材料科学概论(6)市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

材料科学概论第1页概述复合材料复合理论

复合材料界面树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料第六章复合材料第2页

一、复合材料涵义当代科学技术发展，对工程材料提出了越来越高要求，而且有要求之间甚至是相互矛盾。在这种情况下，单一材料已不能满足需要，于是高性能复合材料应运而生。复合材料就是由两种或更各种物理性能、化学性能、力学性能和加工性能不一样物质，经人工组合而成多相固体材料。复合材料基本组成可分为基体相和增强相两种。第一节概述第3页（1）按基体材料分类：分为树脂基、金属基、陶瓷基等复合材料，使用最多是树脂基复合材料。（2）按增强材料种类和形态分类：可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层叠增强复合材料等，其中纤维增强复合材料应用最为广泛。

（3）按复合材料使用性能分类：可分为结构复合材料和功效复合材料。前者主要用于工程结构和机械结构，主要利用材料力学性能；后者含有某种特殊物理性能或化学性能等，作为功效材料使用。当前应用最广是结构复合材料。二、复合材料分类第4页1.比强度和比模量高

比强度是材料抗拉强度与密度之比，比模量是材料弹性模量与密度之比。从教材129页表6-1中可知，复合材料比强度和比模量普遍高于惯用金属材料。这一点在航天、航空领域含有主要意义。如美国波音飞机上，大量采取石墨纤维增强复合材料构件，比采取金属材料质量减轻达20～38％。三、复合材料性能特点第5页2.抗疲劳与断裂安全性能好

复合材料对缺口、应力集中敏感性小，尤其是纤维增强树脂基复合材料，基体良好强韧性降低了裂纹扩展速度，大量纤维对裂纹又有阻隔作用，含有较高疲劳强度。纤维增强复合材料中存在大量相对独立纤维，借助塑韧性基体结合成一个整体，当复合材料构件因为过载或其它原因而使部分纤维断裂时，载荷会重新分配到未断裂增强纤维上，故含有良好断裂安全性。第6页3.良好减振性能

纤维增强复合材料含有良好减振性能，主要有两方面原因：纤维增强复合材料自振频率高，普通工作条件下极难到达这么高频率，所以这种材料制成构件在工作状态下不易发生共振现象；大量纤维与基体界面有吸收振动能量作用，阻尼特征好，振动很很快衰减。复合材料良好减振性能，使其在精密控制和精密检测仪器、仪表方面得到广泛应用。

第7页4.良好高温性能复合材料中增强材料熔点都较高，而且在高温下依然保持较高高温强度和弹性模量。如今高性能树脂基复合材料使用温度已达200～300℃，金属基复合材料耐热温度为300～500℃，而陶瓷基复合材料有效承载温度可达1000℃以上。树脂基复合材料和金属基复合材料使用温度远远高于单一基体材料，比如，铝合金在400℃时，其强度大幅下降，而用碳纤维或硼纤维增强铝，400℃强度和弹性模量几乎与室温下相同。第8页四、复合材料现实状况与未来复合材料研究开始于1940年，研究材料是玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂。在1960-1970年间研制了许多新型纤维与晶须。用这些纤维（晶须）增强树脂基复合材料，以其密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小、耐各种介质腐蚀特点被广泛应用于航天、航空、汽车制造和建筑领域。未来复合材料发展趋势有以下几个特点。第9页1.由宏观复合向微观复合发展当前使用复合材料是以尺寸较大增强体与基体复合而成宏观复合材料，近期已研究出尺寸较小增强体与新型微观复合材料。微观复合材料包含：微纤增强复合材料、纳米复合材料和分子复合材料。微纤增强复合材料是指复合材料在加工过程中内部析出细微增强相与基体相组成原位复合材料，也称自增强复合材料。纳米复合材料是极具潜力新型复合材料，因为其中增强材料尺寸小到纳米数量级，必定含有巨大界面能，其内部微结构也会因尺寸小而发生改变，这些原因将会造成复合材料性能改进。分子复合材料已在树脂基复合材料上实现，即用刚性棒状高分子水平上与柔性树脂复合。第10页2.向多元混杂复合和超混杂复合方向发展多元混杂复合是复合材料发展一个主要方向，混杂复合是取得高性能复合材料有效而经济方法，有两方面原因：因为混杂复合兼有两种或各种材料特征，在性能方面可起到相互填补作用，由此扩大了材料设计自由度。另外，采取价格昂贵高性能增强纤维与普通性能廉价纤维混杂使用，可望受到很好经济效果。当前，混杂复合已趋于多样化，对增强体，在混杂纤维增强体中又加入颗粒增强体；基体也混杂了属性不一样材料，成为混杂体。今年出现以铝板和纤维增塑材料交替层叠材料，成为超混杂材料。这类材料特点是耐疲劳性能很好。第11页3.由结构复合材料为主，向结构材料与功效复合材料并重方向发展

在材料科学工作者努力下，含有优良物理性能、化学特征功效复合材料不停被研制开发出来。功效复合材料正在向多功效方向发展，使材料不但是结构材料，承受一定载荷，而且还含有某种或各种综合功效。比如先进军用飞机隐身蒙皮就是一个多功效复合材料，它既是轻质高强度结构，又含有吸收雷达波和红外线功效。

第12页4.由被动复合材料向主动复合材料发展当前使用人工材料基本上属于被动材料，即在外界作用下只能被动承受这种作用或被动做出对应反应。正在致力于研究是含有主动性材料，它初级形式为机敏材料，含有感觉、处理和执行功效，以及自诊疗、自适应和自修补作用。其高级形式为智能材料，它能够依据作用力大小和环境作出优化反应，起到自决议作用。这类材料基本上把起传感器作用敏感材料、起执行支持作用材料和起驱动作用材料复合材料一起成为机敏复合材料，然后与外接电路装置组成机敏（智能）系统。

第13页5.由常规设计向仿生设计方向发展生物材料大多是复合材料，在复合材料设计时，生物材料可为我们提供良好设计思绪。如当代直升飞机旋翼结构为：内层是硬泡沫塑料，中层是玻璃纤维增强复合材料，外层是刚度、强度高碳纤维复合材料。这就是仿照骨骼结构设计。仿生不但能够丰富我们设计思绪，还可参考生物体功效机制设计出新功效复合材料。

第14页一、复合原理

1、纤维增强复合材料复合原理

第二节复合材料复合理论

第15页二、增强机理1、纤维增强1）定义：由高强度、高弹性模量脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成多相材料。其目标是提升材料在室温和高温下强度和弹性模量。2）机理：将脆性材料制成细纤维，因直径细小，而使产生裂纹几率降低，有利于纤维脆性改进和强度提升。纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体保护作用，不易遭受损伤，不易在承载过程中产生裂纹，使承载能力增强。复合材料受到较大应力时，一些有裂纹纤维可能断裂，但塑性很和韧性好基体能组织裂纹扩展。纤维受载断裂时，断口不可能都在一个平面上，从而使材料抗拉强度大大提升，同时断裂韧度也增加。

第16页3）增强纤维与基体复合时应注意问题：增强纤维强度和弹性模量应比基体材料高。基体和纤维之间要有一定黏结作用，而且应含有一定结合强度。纤维应有合理含量、尺寸和分布。纤维应与基体线膨胀系数相匹配。纤维与基体之间要有良好相容性。

第17页2、颗粒增强1）分类：依据增强颗粒尺寸大小，分为弥散增强复合材料和真正颗粒增强复合材料（微米量级）。弥散增强复合材料指尺寸为100～2500Å微细颗粒弥散分布在金属和合金中形成复合材料。真正颗粒增强复合材料指以微米量级颗粒增强金属基、树脂基或陶瓷基复合材料。2）机理：弥散强化复合材料增强体主要是金属氧化物、碳化物和硼化物，这些弥散分布于金属或合金基体中硬颗粒能够有效地妨碍位错运动，产生显著强化作用。其复合强化机理与合金中析出强化机理相同，基体仍是承受载荷主体。纯颗粒增强复合材料性能受颗粒大小影响，通常选择尺寸较小颗粒，而且尽可能使之均匀分布在基体之中。颗粒不是经过妨碍位错运动而使材料强化，而是借助于限制颗粒临近基体运动，约束基体变形来到达强化基体目标。所以，普通认为增强颗粒承受部分载荷颗粒与基体间结协力越大，增强效果越显著。第18页三、增韧机理1、纤维增韧1）定义：为了克服陶瓷脆性大弱点，能够在陶瓷基体中加入纤维制成陶瓷基复合材料，因为定向、取向或无序排布纤维加入，陶瓷基复合材料韧度显著提升，这就是纤维增韧。2）机理：单向排布长纤维增韧单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料含有各向异性，沿纤维长度方向上纵向性能大大高于横向性能。实际上，在断裂过程中纤维断裂并非发生在同一裂纹平面，在裂纹发展过程中会出现裂纹转向。裂纹转向结果，使韧度深入提升。总而言之，在单向排布长纤维陶瓷基复合材料中韧度提升来自３个方面，即纤维拔出、纤维断裂和裂纹转向。

第19页多维多向排布长纤维增韧单向排列纤维增韧陶瓷只是纵向性能优越，横向显著低于纵向，然而在许多陶瓷构件中要求在二维甚至三维都要求有高性能，于是便产生了多向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料。纤维排布有两种方式：一个是将纤维编制成纤维布，这种材料在二维方向上性能优越；另一个是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。前一个材料用于平板构件或曲率半径较大壳体构件，后一个材料能够依据构件形状用纤维缠绕方法制成所需形状壳层状构件。二维多向纤维增韧陶瓷基复合材料韧化机理与单向排布复合材料一样，也主要是靠纤维断裂、纤维拔出与裂纹转向使其韧度及强度比基体材料大幅度提升。第20页短纤维、晶须增韧长纤维增韧当然有其优越性，但制备工艺复杂，工艺技术难度大，尤其是纤维极难在基体中均匀分布。所以，才发展了短纤维、晶须及颗粒增韧陶瓷基复合材料。将长纤维剪短，然后分散并与基体粉料混匀，热压烧结后制得。这种方法制得复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能上各向异性。晶须增韧陶瓷基复合材料增韧机理大致与纤维增韧陶瓷基复合材料相同，即主要靠晶须拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提升产生突出贡献。

第21页2、颗粒增韧颗粒增韧陶瓷基复合材料韧化机理主要有相变韧性、裂纹转向与分叉增韧等。1）相变增韧以ZrO2马氏体相变来说明增韧机理。ZrO2在一定温度和应力场作用下，亚稳定四方t－ZrO2颗粒转变为单斜相m－ZrO2。伴伴随这种相变有体积膨胀，因而产生了压缩应力，从而抵消外加应力，组织裂纹扩展，到达增韧目标。2）裂纹转向与分叉增韧

裂纹在陶瓷材料中不停扩展，裂纹前沿碰到高强度颗粒妨碍，使扩展方向发生偏转和分叉，从而减小了裂纹前端应力强度因子，增加了材料断裂韧度，到达了增韧目标。

第22页一、树脂基复合材料界面

1.界面形成界面形成可分为两个阶段：一是基体与增强纤维接触与浸润过程，二是树脂固化过程，在此过程中树脂经过物理或化学改变而固化，形成固体界面层。界面层使纤维与基体形成一个整体，并经过它传递应力。2.界面作用机理（1）界面浸润理论1963年Zisman首先提出了这个理论，主要论点是增强纤维被液体树脂良好浸润是极其主要，浸润不良会在界面上产生间隙，易产生应力集中而使复合材料发生开裂，完全浸润可使基体与增强纤维结合强度大于基体强度，复合材料才能显示其优越性能。第三节复合材料界面第23页（2）化学键理论主要论点是处理增强纤维表面偶连剂既含有能与增强纤维起化学作用官能团，又含有能与树脂基体起化学作用官能团，由此在界面上形成共价键结合，如能满足这一要求则在理论上可取得最大界面结合能。这种理论实质即强调增加界面化学作用是改进复合材料性能关键。

（3）变形层理论假如纤维与基体线膨胀系数相差较大，复合材料固化后在界面上会产生残余应力，这将损伤界面和影响复合材料性能。另外，在载荷作用下，界面上会出现应力集中，若界面化学键破坏，产生微裂纹，将造成复合材料性能变差。将增强纤维表面进行处理，在界面上形成一层塑性层，就能够起到松弛和减小界面应力作用，这种理论称为变形层理论。

第24页（4）物理吸附理论

可作为化学键理论补充。这种理论认为，增强纤维与基体之间结合属于机械铰合和基于次键作用物理吸附。

（5）减弱界面局部应力作用理论该理论认为，基体和增强纤维之间处理剂提供了一个含有“自愈能力”化学键。在载荷作用下，它处于不停形成与断裂动态平衡状态。低分子物质应力浸蚀会使界面化学键断裂，而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移，使已断裂化学键重新结合，与此同时，应力得到松弛，减缓了界面应力集中。除上述理论之外，还有尚需试验验证拘束层理论和扩散层理论。

第25页二、金属基复合材料界面1.界面类型纤维与基体不反应亦不溶解，如SiC纤维（CVD）/铝纤维与基体不反应但相互溶解，如碳纤维/铜

纤维与基体反应形成界面反应层，如Al2O3纤维/钛

2.界面结合（1）机械结合

是指借助增强纤维表面凹凸不平形态而产生机械铰合，以及借助基体收缩应力裹紧纤维产生摩擦力组合。这种结合作用与扩散和化学作用无关，纯属机械作用。比如经过表面刻蚀处理纤维制成金属基复合材料，其结合强度比用表面光滑纤维制成复合材料结合强度高约2～3倍。

第26页（2）溶解和浸润结合纤维与基体不反应但相互溶解，相互作用力是短程，作用范围只有若干原子间距大小。

（3）反应结合纤维与基体相互反应形成界面反应层，其特征是纤维和基体之间形成新化合物层，即界面反应层。普通情况下，随反应程度增加，界面结合强度亦增加，但因为界面反应产物多为脆性物质，所以当界面层到达一定厚度时，界面上残余应力可使界面破坏，反而降低界面结合强度。（4）混合结合是最主要最普遍结合形式，因为在实际复合材料中经常同时存在几个结合形式。比如硼纤维增强铝材时，假如制造温度低，硼纤维表面氧化膜不被破坏，则形成机械结合，材料若在500℃进行热处理，能够发觉在机械结合界面上出现了AlB2，表面热处理过程中界面上发生化学反应形成了反应结合。

第27页三、陶瓷基复合材料界面在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间结合也是采取机械结合、溶解和浸润结合、反应结合和混合结合方式。陶瓷基复合材料中界面特征一样对材料性能起着举足轻重作用。

1、改变增强材料表面性质改变增强材料表面性质是用化学伎俩控制界面方法。比如，在SiC晶须表面形成富碳结构方法，在纤维表面以CVD方法或PVD方法施以BN或碳涂层等。采取这种方法目标是预防强化材料与基体间反应，从而取得最正确界面力学特征。改变增强材料表面性质另一个目标是改变纤维与基体间结协力。第28页2、向基体内添加特定元素

在用烧结法制造陶瓷基复合材料过程中，为了有利于烧结，往往在基体中添加一些特定元素。为了使纤维与基体之间发生适度反应以控制界面，也可添加一些元素。在SiC纤维强化玻璃陶瓷（lAS）中，假如采取通常PAS成份基体，晶化处理时会在界面上产生裂纹，而添加极少许Nb时，热处理过程中会发生反应，在界面形成数微米NbC相，取得最正确界面，提升了韧度，改变了脆裂性能。

3、在增强材料表面施以涂层

涂层技术是实施界面控制有效方法之一，可分为CVD法、PVD法、喷镀和喷射等。第29页一、概述树脂基复合材料又称聚合物基复合材料，是当前应用最广、消耗量最大一类复合材料。依据增强体类型，可分为玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅纤维增强树脂基复合材料、芳纶纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料和颗粒增强树脂基复合材料等类型；依据树脂性质，可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。惯用热固性树脂有；环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂和有机硅树脂；惯用热塑性树脂有：尼龙类树脂、聚烯烃类树脂、苯乙烯类树脂、聚醚酮类树脂和热塑性聚酯类树脂。第四节树脂基复合材料第30页二、纤维增强树脂基复合材料1.玻璃纤维及其增强树脂基复合材料（1）玻璃纤维玻璃脆性很大，不过将熔融态玻璃以极快速度拉制成纤维，就含有一定柔韧性，可纺织成纱或各种形式玻璃布。玻璃纤维性能特点有：抗拉强度很高。纤维越细，强度越高。耐热性低。化学稳定性高。脆性较大。第31页（2）玻璃纤维增强树脂基复合材料玻璃纤维增强树脂基复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢两类。热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热固性树脂为基体复合材料。热固性玻璃钢应用极广，从各种机器护罩到形状复杂构件，从各种车辆车身到不一样用途配件，以及石油化工中耐蚀、耐压容器及管道等。热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热塑性树脂为基体复合材料。玻璃纤维增强尼龙可替换非铁金属制造轴承、轴承架和齿轮等精密零件，还可制造电工部件和汽车上仪表盘、前后车灯。第32页2.碳纤维及其增强树脂基复合材料（1）碳纤维碳纤维由有机纤维经高温碳化而成，工业广泛应用聚烯腈纤维、黏胶纤维和沥青纤维制造碳纤维。碳纤维特点：密度低，弹性模量高和强度高。高温、低温力学性能好。含有高耐蚀性、导电性以及低摩擦系数。它主要缺点是脆性大，表面光滑，与树脂结协力比玻璃纤维还差，常需要表面处理来改进与基体结协力。

第33页（2）碳纤维增强树脂基复合材料基体：这类材料基体树脂用最多是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。特征：这类材料密度低，强度高，弹性模量大，疲劳强度高，冲击韧度高，化学稳定性高。摩擦系数小，导热性好，总之比玻璃钢性能优越，是一个新型结构材料。应用：能够用作宇宙飞行器和外层材料，人造卫星和火箭机架、壳体和天线构架。还能够用作机器齿轮、轴承等受载、磨损件。第34页3.硼纤维及其增强树脂基复合材料（1）硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上制取，纤维外表面为硼，心部为硼化钨。硼纤维密度为2.6g·cm-3，抗拉强度高达3.45×103MPa，弹性模量为4.14×105MPa。比强度与玻璃纤维靠近，但比模量较玻璃纤维高5倍，而且耐热性高。硼纤维缺点是密度高，纤维直径大。第35页（2）硼纤维增强树脂基复合材料基体：这类材料主要用基体树脂是环氧树脂、聚羡压胺树脂和聚苯并咪唑。特征：硼纤维增强树脂基复合材料抗压强度和抗剪切强度很高，抗蠕变能力强，硬度和弹性模量高，而且含有很高疲劳强度和耐辐射性能。对水、有机溶剂、润滑剂等很稳定。因为硼纤维是半导体，所以其复合材料导热性和导电性都很好。应用：硼纤维增强树脂基复合材料主要用于航空和宇航工业，制造翼面、仪表盘、转子、压气机片叶片、直升机螺旋浆叶传动轴等。第36页4.聚芳酰胺纤维及其增强树脂基复合材料（1）聚芳酰胺纤维在商业上称为芳纶。据称是由苯二酰氯和对苯二胺缩聚而成。聚芳酰胺纤维抗拉强度不及碳纤维抗拉强度，密度低，比密度超高了玻璃纤维、碳纤维和硼纤维比密度，韧性好；抗蠕变性能突出，还含有耐疲劳性能好、易加工、耐腐蚀和电绝缘性能好等特点。第37页（2）聚芳酰胺纤维增强树脂基复合材料特征：聚芳酰胺纤维本身是聚合物，所以与树脂基体相容性好，能形成结协力强理想界面。这种纤维增强环氧树脂，抗拉强度大于玻璃纤维增强环氧树脂，类似碳纤维增强环氧树脂。聚芳酰胺纤维增强树脂基复合材料塑性与金属相同，耐冲击性超出碳纤维树脂耐冲击性，减振性好，耐疲劳性也比玻璃钢好，但抗压强度较低。

应用：当前这种复合材料主要用于航天、航空、造船和汽车工业。

第38页5.高性能天然纤维及其增强树脂基复合材料（1）高性能天然纤维麻和竹类天然纤维因其抗拉强度比其它天然纤维高，可称其为高性能天然纤维。即使麻和竹类抗拉强度比玻璃纤维低，不过麻尤其是苎麻纤维比强度与玻璃纤维靠近，竹性能可与单向玻璃纤维聚酯板和中碳钢性能媲美。（2）高性能天然纤维增强树脂基复合材料这些复合材料中基体主要是环氧树脂、脲醛树脂。其产品已用于轿车内饰品、吸噪声板和轮廓等。国内也开展了一些工作，但处于研究阶段，没有很多工程应用，主要用于建筑装饰、家俱面板、游艇和器皿等。第39页6.晶须及其增强树脂基复合材料（1）晶须晶须是直径小于30μm、长度只有只有几毫米针状单晶体，其晶体内部几乎不存在位错，所以强度高，靠近于理论强度值。晶须有金属晶须、陶瓷晶须和高分子晶须。铁晶须已投入生产；陶瓷晶须强度极高，另外还有密度低、弹性模量高、耐热性能好等特点，是极有发展前途增强晶须。高分子晶须与环氧树脂复合工艺还在研究中。

（2）晶须增强树脂基复合材料晶须价格昂贵，主要用于金属基复合材料，在树脂基复合材料中应用不多。第40页三、颗粒增强树脂基复合材料树脂中加入非纤维状增强颗粒复合材料，强度、弹性模量等力学性能比用纤维增强稍差，但依然可使增强树脂含有各种独特征能，这些颗粒还含有改性作用。按用途可将这类增强颗粒分为合成木材、耐磨材料和功效材料。

1.合成木材（1）钙塑材料定义：它是以热塑性树脂为基体，由无机颗粒增强（改性），加入碳酸钙等分散介质制得复合材料。特征：不但能代替木材，钙塑材料吸水率比木材低5％～15％，耐腐蚀，还含有保温、吸音、抗震等性能，成本较低。种类：主要有３种，即聚乙烯钙塑材料、聚丙烯钙塑材料、聚氯乙烯钙塑材料，另外还有用ABS树脂、低压聚乙烯作为基体钙塑材料。应用：用于制作地板、墙板、家俱，以及车辆、船舶、房屋等内装饰材料，另外还可制成保温板、隔音板等。

第41页（2）新型合成木材定义：以热固性或热塑性树脂为基体，以有机填料木粉、木屑、稻壳粉、稻草屑为分散介质颗粒增强塑料应运而生。特征：这类材料特点是填料量大，树脂量少，密度低，价格廉价，保温性能好，同时含有防火、防蛀、防腐蚀等性能。应用：当前广泛应用于制作门芯板、天花板、家俱和车、船隔板。第42页2.耐磨材料定义：以热固性酚醛树脂与合成橡胶为基体，以石棉、铁粉、石墨、硫酸钡、氧化铝非分散介质复合材料。特征：它摩擦系数高，耐磨性好，使用寿命长。应用：可用于飞机、汽车、地铁车辆刹车片、摩擦垫板和离合器等耐磨件。

第43页四、树脂基功效复合材料

1.含有电波透过功效复合材料定义：以玻璃纤维或玻璃布作为增强材料，以环氧树脂或不饱和聚脂作为基体而制成。特征：该材料电波透过性好，而且含有一定强度，良好耐天候性。种类：主要有３种，即聚乙烯钙塑材料、聚丙烯钙塑材料、聚氯乙烯钙塑材料，另外还有用ABS树脂、低压聚乙烯作为基体钙塑材料。应用：惯用于制造雷达天线罩，广泛用于飞机雷达、船舶雷达、地面固定雷达，以及抛物面天线保护罩。

第44页2.含有隐身功效复合材料

利用热塑性树脂介电性能，用碳纤维增强热塑性树脂基复合材料含有吸收电磁波隐身功效，可避开雷达跟踪，是高性能结构材料，是制造先进电动机、侦查机理想隐身材料。3.含有导电功效复合材料以环氧树脂作为基体，与碳纤维或碳粉并加入一点量石棉纤维制成复合材料，含有优异耐蚀性、良好导热性、良好集尘效果，惯用于使用温度较高电集尘器电极板。第45页4.含有形状记忆功效复合材料

形状记忆功效是指含有一定形状制品变形后，经过加热等伎俩处理后又恢复到初始形状功效。这种材料特点是成本低，化学稳定性高，可无限期地存放，损伤容限大，自适应能力强。已用于医疗、建筑、玩具、传感器件和汽车缓冲器。5.含有磁性功效复合材料

以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、聚酰胺（尼龙）等热塑性树脂和环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺等热固性树脂为基体，添加铁氧体磁粉或稀土类磁粉制成。广泛用于录音带、录像带、家用电器、电子仪器仪表、磁疗设备、精密电机、微型电机、通讯设备传感器。第46页6.含有压电功效复合材料

这类复合材料是将含有高极化强度压电陶瓷(BaTiO3)混入树脂基体中，极化后得到压电性较强可挠树脂基压电材料，该材料已用于制造柔性机电换能器。7.含有自控发烧功效复合材料将一个导电粉末分散在高分子树脂中，并使导电粉组成导电通道，用这种复合材料制成扁形电缆可缠在管道外面通电加热。它特点是通电后材料发烧使高分子膨胀，拉断一些导电粉末通道从而使材料电阻值增大而降低发烧量，温度降低后高分子收缩又使通道复原，从而产生恒温控制效果，已广泛用于石油、化工工业。第47页8.含有电绝缘功效复合材料

以酚醛树脂为基体，以各种颗粒状填料为分散质改性塑料，为克服基体弱点，分别加入不一样填料。为克服酚醛树脂脆性，加入一定量木粉；为提升电绝缘性和耐热性，再加入一定量云母、石棉粉和石英粉；另外还需加入其它助剂。可制成各种电工绝缘零件，广泛用于低压电器、电讯工业以及蓄电池绝缘结构构件。

第48页一、概述近十年来，航天、航空、电子以及先进武器系统快速发展对材料耐热性及其它性能都提出了更高要求，使得金属基复合材料取得了长足发展。这是因为金属基复合材料除含有与树脂基复合材料相同高强度、高弹性模量和线膨胀系数小等特点外，还含有工作温度高，不易燃烧，导热、导电、热稳定性高以及抗电磁干扰、抗辐射性能好特点，这类材料还可进行机械加工和采取常规方法连接，而且适合用于高温状态。不过它也有一些缺点：如密度高、成本高、制备工艺复杂等。不过这些不完善方面正在加以改进。金属基复合材料分为长纤维增强型、短纤维或晶须增强、颗粒增强型以及原位复合材料。第五节金属基复合材料第49页二、纤维增强金属基复合材料1.长纤维增强树脂基复合材料是由高性能长纤维和金属或其它合金组成先进复合材料。增强纤维起承载作用，金属基体则起固结纤维和传递载荷作用。长纤维增强金属基复合材料惯用增强纤维有硼纤维、碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等。基体主要有铝及其合金、镁及其合金、钛及其合金、铜合金、铅合金、高温合金以及新近发展金属间化合物。

第50页（1）硼/铝复合材料是长纤维增强复合材料中最早研究成功金属基复合材料。硼/铝复合材料即使造价较高，但因为质量轻，比强度、比模量高，优异耐疲劳性能以及良好耐腐蚀性能等特点。广泛应用于航天飞机桁架结构、飞机结构支柱、导弹支架、载人飞船加压舵和太阳能电池支撑板等。（2）石墨/铝复合材料含有导电性高、摩擦系数低和耐腐蚀等优点。200～500℃时，轴向抗拉强度达690MPa，而在500℃时，轴向比强度为钛合金1.5倍。主要用于航天结构件、飞机蒙皮、直升机旋翼叶片和涡轮发动机压气机叶片等。第51页（3）石墨/镁复合材料该材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸稳定性极好，在金属基复合材料中含有最高比强度和比模量。因为材料价格昂贵，主要用于航天和航空领域，如人造卫星抛物面天线及其支架、航天飞机大面积蜂窝结构蒙皮、飞机天线支架等。（4）碳化硅/钛复合材料此复合材料性能尤其是高温强度显著高于基体合金性能。已用于制造飞机发动机部件和涡轮叶片及火箭发动机箱。不过当前这一复合材料挖掘及性能全方面掌握和认识还是有待研究。第52页（5）氧化铝/铝复合材料此材料含有高强度和高刚度，因为氧化铝纤维在氧化性气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高、耐磨性好，所以用它作增强材料金属基复合材料抗蠕变、抗疲劳及耐磨性都很好。已用于制作汽车发动机活塞和其它发动机零件。（6）其它长纤维增强金属基复合材料除了上述之外，还有钨丝增强镍基，钨丝增强铜基，碳化硅纤维增强Ti3Al等金属间化合物，这些材料含有强度高、抗蠕变、抗冲击、耐热疲劳等优点。燃气轮机、火箭发动机对高温金属基复合材料要求。长纤维增强铜基、铅基复合材料作为特殊导体和电极材料，在电子行业和能源工业中有广泛应用前景。第53页2.短纤维及晶须增强金属基复合材料短纤维主要有氧化铝纤维、氧化铝－氧化硅纤维、氮化硅纤维，增强晶须主要有碳化硅晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等。这类复合材料除含有比强度、比模量高，耐高温，耐磨，线膨胀系数小等优点外，最显著特点是可采取常规设备进行制备和二次加工。这类材料基体金属主要有镁、铝、钛和镍等。

第54页（1）氧化铝/铝复合材料氧化铝短纤维增强铝基复合材料是较早研制和应用复合材料。这种材料高温强度、弹性模量显著优于基体金属高温强度和弹性模量，而且线膨胀系数小，耐磨性较高。该材料广泛用于汽车制造行业，如汽车发动机零件。（2）碳化硅/铝复合材料含有良好综合性能，含有比强度、比模量高和线膨胀系数小等特点，因为受晶须成本影响，普遍存在成本高问题。主要用于航空、航天领域。第55页（3）氧化铝/镍复合材料氧化铝晶须密度低、熔点高、高温强度优异，因而用它来增强镍基高温材料高温性能良好，不过优于晶须与晶体线膨胀系数相差较大，复合时较为困难，晶须价格昂贵，致使这类复合材料发展迟缓，应用受限。（4）原位复合材料采取定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体本身析出晶须而得到晶须增强复合材料，也称自增强金属基复合材料。用定向凝固方式制成高温复合材料，在性能上超出基体本身，靠近共晶温度时，仍保持很高强度和抗蠕变性能。是航天工业和制造燃气涡轮优异材料。第56页三、颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料是一个或各种陶瓷或金属颗粒作为增强材料与金属基体组成先进复合材料。增强颗粒通常为碳化硅、氧化硅、碳化钛、硼化钛，有时也用钨、钼、铬等金属颗粒。金属基体有铝、镁、钛及其合金，以及金属间化合物。1.碳化钛/钛复合材料

这种复合材料强度、弹性模量及抗蠕变性能均比基体合金显著提升，使用温度高达500℃。可用于制造弹壳、导弹尾翼和发动机零部件。

第57页2.碳化硅/铝复合材料

这种复合材料密度仅为钢1/3、钛合金2/3，与铝合金相近，强度比中碳钢高，与钛合金相近，弹性模量高于钛合金弹性模量，耐磨性比铝合金高一倍，使用温度高达300～350℃。当前这种材料已批量用于汽车工业和机械工业，制造大功率汽车发动机和柴油发动机活塞环、连杆、刹车片等。还可用于制造火箭、导弹构件，红外及激光制导系统结构件。另外，以超细碳化硅颗粒增强铝基复合材料还是一个理想精密仪表用高尺寸稳定性材料和精密电子器件封装材料。3.颗粒增强金属间化合物基复合材料

有TiB2/NiAl、TiB2/TiAl等，它们适用温度高达800℃以上，当前尚处于试验研究阶段。

第58页四、金属基功效复合材料1.含有导电功效复合材料以铜为基体，加入氧化铝颗粒利用弥散强化制成导电新材料，在耐热性和强度方面均高于基体，而导电性几乎不下降。近年来，已制成钢－铜基导线，广泛用于输电线、架空地铁线、通信线。2.含有超导功效复合材料

将直径为20～30μm超导线埋入铜、铝这么低电阻金属中，制成超导复合材料。第59页3.含有智能复合材料金属基智能材料不但能检测本身损伤，还可抑制而且有自修复功效。比如以铝合金为金属基体，以硼颗粒作为复合剂所制得复合材料，在破坏时会发出声波，可由声发射传感器接收并查出破坏位置。还有一个智能材料是在钼基金属内复合氧化锆颗粒，当材料承受载荷，产生裂缝时，在裂缝尖端产生高应力作用下，氧化锆诱发相变，由正方晶系t相转变为单斜晶系m相，同时伴伴随体积膨胀，这一膨胀使裂纹闭合，可抑制裂纹发展。第60页陶瓷材料含有很高抗氧化性、耐热性、耐磨性和耐蚀性，但脆性大、韧性差使它应用受到了极大限制。直到近代，碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须、碳化硅颗粒加入，使得陶瓷强度和韧性得到很大改进，应用领域也取得突破性进展。当前用这些纤维、晶须、颗粒增强陶瓷基复合材料主要用来制造人造卫星、航天飞机、星际探测器、大型运载火箭和飞机上要求耐高温、耐冲刷、密度低和强度高构件。第六节陶瓷基复合材料第61页一、纤维增强陶瓷基复合材料1.长纤维增强陶瓷基复合材料（1）碳/陶瓷基复合材料用碳纤维与陶瓷组成复合材料，含有很高高温强度、弹性模量和较高韧度，如碳纤维增强氮化硅陶瓷可在1400℃下长久工作。这类材料主要用来制造喷气飞机涡轮叶片。（2）碳化硅/陶瓷基复合材料碳化硅纤维可与各种陶瓷复合，如用碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷，断裂韧度比单一碳化硅陶瓷提升5～6倍，抗弯强度提升50％以上，而且纤维与基体之间含有良好结合性能。当