第十三章--复合材料

1、第十三章 复合材料,第十三章 复合材料,碳/碳复合材料,陶瓷基复合材料,金属基复合材料,聚合物基复合材料,复合材料概述,增强材料,推荐参考书目： 1. 刘雄亚编著，复合材料新进展，化学工业出版社， 2007 ； 2. 车剑飞等编，复合材料及其工程应用，机械工业出版社，2006 ； 3. 周曦亚编，复合材料，化学工业出版社， 2005 ； 4. 冯端著，材料科学导论，科学出版社，1999； 5. 江苏省精品课程新材料概论网址：,第十三章 复合材料,引言：无处不在的复合材料,土房-草增强泥基复合材料,钢筋混凝土建筑框架,玻璃钢撑杆,复合材料在航天领域中的应用,主货舱门- 碳纤维/环氧树脂 压力容器

2、- 凯芙拉纤维/环氧树脂 主机隔框和翼梁- 硼/铝复合材料,“哥伦比亚号” 航天飞机,发动机的喷管- 碳/碳复合材料 发动机组传力架- 钛基复合材料 机身防热瓦- 陶瓷基复合材料,国家技术发明一等奖（2004年）,“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”,黄伯云研制的飞机刹车片,复合材料在航天领域中的应用,“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料”,攻克航天飞机隔热瓦技术难关,国家技术发明一等奖（2004年）,复合材料在航空领域的应用,复合材料在航空领域的应用,法国 “空中客车” 公司生产的A380双层四引擎大型客机，最大可载客量650人,复合材料使A380减重15吨,(1) 机翼,(2) 垂直尾翼和

3、水平尾翼,(3) 地板梁和后承压框,(4) 固定机翼前缘,(5) 机翼后缘处的襟翼,副翼,(6) 机身蒙皮壁板,复合材料在化工领域中的应用,复合材料在日常生活中的应用,复合材料在体育用品中的应用,球拍颈部融合智能压电纤维,复合材料在网球拍上的应用,滑雪板在雪上滑行时，雪会产生轻微溶化，因水的“粘性”增加摩擦力。采用疏水性强的复合材料制成的滑雪板，可提高滑行性能。理想的材料是超高分子聚乙烯。,复合材料在滑雪板上的应用,轻质、高强、高弹性、较低成本、低密度及屈服强度,Pole-vaulting,复合材料在撑杆上的应用,13.1 复合材料概述,13.1.1 复合材料的定义 由两种以上不同的原材料组成

4、，使原材料的性能得到充分发挥，并通过复合化而得到单一材料所不具备的性能的材料。,必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成,必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料,通过各组分性能的互补可获得单一材料不能达到的综合性能,复合材料三个必要条件,1,2,3,13.1 复合材料概述,13.1.2 性能特点,1,2,3,4,比强度与比模量高,化学稳定性优良（管道）,减摩、耐磨、自润滑性好（掺入纤维）,耐热性高、高韧性、高抗冲击性,13.1 复合材料概述,13.1.3 复合材料的分类,基体,陶瓷,聚合物,金属,增强体,颗粒,纤维,按照基体分类,按照增强体分类,13.1 复合材料概述,按基体类型分类

5、,复合材料,金属基复合材料（如铝基、铜基、镁基和钛基等）,木基复合材料,有机材料基复合材料,无机非金属基复合材料,聚合物基复合材料,陶瓷基复合材料,混凝土基复合材料,碳基复合材料,热塑性树脂基,热固性树脂基,13.1 复合材料概述,按增强体类型分类,13.1 复合材料概述,按增强体几何形状分类,几何形状,纤维,颗粒,板状,颗粒增强型,非连续纤维增强型,板状增强型,连续纤维增强型,13.1 复合材料概述,SiC 晶粒,Al2O3 纤维,Al2O3板状,13.1 复合材料概述,13.1 复合材料概述,纤维增强型分类,非连续型,短纤维增强型,晶须增强型,随机排列,定向排列,按长度,连续型,玻璃纤维、

6、碳纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、 氧化锆纤维、石英纤维等,按种类,13.2 增强材料,在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质均称为增强材料。 纤维在复合材料中起增强作用，是主要的承力组分，还能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度。 复合材料的性能很大程度上取决于增强材料的性能、含量及处理方法。,13.2 增强材料,13.2.1 玻璃纤维,玻璃纤维生产流程图,将熔化的玻璃以极快的速度抽拉成细微的丝，即成为玻璃纤维。 细度在3.821.6m, 脆性与直径的四次方成正比。,13.2 增强材料,质地柔软，可以织成玻璃布，玻璃带。 玻璃纤维增强复合材料的机械强度、物理性 能、电性能及化学性能与玻

7、璃的成分，直径 细度有直接关系。,玻璃纤维的特点：,13.2 增强材料,13.2.2 硼纤维 航空航天领域中，为获得高比强度和高比弹性模量，开发新型增强纤维-硼纤维。 硼的熔点在2000以上，硬度仅次于金刚石。,13.2 增强材料,硼纤维在航空航天领域的应用效益 航天飞机的机身衍架用硼铝复合材料管材制造，取得减重2066的效果。 航天飞机货仓间隔支柱，可减重44。 美国P&W公司在JT8D发动机上用硼铝复合材料取代钛合金，可减重10。,13.2 增强材料,13.2.3 无机类晶须 晶须：截面积小于5.210-42，长径比在101000单晶体。 晶体结构完整、内部缺陷较少，其强度和模量均接近完整

8、晶体材料的理论值，是目前发现的固体的最强形式。 是长在银、铜等金属上的象霉菌一样的东西，可以从溶液、熔液、固体中生成并生长，也可以通过气相反应来制取。,13.2 增强材料,13.2.4 碳纤维 碳纤维特点： 将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在90以上的纤维。其质轻而强度高，具有良好的润滑及耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一。 制备方法 原料纤维制造、纤维稳定处理和高温碳化及石墨化烧结等工艺过程。,制备方法,浸渍法,混合法,层叠法,13.2 增强材料,复合材料的制备方法,混合法,13.2 增强材料,叠层（层合）法,13.2 增强材料,Reinforcement,Porous Material,

9、浸渍法,Heat, etc,13.2 增强材料,13.3 聚合物基复合材料,纤维增强热固性塑料 纤维增强热塑性塑料,热塑性塑料由于线胀系数较大、尺寸稳定性较差、刚性、耐疲劳性和某些机械强度尚不能满足结构材料的要求，大多数只能用作通用材料。 20世纪50年代，出现玻纤增强尼龙。60年代大规模生产。（玻璃钢）,13.3 聚合物基复合材料,13.3 聚合物基复合材料,纤维增强塑料（GFRP）用作输油管道,13.3 聚合物基复合材料,聚酯和环氧玻璃纤维增强塑料（GFRP）用作储油设备,13.3 聚合物基复合材料,碳纤维增强树脂用于汽车弹簧片,13.3 聚合物基复合材料,芳纶纤维增强树脂用于刹车片,13

10、.3 聚合物基复合材料,纤维增强热塑性塑料用于电路板,芳纶纤维增强塑料用于建筑材料,13.3 聚合物基复合材料,玻璃纤维增强树脂用于采光板,13.3 聚合物基复合材料,13.4 金属基复合材料,铝基复合材料 镁基复合材料,为什么会产生金属基复合材料？ 对材料的强韧性，导电、导热性，耐高温性、 耐磨性等性能都提出了越来越高的要求 要求材料具有更高的比强度和比模量(刚度) 纤维增强聚合物基复合材料不能在300以上温度下工作 聚合物基复合材料耐磨性差，不导电，不导热，在使用期间逐渐老化，变质，尺寸不够稳定。,13.4 金属基复合材料,金属基复合材料（MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或

11、非金属增强相人工合成的复合材料。其增强材料主要为无机非金属，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。 金属基复合材料制备过程是在高温下进行的，有的还在高温下工作较长时间，因此界面的结合强度起到重要作用。,13.4 金属基复合材料,13.4.1 铝基复合材料的性能和应用,纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性好等一系列优异性能 ，目前主要用于航天领域，作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。,13.4 金属基复合材料,硼铝复合材料 是实际应用最早的金属基复合材料，美国和原苏联的航天飞机中的机身框架及支柱和起落架拉杆等都用硼铝复合材料制成。,13.4 金属基复合材料,石墨铝复合材料 最成功的应

12、用是美国的哈勃望远镜的两个兼作波导管用的长为3.6m的长方形天线支架，此外还可用于人造卫星或天文望远镜支架、L频带平面天线、人造卫星抛物面天线、照相机波导管和镜筒、红外反射镜等。,碳化硅铝复合材料主要用作飞机、导弹、发动机的高性能结构件 氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是丰田公司用来制造柴油发动机的活塞 、如活塞镶圈。,13.4 金属基复合材料,13.4.2 镁基复合材料的性能和应用,镁基复合材料是同类金属基复合材料中比强度和比模量最高的一种，但由于价格昂贵目前只用于航空航天部门。 含硼纤维4045的硼镁复合材料的拉伸强度为11001200MPa，弹性模量220GPa，断裂伸长0.5，泊

13、松比0.25。,13.4 金属基复合材料,加入少量的SiC或Al2O3颗粒在镁或镁合金中，明显提高其耐磨性 ，可用于制造油泵的泵壳体、止推板、安全阀等零部件 。 石墨纤维增强镁基复合材料由于具有最高的比强度和比模量、最好的抗热变形阻力，成为理想的航天结构材料，已被用于制造卫星的10m直径的抛物面天线及其支架 。 具有零膨胀系数的石墨/镁复合材料可用于航天飞机的大面积蜂窝结构蒙皮材料 。,13.4 金属基复合材料,陶瓷复合材料以其具有的高强度、高模量、低密度、耐高温和良好的韧性等，已在高速切削工具和内燃机部件上得到应用。 SiCw增韧的细颗粒Al2O3陶瓷复合材料已成功用于工业生产制造切削刀具，

14、我国研制生产的SiCw/ Al2O3复合材料刀具切削镍基合金时，不但刀具使用寿命增加，而且进刀时和切削速度也大大提高。,13.5 陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料用于火箭喷管及燃烧室内壁,固体发动机燃烧室与喷管部件,13.5 陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料用作滑动构件,13.5 陶瓷基复合材料,13.6 碳/碳复合材料,以碳为基体，利用碳纤维进行增强得到的碳复合材料，叫做C/C复合材料（Carbon/Carbon Composite） 它具有良好的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、摩擦减振特性及热、电传导特性等特点。 质轻、比强度、比弹性模量都很高 。可用来制作火箭发动机的喷管、航天飞机的襟翼、飞机的制动盘等。,其弯曲强度介于1501400MPa之间。 因为石墨是熔点极高的材料，所以决定了C/C复合材料具有较高的耐热性。,13.6 碳/碳复合材料,用于航天飞机轨道飞行器的耐热材料、火箭发动机的喷