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第十一章  复合材料基础 本章主要内容： 11.1 概述 11.2 复合材料的界面 11.3 复合材料的增强机制 11.1 概述 一、复合材料的定义 国际标准化组织：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性，但复合材料的性能却不是组分材料的简单加和，而是有着重要改进。 《材料科学技术百科全书》：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。 《材料大辞典》：复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相材料范畴。复合材料的特点之一是不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能。特点之二是它的可设计性。 综上所述，复合材料应具有以下三个特点： (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。 (2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能。 (3)复合材料具有可设计性。 二、复合材料的分类 1、按材料的主要作用 （1）结构复合材料：质量轻、强度刚度高，耐一定温度，热膨胀系数小，绝热性能好，耐介质腐蚀等。 （2）功能复合材料：除力以外提供其他物理性能的复合材料。即电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能、声学性能等。 （3）智能复合材料：自诊断、自适应、自愈合、自决策。 2、按基体材料 （1）金属基复合材料(MMC) 基体：金属及其合金 增强材料：多为无机非金属，如：陶瓷颗粒、碳、石墨、硼纤维等。 （2）陶瓷基复合材料(CMC)强化材料主要有：各种陶瓷颗粒、晶须、纤维及某些金属纤维。 （3）高分子基复合材料(PMC)基体：热固性树脂和热塑性树脂增强材料：颗粒材料、有机纤维、无机纤维等 （4）碳/碳复合材料：以碳(或石墨)纤维及其织物为增强材料，以碳(或石墨)为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。 3、组成复合材料的集散情况 （1）分散强化型复合材料 按基体不同 按强化材料形态：颗粒弥散强化 晶须强化 纤维强化 按强化材料加入方式：掺入型 原生复合型 （2）层状复合材料 与强化分散型不同，不是一种材料分散于另一种材料之中，而是各组元自成一个或数个整体，组元间通过界面结合而复合成一体。传统的包覆材料是典型的层状复合材料。 金属/金属，金属/陶瓷，金属/高分子，陶瓷/高分子等。 （3）梯度功能材料 在这种复合材料中，组元的含量沿着某一方向产生连续或非连续的变化。组元梯度化的目的是为了实现材料性能的梯度化，赋予材料多种功能，以满足一些特殊的使用需要。 三、复合材料的性能特点 1、比强度、比模量高 强度和弹性模量与密度的比值分别称为比强度和比模量。它们是衡量材料承载能力的一个重要指标，比强度愈高，在同样强度下，同一零件的自重愈小；比模量越大，在重量相同的条件下零件的刚度越大。 2、抗疲劳性能好 实验表明，碳纤维增强复合材料的疲劳极限可达抗拉强度的70％一80％，而金属材料的只有其抗拉强度的40％一50％。 3、抗断裂性能好 纤维复合材料中有大量独立的纤维，平均每平方厘米面积上有几千到几万根。当纤维复合材料构件由于超载或其它原因使少数纤维断裂时，载荷就会重新分配到其它未破断的纤维上，因而构件不致在短期内突然断裂，故破断安全性好。 4、高温强度好 大多数增强纤维在高温下仍能保持高的强度，用其增强金属和树脂基体时能显著提高它们的耐高温性能。 5、阻尼减震性好 因为结构的自振频率与材料的比模量平方根成正比，而复合材料的比模模高，其自振频率也高。这样可以避免构件在工作状态下产生共振。而且纤维与基体界面能吸收振动能量，即使产生了振动也会很快地衰减下来，所以纤维增强复合材料具有很好的减震性能。 四、复合材料的用途 1、机械工业的应用 主要用于阀、泵、齿轮、风机、叶片、轴承及密封件等。 2、