1.1第10章材料研究新进展1.1第10章材料研究新进展返回总目录返回总目录1.2第10章材料研究新进展1.2教学提示：新材料，也称先进材料，是指应用先进的科学技术，具有优异性能和使用功能的新型材料。新材料研究的内容是关于材料成分、组织结构、工艺流程对于材料性质与用途的影响规律以及它们与工程技术的联系，它的根本任务是利用新的科学原理和技术设计、合成并制备出具有优异性能的材料。一种新材料已经不是只具有单一功能的材料，在一定条件下可实现多种功能。从而为高新技术产品的智能化、微型化提供了材料基础。教学要求：掌握复合材料、功能材料和纳米材料的基本概念、分类及其基本特点，了解新材料和传统材料的异同点、制备工艺和应用领域。1.3第10章材料研究新进展1.3新材料是当前高新技术发展的支柱，现代科学技术，特别是交通、能源、航空航天、通信、核工程、海洋工程、生物工程等领域的发展，对所需要的结构材料提出了更高的要求，既希望它们具有良好的综合性能，如低密度、高强度、高刚度、高韧性、高耐磨性和良好的抗疲劳性能等，又期望它们能够在高温、高压、高真空、强烈腐蚀及辐照等极端环境条件下服役。新材料发展的重要标志是可以根据产品需要来设计新材料，一改传统上根据材料的功能来设计产品的观念。这种材料设计可以从材料的组成、结构和工艺设计来实现其所需功能。一种新材料已经不是只具有单一功能，在一定条件下可实现多种功能。传统的单一材料，如金属材料、陶瓷材料和高分子材料已远远不能满足上述要求。因此，人们设法采用某种可能的工艺将两种或两种以上组织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起，形成一类新的多相材料(即所谓的复合材料)，使之既可保留原有组分材料的优点，又可能具有某些新的特性，以扩大结构设计师们的选材余地，从而适应现代高技术发展的需求。1.4第10章材料研究新进展1.4本章内容10.1复合材料10.2功能材料10.3纳米材料小结本章习题1.5第10章材料研究新进展1.510.1复合材料材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。古代就出现了原始型的复合材料，如用草茎和泥土作建筑材料；砂石和水泥基体复合的混凝土也有很长历史。19世纪末复合材料开始进入工业化生产。20世纪60年代由于高新技术的发展，对材料性能的要求日益提高，单质材料很难满足性能的综合要求和高指标要求。复合材料因具有可设计性的特点受到各发达国家的重视，因而发展很快，开发出许多性能优良的先进复合材料(成为航空、航天工业的首要关键材料)，各种基础性研究也得到发展，使复合材料与金属、陶瓷、高聚物等材料并列为重要材料。有人预言，21世纪将是进入复合材料的时代。1.6第10章材料研究新进展1.610.1.1复合材料的定义及其分类1.复合材料的定义复合材料(compositematerials)是由两种或两种以上异质、异性、异形的材料，在宏观尺度上复合而成的一种完全不同于其组成材料的新型材料。复合材料的定义包括以下四个方面：它包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料；它可以通过将几种分离的材料混合在一起而制成。混合的方法是，在人为控制下将一种材料分散在其他材料之中，使其达到最佳性能；复合后的性能优于各单独的组成材料，并在某些方面可能具有组成材料所没有的独特性能；通过选取不同的组成材料、改变组成材料的含量与分布等微结构参数，可以改变复合材料的性能，即材料性能具有可设计性并拥有最大的设计自由度。复合材料的组成材料称为组分材料。组分材料分为两部分：一部分为增强体(reinforcedbody)，承担结构的各种工作载荷：另一部分为基体(matrix)，起到黏结增强体予以赋形并传递应力和增韧作用。增强体分为纤维(fibre)：连续纤维、短切纤维、晶须；颗粒：微米颗粒与纳米颗粒；片材：人工晶片与天然片状物。基体主要分为有机聚合物、金属、陶瓷、水泥和碳(石墨)等。构造出的复合材料，能改善的性能主要有强度、刚度、疲劳寿命、耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性、吸引性、质量、抗振性、导热性、绝热性、隔声性等。当然，上述各种性能不可能同时都有所改善，工程实际中也不存在这样的要求。10.1复合材料1.7第10章材料研究新进展1.72.复合材料的定义复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，根据复合材料的三要素(见图10.1)来分类。(1)按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等(见图10.2)。图10.1复合材料的三要素图10.2结构复合材料按不同基体分类10.1复合材料1.8第10章材料研究新进展1.8(2)按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料(见图10.3)。凡以各种粒子填料为分散质的是粒子复合材料，若分布均匀，是各向同性的；以纤维为增强剂得到的是纤维增强复合材料，依据纤维的铺排方式，可以各向同性也可以是各向异性；层状复合材料如胶合板由交替的薄板层胶合而成，因而是各向异性的。(3)依据复合材料的用途可分为结构复合材料和功能复合材料，目前结构复合材料占绝大多数，而功能复合材料有广阔的发展前途。预计21世纪会出现结构复合材料与功能复合材料并重的局面，而且功能复合材料更具有与其他功能材料竞争的优势。功能复合材料指能实现具有某种功能的复合材料，如导电材料、导磁材料、导热材料、屏蔽材料等。结构复合材料则主要用作承力和次承力结构，要求质量小、强度和刚度高，且能耐受一定温度，某种情况下还要求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能(见图10.4)。10.1复合材料1.9第10章材料研究新进展1.9图10.3结构复合材料按不同增强体形式分类图10.4复合材料分类10.1复合材料1.10第10章材料研究新进展1.1010.1.2复合材料中各组元的基本作用复合材料的中能够对其性能和结构起决定作用的，除了基体和增强体外还包括基体与增强体间的界面。基体、增强体及界面的各自性质与相互作用决定着复合材料的性能特征，因此基体、增强体及其界面应是互相配合，协同性好，才能达到最好的复合效果，复合材料的性能特点也正是建立在这一原则基础上的。基体是复合材料的重要组成部分之一，主要作用是利用其黏附特性、固定和黏附增强体，将复合材料所受的载荷传递并分布到增强体上。载荷的传递机制和方式与增强体的类型和性质密切相关，在纤维增强的复合材料中，复合材料所承受的载荷大部分由纤维承担。基体的另一作用是保护增强体在加工和使用过程中，免受环境因素的化学作用和物理损伤，防止诱发造成复合材料破坏的裂纹。同时基体还会起到类似隔膜的作用，将增强体相互分开，这样即使个别增强体发生破坏断裂，裂纹也不易从一个增强体扩展到另一个增强体。因此基体对复合材料的耐损伤和抗破坏、使用温度极限以及耐环境性能均起着十分重要的作用，正是由于基体与增强体的这种协同作用，才赋予复合材料良好的强度、刚度和韧性等。常见的基体有树脂基体(resinmatrix)、金属基体(metallicmatrix)、陶瓷基体(ceramicmatrix)和碳素基体(carbonmatrix)等。10.1复合材料1.11第10章材料研究新进展1.11在结构复合材料中，增强体主要用来承受载荷。因此在设计复合材料时，通常所选择的增强体的弹性模量应比基体高。以纤维增强的复合材料为例，外载作用下，当基体与增强体应变量相同时，基体与增强体所受载荷比等于两者的弹性模量比，弹性模量高的纤维就可承受高的应力。此外，增强体的大小、表面状态、体积分数及其在基体中的分布等，对复合材料的性能同样具有很大的影响。上述各因素的作用又与增强体的类型、基体的性质紧密相关，在不同类型复合材料中的表现各不相同，不能一概而论。基体与增强体之间的界面特性决定着基体与复合材料之间结合力的大小。普遍认为，基体与增强体之间结合力的大小应相适度，其强度只要足以传递应力即可。结合力过小，增强体和基体间的界面在外载作用下易发生开裂；结合力过大，又易使复合材料失去韧性。因此需根据基体和增强体的性质，来控制界面的状态，以获得适宜的界面结合力。另外，基体与增强体之间还应具有一定的相容性，即相互之间不发生反应。10.1复合材料1.12第10章材料研究新进展1.1210.1.3复合材料的特性复合材料不仅能保持原组分材料的部分优点和特性，而且还可借助于对组分材料、复合工艺的选择与设计，使组分材料的性能相互补充，从而显示出比原有单一组分材料更为优越的性能。除性能可设计外，各种类型的复合材料，尤其是先进复合材料还具有优异的力学性能、物理性能和工艺性能。1.性能的可设计性由于复合材料体系完全是人为确定，因此复合材料最显著的特性，是其性能(主要指力学性能、物理性能和工艺性能)在一定范围内具有可设计性。可根据材料的基本特性、材料间的相互作用和使用性能要求，可以人为设计并选择基体材料类型、增强体材料类型及其数量形态和在材料中的分布方式，同时还可以设计和改变材料基体和增强体的界面状态；由它们的复合效应可以获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能。但是，复合材料性能的可设计性大都不是借助于传统材料。因此从理论上说可以获得一类材料，其能将两种以上不同材料的完全不同的优秀性能系于一身，满足更为复杂恶劣和极端使用条件的要求。10.1复合材料1.13第10章材料研究新进展1.132.力学性能特点应该说不同复合材料是没有统一的力学性能特点。因为其性能是根据使用需求而设计确定的，其力学性能特点应该与复合材料的体系及加工工艺有关。但就常用的工程复合材料而言，与其相应的基体材料相比较，其主要有如下的力学性能特点。比强度、比模量高：这主要是由于增强体一般为高强度、高模量而相对密度小的材料，从而大大增加了复合材料的比强度(强度密度)和比模量(弹性模量密度)。如碳纤维增强环氧树脂比强度是钢的7倍，比模量则比钢大3倍。材料的比强度和比模量是材料性能的重要指标，高的比强度、比模量可使结构质量大幅度减小。低结构质量意味着军用飞机可增加弹载、提高航速、改善机动特性、延长巡航时间，而民用飞机则可多载燃油、提高客载。抗疲劳性能好：疲劳是材料在交变载荷下，因裂纹的形成和扩展而产生的低应力破坏。在纤维增强复合材料中存在着许多的纤维树脂界面，这些界面能阻止裂纹进一步扩展，从而推迟疲劳破坏的产生，因此其疲劳抗力高；对脆性的陶瓷基复合材料这种效果还会大大提高其韧性，是陶瓷韧化的重要方法之一。大多数金属材料的疲劳强度是抗拉强度的40%50%，而碳纤维增强复合材料高达70%80%，这是因为裂纹扩展机理不同所致。10.1复合材料1.14第10章材料研究新进展1.14耐高温性能好：复合材料增强体一般高温下仍会保持高的强度和模量，使复合材料较其所用的基体材料具有更高的高温强度和蠕变抗力。如Al合金在400时强度从室温的500MPa降至30MPa50MPa，弹性模量几乎降为零；如使用碳纤维或硼纤维增强后400时材料的强度和模量与室温的相差不大，从而提高了金属材料的高温性能。减振能力强：当结构所受外力的频率与结构的自振频率相同时，将产生共振，容易造成灾难性事故。而结构的自振频率不仅与结构本身的形状有关，还与材料比模量的平方根成正比，因而纤维增强复合材料的自振频率较高，可以避免共振。此外，纤维与基体的界面具有吸振能力，具有很高的阻尼作用。断裂安全性高：纤维增强复合材料截面上分布着相互隔离的细纤维，当其受力发生过载时，其中部分纤维会发生断裂，但随即进行应力的重新分配，由未断纤维将载荷承担起来，不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而发生脆断，因此复合材料的工作安全性高。化学稳定性好：能耐酸碱腐蚀。还具有一些特殊性能，如隔热性、烧蚀性、特殊的电、磁性能等。10.1复合材料1.15第10章材料研究新进展1.153.物理性能特点除力学性能外，根据不同的增强体的特性及其与基体复合工艺的多样性，经过设计的复合材料还可以具有各种需要的优异的物理性能：如低密度(增强体的密度一般较低)、膨胀系数小(甚至可达到零膨胀)、导热导电性好、阻尼性好、吸波性好、耐烧蚀、抗辐照等。因此，在选择