材料科学第六章复合材料

材料科学第六章复合材料2023/4/111第1页，共71页，2023年，2月20日，星期五

实际上，复合材料不是人们发明的一种新材料，在自然界中就有许多天然的复合材料。身边的复合材料—天然复合材料2023/4/112第2页，共71页，2023年，2月20日，星期五身边的复合材料—传统复合材料

人类社会发展的早期出现了一些古老的、原始的复合材料，我们称之为传统复合材料。粘土+麦秆复合材料土坯房2023/4/113第3页，共71页，2023年，2月20日，星期五身边的复合材料—传统复合材料藤浸渍桐油复合材料盔甲2023/4/114第4页，共71页，2023年，2月20日，星期五身边的复合材料—传统复合材料巴比伦空中花园为防止渗水，每层都铺上浸透柏油的柳条垫，垫上再铺两层砖，还浇注一层铅，然后在上面培上肥沃的土壤，种植了许多来自异域他乡的奇花异草，并设有灌溉的水源和水管。

2023/4/115第5页，共71页，2023年，2月20日，星期五身边的复合材料—现代复合材料复合材料作为一种先进材料出现，是从上世纪40年代的玻璃纤维增强塑料开始，为了与天然的、古代出现的复合材料区分，称之为现代复合材料。2023/4/116第6页，共71页，2023年，2月20日，星期五金属基复合材料聚合物基复合材料陶瓷基复合材料本章主要内容复合材料概述碳/碳复合材料2023/4/117第7页，共71页，2023年，2月20日，星期五6.1复合材料概述2023/4/118第8页，共71页，2023年，2月20日，星期五复合材料的定义复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质组合而成的多相固体材料。2023/4/119第9页，共71页，2023年，2月20日，星期五复合材料的组成复合材料是由基体和增强体两部分组成的：基体(matrix)—一般把在材料中占主要组分的材料称为基体；增强体(reinforcement)—其它组分称为增强材料或增强相。2023/4/1110第10页，共71页，2023年，2月20日，星期五复合材料的种类复合材料结构复合材料功能复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料水泥基复合材料导电导磁复合材料阻尼吸声复合材料屏蔽功能复合材料摩擦磨损复合材料石墨基复合材料2023/4/1111第11页，共71页，2023年，2月20日，星期五复合材料的性能特点比强度和比弹性模量高抗疲劳与断裂安全性能好良好的减震性能良好的高温性能大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用纤维增强复合材料具有较高的自震频率，不易产生共振现象，具有一定的减震作用增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较高的强度2023/4/1112第12页，共71页，2023年，2月20日，星期五聚合物材料

热固性树脂(聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等)；热塑性树脂(聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚砜等)。金属材料

铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、银、铅、锌等金属陶瓷材料

玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷碳

树脂碳、热解碳复合材料的基体材料2023/4/1113第13页，共71页，2023年，2月20日，星期五复合材料的增强材料复合材料所用的增强材料主要有三类：纤维：无机纤维(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维)

有机纤维(芳纶纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维等)晶须：金属晶须(Ni、Cu、Ag、Ti等)

陶瓷晶须(Al2O3、MgO、SiC、Si3N4、AlN等)颗粒：金属颗粒(Al、Co等)

非金属颗粒(Al2O3、SiC、Si3N4、石墨、细金刚石等)2023/4/1114第14页，共71页，2023年，2月20日，星期五光导纤维光纤—由石英玻璃纤维制成，光纤的中芯是石英玻璃纤维，外面是一层二氧化硅半导体层，最外面包覆树脂。2023/4/1115第15页，共71页，2023年，2月20日，星期五华裔物理学家高锟在光纤领域做出了突出贡献，因此，他被称为“光纤之父”，并由此使他在2009年与美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。光纤之父—高锟2023/4/1116第16页，共71页，2023年，2月20日，星期五复合材料的界面

复合材料的界面是指基体与增强材料之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。包括：基体和增强物的部分原始接触面；基体和增强物相互反应生成的产物；产物与基体和增强物的接触面；基体和增强物的互扩散层。2023/4/1117第17页，共71页，2023年，2月20日，星期五界面效应对复合材料的性能具有重要作用：传递效应—界面将外力传递给增强物，起基体和增强物之间的桥梁作用阻断效应—阻止裂纹扩展、中断材料破坏的作用不连续效应—界面上产生物理性能的不连续性，如抗电性、耐热性、尺寸稳定性等散射和吸收效应—光波、冲击波等在界面上产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性等诱导效应—通过界面增强物的表面结构诱导基体的表面结构发生改变，使性能增强复合材料的界面效应2023/4/1118第18页，共71页，2023年，2月20日，星期五6.2金属基复合材料2023/4/1119第19页，共71页，2023年，2月20日，星期五金属基复合材料(MetalMatrixComposite,MMC)MMC是以陶瓷例如连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等为增强材料，以金属例如铝、镁、钛、镍、铜、铁等为基体材料复合而成的。

这种复合材料以其优异的性能在航空航天、军事领域、汽车、电子仪表、体育器材、先进武器系统等行业中显示出了巨大的应用潜力。金属基复合材料—组成2023/4/1120第20页，共71页，2023年，2月20日，星期五高比强度、高比模量良好的导热、导电性能热膨胀系数小、尺寸稳定性好良好的耐高温性能良好的耐磨性能良好的耐疲劳性能和断裂韧性不吸潮、不老化、气密性好金属基复合材料—主要性能2023/4/1121第21页，共71页，2023年，2月20日，星期五长纤维增强金属基复合材料1、硼/铝复合材料硼铝复合材料以其高比强度和高比模量主要用作结构材料。硼纤维高温强度高，1500度时蠕变速率低。但高温氧化后强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或B4C，防止硼纤维表面氧化。常见金属基复合材料2023/4/1122第22页，共71页，2023年，2月20日，星期五长纤维增强金属基复合材料2、石墨/铝复合材料这种材料具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用石墨纤维表面沉积Ti/Bi涂层技术，可改善石墨纤维与液态铝的润湿性，有效控制铝与纤维的表面反应，提高复合材料的性能。常见金属基复合材料2023/4/1123第23页，共71页，2023年，2月20日，星期五长纤维增强金属基复合材料3、石墨/镁复合材料这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸稳定性好，是金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。常见金属基复合材料2023/4/1124第24页，共71页，2023年，2月20日，星期五长纤维增强金属基复合材料4、碳化硅/钛复合材料碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反应小，润湿性好。这种复合材料的高温强度高，主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。常见金属基复合材料2023/4/1125第25页，共71页，2023年，2月20日，星期五长纤维增强金属基复合材料5、氧化铝/铝复合材料氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。常见金属基复合材料2023/4/1126第26页，共71页，2023年，2月20日，星期五短纤维增强金属基复合材料1、氧化铝/铝复合材料2、碳化硅/铝复合材料3、氧化铝/镍复合材料常见金属基复合材料2023/4/1127第27页，共71页，2023年，2月20日，星期五航空领域金属基复合材料—应用2023/4/1128第28页，共71页，2023年，2月20日，星期五F-16战斗机的腹鳍采用SiC/Al复合材料，相比铝合金蒙皮，寿命由原来的数百小时提高到设计的全寿8000h，全寿命节约检修费用达2600万美元。2023/4/1129第29页，共71页，2023年，2月20日，星期五EC-120直升机超音速飞机2023/4/1130第30页，共71页，2023年，2月20日，星期五金属基复合材料—应用航天领域航天飞机哈勃望远镜2023/4/1131第31页，共71页，2023年，2月20日，星期五左图：Al203短纤维/Al汽车活塞（活塞环）中图：SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6Kg右图：SiCp/Al，Al203p/Al汽车刹车盘，减重60％

金属基复合材料—应用汽车行业2023/4/1132第32页，共71页，2023年，2月20日，星期五军工行业金属基复合材料—应用2023/4/1133第33页，共71页，2023年，2月20日，星期五“好奇号”火星探测器

由于“好奇”火星探测器入轨的特殊性，其外部温度可达2093摄氏度。热防护系统采用片状的酚碳烧蚀材料（PhenolicImpregnatedCarbonAblator,PICA）

2023/4/1134第34页，共71页，2023年，2月20日，星期五6.3聚合物基复合材料2023/4/1135第35页，共71页，2023年，2月20日，星期五聚合物基复合材料(PolymerMatrixComposite,PMC)PMC是以连续纤维等为增强材料，以有机聚合物为基体材料复合而成的，是目前结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广的一类复合材料。

这种复合材料以其优异的性能在航空航天、军事领域、汽车、电子仪表、体育器材、船舶等各个方面都有应用。聚合物基复合材料2023/4/1136第36页，共71页，2023年，2月20日，星期五比强度、比模量大减震性好过载时安全性好良好的耐疲劳性能很好的加工工艺性具有多种功能性—耐烧蚀、耐腐蚀、耐摩擦、高度的电绝缘性能、特殊的光电磁性能聚合物基复合材料—主要性能2023/4/1137第37页，共71页，2023年，2月20日，星期五一、玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP)

聚合物基复合材料中，就应用广泛性来说，特别值得介绍的是玻璃钢，即玻璃纤维增强塑料（GFRP）。GFRP是一类采用玻璃纤维增强以酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等热固性树脂为基体的聚合物基复合材料。GFRP是物美价廉的复合材料。

聚合物基复合材料2023/4/1138第38页，共71页，2023年，2月20日，星期五GFRP的突出特点是密度低、比强度高。其密度为1.6～2.0g/cm3，比轻金属铝还低，而比强度要比最高强度的合金钢还高3倍，“玻璃钢”的名称就是由此而来。因此，玻璃钢在需要轻质高强材料的航空航天工业首先得到广泛应用，在波音B－747飞机的机内、外结构件中玻璃钢的使用面积达到了2700m2，如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。由于火箭结构材料不但要求具有高比强度和比模量，而且还要求材料的耐烧蚀性能，可采用玻璃钢用于航天工业中做火箭发动机壳体、喷管。聚合物基复合材料2023/4/1139第39页，共71页，2023年，2月20日，星期五石油化工工业—轻质、高强、耐腐蚀应用于贮槽、贮罐、反应设备、管道、阀门、泵、管件等GFRP的应用玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用2023/4/1140第40页，共71页，2023年，2月20日，星期五建筑业—轻质高强、保温节能、防震抗震应用于屋顶、天花板、卫生间、门窗、桥梁等GFRP的应用玻璃钢用于上海东方明珠电视塔大堂装潢玻璃钢整体卫浴玻璃钢门窗2023/4/1141第41页，共71页，2023年，2月20日，星期五造船业—轻质高强、耐腐蚀、稳定性好应用于赛艇、游艇、救生艇、帆船、渔轮、扫雷艇等GFRP的应用2023/4/1142第42页，共71页，2023年，2月20日，星期五宇航工业—轻质高强、耐腐蚀、稳定性好应用于飞机、火箭、导弹、雷达等GFRP的应用2023/4/1143第43页，共71页，2023年，2月20日，星期五采用玻璃钢制作的体育娱乐用品也越来越多，大到快艇、帆船、滑雪车，小到自行车赛车、滑雪板等，应有尽有。GFRP的应用2023/4/1144第44页，共71页，2023年，2月20日，星期五二、碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP）

CFRP密度更低，具有比玻璃钢更高的比强度和比模量，比强度是高强度钢和钛合金的5～6倍，是玻璃钢的2倍，比模量是这些材料的3～4倍。在航天工业中作为主结构材料，如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等都是采用CFRP，为此航天飞机减重达2吨之多。此外在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架也采用CFRP。在航空工业，CFRP首先在军用飞机中得到应用，如美国F－14、F－16、F－18上主翼外壳、后翼、垂直安定面、水平和垂直尾翼等，军用直升飞机主旋翼和机身等。现在甚至在研究全机身CFRP的战斗机。同样，在民用飞机中也在大量采用CFRP，如波音B－757、B－777上的阻流板、方向舵、升降舵、内外副翼等。

聚合物基复合材料2023/4/1145第45页，共71页，2023年，2月20日，星期五CFRP在飞机上的应用面积图示2023/4/1146第46页，共71页，2023年，2月20日，星期五CFRP制造的火箭和导弹的壳体，比金属制的重量减轻45%,射程由原来的1600km增加到4000km。CRFP制造的飞行器的外壳，具有防宇宙射线的作用。飞行器穿越大气层时，外表面的温度高达4000-6000℃，因此飞行器表面需加防热层，这种防热材料采用最好的合金或陶瓷都无法承担，但是碳纤维增强的酚醛塑料就能够胜任。聚合物基复合材料2023/4/1147第47页，共71页，2023年，2月20日，星期五

由于碳纤维的价格高，CFRP主要应用于航空航天领域。但随着碳纤维的研究开发工作的深入，碳纤维价格在不断降低，因此在玻璃钢应用的一些领域也开始采用更轻、更强和刚性更好的CFRP。如体育用品中的网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆，F－1方程式赛车车身。同样，为减轻车体重量，降低油耗，提高车速，在汽车的部分部件也开始采用CFRP。甚至在大型混凝土结构遭受一定的破坏后（如地震），用CFRP片材进行修复，可节省大量资金。碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固聚合物基复合材料2023/4/1148第48页，共71页，2023年，2月20日，星期五6.4陶瓷基复合材料2023/4/1149第49页，共71页，2023年，2月20日，星期五什么是陶瓷基复合材料？在陶瓷基体中添加碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须、氧化铝晶须、碳化硅颗粒和碳化钛颗粒，所形成的复合材料称为陶瓷基复合材料。这些纤维的加入可以大大提高陶瓷材料的强度和韧性。陶瓷基复合材料2023/4/1150第50页，共71页，2023年，2月20日，星期五长纤维增强陶瓷基复合材料1、碳/陶瓷基复合材料这种复合材料具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧性。碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400度以上的高温下长期工作；碳纤维增强的石英陶瓷复合材料，冲击韧性比烧结石英陶瓷高40倍、抗弯强度大5－12倍。可承受1200－1500度高温气流的冲击。陶瓷基复合材料2023/4/1151第51页，共71页，2023年，2月20日，星期五长纤维增强陶瓷基复合材料2、碳化硅/陶瓷基复合材料碳化硅纤维可与多种陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。碳化硅纤维通常采用化学气相沉积法制备。利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高5－6倍，抗弯强度提高50％以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。陶瓷基复合材料2023/4/1152第52页，共71页，2023年，2月20日，星期五短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料1、碳/玻璃陶瓷基复合材料晶须：SiC、Si3N4、Al2O3晶须。2、晶须/陶瓷基复合材料基体：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO2、莫来石等。陶瓷基复合材料2023/4/1153第53页，共71页，2023年，2月20日，星期五颗粒增强陶瓷基复合材料1、氧化锆/陶瓷基复合材料利用ZrO2相变增韧原理，提高陶瓷的断裂韧性。利用ZrO2增韧的氧化Al2O3陶瓷，其断裂韧性可提高1.4倍。2、氧化钇/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料2023/4/1154第54页，共71页，2023年，2月20日，星期五SiC晶须增强氧化铝钻头（左图）颗粒增强氮化硅刀具(中图)采用颗粒增强氮化硅刀具加工高硬度的高铬铸铁件（右图）陶瓷基复合材料2023/4/1155第55页，共71页，2023年，2月20日，星期五CMC的最大特点是其高温强度和模量、其最大的应用应在航空航天领域，如发动机的各种高温结构件叶片、燃烧室等和导弹的鼻锥、火箭喷管。这是陶瓷基复合材料应用的发展方向。此外，CMC可以制作人工关节等在生物医学领域得到应用。

陶瓷基复合材料2023/4/1156第56页，共71页，2023年，2月20日，星期五6.5碳/碳复合材料2023/4/1157第57页，共71页，2023年，2月20日，星期五碳/碳复合材料就是碳纤维增强的碳基复合材料，它的组成元素只有一种，即碳，因此，它具有许多碳和石墨材料的优点。碳碳复合材料的优点：低密度；优异的热性能；优异的力学性能。碳/碳复合材料这种材料是将碳纤维用聚合物浸润，固化成型后，在无氧条件下，高温裂解树脂，得到碳/碳复合材料。碳/碳复合材料的强度和刚度都相当好，能承受极高的温度和极高的加热速度，高温力学性能比低温时还好，是目前使用温度最高的复合材料。2023/4/1158第58页，共71页，2023年，2月20日，星期五碳/碳复合材料碳碳复合材料的发现来自于一次偶然的实验，1958年，美国ChanceVought航空公司为了测定CF增强酚醛树脂复合材料中的CF含量，由于实验过程的失误，聚合物基体没有被氧化，反而被热解碳化，意外得到了碳基体。该公司的研发人员并没有将此次实验的样品抛弃，而是对其进行了仔细分析，并利用这种方法多次实验，最后发现，这种CF增强的碳基复合材料有一系列优异的物理和高温性能，是一种新型的结构复合材料，从此，复合材料大家庭又增添了一名新成员。碳/碳复合材料（C/C）是由碳纤维及其制品（碳毡、碳布等）增强的碳基复合材料。一般C/C是由碳纤维及其制品作为预制体，通过化学气相沉积法（CVD）或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得C/C的基体碳来制备的。2023/4/1159第59页，共71页，2023年，2月20日，星期五碳/碳复合材料一、在军事领域的应用最初作为耐烧蚀材料用于军事工业的导弹弹头和固体火箭发动机喷管等。战略弹道导弹的弹头除要满足再入大气层时为音速10～20倍的高速和几十兆帕的局部压力外，还要经受上千度的气动加热，弹头必需进行烧蚀防热处理以提高导弹的命中精度，而C/C成为最佳材料。2023/4/1160第60页，共71页，2023年，2月20日，星期五另一用途是作为固体火箭发动机喷管、喉衬。碳/碳复合材料2023/4/1161第61页，共71页，2023年，2月20日，星期五二、在航天领域的应用采用C/C作为航天飞机的鼻锥、机翼前缘，因为这些部位是航天飞机再入大气层时需要经受近2000℃的高温。碳/碳复合材料

C/C作为航天飞机的鼻锥等2023/4/1162第62页，共71页，2023年，2月20日，星期五三、在航空领域的应用C/C的另一重要的性能是其优异的摩擦磨损性能。C/C中的碳纤维除增强碳基体外，也提高了复合材料的摩擦系数。C/C的高温摩擦时能大量吸收能量（820～1050kJ/KgC/C），在高速、高能量条件下的摩擦升温高达1000℃以上，其摩擦性能仍然保持平稳，而且磨损量很低，这是其它摩擦材料所不具有的。正因为如此，C/C作为军用和民