航空工程材料（第3版）课件 8复合材料

第8章复合材料8.1复合材料概述一、概念“两种以上在物理和化学性质上不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料”。注：每一种材料都有其性能上的优势与不足，但相互复合后，取长补短组成特征：1、不同的非金属材料之间2、不同的金属材料之间3、非金属材料和金属材料之间组成部分：基体材料:强度韧性好；聚合物、橡胶、金属增强材料:高强度、高E；玻璃纤维、碳纤维二、复合材料的分类和特点按强化相的结构形态与特征分类定向纤维复合材料连续与不连续纤维复合材料叠层复合材料（图8-1）二维或三维编织复合材料（图8-2）颗粒强化复合材料按基体材料分类金属基复合材料聚合物基复合材料陶瓷基复合材料碳-碳基复合材料三、复合材料的特性复合材料的性能特点对材料的要求总是希望其既具有较高的强度，又有较好的塑性，强度高意味着承载能力强，塑性好则能够防止材料突然破坏。但是金属材料强度与塑性很难同步提高，无机非金属（玻璃、陶瓷等）则刚而不柔，有机聚合物（树脂、橡胶等）则柔而不刚，而复合材料是将刚性较大的增强材料与塑性较好的基体材料结合起来，刚柔并济，具有良好的综合性能。高比强度、高比模量从表8-1可以看出，纤维增强复合材料的比强度和比模量是各类材料中最高的。据计算，用复合材料制成与高强度钢具有相同强度和刚度的零件时，其质量可以减轻70％左右。表8-1抗疲劳性能好金属材料的疲劳破坏，一般都是材料内部的损伤积累造成的，裂纹发展到一定程度，迅速扩展而造成的突然断裂，通常事先没有征兆；而纤维复合材料中的初始缺陷（如断裂的纤维、基体开裂、纤维脱胶等）大大超过普通金属，因而对缺口、孔等引起的应力集中的敏感性要比金属小的多，特别是纤维和基体界面能改变裂纹扩展的方向，从而在一定程度上阻止了裂纹的扩展。其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节环节开始，逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的征兆。大多数金属的疲劳极限是其拉伸强度的40％-50％，而碳纤维复合材料则可高达70％-80％。减摩耐磨、自润滑性能好破损安全性好数纤维复合材料基体中平均每平方厘米面积上的纤维至少有几千根，多至几万根，使用中超载时即使少量的纤维断裂，其载荷会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，这样短时间内不至使整个构件失去承载能力。化学稳定性好各向异性其他特殊性能目前，纤维增强复合材料存在的主要问题是：抗冲击性能低，横向强度和层间剪切强度差，成本高。四、复合材料的设计及制造技术要求复合材料的设计及其制造技术完全不同于传统的金属材料，具有两个基本的特点：力学性能的可设计性在构件的设计和制造时可以可按其受力情况和性能要求设计复合材料的性能，而不仅仅是传统设计的材料的选择材料制造和构件制造的统一性制作材料的同时也就制造出了构件五、复合材料在飞机上的应用767的复合材料使用3％777飞机的复合材料使用11％§8.2金属基复合材料8.2.1金属基复合材料的种类与一般特性定义与分类金属基复合材料是以金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒等为增强体，采用多种工艺方法制成的复合材料。按基体可分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基、难熔金属基复合材料；按增强体可分为纤维增强、晶须增强、颗粒增强复合材料。2.一般特性与应用范围金属基复合材料与一般金属相比，具有耐高温、高比强度、高比弹性模量、抗蠕变、耐疲劳、热膨胀系数小和抗磨损等优点。与树脂基复合材料相比，不仅剪切强度高，对缺口不敏感，而且物理和化学性能更稳定，具有不吸湿、不放气、不老化、抗原子氧侵蚀、抗核辐射、抗电磁脉冲、抗阻尼、热膨胀系数小、导电和导热性好等优点。因此，金属基复合材料是理想的航天器材料，适合空间环境使用。在航空器上也有潜在的应用前景，是研制高温结构材料的重要领域。其中，连续纤维具有更明显的增强、增模效果，但因性能有各向异性则需要考虑取向设计。通常可采用各种纤维混杂增强，调整各向性能；晶须增强复合材料具有较低的冲击韧性，制备和加工复合材料的工艺较复杂，需认真解决润湿性和界面反应、稳定工艺和降低成本等问题。8.2.2增强体及其典型性能增强体是复合材料中承受载荷和具有特殊功能的组分。按几何形状可分为零维的颗粒状、一维的纤维状、二维的片状、三维的立体结构。按属性分为无机和有机增强体，其中有天然的和合成的。二维可制成布、毡，三维可制成异形织物预制体。随着复合材料的发展，增强体的类型、品种、性能不断改进和创新，可以混杂增强，可以多维编制预制体等。为使增强体与基体润湿、结合适当，得到理想的界面组织，增强体表面有时按复合材料性能要求而进行表面处理，涂覆复合材料涂层。1.金属基复合材料用颗粒增强体金属基复合材料通常选择具有高弹性模量、高强度、高温性能好、耐磨、物理和化学性能与基体金属匹配的材料作为颗粒增强体。常用的颗粒增强体有SiC、Al2O3，、TiC、TiB、BC、石墨等非金属颗粒。2.金属基复合材料用纤维增强体纤维增强金属基复合材料常用的连续纤维增强剂有Bf(单丝)、Cf(石墨)、SiCf(单丝、束丝)、Al2O3，纤维等。短纤维有Al2O3

、Al2O3-SiO2、BN纤维等。金属纤维有W、Mo、钢丝。硼纤维用得最早，碳石墨纤维性能优异且产量大、品种多。3．金属基复合材料用晶须增强体

晶须是人工控制条件下以单晶形式生长的一种纤维，直径非常细，缺陷少，原子排列高度有序，强度接近完整晶体理论值，增强复合材料潜力大，包括金属、氧化物、碳化物、氮化物、卤化物等。SiCw是用化学气相法制备，已投人工业生产，SiCw/Al复合材料已在航空、航天工业和汽车工业中得到应用。8.2.3金属基复合材料制备工艺

金属基复合材料的制造程序是增强体经预处理或预成形后，先与基体材料复合，再经第二次成形和加工制成复合材料零件。重要的是要使增强纤维材料与基体间在高温下界面反应不引起损伤和具有较强的界面结合。1．纤维增强金属基复合材料制备方法真空压力浸渍法（图8-4）液态金属浸渍法挤压铸造法（图8-5）热压扩散黏结法（图8-6，8-7）2.颗粒增强金属基复合材料制备方法粉末冶金法铸造法喷雾共沉积法（图8-8）3.晶须增强金属基复合材料制备方法粉末冶金法压力铸造法4.金属基材料的二次加工技术

金属基复合材料在制成铸锭、坯、板后，通常采用二次加工成形，制成可应用的零件、锻件、旋压件、型材等模锻二次挤压旋压轧制超塑性成形热压扩散结合热等静压离心铸造8.2.4金属基复合材料的应用表8—6金属基复合材料及其一般应用范围§8.3树脂基复合材料树脂基复合材料由树脂基体与增强纤维所组成。树脂基体是复合材料另一个主要组分材料。在复合材料结构件成形过程中，树脂基体参与化学反应并固化成形为结构。因此，树脂基体固化工艺决定了结构件成形工艺和制造成本。树脂基体对纤维起支撑、保护作用并传递载荷。因此，树脂基体性能直接关系到复合材料的用温度、压缩性能、横向(90。)性能和剪切性能(包括层问剪切强度)等基本性能，以及湿热性能、抗冲击损伤性能和冲击后压缩强度CAI等，复合材料在飞机结构上应用愈广，对树脂基体提出的要求也就愈多、愈苛刻。8.3.1树脂基体热固性树脂基体

1)环氧树脂基体2)双马来酰亚胺树脂基体

3)聚酰亚胺树脂基体热塑性树脂基体

RTM用树脂基体

低温低压固化（LTM）树脂基体8.3.2增强纤维

增强纤维是树脂基复合材料主要组分材料之一，是复合材料承载主体，选定纤维品种及其体积含量，即可预估出复合材料沿纤维方向(纵向)的力学性能。机结构上应用的增强纤维有碳纤维、芳纶(Kevlar’)、玻璃纤维和硼纤维等。碳纤维由于其性能好、纤维类型和规格多、成本适中等因素，在飞机结构上应用最广。芳纶性能虽然尚佳，但在湿热环境下性能有明显下降，一般不用作飞机主承力结构，多与碳纤维混杂使用。玻璃纤维由于模量低，仅用于次要结构(整流罩、舱内装饰结构等)，但其电性能、透波性适宜制作雷达罩等。硼纤维因纤维直径太粗又刚硬，成形和加工性不好，价格又十分昂贵，故应用十分有限。碳纤维发展方向主要有三个，即中等模量高强度碳纤雏T800、T1000，高模量碳纤M50J、M60J和工业用廉价碳纤维。增强材料的基本形式有纤维丝束、编织布和针织布。8.3.3结构成形工艺成形工艺是将原材料转化为结构、将设计的结构图样转变为实物的必经之路。提高制造技术水平，降低制造成本是扩大复合材料应用的重要措施。以下主要介绍热固性树脂基碳纤维复合材料结构成形的工艺方法及其技术特点。树脂基复合材料成形工艺技术有如下显著特点：(1)确保实现结构设计所确定的纤维铺设方向。(2)热压工艺成形、结构件成形与材料形成同时完成。(3)可实现大型构件整体成形，显著减少机械加工和装配工作。(4)需完善的工艺质量控制体系，保证高成品率1．树脂基复合材料成形工艺技术特点2．成形工艺方法1)热压罐法2)软模成形法3)预成