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
16
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。
陶瓷基复合材料
1
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
2
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
3
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
纤维 ZnO 锌矿
萤石
ThO2,CaO2,PrO2,UO2,ZrO2,HfO 2,
NpO2,PuO2,AmO2
面心立方
全部四面体 间隙
畸 形 面 心 立 1/2八面体间隙 方
反萤石 Li2O,Na2O,K2O,Rb2O
金红石 Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3,Ga 2O3,Rh2O3
结构材料—力学型复合材料—结构用途 如纤维增强） 功能材料—功能型复合材料—力学 性能以外的性能（光、电、磁、热 等）
28
基体材料 — 氧化物陶瓷
氧化物——大多数典型的陶瓷特别是特种陶瓷的 主要组成和晶体相。主要由离子键结合，也有一 定成分的共价键。其结构取决于结合键类型、各 种离子的大小以及在极小空间保持电中性的要求。 陶瓷最重要的氧化物是几种简单类型的氧化物AO， AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等（A，B表示阳离 子）。 结构特点：氧离子（一般比阳离子大）进行紧密 排列、金属阳离子位于一定的间隙中，最重要的 是四面体和八面体间隙）
29
结构 氧 离 子 排 阳离子填充方式 结构名 举例
类型 列方式
称
A2O3 密排六方
ABO 密排六方
3
面心立方
2/3八面体间隙
刚玉
Al2O3, Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3,Ga2O3,Rh2 O3
2/3八面体间隙(A,B) 钛铁矿 FeTiO3,NiTiO3,CoTiO3
1/4八面体间隙(B) 钙钛矿 CaTiO3, SrTiO3,SrSnO3,SrZrO3,SrHfO3, BaTiO3
共价键结合能比较高—材料有高的耐火度、 高的硬度（有的接近金刚石）、高的耐磨 性，但脆性大，抗氧化能力低。
35
氮化硅陶瓷(Si3N4)
—Si3N4粉体的制备方法
硅粉直接氮化法—3Si+2N→Si3N4 ，一 般采用多步氮化，时间70小时。
SiO2碳还原法— 3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO,
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。
8
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
32
四方多晶氧化锆(TZP)—PSZ的一个分支。在t相区 烧结。冷却过程中不发生相变，室温下保持全部或大 部分t相。烧成温度1350～1450℃，由于t相含量很高， 强度可达1000MPa，断裂韧性可达10MPa·m1/2以上。 TZP面临的问题主要是低温（300～500 ℃）长期时 效性能恶化即所谓的老化问题，这一现象的机理尚 不十分清楚，可能是表面受到某种化学腐蚀（如 H2O等），使基体应力松弛，导致t-m相变，使材料 性能恶化。一般加入Al2O3,CeO2等抑制这一恶化过 程。
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
9
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
Em fm Er (1 fr ) Em Er
18
由复合化理论计算的复合材料特性的上限与下限
19
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
20
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。
AB2O 面心立方 1/8四面体(A)
尖晶石 FeAl2O4, ZnAl2O4,MgAl2O4
4
1/2八面体间隙(B)
面心立方 1/8四面体(A)
反尖晶 FeMgFeO4, MgTiMgO4
1/8八面体间隙(A,B) 石
密排六方 1/2八面体(A)
橄榄石 Mg2SiO4, Fe2SiO4
1/8四面体间隙(B)
31
纯氧化物陶瓷：
工程应用较大，熔点超过2000℃，不氧化，耐高温。 Al2O3（刚玉）—典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温 和高温强度。
ZrO2—使用温度达2000～2200℃，主要用作耐火 坩锅，反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。 有三种晶型：立方结构（C相）、四方结构（t相） 和单斜结构（m相），加入适量的稳定剂后，t相可 以亚稳定状态存在于室温，称部分稳定ZrO2(简称 pst).在压力作用下发生t-m马氏体转变，称应力诱 导相变。这种相变将吸收能量，使裂纹尖端的应力 场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而实现增韧，常用 的稳定剂有MgO、Y2O3等。
12
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
13
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。
d=1nm Vp=0.5
第二相的粒径的＝50nm 第二相体积分数Vp=0.001
2
4
6
8
10
光的传播距离／ｍｍ
26
第三章 原材料及特性
基体材料
氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷：氮化硅陶瓷、氮化硼和氮化钛陶瓷、
碳化硅陶瓷、碳化硼和碳化钛陶瓷、二硅化钼陶瓷
增强体材料
颗粒增强体 纤维增强体
27
按复合效果，复合材料分为：
33
莫来石（3Al2O3·2SiO2~2Al2O3·SiO2), 一般1550～1600℃烧成，纯的莫来石 要在1750 ℃左右才能烧成。
尖晶石（AR2O4，A代表二价元素离子， R代表三价元素），典型的有镁铝尖晶 石。
34
基体材料 — 非氧化物陶瓷
指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物 和硅化物等。自然界比较少，需要人工合 成，是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成 分和晶相，主要由共价键结合而成，也有 一定的金属键成分。
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。
10
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。
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。
11
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
复合法则为：
N
Pc
( Pi )nVi
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
21
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）。
关键避免SiC的形成。 亚胺和胺化物热分解法
SiC(液)+6NH2→Si(NH)3+4NH4Cl 化学气相沉积法
3SiCl3+16NH3→Si3N4+12NH4Cl 或 3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2
17
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：