第九章 复合材料.ppt

1、第九章 复合材料,一、复合材料的种类 二、复合材料的性能特点 三、复合材料的制造 四、复合材料的应用,复合材料 ： 是以一种材料为基体 ，另一种材料为增强体 ，或多种性质不同的材料通过物理和化学复合而成的材料，在宏观上组成具有新性能的材料。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组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能而满足各种不同的要求。 复合材料区别于任意混合材料的一个主要特征：多相结构存在着复合效应。,复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。 金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。 非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

2、 增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。,复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。,复合材料按用途主要可分为： 结构复合材料和功能复合材料两大类

3、。 结构复合材料： 主要作为承力结构使用的材料，由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料等。,一、复合材料的种类,功能材料复合材料 是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材

4、料，成为复合材料发展的主流。,复合材料按其组成分为： 金属与金属复合材料（合金）、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。,复合材料按其结构特点又分为： 纤维复合材料 将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。 夹层复合材料 由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。,细粒复合材料 将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。 混杂复合材料 由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有

5、特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内层间混杂和超混杂复合材料。,二、复合材料的性能特点,复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金。 复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。,例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。 石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。,纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化

6、硅纤维增强的铝基复合材料，在500时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。,非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。,三、复合材料的制造,复合材料的成型方法按基体材料不同各异。 树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷

7、射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成复合材料电缆支架型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。,金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等。 陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。,四、复合材料的应用,复合材料的主要应用领域有： 航空航天领域。 由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机

8、机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的verton复合材料壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。,汽车工业。 由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。,汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有

9、越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。,化工、纺织和机械制造领域。 有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。,医学领域。 碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。,复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。 在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备。 随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复

10、合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。,纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。,具体材料的应用： 树脂基复合材料的增强材料 玻璃纤维 高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高

11、硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。,碳纤维 碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。 我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。,碳纤维增强复合材料在体育

12、器材中的应用 高尔夫球棒 用碳纤维增强复合材料（CFRP）制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40。根据动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面碳纤维增强复合材料（CFRP）具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远。 钓鱼竿 碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比玻璃钢（GFRP）制品或竹竿都要轻得多，使其在撒竿时消耗能量少，而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好，刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，重量轻，疲劳强度高，耐摩擦，因而使用寿命长。 网球拍 复合材料制成的网球拍轻而坚，刚性大，应变小，可降低

13、球与球拍接触时的偏离度；同时，CFRP的阻尼性好，可延长肠线与球的接触时间，使网球获得较大的加速度。 羽毛球拍 碳纤维增强复合材料制成的羽毛球拍重量轻、刚性大，避免了木制品因其刚性不足而造成的断把现象，同时具有上述网球拍的优点。,赛车 用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻，比钢制架可减重50%左右，使自行车的总重量减轻15%。 滑雪板 用碳纤维增强复合材料制造的滑雪板，其特点是刚性大，耐摩擦，在转弯、斜坡和越野赛中脚底用力较小。用CFRF制造的滑雪杖在运动界也享有盛名。其特点是刚性大,重量轻，一般在150克左右。 碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造

14、越野赛汽车，它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤，用CFRP制造时为63.5公斤，用CFGPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。 此外，碳纤维增强复合材料在体育用品方面还可以制造动力雪撬用的弹簧板、洋弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机等。,芳纶纤维 芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动

15、器材等。,超高分子量聚乙烯纤维 超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。,热固性树脂基复合材料 热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。

16、 环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。,酚醛树脂具有耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点，因而在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。 乙烯基酯树脂是20世纪60年代发展起来的一类新型热固性树脂，其特点是耐腐蚀性好，耐溶剂性好，机械强度高，延伸率大，与金属、塑料、混凝土等材料的粘结性能好，耐疲劳性能好，电性能佳，耐热老化，固化收缩率低，可常温固化也可加热固化。,热塑性树脂基复合材料 热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主

17、要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上。,高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以PP、PA为主。产品有管件（弯头、三通、法兰）、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT

18、模压制品（如吉普车座椅支架）、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。,滑石粉填充的PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增强PP在车内装饰方面有着重要的应用，如用作通风系统零部件，仪表盘和自动刹车控制杠等，例如美国HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。,云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点，利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护栏、电机风扇、百叶

19、窗等部件，利用该材料的阻尼性可制作音响零件，利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。,树脂基复合材料在医疗方面的应用 在生物复合材料中，复合材料可用于制造人工心脏、人工肺及人工血管等，用人造复合材料器官挽救生命的设想将成为现实。复合材料牙齿，复合材料骨骼及用于创伤外科的复合材料呼吸器、支架、假肢、人工肌肉、人工皮肤等均有成功事例。在医疗设备方面，主要有复合材料诊断装置，复合材料测量器材及复合材料拐杖、轮椅、搬运车和担架等。,树脂基复合材料在娱乐方面的应用 在娱乐设施中，复合材料已大量用于游乐车、游乐船、水上滑梯、速滑车、碰碰车、儿童滑梯等产品，这些产品充分发挥了玻璃钢重量轻、强度高、耐水、耐磨、耐撞、色

20、泽鲜艳、产品美观及制造方便等特点。目前国内各大公园及各游乐场的娱乐设施，都已基本上用玻璃钢代替了传统材料。 在乐器制造方面，高性能复合材料得到推广应用，这是因为碳纤维-环氧复合材料的比模量高、弯曲刚度大、耐疲劳性好和不受环境温湿度影响等特点所致。用复合材料制造的扬声器、小提琴和电吉它，其音响效果均优于传统木质纸盒和云杉木产品质量。复合材料在乐器方面的用量占总产量的比例不大，但它在提高乐器质量方面，仍不失为一种有发展前途的方向。,树脂基复合材料在建筑方面的应用 用作承载结构，如：柱、桁架、梁、基础、承重折板、屋面板、楼板等；用作围护结构，如：外墙板、隔墙板、防腐楼板、屋顶结构、遮阳板、天花板、薄

21、壳结构和折板结构的组装构件等；用于采光制品，如：工业厂房、民用建筑、农业温室及大型公用建筑的天窗、屋顶及围扩墙面采光等；用于门窗装饰材料，如：墙裙、吊顶、大型浮雕等；用于卫生洁具材料，如：浴盆、洗面盆、坐便盆，各种整体式、组装式卫生间等；用于采暖通风材料，如：冷却塔、管道、板材、栅板、风机、叶片及整体成型的采暖通风制品，工程上应用的中央空调系统中的通风厨、送风管、排气管、防腐风机罩等；用于高层楼房屋顶建筑，如旋转餐厅屋盖、异形尖顶装饰屋盖、楼房加高、球形屋盖、屋顶花园、屋顶游泳池、广告牌和广告物等；用于特殊建筑，如：大跨度飞机库、各种尺寸的冷库、活动房屋、岗亭、仿古建筑、移动剧院、透微波塔楼、

22、屏蔽房、防腐车间、水工建筑、防浪堤、太阳能房、充气建筑等。 在建筑中的其它用途还很多，如各种家具、马路上的窨井盖、公园和运动场座椅、海滨浴场活动更衣室、公园仿古凉亭等。,GPO-3层压板 GPO-3层压板是由无碱玻璃纤维毡板浸以不饱和聚酯树脂糊，并添加相应的添加剂经热压而成的硬性板状绝缘材料。 GPO-3，又称 UPGM-203 ，指的是不饱和聚酯玻璃纤维毡板材料，机械和电气用，高湿下电气性能好，中等温度下机械性能好，具有阻燃性，耐电弧和耐抗漏电痕迹性能佳。 GPO-3层压板应用在断路器中应用： 框架式断路器：安全挡板、安全遮板、间隔衬垫、相间隔板等。 塑壳式断路器中的应用：相间隔板、灭弧室隔弧板等。 在电机马达中应用： 电机电枢部件，活动盖板，槽楔定子、定垫片，薄垫片