第五章复合材料

第一节概述复合材料两种或者两种以上的不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。第1页/共60页12021/10/10星期日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2页/共60页22021/10/10星期日这种材料优异性能的组合是单一材料无法满足的。复合材料第3页/共60页32021/10/10星期日玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强尼龙车轮第4页/共60页42021/10/10星期日玻璃纤维增强塑料制自行车复合材料制小船第5页/共60页52021/10/10星期日复合材料制防弹衣第6页/共60页62021/10/10星期日复合材料在波音飞机上的应用第7页/共60页72021/10/10星期日特点复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性。第8页/共60页82021/10/10星期日材料断裂能/J玻璃纤维7.5×10-4常用树脂2.26×10-2热固性玻璃钢17.6例1：热固性玻璃钢＝热固性树脂＋玻璃纤维热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂脆性低于玻璃纤维第9页/共60页92021/10/10星期日泥土＋稻草水泥＋钢筋例2：建筑材料（复合材料的应用）第10页/共60页102021/10/10星期日一、复合材料的分类复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。按基体相的性质分金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料第11页/共60页112021/10/10星期日按增强相的形态分纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料第12页/共60页122021/10/10星期日纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料第13页/共60页132021/10/10星期日二、复合材料的性能特点比强度和比模量高纤维增加材料的比强度及比模量远高于金属材料，特别是碳纤维－环氧树脂复合材料比强度是钢的8倍，比模量是钢的4倍。抗疲劳和破断安全性好纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。第14页/共60页142021/10/10星期日（1）比强度与比模量高

比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。比强度愈高，同一零件的自重愈小;比模量愈高，零件的刚性愈大。环氧树脂与高强度的碳纤维复合，比强度可达913kNm/kg，比模量为85MNm/kg，与高模量的碳纤维复合，比模量可达116MNm/kg，比强度为613kNm/kg,远远超过一般钢材和铝合金（钢的比强度为126kNm/kg，比模量为27MNm/kg）。第15页/共60页152021/10/10星期日（2）化学稳定性优良

钢材一般不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，即使含钼不锈钢在这种介质中，也会很快被腐蚀。但纤维增强塑料如玻纤增强酚醛树脂，在含氯主子的酸性介质中能长期使用。用玻纤增强塑料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、风机、搅拌器等设备。如用耐碱玻纤或碳纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。耐碱玻纤可用来取代钢筋与水泥复合。第16页/共60页162021/10/10星期日（3）减摩、耐磨、自润滑性好

在热塑性塑料中掺入少量短切碳纤维可大大提高它的耐磨性，其增加倍数为聚氯乙烯本身3.8倍，聚四氟乙烯本身的3倍，聚丙烯本身的2.5倍，聚酰胺本身的1.2倍，聚酯本身的2倍。碳纤维增强塑料还可降低塑料的摩擦系数，提高它的pv值[1]；pv值随碳纤维的增加而有不同程度地提高。以钢作对磨件时，碳纤维增强的磨损比玻纤增强的约小10倍。碳纤维增强塑料具有良好的自润性能，因此可用于制造无油润滑活塞环、轴承和齿轮。如用石棉之类的材料与塑料复合，则与上述情况相反，可得到摩擦系数大、制动效果好的摩阻材料。

[1]p为滑动轴承投影面的压强（MPa），v为滑动线速度（m/s），各种塑料及其复合材料均有一个允许最高承载能力的p值；与允许最高滑动线速度的v值。

第17页/共60页172021/10/10星期日（4）耐热性高碳化硅（SiC）纤维、氧化铝纤维（α–Al2O3·SiO2）与陶瓷复合，在空气中能耐1200～1400℃高温，要比所有超高温合金的耐热性高出100℃以上。用于柴油发动机、可取消原来的散热器、水泵等冷却系统，减轻重量约100kg。用于汽车发动机，使用温度可高达1370℃。第18页/共60页182021/10/10星期日（5）高韧性和高抗冲击性、导电和导热性

金属基复合材料具有高韧性和高抗冲击性能，在受到冲击时能通过塑性变形吸收能量。具有良好的导电和导热性能，可以使集中电荷和局部的高温热源很快扩散消失，有利于解决热气流冲击和雷击问题。第19页/共60页192021/10/10星期日循环次数应力碳纤维复合材料玻璃钢铝合金复合材料具有较高的疲劳强度。实验表明：σr＝70～80％σb，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的40～50％。纤维复合材料平均几千到几万根纤维/cm2，即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能力，故破断安全性好。（6）抗疲劳和破断安全性好

纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。第20页/共60页202021/10/10星期日第三节常用复合材料塑料基复合材料金属基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料第21页/共60页212021/10/10星期日一、塑料基复合材料作为机械工程材料，塑料的最大优点是密度小、耐腐蚀、可塑性好、易于加工成型。缺点：强度低、弹性模量低、耐热性差。改善的方法：复合材料，主要是增强。第22页/共60页222021/10/10星期日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：玻璃纤维增强塑料碳纤维增强塑料硼纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料Kevlar纤维增强塑料基体材料：热固性塑料、热塑性塑料第23页/共60页232021/10/10星期日（一）玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为：热塑性玻璃钢热固性玻璃钢第24页/共60页242021/10/10星期日1、热塑性玻璃钢由体积分数为20～40%的玻璃纤维与60～80%的热塑性树脂组成。具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低的热胀系数。第25页/共60页252021/10/10星期日2、热固性玻璃钢由体积分数为60～70%的玻璃纤维与30～40%的热固性树脂组成。主要特点：密度小、强度高、比强度超过一般的高强钢，耐腐蚀、绝缘、绝热等。但弹性模量低，在300℃以下使用。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。第26页/共60页262021/10/10星期日（二）碳纤维增强塑料

组成由碳纤维与聚脂、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。优点低密度、高强度、高弹性模量、高比强度和比模量。优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐热性。第27页/共60页272021/10/10星期日

缺点碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。应用性能优于玻璃钢，主要用于航天和航空工业中制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。第28页/共60页282021/10/10星期日（三）硼纤维增强塑料

组成由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料。特点高比强度和比模量；良好的耐热性；缺点是各向异性严重第29页/共60页292021/10/10星期日

应用

主要用于航天和航空工业中要求高刚度的构件，如飞机机身，机翼等。第30页/共60页302021/10/10星期日（四）碳化硅纤维增强塑料

组成由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。特点高比强度和比模量；抗拉强度接近碳纤维—环氧树脂复合材料，但抗压强度是其两倍；碳化硅—环氧树脂复合材料是一种很具有发展前途的新型材料。第31页/共60页312021/10/10星期日

应用

主要用于宇航器上的结构，比金属轻30%。还可以制作飞机的门、降落传动装置、机翼等等。第32页/共60页322021/10/10星期日（五）Kevlar纤维增强塑料

组成由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等树脂组成的复合材料。特点最常用的是Kevlar纤维—环氧树脂复合材料；抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维—环氧树脂复合材料相近；延性好，与金属相似；具有优良的疲劳抗力和减振性。第33页/共60页332021/10/10星期日主要用于制作飞机机身、雷达天线罩、火箭发动机外壳、快艇等。

应用第34页/共60页342021/10/10星期日二、金属基复合材料目前是机械工程中用量最大的一类材料。塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但仍不能满足要求，一直在改进。第35页/共60页352021/10/10星期日主要应用的金属基复合材料：纤维增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料塑料—金属多层复合材料第36页/共60页362021/10/10星期日三、橡胶基复合材料橡胶具有弹性高，减振性好，热导率低，绝缘等优点，但强度和弹性模量低，耐磨性差。为了改善橡胶制品的性能，可以用增强纤维或粒子与其复合。制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品。纤维增强橡胶—主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡胶布等。粒子增强橡胶—利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强度，耐磨性等。第37页/共60页372021/10/10星期日四、陶瓷基复合材料陶瓷具有耐高温，抗氧化，耐腐蚀，弹性摩量高，抗压强度大等优点。但陶瓷脆性大，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击。用纤维或粒子与陶瓷制成复合材料，其韧性明显提高，是目前研究的热点。主要有：纤维增强陶瓷复合材料粒子增强陶瓷复合材料第38页/共60页382021/10/10星期日复合材料应用实例双金属复合钢管陶瓷内衬复合管第39页/共60页392021/10/10星期日20钢/316L钢复合管基管20钢内衬316L钢第40页/共60页402021/10/10星期日20钢/316L复合管第41页/共60页412021/10/10星期日第42页/共60页422021/10/10星期日铝热剂：Al+Fe2O3FeAl2O3第43页/共60页432021/10/10星期日第六节增强材料及其增强机制复合材料是一种由基体matrix和增强相reinforcedphase组成的多相材料，通常基体为连续相，而增强相为分散相。复合材料基体增强相金属材料、高分子材料、陶瓷材料颗粒增强材料、纤维增强材料、片状增强材料第44页/共60页442021/10/10星期日一、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）纤维增强材料第45页/共60页452021/10/10星期日密度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第46页/共60页462021/10/10星期日玻璃纤维由熔融玻璃经拉丝制成纤维；密度2.4～2.7，与铝相近，弹性模量低于金属，但比强度和比模量高；耐热性好，软化温度550～580℃；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；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等；制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。第47页/共60页472021/10/10星期日碳纤维将有机纤维（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wC>90%以上的纤维；密度低、强度和模量高；高、低温性能好（1500℃，-180℃）；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；缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。第48页/共60页482021/10/10星期日硼纤维将元素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；熔点高（2300℃）；强度、弹性模量高；良好的耐蚀性；缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高；不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。第49页/共60页492021/10/10星期日芳纶纤维亦称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；密度小，比强度、比弹性模量高；抗拉强度比玻璃纤维高45％，韧性好；耐热性好，能在290℃下长期作用；优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。第50页/共60页502021/10/10星期日碳化硅纤维是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，经烧结而得；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；优良的高温强度，在1100℃时强度仍高达2100MPa。第51页/共60页512021/10/10星期日主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产；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）颗粒增强材料第52页/共60页522021/10/10星期日碳黑和白碳黑（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；Fe2O3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53页/共60页532021/10/10星期日二、增强机制纤维是具有强结