第6章復(fù)合材料-清華大學(xué)-工程材料

1、“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材工程材料第3版配套課件第第6 6章章第6 6章 復(fù)合材料 內(nèi)容提要： 介紹纖維復(fù)合材料和顆粒復(fù)合材料的介紹纖維復(fù)合材料和顆粒復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)制與原則。介紹常用金屬基和非金復(fù)合機(jī)制與原則。介紹常用金屬基和非金屬基復(fù)合材料的組成、性能及應(yīng)用。屬基復(fù)合材料的組成、性能及應(yīng)用。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解復(fù)合材料復(fù)合機(jī)制和復(fù)合原則。了解復(fù)合材料復(fù)合機(jī)制和復(fù)合原則。熟悉常用復(fù)合材料的性能，了解其應(yīng)用。熟悉常用復(fù)合材料的性能，了解其應(yīng)用。概述概述復(fù)合材料復(fù)合材料 兩種或兩種以上物理、兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)一定方法化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)一定方法得到的一種新的多相固體材料。得到

2、的一種新的多相固體材料。 復(fù)合材料可以由金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料可以由金屬材料、高分子材料和陶瓷材料中任兩種或幾種制備而成。陶瓷材料中任兩種或幾種制備而成。 復(fù)合復(fù)合材料的性能比組成材料的性能優(yōu)越得材料的性能比組成材料的性能優(yōu)越得多，改善或克服了組成材料的弱點(diǎn)，能夠按零多，改善或克服了組成材料的弱點(diǎn)，能夠按零件的結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。件的結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。 創(chuàng)造單一材料不具備的雙重或多重功能。創(chuàng)造單一材料不具備的雙重或多重功能。 復(fù)合材料有著極其廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料有著極其廣泛的應(yīng)用。 復(fù)合材料應(yīng)用舉例：復(fù)合材料應(yīng)用舉例： 汽車擋泥板汽車擋泥板 單獨(dú)使用玻璃太脆，單獨(dú)使用

3、聚合物材單獨(dú)使用玻璃太脆，單獨(dú)使用聚合物材料則強(qiáng)度低而且剛度滿足不了要求。復(fù)合成料則強(qiáng)度低而且剛度滿足不了要求。復(fù)合成玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂得到了高強(qiáng)度、高韌性的得到了高強(qiáng)度、高韌性的新材料，而且質(zhì)量小。新材料，而且質(zhì)量小。 自動(dòng)控溫開(kāi)關(guān)自動(dòng)控溫開(kāi)關(guān) 由溫度膨脹系數(shù)不同的黃銅片和鐵片復(fù)由溫度膨脹系數(shù)不同的黃銅片和鐵片復(fù)合成雙金屬片。溫度變化時(shí)雙金屬片彎曲，合成雙金屬片。溫度變化時(shí)雙金屬片彎曲，接通或斷開(kāi)電觸點(diǎn)。接通或斷開(kāi)電觸點(diǎn)。復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類6.16.1 復(fù)合材料的復(fù)合原則復(fù)合材料的復(fù)合原則6.1.1 6.1.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合原則纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合原則 老師提

4、示：老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容 一、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制 纖維增強(qiáng)相是具有強(qiáng)結(jié)合鍵材料或硬質(zhì)纖維增強(qiáng)相是具有強(qiáng)結(jié)合鍵材料或硬質(zhì)材料（陶瓷、玻璃等），內(nèi)部含微裂紋，易材料（陶瓷、玻璃等），內(nèi)部含微裂紋，易斷裂，因而脆性大；斷裂，因而脆性大； 將其制成細(xì)纖維可降低裂紋長(zhǎng)度和出現(xiàn)將其制成細(xì)纖維可降低裂紋長(zhǎng)度和出現(xiàn)裂紋的幾率，使脆性降低，極大地發(fā)揮增強(qiáng)裂紋的幾率，使脆性降低，極大地發(fā)揮增強(qiáng)相的強(qiáng)度。相的強(qiáng)度。 高分子基復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有高分子基復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有效阻止基體分子鏈的運(yùn)動(dòng)；效阻止基體分子鏈的運(yùn)動(dòng)； 金屬基復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有效金屬基復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化

5、基體。阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化基體。 鎢纖維銅基復(fù)合材料中的鎢纖維銅基復(fù)合材料中的 裂紋在銅中擴(kuò)展受阻裂紋在銅中擴(kuò)展受阻 碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料斷裂時(shí)纖維斷口電子掃描照片斷裂時(shí)纖維斷口電子掃描照片 二、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原則 （1 1）纖維增強(qiáng)相是主要承載體，應(yīng)有）纖維增強(qiáng)相是主要承載體，應(yīng)有高的強(qiáng)度和彈性模量，且高于基體材料；高的強(qiáng)度和彈性模量，且高于基體材料； （2 2）基體相起粘接劑作用，應(yīng)對(duì)纖維）基體相起粘接劑作用，應(yīng)對(duì)纖維相有潤(rùn)濕性，基體相應(yīng)有一定塑性和韌性；相有潤(rùn)濕性，基體相應(yīng)有一定塑性和韌性； （3 3）纖維增強(qiáng)相和基體相兩者）纖維增強(qiáng)相和基體相兩者之間之間結(jié)

6、結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)。結(jié)合力過(guò)小，受載時(shí)容易沿合強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)。結(jié)合力過(guò)小，受載時(shí)容易沿纖維和基體間產(chǎn)生裂紋；結(jié)合力過(guò)高，會(huì)使纖維和基體間產(chǎn)生裂紋；結(jié)合力過(guò)高，會(huì)使復(fù)合材料失去韌性而發(fā)生危險(xiǎn)的脆性斷裂；復(fù)合材料失去韌性而發(fā)生危險(xiǎn)的脆性斷裂； （1 1）基體與增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)不能相）基體與增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大；差過(guò)大； （2 2）纖維相必須有合理的含量、尺寸）纖維相必須有合理的含量、尺寸和分布；和分布； （3 3）兩者間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)。）兩者間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)。6.1.2 6.1.2 顆粒復(fù)合材料的復(fù)合原則顆粒復(fù)合材料的復(fù)合原則 一、顆粒復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制 顆粒復(fù)合材料，基體承受載荷

7、時(shí)，顆顆粒復(fù)合材料，基體承受載荷時(shí)，顆粒的作用是阻礙分子鏈或位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。粒的作用是阻礙分子鏈或位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。 增強(qiáng)的效果與顆粒的體積含量、分布、增強(qiáng)的效果與顆粒的體積含量、分布、尺寸等密切相關(guān)。尺寸等密切相關(guān)。 二、顆粒復(fù)合材料的復(fù)合原則 （1 1）顆粒均勻彌散分布在基體中，阻礙）顆粒均勻彌散分布在基體中，阻礙分子鏈或位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。分子鏈或位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。 （2 2）顆粒大小應(yīng)適當(dāng)：顆粒過(guò)大本身易）顆粒大小應(yīng)適當(dāng)：顆粒過(guò)大本身易斷裂，同時(shí)會(huì)引起應(yīng)力集中，材料強(qiáng)度降低；斷裂，同時(shí)會(huì)引起應(yīng)力集中，材料強(qiáng)度降低；顆粒過(guò)小，位錯(cuò)容易繞過(guò)顆粒過(guò)小，位錯(cuò)容易繞過(guò), , 起不到強(qiáng)化的作用。起不到強(qiáng)化的作用。通常，顆

8、粒直徑為幾微米到幾十微米。通常，顆粒直徑為幾微米到幾十微米。 （3 3）顆粒的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在）顆粒的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在2020以上，以上，否則達(dá)不到最佳強(qiáng)化效果。否則達(dá)不到最佳強(qiáng)化效果。 （4 4）顆粒與基體之間應(yīng)有一定的結(jié)合）顆粒與基體之間應(yīng)有一定的結(jié)合強(qiáng)度。強(qiáng)度。6.26.2 復(fù)合材料的性能特點(diǎn)復(fù)合材料的性能特點(diǎn)6.2.1 6.2.1 復(fù)合材料的力學(xué)性能復(fù)合材料的力學(xué)性能 一、比強(qiáng)度和比模量 比強(qiáng)度比強(qiáng)度 材料的強(qiáng)度與其密度之比。材料的強(qiáng)度與其密度之比。 比模量比模量 材料的模量與其密度之比。材料的模量與其密度之比。 材料的比強(qiáng)度或比模量越高，構(gòu)件的自重材料的比強(qiáng)度或比模量越高，構(gòu)件的自重就越小，

9、或者體積會(huì)越小。就越小，或者體積會(huì)越小。 通常，復(fù)合材料的復(fù)合結(jié)果是密度大通常，復(fù)合材料的復(fù)合結(jié)果是密度大大減小，高的比強(qiáng)度和比模量是復(fù)合材料大減小，高的比強(qiáng)度和比模量是復(fù)合材料的突出性能特點(diǎn)的突出性能特點(diǎn)。 二、抗疲勞性能和抗斷裂性能 1. 1. 很好的抗疲勞性能很好的抗疲勞性能 復(fù)合材料中纖維的缺陷少，抗疲勞能復(fù)合材料中纖維的缺陷少，抗疲勞能力高；力高； 基體的塑性和韌性好，能夠消除或減基體的塑性和韌性好，能夠消除或減少應(yīng)力集中，不易產(chǎn)生微裂紋；少應(yīng)力集中，不易產(chǎn)生微裂紋； 塑性變形使微裂紋產(chǎn)生鈍化而減緩其塑性變形使微裂紋產(chǎn)生鈍化而減緩其擴(kuò)展。擴(kuò)展。 例如：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的疲勞強(qiáng)度為拉例如

10、：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的疲勞強(qiáng)度為拉伸強(qiáng)度的伸強(qiáng)度的70%70%80%80%，一般金屬材料卻僅為，一般金屬材料卻僅為30%30%50%50%。 2. 2. 抗斷裂能力好抗斷裂能力好 基體中有大量細(xì)小纖維，較大載荷下部基體中有大量細(xì)小纖維，較大載荷下部分纖維斷裂時(shí)載荷由韌性好的基體重新分配分纖維斷裂時(shí)載荷由韌性好的基體重新分配到未斷裂纖維上，構(gòu)件不會(huì)瞬間斷裂。到未斷裂纖維上，構(gòu)件不會(huì)瞬間斷裂。復(fù)合材料疲勞曲線復(fù)合材料疲勞曲線6.2.3 6.2.3 復(fù)合材料的其它性能復(fù)合材料的其它性能 一、高溫性能 優(yōu)越的耐高溫性能，優(yōu)越的耐高溫性能，高溫下保持很高的強(qiáng)度。高溫下保持很高的強(qiáng)度。 聚合物基復(fù)合材料使用溫

11、度聚合物基復(fù)合材料使用溫度100 100 350350； 金屬基復(fù)合材料使用溫度金屬基復(fù)合材料使用溫度350 350 11001100； SiCSiC纖維、纖維、AlAl2 2O O3 3纖維陶瓷復(fù)合材料在纖維陶瓷復(fù)合材料在1200 1200 1400 1400 范圍內(nèi)保持很高的強(qiáng)度。范圍內(nèi)保持很高的強(qiáng)度。 碳纖維復(fù)合材料在非氧化氣氛下在碳纖維復(fù)合材料在非氧化氣氛下在2400240028002800長(zhǎng)期使用。長(zhǎng)期使用。 二、減摩、耐磨、減振性能 良好的減摩、耐磨性良好的減摩、耐磨性 摩擦系數(shù)比高摩擦系數(shù)比高分子材料低；少量短切纖維大大提高耐磨分子材料低；少量短切纖維大大提高耐磨性。性。 較強(qiáng)的

12、減振能力較強(qiáng)的減振能力 比彈性模量高，自比彈性模量高，自振頻率也高，其構(gòu)件不易共振；纖維與基振頻率也高，其構(gòu)件不易共振；纖維與基體界面有吸收振動(dòng)能量的作用，振動(dòng)會(huì)很體界面有吸收振動(dòng)能量的作用，振動(dòng)會(huì)很快衰減。快衰減。 三、其它特殊性能 高韌性和抗熱沖擊性能（金屬基復(fù)合高韌性和抗熱沖擊性能（金屬基復(fù)合材料）。材料）。 優(yōu)良電絕緣性，不受電磁作用，不反優(yōu)良電絕緣性，不受電磁作用，不反射無(wú)線電波（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）。射無(wú)線電波（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）。 耐輻射性、蠕變性能高以及特殊的光、耐輻射性、蠕變性能高以及特殊的光、電、磁等性能。電、磁等性能。6.36.3 非金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料6.3.1

13、 6.3.1 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料老師提示：老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容 一、聚合物基復(fù)合材料的發(fā)展 2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代出現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)工程塑年代出現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料（玻璃鋼），制造機(jī)器零件；料（玻璃鋼），制造機(jī)器零件； 2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代硼纖維和碳纖維增強(qiáng)塑料年代硼纖維和碳纖維增強(qiáng)塑料改善了玻璃纖維模量低的缺點(diǎn)，大量應(yīng)用航改善了玻璃纖維模量低的缺點(diǎn)，大量應(yīng)用航空航天等領(lǐng)域；空航天等領(lǐng)域； 70 70年代初期的聚芳酰胺纖維增強(qiáng)聚合物年代初期的聚芳酰胺纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料加快了復(fù)合材料發(fā)展；基復(fù)合材料加快了復(fù)合材料發(fā)展； 8080年代初期熱塑性復(fù)合材料完善了

14、聚合年代初期熱塑性復(fù)合材料完善了聚合物基復(fù)合材料的工藝及理論，在航空航天、物基復(fù)合材料的工藝及理論，在航空航天、汽車、建筑等各領(lǐng)域得到全面應(yīng)用。汽車、建筑等各領(lǐng)域得到全面應(yīng)用。 二、聚合物基復(fù)合材料分類 1. 1. 以基體性質(zhì)分類以基體性質(zhì)分類 熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料 熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料 橡膠類復(fù)合材料橡膠類復(fù)合材料 2. 2. 按增強(qiáng)相類型分類按增強(qiáng)相類型分類 分為纖維增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)、層片增強(qiáng)、分為纖維增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)、層片增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)等聚合物基復(fù)合材料。顆粒增強(qiáng)等聚合物基復(fù)合材料。 聚合物基復(fù)合材料分類聚合物基復(fù)合材料分類 三、常用聚合物基復(fù)合材料的性能及應(yīng)

15、用 1. 1. 玻璃鋼玻璃鋼 (1) (1) 熱固性玻璃鋼熱固性玻璃鋼 以熱固性樹(shù)脂為粘接劑的玻璃纖維增強(qiáng)材料：以熱固性樹(shù)脂為粘接劑的玻璃纖維增強(qiáng)材料： 酚醛樹(shù)脂玻璃鋼酚醛樹(shù)脂玻璃鋼 環(huán)氧樹(shù)脂玻璃鋼環(huán)氧樹(shù)脂玻璃鋼 聚酯樹(shù)脂玻璃鋼聚酯樹(shù)脂玻璃鋼 有機(jī)硅樹(shù)脂玻璃鋼有機(jī)硅樹(shù)脂玻璃鋼 熱固性玻璃鋼熱固性玻璃鋼成形工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、比強(qiáng)成形工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性能好。度高、耐蝕性能好。 熱固性玻璃鋼熱固性玻璃鋼缺點(diǎn)是：彈性模量低缺點(diǎn)是：彈性模量低(1/5(1/51/101/10結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼) )、耐熱度低、耐熱度低(250 )(250 )、易老化。易老化。 通過(guò)樹(shù)脂改性改善性能。通過(guò)樹(shù)脂改性

16、改善性能。 酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂混溶的玻璃鋼即酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂混溶的玻璃鋼即有良好粘接性有良好粘接性, , 又降低了脆性，保持了耐又降低了脆性，保持了耐熱性熱性, , 具有較高的強(qiáng)度。具有較高的強(qiáng)度。 熱固性玻璃鋼應(yīng)用：熱固性玻璃鋼應(yīng)用： 主要用于主要用于機(jī)器護(hù)罩、車輛車身機(jī)器護(hù)罩、車輛車身 絕緣抗磁儀表絕緣抗磁儀表 耐蝕耐壓容器和管道耐蝕耐壓容器和管道 各種形狀復(fù)雜的機(jī)器構(gòu)件和車輛配件各種形狀復(fù)雜的機(jī)器構(gòu)件和車輛配件 環(huán)氧樹(shù)脂玻璃鋼顯微組織環(huán)氧樹(shù)脂玻璃鋼顯微組織 酚醛樹(shù)脂玻璃鋼齒輪酚醛樹(shù)脂玻璃鋼齒輪 (2) (2) 熱塑性玻璃鋼熱塑性玻璃鋼 以熱塑性樹(shù)脂為粘接劑的玻璃纖維增強(qiáng)以熱塑性樹(shù)脂為粘

17、接劑的玻璃纖維增強(qiáng)材料。材料。 熱塑性玻璃鋼熱塑性玻璃鋼強(qiáng)度不如熱固性玻璃鋼強(qiáng)度不如熱固性玻璃鋼, , 但成形性好、生產(chǎn)率高，且比強(qiáng)度不低。但成形性好、生產(chǎn)率高，且比強(qiáng)度不低。 尼龍尼龍6666玻璃鋼玻璃鋼 ABSABS玻璃鋼玻璃鋼 聚苯乙烯玻璃鋼聚苯乙烯玻璃鋼 聚碳酸酯玻璃鋼聚碳酸酯玻璃鋼 熱塑性玻璃鋼應(yīng)用：熱塑性玻璃鋼應(yīng)用： 尼龍尼龍6666玻璃鋼玻璃鋼 剛度、強(qiáng)度、減摩性好，剛度、強(qiáng)度、減摩性好，作軸承、軸承架、齒輪等精密件、電工件、汽作軸承、軸承架、齒輪等精密件、電工件、汽車儀表、前后燈等車儀表、前后燈等 ABSABS玻璃鋼玻璃鋼 化工裝置、管道、容器等化工裝置、管道、容器等 聚苯乙烯

18、玻璃鋼聚苯乙烯玻璃鋼 汽車內(nèi)裝飾、收音機(jī)汽車內(nèi)裝飾、收音機(jī)機(jī)殼、空調(diào)葉片等機(jī)殼、空調(diào)葉片等 聚碳酸酯玻璃鋼聚碳酸酯玻璃鋼 耐磨件、絕緣儀表等耐磨件、絕緣儀表等 2. 2. 碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料 碳纖維特點(diǎn)：碳纖維特點(diǎn)： 碳是六方結(jié)構(gòu)晶體碳是六方結(jié)構(gòu)晶體( (石墨石墨) )，共價(jià)鍵結(jié)合；，共價(jià)鍵結(jié)合； 比玻璃纖維強(qiáng)度更高，彈性模量高幾倍；比玻璃纖維強(qiáng)度更高，彈性模量高幾倍； 高溫、低溫性能好，很高的化學(xué)穩(wěn)定性、高溫、低溫性能好，很高的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性；低的摩擦系數(shù)；導(dǎo)電性；低的摩擦系數(shù)； 脆性大，與樹(shù)脂的結(jié)合力不如玻璃纖維，脆性大，與樹(shù)脂的結(jié)合力不如玻璃纖維，表面氧化處理可改善

19、其與基體的結(jié)合力。表面氧化處理可改善其與基體的結(jié)合力。 應(yīng)用應(yīng)用: : 制造宇宙飛船和航天器的外層材料，制造宇宙飛船和航天器的外層材料， 人造衛(wèi)星和火箭的機(jī)架、殼體。人造衛(wèi)星和火箭的機(jī)架、殼體。 精密機(jī)器的齒輪、軸承以及活塞、密精密機(jī)器的齒輪、軸承以及活塞、密封圈。封圈。 化工容器和零件。化工容器和零件。 碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料：碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料： 碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂 碳纖維聚四氟乙烯碳纖維聚四氟乙烯 碳纖維酚醛樹(shù)脂碳纖維酚醛樹(shù)脂 3. 3. 硼纖維樹(shù)脂復(fù)合材料硼纖維樹(shù)脂復(fù)合材料 硼纖維環(huán)氧樹(shù)脂、硼纖維聚酰亞胺樹(shù)脂硼纖維環(huán)氧樹(shù)脂、硼纖維聚酰亞胺樹(shù)脂 硼纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維的相近；比彈

20、硼纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維的相近；比彈性模量比玻璃纖維的高性模量比玻璃纖維的高5 5倍；耐熱性更高。倍；耐熱性更高。 硼纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗硼纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都很高度都很高( (優(yōu)于鋁合金、鈦合金優(yōu)于鋁合金、鈦合金) )，且蠕變小；，且蠕變??； 硬度和彈性模量高，疲勞強(qiáng)度很高；硬度和彈性模量高，疲勞強(qiáng)度很高； 耐輻射及導(dǎo)熱極好；耐輻射及導(dǎo)熱極好； 應(yīng)用：應(yīng)用：用于航空航天器、宇航器的翼面、用于航空航天器、宇航器的翼面、儀表盤(pán)、轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)葉片、螺旋漿的傳動(dòng)軸儀表盤(pán)、轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)葉片、螺旋漿的傳動(dòng)軸6.3.2 6.3.2 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 一、分類 顆粒增

21、韌復(fù)合材料顆粒增韌復(fù)合材料: Al: Al2 2O O3 3-TiC-TiC顆粒顆粒 晶須增韌復(fù)合材料晶須增韌復(fù)合材料: SiC-Al: SiC-Al2 2O O3 3晶須晶須 纖維增韌復(fù)合材料纖維增韌復(fù)合材料: SiC-: SiC-硼硅玻璃硼硅玻璃纖維纖維 二、陶瓷基復(fù)合材料特點(diǎn)及應(yīng)用 高強(qiáng)度、高模量、良好的韌性。高強(qiáng)度、高模量、良好的韌性。 低低密度、耐高溫、耐磨、耐蝕。密度、耐高溫、耐磨、耐蝕。 用于制造高速切削工具和內(nèi)燃機(jī)部件。用于制造高速切削工具和內(nèi)燃機(jī)部件。 作為高溫材料和耐磨、耐蝕材料。作為高溫材料和耐磨、耐蝕材料。 如如大功率內(nèi)燃機(jī)的增壓渦輪、航空航天大功率內(nèi)燃機(jī)的增壓渦輪、航

22、空航天器的熱部件。器的熱部件。 代代替金屬制造車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、石油化工容替金屬制造車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設(shè)備等。器、廢物垃圾焚燒處理設(shè)備等。6.3.3 6.3.3 碳基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料 一、組成及特點(diǎn) 碳纖維及其制品碳纖維及其制品( (如碳?xì)秩缣細(xì)? )增強(qiáng)的碳基復(fù)合增強(qiáng)的碳基復(fù)合材料。材料。 具有許多碳和石墨的特點(diǎn)，如密度小、具有許多碳和石墨的特點(diǎn)，如密度小、導(dǎo)熱性高、膨脹系數(shù)低以及對(duì)熱沖擊不敏感；導(dǎo)熱性高、膨脹系數(shù)低以及對(duì)熱沖擊不敏感； 具有優(yōu)越的機(jī)械性能：強(qiáng)度和沖擊韌性具有優(yōu)越的機(jī)械性能：強(qiáng)度和沖擊韌性比石墨高比石墨高5 51010倍，比強(qiáng)度非常高；隨溫度升倍，比強(qiáng)度

23、非常高；隨溫度升高強(qiáng)度升高；斷裂韌性高、蠕變低；高強(qiáng)度升高；斷裂韌性高、蠕變低； 化學(xué)穩(wěn)定性高，耐磨性極好，是耐溫最化學(xué)穩(wěn)定性高，耐磨性極好，是耐溫最高的高溫復(fù)合材料（達(dá)高的高溫復(fù)合材料（達(dá)28002800）。）。 二、碳基復(fù)合材料應(yīng)用 主要用于航空航天、軍事和生物醫(yī)學(xué)主要用于航空航天、軍事和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域等領(lǐng)域, , 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、導(dǎo)向器、密封航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、導(dǎo)向器、密封片及擋聲板、飛機(jī)剎車盤(pán)片及擋聲板、飛機(jī)剎車盤(pán) 導(dǎo)彈彈頭、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管導(dǎo)彈彈頭、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管 賽車和摩托車剎車系統(tǒng)賽車和摩托車剎車系統(tǒng) 人體骨骼替代材料人體骨骼替代材料6.46.4 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材

24、料 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料克服了聚合物基復(fù)合材克服了聚合物基復(fù)合材料彈性模量低、耐熱度低、易老化的缺點(diǎn)。料彈性模量低、耐熱度低、易老化的缺點(diǎn)。 金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)相的種類、形態(tài)金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)相的種類、形態(tài)分類和按金屬基體類型分類。分類和按金屬基體類型分類。 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 以金屬及其合金以金屬及其合金為基體，用一種或幾種金屬或非金為基體，用一種或幾種金屬或非金屬增強(qiáng)的復(fù)合材料。屬增強(qiáng)的復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料分類金屬基復(fù)合材料分類材料材料 硼纖維硼纖維 增強(qiáng)鋁增強(qiáng)鋁 CVD 碳化硅碳化硅 增強(qiáng)鋁增強(qiáng)鋁 碳纖維碳纖維 增強(qiáng)鋁增強(qiáng)鋁 碳化硅碳化硅 晶須晶須 增強(qiáng)鋁增強(qiáng)鋁

25、 碳化硅碳化硅 顆粒顆粒 增強(qiáng)鋁增強(qiáng)鋁 增強(qiáng)相增強(qiáng)相 體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)/% 50 50 35 1820 20 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 /MPa 12001500 13001500 500800 500620 400510 拉伸模量拉伸模量 /GPa 200 220 210 230 100150 96 138 110 密度密度 /103kgm-32.6 2.853.0 2.4 2.8 2.8 幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能6.4.1 6.4.1 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（金屬陶瓷）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（金屬陶瓷） 一、組成 金屬陶瓷是金屬基體（通常為鈦、鎳、金屬陶瓷是金屬基體（通常為鈦、

26、鎳、鈷、鉻等及其合金）和陶瓷（通常為氧化物、鈷、鉻等及其合金）和陶瓷（通常為氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等碳化物、硼化物和氮化物等) )組成的顆粒增組成的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。強(qiáng)復(fù)合材料。 二、性能及應(yīng)用 氧化物金屬陶瓷氧化物金屬陶瓷 多以鈷或鎳作為粘接金屬，熱穩(wěn)定性多以鈷或鎳作為粘接金屬，熱穩(wěn)定性和抗氧化能力較好和抗氧化能力較好, , 韌性高。韌性高。 做高速切削工具材料，高溫下工作的做高速切削工具材料，高溫下工作的耐磨件耐磨件, , 如噴嘴、熱拉絲模以及機(jī)械密封如噴嘴、熱拉絲模以及機(jī)械密封環(huán)等。環(huán)等。 碳化物金屬陶瓷碳化物金屬陶瓷 應(yīng)用最廣泛的金屬陶瓷。應(yīng)用最廣泛的金屬陶瓷。 通常以通常以C

27、oCo或或NiNi作金屬粘接劑。作金屬粘接劑。 根據(jù)金屬含量不同可作耐熱結(jié)構(gòu)材料或根據(jù)金屬含量不同可作耐熱結(jié)構(gòu)材料或工具材料。工具材料。 碳化物金屬陶瓷作工具材料時(shí)，通常被碳化物金屬陶瓷作工具材料時(shí)，通常被稱為硬質(zhì)合金。稱為硬質(zhì)合金。 常見(jiàn)硬質(zhì)合金的牌號(hào)、成分、性能和用途常見(jiàn)硬質(zhì)合金的牌號(hào)、成分、性能和用途 6.4.2 6.4.2 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 基體材料：基體材料：鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金鎳合金。 增強(qiáng)纖維：增強(qiáng)纖維：硼纖維、碳化硅纖維、氧化硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、高強(qiáng)度金屬絲。鋁纖維、高強(qiáng)度金屬絲。 硼纖維、陶瓷纖維、碳纖

28、維等增強(qiáng)相都硼纖維、陶瓷纖維、碳纖維等增強(qiáng)相都是無(wú)機(jī)非金屬材料，密度低、強(qiáng)度和模量高，是無(wú)機(jī)非金屬材料，密度低、強(qiáng)度和模量高，耐高溫性好。耐高溫性好。 這類復(fù)合材料有比強(qiáng)度高、比模量高和這類復(fù)合材料有比強(qiáng)度高、比模量高和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料適合制造：纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料適合制造：航天飛機(jī)主艙骨架支柱、發(fā)動(dòng)機(jī)葉航天飛機(jī)主艙骨架支柱、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、尾翼、空間站結(jié)構(gòu)材料；片、尾翼、空間站結(jié)構(gòu)材料；汽車構(gòu)件、保險(xiǎn)杠、活塞連桿汽車構(gòu)件、保險(xiǎn)杠、活塞連桿自行車車架、體育運(yùn)動(dòng)器械自行車車架、體育運(yùn)動(dòng)器械6.4.3 6.4.3 細(xì)粒和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料細(xì)粒和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 一、組成 基體材料：基體材料：鋁、鎂、和鈦合金鋁、鎂、和鈦合金 增增 強(qiáng)強(qiáng) 相：相：碳化硅、碳化硼、氧化鋁細(xì)碳化硅、碳化硼、氧化鋁細(xì)?；蚓ы毩；蚓ы?典型材料典型材料 SiCSiC增強(qiáng)鋁合金增強(qiáng)鋁合金 細(xì)粒和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是目前細(xì)粒