材料化学第十章-复合材料课件.ppt

复合材料复合材料Chapter 10 Composites1本章内容1.复合材料概述2.复合材料分类3.复合材料的基体4.复合材料的增强相5.复合材料的复合原理6.复合材料的成型工艺2学习目的掌握复合材料的特点；了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求；理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机制和界面作用；了解复合材料的成型工艺。3参考书目王荣国 主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出版社，1998鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，2004ASM International,Engineered materials handbook,Composites,Vol.1,Metals,Park,19874复合材料的定义国际标准化组织国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料 材料大词典材料大词典：复合材料是根据应用进行设计，复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。成的一类新型材料。6Chapter 9 Composites材料科学技术百科全书材料科学技术百科全书：复合材料是由有机复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。与一般材料的简单混合有本质区别。7Chapter 9 Composites复合材料的特点：复合材料的特点：1）复合材料是由复合材料是由两种或两种两种或两种以上不同性能的材料组以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的间存在着明显的界面界面；2）复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性，而，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一单一材料组元所不具备的优良特殊性能材料组元所不具备的优良特殊性能；3）复合材料具有复合材料具有可设计性可设计性。可以根据使用条件要求进。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。高工程结构的效能。8Chapter 9 CompositesSchematic illustration of composite constituentsChapter 9 Composites10复合材料历史古代近代先进复合材料古代近代先进复合材料天然复合材料竹、贝壳，树木和竹子：纤维素和木质素的复合体 动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 古代：使用、效仿 半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆 11Chapter 9 Composites10.2 复合材料的分类按按增强材料形态增强材料形态分类分类1、纤维纤维增强复合材料：增强复合材料：a.a.连续连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；都位于复合材料的边界处；b.b.非连续非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；基体材料中；2 2、颗粒颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3 3、板状板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 13Chapter 9 Composites纤维增强复合材料种类纤维增强复合材料种类 玻璃玻璃纤维复合材料；纤维复合材料；碳纤维碳纤维复合材料；复合材料；有机纤维有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；维等）复合材料；金属纤维金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；陶瓷纤维陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。混杂混杂复合材料：复合材料：两种或两种以上增强体两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料与同一基体制成的复合材料可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的即复合材料的“复合材料复合材料”。15Chapter 9 Composites按按基体材料基体材料分类分类 聚合物基聚合物基复合材料复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；性树脂及橡胶等）为基体；金属基金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；无机非金属基无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。泥）为基体。16Chapter 9 Composites复合材料系统组合分散相分散相连续相连续相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料 碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶18Chapter 9 Composites各种材料的发展状况各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用 金属基复合材料金属基复合材料 开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决19Chapter 9 Composites复合材料的设计复合材料的设计从常规设计向从常规设计向仿生仿生设计发展设计发展仿照仿照竹子竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。材料。仿照仿照鲍鱼壳鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了铝和硼混合成陶瓷细带制成了1010微米厚的薄层，由此得到的微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固层状复合材料比其原材料坚固4040。仿照仿照骨骼骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。20Chapter 9 Composites10.3 复合材料的基体材料 复合材料的原材料：复合材料的原材料：基体材料基体材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料聚合物材料聚合物材料增强材料增强材料纤维纤维晶须晶须颗粒颗粒21Chapter 9 Composites10.3.1 金属基体材料9.3.1.1 选择基体的原则选择基体的原则目前用作金属基复合材料的金属有目前用作金属基复合材料的金属有铝铝及铝合金、及铝合金、镁镁合金、合金、钛钛合金、合金、镍镍合金、合金、铜铜与铜合金、与铜合金、锌锌合合金、铅、钛铝、镍铝金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物金属间化合物等。等。基体材料成分的选择对能否基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点体金属和增强物性能特点，获得预期的，获得预期的优异综优异综合性能合性能，满足使用要求十分重要。，满足使用要求十分重要。22Chapter 9 Composites高性能发动机高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还：要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的要具有优良的耐高温耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅如碳化硅/钛、钨丝钛、钨丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。叶片、转轴等重要零件。在在汽车发动机汽车发动机中要求其零件中要求其零件耐热、耐磨、导热耐热、耐磨、导热、一定的高温、一定的高温强度等，同时又要求强度等，同时又要求成本低廉成本低廉，适合于批量生产，因此选用，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。铝基复合材料。如碳化硅如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。制作发动机活塞、缸套等零件。24Chapter 9 Composites工业工业集成电路集成电路需要需要高导热、低膨胀高导热、低膨胀的金属基复合材料的金属基复合材料作为散热元件和基板。作为散热元件和基板。选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。为解决高集成电子器件的关键材料。25Chapter 9 Composites 金属基复合材料组成特点金属基复合材料组成特点连续连续纤维增强金属基复合材料，纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物纤维是主要承载物体体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维。的强度和模量远远低于纤维。连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是是以充分发挥增强纤维的性能为主以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与，基体本身应与纤维有纤维有良好的相容性和塑性良好的相容性和塑性，而，而并不要求并不要求基体本身基体本身有很高的强度。有很高的强度。26Chapter 9 Composites对于对于非连续非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。对复合材料具有决定性的影响。因此要获得高因此要获得高性能金属基复合材料性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作必须选用高强度铝合金作为基体为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体。）为基体。28Chapter 9 Composites 基体金属与增强物的基体金属与增强物的相容性相容性金属基复合材料需要在金属基复合材料需要在高温高温下成型，制备下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生金属之间很容易发生化学反应化学反应，在界面形成反应，在界面形成反应层。界面层。界面反应层反应层大多是大多是脆性脆性的，当反应层达到一的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。维断裂，导致复合材料整体破坏。29Chapter 9 Composites10.3.1.2 10.3.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体分为分为轻金属轻金属基体和基体和耐热耐热合金基体合金基体 用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等 用于用于450700的复合材料的金属基体的复合材料的金属基体钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在在450450700700使用，用于航空发动机等零件。使用，用于航空发动机等零件。用于用于10001000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。于研究阶段。31Chapter 9 Composites10.3.1.3 10.3.1.3 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体要求材料和器件具有优良的要求材料和器件具有优良的综合物理性能综合物理性能，如同时具如同时具有有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠靠优化设计和先进制造技术优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合将金属与增强物做成复合材料来满足需求。材料来满足需求。主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。铅、锌等金属。32Chapter 9 Composites微电子技术的电子封装集成电路：需用热膨胀系数小、导热性好的材料做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，来提高器件可靠性。用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝基复合材料等33Chapter 9 Composites耐高温摩擦的耐磨材料碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属及其合金的金属基复合材料。高导热和耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料碳（石墨）纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等金属基复合材料。耐腐蚀的电池极板材料等34Chapter 9 Composites10.3.2 陶瓷基体在陶瓷基体中添加其他成分（如陶瓷粒子、纤维或晶须）可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。高强度的碳化硅晶须容易掺混在陶瓷基体中，增强陶瓷的作用明显。用作基体材料的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。35Chapter 9 Composites7.4.3 陶瓷基陶瓷基复合材料（陶瓷基复合材料（CMC）36Chapter 9 CompositesCMC的应用的应用37Chapter 9 Composites7.4.4 C/C碳碳/碳复合材料（碳复合材料（C/C）JC/C在航天领域中的应用在航天领域中的应用C/C作为刹车盘作为刹车盘38Chapter 9 Composites10.3.3 聚合物基体 10.3.3.1 聚合物基体的种类聚合物基体的种类不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物热塑性聚合物等。等。不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的合材料用树脂总量的80%80%以上。以上。39Chapter 9 Composites聚酯树脂聚酯树脂特点：特点：工艺性良好工艺性良好，室温下固化，常压下成型，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。工艺装置简单。树脂固化后树脂固化后综合性能良好综合性能良好，力学性能不如，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。酚醛树脂或环氧树脂。价格价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。贵一些。不饱和聚酯树脂的不饱和聚酯树脂的缺点缺点是固化时是固化时体积收缩体积收缩率大、耐热性差等率大、耐热性差等。主要用于一般主要用于一般民用工业和生活用品民用工业和生活用品中中40Chapter 9 Composites 邻苯型不饱和聚酯：间苯型不饱和聚酯：双酚型不饱和聚酯：41Chapter 9 Composites环氧树脂环氧树脂特点：特点：在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；碱对固化反应起促进作用；已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；耐化学介质和耐烧蚀性能；树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；进行；固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。够好，但断裂延伸率低，脆性大。42Chapter 9 Composites 双酚型环氧树脂：酚醛环氧树脂：43Chapter 9 Composites酚醛树脂酚醛树脂优点：比环氧树脂价格便宜优点：比环氧树脂价格便宜缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。制品空隙含量高等。大量大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。44Chapter 9 Composites10.3.3.2 聚合物基体的作用聚合物基体的作用把纤维粘在一起；把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。保护纤维不受环境影响。用作基体的用作基体的理想材料理想材料，其原始状态应该是低粘度的液，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。粘住。尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。45Chapter 9 Composites例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的最直的纤维纤维承受，基体使得应力较均匀地分配给承受，基体使得应力较均匀地分配给所有所有纤维，这是由纤维，这是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪切过程于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪切过程传递，这要求纤维和基体之间有传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度高的胶接强度，同时要，同时要求求基体本身也具有高的剪切强度和模量基体本身也具有高的剪切强度和模量。当载荷主要由纤维承受时，复合材料总的延伸率受到纤当载荷主要由纤维承受时，复合材料总的延伸率受到纤维的破坏延伸率的限制，这通常为维的破坏延伸率的限制，这通常为1%1.5%。基体的。基体的主要性能是在这个应变水平下不应该裂开。主要性能是在这个应变水平下不应该裂开。在纤维的垂直方向，基体的力学性能和纤维与基体之间在纤维的垂直方向，基体的力学性能和纤维与基体之间的胶接强度控制着复合材料的物理性能。的胶接强度控制着复合材料的物理性能。由于基体比纤维弱得多，而柔性却大得多，所以在结构由于基体比纤维弱得多，而柔性却大得多，所以在结构件设计中应件设计中应尽量避免基体直接横向受载。尽量避免基体直接横向受载。46Chapter 9 Composites在高胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率高，但断在高胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率高，但断裂韧性差）与较低胶接强度体系（纤维间的载荷传递裂韧性差）与较低胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率不高，但韧性较高）之间需要效率不高，但韧性较高）之间需要折衷折衷。在应力水平和方向不确定情况下使用或在纤维排列精在应力水平和方向不确定情况下使用或在纤维排列精度较低情况下制造的复合材料往往要求基体比较软。度较低情况下制造的复合材料往往要求基体比较软。在明确应力水平情况下使用和在严格控制纤维排列情在明确应力水平情况下使用和在严格控制纤维排列情况下制造的先进复合材料，应通过使用高模量和高胶况下制造的先进复合材料，应通过使用高模量和高胶接强度的基体以更充分地发挥纤维的最大性能。接强度的基体以更充分地发挥纤维的最大性能。47Chapter 9 Composites10.4 复合材料的增强相增增强强材材料料（增增强强体体、增增强强剂剂等等）分分散散在基体内以改进其机械性能的高强度材料在基体内以改进其机械性能的高强度材料分类分类纤维及其织物纤维及其织物晶须晶须颗粒颗粒小片状、板状小片状、板状48Chapter 9 CompositesTypes of reinforced compositesChapter 9 Composites4910.4.1 纤维增强体天然纤维植物纤维（棉花、麻类）、动物纤维（丝、毛）和矿物纤维（石棉）。强度较低现代复合材料的增强材料用合成纤维有机纤维无机纤维。50Chapter 9 CompositesTypes of fiber reinforcement orientationChapter 9 Composites51one-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensional1）有机纤维 芳香族酰胺纤维Aromatic Polymide Fibre,Kevlar,KF特点：高强度、高模量和韧性好等密度较低，而比强度极高，超过玻璃纤维、碳纤维和硼纤维比模量与碳纤维相近，超过玻璃、钢、铝等。由于韧性好，它不象碳纤维、硼纤维那样脆，因而便于纺织。常和碳纤维混杂，提高纤维复合材料的耐冲击性。Kevlar纤维属于自熄性材料。52Chapter 9 Composites53Chapter 9 CompositesKEVLAR纤维 聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。通常分子量大于106，拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为116GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。不足之处是熔点较低（约135）和高温容易蠕变。因此仅能在100以下使用，可用于制做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等54Chapter 9 Composites2）无机纤维 玻璃纤维（Glass Fibre,GF或Gt）由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。由于质地柔软，因此可以纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。价格便宜，品种多，适于编织各种玻璃布，作为增强材料广泛用于航空航天、建筑领域及日常用品。缺点是不耐磨，易折断，易受机械损伤，长期放置强度下降。55Chapter 9 CompositesExample无捻玻璃纤维无捻玻璃纤维 56Chapter 9 Composites种类：按用途高强度纤维、低介电纤维、耐化学药品纤维、耐电腐蚀纤维、耐碱纤维；按化学成分碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维；按单丝直径可分为：粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维。57Chapter 9 Composites7.4.1 聚合物基玻璃钢天线反射面玻璃钢天线反射面玻璃钢建筑材料用于玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢上海东方明珠电视塔大堂装潢58Chapter 9 Composites(1)GFRP玻璃钢应用于体育用品玻璃钢应用于体育用品59Chapter 9 Composites 碳纤维（Carbon Fibre,CF或Cf）纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。生产碳纤维的原料主要为人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯烃和沥青三种，其中以聚丙烯烃最为主要。按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。60Chapter 9 Composites碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型Polymer Matrix Composites，PMC 普通型普通型 高强度型高强度型 高弹性模量型高弹性模量型 61Chapter 9 Composites碳纤维片材（复合材料）碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固用于建筑物补强加固62Chapter 9 CompositesPyrolysis（热解）of polyacrylonitrile(聚丙烯腈，PAN)to form carbon fibersChapter 9 Composites63(2)CFRP碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）CFRP在民用在民用飞机中的应用飞机中的应用CFRP在空间站大型结构在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用以及太阳能电池支架中的应用64Chapter 9 Composites碳纤维的特点：强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900以上才呈现出永久塑性变形。摩擦系数小、润滑性好、导电性高。碳纤维的缺点：价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。65Chapter 9 Composites 硼纤维（Boron Fibre，BF或Bf）通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100m、140m、200m几种。硼纤维的特点硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.42.65g/cm3，拉伸强度为3.25.2GPa，弹性模量为350400GPa。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。66Chapter 9 Composites硼纤维的缺点工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。67Chapter 9 Composites硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱68Chapter 9 Composites 氧化铝纤维Aluminia Fibre，AF多晶连续纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。优点：具有优良的耐热性和抗氧化性，直到370强度仍下降不大。缺点：在所有纤维中密度最大。用途：主要用于金属基复合材料。69Chapter 9 Composites 碳化硅纤维Silicon Carbide Fibre，SF目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。特点：高强度高模量有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。70Chapter 9 Composites-碳化硅碳化硅71Chapter 9 Composites10.4.2 晶须增强体晶须（Wisker）：具有一定长径比（一般大于10）和截面积小于5210-5cm2的单晶纤维材料。具有实用价值的晶须直径约为110m，长度与直径比在51000之间。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。72Chapter 9 Composites分类：金属晶须（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等）氧化物晶须（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等）陶瓷晶须（如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC、B4C）氮化物晶须（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）无机盐类晶须（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。73Chapter 9 Composites晶须的制备方法：化学气相沉积（CVD）法溶胶凝胶法气液固（VLS）法液相生长法固相生长法原位生长法。74Chapter 9 Composites10.4.3 颗粒增强体 Particle Reinforcement颗粒增强体：用以改善基体材料性能的颗粒状材料颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。颗粒增强体成本低，易于批量生产。75Chapter 9 Composites具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。刚性颗粒增强体（Ragid Particle Reinforcement）76Chapter 9 Composites颗粒增强体以很细的粉末（一般在10m以下）加入到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用在Al合金中加入体积为30%，粒径为0.3m的Al2O3颗粒,材料在300时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。在Si3N4陶瓷中加入体积为20%的TiC颗粒，可使其韧性提高5%。77Chapter 9 Composites延性颗粒增强体（Ductile Particle Reinforcement）主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。78Chapter 9 Composites复合材料的复合原理，是反映各种因素对复合材料性能的影响规律。影响复合材料性能的因素：工艺因素基体和增强材料的性能增强材料的形状、含量、分布增强材料的以及与基体的界面结合、结构按照复合原理，可以对所需要研究和开发的复合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。10.5 复合材料的复合原理79Chapter 9 Composites在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）：9.5.1 混合法则（mixing rule）Pc：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；Pi：各组分材料的对应复合材料的某性能；V：组成复合材料各组分的体积百分比；i：表示组成复合材料的组分数。80Chapter 9 CompositesSiC/硼硅玻璃复合材料的强度硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加随纤维体积含量线性增加81Chapter 9 Composites颗粒增强复合材料的颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系弹性模量与颗粒体积分量的关系82Chapter 9 Composites复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂）复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和，其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。抵抗裂纹扩展的能力。以纤维增强复合材料为例，以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。纤维搭桥等增韧机制。10.5.2 增韧机制83Chapter 9 Composites纤维脱粘纤维脱粘纤维搭桥纤维搭桥纤维拔出纤维拔出84Chapter 9 Composites10.5.3 界面作用在基体和分散相之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面界面。复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为界面相。界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的一个指标。对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或过弱都不利于材料的力学性能。85Chapter 9 Composites复合材料界面的粘结方式复合材料界面的粘结方式 机械结合机械结合静电作用静电作用界面扩散界面扩散界面反应界面反应86Chapter 9 Composites10.6 复合材料的成型工艺10.6.1 聚合物基复合材料的成型工艺 聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。成型工艺包括两方面成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状，固化，即使已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。87Chapter 9 Composites 目前在生产中采用的成型工艺方法有：1.手糊成型显法铺层2.真空袋压法成型3.压力袋成型4.树脂注射和树脂传递成型5.喷射成型6.真空辅助树脂注射成型7.夹层结构成型8.模压成型88Chapter 9 Composites9.注射成型10.挤出成型11.纤维缠绕成型12.拉挤成型13.连续板材成型14.层压或卷制成型15.热塑性片状模塑料热冲压成型16.离心浇铸成型89Chapter 9 Composites 挤出成型示意图挤出成型示意图1-1-转动机构；转动机构；2-2-止推轴承；止推轴承；3-3-料斗；料斗；4-4-冷却系统；冷却系统；5-5-加热器；加热器；6-6-螺杆；螺杆；7-7-机筒；机筒；8-8-滤板；滤板；9-9-机头孔型机头孔型9010.6.2 金属基复合材料的成型技术工艺研究主要内容：金属基体与增强材料的结合和结合方式；金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制；增强材料在金属基体中的分布；防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。91Chapter 9 Composites根据各种方法的基本特点把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：固态法；液态法；喷射与喷涂沉积法；原位复合法。92Chapter 9 Composites常用的金属基复合材料