機械工程材料課件_PPT_幻燈片

1、第十一章 復合材料 n復合材料是由兩復合材料是由兩 種或兩種以上化種或兩種以上化 學性質或組織結學性質或組織結 構不同的材料組構不同的材料組 合而成的材料。合而成的材料。 復合材料船體復合材料船體 n復合材料是多相材料，主要包括復合材料是多相材料，主要包括基體相基體相和和增強相增強相。 l結成一體，并起結成一體，并起 傳遞應力的作用。傳遞應力的作用。 l增強相增強相起承受應起承受應 力（力（結構復合材結構復合材 料料）和顯示功能）和顯示功能 ( (功能復合材料功能復合材料) ) 的作用。的作用。 纖維增強高分子復合材料纖維增強高分子復合材料 n基體相基體相是一種連續(xù)相，它把改善性能的增強相材料

2、固是一種連續(xù)相，它把改善性能的增強相材料固 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 n一、復合材料的分類一、復合材料的分類 SiC顆粒顆粒 Al2O3 片片 Al2O3纖維纖維 增強相三種類型增強相三種類型 n1 1、按基體材料分類、按基體材料分類，可分為聚合，可分為聚合 物基、陶瓷基和金屬基復合材料。物基、陶瓷基和金屬基復合材料。 n2 2、按增強相形狀分類、按增強相形狀分類，可分為纖可分為纖 維增強復合材料、粒子增強復合材維增強復合材料、粒子增強復合材 料和層狀復合材料。料和層狀復合材料。 n3 3、按復合材料的性能分類、按復合材料的性能分類，可分，可分 為結構復合材料和功能復合材料。為結構復合材料和功能

3、復合材料。 n二、復合材料的特點二、復合材料的特點 比強度比較比強度比較 碳纖維碳纖維 樹脂樹脂 硼纖維硼纖維 樹脂樹脂 玻璃纖維玻璃纖維 樹脂樹脂 鈦鈦 鋼鋼 鋁鋁 n1 1、比強度和比模量高、比強度和比模量高 其中纖其中纖 維增強復合材料的最高。維增強復合材料的最高。 n2 2、抗疲勞性能好、抗疲勞性能好 碳纖維增強碳纖維增強 材料材料 -1 -1可達 可達 b b的的707080%80%。因纖因纖 維對疲勞裂紋擴展有阻礙作用維對疲勞裂紋擴展有阻礙作用。 n3 3、減振性能良好、減振性能良好 復合材料中復合材料中 的大量界面對振動有反射吸收的大量界面對振動有反射吸收 作用，不易產生共振。作

4、用，不易產生共振。 n4 4、高溫性能好。、高溫性能好。 第二節(jié)第二節(jié) 粒子與層狀增強復合材料粒子與層狀增強復合材料 n一、粒子增強復合材料一、粒子增強復合材料 衛(wèi)星用顆粒增強鋁衛(wèi)星用顆粒增強鋁 基復合材料零件基復合材料零件 n粒子增強復合材料是將粒子粒子增強復合材料是將粒子 高度彌散地分布在基體中，高度彌散地分布在基體中， 使其阻礙導致塑性變形的位使其阻礙導致塑性變形的位 錯運動錯運動( (金屬基體金屬基體) )和分子鏈和分子鏈 運動運動( (聚合物基體聚合物基體) )。 n這種復合材料是各向同性的。這種復合材料是各向同性的。 n聚合物基粒子復合材料如酚聚合物基粒子復合材料如酚 醛樹脂中摻入

5、木粉的電木、醛樹脂中摻入木粉的電木、 碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料 的鈣塑材料的鈣塑材料( (合成木材合成木材) )等。等。 n陶瓷基粒子復合材料如氧化陶瓷基粒子復合材料如氧化 鋯增韌陶瓷等。鋯增韌陶瓷等。 粒子增強粒子增強SiC陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料 顆粒增強鋁基泡沫復合材料顆粒增強鋁基泡沫復合材料碳黑增強橡膠碳黑增強橡膠 n金屬基粒子復合材料又稱金屬基粒子復合材料又稱 金屬陶瓷，是由鈦、鎳、金屬陶瓷，是由鈦、鎳、 鈷、鉻等金屬與碳化物、鈷、鉻等金屬與碳化物、 氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物 等組成的非均質材料。等組成的非均質材料。 n碳化物金屬陶瓷作

6、為工具碳化物金屬陶瓷作為工具 材料已被廣泛應用，稱作材料已被廣泛應用，稱作 硬質合金。硬質合金通常硬質合金。硬質合金通常 以以CoCo、NiNi作為粘結劑，作為粘結劑，WCWC、 TiCTiC等作為強化相。等作為強化相。 硬質合金組織硬質合金組織( (Co+WC) n硬質合金主要有鎢鈷硬質合金主要有鎢鈷 (YG)(YG)和鎢鈷鈦和鎢鈷鈦(YT)(YT)兩兩 類。牌號中，類。牌號中，YGYG后的后的 數(shù)字為含數(shù)字為含CoCo量，量，YTYT后后 的數(shù)字為碳化鈦含量。的數(shù)字為碳化鈦含量。 n硬質合金硬度極高，硬質合金硬度極高， 且熱硬性、耐磨性好，且熱硬性、耐磨性好， 一般做成刀片，鑲在一般做成刀

7、片，鑲在 刀體上使用。刀體上使用。 硬質合金模具硬質合金模具 硬質合金軸承刀具硬質合金軸承刀具 n二、層狀復合材料二、層狀復合材料 n層狀復合材料是指在層狀復合材料是指在 基體中含有多重層片基體中含有多重層片 狀高強高模量增強物狀高強高模量增強物 的復合材料。的復合材料。 l這種材料是各向這種材料是各向 異性的異性的( (層內兩層內兩 維同性維同性) )。如碳。如碳 化硼片增強鈦、化硼片增強鈦、 膠合板等。膠合板等。 層狀陶瓷復合材料斷口形貌層狀陶瓷復合材料斷口形貌 三明治復合三明治復合 n雙金屬、表面涂層等也是層狀復合材料。雙金屬、表面涂層等也是層狀復合材料。 有有TiN涂層的涂層的 高爾夫

8、球頭高爾夫球頭 層狀復合層狀復合 鋁合金蜂窩夾層板鋁合金蜂窩夾層板 n結構層狀材料根據(jù)材質不同，分別用于飛機制造、結構層狀材料根據(jù)材質不同，分別用于飛機制造、 運輸及包裝等。運輸及包裝等。 第三節(jié)第三節(jié) 纖維增強復合材料纖維增強復合材料 n纖維增強復合材料是指以各種金屬和非金屬作為基纖維增強復合材料是指以各種金屬和非金屬作為基 體，以各種纖維作為增強材料的復合材料體，以各種纖維作為增強材料的復合材料。 n一、纖維增強復合原則一、纖維增強復合原則 l在纖維增強復合材料中，纖維是材料在纖維增強復合材料中，纖維是材料 主要承載組分，其增強效果主要取決主要承載組分，其增強效果主要取決 于纖維的特征、纖

9、維與基體間的結合于纖維的特征、纖維與基體間的結合 強度、纖維的體積分數(shù)、尺寸和分布。強度、纖維的體積分數(shù)、尺寸和分布。 碳纖維碳纖維 n1、彈性模量及強度、彈性模量及強度 n外力方向與纖維軸向相同時，外力方向與纖維軸向相同時， c= f = m (f-纖維、纖維、 m-基體、基體、 c-復合材料復合材料)，則，則 mmffcmmffc VEVEEVV , ffmmcfmc VV , 當外力垂直于纖維軸向時，則當外力垂直于纖維軸向時，則 my fy c d L 2 2、纖維的臨界長徑比、纖維的臨界長徑比 mfu mmu fc V 3、纖維最小體積分數(shù)纖維最小體積分數(shù) n纖維增強復合材料的強度和剛

10、性與纖維方向密切相關。纖維增強復合材料的強度和剛性與纖維方向密切相關。 n纖維無規(guī)排列時，纖維無規(guī)排列時，能獲得基本各向同性的復合材料。能獲得基本各向同性的復合材料。 均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采。纖維采 用正交編織用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維纖維 采用三維編織采用三維編織，可獲得各方向力學性能均優(yōu)的材料。，可獲得各方向力學性能均優(yōu)的材料。 纖維在基體中的不同分布方式纖維在基體中的不同分布方式 n二、纖維的種類和性能二、纖維的種類和性能 n1、玻璃纖維：、玻璃纖維：用量最大、用量最大、 價

11、格最便宜。價格最便宜。 n2、碳纖維：、碳纖維：化學性能與碳化學性能與碳 相似。相似。 n3、硼纖維：、硼纖維：耐高溫、強度、耐高溫、強度、 彈性模高。彈性模高。 n4、金屬纖維：、金屬纖維：成絲容易、成絲容易、 彈性模量高。彈性模量高。 n5、陶瓷纖維：、陶瓷纖維：用于高溫、用于高溫、 高強復合材料。高強復合材料。 玻璃纖維玻璃纖維 碳纖維碳纖維 SiC纖維纖維 n6、芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酰胺纖維: 強度、彈強度、彈 性模量高，耐熱。性模量高，耐熱。 n7、聚乙烯纖維、聚乙烯纖維: 韌性極好，密度韌性極好，密度 非常小非常小 。 n8、晶須：、晶須：是直徑小于是直徑小于30 m，長，長

12、 度只有幾毫米的針狀單晶體，斷度只有幾毫米的針狀單晶體，斷 面呈多角形面呈多角形, 是一種高強度材料。是一種高強度材料。 n分為金屬晶須和陶瓷晶須。金屬分為金屬晶須和陶瓷晶須。金屬 晶須中晶須中, Fe晶須已投入生產晶須已投入生產。工業(yè)工業(yè) 生產的陶瓷晶須主要是生產的陶瓷晶須主要是SiC晶須。晶須。 SiC晶須 晶須 n三、聚合物基纖維增強復合材料三、聚合物基纖維增強復合材料 n通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強高分子材料。通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強高分子材料。 n這類復合材料的性能較環(huán)氧樹脂等基體有大幅度的提這類復合材料的性能較環(huán)氧樹脂等基體有大幅度的提 高，比強度也高得多。高，

13、比強度也高得多。 材料種類材料種類 縱向抗拉強度縱向抗拉強度 MPa 縱向彈性模量縱向彈性模量 GPa 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 696.9 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂/E級玻璃纖維級玻璃纖維102045 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂/碳纖維（高彈性）碳纖維（高彈性） 1240145 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂/芳綸纖維（芳綸纖維（49）138076 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂/硼纖維硼纖維（70%Vf）1400-2100210-280 聚合物基纖維增強復合材料零件聚合物基纖維增強復合材料零件 芳綸剎車片芳綸剎車片 碳纖維增強聚酰亞胺復合材料制航空碳纖維增強聚酰亞胺復合材料制航空 發(fā)動機高溫構件發(fā)動機高溫構件 復合材料在航空中復合材料在航空中

14、 的應用的應用 美國美國F/A-18殲擊機殲擊機 美美UH60A型直升飛機型直升飛機 n四、纖維增強金屬基復合材料四、纖維增強金屬基復合材料 n金屬的熔點高，故高強度纖維增強后的金屬基復合金屬的熔點高，故高強度纖維增強后的金屬基復合 材料（材料（MMC）可以使用在較高溫的工作環(huán)境之下。）可以使用在較高溫的工作環(huán)境之下。 n常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂合金。常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂合金。 l作為增強體的連續(xù)纖作為增強體的連續(xù)纖 維主要有硼纖維、維主要有硼纖維、 SiC和和C纖維；纖維；Al2O3 纖維通常以短纖維的纖維通常以短纖維的 形式用于形式用于MMC中。中。 nMM

15、C雖強度和彈性模量（剛度）增加，但塑性和韌雖強度和彈性模量（剛度）增加，但塑性和韌 性因使用陶瓷纖維而有所降低。這在一定程度上限性因使用陶瓷纖維而有所降低。這在一定程度上限 制了制了MMC的應用范圍。的應用范圍。 航天飛機內航天飛機內 MMC (Al / B 纖維纖維)桁架桁架 n五、纖維增強陶瓷復合五、纖維增強陶瓷復合 材料材料 n陶瓷材料耐熱、耐磨、耐蝕、陶瓷材料耐熱、耐磨、耐蝕、 抗氧化，但韌性低、難加工?？寡趸?，但韌性低、難加工。 在陶瓷材料中加入纖維增強，在陶瓷材料中加入纖維增強， 能大幅度提高強度，改善韌能大幅度提高強度，改善韌 性，并提高使用溫度。性，并提高使用溫度。 n陶瓷中增韌纖維受外力作用，陶瓷中增韌纖維受外力作用，