材料工程基础第十三章

材料工程基础第十三章第1页，共44页，2023年，2月20日，星期五《材料工程基础》

第三篇高分子材料与复合材料的制备和加工工艺李岩北航材料学院，2005年12月第2页，共44页，2023年，2月20日，星期五第十三章复合材料

（COMPOSITE）13.1概念13.2弥散增强复合材料13.3颗粒增强复合材料13.4/5纤维增强复合材料及成形工艺13.6夹层结构13.7功能复合材料第3页，共44页，2023年，2月20日，星期五13.1复合材料的概念

国际标准化组织：“由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体。”天然复合材料：木材＝纤维素（柔）＋木质素（刚）骨骼＝胶原蛋白（柔）＋磷灰石（刚）早期人造复合材料：泥土＋草（建材）第4页，共44页，2023年，2月20日，星期五近代“复合材料”是指人造材料！复合材料＝基体组元＋增强体/功能组元例如：混凝土＝水泥＋砂石性能取决于：两相的性能、比例、界面及增强体的几何特征等。按用途分类结构复合材料，功能复合材料第5页，共44页，2023年，2月20日，星期五结构复合材料按不同增强相分类第6页，共44页，2023年，2月20日，星期五结构复合材料按不同基体分类第7页，共44页，2023年，2月20日，星期五功能复合材料

除力学性能以外，还提供其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料。可实现的功能特性：导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、放热。第8页，共44页，2023年，2月20日，星期五13.2弥散增强复合材料

(Dispersionstrengthenedcomposite)金属或合金中加入一定量的惰性硬质粉末，并使之均匀分散，从而提高金属或合金的强度。

机理：

基体：承受载荷；分散相：阻止位错运动。与“沉淀硬化”比较：在复合材料中弥散分布的颗粒不是由相变产生的，而且，两相之间有明晰的无取向关系的界面分开.第9页，共44页，2023年，2月20日，星期五

Al2O3particle/Al制备：1）喷雾法制成Al粉表面有一层氧化膜。2）粉末冶金法压成型。Al2O3就弥散分布在Al的基体中。Al2O3比Al的熔点高得多，基本不溶入Al内，弥散分布，可以起到阻碍位错滑移的作用，使铝合金强化。特点：熔点高达2040℃，这种复合材料在较高温下也能保持足够的强度。第10页，共44页，2023年，2月20日，星期五几种弥散增强复合材料的典型例子体系用途Al2O3/Al

核反应堆

PbO/Pb蓄电池铅板Cd/Ag电接触材料ThO2/W灯丝、发热体第11页，共44页，2023年，2月20日，星期五13.2颗粒增强复合材料

(Particlestrengthenedcomposite)金属、陶瓷、聚合物中加入增强相颗粒。

机理：

基体：承受载荷；分散相：承担部分应力，限制基体运动。与“弥散增强复合材料比较”：强化机制。第12页，共44页，2023年，2月20日，星期五颗粒增强复合材料弹性模量的混合法则

（Ruleofmixture）上限：Ec=Emφm+Epφp下限：E和φ分别表示弹性模量和体积分数；下标c，m和p分别表示复合材料、基体和增强颗粒。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期五几种颗粒增强复合材料1、金属陶瓷（硬质合金）

WC－Co硬质合金的金相组织。灰黑色颗粒为WC，白色部分为Co。硬质合金中WC的含量在75％到90%之间。制备：粉末冶金第14页，共44页，2023年，2月20日，星期五2、混凝土混凝土＝水泥＋水＋砂＋石石子和砂是填充料，用以降低混凝土的成本，它们靠水泥粘结在一起。石子和砂的体积是总体积的60－75％

混凝土示意图第15页，共44页，2023年，2月20日，星期五3、炭黑增强橡胶橡胶＋炭黑/SiO2颗粒降低成本，提高强度、韧性、抗撕裂性和耐磨性。汽车轮胎一般含有15％～30％的炭黑第16页，共44页，2023年，2月20日，星期五13.4/5纤维增强复合材料及成形工艺1、纤维增强复合材料纤维：连续（长）纤维、短纤维和晶须

纤维：玻璃、碳、硼、碳化硅、尼龙、芳纶（Kevlar）

晶须：石墨、碳化硅、氮化硅和氧化铝基体：聚合物、陶瓷、金属第17页，共44页，2023年，2月20日，星期五2、纤维的增强效果1）单向增强——各向异性2）无序增强——各向同性第18页，共44页，2023年，2月20日，星期五单向增强的混合法则连续纤维增强复合材料受到轴向作用力时，纤维相与基体相所受载荷之比为：F代表载荷，E和φ分别表示弹性模量和体积分数；下标m和f分别表示基体和纤维第19页，共44页，2023年，2月20日，星期五几种纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能对比材料种类纵向抗拉强度/MPa纵向弹性模量/GPa环氧树脂696.9E级玻璃纤维/环氧树脂102045碳纤维（高弹性）/环氧树脂1240

145芳纶纤维（Kevlar49）/环氧树脂138076硼纤维（70Vf%）/环氧树脂1400-2100210-280第20页，共44页，2023年，2月20日，星期五纤维在基体中的几种分布方式第21页，共44页，2023年，2月20日，星期五3、几种典型的纤维增强复合材料1）碳纤维/环氧树脂复合材料碳纤维的制备：原丝——聚丙烯腈、沥青工艺步骤：（1）稳定化；（2）碳化（3）石墨化第22页，共44页，2023年，2月20日，星期五碳纤维纤维织物复合塑料片第23页，共44页，2023年，2月20日，星期五碳纤维产品第24页，共44页，2023年，2月20日，星期五先进复合材料的应用SLR-Mclarren超级跑车，最高时速334公里/小时。车身由碳纤维复合材料制成。第25页，共44页，2023年，2月20日，星期五2）玻璃纤维/不饱和树脂复合材料

玻璃纤维增强不饱和树脂复合材料——玻璃钢玻璃纤维的制备：从熔融的玻璃液中快速拉抽而成。第26页，共44页，2023年，2月20日，星期五玻璃纤维玻璃纤维原丝玻璃纤维布玻璃纤维型材第27页，共44页，2023年，2月20日，星期五聚酯玻璃钢产品第28页，共44页，2023年，2月20日，星期五3、芳纶（KEVLAR）纤维芳香族聚酰胺纤维——芳纶（KELVAR）

第29页，共44页，2023年，2月20日，星期五13.5纤维增强复合材料的成形工艺1、手糊法2、喷射法3、真空袋热压罐4、纤维缠绕5、模压和注射成形6、片材模塑料（SMC）工艺7、拉挤第30页，共44页，2023年，2月20日，星期五复合材料成型的热压罐第31页，共44页，2023年，2月20日，星期五纤维缠绕第32页，共44页，2023年，2月20日，星期五模压成形第33页，共44页，2023年，2月20日，星期五注射成形注射成形机第34页，共44页，2023年，2月20日，星期五13.6夹层结构a)蜂窝夹层结构示意图；b）铝合金蜂窝结构ab第35页，共44页，2023年，2月20日，星期五瓦楞纸减震第36页，共44页，2023年，2月20日，星期五复合材料在航空领域的应用在民用飞机（波音727、757）上的应用，727的水平尾翼重量减轻了26％，737的水平尾翼重量较之金属结构减轻了29％。第37页，共44页，2023年，2月20日，星期五在直升机上的应用UH－60A型直升飞机复合材料总用量达17％第38页，共44页，2023年，2月20日，星期五在歼击机上的应用美国F/A-18歼击机包括机翼、水平和垂直尾翼都采用了复合的蒙皮。复合材料占结构重量的10％，表面面积的50％。第39页，共44页，2023年，2月20日，星期五先进复合材料的应用

2005年4月27日，空中客车公司制造的世界最大宽体客机A380首飞。以复合材料为主的先进材料占结构总重量的25%！第40页，共44页，2023年，2月20日，星期五13.7功能复合材料1、导电复合材料2、机敏复合材料3、仿生复合材料第41页，共44页，2023年，2月20日，星期五1、导电复合材料聚合物＋导电填料填料种类：1）碳系：碳黑、碳纤维、石墨