当前课程知识点:材料学概论 > 第11讲 复合材料和生物材料 > 11.2 增强材料和基体材料 > 11.2.1 复合材料中增强材料与基体材料的匹配
那么第四个问题
我讲讲复合材料当中
增强材料与基体材料的匹配
那么第一个问题
讲几种复合材料的典型结构
第二个问题讲骨骼
就是纤维增强的天然复合材料
第三个问题
讲各种增强纤维
力学性能的比较
那么第四个问题讲
复合材料中应保证增强材料
与基体材料当中的匹配
这是三种典型的
复合材料的结构
第一个是层压复合材料
第二个是纤维复合材料
第三是颗粒复合材料
这是三种
前面我们都讲过
我们现在举这么个例子
就是说以人的骨骼来讲
以人的骨骼来讲
因为人的骨骼就是
可以说人的身体就是
天然的复合材料所组成的
浑身上下都是天然的复合材料
从头发开始都是天然的
复合材料
那我们
我们支撑身体
最重要的机构是骨骼来讲
它就是一种天然的复合材料
因为这个骨骼当中
百分之六七十的
都是什么
都是羟基磷灰石
这是骨骼的主体
那么这个羟基磷灰石
它是什么形成的
或者说从一个幼儿长到成人
他这个骨骼是怎么长大的
怎么长大的
我们看看这个
这个骨骼的组成
它是个复合材料
其中这个骨骼当中30%以上的
是什么
是由胶原所组成的
胶原所组成的
胶原的作用负责
给骨骼的生长提供养料
提供养料
养料不断的给骨骼去
然后这个骨骼的形成
也要靠胶原的催化
开始这个骨骼要依附于
胶原之上
最后自己独立起来
加入到骨骼以后
骨骼它的养分
需要胶原不断的给它输送
开始长的这个骨骼
是附着在胶原之上
最后逐渐的转移到骨骼
当中去
因此
大自然当中的复合材料
比我们人造的一些复合材料
功能又全又巧妙又科学
那么胶原有不同的层次
有不同的层次
通过这个图最上面看
骨骼当中有绞丝状
胶原分子构成聚合结构的
示意图
它是绞丝状的
最基础的是绞丝状的胶原分子
由绞丝状的胶原分子
组成微胶原纤维
微胶原纤维要组成亚胶原纤维
亚胶原纤维又构成
胶原纤维束
是这么个层次
我们看看绞丝状的胶原分子
在这个图的下边
最下边
它是三股绞在一块的
三股绞在一块的
三股绞在一块
它又分由64为一节
280纳米 64纳米为一节
280纳米为一环
一个绞丝状的一个绞丝状的
当然这里边
这种白的是α1 黑的是α2
两个α1一个α2
两个α1一个α2
它这是绞丝状的胶原分子
这种绞丝状又组成
微胶原纤维再组成亚胶原纤维
再组成胶原纤维束
我刚才讲了
这种胶原是非常有作用的
要养料骨骼 生长所需要的
那些成分
我们姑且叫做养料
这些养料要通过这个胶原束
给它输送 输送完了以后
它自己又生长
比方说羟基磷灰石这些
开始长它要附着在
这个胶原束上
随着增厚 不让增厚
再转移到骨骼上去
因此这个天然的复合材料
它是天然的
它是有结构的
它是有结构的
好 那么这张图又是
各种拉伸强度
弹性模量等等
这张图我就讲碳纤维
这个碳纤维它是处在
两边领头的位置
一种是拉伸强度 很高
也是碳纤维
弹性模量也很高也是碳纤维
而且碳本身的相对密度
又非常低
因此由碳纤维跟碳
如果组成复合材料
叫做碳碳复合材料
它的比模量比强度
肯定是最高的
特别是碳纤维我们讲
这个碳纤维要组成
由碳纤维组成碳碳复合材料
还有什么优点
我们可以想想还有什么优点
碳 强度高 模量大
升华温度高
化学性能非常稳定
耐冲击 不怕烧蚀 抗疲劳
因此这个碳碳复合材料
目前是整个的复合材料的
佼佼者
如果我们刚才说
刚才那个胶原纤维
骨骼胶原纤维
非常科学
是非常巧妙是非常有灵性
那么这个碳纤维
是在整个的功能方面
是佼佼者
因此这个碳碳纤维
是目前复合材料的
可以说发展的比较高的
比较高的一个水平
注意我们在纤维材料增强材料
跟基体材料综合的时候
要考虑到各种各样的
性能的匹配这个非常重要
性能的匹配非常重要
要考虑各种性能
这里边是一个
热膨胀系数 热膨胀系数
二者的热膨胀系数
不能差别很大
如果差别很大
在升温降温的过程当中
就会受比较大的应力
比方说我们现在用的一些材料
在这个
在这个电子当中用的
电子当中用的材料
复合材料
无非是两大类
一类是印制电路板
过去叫做印刷电路板
第二个就是封装芯片的
环氧塑封料
这两个都是典型的复合材料
我们知道印制电路板是
怎么做的
它本身肯定是复合材料
它是怎么做的
当然有的同学讲了
是由覆铜箔板
然后凝固刻蚀出来的
那个里边的印制电路板
有机层是什么
是玻璃纤维加环氧树脂
玻璃纤维加环氧树脂
我们知道环氧树脂的
热膨胀系数是高的
玻璃热膨胀系数是低的
当然外边加上覆铜板
也是复合材料
注意
选这个玻璃纤维的时候
一定要选热膨胀系数低的
玻璃纤维
不能选含钾含钠的
高硼玻璃 高铝玻璃这些
热膨胀系数低
跟玻璃纤维
跟环氧树脂
才能匹配起来
另外印制电路板
好多的印制电路板
从覆铜箔板过来
都是对称的
中间加一层
上边是个铜板
底下是铜板
现在很少用这边是铜板
底下是
玻璃纤维板
为什么
就考虑热膨胀系数
如果热膨胀温度一高了
两边铜也膨胀底下铜也膨胀
还保持水平的
如果做成两层高了
就是双金属片了
温度高了这样 温度低了这样
就会有变形 有变形
所以从选材上
要用第一 热膨胀系数的玻璃
叫做(E)玻璃
要选用不含钾不含钠的
玻璃做玻璃纤维
第二条 在结构上要做到对称
尽量对称
这是我们讲的印制电路板
再一个重要的用途
就是那个环氧塑封料 EMC
EMC 环氧塑封料
就是芯片要封起来
我们打开
电子元气叫做手机
我们看到印制电路板上
有好多黑的方块的
有的出来像鸟翼状的
表面贴装 贴在表面上的
表面是个黑的方块
实际上芯片在里边
芯片在里边 芯片很少
像小指甲盖这么大
8乘8的 8毫米乘8毫米的
那么实际上
这个芯片引脚很多
现在有几千个引脚的了
那这个东西
裸芯片是不行
必须拿环氧塑封料给它封装住
当然这个环氧塑封料有很多
很多功能的
这些功能都是复合材料
来起作用的
它是用什么复合材料
所组成的
我们做这个东西的三大类
一个是溶剂一个是黏结剂
一个是填料
填料就是二氧化硅
填料就是二氧化硅
最后那个黏结剂
是个环氧树脂
复合材料
它是什么增强的
不叫增强的是颗粒
二氧化硅颗粒跟环氧树脂
典型的复合材料
那么我们知道
环氧塑封料
起什么作用
整个的 或者封装
起什么作用
首先我得保证这里边
电器连接 物理保护 应力缓和
散热防潮 要规格化
要保护芯片等等
有好多功能
这些功能都是由复合材料
来发挥的
但是现在有个问题
环氧树脂的热膨胀系数很大
芯片本身热膨胀系数
要比环氧树脂要小
如果环氧树脂跟芯片
弄到一块 压到一块去
一升温一降温一升温一降温
芯片裂了
那怎么办
往里加东西 加什么
加二氧化硅
注意 二氧化硅的热膨胀系数
比芯片的热膨胀系数还小
比环氧树脂就更小了
芯片的热膨胀系数
在二氧化硅和环氧树脂的
热膨胀系数之间
注意它在它二者之间
我就可以把二氧化硅的量
跟环氧树脂的量配合起来
这俩加权平均
加的结果跟芯片的
热膨胀系数相一致
你看这复合材料的作用
就起了
它相一致
相一致 升温降温
升温降温 芯片上受应力
就很小了
这样就保护
起到保护芯片的作用
同时往里加上二氧化硅以后
不吸潮 不吸潮
它的化学性能非常稳定
也有一定的硬度和强度
对这个芯片保护的话
起很大的作用
这就是我举的两个例子
一个例子是在印制电路板上
第二个例子是环氧塑封料上
这都是
复合材料在电子当中的应用
第三个应用
就是大量用的电子浆料
注意 在电子材料当中
用的大量的电子浆料
哪些浆料 太阳能电池
典型的太阳能电池
用大量的电子浆料
底下要是铝浆 表面上是银浆
铝浆要求什么
要求铝浆一定跟硅本身
要烧到一块去
要烧到一块去
那么铝浆里面要添材料
要跟硅表面氧化物
或者氮化物烧到一块去
表面上银浆
要含银量越高越好
印上它要直上直下的
不能滩不能散不能渗不能流
你如果滩了散了渗了流了
太阳光射下来以后
又挡住太阳光了
电池的效率就低了
那么它是由复合材料所组成的
它的基体是什么
也是环氧树脂
当然还有其他一些树脂了
其他一些树脂了等等
往往是有机材料
基体是金属
基体是金属
金属要连接起来好导电
要保证
它不滩不散不流不渗
那么当然得很多的技术
技术诀窍在这里边
底下要跟硅
烧到一块去
它里面除了
除了金属以外
还得掺一些别的
比方说掺一些玻璃
低熔点的玻璃
这里边很多技术问题
这就是我举的三个例子
一个是印制电路板
一个是环氧塑封料
一个是电子浆料
这都是
复合材料的最新的发展
也是跟高新技术有直接关系的
最新的发展
不是现在有印刷电子学
大电子学
印刷电子学是什么
就是不用光刻了
直接印刷图形
大电子学是什么
像是大电视机
太阳能电池 大显示屏
尺寸很大 叫大电子学
(Large Electronics)
有的人翻译成
大型电子学
不 它是个特有名词
叫做大电子学
跟那个(Hard Electronics)
是一样的 叫做硬电子学
硬电子学是什么
温度非常高
到1200度还能做半导体来用
三极管二极管
把这个叫硬电子学
把这个Large Electronics
叫大电子学
这个大电子学是什么
这些图形
完全是靠印刷出来的
光刻 不用光刻
印刷就可以了
印刷印的东西都是
复合材料
只不过是功能复合材料而已
它不是我们传统的
增强增韧 疲劳
这些东西
它是一个电 光 声这些
都是复合材料
所以复合材料
发展领域非常广
但是你要想
很好的理解复合材料
在复合材料上有所作为
必须在前边的金属材料
陶瓷材料 粉体材料
聚合物材料
都得了解的比较透彻才行
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准--作业
-1.2 材料的作用
--1.2.7 “制造材料者制造技术”,材料可以“以不变应万变”
-1.2 材料的作用--作业
-1.3 材料科学与工程四面体
-1.3 材料科学与工程四面体--作业
-1.4 材料与创新
--1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料
-1.4 材料与创新--作业
-本讲作业--作业
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布
--2.1.3 原子的核外电子排布(1)——量子数和电子轨道
--2.1.4 原子的核外电子排布(2)——电子排布的三个准则
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布--作业
-2.2 元素周期表反映元素的规律性
--2.2.1 核外电子排布的应用(1)——碳的sp3、sp2、sp杂化
--2.2.2 核外电子排布的应用(2)——四面体键的奇妙之处
--2.2.3 核外电子排布的应用(3)——电子授受及元素氧化数变化
--2.2.4 核外电子排布的应用(4)——过渡族元素和难熔金属
-2.2 元素周期表反映元素的规律性--作业
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素--作业
-本讲作业--作业
-3.1 材料性能与组织结构的关系
-3.1 材料性能与组织结构的关系--作业
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体--作业
-本讲作业--作业
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢--作业
-4.2 金属材料的组织结构
-4.2 金属材料的组织结构--作业
-4.3 铸锭及其组织
-4.3 铸锭及其组织--作业
-本讲作业--作业
-5.1 金属材料的加工
-5.1 金属材料的加工--作业
-5.2 钢材的热处理
--5.2.4 钢的淬火(quenching)(1)——加热和急冷的选择
--5.2.5 钢的淬火(quenching)(2)——增加淬透性和防止淬火开裂
-5.2 钢材的热处理--作业
-5.3 钢的强化机制
--5.3.6 合金钢(2)——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢
-5.3 钢的强化机制--作业
-本讲作业--作业
-6.1 粉体材料的性能
--6.1.1 粉体及其特殊性能(1)——小粒径和高比表面积
--6.1.2 粉体及其特殊性能(2)——易流动性和高分散性
--6.1.3 粉体及其特殊性能(3)——低熔点和高化学活性
--6.1.4 粉体的特性及测定(1)——粒径和粒径分布的测定
--6.1.5 粉体的特性及测定(2)——密度及比表面积的测定
--6.1.6 粉体的特性及测定(3)——折射率和附着力的测定
-6.1 粉体材料的性能--作业
-6.2 粉体的加工与处理
-6.2 粉体的加工与处理--作业
-6.3 粉体的应用
--6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善
-6.3 粉体的应用--作业
-6.4 纳米材料
-6.4 纳米材料--作业
-本讲作业--作业
-7.1 陶瓷材料的定义和分类
-7.1 陶瓷材料的定义和分类--作业
-7.2 坯体成型
--7.2.2 陶瓷成型工艺(1)——旋转制坯成型和注浆成型
--7.2.3 陶瓷成型工艺(2)——干压成型、热压注成型和等静压成型
--7.2.4 陶瓷成型工艺(3)——挤压成型、注射成型和流延成型
-7.2 坯体成型--作业
-7.3 陶瓷烧结
-7.3 陶瓷烧结--作业
-7.4 陶瓷材料的结构
-7.4 陶瓷材料的结构--作业
-7.5 结构陶瓷
--7.5.1 结构陶瓷及应用(1)——Al2O3和Zr02
--7.5.2 结构陶瓷及应用(2)——TiO2、BeO和AlN
-7.5 结构陶瓷--作业
-7.6 功能陶瓷
--7.6.4 功能陶瓷及应用(3)——微波器件、传感器和超声波马达
-7.6 功能陶瓷--作业
-本讲练习--作业
-8.1 玻璃的发展简史
-8.2 玻璃的定义和特征
-8.3 玻璃的加工
-8.1-8.3 小节练习--作业
-8.4 建筑及高铁用玻璃
--8.4 建筑及高铁用玻璃--作业
-8.5 高技术玻璃
-8.5 高技术玻璃--作业
-本讲练习--作业
-9.1 何谓高分子和聚合物
-9.1 何谓高分子和聚合物--作业
-9.2 聚合物的合成
-9.2 聚合物的合成--作业
-9.3 从结构层次看聚合物
-9.3 从结构层次看聚合物--作业
-本讲练习--作业
-10.1 高分子材料性能与加工
--10.1.8 聚合物的成形加工及设备(1)——压缩模塑和传递模塑
--10.1.9 聚合物的成形加工及设备(2)——挤出成型和射出成型
--10.1.10 聚合物的成形加工及设备(3)——塑料薄膜和纤维丝制造
-10.1 高分子材料性能与加工--作业
-10.2 胶粘剂和涂料
-10.2 胶粘剂和涂料--作业
-本讲练习--作业
-11.1 复合材料的定义和分类
-11.1 复合材料的定义和分类--作业
-11.2 增强材料和基体材料
-11.2 增强材料和基体材料--作业
-11.3 复合材料的应用
-11.4 天然复合材料
-11.5 生物材料
-11.3-11.5 节练习--作业
-本讲练习--作业
-12.1 磁性的来源
--12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系
-12.1 磁性的来源--作业
-12.2 磁性材料的分类
-12.2 磁性材料的分类--作业
-12.3 磁畴和磁滞回线
-12.3 磁畴和磁滞回线--作业
-12.4 软磁材料与硬磁材料
-12.4 软磁材料与硬磁材料--作业
-本讲练习--作业
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件--作业
-13.2 薄膜制备——PVD法
-13.2 薄膜制备——PVD法--作业
-13.3 薄膜制备——CVD法
-13.3 薄膜制备——CVD法--作业
-13.4 薄膜的加工
--13.4.2 反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)
-13.4 薄膜的加工--作业
-13.5 薄膜材料的应用
-13.5 薄膜材料的应用--作业
-本讲作业--作业


