gc11 复合材料课件

1、第十一章第十一章 复合材料复合材料1.复合材料的定义和分类复合材料的定义和分类2.复合材料的性能特点复合材料的性能特点3.复合材料的应用复合材料的应用在现代工程中对材料的要求越来越苛刻，特别是在航天、航海及交通运输领域。例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。通常高强度材料的密度也高，增大强度或刚度则会降低材料的韧性。第一节概述第一节概述复合材料复合材料 两种或者两种以两种或者两种以上的不同性质的材料，上的不同性质的材料，通过不同的工艺方法人通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。工合成的多相材料。复合材料是一种由基体matrix 和增强相reinforce

2、d phase 组成的多相材料，通常基体为连续相，而增强相为分散相。复合材料金属材料、高分子材料、陶瓷材料颗粒增强材料、纤维增强材料、片状增强材料特点特点复合材料既保持组复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，成材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性。又具有组合后的新特性。n泥土稻草n水泥钢筋例例1：建筑材料（复合材料的应：建筑材料（复合材料的应用）用）二、复合材料的分类二、复合材料的分类纤纤维维增增强强复复合合材材料料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料叠层叠层复合复合材料材料三、复合材料中的增强材料增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等（一

3、）纤维增强材料密度g/cm3抗拉强度GPa拉伸模量100GPa比强度106N.m/kg比模量106N.m/kg无碱玻璃纤维2.553.400.711.3328高强度碳纤维（II）1.742.422.161.39124高模量碳纤维（I）2.002.233.751.12188Kevlar491.442.801.261.9488硼纤维2.362.753.821.17162SiC纤维（钨芯）2.693.434.801.28178钢丝7.744.202.000.5426钨丝19.404.104.100.2121钼丝10.202.203.600.2235常用增强纤维与金属丝性能对比n玻璃纤维u 由熔融玻璃

4、经拉丝制成纤维；u 密度2.42.7，与铝相近，弹性模量低于金属，但比强度和比模量高；u 耐热性好，软化温度550580；u 耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性；u 不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等；u 制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。n 碳纤维u 将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成wC90%以上的纤维；u 密度低、强度和模量高；u 高、低温性能好（1500，-180）；u 化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导电性、自润滑性好；u 缺点：脆性大，易氧

5、化，与基体结合力差。n 硼纤维u 将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属丝纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维；u 熔点高（2300）；u 强度、弹性模量高；u 良好的耐蚀性；u 缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高；u 不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。n 芳纶纤维u 亦称Kevlar纤维，是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类纤维；u 密度小，比强度、比弹性模量高；u 抗拉强度比玻璃纤维高45，韧性好；u 耐热性好，能在290下长期作用；u 优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。n 碳化硅纤维u 是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺

6、纱，经烧结而得；u 是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤维，主要用于增强金属和陶瓷；u 优良的高温强度，在1100时强度仍高达2100MPa。n 主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；n 陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产；n 在聚合物中添加不同的填料，构成以填料为分散相、聚合物为连续相的复合材料，可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能等。（二）颗粒增强材料碳黑和白碳黑（Si2C无定形微粉，呈白色，具有类似碳黑的增强作用，故称之）可明显提高橡胶的强度、硬度和弹性模量；石墨、银粉、铜粉等可改善塑料的导电性；Fe

7、2O3磁粉可改善塑料的导磁性；MoS2可提高塑料的自润滑性；空心玻璃微珠可减小塑料的密度并提高其耐热性。第二节 复合材料的性能1比强度和比模量高比强度和比模量高 例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。2抗疲劳性能好抗疲劳性能好 例如碳纤维-聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70-80，而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的3050。3减振性能好减振性能好 纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相同的梁，金属梁9s停止振动，碳纤维复合材料制成的梁2.5s就可停止振动。4高温性能好高温性能好 一般铝合金在400500时弹性

8、模量急剧下降，强度也下降。碳或硼纤维增强的铝复合材料，在上述温度时，其弹性模量和强度基本不变。此外，复合材料还有较好的减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工艺性等。艺性等。u颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分布在基体中，基体承受载荷，而增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动（金属基体）或分子链运动（高聚物基体）。u增强颗粒大小会直接影响增强效果：d过大（0.1m）易引起应力集中而降低强度；d过小（0.01m）则接近于固溶体结构，不起颗粒增强作用。一般颗粒直径为d=0.010.1 m。二、增强机制二、增强机制n 纤维是具有强结合键的物质或硬质材料；n 纤维处于基体中，表面

9、受到基体的保护不易损伤，也不易在受载过程中产生裂纹，承载能力增大；n 当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。纤维断裂裂纹扩展方向n 当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。n 纤维的强度和弹性模量应远高于基体；n 纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂；n 纤维的排列方向要与构件的受力方向一致；n 纤维与基体的热胀系数应匹配；n 纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应；n 纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比

10、等必须满足一定要求。 三、复合材料界面的结合三、复合材料界面的结合1) 1) 机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹机械机械结合。基体与增强材料之间不发生化学反应，纯粹机械连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现。连结，靠纤维的粗糙表面与基体产生摩擦力而实现。2) 2) 溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。散和溶解，形成结合。界面是溶质原子的过渡带。3) 3) 反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物

11、，使基体和增强材料结合在一起。化合物，使基体和增强材料结合在一起。4) 4) 交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合交换反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，还通过扩散发生元素交换，形成固溶体。物，还通过扩散发生元素交换，形成固溶体。5) 5) 混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是混合结合。这种结合较普遍，是最重要的一种结合方式。是以上几种结合方式中几个的组合。以上几种结合方式中几个的组合。 界面的控制方法有以下几类：一、一、 改变强化材料表面的性质；改变强化材料表面的性质；二、向基体添加特定的元素二、向基体添加特定的元素三、强化材料的表面涂层三、强

12、化材料的表面涂层界面的控制 第三节 常用复合材料n树脂基复合材料n金属基复合材料n陶瓷基复合材料 一、树脂基复合材料分类 1. 1. 以基体性质分类以基体性质分类 热固性树脂复合材料热固性树脂复合材料 热塑性树脂复合材料热塑性树脂复合材料 橡胶类复合材料橡胶类复合材料 2. 2. 按增强相类型分类按增强相类型分类 分为纤维增强、晶须增强、层片增强、分为纤维增强、晶须增强、层片增强、颗粒增强等聚合物基复合材料。颗粒增强等聚合物基复合材料。 使用最广泛的是纤维增强塑料。按纤使用最广泛的是纤维增强塑料。按纤维的性质可以把塑料基复合材料分为：维的性质可以把塑料基复合材料分为：u玻璃纤维增强塑料玻璃纤维

13、增强塑料u碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料u硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料u碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料基体材料：热固性塑料、热塑性塑料基体材料：热固性塑料、热塑性塑料（一）玻璃纤维增强塑料（一）玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢。按照塑俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为：料的性质可以分为：热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢热固性玻璃钢热固性玻璃钢1、热塑性玻璃钢、热塑性玻璃钢由体积分数为由体积分数为2040%的的玻璃纤维与玻璃纤维与6080%的热塑性的热塑性树脂组成。树脂组成。具有高强度和高冲击韧性，具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低的热胀系良好的低温性能及低的热胀系数。数。 热塑性玻璃钢应用：热塑

14、性玻璃钢应用： 尼龙尼龙6666玻璃钢玻璃钢 刚度、强度、减摩性刚度、强度、减摩性好，作轴承、轴承架、齿轮等精密件、电工好，作轴承、轴承架、齿轮等精密件、电工件、汽车仪表、前后灯等件、汽车仪表、前后灯等 ABSABS玻璃钢玻璃钢 化工装置、管道、容器等化工装置、管道、容器等 聚苯乙烯玻璃钢聚苯乙烯玻璃钢 汽车内装饰、收音汽车内装饰、收音机机壳、空调叶片等机机壳、空调叶片等 聚碳酸酯玻璃钢聚碳酸酯玻璃钢 耐磨件、绝缘仪表耐磨件、绝缘仪表等等 2、热固性玻璃钢、热固性玻璃钢由体积分数为由体积分数为6070%的玻璃纤的玻璃纤维与维与3040%的热固性树脂组成。的热固性树脂组成。主要特点：密度小、强度

15、高、比主要特点：密度小、强度高、比强度超过一般的高强钢，耐腐蚀、绝强度超过一般的高强钢，耐腐蚀、绝缘、绝热等。但弹性模量低，在缘、绝热等。但弹性模量低，在300以下使用。以下使用。主要用于制造自重轻的受力构件主要用于制造自重轻的受力构件和要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。和要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。 热固性玻璃钢应用：热固性玻璃钢应用： 主要用于主要用于机器护罩、车辆车身机器护罩、车辆车身 绝缘抗磁仪表绝缘抗磁仪表 耐蚀耐压容器和管道耐蚀耐压容器和管道 各种形状复杂的机器构件和车辆配件各种形状复杂的机器构件和车辆配件 环氧树脂玻璃钢显微组织环氧树脂玻璃钢显微组织 酚醛树脂玻璃钢齿轮酚醛树脂

16、玻璃钢齿轮（二）碳纤维增强塑料（二）碳纤维增强塑料n 组成组成由碳纤维与聚脂、酚由碳纤维与聚脂、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。树脂组成的复合材料。碳纤维特点：碳纤维特点： 碳是六方结构晶体碳是六方结构晶体( (石墨石墨) )，共价键结，共价键结合；合； 比玻璃纤维强度更高，弹性模量高几比玻璃纤维强度更高，弹性模量高几倍；倍； 高温、低温性能好，很高的化学稳定高温、低温性能好，很高的化学稳定性、导电性；低的摩擦系数；性、导电性；低的摩擦系数； 脆性大，与树脂的结合力不如玻璃纤脆性大，与树脂的结合力不如玻璃纤维，表面氧化处理可改善其与基体的结合力。维，表面氧化处

17、理可改善其与基体的结合力。n 特点特点v 低密度、高强度、高弹性模低密度、高强度、高弹性模量、高比强度和比模量。量、高比强度和比模量。v 优良的抗疲劳性能、耐冲击优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐热性。性、耐腐蚀和耐热性。n 缺点缺点碳纤维和基体结合强度低，碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。各向异性严重。n应用应用性能优于玻璃钢，主要用性能优于玻璃钢，主要用于航天和航空工业中制作飞机于航天和航空工业中制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。材料等。（三）硼纤维增强塑料（三）硼纤维增强塑料n 组成组成 由硼纤维与

18、环氧、聚由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合酰亚胺等树脂组成的复合材料。材料。n 特点特点v 高比强度和比模量；高比强度和比模量；v 良好的耐热性；良好的耐热性；v 缺点是各向异性严重。缺点是各向异性严重。n 应用应用 主要用于航天和航空主要用于航天和航空工业中要求高刚度的构件，工业中要求高刚度的构件，如飞机机身，机翼等。如飞机机身，机翼等。（四）碳化硅纤维增强塑料（四）碳化硅纤维增强塑料n 组成组成 由碳化硅纤维与环氧由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。树脂组成的复合材料。n 特点特点v 高比强度和比模量；高比强度和比模量；v 抗拉强度接近碳纤维抗拉强度接近碳纤维环氧树环氧树脂复合材料

19、，但抗压强度是其脂复合材料，但抗压强度是其两倍；两倍；v 碳化硅碳化硅环氧树脂复合材料是环氧树脂复合材料是一种很具有发展前途的新型材一种很具有发展前途的新型材料。料。n 应用应用 主要用于宇航器上的结主要用于宇航器上的结构，比金属轻构，比金属轻30%。还可以。还可以制作飞机的门、降落传动装制作飞机的门、降落传动装置、机翼等等。置、机翼等等。风力发电叶片风力发电叶片呼吸器气瓶（2）、金属基复合材料）、金属基复合材料v目前是机械工程中用量最大目前是机械工程中用量最大的一类材料。的一类材料。v塑性，韧性，硬度，弹性模塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但仍不能满足要量比较高。但仍不能满足要求，一直在改

20、进。求，一直在改进。金属基复合材料分类金属基复合材料分类主要应用的金属基复合材料：主要应用的金属基复合材料： 纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料 塑料塑料金属多层复合材料金属多层复合材料 纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料 基体材料：基体材料：铝合金、镁合金、钛合金、铝合金、镁合金、钛合金、镍合金镍合金 增强纤维：增强纤维：硼纤维、碳化硅纤维、氧化硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、高强度金属丝。铝纤维、高强度金属丝。 硼纤维、陶瓷纤维、碳纤维等增强相都硼纤维、陶瓷纤维、碳纤维等增强相都是无机非金属材料，密度低、强度和模量高，是无机

21、非金属材料，密度低、强度和模量高，耐高温性好。耐高温性好。 这类复合材料有比强度高、比模量高和这类复合材料有比强度高、比模量高和耐高温等优点。耐高温等优点。纤维增强金属基复合材料适合制造：纤维增强金属基复合材料适合制造：航天飞机主舱骨架支柱、发动机叶航天飞机主舱骨架支柱、发动机叶片、尾翼、空间站结构材料；片、尾翼、空间站结构材料；汽车构件、保险杠、活塞连杆汽车构件、保险杠、活塞连杆自行车车架、体育运动器械自行车车架、体育运动器械 细粒和晶须增强金属基复合材料细粒和晶须增强金属基复合材料 一、组成 基体材料：基体材料：铝、镁、和钛合金铝、镁、和钛合金 增增 强强 相：相：碳化硅、碳化硼、氧化铝细

22、碳化硅、碳化硼、氧化铝细粒或晶须粒或晶须 典型材料典型材料 SiCSiC增强铝合金增强铝合金 细粒和晶须增强金属基复合材料是目前细粒和晶须增强金属基复合材料是目前应用最广泛的一类金属基复合材料。应用最广泛的一类金属基复合材料。 二、细粒和晶须增强金属基复合材料 特点及应用 具有极高的比强度和比模量。具有极高的比强度和比模量。 军工行业军工行业 如轻质装甲、导弹飞翼如轻质装甲、导弹飞翼 航空工业航空工业 飞机部件飞机部件 汽车工业汽车工业 发动机活塞、制动件、发动机活塞、制动件、喷油嘴件喷油嘴件陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 一、分类 颗粒增韧复合材料颗粒增韧复合材料: Al: Al2 2O O3 3-TiC-TiC颗粒颗粒 晶须增韧复合材料晶须增韧复合材料: SiC-Al: SiC-Al2 2O