复合材料界面与复合理论cjgl.docx
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1、复合材料料导论Intrroduuctiion to Commpossitee Maaterrialls(讲 稿稿)石南林中国科学学院金属属研究所所20044年2月月目 录第一章 前言言一、 材料的发发展与人人类社会会的进步步二、 复合材料料的提出出三、 复合材料料的发展展历史和和意义四、 课课程的重重点和要要求第二章 复复合材料料概述一、复合合材料的的定义和和特点1、 复合材料料的定义义2、 复合材料料的特点点 3、复复合材料料的基本本结构模模式二、复合合材料的的分类三、复合合材料的的发展历历史四、复合合材料的的基本性性能第三章 复合材料料界面一、 复合材料料的界面面二、 复合材料料的相容容性
2、三、 复合材料料的界面面理论四、 界面结合合强度的的测定1、界面面结合强强度的测测定2、界面面结合强强度的表表征五、界面面残余应应力第四章 复合材料料的复合合理论一、复合合材料的的增强机机制 1、颗颗粒增强强复合材材料的增增强机制制 2、纤纤维(包包括晶须须、短纤纤维)增增强复合合材料的的增强机机制二、复合合材料的的复合法法则 混合合定律1、 混合定律律2、 连续纤维维单向增增强复合合材料(单单向板)3、 短纤维增增强复合合材料第五章 复合材料料力学和和结构设设计基础础一、复合合材料力力学1、 单层复合合材料2、 层合复合合材料二、复合合材料设设计 1、 单向层弹弹性常数数预测公公式2、 正交
3、层的的工程弹弹性常数数预测公公式3、 单向板强强度预测测公式4、 复合材料料的强度度准则5、 平面正交交织物复复合材料料的强度度6、 应力的转转换7、 复合材料料的其它它性能第六章 复合材料料基体一、 聚合物1、 热固性树树脂2、 热塑性树树脂二、 金属1、 用于4550C以以下的轻轻金属基基体(铝铝、镁及及其合金金)2、 用于45507750CC复合材材料的金金属基体体(钛及及其合金金)3、 用于7550C以以上高温温复合材材料的金金属基体体三、 陶瓷1、 氧化物陶陶瓷2、 非氧化物物陶瓷3、 玻璃陶瓷瓷四、碳(石石墨)第七章 复合材料料增强剂剂 一、复合合材料增增强剂的的特点二、纤维维1、
4、 无机纤维维2、 陶瓷纤维维3、 有机纤维维4、 各种纤维维性能的的比较三、晶须须四、颗粒粒第八章 聚合物基基复合材材料(PPMC)一、聚合合物基复复合材料料的分类类二、聚合合物基复复合材料料的性能能三、聚合合物基复复合材料料的制备备工艺四、复合合材料成成型固化化工艺1、 工艺性2、 复合材料料的固化化工艺过过程五、PMMC的界界面1、PMMC的界界面特点点 2、PPMC的的界面表表征 3、PPMC的的界面作作用机理理 4、PPMC的的界面设设计六、纤维维增强聚聚合物复复合材料料的力学学性能1、 静态力学学性能2、 疲劳性能能3、 冲击和韧韧性七、铺层层设计1、层合合板设计计的一般般原则2、等
5、代代设计法法3、层合合板排序序设计法法4、层合合板的层层间问题题八、结构构设计1、 明确设计计条件2、 材料设计计3、 结构设计计第九章 金属基复复合材料料(MMMC)一、金属属基复合合材料概概述1、 金属基复复合材料料的分类类2、 金属基复复合材料料的研究究特点二、金属属基复合合材料的的制备工工艺1、 金属基复复合材料料的制备备工艺概概述2、 先驱(预预制)丝丝(带、板板)的制制备3、 固态法(连连续增强强相金属属基复合合材料的的制备工工艺)4、 液态法(非非连续增增强相金金属基复复合材料料的制备备工艺)5、 粉末冶金金法(非非连续增增强相金金属基复复合材料料的制备备工艺)6、 原位(iin
6、 ssituu)生长长(复合合法)三、金属属基复合合材料的的界面和和界面设设计1、 金属基复复合材料料的界面面2、 金属基复复合材料料的界面面结合3、 金属基复复合材料料的界面面残余应应力四、金属属基复合合材料的的的性能能1、 金属基复复合材料料的的一一般性能能特点2、 纤维增强强金属基基复合材材料的的的性能3、 颗粒、晶晶须增强强金属基基复合材材料的的的性能第十章 陶瓷基基复合材材料(CCMC)一、陶瓷瓷基复合合材料概概述二、陶瓷瓷基复合合材料的的制备工工艺1、 粉末冶金金法2、 浆体法3、 反应烧结结法4、 液态浸渍渍法5、 直接氧化化法6、 胶-凝胶胶(Sool-GGel)法法7、 化学
7、气相相浸渍8、 其它方法法三、陶瓷瓷基复合合材料的的界面和和界面设设计1、 界面的粘粘结形式式2、 界面的作作用3、 界面的改改善四、陶瓷瓷基复合合材料的的的性能能1、 室温力学学性能2、 高温力学学性能五、陶瓷瓷基复合合材料的的的增韧韧机制1、 颗粒增韧韧2、 纤维、晶晶须增韧韧第十一章 碳碳复复合材料料(C/C)一、碳碳碳复合材材料概述述二、碳碳碳复合材材料的制制备工艺艺1、 碳碳复合合材料的的预成型型和基体体碳2、 碳碳复合合材料的的制备工工艺三、碳碳碳复合材材料的界界面1、 碳碳复合合材料的的界面和和结构2、 碳碳复合合材料的的显微组组织四、碳碳碳复合材材料的抗抗氧化1、 碳碳复合合材
8、料的的氧化2、 碳碳复合合材料的的氧化保保护原理理3、 碳碳复合合材料的的抗氧化化保护第十二章 水泥复合合材料一、水泥泥 1、 水泥的定定义和分分类2、 水泥的制制造方法法和主要要成分3、 水泥的强强度和硬硬化二、水泥泥复合材材料 1、 混凝土2、 纤维增强强水泥复复合材料料3、 聚合物改改性混凝凝土三、水泥泥复合材材料的成成型工艺艺1、 混凝土的的配合比比设计及及成型工工艺控制制2、 钢筋混凝凝土的成成型工艺艺3、 纤维增强强水泥复复合材料料的成型型工艺4、 聚合物改改性混凝凝土的成成型工艺艺四、(钢钢筋混凝凝土)纤纤维/基基体的界界面第十三章 混杂复合合材料一、 混杂复合合材料概概述二、
9、混杂复合合材料混混杂方式式1、单向向混杂纤纤维复合合材料2、单向向预浸料料角度铺铺层混杂杂3、混杂杂织物混混杂4、超级级混杂复复合材料料5、 三向编织织物混浊浊6、 复合夹层层结构三、 混杂复合合材料的的几个概概念1、混杂杂效应2、混杂杂复合材材料的界界面和界界面数3、混杂杂比 4、分分数度 5、铺铺层形式式 6、临临界含量量四、 混杂复合合材料的的力学性性能1、弹性性模量2、横向向弹性模模量3、单向向混杂复复合材料料沿纤维维主向的的强度4、纤维维的临界界含量第十四章 纳米及分分子复合合材料一、纳米米粉体的的合成1、 纳米粉体体的物理理制备方方法2、 纳米粉体体的的化化学制备备方法二、先进进纳
10、米增增强剂的的制备1、 碳化硅纳纳米晶须须2、 碳纳米管管3、 纳米碳纤纤维三、陶瓷瓷基纳米米复合材材料的制制备1、 纳米-纳纳米复合合材料2、 纳米-微微米复合合材料四、聚合合物有机机-无机机纳米复复合材料料的制备备方法1、溶胶胶-凝胶胶(Sool-GGel)法法2、层间间插入法法3、共混混法4、原位位聚合法法5、分子子的自组组装和组组装6、辐射射合成法法五、聚合合物有机机-无机机纳米复复合材料料的应用用现状六、应用用前景展展望第十五章 复合材料料的应用用和发展展一、复合合材料的的应用1、聚合合物基复复合材料料的应用用2、金属属基复合合材料的的应用3、 陶瓷基复复合材料料的应用用4、 碳碳复
11、合合材料二、复合合材料的的发展 11、复合合材料的的性能对对比 22、复合合材料的的发展趋趋势第一章前前言一、材料料的发展展与人类类社会的的进步 材料是是人类社社会进步步的物质质基础和和先导,是是人类进进步的里里程碑。综综观人类发展和和材料发发展的历历史,可可以清楚楚地看到到,每一一种重要要材料的的发现和和利用都会把人人类支配配和改造造自然的的能力提提高到一一个新的的水平,给给社会生生产力和和人类生活带带来巨大大的变化化。材料料的发展展与人类类进步和和发展息息息相关关。一万万年前,人类类使用石石头作为为日常生生活工具具,人类类进入了了旧石器器时代,人人类战争争也进入了冷冷兵器时时代。77000
12、0年前人人类在烧烧制陶器器的同时时创造了了炼铜技技术,青青铜制品广泛泛地得到到应用,同同时又促促进了人人类社会会发展,人人类进入入了青铜铜器时代。同时时火药的的发明又又使人类类战争进进入了杀杀伤力更更强的热热兵器时时代。550000年前人类开开始使用用铁,随随着炼铁铁技术的的发展,人人类又发发明了炼炼钢技术术。十九九世纪中期转转炉、平平炉炼钢钢的发展展使得世世界钢产产量迅猛猛增加,大大大促进进了机械械、铁路交通通的发展展。随着着二十世世纪中期期合金钢钢的大量量使用,人人类又进进入钢铁铁时代,钢铁铁在人类类活动中中起着举举足轻重重的作用用。核材材料的发发现,又又将人类类引入了可以毁毁灭自己己的核
13、军军备竞赛赛,同时时核材料料的和平平利用,又又给人类类带来了了光明。二十十世纪中中后期以以来,高高分子、陶陶瓷材料料崛起以以及复合合材料的的发展,又又给人类带带来了新新的材料料和技术术革命,楼楼房可以以越盖越越高、飞飞机越飞飞越快,同同时人类进进入太空空的梦想想成为了了现实。 当前前材料、能能源、信息是现现代科技技的三大大支柱,它它会将人人类物质质文明推推向新的阶阶段。二二十一世世纪将是是一个新新材料时时代。二、复合合材料的的提出现代高科科技的发发展更紧紧密地依依赖于新新材料的的发展;同时也也对材料料提出了更高、更更苛刻的的要求。在现代高技术迅猛发展的今天,特别是航空、航天和海洋开发发领域的的
14、发展,使使材料的的使用环环境更加加恶劣,因因而对材材料提出出了越来来越苛刻的要求求。例如如,航天天飞机等等空间飞飞行器在在飞行过过程中要要受到大大气阻力力、地球球引力、太阳阳辐射力力、空间间热环境境、太阳阳风、宇宇宙射线线、宇宙宙尘埃、流流星、磁磁矩等的的作用。飞飞行器发发动机还还要受到到其热环环境、内内流形成成的气动动力、结结构振动动、机件件高速转动、液液体晃动动、振荡荡燃烧和和POGGO振动动等非正正常破坏坏力的作作用。同同时由于于飞行范围(M数、飞行高度)的扩大、发动机的推力、比推力及推 / 重比大大提高,导致致了发动动机压力力比、涵涵道比、进进口温度度、燃烧烧室温度度、TIIT、转转子
15、转速速等也日益提提高。由由此构成成的力、热热、化学学和物理理等效应应的作用用,最终终都要集集中到构构成飞行器器和发动动机结构构的材料料上去,因因此对材材料的质质轻、高高强、高高韧、耐耐热、抗抗疲劳、抗抗氧化及及抗腐蚀蚀等特性性也日益益提出了了更加苛苛刻的要要求。 又如如现代武武器系统统的发展展对新材材料提出出了如下下要求: 11、高比比强、高高比模; 22、耐高高温、抗抗氧化; 33、防热热、隔热热; 44、吸波波、隐身身; 55、全天天候; 66、高抗抗破甲、抗抗穿甲性性; 77、减振振、降噪噪,稳定定、隐蔽蔽、高精精度和命命中率; 88、抗激激光、抗抗定向武武器; 99、多功功能; 110
16、、高高可靠性性和低成成本。很明显,传传统的单单一材料料无法满满足以上上综合要要求,当当前作为为单一的的金属、陶瓷瓷、聚合合物等材材料虽然然仍在不不断日新新月异地地发展,但但是以上上这些材材料由于于其各自自固有的的局限性性而不能能满足现现代科学学技术发发展的需需要。例例如,金金属材料料的强度度、模量量和高温温性能等等已几乎乎开发到到了极限限;陶瓷瓷的脆性性、有机机高分子子材料的的低模量量、低熔熔点等固固有的缺缺点极大大地限制制了其应应用。这这些都促促使人们们研究开开发并按按预定性性能设计计新型材材料。复合材料料,特别别是先进进复合材材料就是是为了满满足以上上高技术术发展的的需求而而开发的的高性能
17、能的先进进材料。它它由两种种或两种种以上性性质不同同的材料料组合而而成,各各组分之之间性能能“取长补补短”,起到到“协同作作用”,可以以得到单单一材料料无法比比拟的优优秀的综综合性能能,极大大地满足足了人类类发展对对新材料料的需求求。因此此,复合合材料是是应现代代科学技技术而发发展出来来的具有有极大生生命力的的材料。现代科学技术不断进步的结果,是材料设计的一个突破。三、复合合材料的的发展历历史和意意义:实际上,在在自然界界就存在在着许多多天然的的复合物物。例如如天然的的许多植植物竹子子、树木木等就是是自生长长长纤维维增强复复合材料料;人类类肌肉 / 骨骨骼结构构也是复复合材料料结构原原理。我我
18、们的祖祖先也早早就创造造和使用用了复合合材料。 6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁,迄今在某些贫穷农村仍然沿用着这种原始的非连续纤维增强复合材料。在现代,复合材料的应用更比目皆是,与日常生活和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑,发挥着极为重要的作用;玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)更是一种广泛应用的较现代化复合材料。现代高科科技的发发展更是是离不开开复合材材料。例例如就航航天、航航空飞行行器减轻轻结构重量这这点而言言,喷气气发动机机结构重重量减11Kg ,飞机机结构可可减重44 Kgg ,升升限可提提高100米;
19、一一枚小性性洲际导导弹第三三级结构构重量减减轻1KKg ,整整个运载载火箭的的起飞重重量就可可减轻550 KKg ,地地面设备备的结构构重量就就可减轻轻1000Kg ,在有有效载荷荷不变的的条件下下,可增增加射程程15 220 KKm ;而航天天飞机的的重量每每减轻11Kg ,其发发射成本本费用就就可以减减少1550000美元 (图1、图图2)。因因此,现现代航空空、航天天领域对对飞行器器结构的的减重要要求已经经不是“斤斤计计较”,而是是“克克计计较”。图1 火箭箭壳体材材料对射射程的影影响先进复合合材料具具有高比比强度、高高比模量量的优点点,可以以显著减减轻结构构重量,是是理想的的现代飞飞行
20、器结结构材料料。先进进复合材材料的使使用,不不仅极大大地提高高了现代代飞行器器的性能能,使得得人类飞飞天、登登月的梦梦想变成成现实,同同时也创创造了巨巨大的经经济效益益。先进进复合材材料结构构在新型型卫星结结构中已已占了885%以以上,在在现代高高科技领领域具有有广泛的的应用前前景(图图3)。综上所述述,复合合材料对对现代科科学技术术的发展展有着十十分重要要的作用用。复合合材料的的研究深深度和应应用广度度及其生生产发展展的速度度和规模模已成为为衡量一一个国家家科学技技术先进进水平的的重要标标志之一一。复合合材料是是现代科科学技术术不断进进步的结结果,是是材料设设计的一一个突破破;复合合材料的的
21、发展同同时又进进一步推推动了现现代科学学技术的的不断步步。可以以预料,随随着高性性能树脂脂先进复复合材料料的不断断成熟和和发展、金金属基、特特别是金金属间化化合物基基复合材材料和陶陶瓷基复复合材料料的实用用化、以以及微观观尺度的的纳米复复合材料料和分子子复合材材料的发发展,复复合材料料在人类类生活中中的重要要性将越越来越显显著。同同时,随随着科学学技术的的发展,现现代复合合材料也也将赋予予新的内内容和使使命。221世纪纪将是复复合材料料的新时时代。图4四、课程程的重点点和要求求本课程为为先进复复合材料料专业研研究生的的专业基基础课。该该课程的的学习重重点是使使学生能能够较全全面和系系统地理理解
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