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1、2023/4/17,1,复合材料,Composite Material,工程材料多媒体课件,2023/4/17,2,一 概 述（一）、复合材料的概念由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。,例如：钢筋水泥、泥浆中拌稻草、现代的玻璃钢等,2023/4/17,3,（二）复合材料的发展历史和意义 1、复合材料的发展历史 6000年前人类用稻草加粘土作为建筑复合材料；水泥复合材料广泛应用于高楼大厦和河堤大坝等；20世纪40年代，美国用碎布酚醛树脂代替木材制备枪托，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢），这是现代化复合材料。,2023/
2、4/17,4,2、复合材料的意义：现代高科技的发展离不开复合材料。,2023/4/17,5,火箭壳体材料对射程的影响：,2023/4/17,6,2023/4/17,7,复合材料在航空中的应用,2023/4/17,8,航空发动机涡轮叶片材料发展趋势,2023/4/17,9,（二）、复合材料的分类 1按照基体材料分（1）非金属基复合材料,2按增强材料形态分（1）纤维增强复合材料（2）粒子增强复合材料（3）叠层复合材料,玻璃纤维增强高分子复合材料,（2）金属基复合材料,2023/4/17,10,3：按复合材料性能分类：,氧化铀基钨纤维复合材料,2023/4/17,11,（三）、复合材料的性能,1、性
3、能的可设计性：一定范围内具有可设计性,2、比强度高b/d、比模量大 E/d,2023/4/17,12,3、抗疲劳和破断安全性良好,基体与增强纤维的界面能够有效的阻止疲劳裂纹扩展或改变裂纹的扩展方向。,例：一般金属材料：-10.40.5 b碳纤维增强复合材料：-10.7-0.8 b,破断安全性好：纤维增强复合材料不可能所有的增强纤维同时断裂，构件不会发生突然破坏。,热压SiC纤维补强微晶玻璃拉伸断口,2023/4/17,13,4、高温性能好：,多数增强纤维高温下保持高强度，显著提高耐高温性能,例：707576铝合金。400时，E0，b从500MPa降至3050MPa；碳纤维增强复合后400时，E
4、和b接近于室温时的水平。,2023/4/17,14,目前：聚合物基复合材料：最高耐温为350C；金属基复合材料：使用温度3501100C；陶瓷基复合材料：使用温度可达1400C；碳/碳复合材料：使用温度最高2800C。,2023/4/17,15,5、减振性能好,i 避免自振ii 纤维分基体的界面吸收振动能量。结构自振频率与材料的比模量成正比，复合材料比模量高，故其自振频率高，故避免在工作条件下发生共振。例：同样尺寸形状的梁，金属9S停止振动，纤维复合材料则需2.5S。,热压SiC纤维增强Si3N4复合材料SEM,2023/4/17,16,6:存在的问题：（1）某些性能要进一步改进，例抗冲击性能
5、；（2）手工操作多，工艺复杂，效率低，质量不稳定；（3）价格高，增强纤维价格太高。,SiC纤维增强复合材料界面SEM,2023/4/17,17,二、增强材料及其增强机制,（一）增强材料,1、纤维增强材料：增强效果最明显、应用最广泛.,基体：各种金属和非金属材料；增强材料：各种纤维。,2023/4/17,18,纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关,纤维在基体中的不同分布方式,2023/4/17,19,纤维的种类：,玻璃纤维：用量最大、价格最便宜,碳纤维：化学性能与碳相似。,硼纤维：耐高温、强度、弹性模高,金属纤维：成丝容易、弹性模量高。,陶瓷纤维：高温、高强复合材料。,2023/4/1
6、7,20,聚酰胺纤维:强度、弹性模量高，耐热。,聚乙烯纤维:韧性极好，密度非常小。,晶须：极高强度材料。,晶须：直径小于30m，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形。,SiC晶须,陶瓷的截面与强度 MPa,2023/4/17,21,2、颗粒增强材料颗粒增强金属基复合材料：颗粒增强材料是陶瓷，如Al2O3,SiC,WC,TiC等。高聚物中的填料：填料为分散相，聚合物为连续相,组成复合材料。可以改善力学性能，提高耐磨性、耐热性能等。例：塑料中加入陶土、碳酸钙等，提高硬度、强度。常用的填料有：石墨、MgO、SiO、高岭土、碳酸钙等,2023/4/17,22,（二）纤维增强的增强机制:,为达到强化
7、目的，必须满足下列条件：1)增强纤维的强度、弹性模量应远远高于基体；2)纤维和基体之间应有一定的结合强度；3)纤维的排列方向要和构件的受力方向一致；4)纤维和基体之间不发生使结合强度降低的化学反应；5)纤维和基体的热膨胀系数应匹配；6)纤维所占的体积分数，纤维长度L和直径d及长径比 L/d等必需满足一定要求。,2023/4/17,23,1、弥散强化复合材料的增强机制 基体将主要承受载荷，而弥散均匀分布的增强粒子将阻碍导致基体塑性变形的位错运动或分子链运动。,（三）粒子增强型的增强机制:弥散强化的复合材料：粒子直径d一般为0.010.1m，粒子体积分数v1%5%；颗粒增强的复合材料：粒子直径d为
8、150m，体积分数v20%。,2023/4/17,24,2、颗粒增强复合材料的增强机制 用金属或高分子聚合物为粘接剂，把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成，既具有陶瓷的高硬度及耐热性，又具有脆性小、耐冲击等优点。颗粒增强：改善材料的耐磨性或综合的力学性能。,2023/4/17,25,三、常用的复合材料（一）、纤维增强复合材料 1常用增强纤维 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar有机物纤维等。,玻璃纤维纸,2023/4/17,26,（1）玻璃纤维 由熔融的玻璃经拉丝制成纤维。,缺点：脆性较大、耐热性低，250以上开始软化。优点：价格低廉
9、、制取方便。,2023/4/17,27,随着碱量的增加，玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降低。,根据玻璃纤维中Na2O和K2O的含量,2023/4/17,28,（2）碳纤维 型碳纤维：人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等），在200300空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下于10001500的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量Wc85%95%。,型碳纤维：在25003000氩气中进行石墨化处理，获得含碳量为Wc98%以上的碳纤维，又称石墨纤维或高模量碳纤维,2023/4/17,29,与玻璃纤维相比,缺点：脆性大、易氧化,弹性模量为玻璃纤维的4-6倍；1500惰性气体中强度不变
10、，-180低温脆性不增加。,2023/4/17,30,2023/4/17,31,聚合物复合材料的力学性能,2023/4/17,32,（3）硼纤维 它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝上而制得。具有高熔点（2300）、高强度（24502750MPa）、高弹性模量（3.84.9105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。缺点：密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵。,2023/4/17,33,（4）碳化硅纤维 用碳纤维作底丝，通过气相沉积法而制得。具有高熔点、高强度、高弹性模量。优良的高温强度，1100时强度仍高达2100MPa。,（5）Kevlar有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）特点：
11、比强度、比模量高；强度达28003700MPa；密度小，只有1.45 g/3；耐热性比玻璃纤维好。优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。,2023/4/17,34,较环氧树脂基体性能大幅度提高，比强度高得多。,2纤维树脂复合材料,2023/4/17,35,（1）玻璃纤维树脂复合材料 亦称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢。1）热塑性玻璃钢 由20%40%的玻璃纤维和60%80%的热塑性树脂（如尼龙、ABS等）组成，具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低热膨胀系数。,玻璃钢汽车保险杠,2023/4/17,36,2)热固性玻璃钢 由60%70%玻璃纤维（或玻璃布）和30%40%热固性树脂（环氧、聚
12、酯树脂等）组成。优点：密度小、强度高，耐蚀性、绝缘性、绝热性好；吸水性、防磁，易加工成型。缺点：弹性模量低，热稳定性不高，300以下工作。,2023/4/17,37,玻璃钢景观,2023/4/17,38,（2）碳纤维树脂复合材料 常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。优点：高强度、高弹性模量、高比强度和比模量，还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐蚀性及耐热性。缺点：纤维与基体结合力低。,（3）硼纤维树脂复合材料 主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。优点：高的比强度、比模量，良好的耐热性。缺点：各向异性明显。,2023/4/17,39,（4
13、）碳化硅纤维树脂复合材料 由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料，具有高的比强度、比模量。,（5）Kevlar纤维树脂复合材料 由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。性能特点：抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维环氧树脂复合材料相似；延性好，与金属相当；其耐冲击性超过碳纤维增强塑料；其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金；减振能力为钢的8倍。,2023/4/17,40,3纤维金属（或合金）复合材料增强纤维：高强度、高模量的脆性纤维；碳、硼、碳化硅纤维。金属基体：高韧性及低屈服强度的金属；铝、钛、铜、镍、镁、银、铅等合金。,2023/4/17,41,金属基复合材料的性能,2023/4/17,
14、42,纤维增强金属基复合材料（MMC）用在高温工作环境。,作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。,MMC的SEM照片,2023/4/17,43,航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架,MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而降低，在一定程度上限制了MMC的应用范围。,2023/4/17,44,4纤维陶瓷复合材料 陶瓷材料韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。,C/C复合材料,Si/Si复合材料,2023
15、/4/17,45,用碳（或石墨）纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅度提高陶瓷的冲击韧性和抗热振性，降低脆性，而陶瓷又能保护碳（或石墨）纤维在高温下不被氧化。这类材料具有很高的强度和弹性模量。,2023/4/17,46,陶瓷基复合材料的力 位移曲线,2023/4/17,47,2023/4/17,48,（二）叠层复合材料 叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。,1双层金属复合材料 性能不同的两种金属用胶合或铸造、热压、焊接、喷涂等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。,简易恒温器,2023/4/17,49,金属+金属复合管,金属+陶瓷复合管,2023/4/17,50,2塑料金属多层复合材
16、料 典型代表：SF型三层复合材料。,C22+铝+钢,2023/4/17,51,3其它多层复合材料,2023/4/17,52,（三）粒子增强型复合材料,粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。,弥散强化复合材料（d=0.010.1m,v=1%15%）,依据颗粒的大小和体积分数，分为：,2023/4/17,53,聚合物基粒子复合材料：如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成木材)等。陶瓷基粒子复合材料：如氧化锆增韧陶瓷等。,2023/4/17,54,金属基粒子复合材料：又称金属陶瓷 由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷，称作硬质合金。通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。作为工具材料。,
