第五章 复合材料.ppt

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1、第五章第五章 复合材料复合材料朱荣本章内容本章内容第一节概述第二节金属基复合材料第三节陶瓷基复合材料第四节碳基复合材料第五节聚合物基复合材料第六节纤维增强体材料第一节概述第一节概述复复合合材材料料 两两种种或或者者两两种种以以上上的的不不同同性性质质的的材材料料，通通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。过不同的工艺方法人工合成的多相材料。在现代工程中对材料的要求越来越苛刻，特别是在航天、航海及交通运输领域。例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。通常高强度材料的密度也高，增大强度或刚度则会降低材料的韧性。这种材料优异性能的组合是单一材料无法满足的。复合材料

2、复合材料玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强尼龙车轮玻璃纤维增强塑料制自行车复合材料制小船复合材料制防弹衣复合材料在波音飞机上的应用特点特点复复合合材材料料既既保保持持组组成成材材料料各各自自的的最最佳佳特特性性，又又具有组合后的新特性。具有组合后的新特性。材料断裂能/J玻璃纤维7.510-4常用树脂2.2610-2热固性玻璃钢17.6例1：热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂脆性低于玻璃纤维n泥土稻草n水泥钢筋例例2：建筑材料（复合材料的应用）：建筑材料（复合材料的应用）一、复合材料的分类复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。按基体相的性质分金属基复合材料非金属基复

3、合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料按增强相的形态分纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料纤纤维维增增强强复复合合材材料料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料叠层叠层复合复合材料材料二、复合材料的性能特点1.比强度和比模量高比强度和比模量高纤维增加材料的比强度及比模量远高于金属材料，特别是碳纤维环氧树脂复合材料比强度是钢的8倍，比模量是钢的4倍。2.抗疲劳和破断安全性好抗疲劳和破断安全性好纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，

4、纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。（1）比强度与比模量高）比强度与比模量高l比比强强度度、比比模模量量是是指指材材料料的的强强度度或或模模量量与与密密度度之之比比。比比强强度度愈愈高高，同同一一零零件件的的自自重重愈愈小小;比比模模量量愈愈高高，零零件件的的刚刚性性愈愈大大。环环氧氧树树脂脂与与高高强强度度的的碳碳纤纤维维复复合合，比比强强度度可可达达913kNm/kg，比比模模量量为为85MNm/kg，与与高高模模量量的的碳碳纤纤维维复复合合，比比 模模 量量 可可 达达 116MNm/kg，比比 强强 度度 为为613kNm/kg,远远远远超超过过一一般般钢钢材材和和

5、铝铝合合金金（钢钢的的比强度为比强度为126kNm/kg，比模量为比模量为27MNm/kg）。（2）化学稳定性优良）化学稳定性优良l钢钢材材一一般般不不耐耐酸酸，尤尤其其是是含含有有氯氯离离子子的的酸酸，即即使使含含钼钼不不锈锈钢钢在在这这种种介介质质中中，也也会会很很快快被被腐腐蚀蚀。但但纤纤维维增增强强塑塑料料如如玻玻纤纤增增强强酚酚醛醛树树脂脂，在在含含氯氯主主子子的的酸酸性性介介质质中中能能长长期期使使用用。用用玻玻纤纤增增强强塑塑料料，可可制制造造耐耐强强酸酸、盐盐、酯酯和和某某些些溶溶剂剂的的化化工工管管道道、泵泵、阀阀、容容器器、风风机机、搅搅拌拌器器等等设设备备。如如用用耐耐碱

6、碱玻玻纤纤或或碳碳纤纤维维与与塑塑料料复复合合，还还能能在在强强碱碱介介质质中中使使用用。耐耐碱碱玻玻纤纤可可用用来来取取代代钢钢筋筋与与水水泥复合。泥复合。（3 3）减摩、耐磨、自润滑性好）减摩、耐磨、自润滑性好）减摩、耐磨、自润滑性好）减摩、耐磨、自润滑性好l在在热热塑塑性性塑塑料料中中掺掺入入少少量量短短切切碳碳纤纤维维可可大大大大提提高高它它的的耐耐磨磨性性，其其增增加加倍倍数数为为聚聚氯氯乙乙烯烯本本身身3.8倍倍，聚聚四四氟氟乙乙烯烯本本身身的的3倍倍，聚聚丙丙烯烯本本身身的的2.5倍倍，聚聚酰酰胺胺本本身身的的1.2倍倍，聚聚酯酯本本身身的的2倍倍。碳碳纤纤维维增增强强塑塑料料还

7、还可可降降低低塑塑料料的的摩摩擦擦系系数数，提提高高它它的的pv值值1；pv值值随随碳碳纤纤维维的的增增加加而而有有不不同同程程度度地地提提高高。以以钢钢作作对对磨磨件件时时，碳碳纤纤维维增增强强的的磨磨损损比比玻玻纤纤增增强强的的约约小小10倍倍。碳碳纤纤维维增增强强塑塑料料具具有有良良好好的的自自润润性性能能，因因此此可可用用于于制制造造无无油油润润滑滑活活塞塞环环、轴轴承承和和齿齿轮轮。如如用用石石棉棉之之类类的的材材料料与与塑塑料料复复合合，则则与与上上述述情情况况相相反反，可可得得到到摩摩擦擦系系数数大大、制制动动效效果果好好的的摩摩阻阻材材料料。1 p为为滑滑动动轴轴承承投投影影面

8、面的的压压强强（MPa），v为为滑滑动动线线速速度度（m/s），各各种种塑塑料料及及其其复复合合材材料料均均有有一一个个允允许许最最高高承载能力的承载能力的p值；与允许最高滑动线速度的值；与允许最高滑动线速度的v值。值。l（4）耐热性高）耐热性高l碳碳化化硅硅（SiC）纤纤维维、氧氧化化铝铝纤纤维维（Al2O3SiO2）与与陶陶瓷瓷复复合合，在在空空气气中中能能耐耐12001400高高温温，要要比比所所有有超超高高温温合合金金的的耐耐热热性性高高出出100以以上上。用用于于柴柴油油发发动动机机、可可取取消消原原来来的的散散热热器器、水水泵泵等等冷冷却却系系统统，减减轻轻重重量量约约100kg。

9、用用于汽车发动机，使用温度可高达于汽车发动机，使用温度可高达1370。（5 5）高韧性和高抗冲击性、导电和导热性）高韧性和高抗冲击性、导电和导热性）高韧性和高抗冲击性、导电和导热性）高韧性和高抗冲击性、导电和导热性l金金属属基基复复合合材材料料具具有有高高韧韧性性和和高高抗抗冲冲击击性性能能，在在受受到到冲冲击击时时能能通通过过塑塑性性变变形形吸吸收收能能量量。具具有有良良好好的的导导电电和和导导热热性性能能，可可以以使使集集中中电电荷荷和和局局部部的的高高温温热热源源很很快快扩扩散散消消失失，有有利利于解决热气流冲击和雷击问题。于解决热气流冲击和雷击问题。循环次数应力碳纤维复合材料玻璃钢铝合

10、金复合材料具有较高的疲劳强度。实验表明：r7080b，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的4050。纤维复合材料平均几千到几万根纤维/cm2，即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能力，故破断安全性好。（6）抗疲劳和破断安全性好）抗疲劳和破断安全性好纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。第三节 常用复合材料n塑料基复合材料n金属基复合材料n橡胶基复合材料n陶瓷基复合材料一、塑料基复合材料一、塑料基复合材料一、塑料基复合材料一、塑料基复合材料v作作为为机机械械工工程程材材料料，塑塑料料的的最最大大优优点点是是密密度度小小、耐耐腐蚀、可塑性好、易

11、于加工成型。腐蚀、可塑性好、易于加工成型。v缺点：强度低、弹性模量低、耐热性差。缺点：强度低、弹性模量低、耐热性差。v改善的方法：复合材料，主要是增强改善的方法：复合材料，主要是增强。使使用用最最广广泛泛的的是是纤纤维维增增强强塑塑料料。按按纤纤维维的的性性质质可可以把塑料基复合材料分为：以把塑料基复合材料分为：u玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料u碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料u硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料u碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料uKevlar 纤维增强塑料纤维增强塑料基体材料：热固性塑料、热塑性塑料基体材料：热固性塑料、热塑性塑料（一）玻璃纤维增强塑料（一）玻璃纤维增强塑料（一）

12、玻璃纤维增强塑料（一）玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为：俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为：热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢热固性玻璃钢热固性玻璃钢1 1、热塑性玻璃钢、热塑性玻璃钢、热塑性玻璃钢、热塑性玻璃钢由由体体积积分分数数为为2040%的的玻玻璃璃纤纤维维与与6080%的热塑性树脂组成。的热塑性树脂组成。具具有有高高强强度度和和高高冲冲击击韧韧性性，良良好好的的低低温性能及低的热胀系数温性能及低的热胀系数。2 2、热固性玻璃钢、热固性玻璃钢、热固性玻璃钢、热固性玻璃钢由由体体积积分分数数为为6070%的的玻玻璃璃纤纤维维与与3040%的热固性树脂组成。的热固性树脂组成。主主要

13、要特特点点：密密度度小小、强强度度高高、比比强强度度超超过过一一般般的的高高强强钢钢，耐耐腐腐蚀蚀、绝绝缘缘、绝绝热热等等。但但弹性模量低，在弹性模量低，在300以下使用。以下使用。主主要要用用于于制制造造自自重重轻轻的的受受力力构构件件和和要要求求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。（二）碳纤维增强塑料（二）碳纤维增强塑料（二）碳纤维增强塑料（二）碳纤维增强塑料n 组成组成由由碳碳纤纤维维与与聚聚脂脂、酚酚醛醛、环环氧氧、聚聚四四氟乙烯等树脂组成的复合材料。氟乙烯等树脂组成的复合材料。n优点优点v低低密密度度、高高强强度度、高高弹弹性性模模量量、高高比比强度和比模量。强度

14、和比模量。v优优良良的的抗抗疲疲劳劳性性能能、耐耐冲冲击击性性能能、自自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐热性。润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐热性。n n 缺点缺点缺点缺点碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。n应用应用性性能能优优于于玻玻璃璃钢钢，主主要要用用于于航航天天和和航航空空工工业业中中制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。（三）硼纤维增强塑料（三）硼纤维增强塑料（三）硼纤维增强塑料（三）硼纤维增强塑料n 组成组成l由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料。由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料

15、。n 特点特点l高比强度和比模量；高比强度和比模量；l良好的耐热性；良好的耐热性；l缺点是各向异性严重缺点是各向异性严重n 应用应用应用应用 主主要要用用于于航航天天和和航航空空工工业业中中要要求求高高刚刚度的构件，如飞机机身，机翼等。度的构件，如飞机机身，机翼等。（四）碳化硅纤维增强塑料（四）碳化硅纤维增强塑料（四）碳化硅纤维增强塑料（四）碳化硅纤维增强塑料n 组成组成由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。n特点特点高比强度和比模量；高比强度和比模量；抗抗拉拉强强度度接接近近碳碳纤纤维维环环氧氧树树脂脂复复合合材材料料，但但抗抗压强度是其两倍；压强度是其

16、两倍；碳碳化化硅硅环环氧氧树树脂脂复复合合材材料料是是一一种种很很具具有有发发展展前前途的新型材料。途的新型材料。n 应用应用 主主要要用用于于宇宇航航器器上上的的结结构构，比比金金属属轻轻30%。还还可可以以制制作作飞飞机机的的门门、降降落落传传动动装装置、机翼等等。置、机翼等等。（五）（五）（五）（五）KevlarKevlar纤维增强塑料纤维增强塑料纤维增强塑料纤维增强塑料n 组成组成由由Kevlar纤纤维维与与环环氧氧、聚聚乙乙烯烯、聚聚碳碳酸酸脂脂、聚聚脂脂等等树树脂脂组组成成的的复合材料。复合材料。n特点特点最常用的是最常用的是Kevlar纤维纤维环氧树脂复合材料；环氧树脂复合材料；

17、抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维环氧树脂复合材料相近；环氧树脂复合材料相近；延性好，与金属相似；延性好，与金属相似；具有优良的疲劳抗力和减振性。具有优良的疲劳抗力和减振性。主主要要用用于于制制作作飞飞机机机机身身、雷雷达达天天线线罩罩、火箭发动机外壳、快艇等。火箭发动机外壳、快艇等。n 应用应用二、金属基复合材料二、金属基复合材料二、金属基复合材料二、金属基复合材料v目前是机械工程中用量最大的一类材料。目前是机械工程中用量最大的一类材料。v塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但仍塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但仍不能满足要求，一直在改进。不能满足要求，一直在改进。主要

18、应用的金属基复合材料：主要应用的金属基复合材料：纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料 塑料塑料金属多层复合材料金属多层复合材料三、橡胶基复合材料三、橡胶基复合材料v橡橡胶胶具具有有弹弹性性高高，减减振振性性好好，热热导导率率低低，绝绝缘缘等等优优点点，但但强强度和弹性模量低，耐磨性差。度和弹性模量低，耐磨性差。v为为了了改改善善橡橡胶胶制制品品的的性性能能，可可以以用用增增强强纤纤维维或或粒粒子子与与其其复复合合。制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品。制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品。v纤维增强橡胶纤维增强橡胶主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡

19、胶布等。主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡胶布等。v粒子增强橡胶粒子增强橡胶利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强度，利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强度，耐磨性等。耐磨性等。四、陶瓷基复合材料四、陶瓷基复合材料v陶陶瓷瓷具具有有耐耐高高温温，抗抗氧氧化化，耐耐腐腐蚀蚀，弹弹性性摩量高，抗压强度大等优点。摩量高，抗压强度大等优点。v但但陶陶瓷瓷脆脆性性大大，不不能能承承受受剧剧烈烈的的机机械械冲冲击击和热冲击。和热冲击。用用纤纤维维或或粒粒子子与与陶陶瓷瓷制制成成复复合合材材料料，其其韧韧性性明明显提高，是目前研究的热点。主要有：显提高，是目前研究的热点。主要有：v 纤维增强陶瓷复合材料纤维增强陶

20、瓷复合材料v 粒子增强陶瓷复合材料粒子增强陶瓷复合材料复合材料应用实例复合材料应用实例u双金属复合钢管u陶瓷内衬复合管20钢/316L钢复合管基管20钢内衬316L钢20钢/316L复合管铝热剂：Al+Fe2O3FeAl2O3第六节增强材料及其增强机制复合材料是一种由基体matrix和增强相reinforcedphase组成的多相材料，通常基体为连续相，而增强相为分散相。复合材料基体增强相金属材料、高分子材料、陶瓷材料颗粒增强材料、纤维增强材料、片状增强材料一、增强材料增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等（一）纤维增强材料密度g/cm3抗

21、拉强度GPa拉伸模量100GPa比强度106N.m/kg比模量106N.m/kg无碱玻璃纤维2.553.400.711.3328高强度碳纤维（II）1.742.422.161.39124高模量碳纤维（I）2.002.233.751.12188Kevlar491.442.801.261.9488硼纤维2.362.753.821.17162SiC纤维（钨芯）2.693.434.801.28178钢丝7.744.202.000.5426钨丝19.404.104.100.2121钼丝10.202.203.600.2235常用增强纤维与金属丝性能对比1.玻璃纤维u由熔融玻璃经拉丝制成纤维；u密度2.42

22、.7，与铝相近，弹性模量低于金属，但比强度和比模量高；u耐热性好，软化温度550580；u耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性；u不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等；u制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。2.碳纤维u将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成wC90%以上的纤维；u密度低、强度和模量高；u高、低温性能好（1500，-180）；u化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导电性、自润滑性好；u缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。3.硼纤维u将元素B用蒸汽沉积

23、的方法沉积到耐热金属丝纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维；u熔点高（2300）；u强度、弹性模量高；u良好的耐蚀性；u缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高；u不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。4.芳纶纤维u亦称Kevlar纤维，是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类纤维；u密度小，比强度、比弹性模量高；u抗拉强度比玻璃纤维高45，韧性好；u耐热性好，能在290下长期作用；u优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。5.碳化硅纤维u是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，经烧结而得；u是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤维，主要用于增强金属

24、和陶瓷；u优良的高温强度，在1100时强度仍高达2100MPa。n主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；n陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产；n在聚合物中添加不同的填料，构成以填料为分散相、聚合物为连续相的复合材料，可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能等。（二）颗粒增强材料碳黑和白碳黑（Si2C无定形微粉，呈白色，具有类似碳黑的增强作用，故称之）可明显提高橡胶的强度、硬度和弹性模量；石墨、银粉、铜粉等可改善塑料的导电性；Fe2O3磁粉可改善塑料的导磁性；MoS2可提高塑料的自润滑性；空心玻璃微珠可减小塑料的

25、密度并提高其耐热性。二、增强机制纤维是具有强结合键的物质或硬质材料；纤维处于基体中，表面受到基体的保护不易损伤，也不易在受载过程中产生裂纹，承载能力增大；（一）纤维增强（一）纤维增强n n 增强机增强机制制当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。纤维断裂裂纹扩展方向当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。纤维的强度和弹性模量应远高于基体；纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂；纤维的排列方向要与构件的受力方向一致；纤维与基体的热胀系数应匹配；纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应；纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。n纤维增强复合条件纤维增强复合条件u颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分布在基体中，基体承受载荷，而增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动（金属基体）或分子链运动（高聚物基体）。u增强颗粒大小会直接影响增强效果：d过大（0.1m）易引起应力集中而降低强度；d过小（0.01m）则接近于固溶体结构，不起颗粒增强作用。一般颗粒直径为d=0.010.1m。（二）颗粒增强（二）颗粒增强