新型结构材料-2

1、第二单元第二单元 新型结构材料新型结构材料 12.3 超低温材料广泛用于低温下工作的设备，如冷冻设备、制氧设备、石油液化设备、航天工业用的高能推进剂液氢、液氮等液体燃料的制造、贮运装置、寒冷地区（如北极、南极）开发所用的机械设施等等。22.3.1超低温常温以下直至绝对零度的较大温度范围常温以下直至绝对零度的较大温度范围低温低温沸点沸点天然气：天然气：-163 液液 氮：氮：-195.8 液液 氢：氢：-253 液液 氦：氦：-26932.3.2超低温材料的要求 防止低温脆性 具备低温下的热性能-高低温环境下反复使用，热膨胀系数小 由于超低温技术多在磁场中进行，是非磁性合金42.3.3 超低温合

2、金的研究超低温合金的研究 高锰奥氏体钢是专门开发的超低温合金。高锰奥氏体钢是专门开发的超低温合金。即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率，而且热膨胀系数特别小，但是机械加工率，而且热膨胀系数特别小，但是机械加工性不佳，耐冲击性也较差。性不佳，耐冲击性也较差。 如果把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分如果把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝代替，则可以制得铁锰铝新别由锰和铝代替，则可以制得铁锰铝新合金钢，其强度、韧性都十分优异。合金钢，其强度、韧性都十分优异。 56钢铁的性能随着它的化学成分和热处理工艺而钢铁的性能随着它的化学成分和热处理工艺而改变是由于内部结构变化

3、所引起的，构成钢铁改变是由于内部结构变化所引起的，构成钢铁的物相除石墨外主要有下面四种含铁物相的物相除石墨外主要有下面四种含铁物相奥氏体：奥氏体：0.8%C铁素体：铁素体：0.02%C渗碳体：渗碳体：Fe:C=3:1马氏体：马氏体：1.6%C冲击韧性冲击韧性FATT Fracture Appearance Transition Temperature. 断口形貌转化温度。断口形貌转化温度。7试验温度试验温度剪剪切切面面积积比比例例剪剪切切面面积积比比例例FATT508 C、S、P会会FATT， Mn、Ni会会FATT, BCC随随T韧性显著降低，韧性显著降低， FCC随随T影响不大。影响不大。

4、成分及性能特点成分及性能特点92.4.1 硬质合金 硬质合金：硬质合金：副族元素，和副族元素，和C、N、B形成的化合物形成的化合物 化学结构：间隙固溶体 特点：金属光泽、导电、传热好、硬度高、熔点高 、脆性大 2.4 超硬材料10（1）固溶体固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构。所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构。固溶度：溶质原子在溶剂中的最大含量（极限溶解度）。固溶度：溶质原子在溶剂中的最大含量（极限溶解度）。固溶体基本特征：固溶体基本特征：保持原溶剂的晶体结构；保持原溶剂的晶体结构；有一定的成份范围；有一定的成份

5、范围；具有比较明显的金属性质。具有一定的导电和导热性和一具有比较明显的金属性质。具有一定的导电和导热性和一定的塑性等等。这表明，固溶体中的结合键主要是金属键。定的塑性等等。这表明，固溶体中的结合键主要是金属键。11(2)固溶体分类：固溶体分类：按溶质原子在溶剂点阵中的位置分：按溶质原子在溶剂点阵中的位置分： 置换固溶体、间隙固溶体置换固溶体、间隙固溶体按溶解度分：无限固溶体、有限固溶体按溶解度分：无限固溶体、有限固溶体按原子在点阵中排列的秩序性分：按原子在点阵中排列的秩序性分： 无序固溶体、有序固溶体无序固溶体、有序固溶体12置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时置换固溶体：

6、溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。如：如：FeFe与与MnMn、Si Si 、Al Al 、Cr Cr 、Ti Ti 、NbNb等形成置换固溶体等形成置换固溶体间隙固溶体：间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。 例如：例如：Fe Fe 与与 C ,N ,O ,H C ,N ,O ,H 形成间隙固溶体形成间隙固溶体 置换固置

7、换固溶体溶体间隙固间隙固溶体溶体溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子AB13 置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。 Hume-RotheryHume-Rothery三大经验规律：三大经验规律：v溶剂、溶质原子半径之差与溶剂原子半径比超过溶剂、溶质原子半径之差与溶剂原子半径比超过14%14%15%15%时，固溶度极为有限。时，固溶度极为有限。v溶剂和溶质的电化学性质相近。溶剂和溶质的电化学性质相近。v固溶度与元素的原子价有关。固溶度与元素的原子价有关。 影响固溶度的因素影响固溶度的因素v原子尺寸因素：原子半径差越

8、小，固溶度越大。原子尺寸因素：原子半径差越小，固溶度越大。v晶体结构因素：晶体结构因素：结构相同，溶解度大；间隙原子在结构相同，溶解度大；间隙原子在FCCFCC中中溶解度大于溶解度大于BCCBCC中溶解度。中溶解度。v负电性因素负电性因素( (化学亲和力化学亲和力) )：负电性差越大，溶解度大。负电性差越大，溶解度大。（负电性差很大时，形成化合物）（负电性差很大时，形成化合物）v电子浓度因素：电子浓度电子浓度因素：电子浓度e/ae/a越大，溶解度越小。越大，溶解度越小。c=e/a=xu +(1-x)vc=e/a=xu +(1-x)v（电子浓度：合金中两个组元的价电子（电子浓度：合金中两个组元的

9、价电子总数和原子总数之比。）总数和原子总数之比。）14当溶剂为一价面心立方金当溶剂为一价面心立方金属时，不同溶质的最大固属时，不同溶质的最大固溶度对应的电子浓度具有溶度对应的电子浓度具有一定的极限值；一定的极限值；溶质元素原子价愈高，固溶质元素原子价愈高，固溶度愈小。溶度愈小。 以 Cu 为 基 以 Ag 为 基 加入元素 化合价 固熔度 Zn Gn Ge As 2 3 4 5 38.4 19.3 11.8 7 Cd In Sn Sb 2 3 4 5 42 20 12 7 Ga15间隙固溶体：原子半径小于间隙固溶体：原子半径小于0.1nm的非金属元素溶的非金属元素溶入到溶剂金属晶体点阵的间隙中

10、形成的固溶体。入到溶剂金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。非金属元素：非金属元素：H, N, C , B, O溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体。溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体。典型间隙固溶体：典型间隙固溶体： 碳溶于碳溶于-Fe-Fe（八面体间隙）、（八面体间隙）、-Fe-Fe形成固溶体形成固溶体16间隙化合物形成的条件： 间隙原子半径：金属原子半径0.59 碳的原子半径；0.077nm，与原子半径大于0.13nm的Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等形成间隙化合物。17第四周期，从左至右碳化物的稳定性依次降低过渡金属原子次外层d亚层的电子越少，空轨道越多，金属与碳的结合力越强

11、182.4.2 硬质合金组成及特点硬质合金组成及特点（1）硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂）硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。经粉末冶金方法制成。（2）硬质合金的性能特点）硬质合金的性能特点硬质合金优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化硬质合金优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好物含量高，热熔性好 ,热硬性好，切削速度高。热硬性好，切削速度高。硬质合金缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性硬质合金缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的不强。抗弯强度只有高速钢的1/31/2，冲击韧性，冲击韧性只有高速钢的只有高速钢的1/41/35。硬质

12、合金力学性能：主要由组成硬质合金碳化物硬质合金力学性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。决定。 192.4.3 硬质合金的种类硬质合金的种类按其化学成分的不同可分为按其化学成分的不同可分为 ：、钨钴类（、钨钴类（WC+Co）（合金代号为）（合金代号为YG，对应于国标，对应于国标K类类 ）合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工。工；钴含量低，适于精加工。 20 钨钛钴类钨钛钴类 钨钛钴类（钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为）（合金代号为YT，对应于国标对

13、应于国标P类类 ） 此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑不易断屑的金属。加工切屑不易断屑的金属。 合金中合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低但强度降低 粗加工一般选择粗加工一般选择TiC含量少的含量少的牌号，精加工选择牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。含量多的牌号。21 钨钛钽（铌）钴类钨钛钽（铌）钴类 钨钛钽（铌）钴类（钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（）（合金代号为合金代号为YW，对应于国标，对应于国标M类）类） 适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金适用于加工冷硬铸铁、有色金

14、属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。工。22 、碳化钛基类（、碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）合金代号合金代号YN，对应于国标，对应于国标P01类。类。 用于精加工和半精加工，对于大长零用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。切削。23（5）超细晶粒硬质合金）超细晶粒硬质合金 超细晶粒硬质合金多用于超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬类合金，它的硬度

15、和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢。韧度也得到提高，已接近高速钢。 适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。高硬度难加工材料。24人造金刚石立方晶体氮化硼碳化硅人造宝石2.4.4 超硬陶瓷美国GE超级磨料公司推出新CBN切削工具材料，Ti基陶瓷基体上制成，整体粘结在碳化钨基体上。 25 金刚石金刚石（1）分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀）分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。具；复合聚晶金刚石刀具。 （2）优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬

16、）优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达度达10000HV，耐磨性是硬质合金的，耐磨性是硬质合金的6080倍；倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。工；很高的导热性。（3）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。很敏感。（4）适用范围：用于高速条件下精细加工有色金）适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。属及其合金和非金属材料。 26 立方氮化硼刀具立方氮化硼刀具（1）概念：立方氮化硼（简称）概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮）是由六方氮化硼为原料在高温

17、高压下合成。化硼为原料在高温高压下合成。（2）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定）优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。（3）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷）缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的刀具的1/51/2。 （4）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬）适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。常采用负前角的高

18、速切削。272.5 超塑性合金超塑性合金 2.5.1 超塑性现象超塑性现象金属在某一小的应力状态下，可以延伸金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出现缩颈，也十倍甚至是上百倍，既不出现缩颈，也不发生断裂，呈现一种异常的延伸现象。不发生断裂，呈现一种异常的延伸现象。282.5.2 超塑性的特点超塑性的概念： 金属和合金具有超常的均匀变形能力，其伸长率可以达到百分之几百、甚至百分之几千。 至今仍无物理本质上的确切定义。超塑性变形的一般特点： 1、大伸长率； 2、无缩颈； 3、低流动应力； 4、易成形。29 超塑性成形实例 Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率现象

19、（1950），左为拉伸前的试样。302.5.3 超塑性现象的种类细晶超塑性相变超塑性 是指在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的细晶超塑性。又称为结构超塑性或恒温超塑性。主要控制因素：晶粒超细化（10um）、等轴化，并在成形期间保持稳定；变形温度：0.50.7 Tm应变速率：10-110-5 s-1 是指在一定外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后获得很大的伸长率。又称为动态超塑性。主要控制因素：温度幅度（t = t上 t下）；温度循环率（即加热-冷却速度）31使原材料产生超细化晶粒、适宜的应变速率和温度。使原材料产生超细化晶粒、适宜的

20、应变速率和温度。2.5.4 产生超塑性的条件产生超塑性的条件 材料本身最好是两相组织的共析或共晶合金，材料本身最好是两相组织的共析或共晶合金，经过一定的处理后其结晶应是等轴、球形、细晶经过一定的处理后其结晶应是等轴、球形、细晶粒组织，晶粒尺寸一般不大于粒组织，晶粒尺寸一般不大于10m，愈细愈好。，愈细愈好。通过合金化，控制凝固过程、通过合金化，控制凝固过程、 热处理、形变热热处理、形变热处理、粉末冶金、处理、粉末冶金、 机械加工等方法来实现。机械加工等方法来实现。 32 2.4.52.4.5超塑性合金超塑性合金 1 1、锌基合金：用于一般不需切削的简单零件。、锌基合金：用于一般不需切削的简单零

21、件。 2 2、铝基合金：含有微量细化晶粒元素（如、铝基合金：含有微量细化晶粒元素（如ZrZr等）的等）的超塑性铝合金具有较好的综合力学性能，可加工成复超塑性铝合金具有较好的综合力学性能，可加工成复杂形状部件。杂形状部件。 3 3、镍合金：利用超塑性进行精密锻造，压力小，节、镍合金：利用超塑性进行精密锻造，压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好。约材料和加工费，制品均匀性好。 4 4、超塑性钢、超塑性钢 ：将超塑性用于钢方面，至今尚未达到：将超塑性用于钢方面，至今尚未达到商品化程度。商品化程度。 5 5、钛基合金：利用超塑性进行等温模锻或挤压，变、钛基合金：利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力

22、大为降低，可制出形状复杂的精密零件。形抗力大为降低，可制出形状复杂的精密零件。 332.5.6 超塑性变形机理 目前仍处于探讨阶段，尚无统一的认识。几种主流的观点： 晶界滑移的观点； 扩散蠕变机理的作用； 动态回复和动态再结晶。 一般地认为，超塑性变形机理比常规塑性变形机理更为复杂，它包括晶界的滑移和晶粒的转动、扩散蠕变、位错的运动、在特殊情况下还有再结晶等，是几个机理的综合作用。34A-V超塑变形机理 由Ashby和Verrall提出的晶界滑动和扩散蠕变联合机理，简称A-V机理。起始状态中间状态终了阶段 该理论认为，在晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的运动，而

23、是原子的扩散迁移。352.5.7 影响细晶超塑性的主要因素 411 1010minm细晶超塑性具有高度的速度敏感性，速度的变化对流动应力和 值的影响很显著，只有控制在 范围内，才能获得超塑性。 mT超塑性变形温度大约在0.5左右，当低于或超过某一温度范围时，就不出现超塑性现象。 金属需要具有超细、等轴、双相及稳定的晶粒。1 应变速率应变速率2变形温度变形温度3 组织的影响组织的影响364.3.2 Application 2.5.8超塑性合金的应用超塑性合金的应用（1）高变形能力的应用）高变形能力的应用（2）固相结合能力的应用）固相结合能力的应用 （3）减振能力的应用）减振能力的应用372.6

24、2.6 非晶态合金非晶态合金 非晶态是指原子呈长程无序排列的状态。具有非非晶态是指原子呈长程无序排列的状态。具有非晶态结构的合金称非晶态合金，非晶态合金又称晶态结构的合金称非晶态合金，非晶态合金又称金属玻璃。金属玻璃。 382.6.12.6.1非晶态合金的制备非晶态合金的制备 1 1、气态急冷法、气态急冷法 气态急冷法即气相沉积法，主要包括溅射法和气态急冷法即气相沉积法，主要包括溅射法和蒸发法。这两种方法制得的非晶材料只是小片的蒸发法。这两种方法制得的非晶材料只是小片的薄膜，不能进行工业生产，但由于其可制成非晶薄膜，不能进行工业生产，但由于其可制成非晶态材料的范围较宽，因而可用于研究。态材料的

25、范围较宽，因而可用于研究。392 2、液态急冷法、液态急冷法 目前最常用的液态急冷法是旋辊急冷法，分为目前最常用的液态急冷法是旋辊急冷法，分为单辊法和双辊法。下图是单辊法示意图。将试块单辊法和双辊法。下图是单辊法示意图。将试块放入石英坩埚中，在氩气保护下用高频感应加热放入石英坩埚中，在氩气保护下用高频感应加热使其熔化，再用气压将熔融金属从管底部的扁平使其熔化，再用气压将熔融金属从管底部的扁平口喷出，落在高速旋转的铜辊轮上，经过急冷立口喷出，落在高速旋转的铜辊轮上，经过急冷立即形成很薄的非晶带。即形成很薄的非晶带。 单辊法制备非晶带示意图单辊法制备非晶带示意图402.6.2 非晶态金属材料的基本

26、特征非晶态金属材料的基本特征 （3）热力学的亚稳性）热力学的亚稳性（2）结构的长程无序和短程有序性）结构的长程无序和短程有序性（1）非晶态形成能力对合金组分的依赖性）非晶态形成能力对合金组分的依赖性（4）优异的性能）优异的性能412.6.22.6.2非晶态合金的性能非晶态合金的性能1 1、力学性能：具有高的强度和硬度、力学性能：具有高的强度和硬度 2 2、耐蚀性：非晶态合金具有很强的耐腐蚀能力。、耐蚀性：非晶态合金具有很强的耐腐蚀能力。 3 3、电性能：与晶态合金相比，非晶态合金的电阻率、电性能：与晶态合金相比，非晶态合金的电阻率显著增高（显著增高（2-32-3倍）。多数非晶态合金具有负的电倍

27、）。多数非晶态合金具有负的电阻温度系数，即随温度升高电阻率连续下降。阻温度系数，即随温度升高电阻率连续下降。 4 4、软磁性：、软磁性： 非晶态合金磁性材料具有高导磁率、非晶态合金磁性材料具有高导磁率、高磁感、低铁损和低矫顽力等特性，而且无磁各高磁感、低铁损和低矫顽力等特性，而且无磁各向异性。向异性。 5 5、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，高、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，高的吸氢能力，超导电性，低居里温度等特性。的吸氢能力，超导电性，低居里温度等特性。 42表表2.6.1 非晶态合金的力学性能非晶态合金的力学性能43表表2.6.2 非晶态合金和晶态不锈钢非晶态合金和晶态不

28、锈钢 在在10FeCl310H2O溶液中的腐蚀速率溶液中的腐蚀速率442.6.32.6.3非晶态合金的应用非晶态合金的应用 利用非晶态合金的高强度、高韧性、以及工艺上利用非晶态合金的高强度、高韧性、以及工艺上可以制成条带或薄片，目前已用它来制作轮胎、可以制成条带或薄片，目前已用它来制作轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。还可传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。还可用来制作各种切削刀具和保安刀片。用来制作各种切削刀具和保安刀片。 非晶态的铁合金是极好的软磁材料，它容易磁化非晶态的铁合金是极好的软磁材料，它容易磁化和退磁，比普通的晶体磁性材料导磁率高、损耗和退磁，比普通的晶体磁性材料导磁

29、率高、损耗小，电阻率大。小，电阻率大。 非晶态合金耐腐蚀，特别是在氯化物和硫酸盐中非晶态合金耐腐蚀，特别是在氯化物和硫酸盐中的抗腐蚀性大大超过不锈钢，获得了的抗腐蚀性大大超过不锈钢，获得了“超不锈钢超不锈钢”的名称，可以用于海洋和医学方面。的名称，可以用于海洋和医学方面。 45表表2.6.3 非晶态合金的主要特性和应用非晶态合金的主要特性和应用462.7 复合材料复合材料 2.7.1 概述概述 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的多相固体的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的多相固体材料。材料。 其既

30、保留原组分材料的特性，又具有原单一组分其既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。材料所无法获得的或更优异的特性。47复合材料中复合材料中 一相为连续相，称为基体一相为连续相，称为基体matrix，占主，占主要组分；另一相为要组分；另一相为分散相，称为增强材料分散相，称为增强材料Reinforcement。 分散相是以独立的形态分布在整个连续相中分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面；的，两相之间存在着相界面； 分散相可以分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。48各种类型的复合材料中相的排

31、列各种类型的复合材料中相的排列49Classification2.7.2 复合材料的分类复合材料的分类 50越王剑（下）与吴王矛（上）越王剑（下）与吴王矛（上）51金属基复合材料在直升飞机中的应用金属基复合材料在直升飞机中的应用 52玻璃钢建筑材料用于玻璃钢建筑材料用于 上海东方明珠电视塔大堂装潢上海东方明珠电视塔大堂装潢复合材料复合材料(玻璃钢玻璃钢) 制作的渔船制作的渔船53与基体材料相比，复合材料的优异性能：与基体材料相比，复合材料的优异性能：比强度和比模量高；比强度和比模量高； 抗疲劳性能好；抗疲劳性能好； 高韧性和抗热冲击性；高韧性和抗热冲击性； 耐热性高；耐热性高； 减振性能好；减

32、振性能好； 耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热；耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热； 特殊的光、电、磁性能等；特殊的光、电、磁性能等；可设计性，根据对材料的性能要求，在基体、可设计性，根据对材料的性能要求，在基体、 增强材料的类型和含量进行选择，并进行适当增强材料的类型和含量进行选择，并进行适当 的制备与加工。的制备与加工。54Classification2.7.3 增强材料的分类增强材料的分类 55增强材料的强度、模量和密度增强材料的强度、模量和密度 增强材料与基体材料的物理相容性增强材料与基体材料的物理相容性 化学相容性化学相容性 性能性能/价格比价格比在复合材料设计中，选择增强材料的原则在复合材料设

33、计中，选择增强材料的原则对结构复合材料而言，第一考虑的是增强材料的强度对结构复合材料而言，第一考虑的是增强材料的强度、模量和密度，其与基体物理及化学相容性主要反映、模量和密度，其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。界面作用和影响。562.7.4 典型的复合材料及其应用典型的复合材料及其应用 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 Polymer Matrix Composites，PMC 表表6 各种单向连续纤维增强聚合物基复合材料性能各种单向连续纤维增强聚合物基复合材料性能 57玻璃钢应用于体育用品玻璃钢应用于体育用品58CFRP在民用在民用飞机中的应用飞机中的应用CFRP在空间站大型结

34、构在空间站大型结构 以及太阳能电池支架中的应用以及太阳能电池支架中的应用 59金属基复合材料金属基复合材料 Metal Matrix Composites表表7 几种典型的铝基几种典型的铝基MMC的性能的性能 60硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱6162 陶瓷基复合材料（陶瓷基复合材料（CMC） 63 碳碳/碳复合材料（碳复合材料（C/C） C/C在航天领域中在航天领域中的应用的应用C/C作为刹车盘作为刹车盘642.7.5 杂化纳米复合材料杂化纳米复合材料两相结构已分子级分散在基体中的复合材料。溶胶-凝胶技术是指有机或无机化合物经过溶液、

35、溶胶、凝胶固化，再经热处理而得到氧化物或其它化合物的方法。 65第一代聚合物纳米复合材料 溶胶溶胶凝胶法是凝胶法是6060年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺，近年来，许多人用此法来制备聚合物纳米无机材料的新工艺，近年来，许多人用此法来制备聚合物纳米复合材料。通常的方法是在有机金属化合物或含复合材料。通常的方法是在有机金属化合物或含SiSi的有机物前的有机物前驱体溶液中引入有机相聚合物，在适当的条件下驱体溶液中引入有机相聚合物，在适当的条件下( (如水解如水解) )形成形成稳定的溶胶，然后经过蒸发干燥转变成凝胶稳定的溶胶，然后经过蒸发干燥转变成凝

36、胶, ,或在无机物溶胶或在无机物溶胶中加入单体，然后进行聚合形成聚合物中加入单体，然后进行聚合形成聚合物 无机纳米复合材料。无机纳米复合材料。 目前已经采用溶胶目前已经采用溶胶凝胶法制备了聚酰亚胺凝胶法制备了聚酰亚胺( (PI) /SiO2PI) /SiO2纳纳米复合材料、聚苯胺米复合材料、聚苯胺/ / SiO2SiO2、聚吡咯聚吡咯/ / SiO2SiO2纳米复合材料等。纳米复合材料等。66杂化复合材料的基本概念杂化复合材料的基本概念19世纪中叶，正硅酸乙酯水解形成的SiO2呈玻璃态。20世纪3070年代，化学家、矿物学家、陶瓷学家、玻璃学家等分别通过溶胶-凝胶技术制备出了各自的研究对象，核化学家利用溶胶-凝胶技术制备了核燃料，避免了危险粉尘的产生。 67第二代聚合物纳米复合材料第二代聚合物纳米复合材料 第二代聚合物纳米复合材料是指从上个世纪八十年代起第二代聚合物纳米复合材料是指从上个世纪八十年代起开始研究的以粘土、云母、开始研究的以粘土、云母、 V V2 2O O5 5、MnMn2 2O O3 3等为纳米分散