工程材料基礎(chǔ)-第9章復(fù)合材料白背底

1、SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料COMPOSITE MATERIALS增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)機(jī)制增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)機(jī)制常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料概述概述SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第一節(jié)第一節(jié) 概述概述OUTLINE復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的性能特點(diǎn)復(fù)合材料的性能特點(diǎn)SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINE

2、ERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY復(fù)合材料復(fù)合材料 用多種不同性質(zhì)的材料，通過(guò)用多種不同性質(zhì)的材料，通過(guò)不同的工藝方法人工合成的多相材料不同的工藝方法人工合成的多相材料5000BC015001900196019801990200020102020金金銅銅鐵鐵鋼鋼合金鋼合金鋼高溫合金高溫合金高分子高分子木材木材皮膚皮膚纖維纖維動(dòng)物膠動(dòng)物膠橡膠橡膠電木電木尼龍尼龍PEPCPSPPPAN聚酯聚酯高模聚合物高模聚合物導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子復(fù)合材料復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料石材石材陶瓷陶瓷陶器陶器玻璃玻璃水泥水泥耐火材料耐火材料熔融硅熔

3、融硅耐濕陶瓷耐濕陶瓷韌性機(jī)械陶瓷韌性機(jī)械陶瓷SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 由兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)完全 不同的材料，經(jīng)某種手段（方法）制備 出的具有全新性能的材料 兩塊膨脹系數(shù)不同的板，貼在一起，加熱后，會(huì)象膨脹量小的一方彎曲，加熱后可以彎曲的性能就是新的性能。冷卻后又可以變直SCHOOL OF MATERIALS SC

4、IENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY. 復(fù)合材料的發(fā)展簡(jiǎn)史復(fù)合材料的發(fā)展簡(jiǎn)史早期復(fù)合材料早期復(fù)合材料 草拌泥西安半坡村原始人遺址（仰韶文化）纖維復(fù)合材料的淵源蘆葦，紙莎草加瀝青或樹膠制造小艇古埃及和美索不達(dá)米亞人（公元前3000年左右）玻璃鋼船的前身木或竹片、動(dòng)物的腱和鬃制作弓中國(guó)西周時(shí)期（公元前1000年）混雜復(fù)合材料的祖先SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY木乃伊尸體纏繞亞麻布，再浸漬天然樹脂在礬土中加云母和砂粒來(lái)改進(jìn)陶器性

5、能錫青銅表面涂覆一層硫化銅越王勾踐的青銅劍古埃及干尸與現(xiàn)代的管道、壓力容器、火箭殼體的纏繞成型工藝原來(lái)相同日本繩紋文化中期以后粒子增韌和強(qiáng)化陶瓷材料思想的萌芽中國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期（距今2500年），1965年湖北江陵楚墓出土最早的包層復(fù)合材料SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY用細(xì)砂和蟲膠制作磨刀石用砂石和火土灰制成混凝土用絲和麻增強(qiáng)大漆制作漆器印度人現(xiàn)代砂輪的前身，顆粒增強(qiáng)高分子材料埃及金字塔（公元前）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中國(guó)古代（如湖南馬王堆出土的漆器）手糊成型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 布底鞋中國(guó)民間

6、三向編織復(fù)合材料的雛形SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、復(fù)合材料的分類一、復(fù)合材料的分類 Classification of composite materials1）按基體分類 金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 高分子基復(fù)合材料2）按用途分按用途分 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 功能復(fù)合材料3）按增強(qiáng)體類型、幾何形態(tài) 連續(xù)增強(qiáng)體復(fù)合材料（有機(jī)長(zhǎng)纖維 無(wú)機(jī)長(zhǎng)纖維） 非連續(xù)增強(qiáng)體復(fù)合材料（顆粒、晶須、短纖維） 混雜增強(qiáng)復(fù)合材料4）按復(fù)合尺度 宏觀復(fù)合材料(mm） 細(xì)觀復(fù)合材料（m） 納米復(fù)合材料（nm

7、） 分子、原子組裝復(fù)合材料（）5）其他類型復(fù)合材料 自生增強(qiáng)體復(fù)合材料 仿生復(fù)合材料（結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生） 天然纖維復(fù)合材料SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖 a) 疊層復(fù)合材料疊層復(fù)合材料b) 、d) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料c) 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料按基體相性質(zhì)按基體相性質(zhì)金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料疊層復(fù)合材料疊層復(fù)合材料按增強(qiáng)相形

8、態(tài)按增強(qiáng)相形態(tài)SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY纖維增強(qiáng)復(fù)合材料任意位向短纖維連續(xù)長(zhǎng)纖維非連續(xù)定向短纖維 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料與混雜增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料混雜增強(qiáng)復(fù)合材料SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY玻璃SCHOOL OF MATERI

9、ALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 二、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)二、復(fù)合材料的性能特點(diǎn) Property characteristics of composite materials 1. 1. 比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度和比模量高SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY波音波音78778

10、7使用物料使用物料按重量：按重量：6161復(fù)合材料復(fù)合材料( (碳纖維碳纖維) )，2020鋁鋁，1111鈦鈦， 88鋼鋼按體積：占按體積：占787787全機(jī)物料的全機(jī)物料的8080均為復(fù)合物料。均為復(fù)合物料。 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 2. 抗疲勞和破斷安全性好抗疲勞和破斷安全性好三種材料的疲勞強(qiáng)度比較三種材料的疲勞強(qiáng)度比較 對(duì)缺口和應(yīng)力集對(duì)缺口和應(yīng)力集 中的敏感性小中的敏感性小 阻止疲勞裂紋擴(kuò)阻止疲勞裂紋擴(kuò) 展，或改變裂紋展，或改變裂紋 擴(kuò)展路徑擴(kuò)展路徑SCHOOL

11、OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 3. 3. 高溫性能優(yōu)良高溫性能優(yōu)良如，用碳纖維增強(qiáng)鋁合金后，如，用碳纖維增強(qiáng)鋁合金后，400時(shí)強(qiáng)度和彈時(shí)強(qiáng)度和彈性模量基本不變性模量基本不變 4. 4. 減振性能好減振性能好 結(jié)構(gòu)自振頻率結(jié)構(gòu)自振頻率材料比模量的平方根，避免構(gòu)件材料比模量的平方根，避免構(gòu)件 共振共振 纖維與基體界面吸收振動(dòng)能量，使振動(dòng)很快衰減纖維與基體界面吸收振動(dòng)能量，使振動(dòng)很快衰減SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTO

12、NG UNIVERSITY第二節(jié)第二節(jié) 增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)機(jī)制增強(qiáng)機(jī)制ENHANCEMENT MATERIALS AND THEIR ENHANCEMENT MECHANISM增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料增強(qiáng)機(jī)制簡(jiǎn)介增強(qiáng)機(jī)制簡(jiǎn)介SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、增強(qiáng)材料一、增強(qiáng)材料 Enhancement materials高強(qiáng)度碳纖維高強(qiáng)度碳纖維(型型) )高模量碳纖維高模量碳纖維( (型型) ) 1. 1. 纖維增強(qiáng)材料纖維增強(qiáng)材料SCHOOL OF MATERIALS SCIE

13、NCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY1) 1) 玻璃纖維玻璃纖維玻璃纖維的制造將玻璃小球熔化，將玻璃小球熔化，然后通過(guò)然后通過(guò)1mm左左右直徑的小孔把右直徑的小孔把它們拉出來(lái)它們拉出來(lái)另外，纏繞纖維另外，纏繞纖維的的心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度度決定纖維的直決定纖維的直徑 ， 通 常 為徑 ， 通 常 為10um的數(shù)量級(jí)的數(shù)量級(jí)玻璃球玻璃球玻璃球再熔化玻璃球再熔化連續(xù)纖維連續(xù)纖維上漿上漿紗線紗線繞線筒繞線筒SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVER

14、SITY為主的稱為為主的稱為SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 高抗拉強(qiáng)度。比塊狀玻璃高幾十倍，比塊狀高強(qiáng)度高抗拉強(qiáng)度。比塊狀玻璃高幾十倍，比塊狀高強(qiáng)度 合金鋼還高合金鋼還高 彈性模量較高。比一般金屬低很多彈性模量較高。比一般金屬低很多 耐熱性較高。軟化點(diǎn)為耐熱性較高。軟化點(diǎn)為550580，在該溫度以下，在該溫度以下 受熱時(shí)強(qiáng)度不變受熱時(shí)強(qiáng)度不變 良好的耐蝕性。除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對(duì)其良好的耐蝕性。除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對(duì)其 他溶劑有良好的化學(xué)穩(wěn)定性他溶劑有良好的化學(xué)穩(wěn)定性 不

15、吸水，不燃燒，尺寸穩(wěn)定，隔不吸水，不燃燒，尺寸穩(wěn)定，隔 熱，吸聲，絕緣，透過(guò)電磁波熱，吸聲，絕緣，透過(guò)電磁波 制取方便，價(jià)格便宜制取方便，價(jià)格便宜SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY幾種纖維材料和金屬材料的強(qiáng)度幾種纖維材料和金屬材料的強(qiáng)度SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE A

16、ND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY密度g/cm3抗拉強(qiáng)度GPa拉伸模量100GPa比強(qiáng)度106N.m/kg比模量106N.m/kg無(wú)堿玻璃纖維2.553.400.711.3328高強(qiáng)度碳纖維（II）1.742.422.161.39124高模量碳纖維（I）2.002.233.751.12188Kevlar491.442.801.261.9488硼纖維2.362.753.821.17162SiC纖維（鎢芯）2.693.434.801.28178鋼絲7.744.202.000.5426鎢絲19.404.104.100.2121鉬絲10.202.203

17、.600.2235SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2) 2) 碳纖維碳纖維200250 3001500 15002000 施加張力氧化脫水脫氫、碳化石墨化聚丙烯腈（PAN）制制 造造 方方 法法Pyrolysis（熱解） of polyacrylonitrile (聚丙烯腈，PAN) to form carbon fibersSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY361.35石墨晶體

18、碳原子的價(jià)鍵性質(zhì)SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 高高、低溫性能好。低溫性能好。1500以上惰性氣體中強(qiáng)度不以上惰性氣體中強(qiáng)度不 變，在變，在180 脆性也不增加脆性也不增加 化學(xué)穩(wěn)定性高。耐濃鹽酸、硫酸、苯、磷酸、丙酮化學(xué)穩(wěn)定性高。耐濃鹽酸、硫酸、苯、磷酸、丙酮 熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)電，自潤(rùn)滑性好熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)電，自潤(rùn)滑性好 脆性大，易氧化脆性大，易氧化 密度低。密度低。 1.332.0g/cm3 彈性模量高。彈性模量高。2.61054105MPaSCHOOL OF MATERIALS

19、 SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY3) 3) 硼纖維硼纖維1959年美國(guó)TELLY首先發(fā)表了用化學(xué)氣相沉積法制造高性能硼纖維的論文，并受到了美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室的高度重視，積極推進(jìn)硼纖維及其復(fù)合材料的研制。美國(guó)AVCO、TEXFROU公司是硼纖維的主要生產(chǎn)廠家SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY311012m鎢基芯 1300 通電加熱H H2 2 + BCl+ BCl3 3H H2 2 + HCl+ HCl氣相沉積技術(shù)H

20、H2 2 + BCl+ BCl3 3 （氣）氣）加熱2B2B（固）固）HClHCl（氣）氣）沉積在鎢絲上SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 高強(qiáng)度。與玻璃纖維相近高強(qiáng)度。與玻璃纖維相近 良好的抗氧化性和良好的抗氧化性和耐腐蝕性耐腐蝕性 比重大，直徑較粗，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高，價(jià)格比重大，直徑較粗，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高，價(jià)格 昂貴昂貴 高熔點(diǎn)。高熔點(diǎn)

21、。2300 彈性模量高。彈性模量高。3.81054.9105MPa用硼鋁復(fù)合材料制成的航天飛機(jī)主艙框架強(qiáng)度高、剛性好，代替鋁合金骨架節(jié)省重量44，取得了十分顯著的效果，也有力地促進(jìn)了硼纖維金屬基復(fù)合材料的發(fā)展SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY4) 4) 芳綸纖維芳綸纖維（Kevlar纖維纖維）芳綸纖維是芳綸纖維是對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二甲酰與與對(duì)苯二胺對(duì)苯二胺的聚合體，全稱聚對(duì)苯二甲的聚合體，全稱聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺酰對(duì)苯二胺 ，經(jīng)溶解紡絲而成。它的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：，經(jīng)溶解紡絲而成。它的化學(xué)結(jié)構(gòu)

22、式如下：在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鏈在纖維軸向是高度定向的，各在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鏈在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈?zhǔn)怯蓺滏I作橫向連結(jié)聚合物鏈?zhǔn)怯蓺滏I作橫向連結(jié)力學(xué)性能各向異性力學(xué)性能各向異性 沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵和橫向弱的氫鍵，沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵和橫向弱的氫鍵，是造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性的原因，即纖維的縱向強(qiáng)度是造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性的原因，即纖維的縱向強(qiáng)度高，而橫向強(qiáng)度低高，而橫向強(qiáng)度低SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY “高韌性高韌性”， 延伸率延伸率3左右左右

23、 耐熱性好。好于玻璃纖維，能在耐熱性好。好于玻璃纖維，能在290下長(zhǎng)期使用下長(zhǎng)期使用 價(jià)格便宜價(jià)格便宜 高比模量。是玻璃纖維的高比模量。是玻璃纖維的3 3倍倍 優(yōu)良的抗疲勞性優(yōu)良的抗疲勞性、耐腐蝕性、絕緣性和可加工性耐腐蝕性、絕緣性和可加工性 高比強(qiáng)度。高強(qiáng)度高比強(qiáng)度。高強(qiáng)度( )( )， 小比重小比重( )( )2.83.7GPa1.45g/cm3SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 高熔點(diǎn)，高模量高熔點(diǎn)，高模量 優(yōu)良的高溫強(qiáng)度。優(yōu)良的高溫強(qiáng)度。1100, 2100MPa以鎢絲或碳纖維作

24、纖芯，通過(guò)氣相沉積法而制以鎢絲或碳纖維作纖芯，通過(guò)氣相沉積法而制得；或用聚碳硅烷紡紗，經(jīng)燒結(jié)而制得。得；或用聚碳硅烷紡紗，經(jīng)燒結(jié)而制得。5) 5) 碳化硅纖維碳化硅纖維SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYAl2O3 SiC Si3N4 WC TiC B4C 石墨石墨 2. 2. 顆粒增強(qiáng)材料顆粒增強(qiáng)材料1) 1) 金屬基復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒金屬基復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UN

25、IVERSITY 石墨、碳黑、白碳黑石墨、碳黑、白碳黑( (二氧化硅無(wú)定形微粉二氧化硅無(wú)定形微粉) )、云母、高嶺土、膨潤(rùn)土、云母、高嶺土、膨潤(rùn)土、碳酸鈣、滑石粉、空心玻璃微珠碳酸鈣、滑石粉、空心玻璃微珠MgO、SiO2、MoS2、Fe2O3、2) 2) 聚合物基復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒聚合物基復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒Fe2O3白碳黑白碳黑MgOMoS2SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 二、增強(qiáng)機(jī)制簡(jiǎn)介二、增強(qiáng)機(jī)制簡(jiǎn)介 Brief introduction to enhancement mec

26、hanism 1. 1. 纖維增強(qiáng)機(jī)制纖維增強(qiáng)機(jī)制承受載荷的主體，高強(qiáng)度剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、少缺陷、承受載荷的主體，高強(qiáng)度剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、少缺陷、結(jié)合良好結(jié)合良好基體作用與要求基體作用與要求 構(gòu)成一定形狀形，傳遞與分配載荷，界面結(jié)合構(gòu)成一定形狀形，傳遞與分配載荷，界面結(jié)合 增強(qiáng)纖維作用與要求增強(qiáng)纖維作用與要求 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYp 纖維斷裂時(shí)，基體能阻止纖維斷裂時(shí)，基體能阻止 裂紋擴(kuò)展并改變擴(kuò)展方向裂紋擴(kuò)展并改變擴(kuò)展方向p 被基體保護(hù)的纖維，不易受損傷，受載時(shí)不易產(chǎn)生被基體保

27、護(hù)的纖維，不易受損傷，受載時(shí)不易產(chǎn)生裂紋，使材料承載能力增大裂紋，使材料承載能力增大p 與塊狀材料相比，纖維具有更高的強(qiáng)度和韌性與塊狀材料相比，纖維具有更高的強(qiáng)度和韌性 纖維斷裂后裂紋沿纖纖維斷裂后裂紋沿纖維與基體界面擴(kuò)展維與基體界面擴(kuò)展p 纖維與基體間適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)纖維與基體間適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度，使纖維斷裂而從基體合強(qiáng)度，使纖維斷裂而從基體中難以拔出中難以拔出SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY五種單向復(fù)合材料斷口形貌五種單向復(fù)合材料斷口形貌SCHOOL OF MATERIALS SCIE

28、NCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 2. 顆粒增強(qiáng)機(jī)制顆粒增強(qiáng)機(jī)制p 高度彌散分布于基體中的增強(qiáng)顆粒使高度彌散分布于基體中的增強(qiáng)顆粒使主要承受載主要承受載p 荷的基體荷的基體的強(qiáng)度得到提高的強(qiáng)度得到提高p 對(duì)于金屬基體，增強(qiáng)顆粒阻礙基體中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)對(duì)于金屬基體，增強(qiáng)顆粒阻礙基體中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)p 對(duì)于高聚物基體，增強(qiáng)顆粒阻礙基體中分子鏈的對(duì)于高聚物基體，增強(qiáng)顆粒阻礙基體中分子鏈的p 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)p 增強(qiáng)顆粒直徑一般在范圍時(shí)增強(qiáng)效增強(qiáng)顆粒直徑一般在范圍時(shí)增強(qiáng)效p 果最好果最好0.010.1 mDSCHOOL OF MATERIALS SC

29、IENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY開裂方式開裂方式 Ap min(Ak 、A) Amin(Ap、Ak) Ak min(Ap、A) Ap :基體撕裂功 A: :界面開裂功 Ak :顆粒斷裂SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第三節(jié)第三節(jié) 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料COMMONLY USED COMPOSITE MATERIALS塑料基復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基

30、復(fù)合材料SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、塑料基復(fù)合材料一、塑料基復(fù)合材料 Plastic-matrix composite materials 1. 1. 玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）1) 1) 熱塑性玻璃鋼熱塑性玻璃鋼 體積分?jǐn)?shù)為體積分?jǐn)?shù)為 20%40% 的玻璃纖維與的玻璃纖維與 60%80% 的熱塑性樹脂復(fù)合的熱塑性樹脂復(fù)合 高的強(qiáng)度和沖擊韌性，良好的低溫性能和低熱膨脹高的強(qiáng)度和沖擊韌性，良好的低溫性能和低熱膨脹 系數(shù)系數(shù)體體SCHOOL OF MAT

31、ERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2) 2) 熱固性玻璃鋼熱固性玻璃鋼 體積分?jǐn)?shù)為體積分?jǐn)?shù)為 60%70% 的玻璃纖維與的玻璃纖維與 30%40% 的熱固性樹脂復(fù)合的熱固性樹脂復(fù)合 高強(qiáng)度，高強(qiáng)度，低低密度，耐腐蝕，絕緣密度，耐腐蝕，絕緣、絕熱性好，吸水絕熱性好，吸水 性低，防磁，微波穿透性好，易加工成形性低，防磁，微波穿透性好，易加工成形體體 彈性模量及耐熱性仍不如鋼彈性模量及耐熱性仍不如鋼SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG

32、UNIVERSITY3) 3) 玻璃鋼的應(yīng)用玻璃鋼的應(yīng)用 航天航空工業(yè)：雷達(dá)罩，直升機(jī)機(jī)身，飛機(jī)螺旋航天航空工業(yè)：雷達(dá)罩，直升機(jī)機(jī)身，飛機(jī)螺旋 槳，發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪，火箭導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)槳，發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪，火箭導(dǎo)彈發(fā)動(dòng) 機(jī)殼體和燃料箱機(jī)殼體和燃料箱 船舶工業(yè)：輕型船船舶工業(yè)：輕型船、艇、艦，掃雷艇、艇、艦，掃雷艇 車輛工業(yè)：汽車、機(jī)車、拖拉機(jī)車身，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)車輛工業(yè)：汽車、機(jī)車、拖拉機(jī)車身，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī) 罩罩 電機(jī)電器工業(yè)：重型發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)，大型變壓器線電機(jī)電器工業(yè)：重型發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)，大型變壓器線 圈絕緣桶，各種絕緣零件圈絕緣桶，各種絕緣零件 石油化工工業(yè)：代替不銹鋼制作耐酸石油化工工業(yè)：代替不銹鋼制作耐酸、耐堿耐堿、耐

33、耐 油的容器油的容器、管道管道、反應(yīng)釜反應(yīng)釜用于制造用于制造要求自重輕的受力構(gòu)件要求自重輕的受力構(gòu)件要求無(wú)磁性要求無(wú)磁性、絕緣絕緣、耐腐蝕的零件耐腐蝕的零件SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY玻璃鋼腳踏螺旋槳游艇玻璃鋼腳踏螺旋槳游艇玻璃鋼風(fēng)機(jī)葉輪玻璃鋼風(fēng)機(jī)葉輪玻璃鋼冷卻塔玻璃鋼冷卻塔SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND EN

34、GINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 2. 碳纖維增強(qiáng)塑料碳纖維增強(qiáng)塑料 性能優(yōu)于玻璃鋼性能優(yōu)于玻璃鋼 低密度，高強(qiáng)度，高彈性模量，高比強(qiáng)度，高比模低密度，高強(qiáng)度，高彈性模量，高比強(qiáng)度，高比模 量，優(yōu)良的抗疲勞性能量，優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能耐沖擊性能、自潤(rùn)滑性自潤(rùn)滑性、 減磨耐磨性減磨耐磨性、耐腐蝕性耐腐蝕性、耐熱性耐熱性 碳纖維與基體結(jié)合力低，各向異性嚴(yán)重碳纖維與基體結(jié)合力低，各向異性嚴(yán)重 航天航空工業(yè)

35、：飛機(jī)機(jī)身，螺旋槳，尾翼，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)航天航空工業(yè)：飛機(jī)機(jī)身，螺旋槳，尾翼，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，衛(wèi)星殼體，航天飛行器外表面防熱層扇葉片，衛(wèi)星殼體，航天飛行器外表面防熱層 機(jī)器制造工業(yè)：軸承，齒輪，磨床磨頭，齒輪旋轉(zhuǎn)機(jī)器制造工業(yè)：軸承，齒輪，磨床磨頭，齒輪旋轉(zhuǎn) 刀具刀具 電機(jī)工業(yè)：大功率發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)電機(jī)工業(yè)：大功率發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán) 化學(xué)工業(yè)：管道，容器化學(xué)工業(yè)：管道，容器SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN

36、 JIAOTONG UNIVERSITY 3. 3. 硼纖維增強(qiáng)塑料硼纖維增強(qiáng)塑料 高比強(qiáng)度、比模量，良好的耐熱性高比強(qiáng)度、比模量，良好的耐熱性 各向異性明顯，加工困難，成本高各向異性明顯，加工困難，成本高 主要用于：航天航空工業(yè)中要求高剛度的結(jié)構(gòu)件，主要用于：航天航空工業(yè)中要求高剛度的結(jié)構(gòu)件， 如飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼軌道飛行器隔離裝置結(jié)如飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼軌道飛行器隔離裝置結(jié) 合器合器 4. 4. 碳化硅纖維增強(qiáng)塑料碳化硅纖維增強(qiáng)塑料 高比強(qiáng)度、比模量高比強(qiáng)度、比模量 主要用于：宇航器上的結(jié)構(gòu)件，飛機(jī)的門主要用于：宇航器上的結(jié)構(gòu)件，飛機(jī)的門、降落傳降落傳 動(dòng)裝置箱動(dòng)裝置箱、機(jī)翼機(jī)翼SCHOOL OF MA

37、TERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 5. 5. Kevlar 纖維增強(qiáng)塑料纖維增強(qiáng)塑料 抗拉強(qiáng)度高于玻璃鋼，與碳纖維抗拉強(qiáng)度高于玻璃鋼，與碳纖維- -還氧樹脂復(fù)合材還氧樹脂復(fù)合材 料相近料相近 延性好，與金屬相近延性好，與金屬相近 抗耐沖擊性超過(guò)碳纖維增強(qiáng)塑料抗耐沖擊性超過(guò)碳纖維增強(qiáng)塑料 優(yōu)良的疲勞抗力和減振性優(yōu)良的疲勞抗力和減振性 主要用于：飛機(jī)機(jī)身，雷達(dá)天線罩，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外主要用于：飛機(jī)機(jī)身，雷達(dá)天線罩，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外 殼，輕型船艦，快艇殼，輕型船艦，快艇SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE

38、 AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 1. 1. 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料1) 1) 硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 高抗拉高抗拉、壓壓、剪切剪切、疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 主要用于：飛機(jī)或航天器主要用于：飛機(jī)或航天器蒙皮、大型壁板、長(zhǎng)梁、蒙皮、大型壁板、長(zhǎng)梁、 加強(qiáng)肋，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加強(qiáng)肋，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片 二、金屬基復(fù)合材料二、金屬基復(fù)合材料 Metal-matrix composite materials硼纖維硼纖維B纖維/Al復(fù)合材料， B纖維表面為玉米棒狀，高溫時(shí)Al變軟，經(jīng)外力壓實(shí)填充硼纖維的粗糙面SCHO

39、OL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 主要用于：航天飛機(jī)外殼，運(yùn)載火箭的大直徑圓錐主要用于：航天飛機(jī)外殼，運(yùn)載火箭的大直徑圓錐 段、級(jí)間段、接合器、油箱段、級(jí)間段、接合器、油箱, ,飛機(jī)蒙皮、飛機(jī)蒙皮、 螺旋槳，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片，重螺旋槳，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片，重 返大氣層運(yùn)載工具的防護(hù)罩，汽車發(fā)動(dòng)返大氣層運(yùn)載工具的防護(hù)罩，汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)零件機(jī)零件( (如活塞、汽缸頭等如活塞、汽缸頭等) )，滑動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承3) 3) 碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 高比強(qiáng)度高比強(qiáng)度

40、、比模量，高硬度比模量，高硬度 主要用于：飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞主要用于：飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連連 桿等桿等2) 2) 碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 高比強(qiáng)度高比強(qiáng)度、比模量，高溫強(qiáng)度好，減摩性和比模量，高溫強(qiáng)度好，減摩性和 導(dǎo)電性好導(dǎo)電性好SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 2. 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料1) 1) 金屬陶瓷（前已講過(guò)）金屬陶瓷（前已講過(guò)）2) 2) 彌散強(qiáng)化合金彌散強(qiáng)化合金將少量（體積分?jǐn)?shù)通常小于將少量（體

41、積分?jǐn)?shù)通常小于20%）的顆粒尺寸極細(xì)）的顆粒尺寸極細(xì)的增強(qiáng)微粒高度彌散地均勻分布在金屬基體中常的增強(qiáng)微粒高度彌散地均勻分布在金屬基體中常用的增強(qiáng)相是高抗拉用的增強(qiáng)相是高抗拉、壓壓、剪切剪切、疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 常用的增強(qiáng)相：常用的增強(qiáng)相： Al2O3 ThO2 MgO BeO 常用基體金屬：常用基體金屬： Al Cu Ti Cr NiSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY(1) (1) 彌散強(qiáng)化鋁（燒結(jié)鋁）彌散強(qiáng)化鋁（燒結(jié)鋁） 主要制作：飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件（如機(jī)翼，機(jī)身），飛機(jī)主要制作：飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件（如機(jī)翼，機(jī)身），飛機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪、高溫活塞，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪、高溫活塞，大功率 柴油機(jī)活塞，冷卻反應(yīng)堆中核燃料元件柴油機(jī)活塞，冷卻反應(yīng)堆中核燃料元件 的包套材料的包套材料 先將片狀鋁粉的表面氧化成薄膜，再經(jīng)壓制、先將片狀鋁粉的表面氧化成薄膜，再經(jīng)壓制、 燒結(jié)、擠壓燒結(jié)、擠壓Al2O3 高溫強(qiáng)度好高溫強(qiáng)度好(2) (2) 彌散強(qiáng)化銅彌散強(qiáng)化銅 主要制作：高溫下的導(dǎo)熱、導(dǎo)電體，如電焊機(jī)的電主要制作：高溫下的導(dǎo)熱、導(dǎo)電體，如電焊機(jī)的電 極，高功率電子管的電極極