第十三章復(fù)合材料

1、Company LOGO 第十三章第十三章 復(fù)合材料復(fù)合材料 第十三章第十三章 復(fù)合材料復(fù)合材料 碳/碳復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 聚合物基復(fù)合材料 復(fù)合材料概述 增強材料 推薦參考書目： 1. 劉雄亞編著，復(fù)合材料新進展，化學(xué)工業(yè)出 版社， 2007 ； 2. 車劍飛等編，復(fù)合材料及其工程應(yīng)用，機械 工業(yè)出版社，2006 ； 3. 周曦亞編，復(fù)合材料，化學(xué)工業(yè)出版社， 2005 ； 4. 馮端著，材料科學(xué)導(dǎo)論，科學(xué)出版社，1999； 5. 江蘇省精品課程新材料概論網(wǎng)址： 第十三章第十三章 復(fù)合材料復(fù)合材料 引言：無處不在的復(fù)合材料引言：無處不在的復(fù)合材料 土房-草增強泥基復(fù)合材

2、料 鋼筋混凝土建筑框架 玻璃鋼撐桿 復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用 主貨艙門- 碳纖維/環(huán)氧樹脂 壓力容器- 凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂 主機隔框和翼梁- 硼/鋁復(fù)合材料 “哥倫比亞號哥倫比亞號” 航天飛機航天飛機 發(fā)動機的噴管- 碳/碳復(fù)合材料 發(fā)動機組傳力架- 鈦基復(fù)合材料 機身防熱瓦- 陶瓷基復(fù)合材料 國家技術(shù)發(fā)明一等獎（國家技術(shù)發(fā)明一等獎（20042004年）年） “高性能炭高性能炭/ /炭航空制動材料的制備技術(shù)炭航空制動材料的制備技術(shù)” 黃伯云研制的飛機剎車片黃伯云研制的飛機剎車片 復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用 “耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材

3、料耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料” 攻克航天飛機隔熱瓦隔熱瓦技術(shù)難關(guān) 國家技術(shù)發(fā)明一等獎（國家技術(shù)發(fā)明一等獎（20042004年）年） 復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用 復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用 法國 “空中客車” 公司生產(chǎn)的 A380雙層四引擎大型客機，最 大可載客量650人 復(fù)合材料使復(fù)合材料使A380A380減重15噸 (1) 機翼 (2) 垂直尾翼和水平尾翼 (3) 地板梁和后承壓框 (4) 固定機翼前緣 (5) 機翼后緣處的襟翼,副翼 (6) 機身蒙皮壁板 復(fù)合材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用復(fù)合材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用 復(fù)合材料在日常生活中的應(yīng)用復(fù)合材

4、料在日常生活中的應(yīng)用 復(fù)合材料在體育用品中的應(yīng)用 球拍頸部融合球拍頸部融合 智能壓電纖維智能壓電纖維 復(fù)合材料在網(wǎng)球拍上的應(yīng)用 滑雪板在雪上滑行時，雪會產(chǎn)生輕微溶化，因水 的“粘性”增加摩擦力。采用疏水性疏水性強的復(fù)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。 復(fù)合材料在滑雪板上的應(yīng)用 Glass fiber web/epoxy Glass fiber rings Longitudinal carbon fibers/epoxy 輕質(zhì)、高強、高彈性、較低成本、輕質(zhì)、高強、高彈性、較低成本、 低密度及屈服強度低密度及屈服強度 復(fù)合材料在撐桿上的應(yīng)用 13.1 復(fù)合材料概述

5、 13.1.1 復(fù)合材料的定義復(fù)合材料的定義 由兩種以上不同的原材料組成，使原由兩種以上不同的原材料組成，使原 材料的性能得到充分發(fā)揮，并通過復(fù)合化材料的性能得到充分發(fā)揮，并通過復(fù)合化 而得到單一材料所不具備的性能的材料。而得到單一材料所不具備的性能的材料。 必須由兩種以必須由兩種以 上化學(xué)、物理上化學(xué)、物理 性質(zhì)不同的材性質(zhì)不同的材 料組合而成料組合而成 必須是人造的必須是人造的 ，是人們根據(jù)，是人們根據(jù) 需要設(shè)計制造需要設(shè)計制造 的材料的材料 通過各組分性通過各組分性 能的互補可獲能的互補可獲 得單一材料不得單一材料不 能達到的綜合能達到的綜合 性能性能 復(fù)合材料三個必要條件復(fù)合材料三個必

6、要條件 123 13.1 復(fù)合材料概述 13.1.2 性能特點性能特點 1234 比強比強 度與度與 比模比模 量高量高 化學(xué)穩(wěn)化學(xué)穩(wěn) 定性優(yōu)定性優(yōu) 良（管良（管 道）道） 減摩、耐減摩、耐 磨、自潤磨、自潤 滑性好滑性好 （摻入纖（摻入纖 維）維） 耐熱性耐熱性 高、高高、高 韌性、韌性、 高抗沖高抗沖 擊性擊性 13.1 復(fù)合材料概述 13.1.3 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類 按照基體分類按照基體分類按照增強體分類按照增強體分類 13.1 復(fù)合材料概述 v按基體類型分類 復(fù)合材料復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料（如鋁基、銅基、鎂基和鈦基等）金屬基復(fù)合材料（如鋁基、銅基、鎂基和鈦基等） 木基復(fù)合材

7、料木基復(fù)合材料 有機材料基復(fù)合材料有機材料基復(fù)合材料 無機非金屬基復(fù)合材料無機非金屬基復(fù)合材料 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 混凝土基復(fù)合材料混凝土基復(fù)合材料 碳基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料 熱塑性樹脂基熱塑性樹脂基 熱固性樹脂基熱固性樹脂基 13.1 復(fù)合材料概述 按增強體類型分 類 13.1 復(fù)合材料概述 v按增強體幾何形狀分類 幾何形狀幾何形狀 纖維纖維顆粒顆粒 板狀板狀 顆粒增強型 非連續(xù)纖維增強型 板狀增強型 連續(xù)纖維增強型 13.1 復(fù)合材料概述 SiC 晶粒 Al2O3 纖維 Al2O3板狀 13.1 復(fù)合材料概述 13.1 復(fù)合材料概述 v纖維增強型

8、分類 非連續(xù)型非連續(xù)型 短纖維增強型短纖維增強型 晶須增強型晶須增強型 隨機排列隨機排列 定向排列定向排列 按長度按長度 連續(xù)型連續(xù)型 玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維、玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維、 氧化鋯纖維、石英纖維等氧化鋯纖維、石英纖維等 按種類按種類 13.2 增強材料 v 在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性 能的物質(zhì)均稱為增強材料。能的物質(zhì)均稱為增強材料。 v 纖維在復(fù)合材料中起增強作用，是主要的承纖維在復(fù)合材料中起增強作用，是主要的承 力組分，還能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫力組分，還能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫 沖

9、擊強度。沖擊強度。 v 復(fù)合材料的性能很大程度上取決于增強材料復(fù)合材料的性能很大程度上取決于增強材料 的性能、含量及處理方法。的性能、含量及處理方法。 13.2 增強材料 v13.2.1 13.2.1 玻璃纖維玻璃纖維 將熔化的玻璃以極快的將熔化的玻璃以極快的 速度抽拉成細微的絲，速度抽拉成細微的絲， 即成為玻璃纖維。即成為玻璃纖維。 細度在細度在3.83.821.6m, 21.6m, 脆性與直徑的四次方成脆性與直徑的四次方成 正比。正比。 13.2 增強材料 v質(zhì)地柔軟，可以織成玻璃布，玻璃帶。質(zhì)地柔軟，可以織成玻璃布，玻璃帶。 v玻璃纖維增強復(fù)合材料的機械強度、物理性玻璃纖維增強復(fù)合材料的

10、機械強度、物理性 能、電性能及化學(xué)性能與玻璃的成分，直徑能、電性能及化學(xué)性能與玻璃的成分，直徑 細度有直接關(guān)系。細度有直接關(guān)系。 玻璃纖維的特點：玻璃纖維的特點： 13.2 增強材料 v13.2.2 13.2.2 硼纖維硼纖維 v 航空航天領(lǐng)域中，為獲得航空航天領(lǐng)域中，為獲得 高比強度和高比彈性模量高比強度和高比彈性模量， 開發(fā)新型增強纖維開發(fā)新型增強纖維- 硼纖維。硼纖維。 硼的熔點在硼的熔點在20002000以上，以上， 硬度僅次于金剛石。硬度僅次于金剛石。 纖維纖維 類型類型 拉伸強拉伸強 度度 彈性模彈性模 量量 比重比重 硼纖硼纖 維維 3.6GPa3.6GPa400GPa400GP

11、a 2.572.57 碳纖碳纖 維維 3.53GPa3.53GPa 370GPa370GPa3 3 13.2 增強材料 硼纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用效益 v 航天飛機的機身衍架用硼鋁復(fù)合材料管材制造，取得減重航天飛機的機身衍架用硼鋁復(fù)合材料管材制造，取得減重 20206666的效果。的效果。 v 航天飛機貨倉間隔支柱，可減重航天飛機貨倉間隔支柱，可減重4444。 v 美國美國P&WP&W公司在公司在JT8DJT8D發(fā)動機上用硼鋁復(fù)合材料取代鈦合金，發(fā)動機上用硼鋁復(fù)合材料取代鈦合金， 可減重可減重1010。 13.2 增強材料 v13.2.3 13.2.3 無機類晶須無機類晶須 v 晶須：截面積小

12、于晶須：截面積小于5.25.21010-4 -4 2 2，長徑比在，長徑比在101010001000單晶體。單晶體。 v 晶體結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)部缺陷較少，其強度和模量均接近完整晶晶體結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)部缺陷較少，其強度和模量均接近完整晶 體材料的理論值，是目前發(fā)現(xiàn)的固體的最強形式。體材料的理論值，是目前發(fā)現(xiàn)的固體的最強形式。 v 是長在銀、銅等金屬上的象霉菌一樣的東西，可以從溶液、是長在銀、銅等金屬上的象霉菌一樣的東西，可以從溶液、 熔液、固體中生成并生長，也可以通過氣相反應(yīng)來制取。熔液、固體中生成并生長，也可以通過氣相反應(yīng)來制取。 13.2 增強材料 v13.2.4 13.2.4 碳纖維碳纖維 v碳纖

13、維特點： 將有機纖維燒結(jié)后得到的一種含碳量在將有機纖維燒結(jié)后得到的一種含碳量在9090以上以上 的纖維。其質(zhì)輕而強度高，具有良好的潤滑及耐的纖維。其質(zhì)輕而強度高，具有良好的潤滑及耐 磨性能，其價格約為硼纖維的十分之一。磨性能，其價格約為硼纖維的十分之一。 v制備方法 原料纖維制造、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨原料纖維制造、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨 化燒結(jié)等工藝過程?；療Y(jié)等工藝過程。 制備方法制備方法 浸漬法浸漬法 混合混合 法法 層疊層疊 法法 13.2 增強材料 制備方法制備方法 lThermoset polymers resin +catalyst Cure Reaction Sol

14、idified thermoset Mix 混合法混合法 13.2 增強材料 lThermoplastic polymers, Solid Stock or Granules Finished Product Heat, Reshape, Mix, etc 疊層（層合）法疊層（層合）法 13.2 增強材料 Dipping Reinforcement Porous Material 浸漬法浸漬法 Heat, etc 13.2 增強材料 13.3 聚合物基復(fù)合材料 v纖維增強熱固性塑料纖維增強熱固性塑料 v纖維增強熱塑性塑料纖維增強熱塑性塑料 v熱塑性塑料由于線脹系數(shù)較大、尺寸穩(wěn)定性較差、 剛性、

15、耐疲勞性和某些機械強度尚不能滿足結(jié)構(gòu)材 料的要求，大多數(shù)只能用作通用材料。 v20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)玻纖增強尼龍。60年代大規(guī) 模生產(chǎn)。（玻璃鋼） 13.3 聚合物基復(fù)合材料 13.3 聚合物基復(fù)合材料 纖維增強塑料（纖維增強塑料（GFRP）用作輸油管道）用作輸油管道 13.3 聚合物基復(fù)合材料 聚酯和環(huán)氧玻璃纖維增強塑料（聚酯和環(huán)氧玻璃纖維增強塑料（GFRP）用作儲油設(shè)備）用作儲油設(shè)備 13.3 聚合物基復(fù)合材料 l 碳纖維增強樹脂用于汽車彈簧片碳纖維增強樹脂用于汽車彈簧片 13.3 聚合物基復(fù)合材料 l芳綸纖維增強樹脂用于剎車片芳綸纖維增強樹脂用于剎車片 13.3 聚合物基復(fù)合材料 l纖維

16、增強熱塑性塑料用于電路板纖維增強熱塑性塑料用于電路板 l芳綸纖維增強塑料用于建筑材料芳綸纖維增強塑料用于建筑材料 13.3 聚合物基復(fù)合材料 l玻璃纖維增強樹脂用于采光板玻璃纖維增強樹脂用于采光板 13.3 聚合物基復(fù)合材料 13.4 金屬基復(fù)合材料 v鋁基復(fù)合材料 v鎂基復(fù)合材料 為什么會產(chǎn)生金屬基復(fù)合材料？ 對材料的強韌性，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，耐高溫性、 耐磨性等性能都提出了越來越高的要求 要求材料具有更高的比強度和比模量(剛度) 纖維增強聚合物基復(fù)合材料不能在300以上溫度 下工作 聚合物基復(fù)合材料耐磨性差，不導(dǎo)電，不導(dǎo)熱， 在使用期間逐漸老化，變質(zhì)，尺寸不夠穩(wěn)定。 13.4 金屬基復(fù)合材料

17、金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料（MMC）是以金屬及其合金為基體，與 一種或幾種金屬或非金屬增強相人工合成的復(fù)合材料。其增 強材料主要為無機非金屬，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。 金屬基復(fù)合材料制備過程是在高溫下進行的，有的還在高 溫下工作較長時間，因此界面的結(jié)合強度起到重要作用。 13.4 金屬基復(fù)合材料 13.4.1 鋁基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用 v纖維增強鋁基復(fù)合材料具有比強度、比模量高，尺寸 穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能 ，目前主要用于航天領(lǐng)域， 作為航天飛機、人造衛(wèi)星、空間站等的結(jié)構(gòu)材料。 13.4 金屬基復(fù)合材料 v硼鋁復(fù)合材料硼鋁復(fù)合材料 是實際應(yīng)用最早的金屬基復(fù)是實際應(yīng)用最早的金屬基復(fù) 合材料

18、，美國和原蘇聯(lián)的航天飛機中的機身框合材料，美國和原蘇聯(lián)的航天飛機中的機身框 架及支柱和起落架拉桿等都用硼鋁復(fù)合材料架及支柱和起落架拉桿等都用硼鋁復(fù)合材料 制成。制成。 13.4 金屬基復(fù)合材料 石墨鋁復(fù)合材料石墨鋁復(fù)合材料 最成功的應(yīng)用是美國的哈最成功的應(yīng)用是美國的哈 勃望遠鏡的兩個兼作波導(dǎo)管用的長為勃望遠鏡的兩個兼作波導(dǎo)管用的長為3.6m的長方的長方 形天線支架，此外還可用于人造衛(wèi)星或天文望遠形天線支架，此外還可用于人造衛(wèi)星或天文望遠 鏡支架、鏡支架、L頻帶平面天線、人造衛(wèi)星拋物面天線、頻帶平面天線、人造衛(wèi)星拋物面天線、 照相機波導(dǎo)管和鏡筒、紅外反射鏡等。照相機波導(dǎo)管和鏡筒、紅外反射鏡等。

19、碳化硅鋁復(fù)合材料主要用作飛機、導(dǎo)彈、發(fā)動碳化硅鋁復(fù)合材料主要用作飛機、導(dǎo)彈、發(fā)動 機的高性能結(jié)構(gòu)件機的高性能結(jié)構(gòu)件 氧化鋁纖維增強鋁基復(fù)合材料最成功的應(yīng)用是豐氧化鋁纖維增強鋁基復(fù)合材料最成功的應(yīng)用是豐 田公司用來制造柴油發(fā)動機的活塞田公司用來制造柴油發(fā)動機的活塞 、如活塞鑲?cè)Α?、如活塞鑲?cè)Α?13.4 金屬基復(fù)合材料 13.4.2 鎂基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用 v 鎂基復(fù)合材料是同類金屬基復(fù)合材料中比強度和比模量最 高的一種，但由于價格昂貴目前只用于航空航天部門。 v 含硼纖維4045的硼鎂復(fù)合材料的拉伸強度為 11001200MPa，彈性模量220GPa，斷裂伸長0.5， 泊松比0.25。 13

20、.4 金屬基復(fù)合材料 加入少量的SiC或Al2O3顆粒在鎂或鎂合金中，明顯提高 其耐磨性 ，可用于制造油泵的泵殼體、止推板、安全閥等 零部件 。 石墨纖維增強鎂基復(fù)合材料由于具有最高的比強度和比 模量、最好的抗熱變形阻力，成為理想的航天結(jié)構(gòu)材料， 已被用于制造衛(wèi)星的10m直徑的拋物面天線及其支架 。 具有零膨脹系數(shù)的石墨/鎂復(fù)合材料可用于航天飛機的大 面積蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮材料 。 13.4 金屬基復(fù)合材料 v陶瓷復(fù)合材料以其具有的高強度、高模量、低密陶瓷復(fù)合材料以其具有的高強度、高模量、低密 度、耐高溫和良好的韌性等，已在高速切削工具度、耐高溫和良好的韌性等，已在高速切削工具 和內(nèi)燃機部件上得到應(yīng)用。和內(nèi)燃機部件上得到應(yīng)用。 SiCw增韌的細顆粒Al2O3陶瓷復(fù)合材料已成功用于 工業(yè)生產(chǎn)制造切削刀具，我國研制生產(chǎn)的SiCw/ Al2O3復(fù) 合材料刀具切削鎳基合金時，不但刀具使用壽命增加， 而且進刀時和切削速度也大大提高。 13.5 陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料用于火陶瓷基復(fù)合材料用于火 箭噴管及燃燒室內(nèi)壁箭噴管及燃燒室內(nèi)壁