第十三章复合材料

1、CompanyLOGO第十三章第十三章 复合材料复合材料第十三章第十三章 复合材料复合材料碳/碳复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料聚合物基复合材料复合材料概述增强材料推荐参考书目：1. 刘雄亚编著，复合材料新进展，化学工业出版社， 2007 ；2. 车剑飞等编，复合材料及其工程应用，机械工业出版社，2006 ；3. 周曦亚编，复合材料，化学工业出版社， 2005 ；4. 冯端著，材料科学导论，科学出版社，1999；5. 江苏省精品课程新材料概论网址：http:/ 复合材料复合材料引言：无处不在的复合材料引言：无处不在的复合材料土房-草增强泥基复合材料 钢筋混凝土建筑框架玻璃钢撑杆复合材料在航

2、天领域中的应用复合材料在航天领域中的应用主货舱门- 碳纤维/环氧树脂压力容器- 凯芙拉纤维/环氧树脂主机隔框和翼梁- 硼/铝复合材料“哥伦比亚号哥伦比亚号”航天飞机航天飞机发动机的喷管- 碳/碳复合材料发动机组传力架- 钛基复合材料机身防热瓦- 陶瓷基复合材料国家技术发明一等奖（国家技术发明一等奖（20042004年）年）“高性能炭高性能炭/ /炭航空制动材料的制备技术炭航空制动材料的制备技术” 黄伯云研制的飞机刹车片黄伯云研制的飞机刹车片复合材料在航天领域中的应用复合材料在航天领域中的应用“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料” 攻克航天飞机隔热瓦隔热瓦技术难关

3、国家技术发明一等奖（国家技术发明一等奖（20042004年）年）复合材料在航空领域的应用复合材料在航空领域的应用复合材料在航空领域的应用复合材料在航空领域的应用法国 “空中客车” 公司生产的A380双层四引擎大型客机，最大可载客量650人复合材料使复合材料使A380A380减重15吨(1) 机翼(2) 垂直尾翼和水平尾翼(3) 地板梁和后承压框(4) 固定机翼前缘(5) 机翼后缘处的襟翼,副翼(6) 机身蒙皮壁板复合材料在化工领域中的应用复合材料在化工领域中的应用复合材料在日常生活中的应用复合材料在日常生活中的应用复合材料在体育用品中的应用球拍颈部融合球拍颈部融合智能压电纤维智能压电纤维复合材

4、料在网球拍上的应用滑雪板在雪上滑行时，雪会产生轻微溶化，因水的“粘性”增加摩擦力。采用疏水性疏水性强的复合材料制成的滑雪板，可提高滑行性能。理想的材料是超高分子聚乙烯。复合材料在滑雪板上的应用Glass fiber web/epoxyGlass fiber ringsLongitudinal carbon fibers/epoxy轻质、高强、高弹性、较低成本、轻质、高强、高弹性、较低成本、低密度及屈服强度低密度及屈服强度 复合材料在撑杆上的应用13.1 复合材料概述13.1.1 复合材料的定义复合材料的定义 由由两种以上两种以上不同的原材料组成，使原不同的原材料组成，使原材料的性能得到充分发挥

5、，并通过材料的性能得到充分发挥，并通过复合化复合化而得到单一材料所不具备的性能的材料。而得到单一材料所不具备的性能的材料。必须由两种以必须由两种以上化学、物理上化学、物理性质不同的材性质不同的材料组合而成料组合而成必须是必须是人造人造的的，是人们根据，是人们根据需要设计制造需要设计制造的材料的材料通过各组分性通过各组分性能的互补可获能的互补可获得单一材料不得单一材料不能达到的能达到的综合综合性能性能复合材料三个必要条件复合材料三个必要条件12313.1 复合材料概述13.1.2 性能特点性能特点1234比强比强度与度与比模比模量高量高化学稳化学稳定性优定性优良（管良（管道）道）减摩、耐减摩、耐

6、磨、自润磨、自润滑性好滑性好（掺入纤（掺入纤维）维）耐热性耐热性高、高高、高韧性、韧性、高抗冲高抗冲击性击性13.1 复合材料概述13.1.3 复合材料的分类复合材料的分类按照按照基体基体分类分类按照按照增强体增强体分类分类13.1 复合材料概述按基体类型分类复合材料复合材料金属基复合材料（如铝基、铜基、镁基和钛基等）金属基复合材料（如铝基、铜基、镁基和钛基等）木基复合材料木基复合材料有机材料基复合材料有机材料基复合材料无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料混凝土基复合材料混凝土基复合材料碳基复合材料碳基复合材料热塑性树脂基热塑性树

7、脂基热固性树脂基热固性树脂基13.1 复合材料概述 按增强体类型分类13.1 复合材料概述v按增强体几何形状分类几何形状几何形状纤维纤维颗粒颗粒板状板状颗粒增强型非连续纤维增强型板状增强型连续纤维增强型13.1 复合材料概述SiC 晶粒 Al2O3 纤维Al2O3板状13.1 复合材料概述13.1 复合材料概述v纤维增强型分类非连续型非连续型短纤维增强型短纤维增强型晶须增强型晶须增强型随机排列随机排列定向排列定向排列按长度按长度连续型连续型 玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、 氧化锆纤维、石英纤维等氧化锆纤维、石英纤维等按种类按种类13.2 增强材

8、料 在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质均称为能的物质均称为增强材料增强材料。 纤维在复合材料中起增强作用，是主要的纤维在复合材料中起增强作用，是主要的承承力力组分，还能减少收缩，提高热变形温度和低温组分，还能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度。冲击强度。 复合材料的性能很大程度上取决于增强材料复合材料的性能很大程度上取决于增强材料的的性能性能、含量含量及及处理方法处理方法。13.2 增强材料v.1 玻璃纤维玻璃纤维将熔化的玻璃以极快的将熔化的玻璃以极快的速度抽拉成细微的丝，速度抽拉成细微的丝，即成为玻璃纤维即成为玻璃纤维

9、。细度在细度在3.83.821.6m, 21.6m, 脆性与直径的四次方成脆性与直径的四次方成正比。正比。13.2 增强材料v质地柔软，可以织成质地柔软，可以织成玻璃布，玻璃带玻璃布，玻璃带。v玻璃纤维增强复合材料的机械强度、物理性玻璃纤维增强复合材料的机械强度、物理性 能、电性能及化学性能与能、电性能及化学性能与玻璃的成分玻璃的成分，直径直径 细度细度有直接关系。有直接关系。玻璃纤维的特点：玻璃纤维的特点：13.2 增强材料v13.2.2 13.2.2 硼纤维硼纤维航空航天领域中，为获得航空航天领域中，为获得高比强度和高比弹性模量高比强度和高比弹性模量，开发新型增强纤维开发新型增强纤维-硼纤

10、维。硼纤维。硼的熔点在硼的熔点在20002000以上，以上，硬度仅次于金刚石。硬度仅次于金刚石。纤维纤维类型类型拉伸强拉伸强度度弹性模弹性模量量比重比重硼纤硼纤维维3.6GPa3.6GPa400GPa400GPa 2.572.57碳纤碳纤维维3.53GPa3.53GPa 370GPa370GPa3 313.2 增强材料硼纤维在航空航天领域的应用效益航天飞机的机身衍架用硼铝复合材料管材制造，取得减重航天飞机的机身衍架用硼铝复合材料管材制造，取得减重20206666的效果。的效果。 航天飞机货仓间隔支柱，可减重航天飞机货仓间隔支柱，可减重4444。 美国美国P&WP&W公司在公司在JT8DJT8D

11、发动机上用硼铝复合材料取代钛合金，发动机上用硼铝复合材料取代钛合金，可减重可减重1010。13.2 增强材料v13.2.3 13.2.3 无机类晶须无机类晶须晶须晶须：截面积小于：截面积小于5.25.21010-4-42 2，长径比在，长径比在101010001000单晶体单晶体。晶体结构完整、内部缺陷较少，其强度和模量均接近完整晶晶体结构完整、内部缺陷较少，其强度和模量均接近完整晶体材料的理论值，是目前发现的固体的体材料的理论值，是目前发现的固体的最强形式最强形式。是长在银、铜等金属上的象霉菌一样的东西，可以从溶液、是长在银、铜等金属上的象霉菌一样的东西，可以从溶液、熔液、固体中生成并生长，

12、也可以通过气相反应来制取。熔液、固体中生成并生长，也可以通过气相反应来制取。13.2 增强材料v13.2.4 13.2.4 碳纤维碳纤维碳纤维特点： 将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在9090以以上的纤维。其质轻而强度高，具有良好的润滑及上的纤维。其质轻而强度高，具有良好的润滑及耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一。耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一。制备方法 原料纤维制造、纤维稳定处理和高温碳化及石墨原料纤维制造、纤维稳定处理和高温碳化及石墨化烧结等工艺过程。化烧结等工艺过程。制备方法制备方法浸渍法浸渍法混合混合法法层叠层叠法法 13.2 增强材料制备方法

13、制备方法lThermoset polymersresin +catalystCureReactionSolidified thermosetMix混合法混合法13.2 增强材料lThermoplastic polymers, Solid Stock or GranulesFinished ProductHeat,Reshape,Mix, etc叠层（层合）法叠层（层合）法13.2 增强材料DippingReinforcementPorous Material浸渍法浸渍法Heat, etc13.2 增强材料13.3 聚合物基复合材料v纤维增强热固性塑料纤维增强热固性塑料v纤维增强热塑性塑料纤维增

14、强热塑性塑料v热塑性塑料由于线胀系数较大、尺寸稳定性较差、刚性、耐疲劳性和某些机械强度尚不能满足结构材料的要求，大多数只能用作通用材料。v20世纪50年代，出现玻纤增强尼龙。60年代大规模生产。（玻璃钢） 13.3 聚合物基复合材料13.3 聚合物基复合材料纤维增强塑料（纤维增强塑料（GFRP）用作输油管道用作输油管道13.3 聚合物基复合材料聚酯和环氧玻璃纤维增强塑料（聚酯和环氧玻璃纤维增强塑料（GFRP）用作储油设备用作储油设备13.3 聚合物基复合材料l 碳纤维增强树脂用于汽车弹簧片碳纤维增强树脂用于汽车弹簧片 13.3 聚合物基复合材料l芳纶纤维增强树脂用于刹车片芳纶纤维增强树脂用于刹

15、车片13.3 聚合物基复合材料l纤维增强热塑性塑料用于电路板纤维增强热塑性塑料用于电路板l芳纶纤维增强塑料用于建筑材料芳纶纤维增强塑料用于建筑材料13.3 聚合物基复合材料l玻璃纤维增强树脂用于采光板玻璃纤维增强树脂用于采光板13.3 聚合物基复合材料13.4 金属基复合材料v铝基复合材料v镁基复合材料为什么会产生金属基复合材料？对材料的强韧性，导电、导热性，耐高温性、 耐磨性等性能都提出了越来越高的要求 要求材料具有更高的比强度和比模量(刚度) 纤维增强聚合物基复合材料不能在300以上温度下工作 聚合物基复合材料耐磨性差，不导电，不导热，在使用期间逐渐老化，变质，尺寸不够稳定。13.4 金属

16、基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料（MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料。其增强材料主要为无机非金属，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。 金属基复合材料制备过程是在高温下进行的，有的还在高温下工作较长时间，因此界面的结合强度起到重要作用。13.4 金属基复合材料13.4.1 铝基复合材料的性能和应用v纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性好等一系列优异性能 ，目前主要用于航天领域，作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。 13.4 金属基复合材料v硼铝复合材料硼铝复合材料 是实际应用最早的金属基复是实际应用最早的金属基复合材料，美国和

17、原苏联的航天飞机中的合材料，美国和原苏联的航天飞机中的机身框机身框架架及及支柱支柱和和起落架拉杆起落架拉杆等都用硼铝复合材料等都用硼铝复合材料制成。制成。13.4 金属基复合材料 石墨铝复合材料石墨铝复合材料 最成功的应用是美国的哈最成功的应用是美国的哈勃望远镜的两个兼作波导管用的长为勃望远镜的两个兼作波导管用的长为3.6m的长方的长方形天线支架，此外还可用于人造卫星或天文望远形天线支架，此外还可用于人造卫星或天文望远镜支架、镜支架、L频带平面天线、人造卫星抛物面天线、频带平面天线、人造卫星抛物面天线、照相机波导管和镜筒、红外反射镜等。照相机波导管和镜筒、红外反射镜等。碳化硅铝复合材料碳化硅铝

18、复合材料主要用作飞机、导弹、发动主要用作飞机、导弹、发动机的高性能结构件机的高性能结构件氧化铝纤维增强铝基复合材料氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是丰最成功的应用是丰田公司用来制造柴油发动机的活塞田公司用来制造柴油发动机的活塞 、如活塞镶圈。、如活塞镶圈。 13.4 金属基复合材料13.4.2 镁基复合材料的性能和应用v 镁基复合材料是同类金属基复合材料中比强度和比模量最高的一种，但由于价格昂贵目前只用于航空航天部门。 v 含硼纤维4045的硼镁复合材料的拉伸强度为11001200MPa，弹性模量220GPa，断裂伸长0.5，泊松比0.25。 13.4 金属基复合材料 加入少量的SiC或

19、Al2O3颗粒在镁或镁合金中，明显提高其耐磨性 ，可用于制造油泵的泵壳体、止推板、安全阀等零部件 。 石墨纤维增强镁基复合材料由于具有最高的比强度和比模量、最好的抗热变形阻力，成为理想的航天结构材料，已被用于制造卫星的10m直径的抛物面天线及其支架 。 具有零膨胀系数的石墨/镁复合材料可用于航天飞机的大面积蜂窝结构蒙皮材料 。13.4 金属基复合材料v陶瓷复合材料以其具有的高强度、高模量、低密陶瓷复合材料以其具有的高强度、高模量、低密度、耐高温和良好的韧性等，已在高速切削工具度、耐高温和良好的韧性等，已在高速切削工具和内燃机部件上得到应用。和内燃机部件上得到应用。 SiCw增韧的细颗粒Al2O3陶瓷复合材料已成功用于工业生产制造切削刀具，我国研制生产的SiCw/ Al2O3复合材料刀具切削镍基合金时，不但刀具使用寿命增加，而且进刀时和切削速度也大大提高。 13.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料用于火陶瓷基复合材料用于火箭喷管及燃烧室内壁箭喷管及燃烧室内壁l 固体发动机燃烧室与喷管部件固体发动机燃烧室与喷管部件13.5 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料用作滑动构件陶瓷基复合材料用作滑动构件13.5 陶瓷基复合材料13.6 碳/碳复合材料v 以碳为基体，利用以