能纳米复合材料智能纳米复合材料智能纳米复合材料2022-5-242022-5-248 86-2 纳米复合材料的设计纳米复合材料的设计 纳米复合材料因汇聚纳米材料和复合材料两者优势，纳米复合材料因汇聚纳米材料和复合材料两者优势，而成为未来新材料设计的首选对象。而成为未来新材料设计的首选对象。 在纳米材料设计中，主要关注纳米材料的功能设计、在纳米材料设计中，主要关注纳米材料的功能设计、合成设计和稳定性设计合成设计和稳定性设计 。力求解决复合材料组分的选择、。力求解决复合材料组分的选择、复合时的混合与分散、复合工艺、复合材料的

8、界面作用及复合时的混合与分散、复合工艺、复合材料的界面作用及复合材料物理稳定性等问题，最终获得高性能、多功能的复合材料物理稳定性等问题，最终获得高性能、多功能的纳米复合材料。纳米复合材料。2022-5-242022-5-249 9一一. 纳米复合材料的功能设计纳米复合材料的功能设计 功能设计就是赋予材料以一次功能或二次功能特性。功能设计就是赋予材料以一次功能或二次功能特性。 一次功能有：声学功能、热学功能、光学功能、化一次功能有：声学功能、热学功能、光学功能、化学功能、电磁学功能；学功能、电磁学功能； 二次功能有：机械能转换、电能转换、磁能转换、二次功能有：机械能转换、电能转换、磁能转换、热能

9、转换、光能转换。热能转换、光能转换。2022-5-242022-5-241010以聚合基纳米复合材料为例来说明：以聚合基纳米复合材料为例来说明： 步骤一是纳米（增强体）材料的选择步骤一是纳米（增强体）材料的选择，即依据设计意图，即依据设计意图，选用合适的纳米材料，例如为了赋予复合材料超顺磁性，可选用合适的纳米材料，例如为了赋予复合材料超顺磁性，可选择铁或铁系氧化物等纳米材料；为了赋予复合材料发光特选择铁或铁系氧化物等纳米材料；为了赋予复合材料发光特性，可选择含稀有金属性，可选择含稀有金属Eu的钛系氧化物等纳米材料。的钛系氧化物等纳米材料。 步骤二是基体聚合物材料的选择设计步骤二是基体聚合物材料

10、的选择设计，依据纳米复合材，依据纳米复合材料的适用环境，选择合适的有机聚合物基体，如高温环境，料的适用环境，选择合适的有机聚合物基体，如高温环境，必须选择聚酰亚胺等耐高温的聚合物。此外纳米复合材料的必须选择聚酰亚胺等耐高温的聚合物。此外纳米复合材料的界面设计也很重要，同时选择合适的复合方法，才能提高纳界面设计也很重要，同时选择合适的复合方法，才能提高纳米材料与聚合物基体的强界面作用，充分发挥不同属性的两米材料与聚合物基体的强界面作用，充分发挥不同属性的两种组分的协同效应。种组分的协同效应。2022-5-242022-5-241111二二. 纳米复合材料的合成设计纳米复合材料的合成设计 纳米复合

11、材料的合成设计，就是以最简单、最便捷纳米复合材料的合成设计，就是以最简单、最便捷的手段获得纳米级均匀分散的复合材料。的手段获得纳米级均匀分散的复合材料。 在功能设计完成后，合成设计中主要关心的就是纳在功能设计完成后，合成设计中主要关心的就是纳米材料的粒度与分散度，从目前纳米复合材料的和成发米材料的粒度与分散度，从目前纳米复合材料的和成发展状况看，主要有展状况看，主要有4种方法，即溶胶种方法，即溶胶-凝胶法、插层法、凝胶法、插层法、共混法和填充法。其中，溶胶共混法和填充法。其中，溶胶-凝胶中的纳米颗粒具有较凝胶中的纳米颗粒具有较小的力度和较均匀的分散度，但合成步骤较复杂且纳米小的力度和较均匀的分

12、散度，但合成步骤较复杂且纳米材料的选择空间较小。材料的选择空间较小。2022-5-242022-5-241212三三. 纳米复合材料的稳定化设计纳米复合材料的稳定化设计 为了获得稳定性良好的复合材料，必须使纳米粒子牢牢为了获得稳定性良好的复合材料，必须使纳米粒子牢牢地固定在基体中，防止纳米粒子因聚集而产生相分离。为了地固定在基体中，防止纳米粒子因聚集而产生相分离。为了保障纳米粒子能够均匀地分布在聚合物基体中，必须借助一保障纳米粒子能够均匀地分布在聚合物基体中，必须借助一些强化学键的形成，或其他作用力，具体包括以下几种：些强化学键的形成，或其他作用力，具体包括以下几种：1. 形成共价键形成共价键

13、 利用聚合物链上的官能团与纳米粒子的极性基团（羟基利用聚合物链上的官能团与纳米粒子的极性基团（羟基等）产生化学反应，形成共价键；或通过含有双键的硅氧烷等）产生化学反应，形成共价键；或通过含有双键的硅氧烷参与聚合物前驱体的聚合，形成硅氧烷为支链的聚合物，硅参与聚合物前驱体的聚合，形成硅氧烷为支链的聚合物，硅氧烷的部分水解形成于聚合物主链存在共价键结合的氧烷的部分水解形成于聚合物主链存在共价键结合的SiO2纳纳米粒子。米粒子。2022-5-242022-5-2413132. 形成离子键形成离子键 如果聚合物链和纳米粒子彼此带有异性电荷，则可通过如果聚合物链和纳米粒子彼此带有异性电荷，则可通过形成粒

14、子键而获得稳定的复合材料体系。形成粒子键而获得稳定的复合材料体系。3.形成配位键形成配位键 聚合物基体与纳米粒子以电子对和空电子轨道相互配位聚合物基体与纳米粒子以电子对和空电子轨道相互配位的形式产生化学作用，构成纳米复合材料。的形式产生化学作用，构成纳米复合材料。4. 纳米作用能的亲和作用纳米作用能的亲和作用 纳米粒子因其特殊的表面结构而具有很强的亲和力，这纳米粒子因其特殊的表面结构而具有很强的亲和力，这种力称为纳米作用能，借助该作用力，纳米粒子与很多聚合种力称为纳米作用能，借助该作用力，纳米粒子与很多聚合物材料无选择地产生很强的相互作用，形成稳定的复合体系。物材料无选择地产生很强的相互作用，

15、形成稳定的复合体系。2022-5-242022-5-2414146-3 复合材料的特性复合材料的特性 复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。单一组分的材料。例如，纤维增强的树脂基复合材料，具有质量轻、例如，纤维增强的树脂基复合材料，具有质量轻、强度高、可设计性好、耐化学腐蚀、介电性能好、耐烧强度高、可设计性好、耐化学腐蚀、介电性能好、耐烧蚀及容易成型加工等优点。蚀及容易成型加工等优点。2022-5-242022-5-2415151. 1. 轻质高强，比强度和比刚度高轻质高强，比强度和比刚度高、增强剂或者基体是比重小的物质，或两者

16、的比重都不、增强剂或者基体是比重小的物质，或两者的比重都不 高，且都不是完全致密的；高，且都不是完全致密的；、增强剂多是强度很高的纤维。、增强剂多是强度很高的纤维。比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类材料中最高的。材料中最高的。2022-5-242022-5-241616 例如，普通碳钢的密度为例如，普通碳钢的密度为7.8 7.8 g/cmg/cm3 3。玻璃纤维增强树玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为脂基复合材料的密度为1.52.0 1.52.0 g/cmg/cm3 3，只有普通碳钢的只有普通碳钢的1/41/51/41/5，比铝合金还要

17、轻，比铝合金还要轻1/1/左右，而机械强度却能超左右，而机械强度却能超过普通碳钢的水平。过普通碳钢的水平。 若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材料不若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超过仅超过碳钢碳钢，而且可超过某些特殊，而且可超过某些特殊合金纲。合金纲。碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度和更高的强度，因此具复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强有更高的比强度。度。2022-5-242022-5-2417172. 2. 可设计性好可设计性好 复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品

18、复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。设计，具有很好的可设计性。对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达到节约材料、减轻质量的目的。料，达到节约材料、减轻质量的目的。 对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料；蚀性能好的基体树脂和增强材料； 复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹性模量、层间剪切强度低等缺点。性模量、层间剪切强度低等缺点。2022-5-242022-5-2

19、418183. 3. 电性能好电性能好复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如，玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的材料。例如，玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能，并且在高频下仍能保持良好的介电性能，因电绝缘性能，并且在高频下仍能保持良好的介电性能，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料；此可作为高性能电机、电器的绝缘材料； 玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性能，

20、被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷达罩。能，被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷达罩。2022-5-242022-5-2419194. 4. 耐腐蚀性能好耐腐蚀性能好 聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。因此它是一种优良的耐腐蚀也能耐碱、盐和有机溶剂。因此它是一种优良的耐腐蚀材料，用其制造的化工管道、贮罐、塔器等具有较长的使材料，用其制造的化工管道、贮罐、塔器等具有较长的使用寿命、极低的维修费用用寿命、极低的维修费用。2022-5-242022-5-2420205. 5. 热性能良好热性能良好玻璃纤维增强的聚合物

21、基复合材料具有较低的导热玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数，是一种优良的绝热材料。系数，是一种优良的绝热材料。选择适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材选择适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料，能有效地保护火箭、导弹和宇宙飞行料和热防护材料，能有效地保护火箭、导弹和宇宙飞行器在器在20002000以上承受用温、高速气流的冲刷作用。以上承受用温、高速气流的冲刷作用。2022-5-242022-5-2421216.6.工艺性能优良工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，能满足各种类型制品的制造需要，特

22、别适合于大型制品、能满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造，形状复杂、数量少制品的制造，2022-5-242022-5-242222(7)(7)弹性模量弹性模量金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度下长期使用，金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料的弹性模量很低。因此，制成的制品但是聚合物基复合材料的弹性模量很低。因此，制成的制品容易变形容易变形 。 用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料的弹性模量，另外，通过结构设计也可以克服其弹性模量差的弹性模量，另外，通过结构设计

23、也可以克服其弹性模量差的缺点。的缺点。 比模量系指在温度为比模量系指在温度为232和相对湿度为和相对湿度为505的条的条件下测量的杨氏模量件下测量的杨氏模量(单位单位:N.m-2)除以比重除以比重(单位单位:N.m-3)。杨氏模量就是指表达物体在变形时所受的应力与应变关杨氏模量就是指表达物体在变形时所受的应力与应变关系的比例常数。系的比例常数。2022-5-242022-5-2423238.8.长期耐热性长期耐热性金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，

24、即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在能在300 300 左右。左右。2022-5-242022-5-2424249.9.老化现象老化现象在白然条件下，由于紫外光在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力湿热、机械应力、化学侵蚀的作用，会导致复合材料的性能变差，即发化学侵蚀的作用，会导致复合材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。生所谓的老化现象。复合材料在使用过程中发生老化现象的程度与其复合材料在使用过程中发生老化现象的程度与其组成、结构和所处的环境有关。组成、结构和所处的环境有关。2022-5-242022-5-24252510.

25、 10. 抗疲劳性能好抗疲劳性能好首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能消除或减小应力集中区的大小和数量。性好，能消除或减小应力集中区的大小和数量。11. 11. 减振能力强减振能力强复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体发生共振而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。系，在复合材料中振动衰减都很快。2022-5-242022-5-2426266.4 陶瓷基纳米复合材料陶瓷基纳米复合材

26、料一一. 陶瓷基纳米复合材料的制备陶瓷基纳米复合材料的制备1. 粉末冶金法粉末冶金法工艺流程：工艺流程： 原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）原料（陶瓷粉末、增强剂、粘结剂和助烧剂）均匀混合（球磨、超声等）均匀混合（球磨、超声等） 冷压成形冷压成形 热压）烧结热压）烧结 适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。适用于颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。2022-5-242022-5-2427272. 浆体法（湿态法）浆体法（湿态法） 为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可为了克服粉末冶金法中各组元混合不均的问题，可采用浆体（湿态）法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷采用浆体（湿态）

27、法制备颗粒、晶须和短纤维增韧陶瓷基复合材料。基复合材料。 其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状。其混合体为浆体形式。混合体中各组元保持散凝状。即在浆体中呈弥散分布。即在浆体中呈弥散分布。 2022-5-242022-5-242828浆体法制备陶瓷基复合材料示意图浆体法制备陶瓷基复合材料示意图 2022-5-242022-5-2429293. 反应烧结法反应烧结法 用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收用此方法制备陶瓷基复合材料，除基体材料几乎无收缩外，还具有以下优点：缩外，还具有以下优点：（1）增强剂的体积比可以相当大；）增强剂的体积比可以相当大；（2）可用多种连续纤维预制体；

28、）可用多种连续纤维预制体；（3）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的）大多数陶瓷基复合材料的反应烧结温度低于陶瓷的 烧结温度，因此可避免纤维的损伤。烧结温度，因此可避免纤维的损伤。 此方法最大的缺点是高气孔率难以避免此方法最大的缺点是高气孔率难以避免。2022-5-242022-5-2430304. 液态浸渍法液态浸渍法 用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、熔用此方法制备陶瓷基复合材料，化学反应、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首要考虑的问题，这些因素直接影响着材料的性能。陶瓷熔体可题，这些因素直接影响着材料的性能。陶瓷熔体可通过毛细作用

29、渗入增强剂预制体的孔隙。施加压力通过毛细作用渗入增强剂预制体的孔隙。施加压力或抽真空将有利于浸渍过程。或抽真空将有利于浸渍过程。 2022-5-242022-5-2431315. 直接氧化法直接氧化法 按部件形状制备增强体预制体，将隔板放在其表面按部件形状制备增强体预制体，将隔板放在其表面上以阻止基体材料的生长。熔化的金属在氧气的作用下上以阻止基体材料的生长。熔化的金属在氧气的作用下发生直接氧化反应形成所需的反应产物。由于在氧化产发生直接氧化反应形成所需的反应产物。由于在氧化产物中的空隙管道的液吸作用，熔化金属会连续不断地供物中的空隙管道的液吸作用，熔化金属会连续不断地供给到生长前沿。给到生长

30、前沿。 Al + 空气空气 Al2O3 Al + 氮气氮气 AlN 2022-5-242022-5-2432326. 溶胶溶胶 凝胶（凝胶（Sol Gel）法）法 溶胶（溶胶（Sol）是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒）是由于化学反应沉积而产生的微小颗粒（直径（直径 100nm）的悬浮液；凝胶（）的悬浮液；凝胶（Gel ）是水分减少的）是水分减少的溶胶，即比溶胶粘度大的胶体。溶胶，即比溶胶粘度大的胶体。 Sol Gel法是指金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、法是指金属有机或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合物凝胶等过程而固化，再经热处理生成氧化物或其它化合

31、物固体的方法。该方法可控制材料的微观结构，使均匀性达固体的方法。该方法可控制材料的微观结构，使均匀性达到微米、纳米甚至分子量级水平。到微米、纳米甚至分子量级水平。 2022-5-242022-5-243333 （1）Sol Gel法制备法制备SiO2陶瓷原理如下：陶瓷原理如下： Si(OR)4 + 4 H2O Si(OH)4+ 4 ROH Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O 使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌使用这种方法，可将各种增强剂加入基体溶胶中搅拌均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、均匀均匀，当基体溶胶形成凝胶后，这些增强组元稳定、均匀分布在基体中，经过干燥或

32、一定温度热处理，然后压制烧分布在基体中，经过干燥或一定温度热处理，然后压制烧结形成相应的复合材料。结形成相应的复合材料。 2022-5-242022-5-2434347.化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVD） 是以气态物质为原料，在高温下发生热分解或化是以气态物质为原料，在高温下发生热分解或化学反应合成材料的一种方法。学反应合成材料的一种方法。 A(g) B(s)+C(g) 例如：例如：CH3SiCl3(g) SiO2(s)+3HCl (g) 或：或： A(g) + B(g) C(s)D(g) 例如：例如：SiCl4(g) O2(g) SiO2(s)+Cl2(g) 能够制备碳化物、氧化物、氮

33、化物和硼化物等。能够制备碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等。 生产效率降低，需生产效率降低，需1421天。天。2022-5-242022-5-2435358. 化学气相浸渍（化学气相浸渍（CVI）法）法 与与CVD法类似，不同点是气源不仅热分解或化法类似，不同点是气源不仅热分解或化学反应，而且还与坯体表面的元素发生反应，并在孔学反应，而且还与坯体表面的元素发生反应，并在孔隙中沉积反应产物。隙中沉积反应产物。2022-5-242022-5-2436369. 其它方法其它方法（1）聚合物先驱体热解法聚合物先驱体热解法 以高分子聚合物为先驱体成型后使高分子先驱体发生热解以高分子聚合物为先驱体成型后使高

34、分子先驱体发生热解反应转化为无机物质，然后再经高温烧结制备成陶瓷基复合反应转化为无机物质，然后再经高温烧结制备成陶瓷基复合材料。此方法可精确控制产品的化学组成、纯度以及形状。材料。此方法可精确控制产品的化学组成、纯度以及形状。最常用的高聚物是有机硅（聚碳硅烷、酚醛树酯、沥青等最常用的高聚物是有机硅（聚碳硅烷、酚醛树酯、沥青等)。 制备工艺流程：制备工艺流程： a. 制备增强剂预制体制备增强剂预制体浸渍聚合物先驱体浸渍聚合物先驱体热解热解 再浸渍再浸渍再热解再热解 b. 陶瓷粉陶瓷粉+聚合物先驱体聚合物先驱体均匀混合均匀混合模压成型模压成型热解热解 2022-5-242022-5-243737(

35、2)原位复合法原位复合法 利用化学反应生成增强组元利用化学反应生成增强组元晶须或高长径比晶体晶须或高长径比晶体来增强陶瓷基体的工艺称为原位复合法。其关键是在陶来增强陶瓷基体的工艺称为原位复合法。其关键是在陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物，控制其瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物，控制其生长条件使在基体致密化过程中在原位同时生长出晶须；生长条件使在基体致密化过程中在原位同时生长出晶须；或控制烧结工艺，在陶瓷液相烧结时生长高长径比的晶或控制烧结工艺，在陶瓷液相烧结时生长高长径比的晶相，最终形成陶瓷基复合材料。相，最终形成陶瓷基复合材料。2022-5-242022-5-243838二

36、二. .陶瓷基复合材料的界面和界面设计陶瓷基复合材料的界面和界面设计1. 界面的粘结形式界面的粘结形式 （1）机械结合）机械结合 （2）化学结合）化学结合 陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。2022-5-242022-5-2439392. 界面的作用界面的作用 陶瓷基复合材料的界面一方

37、面应强到足以传递陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。 2022-5-242022-5-2440403. 界面性能的改善界面性能的改善 为了获得最佳界面结合强度，希望避免界面化学反为了获得最佳界面结合强度，希望避免界面化学反应或尽量降低界面的化学反应程度和范围。实际当中除应或尽量降低界面的化学反应程度和范围。实际当中除选择增强剂和基体在制备和材料服役期间能形成热动力选择增强剂和基体在制备和材料服役期间能形成热动力学

38、稳定的界面外，就是纤维表面涂层处理。包括学稳定的界面外，就是纤维表面涂层处理。包括C、SiC、BN、ZrO2 和和SnO2等。纤维表面涂层处理对纤维还可起等。纤维表面涂层处理对纤维还可起到保护作用。纤维表面双层涂层处理是最常用的方法。到保护作用。纤维表面双层涂层处理是最常用的方法。其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求，而外部涂层其中里面的涂层以达到键接及滑移的要求，而外部涂层在较高温度下防止纤维机械性能降解。在较高温度下防止纤维机械性能降解。2022-5-242022-5-244141三三. 纳米复合陶瓷的作用机制纳米复合陶瓷的作用机制1.显微结构显微结构（1）晶粒细化）晶粒细化 在微米级陶瓷

39、基中加入纳米颗粒可以抑制基体晶粒的长在微米级陶瓷基中加入纳米颗粒可以抑制基体晶粒的长大，例如纳米大，例如纳米SiC的加入可以抑制的加入可以抑制Al2O3晶粒的尺寸，原因可晶粒的尺寸，原因可解释为：解释为：SiC与与Al2O3 不发生反应，也难于移动或粗化，使不发生反应，也难于移动或粗化，使晶界移动困难，从而抑制晶界移动困难，从而抑制Al2O3晶粒的长大；纳米晶粒的长大；纳米SiC的加的加入提高了成核浓度，在减小晶粒尺寸的同时促使晶粒大小均入提高了成核浓度，在减小晶粒尺寸的同时促使晶粒大小均匀化，减小了晶粒异常长大的可能性，这种均匀细化的显微匀化，减小了晶粒异常长大的可能性，这种均匀细化的显微结

40、构有利于提高材料的抗弯强度。一般结构有利于提高材料的抗弯强度。一般Al2O3晶粒的大小随晶粒的大小随SiC纳米颗粒含量的增多和粒径的减小而减小。纳米颗粒含量的增多和粒径的减小而减小。2022-5-242022-5-244242（2）微米晶粒的潜在纳米化效应）微米晶粒的潜在纳米化效应 由于纳米颗粒在微米级基体晶粒内的存在，次界面处存由于纳米颗粒在微米级基体晶粒内的存在，次界面处存在较大的残余应力，使基体的晶粒内产生大量的亚晶界和潜在较大的残余应力，使基体的晶粒内产生大量的亚晶界和潜在的微裂纹。亚晶界的产生使基体更加细化，从而进一步提在的微裂纹。亚晶界的产生使基体更加细化，从而进一步提高材料的抗弯

41、强度。实际上亚晶界或微裂纹的存在使基体晶高材料的抗弯强度。实际上亚晶界或微裂纹的存在使基体晶粒处于一种潜在分化状态，即粒处于一种潜在分化状态，即“纳米化效应纳米化效应”.（3）纳米颗粒对基体晶粒形状的影响）纳米颗粒对基体晶粒形状的影响 对纳米对纳米Si3N4复合陶瓷，纳米颗粒的存在促使基体晶粒复合陶瓷，纳米颗粒的存在促使基体晶粒呈细长的棒状生长。这种棒状晶粒的作用类似于晶须，可使呈细长的棒状生长。这种棒状晶粒的作用类似于晶须，可使裂纹偏转和裂纹桥接机理发挥作用，从而提高材料韧性。裂纹偏转和裂纹桥接机理发挥作用，从而提高材料韧性。2022-5-242022-5-2443432.晶内韧化机理晶内韧

42、化机理晶内型纳米相的韧化机理主要有以下几个方面：晶内型纳米相的韧化机理主要有以下几个方面： 晶内型结构导致纳米化效应。晶内型结构导致纳米化效应。 纳米粒子进入微米级陶瓷基体后，纳米颗粒与基体颗纳米粒子进入微米级陶瓷基体后，纳米颗粒与基体颗粒的尺寸存在着数量级的差异，使纳米相的烧结温度比基粒的尺寸存在着数量级的差异，使纳米相的烧结温度比基体的低，因此在一定温度下基体颗粒开始下纳米颗粒收缩，体的低，因此在一定温度下基体颗粒开始下纳米颗粒收缩，并发生致密化；与此同时，纳米颗粒将完全进入基体内部，并发生致密化；与此同时，纳米颗粒将完全进入基体内部，所以材料结构中出晶体颗粒间的主晶界外，在纳米相好基所以

43、材料结构中出晶体颗粒间的主晶界外，在纳米相好基体颗粒间还存在着大量次晶界和微裂纹，引起基体颗粒的体颗粒间还存在着大量次晶界和微裂纹，引起基体颗粒的潜在分化，相当于组织的再细化，使得主晶界的作用被削潜在分化，相当于组织的再细化，使得主晶界的作用被削弱。弱。2022-5-242022-5-244444 诱发穿晶断裂诱发穿晶断裂 纳米化效应使晶粒内部产生微裂纹，且两种颗粒的纳米化效应使晶粒内部产生微裂纹，且两种颗粒的热膨胀系数和弹性模量失配，在主晶界出形成了强化作热膨胀系数和弹性模量失配，在主晶界出形成了强化作用的压应力，而在次晶界处（基体内部）形成局部拉应用的压应力，而在次晶界处（基体内部）形成局

44、部拉应力，致使穿晶断裂概率大大增加。力，致使穿晶断裂概率大大增加。 纳米粒子是裂纹二次偏转或被钉扎纳米粒子是裂纹二次偏转或被钉扎 沿晶内微裂纹或次晶界扩展的主裂纹前端遇到纳米沿晶内微裂纹或次晶界扩展的主裂纹前端遇到纳米粒子是，无法穿过而发生偏转或被钉扎，耗散了断裂能粒子是，无法穿过而发生偏转或被钉扎，耗散了断裂能量，是材料增强增韧。量，是材料增强增韧。2022-5-242022-5-2445453.晶间强韧化机理晶间强韧化机理晶间型结构强韧化机理主要有以下几种：晶间型结构强韧化机理主要有以下几种： 主晶界被纳米粒子局部强化主晶界被纳米粒子局部强化 纳米粒子纳米粒子-基体的晶界较微米基体的晶界较

45、微米-微米复合陶瓷的晶界干净，微米复合陶瓷的晶界干净，杂质和玻璃相极少，晶界强度大大提高，纳米相与基体结合杂质和玻璃相极少，晶界强度大大提高，纳米相与基体结合较好，起到了固定晶界、强化晶界的作用较好，起到了固定晶界、强化晶界的作用 晶界纳米粒子使裂纹二次偏转或被钉扎晶界纳米粒子使裂纹二次偏转或被钉扎 沿主晶界扩展的微裂纹前端遇到纳米粒子时，因晶界强沿主晶界扩展的微裂纹前端遇到纳米粒子时，因晶界强度很高而无法继续前进，或被钉扎，或在更大外力作用下偏度很高而无法继续前进，或被钉扎，或在更大外力作用下偏转进入晶内，诱发了穿晶断裂。转进入晶内，诱发了穿晶断裂。2022-5-242022-5-24464

46、6 晶间纳米粒子形成有利的应力分布晶间纳米粒子形成有利的应力分布 当纳米相的弹性模量大于基体时，纳米粒子周围形当纳米相的弹性模量大于基体时，纳米粒子周围形成切向压应力，使得朝向纳米粒子扩展的主裂纹远离该成切向压应力，使得朝向纳米粒子扩展的主裂纹远离该粒子所在晶界面向晶内前进，并增加了裂纹扩展路径。粒子所在晶界面向晶内前进，并增加了裂纹扩展路径。2022-5-242022-5-2447476-5 金属基纳米复合材金属基纳米复合材料料 金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体，金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强体结合的与一种或几种金属或非金属纳米级增强体结合的

47、复合材料，因兼有金属和纳米相而具有独特的结复合材料，因兼有金属和纳米相而具有独特的结构特征和物理、化学及力学性能，成为一种新兴构特征和物理、化学及力学性能，成为一种新兴的纳米复合材料和新型金属功能材料。的纳米复合材料和新型金属功能材料。2022-5-242022-5-244848一、金属基纳米复合材料的制备一、金属基纳米复合材料的制备1. 粉末冶金法粉末冶金法 粉末冶金法是一种制备非连续增强相金属基复合材粉末冶金法是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。其优点如下：料常采用的工艺。其优点如下： 1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控； 2

48、）可根据要求设计复合材料的性能；）可根据要求设计复合材料的性能； 3）利于增强相与金属基体的均匀混合。）利于增强相与金属基体的均匀混合。 4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善； 5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。 但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。2022-5-242022-5-2449492. 固态法固态法 是一种连续增强相金属基复合材料制备工艺是一种连续增强相金属基复合材料制备工艺（1）真空热压扩散结合）真空热压扩散结合 （2）热等静压（）热

49、等静压（HIP） （3）模压成型）模压成型 模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材。一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材。 2022-5-242022-5-2450503.3.液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）（1 1）压铸法）压铸法 在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔

50、或增强材料预制体的空隙中，在压力下充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。快速凝固成型。 （2 2）半固态复合铸造）半固态复合铸造 将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。固态复合材料注入模具进行压铸成型。 2022-5-242022-5-245151（3 3）喷射成型法）喷射成型法 喷射沉积工艺是一种喷射沉积工艺是一种8080年代逐渐成熟的将粉末冶金工艺中年代逐渐成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝固

51、两个过程相结合的新工艺。混合与凝固两个过程相结合的新工艺。 该工艺过程是将基体金属在坩该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力作用下通过埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成散为细小的液滴，形成“雾化雾化锥锥”；同时通过一个或多个喷嘴；同时通过一个或多个喷嘴向向“雾化锥雾化锥”喷射入增强颗粒，喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并快速凝固板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料形成颗粒增强金属基复合材料

52、。 2022-5-242022-5-245252无压浸渗法无压浸渗法制备制备Al2O3(f)/Al复合材复合材料料工艺原理示意图工艺原理示意图 （4 4）无压浸渗法）无压浸渗法 美国美国LanxideLanxide公司开发的一种公司开发的一种新工艺。新工艺。 将增强材料制成预制体置于将增强材料制成预制体置于由氧化铝制成的容器中。再将基由氧化铝制成的容器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体体金属坯料置于增强材料预制体上部。然后一同装入可通氮气的上部。然后一同装入可通氮气的加热炉中。通过加热，基体金属加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中

53、。材料预制体中。 2022-5-242022-5-2453534. 原位（原位（In situ）生长（复合）法）生长（复合）法 增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的润湿和界面反应等问题，好，不存在基体与增强相之间的润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。 2022-5-242022-5-245454二二. 金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能1. 1. 高比强度、比模量高比强度、比模量 由于在金属基体中加入了适量的由于在金属基体中

54、加入了适量的高强度、高模量、高强度、高模量、低密度低密度的纤维、晶须、的纤维、晶须、颗颗粒等增强物，明显提高了粒等增强物，明显提高了复合材料的复合材料的比强度和比模量比强度和比模量，特别是高性能连续纤，特别是高性能连续纤维维 硼纤维、碳硼纤维、碳( (石墨石墨) )纤维、碳化硅纤维等增强物，纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。用高比强度、比模量复合具有很高的强度和模量。用高比强度、比模量复合材料制成的构件重量轻、刚性好、强度高，是航空、材料制成的构件重量轻、刚性好、强度高，是航空、航天技术领域中理想的结构材料。航天技术领域中理想的结构材料。2022-5-242022-5-24555

55、52. 2. 导热、导电性能导热、导电性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，一般在数，一般在6060以上，因此以上，因此仍保持金属所具有的良好仍保持金属所具有的良好导热和导电性导热和导电性。 为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的导热率比纯铝、钢还颗粒增强铝基、铜基复合材料的导热率比纯铝、钢还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速

56、地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。2022-5-242022-5-245656 3. 3. 热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好 加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数以满足各种工况要求。物的含量获得不同的热膨胀系数以满足各种工况要求。 例如，石墨纤维增强镁基复合材料例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含，当石墨纤维含量达到量达到4848w w时，复合材料

57、的热膨胀系数为零，即在温度时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形，这变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形，这对对人人造卫星构件特别重要。造卫星构件特别重要。 通过选择不同的基体金属和增强物，以一定的比例通过选择不同的基体金属和增强物，以一定的比例复合在一起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳复合在一起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。定性好的金属基复合材料。 2022-5-242022-5-2457574. 4. 良好的高温性能良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强由于金属基体的高温性能比聚合

58、物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。因此金属基复合材料具有比基体金属更度和模量。因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料，在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强料，在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本不下降，纤维增强金属基复合材料度在高温下基本不下降，纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。的高温性能高许多。2022-5-2420

59、22-5-2458585.5.耐磨性好耐磨性好 金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强物，特别是细小的基体金属中加入了大量的陶瓷增强物，特别是细小的陶瓷颗粒。陶瓷颗粒。 6.6.良好的疲劳性能和断裂韧性良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金维等增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体中的分布以及金属、增强

60、物本身的特性，特别属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是界面状态。最佳的界面结合状态，既可有效地传递是界面状态。最佳的界面结合状态，既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。据美国宇航公司报道，据美国宇航公司报道，C CAlAl复合材料的疲劳强度与拉复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为伸强度比为0.70.7左右。左右。2022-5-242022-5-2459597) 7) 不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问