陶瓷基复合材料要点

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仿生复合材料
?天然的生物材料 ——基本上都是复合材 料
?竹子——以管式纤维构成 ?贝壳——无机质成分与有机质成分呈层
状交替叠层构成
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复合材料基础理论问题：
? 界面问题：表征方法、界面设计、界面改性、界 面残余应力等。
?可靠性问题：制约复合材料发展的关键问题与其 组分、设计、加工工艺和环境等密 切相关。
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连续纤维增强
?对于As→∞的场合，最简单的是将其简化 为二维层板模型，有并联和串联两种考虑方 式。在忽略泊松比影响的情况下，复合材料 的弹性模量可以表示为：
并联： Ec ? Em fm ? Er fr ? Em (1? fr ) ? Er fr
? ? ? 串联：
1 Ec
fm
fr
Em Er
Em fm ? Er (1? fr ) Em Er
? 对信息技术提供服务：信息获得、处 理、储存、传输和执行
? 对提高人类生活质量作出贡献： 改善舒适性、提高安全性、提高人类 健康水平等。
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复合材料新的生长点和有待深入研究、开拓的问题
未来复合材料发展的新领域
? 发展功能、多功能、机敏、智能复合材料 ? 纳米复合材料 ? 仿生复合材料
基础理论、设计和制备方法的深化、开拓与创新
? P c ?
( Pi ) n V i
i?1
式中Pc为复合材料的特性，Pi为构成复合材料的原 材料特性，Vi为构成复合材料的原材料的体积分数， n由实验确定，其范围为-1 ﹤ n ﹤ 1
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物理性能的复合法则
-----传递特性（乘积特性）
?构成复合材料的两种以上原材料的不同 性能。 假定X作为输入时产生输出（ Y/X）； 而Y 又作为第二次的输入，产生输入出 Z （Z/Y），这样就相当于产生了连销反应， 从而引出新的机能（ Z/X）。
智能复合功能
?功能复合材料的最高形式，在机敏复合材料基础上向自 决策能力上的发展。依靠在外部信息中处理系统增加的 工人智能系统，对信息进行分析，给出决策，指挥执行 材料做出优化动作——对材料的传感部分和执行部分的 灵敏度、精确度和响应速度提出了更高的要求。
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纳米复合材料
?纳米效应—表面及界面效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应等，这些效应使纳米复合材料不仅有 优良的力学性质而且会产生光学、排线性光学、光 化学和电学的功能作用。 （1）有机—无机纳米复合材料 将无机纳米粒子引入有机聚合物——电磁流变液 （2）无机——无机纳米复合材料
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按基体分：
复合材料
金属基复合材料MMC 有机材料基复合材料
无机非金属基复合材料
木质基复合材料
聚合物基复合材料PMC
橡胶基 树脂基
水泥或混凝土基复合材料
热塑性树脂 热固性树脂
陶瓷基复合材料CMC
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按增加体分：
复合材料
颗粒状分散复合材料 纤维状分散复合材料
分散强化复合材料
片晶增强复合材料
颗粒增强复合材料
陶瓷基复合材料
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陶瓷基复合材料
第一章 绪论 第二章 复合材料的基本理论 第三章 原材料及特性 第四章 陶瓷基复合材料的制备方法 第五章 界面与表面
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第一章 绪 论
? 复合材料的分类 ? 复合材料在21世纪中应起的作用 ? 复合材料新的生长点和有待深入
研究、开拓的问题
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复合材料的分类 —定义
定义1：把两种以上不同的原材料组成，使原材 料的性能得到充分发挥，并通过复合化而得到单 一材料所不具备的性能 的材料。 定义2：把一些个体典型或基本的特性组合，而得 到的物质。 定义3：经过一定的操作，将复数个原材料合体， 或者是由复数个相生成，且具有比原材料优异的 性能的材料。 共同特点： （1）两种以上不同的化学相 （2）具有每个组分所不具备的优良性能
复合材料新的设计和制备方法：
?新型设计方法 ?新的制备方法
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第二章 复合材料的基本理论
?力学性能的复合准则 ?增强原理：弥散增强和颗粒增强、连续增强 ?以弹性论为基础的复合法则 ?物理性能的复合法则 ?加和特性 ?传递特性 ?结构敏感特性
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复合材料组织与性能之间的关系
材料的微观组织 ﹡形状、分散程度 ﹡体积分数 ﹡几何学特征
多功能复合材料
?兼具功能与结构的复合材料。如美国的军用飞机即具有 自我保护的隐身功能又有好的结构性能。
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机敏复合材料
?具有能感知外界作用而且作出适当反应的能力。将传感 功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一 起，并且连接外部信息处理系统，把传感器给出的信息 传达给执行材料，使之产生相应的动作——构成机敏复 合材料及系统。
单向纤维强化复合材料
连续纤维复合材料
非编织纤维层 二维、三维编织纤维层
不连续纤维复合材料
短纤维
随机排列 定向排列
晶须
随机排列
定向排列 6
按性能分：
? 聚合物基复合材料 ? 金属基复合材料 ? 无机非金属基复合材料 ? 功能基复合材料 ? 纳米基复合材料 ? 梯度基复合材料
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复合材料在21世纪中应起的作用
Hale Waihona Puke Baidu
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由复合化理论计算的复合材料特性的上限与下限
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以弹性论为基础的复合法则
复合材料的两种解析模型 a—两相模型 b —三相模型
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物理性能的复合法则
-----加和特性
?复合材料的加和特性主要由原材料的组合形 状和体积分数决定。相当于力学性能中的弹性
模量、线膨胀率等结构不敏感特性。
复合法则为：
N
? 复合材料基础理论问题：
界面问题、可靠性问题 复合材料新的设计和制备方法
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功能复合材料
?电功能方面——有导电、超导、绝缘、半导电、压电等 ?磁功能方面——有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等 ?声功能方面——有吸声、声纳、抗声纳等 ?机械功能方面——有阻尼减振、自润滑、防弹装甲等 ?化学功能方面——有吸附与分离、抗腐蚀等
复合材料的 基本理论
复合材料的 整体性能
原材料的性能 ﹡力学性能 ﹡物理性能 ﹡界面状态
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增强原理
?分散相的形状可以由形数比（即形状尺 As：aspect ratio）来描述。 As→∞为连续 棒状，对应于连续纤维，1＜ As ＜ ∞为 棒状，对应于不连续的纤维， As≈1为球 状，对应于颗粒。
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举例1：对材料施加磁场而产生电流。如具有压电作结构 的钛酸钡BaTiO与磁滞伸缩铁氧体NiFe2O4的微细 粉末烧结而成的复合材料。对该材料施加磁场时, 会在铁氧体中产生压力，此压力传递到钛酸钡， 就会在复合材料中产生电场。