第9章 复合材料

1、由两种或两种以上物理、化学性质不同由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成的材料称为复合材料。的物质，经人工合成的材料称为复合材料。它具有各组成材料综合性能。它具有各组成材料综合性能。第九章 复合材料复合材料汽车复合材料汽车镁合金复合材料汽车镁合金复合材料汽车第九章 复合材料纤维陶瓷复合材料刹车片纤维陶瓷复合材料刹车片高高分分子子复复合合材材料料第九章 复合材料纤维增强网管第九章 复合材料弹弹性性高高级级纤纤维维增增强强耐耐压压管管第九章 复合材料高高分分子子复复合合材材料料第九章 复合材料一、复合材料的种类一、复合材料的种类1 1按性能分按性能分功能复合材料：处于初始研制阶段功能

2、复合材料：处于初始研制阶段结构复合材料：大量研制和应用结构复合材料：大量研制和应用第一节 复合材料种类及性能2 2按基体分按基体分非金属基复合材料非金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料第一节 复合材料种类及性能3 3按增强剂种类和形状分按增强剂种类和形状分颗粒复合材料颗粒复合材料层状复合材料层状复合材料纤维增强复合材料纤维增强复合材料a. a.玻璃纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料b. b.碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料c. c.硼纤维硼纤维d. d.晶须等。晶须等。第一节 复合材料种类及性能二、复合材料性能特点二、复合材料性能特点1 1比强度和比模量高比强度和比模量高2 2抗疲

3、劳性能好抗疲劳性能好3 3减振能力强减振能力强4 4耐高温性能好耐高温性能好5 5断裂安全性好断裂安全性好6 6化学稳定性好化学稳定性好7 7具有特殊性能具有特殊性能8 8复合材料的不足复合材料的不足第一节 复合材料种类及性能一、车用复合材料一、车用复合材料( (一一) )纤维增强塑料纤维增强塑料纤维增强塑料纤维增强塑料(FRP)(FRP)基体是塑料，承基体是塑料，承受载荷的主要是增强相纤维，而增强相受载荷的主要是增强相纤维，而增强相纤维处于基体之中，彼此隔离，表面受纤维处于基体之中，彼此隔离，表面受到基体的保护，塑性和韧性较好的基体到基体的保护，塑性和韧性较好的基体能阻止裂纹的扩展，并对纤维

4、起到黏结能阻止裂纹的扩展，并对纤维起到黏结作用，复合材料的强度大大提高。作用，复合材料的强度大大提高。第二节 复合材料的应用及前景1.FRP1.FRP的组成的组成纤维纤维有玻璃纤维、碳纤维和陶瓷短纤有玻璃纤维、碳纤维和陶瓷短纤维等；维等；树脂树脂有聚丙烯塑料有聚丙烯塑料PPPP、聚乙烯塑料、聚乙烯塑料PVCPVC、聚二烯塑料、聚二烯塑料PEPE、ABSABS等不饱和热塑性等不饱和热塑性树脂等；树脂等；填充料填充料常用中空的玻璃微球、陶瓷微常用中空的玻璃微球、陶瓷微球和有机物微球。球和有机物微球。第二节 复合材料的应用及前景玻璃纤维玻璃纤维第二节 复合材料的应用及前景玻璃纤维第二节 复合材料的应

5、用及前景2. 2. 典型典型FRPFRP玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料以玻璃纤维为增强剂，以树脂为黏结剂以玻璃纤维为增强剂，以树脂为黏结剂( (基体基体) )而制成的，俗称玻璃钢。玻璃钢力学性而制成的，俗称玻璃钢。玻璃钢力学性高、介电、耐热和抗老化性能好，工艺性好，高、介电、耐热和抗老化性能好，工艺性好，强度和疲劳性能高，冲击韧度高，抗蠕变能强度和疲劳性能高，冲击韧度高，抗蠕变能力高；密度小、强度高，介电性、耐蚀性，力高；密度小、强度高，介电性、耐蚀性，易成型。易成型。第二节 复合材料的应用及前景玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料第二节 复合材料的应用及前景在汽车发动机气缸盖等部位采用了玻璃在

6、汽车发动机气缸盖等部位采用了玻璃纤维强化热塑性树脂纤维强化热塑性树脂, ,比用铸铁制造的同样部比用铸铁制造的同样部件的重量件的重量减轻减轻45%45%；汽车底盘采用；汽车底盘采用GFRPGFRP，其，其重量比钢铁材料重量比钢铁材料减轻减轻80%80%。第二节 复合材料的应用及前景碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料(CFRP)(CFRP)基体树脂主要有热固性的酚醛树脂、环基体树脂主要有热固性的酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和热塑性的聚四氟乙烯。氧树脂、聚酯树脂和热塑性的聚四氟乙烯。增强相为碳纤维。弹性模量比玻璃纤维高出增强相为碳纤维。弹性模量比玻璃纤维高出4 45 5倍，强度也略高，密度更小。在倍，强度

7、也略高，密度更小。在-65-65105105温度范围内，无伸缩现象。静电屏蔽性温度范围内，无伸缩现象。静电屏蔽性好、好、X X射线透过性好，能导电；射线透过性好，能导电；CFRPCFRP振动衰振动衰减快、振动传递小，因此非常适合于制造汽减快、振动传递小，因此非常适合于制造汽车，可以说是最理想的汽车轻量化材料。车，可以说是最理想的汽车轻量化材料。第二节 复合材料的应用及前景碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料第二节 复合材料的应用及前景CFRPCFRP材料的缺点材料的缺点伸长率小、纤维和树脂之间易发生层间伸长率小、纤维和树脂之间易发生层间分离；分离；CFRPCFRP与金属接触点上有电化学腐蚀。与金属接触

8、点上有电化学腐蚀。第二节 复合材料的应用及前景用用FRPFRP制作汽车部件制作汽车部件利用利用FRPFRP制作的汽车部件有挡泥板、行李制作的汽车部件有挡泥板、行李箱盖、散热器前装饰护栅、带加强筋的发动箱盖、散热器前装饰护栅、带加强筋的发动机罩、车顶盖、保险杠、侧密封、下盖板、机罩、车顶盖、保险杠、侧密封、下盖板、车箱后围板装饰、前照灯壳体等；发动机室车箱后围板装饰、前照灯壳体等；发动机室内的蓄电池槽、汽缸盖罩、配电盘、轴承盖、内的蓄电池槽、汽缸盖罩、配电盘、轴承盖、空气调节阀等；驾驶室内的仪表板芯、仪表空气调节阀等；驾驶室内的仪表板芯、仪表罩壳等。罩壳等。FRPFRP制件轻，节能效果好。制件轻

9、，节能效果好。第二节 复合材料的应用及前景发动机复合材料隔音隔振垫发动机复合材料隔音隔振垫第二节 复合材料的应用及前景复合材料隔音垫复合材料隔音垫第二节 复合材料的应用及前景车门密封条车门密封条车顶饰条车顶饰条第二节 复合材料的应用及前景行李箱盖板行李箱盖板第二节 复合材料的应用及前景行李箱盖板行李箱盖板第二节 复合材料的应用及前景帕萨特帕萨特B5GPB5GP盖板盖板第二节 复合材料的应用及前景 ( (二二) )金属基复合材料金属基复合材料(MMC)(MMC)由低强度、高韧性的基体和高强度、高由低强度、高韧性的基体和高强度、高弹性模量的纤维组成的。基体大多采用铝、弹性模量的纤维组成的。基体大多

10、采用铝、铜、铝合金、铜合金、镁合金和镍合金。增铜、铝合金、铜合金、镁合金和镍合金。增强材料一般为纤维状、颗粒状和晶须状的碳强材料一般为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝和碳纤维，具有高的强度化硅、硼、氧化铝和碳纤维，具有高的强度和弹性模量和弹性模量( (抵抗变形及断裂抵抗变形及断裂) )、高抗磨性、高抗磨性( (防防止表面损伤止表面损伤) )与高化学稳定性与高化学稳定性( (防止与空气和基防止与空气和基体发生化学反应体发生化学反应) )。第二节 复合材料的应用及前景纤维增强型纤维增强型a. a.比强度、比刚性高。重量下降。比强度、比刚性高。重量下降。b. b.耐热性等热学性能提高；耐热

11、性等热学性能提高；c. c.热传导和电导性优良；热传导和电导性优良；d. d.耐磨性提高。耐磨性提高。第二节 复合材料的应用及前景FRMFRM材料在汽车上用来制造的活塞环、材料在汽车上用来制造的活塞环、连杆、汽缸体、活塞销等。连杆、汽缸体、活塞销等。第二节 复合材料的应用及前景颗粒、晶须增强型颗粒、晶须增强型基体大多数是铝、镁和钛合金，应用较基体大多数是铝、镁和钛合金，应用较多的是铝基复合材料。增强材料为碳化硅、多的是铝基复合材料。增强材料为碳化硅、碳化硼、氧化铝颗粒或晶须，以碳化硼、氧化铝颗粒或晶须，以SiCSiC为主。颗为主。颗粒、晶须增强金属基复合材料除了用于军事粒、晶须增强金属基复合材

12、料除了用于军事工业，如制造轻质装甲、导弹飞翼和直升机工业，如制造轻质装甲、导弹飞翼和直升机部件外，主要用于汽车工业，如发动机汽缸部件外，主要用于汽车工业，如发动机汽缸活塞、喷油嘴部件、制动装置等。活塞、喷油嘴部件、制动装置等。第二节 复合材料的应用及前景3. 3.纤维增强陶瓷纤维增强陶瓷(FRC)(FRC)陶瓷具有耐高温、抗氧化、高弹性模量陶瓷具有耐高温、抗氧化、高弹性模量和高抗压强度等优点，但脆性大，纤维增强和高抗压强度等优点，但脆性大，纤维增强陶瓷陶瓷(FRC)(FRC)则是利用纤维克服陶瓷脆性的有效则是利用纤维克服陶瓷脆性的有效方法。方法。利用纤维承受载荷可提高断裂强度；利用纤维承受载荷

13、可提高断裂强度；利用纤维阻止裂纹的扩展提高断裂韧性；利用纤维阻止裂纹的扩展提高断裂韧性；分散裂纹的扩展使断裂面积增大和利用纤分散裂纹的扩展使断裂面积增大和利用纤维的拉伸增大断裂能等。维的拉伸增大断裂能等。第二节 复合材料的应用及前景目前目前FRCFRC有碳纤维系有碳纤维系FRCFRC、陶瓷纤维系、陶瓷纤维系FRCFRC、晶须纤维系、晶须纤维系FRCFRC。国外在汽车发动机上。国外在汽车发动机上已有许多零件采用已有许多零件采用FRCFRC。第二节 复合材料的应用及前景三、复合材料的发展三、复合材料的发展1. 1.宏观向微观宏观向微观所谓微观复合材料，包括均质材料在加所谓微观复合材料，包括均质材料

14、在加工过程中内部析出增强相和剩余基体相构成工过程中内部析出增强相和剩余基体相构成的原位复合材料或微纤维增强复合材料，也的原位复合材料或微纤维增强复合材料，也包括用纳米复合材料以及用刚度及强度较高包括用纳米复合材料以及用刚度及强度较高的棒状分子增强的分子增强材料。的棒状分子增强的分子增强材料。第二节 复合材料的应用及前景2. 2.双元向多元双元向多元 所谓多元混杂包括在混杂的纤维增强体所谓多元混杂包括在混杂的纤维增强体中再加入颗粒填料，基体也可用混合体，如中再加入颗粒填料，基体也可用混合体，如采用共混高聚物等，甚至还可混杂其他属性采用共混高聚物等，甚至还可混杂其他属性的材料。的材料。3. 3.结

15、构复合材料向与功能复合材料并重的局面结构复合材料向与功能复合材料并重的局面发展发展第二节 复合材料的应用及前景4. 4.被动向主动被动向主动目前使用的人工材料基本上属于被动材目前使用的人工材料基本上属于被动材料，即在外界环境作用下，材料只能做出被料，即在外界环境作用下，材料只能做出被动响应。目前正在致力于研究具有主动性的动响应。目前正在致力于研究具有主动性的材料，这类材料基本上是把敏感材料作为传材料，这类材料基本上是把敏感材料作为传感器，与把执行作用的材料作为驱动器的支感器，与把执行作用的材料作为驱动器的支持材料复合在一起，成为机敏持材料复合在一起，成为机敏( (智能智能) )复合材料。复合材

16、料。然后与外接电路装置构成系统，因此也成为然后与外接电路装置构成系统，因此也成为机敏机敏( (智能智能) )系统。系统。第二节 复合材料的应用及前景5. 5.常规向仿生常规向仿生生物材料绝大多数是复合材料，通过对生物材料绝大多数是复合材料，通过对它们的分析、归纳和仿造是非常有效的复合它们的分析、归纳和仿造是非常有效的复合材料设计手段。材料设计手段。第二节 复合材料的应用及前景如风力发电机和直升飞机的旋翼，其结如风力发电机和直升飞机的旋翼，其结构为内层是硬泡沫塑料，中层是玻璃纤维增构为内层是硬泡沫塑料，中层是玻璃纤维增强复合材料，外层是刚度、强度高的碳纤维强复合材料，外层是刚度、强度高的碳纤维复

17、合材料。这就是借鉴骨骼的中心为疏松的复合材料。这就是借鉴骨骼的中心为疏松的泡沫组织，中层是质地较柔韧的骨纤维与骨泡沫组织，中层是质地较柔韧的骨纤维与骨质素的复合体，而外层是质地坚硬的骨纤维质素的复合体，而外层是质地坚硬的骨纤维含量高的骨表组织。含量高的骨表组织。6. 6.复合材料具有可设计性。复合材料具有可设计性。第二节 复合材料的应用及前景一、复合材料一、复合材料是由两种或两种以上的性质不同的材料是由两种或两种以上的性质不同的材料组合起来的多相材料。一般是由一种强度低组合起来的多相材料。一般是由一种强度低塑性好的基体材料，再加上一种强度高脆性塑性好的基体材料，再加上一种强度高脆性大的增强材料

18、所组成。具有其组成材料本身大的增强材料所组成。具有其组成材料本身所没有的优越性能。所没有的优越性能。小结二、复合材料分类方法二、复合材料分类方法1. 1.按性能分有功能复合材料和结构复合材料；按性能分有功能复合材料和结构复合材料；2. 2.按基体分有非金属基和金属基复合材料；按基体分有非金属基和金属基复合材料；3. 3.按增强剂的种类和形状分有颗粒、层状、纤按增强剂的种类和形状分有颗粒、层状、纤维增强复合材料。目前使用最多的是纤维复维增强复合材料。目前使用最多的是纤维复合材料。合材料。小结三、复合材料性能特点三、复合材料性能特点1. 1.比强度和比模量高；比强度和比模量高；2. 2.抗疲劳性能好；抗疲劳性能好；3. 3.减振能力强；减振能力强；4. 4.耐高温性能好；耐高温性能好；5. 5.断裂安全性好；断裂安全性好；6. 6.化学稳定性好。化学稳定性好。小结7.