2022材料导论复合材料

复合材料李珍材料科学与化学工程学院2009-3-18材料学导论6/29/20241

材料为什么复合？无机非金属材料高分子材料金属材料局限性:

成分结构性能6/29/20242问题解决思路：复合——克服单一材料缺点，发挥复合后共同的优点复合的方式——研究新材料的捷径使材料有了很强的可设计性但由于单一材料自身的成分、结构形成的界面特征，目前并不是所有单一材料都能复合6/29/20243材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)铝木材石料青铜铸铁钢复合材料碳纤维芳香族酰胺纤维6新材料技术是工业革命和产业发展的先导6/29/20244网球拍材料发展60年，木质球拍70年代，金属球拍今日，复合材料如碳、玻璃、克维拉、高张力碳纤维，钛，超刚性碳纤维等材料单独使用或混合使用。、复合材料与木或铝比起来更轻，更硬，更耐用也更能吸收震荡与振动。同时也让制造厂商在球拍的硬度，球感，击球性能的设计上有更大的伸展空间。6/29/20245飞机用材料的发展70年代后以铝、钛、钢硼或碳纤维增强的复合材料。已成为飞机的基本结构材料。A38025%重量的部件由CFRP复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP),3%为铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料层状结构的LARE纤维－金属板。部件包括：减速板、垂直和水平稳定器、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门等1903年12月17日莱特兄弟的第一架飞木材、布和钢1910～1925年开始用钢管代替木材作机身骨架，用铝作蒙皮40-50年代末全金属结构飞机60年代出现3倍音速的SR-71全钛高空高速侦察机和不锈钢占机体结构重量69％的XB-70轰炸机。6/29/20246A380，每位乘客的百公里能耗不到3升，比竞争机型的能耗低12%；空中巴士公司的A350超宽客机，复合材料结构将达62%，A350的百公里能耗预计只有2.5升/人，几乎可以跟现在的小汽车媲美。

6/29/20247大飞机制造材料：

北京航空材料研究院益小苏70年代空客A300，复合材料占整架飞机的比重只有5%；06年面世超大型飞机A380，复合材料的比重已达23%；2010年A350超宽客机，其高性能轻质结构将达62%，成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。飞机的机身前舱部分可整体使用复合材料成型6/29/2024819501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面温度(℃)1700单晶合金普通铸件定向凝固超级合金共晶合金弥散强化超级合金隔热涂层陶瓷复合材料碳-碳新材料技术是工业革命和产业发展的先导在发动机上应用的年份叶片材料的发展历程纤维增强超级合金6/29/2024930年代教练机二次大战战斗机80年代截击机航天飞机东方快车号10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同类型的飞行器蒙皮温度温度（0C）新材料技术是工业革命和产业发展的先导6/29/202410+175+390+595金属玻璃纤维KavlarC/C复合材料Km导弹射程火箭壳体材料与导弹射程6/29/202411纤维混凝土井盖

铸铁井盖

纤维聚合物井盖

6/29/202412讲授内容：4.1概述一、什么是复合材料二、复合材料的命名三、复合材料的分类四、复合材料的发展历史五、复合材料的发展趋势4.3增强材料一、玻璃纤维二、碳纤维三、硼纤维四、碳化硅纤维五、芳纶纤维六、晶须4.2复合材料的增强机制一、粒子增强型复合材料增强机制二、纤维增强复合材料的增强机制三、复合材料的界面四、复合材料的基本性能4.4金属基复合材料4.5陶瓷基复合材料

4.6聚合物基复合材料6/29/202413一、什么是复合材料？复合材料(ompositematerials)是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。4.1概述复合材料船体碳纤维密度：1.7g/cm3拉伸强度：3～5GPa拉伸模量：200～700GPa芳纶密度：1.4g／cm3拉伸模量：120～150GPa6/29/202414复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。基体相：一种连续相，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用。增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。

SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型纤维增强高分子复合材料6/29/202415（1）基体与增强材料并用：

增强材料/基体材料“复合材料”如：碳纤维环氧树脂复合材料（2）强调基体材料时以基体为主：

例：树脂基复合材料，金属基复合材料（3）强调增强材料时则以增强材料为主：

如玻璃纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料等二、复合材料的命名6/29/202416（1）基体材料类型无机非金属基复合材料金属基复合材料(石墨纤维增强镁

)聚合物基复合材料（2）增强纤维类型有机纤维复合材料玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料硼纤维复合材料混杂纤维复合材料（3）增强物外形粒子复合材料纤维复合材料层状复合材料三、复合材料分类6/29/202417（4）材料作用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聚合物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6/29/202418四、复合材料的发展历史远古时代出现。例如：古代草混在泥土中，做壁体的房顶，草混土就是原始的纤维增强复合材料；公元前埃及的金字塔就使用了石灰、火山灰等作粘结剂，并以砂石混合作为混凝土材料，这是原始的粒子分散复合材料。现代复合材料发展是近几十年的事：树脂基复合材料（玻璃钢）70年历史，金属基和无机非金属基复合材料的发展有30多年历史。6/29/202419国际：1932在美国诞生1940～1945（二次大战期间）玻璃纤维增强聚酯军用雷达罩、飞机油箱（美国）1944玻璃钢夹层结构，制造飞机机身（美国）1950直升飞机的螺旋浆（美国）60年代“北极星A”导弹发动机壳体（美国）1965年SMC压制汽车配件，浴盆（美国和日本）60年代热塑性树脂复合材料得到发展，主要用于汽车制造业树脂基高性能复合材料已用于制造军用飞机的承力结构，近年来又逐步进入其他工业领域。60年代以来，树脂基复合材料得到飞快发展，从原材料、成型工艺、机械设备、产品种类、检验及应用等形成了完整的工业体系。发展途径：美国 军工 → 民用为主西欧各国：直接发展民用复合材料

（1）树脂基复合材料发展史6/29/202420我国：玻璃钢始于1958年，最初是军工产品起家，也注意到民用品1958，手糊工艺制造玻璃钢船，层压和卷制工艺研制了玻璃钢板、管和火箭筒；1962，引进不饱和聚酯树脂生产线，研究飞机螺旋桨等；1970，手糊夹层结构板制造了大型玻璃钢雷达罩；1972，武汉工业大学、上海华东化工学院、哈尔滨建筑工筑学院三校设立复合材料专业，此后北京航空学院、西北工业大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等高等院校设立了复合材料专业。1971年以前主要是军工产品、70年代以后开始转向民用。6/29/202421研制起步较晚，发展迅速。60年代末期，美国首次成功将B/Al复合材料代替铝合金制作航天轨道飞行器中部壳体的衍架支柱以来而深受各国重视。70年代末期用高强度、高模量的耐热纤维与（轻）金属复合，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性低等不足。金属基复合材料有优良导电和导热性，加上纤维增强体不仅提高了材料的强度和模量，而且降低了密度。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放气和膨胀系数低等特点，广泛用于航天航空等尖端技术领域，是理想的结构材料。（2）金属基复合材料发展史6/29/202422陶瓷基复合材料：80年代开始发展陶瓷基复合材料，采用纤维补强陶瓷基体以提高韧性。主要目的是制造燃气涡轮叶片和其它耐热部件。无机粘接剂基复合材料：自1968年英国研究出抗碱玻纤之后，玻璃纤维增强水泥复合材料得到推广应用，目前已工业化生产。（3）无机非金属发展史6/29/202423五、复合材料的发展趋势1、由宏观复合向微观复合发展微纤增强复合材料纳米复合材料分子复合材料2、向多元混杂复合和超混杂复合发展例如两种纤维的复合应用，两种基体的复合应用等3、由结构复合为主向结构复合与功能复合并重的方向发展功能复合材料的开发与应用等

6/29/202424复合材料的发展趋势4、由被动复合向主动复合材料发展所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种作用或作出某种反应。主动材料就是指具备能自诊断、自适应和自修补作用材料。5、由常规设计向仿生设计方向发展仿生设计就是利用某种生物体的特征，设计材料。仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的功能材料。6/29/202425一、粒子增强型复合材料的增强机制

1、弥散强化复合材料的增强机制将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。其强化效果与粒子直径、体积分数有关，质点尺寸越小体积分数越高，强化效果越好。4.2复合材料的增强机制卫星用颗粒增强铝基复合材料零件碳黑增强橡胶6/29/202426用金属或高分子聚合物把具有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成的材料。由于强化相颗粒较大，对位错的滑移（金属基）或分子链运动（聚合物基）已没有多大的阻碍作用，强化效果并不显著。主要不是提高强度，而是改善耐磨性或提高综合力学性能。（2）颗粒增强复合材料的增强机制

硬质合金组织(Co+WC)硬质合金模具硬质合金轴承刀具6/29/202427以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。纤维增强复合原则

纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。

碳纤维二、纤维增强复合材料的增强机制6/29/202428

1）弹性模量及强度外力方向与纤维轴向相同时，

c=

f=

m(f-纤维、m-基体、c-复合材料)，则当外力垂直于纤维轴向时，则2）纤维的临界长径比3）纤维最小体积分数6/29/202429粒子增强型复合材料增强机制①弥散强化复合材料，其粒子直径0.1~0.01μm、体积分数约1%~15%，增强强度。②颗粒增强复合材料，粒子直径为1~50μm、体积分数大于20%，改善耐磨性或提高综合力学性能。6/29/202430纤维增强遵循原则：1。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。3。纤维所占体积分数、长度、长度和直径比(L/d)等必须满足一定要求，通常纤维体积分数越高、越长、越细，增强效果越好。4。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。5。纤维与基体之间有良好的相容性。2。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有一定的强度。

纤维在基体中的不同分布方式6/29/202431三、复合材料的界面1、什么是界面(interface

)？复合材料中基体与增强材料之间的结合面。此结合面是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。相与相之间的交界面。即两相间的接触表面6/29/2024322、界面结合的类型I、机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。II、溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。III、反应结合：基体与纤维之间形成界面反应层。IV、混合结合：上述三种形式的混合结合方式。6/29/2024333、纤维增强复合材料界面特点I、纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。II、纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。III、纤维与基体反应形成界面反应层。6/29/2024344、怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？界面厚度、残余应力、界面能、结合强度1）改变增强材料表面性质。2）向基体内添加特定的元素。3）在增强材料的表面施加涂层。6/29/2024351、力学性能：

比强度和比模量高，抗疲劳性能好。纤维增强复合材料最高

四、复合材料的基本性能比强度比较碳纤维\树脂硼纤维\树脂玻璃纤维\树脂钛钢铝6/29/2024362、热性能：高温性能好增强纤维熔点高。

导热性能：

金属基复合材料：50～65W/（m·K）；陶瓷基复合材料：0.7～3.5W/（m·K）；树脂基复合材料：0.35～0.45W/（m·K）。3、耐自然老化性能：

陶瓷基复合材料>金属基复合材料>树脂基复合材料4、减振性能良好

复合材料中大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。5、生产工艺：

树脂基复合材料生产工艺成熟，产品成本最低；金属基复合材料次之；陶瓷基复合材料工艺最复杂，产品成本也最高。6/29/2024374.3增强材料

复合材料中分散相（增强材料）：一提高复合材料的强度、弹性模量和热变形温度；二降低收缩率，并在热、电、磁等方面赋予复合材料新的性能。纤维与晶须的主要特点：

密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小西方：玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维制作高级复合材料三大高级纤维。氧化铝纤维6/29/202438一、纤维的种类1、玻璃纤维：2、碳纤维：3、硼纤维：4、金属纤维：5、陶瓷纤维：6、芳纶纤维7、晶须SiC晶须玻璃纤维碳纤维SiC纤维6/29/202439纤维密度(g/cm3)软化点(℃)抗拉强度(MPa)比强度(106cm)弹性模量(GPa)比模量(107cm)Kevlar-291.54—360024744.8Kevlar-491.54—3900251278.3碳纤维（普通）1.703650200011.820011.3碳纤维（高强）1.753650300017.122012.5碳纤维（高模）1.903650250013.145023.6硼纤维（钨芯）2.622300280011.039015E玻璃纤维2.54700345013.77229S玻璃纤维2.50840482019.78535石英玻璃2.101660600020743.3ZrO2纤维4.81365021004.33507.1Al2O3纤维361803.5Al2O3晶须3.962040210005343011SiC晶须3.182690210006649019Si3N4晶须3.1819601400044380126/29/202440二、玻璃纤维

熔融的玻璃经快速拉伸、冷却所形成的纤维。增强纤维中应用最早、用量最大、价格最便宜的一种。类型：按化学成分及使用特性分为：（1）E-玻璃纤维（无碱纤维）金属氧化物＜0.8%,铝硼硅酸盐玻璃。（2）C-中碱玻璃含碱量12%左右。（3）A-高碱玻璃纤维，含碱量＞12%。（4）S－硅酸铝－镁玻璃纤维:高强度高弹性模量玻璃纤维玻璃纤维短切丝各种玻璃纤维纱玻璃纤维无捻粗纱6/29/202441玻璃纤维布玻璃纤维布厂玻璃纤维毡中碱玻璃纤维布6/29/202442三、碳纤维——比人发细、比铝轻、比钢强

有机纤维在惰性气氛中高温碳化而成的纤维状碳化合物。主要以聚丙烯腈、人造丝、石油沥青或煤沥青为原料。强度高、刚度高、耐疲劳、重量轻：碳纤维/合成树脂复合材料的比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高3～4倍，代替金属材料材料。美国AV-8B垂直起降飞机的重量减轻了27％。F-18战斗机减轻了10％。碳纤维碳纤维短纤

6/29/202443导电性很好：具有较高的导电率和磁导率，可用作电磁屏蔽材料。低温处理或某些特殊的处理可使碳纤维具有吸波性，可作为吸波材料，以达到隐身的目的。化学性能稳定：与碳相似，耐一般酸碱。在无氧情况下，碳纤维具有突出的耐热性，高于1500℃时强度才开始下降。不足之处：抗氧化能力差，怕打结。应用于航空和航天工业。在汽车工业、体育用品和一般民用工业也得到了应用。

碳纤维及其缝编织物6/29/202444碳纤维制成的车身碳纤维排气管

碳纤维轮毂自行车或轮椅的后轮

6/29/202445用于小汽车上碳纤维复合材料构建6/29/202446四、硼纤维两种类型：硼沉积在细钨丝上，硼沉积在涂碳和涂钨的石英纤维上。硼纤维直径约100μm。化学反应式