第四章-硅-复合材料

《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。

然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。

此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。

70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。

这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。

1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。

复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。

例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。

- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。

例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。

- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。

这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。

- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。

例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。

- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。

例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。

1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。

主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。

复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。

复合材料-复习材料及答案复合材料第⼀章1、材料科技⼯作者的⼯作主要体现在哪些⽅⾯？（简答题）①发现新的物质，测试新物质的结构和性能；②由已知的物质，通过新的制备⼯艺，改善其微观结构，改善材料的性能；③由已知的物质进⾏复合，制备出具有优良特性的复合材料。

2、复合材料的定义（名词解释）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。

3、复合材料的分类（填空题）⑴按基体材料分类①聚合物基复合材料；②⾦属基复合材料；③⽆机⾮⾦属基复合材料。

⑵按不同增强材料形式分类①纤维增强复合材料：②颗粒增强复合材料；③⽚材增强复合材料；④叠层复合材料。

4、复合材料的结构设计层次（简答题）⑴⼀次结构：是指由基体和增强材料复合⽽成的单层复合材料，其⼒学性能取决于组分材料的⼒学性能，各相材料的形态、分布和含量及界⾯的性能；⑵⼆次结构：是指由单层材料层合⽽成的层合体，其⼒学性能取决于单层材料的⼒学性能和铺层⼏何（各单层的厚度、铺设⽅向、铺层序列）；⑶三次结构：是指⼯程结构或产品结构，其⼒学性能取决于层合体的⼒学性能和结构⼏何。

5、复合材料设计分为三个层次：（填空题）①单层材料设计；②铺层设计；③结构设计。

第⼆章1、复合材料界⾯对其性能起很⼤影响，界⾯的机能可归纳为哪⼏种效应？（简答题）①传递效应：基体可通过界⾯将外⼒传递给增强物，起到基体与增强体之间的桥梁作⽤。

②阻断效应：适当的界⾯有阻⽌裂纹的扩展、中断材料破坏、减缓应⼒集中的作⽤。

③不连续效应：在界⾯上产⽣物理性能的不连续性和界⾯摩擦出现的现象。

④散热和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界⾯产⽣散射和吸收。

⑤诱导效应：复合材料中的⼀种组元的表⾯结构使另⼀种与之接触的物质的结构由于诱导作⽤⽽发⽣变化。

2、对于聚合物基复合材料，其界⾯的形成是在材料的成型过程中，可分为两个阶段（填空题）①基体与增强体的接触与浸润；②聚合物的固化。

3、界⾯作⽤机理界⾯作⽤机理是指界⾯发挥作⽤的微观机理。

第⼀章概论1、复合材科的定义、组分功能和作⽤：定义：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。

复合后的产物为固体时才称为复合材料，为⽓体或液体不能称为复合材料。

组分：其组分相对独⽴，通常有⼀相连续相，称为基体，另⼀相分散相，称为增强相(增强体)。

功能和作⽤：复合材料既可以保持原材料的特点，⼜能发挥组合后的新特征，可以根据需要进⾏设计，从⽽最合理地达到使⽤所要求的性能。

2、复合材料的命名强调基体，以基体材料的名称为主，如树脂基复合材料，⾦属基复合材料，陶瓷基复合材料等;强调增强体，以增强体材料的名称为主，如玻璃纤维增强复合材料，碳纤维增强复合材料，陶瓷颗粒增强复合材料;基体材料与增强体材料名称并⽤，如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(玻璃钢)。

3、复合材料的分类⽅式按基体材料类型分：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;按增强材料种类分：玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料，有机纤维复合材料，⾦属纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料;按增强材料形态分：连续纤维复合材料，短纤维复合材料，粒状填料复合材料，编制复合材料;按⽤途分：结构复合材料，功能复合材料;4、常⽤的基体材料及各⾃的适⽤范围轻⾦属基体(主要包括铝基和镁基)，⽤于450℃左右;钛合⾦及钛铝⾦属间化合物作基体的复合材料，适⽤温度650℃左右，镍、钴基复合材料可在1200℃使⽤。

5、常⽤热固性基体复合材料：环氧树脂，热固性聚酰亚胺树脂。

常⽤热塑性基体复合材料：聚醚醚酮，聚苯硫醚，聚醚砜，热塑性聚酰亚胺。

常⽤陶瓷基体复合材料：玻璃，氧化物陶瓷，⾮氧化物陶瓷，⽆机胶凝材料;6、玻璃和玻璃陶瓷的定义及不同玻璃是⽆机材料经⾼温熔融、冷却硬化⽽得到的⼀种⾮晶态固体;玻璃陶瓷是将特定组成的玻璃进⾏晶化热处理，在玻璃内部均匀析出⼤量微⼩晶体并进⼀步长⼤，形成致密的微晶相;玻璃相充填于晶界，得到的像陶瓷⼀样的多晶固体材料。

7、氧化物陶瓷有哪些，属于什么结构：氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，主要有Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫来⽯等;8、⾮氧化物陶瓷有：碳化硅，氮化硅。

复合材料姓名：黄福明学号：2015141421022 专业：金属材料工程碳化硅增强体碳化硅纤维是典型的以碳和硅为主要成分的陶瓷纤维，在形态上有晶须和连续纤维两种。

作为先进复合材料最重要的增强材料之一，它具有高温耐氧化性、高硬度、高强度、高热稳定性、耐腐蚀性和密度小等优点。

与碳纤维相比，碳化硅纤维在极端条件下也能够保持良好的性能，故而在航空航天、军工武器装备等高科技领域备受关注，常用作耐高温材料和增强材料。

此外，随着制备技术的发展，碳化硅纤维的应用逐渐拓展到高级运动器材、汽车废烟气除尘等民用工业方面。

一、碳化硅纤维的制备方法碳化硅纤维的制备方法主要有先驱体转化法、化学气相沉积法（CVD)和活性炭纤维转化法三种。

三种制备方法各有优缺点，而且使用不同制备方法得到的碳化硅纤维也具有不同的性能。

1、先驱体转化法先驱体转化法是由日本东北大学矢岛教授等人于1975年研发，包括先驱体合成、熔融纺丝、不熔化处理与高温烧结4大工序。

先驱体转化法制备碳化硅纤维需要先合成先驱体——聚碳硅烷（PCS)，矢岛教授以二甲基二氯硅烷等为原料，通过脱氯聚合为聚二甲基硅烷，再经过高温（450 ～500℃）分解处理转化为聚碳硅烷纤维（PCS），，采用熔融法在250 ～350℃下将PCS纺成连续PCS纤维，然后经过空气中约200℃的氧化交联得到不熔化聚碳硅烷纤维，最后在惰性气氛或高纯氮气保护下1300℃左右裂解得到碳化硅纤维。

先驱体转化法制备原理其实就是将含有目标元素的高聚物合成先驱体，再将先驱体纺丝成有机纤维，然后通过一系列化学反应将有机纤维交联成无机陶瓷纤维。

随着碳化硅制备技术的不断改进，逐渐形成了 3代碳化硅纤维。

第1代碳化硅纤维是以矢岛教授研发的方法制备而成。

由于在制备过程中引入了氧，纤维中的氧质量分数为10%～15%，在高温下碳化硅纤维的稳定性变差，影响了纤维在高温环境下的强度和弹性模量。

因此，为改善这个问题研制初了第 2代碳化硅纤维。

多孔硅基复合材料和石墨烯/硅复合材料的制备及其在锂电池中的应用近年来,随着便携式电子产品的普及和电动汽车的快速发展,高能量密度和大倍率性能的锂离子二次电池的研究引起了人们的广泛关注。

硅作为典型的合金型负极材料,在已知的锂离子电池负极中具有最高的理论比容量(4200 mAh·g-1),被认为是下一代理想的负极候选材料。

但是由于硅充锂时较大的体积膨胀效应和较低的导电率,导致充放电循环稳定性和倍率性能较差,因此限制了硅基负极锂离子电池的商业化应用。

为了解决以上问题,硅的多孔化和石墨烯包覆是两种可行的技术途径。

前者可以为硅的体积膨胀提供充足的内缓冲空间,从而显著提高循环稳定性。

后者依赖于石墨烯优异的导电性,可以显著提高材料的倍率性能,其网状结构也可以承载硅的膨胀,抑制粉化脱落。

本论文在系统调研国内外多孔硅粉制备和石墨烯包覆生长的研究进展基础上,围绕制备方法的简便易行和成本的降低,制备工艺的优化和电池电化学性能的提升,采用铜银双原子金属辅助化学腐蚀法(Metal-assisted chemical etching,MACE)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)、高能球磨法、高温热氧化法等制备工艺,分别制备出碳包覆多孔硅粉(PorousSilicon/C,PSi/C)和石墨烯氧化硅双重包覆硅粉(Si/SiOx/G)两种复合材料,并考察了它们的形貌,结构,电化学等性能,制备了相关的原型器件,取得的创新性成果如下:(1)创新性地提出将铜银双原子MACE法应用于多孔硅粉的制备。

该工艺的优势在于依靠铜银双原子的协同机制,既可以减少了 Ag的使用,降低成本,又可以弥补Cu辅助腐蚀结构不均匀、孔洞不够深入的缺点。

研究发现,反应温度和双氧水浓度的变化均会对多孔硅粉的形貌产生显著影响。

确定恰当的腐蚀参数后,采用高能球磨法进一步缩小粒径,并采用CVD法实现无定形碳的包覆,从而制备出PSi/C复合材料。

4-3.复合材料【教学目标】1.了解常见的复合材料及其用途【引入】1.前面我们学习了金属材料、无机非金属材料、有机合成材料,请指出我们日常生活用品分别用什么材料制造的?2.那么这些材料是否已能完全满足人们生活的需要呢?3.运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富弹性,这三种材料能满足要求吗?4.“神州五号”载人飞船穿过大气层时,外壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温,这些材料又能否经受这种考验而使飞船安然无恙?一、认识复合材料1、传统无机非金属材料的基本特征_________、_________、___________,新型无机非金属材料则具有_______._________。

金属材料分为__________.______________两大类。

复合材料1、定义：复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。

一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优良性能，在综合性能上超过了单一材料。

2、组成：复合材料有两部分组成，一部分为起黏结作用；另一部分称为，起骨架作用。

二、形形色色的复合材料1、复合材料的分类按基体分类：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料按增强体形状分类：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料、纤维增强复合材料2、几种复合材料的比较复合材料基体增强体主要性质玻璃钢合成树脂玻璃纤维强度高，密度小，耐化学腐蚀，绝缘性和机械加工性能好碳纤维增强复合材料合成树脂碳纤维韧性好，强度高，质轻航空复合材料金属最广泛的是碳纤维，还有硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐高温，强度高，导电性好，不吸湿和不易老化航天复合材料陶瓷多为碳纤维、碳化硅纤维或氧化硅纤维耐高温，韧性强例1：复合材料的使用使导弹的射程有了很大提高，其主要原因在于（）A、复合材料的使用可以使导弹能承受超高温的变化B、复合材料的使用可以使导弹的质量减轻C、复合材料的使用可以使导弹承受超强度的改变D、复合材料的使用可以使导弹承受温度剧烈变化例2、复合材料的优点是（）①强度高②质量轻③耐高温④耐腐蚀A、仅①④B、仅②③C、除③外D、①②③④例3、高温结构陶瓷优于金属材料的主要之点是（）A、耐高温、耐腐蚀，不怕氧化B、密度小，硬度大C、韧性好，易于切削、锻打、拉伸D、良好的传热导电性【巩固练习】1、在自然界中以游离态存在的金属是（）A．铁B．金C．钠D．铝2、下列金属中属于黑色金属的是（）A．铁B．金C．银D．铜3、下列金属中不属于货币金属的是（）A．铁B．金C．银D．铜4、下列说法不正确的是（）A．大量使用的不是纯金属而是它们的合金B．目前已制得的纯金属只有90多种，但制得的合金已达几千种C．钢是最纯的铁D．废弃铝质包装既浪费金属材料又造成环境污染5、关于合金性质的说法中，错误的是（）A．多数合金的硬度一般比其各成分金属的硬度高B．多数合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低C．合金的物理性质一般与其各成分金属的的物理性质不同D．合金的化学性质一般与其各成分金属的的化学性质不同6、下列关于合金的叙述中，不正确的是（）A．合金的熔点一般比它的各成分金属的熔点低B．合金的硬度一般比它的各成分金属的大C．合金的性质一般是各成分金属性质的总和D．铝合金在工业上的用途比纯铝更广7、现代建筑的门窗框架，常用电解加工成古铜色的硬铝制造。

硅基复合材料的研制与应用研究第一章硅基复合材料的概述复合材料是指由两种或两种以上的材料组成的复合材料，具有高强度、高刚度、高温耐性和耐腐蚀性等优良性能，而硅基复合材料则是其中一种重要的材料种类。

硅基复合材料广泛应用于航空、航天、电子、机械等领域，已经成为当今世界高技术领域的热门研究方向之一。

第二章硅基复合材料的制备2.1 原材料的选择与准备硅基复合材料的制备首先要选择合适的原材料。

通常选用的原材料包括高纯度的二氧化硅、碳纤维、有机树脂等。

这些原材料在制备前需要进行烘干、热解等处理。

2.2 制备方法硅基复合材料的制备方法有很多种，常见的包括：（1）化学气相沉积法（2）溶胶-凝胶法（3）真空浸渍法（4）电化学沉积法在制备过程中，需要注意原材料的比例、反应温度、反应时间等因素。

同时需要注意加强原材料的预处理，实现复合材料组分之间的化学键合，提高制备材料的性能。

第三章硅基复合材料的应用研究硅基复合材料在航空航天领域的应用硅基复合材料因具有优良的高温、高强度性能，所以在航空航天领域得到广泛应用。

硅基复合材料制成的热解炉外装夹层可以耐高温、耐腐蚀。

制备出来的SiC/TiC/C复合材料也能用于制造发动机内部零部件。

硅基复合材料在电子领域的应用由于硅基复合材料的高温稳定性和良好的机械性能，所以在微电子学领域也得到了广泛应用。

在微电子学领域使用的氮化硅和碳化硅都是硅基陶瓷材料，能在高温下稳定工作。

另外，硅基复合材料中的碳化硅具有非常好的导电性和导热性能，可以用于制造高功率元件。

硅基复合材料在机械领域的应用硅基复合材料具有高强度、高刚度等优良的机械性能，可用于制造机械结构件。

如SiC/TiC/C复合材料可以作为高强度机械零部件旋转部分。

第四章硅基复合材料的未来目前，随着人们对材料要求的不断提高，硅基复合材料也在不断发展。

下一步，硅基复合材料应进一步提高强度、刚度和稳定性等性能，也可以不断开发新型硅基材料，如碳化硅。