《材料化学导论》课程授课教案（讲稿）第22讲 7.4-7.5陶瓷基复合材料、树脂基复合材料

第22讲87.4陶瓷基复合材料材料化学导论课程教案7.4陶瓷基复合材料（CMC）【目的要求】通过本讲课程的学习，了解陶瓷基复合材料，尤其碳-碳复合材料的性能、制造工艺和应用，树脂基复合材料的分类、特点及应用。本讲课的教学强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用，提高学生的学习兴趣。【重】点】碳-碳复合材料的性能，树脂基复合材料的分类和特点。【难点】碳-碳复合材料的性能，制造工艺。【本讲课程的内容】7.4.1陶瓷基复合材料概述陶瓷基复合材料的主要目的之一是提高陶瓷的韧性。发展趋势：远不如聚合物和金属基复合材料发展的快。制约因素：高温增强材料出现的较晚；制造过程都涉及到高温，制备工艺较为复杂，而且由于陶瓷基体与增强材料的热膨胀系数的差异，在制备过程中以及在之后的使用过程中易产生热应力。发展的成本昂贵。陶瓷基体：目前CMC的基体主要有玻璃陶瓷（如锂铝硅玻璃、硼硅玻璃）和氧化铝、碳化硅、氮化硅等。采用的增强材料有碳化硅纤维、碳纤维，碳化硅晶须、碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等。典型的CMC有SiC/SiC、Cg/SiC、SiCw/Al03、SiCw/SigN4、SiCp/Al2O3、SiCp/SigN4以及氧化锆增韧氧化铝等。7.4.2碳-碳复合材料（一）、碳-碳复合材料的性能1）优异的力学性能强度和刚度都很高，能承受极高的温度和极高的加热速度，尤其是当温度升高时，其强度不降反升。碳-碳复合材料是目前唯一能用于2800℃高温的复合材料。2）具有碳材料特有的耐烧蚀、抗热震、高导热率和低膨胀系数3）碳在所有的材料中生物相容性最好，可用于生物材料4）具有优异的摩擦磨损性，当摩擦温度升高到1000℃以上，摩擦性能仍保持平稳，这是其他材料不具备的

§7.4 陶瓷基复合材料 材料化学导论课程教案 第 22 讲 §7.4 陶瓷基复合材料（CMC） 【目的要求】通过本讲课程的学习，了解陶瓷基复合材料，尤其碳-碳复合材料的性能、制造 工艺和应用，树脂基复合材料的分类、特点及应用。本讲课的教学强调基础理论的应用，注 意启发学生，加强学生对基础理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念， 让学生充分感受到学有所用，提高学生的学习兴趣。 【重 点】碳-碳复合材料的性能，树脂基复合材料的分类和特点。 【难 点】碳-碳复合材料的性能，制造工艺。 【本讲课程的内容】 7.4.1 陶瓷基复合材料概述 陶瓷基复合材料的主要目的之一是提高陶瓷的韧性。 发展趋势：远不如聚合物和金属基复合材料发展的快。 制约因素：高温增强材料出现的较晚；制造过程都涉及到高温，制备工艺较为复杂，而 且由于陶瓷基体与增强材料的热膨胀系数的差异，在制备过程中以及在之后的使用过程中易 产生热应力。发展的成本昂贵。 陶瓷基体：目前 CMC 的基体主要有玻璃陶瓷（如锂铝硅玻璃、硼硅玻璃）和氧化铝、 碳化硅、氮化硅等。 采用的增强材料有碳化硅纤维、碳纤维，碳化硅晶须、碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等。 典型的 CMC 有 SiCf /SiC、Cf /SiC、SiCw/ Al2O3、SiCw/Si3N4、SiCp / Al2O3、SiCp /Si3N4 以及氧化锆增韧氧化铝等。 7.4.2 碳-碳复合材料 （一）、碳-碳复合材料的性能 1）优异的力学性能 强度和刚度都很高，能承受极高的温度和极高的加热速度，尤其是当温度升高时，其强 度不降反升。碳-碳复合材料是目前唯一能用于 2800℃高温的复合材料。 2）具有碳材料特有的耐烧蚀、抗热震、高导热率和低膨胀系数 3）碳在所有的材料中生物相容性最好，可用于生物材料 4）具有优异的摩擦磨损性，当摩擦温度升高到 1000℃以上，摩擦性能仍保持平稳，这 是其他材料不具备的

第 22 讲87. 4 陶瓷基复合材料材料化学导论课程教案5）良好的化学稳定性，碳是耐腐蚀性最好的材料之一，如做各种反应器，喷气发动机的进气部件及火箭推进系统。但其造价高，主要用于一般复合材料不能胜任的场合，且其抗氧化性较差。（二）、碳-碳复合材料的制备工艺：碳纤维树脂诚访青预成型体【无瓶热解化学波相漫溃树脂沥青气加工固花加压碳化RTA美花碳一碳石曼花检测碳复合材料图9-5碳-碳复合材料制造基本工艺流程（三）、碳-碳复合材料的应用1）军事和航天方面2）飞机制动和发动装置应用3）机械制造业4）生物医学87.5树脂基复合材料7.5.1聚合物基体分类和特点作用：聚合物基体在复合材料中可以固结分散的增强体以形成复合材料整体和赋予制件形状，保护增强体不受或少受环境的不利影响，在复合材料受力时向增强体传递载荷使他们发挥承力功能，决定复合材料的加工性能。合物基体分类：热固性树脂和热塑性树脂两类，热固性树脂特点：受热会软化，发生分子链的交联反应。这种固化反应使其由线性转化为体型高分子结构，成为不熔不溶状态。上述反应为不可逆反应。冷却后再受热它不会变软和熔化，遇强热则会分解破坏。热固性树脂包括：环氧树脂、不饱和聚酯树脂、热固性酚醛树脂等。热塑性树脂特点：可以反复热软化（或熔化）和冷却凝固。热塑性树脂是线性高分子化合物。以它为基体的复合材料能采用塑料加工的类似工艺来加工，如注射、模塑等工艺热塑性树脂包括：聚酰亚胺、双马来酰亚胺、热塑性酚醛树脂、聚醚醚酮等

§7.4 陶瓷基复合材料 材料化学导论课程教案 第 22 讲 5）良好的化学稳定性，碳是耐腐蚀性最好的材料之一，如做各种反应器，喷气发动机的 进气部件及火箭推进系统。 但其造价高，主要用于一般复合材料不能胜任的场合，且其抗氧化性较差。 （二）、碳-碳复合材料的制备工艺： （三）、碳-碳复合材料的应用 1）军事和航天方面 2）飞机制动和发动装置应用 3）机械制造业 4）生物医学 §7.5 树脂基复合材料 7.5.1 聚合物基体分类和特点 作用：聚合物基体在复合材料中可以固结分散的增强体以形成复合材料整体和赋予制件 形状，保护增强体不受或少受环境的不利影响，在复合材料受力时向增强体传递载荷使他们 发挥承力功能，决定复合材料的加工性能。 聚合物基体分类：热固性树脂和热塑性树脂两类。 热固性树脂特点：受热会软化，发生分子链的交联反应。这种固化反应使其由线性转化 为体型高分子结构，成为不熔不溶状态。上述反应为不可逆反应。冷却后再受热它不会变软 和熔化，遇强热则会分解破坏。 热固性树脂包括：环氧树脂、不饱和聚酯树脂、热固性酚醛树脂等。 热塑性树脂特点：可以反复热软化（或熔化）和冷却凝固。热塑性树脂是线性高分子化 合物。以它为基体的复合材料能采用塑料加工的类似工艺来加工，如注射、模塑等工艺。 热塑性树脂包括：聚酰亚胺、双马来酰亚胺、热塑性酚醛树脂、聚醚醚酮等

$7. 4 陶瓷基复合材料材料化学导论课程教案第22讲7.5.2填料填料是高分子复合材料的重要部分，为改进高聚物的某项或某儿项性能而加入的物质。1.无机物粒子一般无机物粒子做填料，多是提高材料的刚性、强度、耐磨性和尺寸稳定性为目的。如为了改善耐磨性可以用二硫化钼和石墨，为了提高刚性，尺寸稳定性可采用滑石，碳酸钙等。2.纤维（1）玻璃纤维及其织物玻璃纤维的强度很高，比天然纤维或化学纤维高5-30倍。玻璃纤维是常用的填料之一，它对高聚物有突出的增强效应，也称为增强填料。（2）碳纤维和石墨纤维由碳基物质或纤维在惰性气氛中经高温碳化即可制成碳纤维和石墨纤维。（3）碳化硅纤维及其他无机纤维如氧化铝，硼纤维等（4）金属纤维金属纤维有钨、钼，不锈钢、铝等，主要是利用拉丝加工而成。（5）芳香胺纤维3.晶须晶须指的是从溶液、熔液、蒸汽或固相中成长的直径为微米数量级的针状或发状单晶用显微镜观察发现其形状如猫的胡须，故命名为晶须。晶须几乎无位错，即近乎纯晶体的单晶，其强度接近理想晶体的理论强度，常做增强材料来用。7.5.3PMC的应用（一）、在航天和火箭上的应用（二）、在航空领域的应用（三）、在交通运输等领域中的应用【本讲课程的小结】本讲课主要讨论了（1）陶瓷基复合材料；（2）聚合物基复合材料。【本讲课程的作业】【本讲课程的思考题】

§7.4 陶瓷基复合材料 材料化学导论课程教案 第 22 讲 7.5.2 填料 填料是高分子复合材料的重要部分，为改进高聚物的某项或某几项性能而加入的物质。 1. 无机物粒子 一般无机物粒子做填料，多是提高材料的刚性、强度、耐磨性和尺寸稳定性为目的。如 为了改善耐磨性可以用二硫化钼和石墨，为了提高刚性，尺寸稳定性可采用滑石，碳酸钙等。 2. 纤维 （1）玻璃纤维及其织物 玻璃纤维的强度很高，比天然纤维或化学纤维高 5-30 倍。玻璃纤维是常用的填料之一， 它对高聚物有突出的增强效应，也称为增强填料。 （2）碳纤维和石墨纤维 由碳基物质或纤维在惰性气氛中经高温碳化即可制成碳纤维和石墨纤维。 （3）碳化硅纤维及其他无机纤维 如氧化铝，硼纤维等 （4）金属纤维 金属纤维有钨、钼，不锈钢、铝等，主要是利用拉丝加工而成。 （5）芳香胺纤维 3. 晶须 晶须指的是从溶液、熔液、蒸汽或固相中成长的直径为微米数量级的针状或发状单晶， 用显微镜观察发现其形状如猫的胡须，故命名为晶须。 晶须几乎无位错，即近乎纯晶体的单 晶，其强度接近理想晶体的理论强度，常做增强材料来用。 7.5.3 PMC 的应用 （一）、在航天和火箭上的应用 （二）、 在航空领域的应用 （三）、在交通运输等领域中的应用 【本讲课程的小结】 本讲课主要讨论了（1）陶瓷基复合材料；（2）聚合物基复合材料。 【本讲课程的作业】 【本讲课程的思考题】