復(fù)合材料pdfPPT課件

1、2復(fù)合材料的例子飛船穿過(guò)大氣層時(shí)，外殼與大氣層摩擦產(chǎn)生幾千攝氏度的高溫，是什么材料經(jīng)受了這種考驗(yàn)而使飛船安然無(wú)恙呢？(燒蝕材料:玻璃纖維 + 酚醛塑料或環(huán)氧樹(shù)脂）運(yùn)動(dòng)員在撐桿跳項(xiàng)目中使用的撐桿極富彈性，你知道它是用什么材料制成的嗎？（木桿 竹竿 輕質(zhì)合金撐竿 玻璃鋼撐竿 碳纖維撐竿）隱形飛機(jī)為什么能隱形？（雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)吸波復(fù)合材料和夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料）第1頁(yè)/共144頁(yè)3Why study composites?金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料高分子材料易腐蝕、密度大性脆易破裂材料易老化不耐高溫第2頁(yè)/共144頁(yè)4現(xiàn)代科技發(fā)展的要求 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是航天、航空尖端技術(shù)的發(fā)展

2、，對(duì)材料提出了“三高一低”（高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度）、耐腐蝕等多種性能要求 已有的金屬、無(wú)機(jī)非金屬、高分子材料，沒(méi)有哪一種可單獨(dú)表現(xiàn)出多方面的優(yōu)異性能 這種對(duì)材料高性能的多方面要求促進(jìn)了將三者聯(lián)合起來(lái)彼此揚(yáng)長(zhǎng)避短的復(fù)合材料的發(fā)展第3頁(yè)/共144頁(yè)5復(fù)合材料應(yīng)用例1：飛船宇宙飛行時(shí)，外壁溫度為零下110，返回地面時(shí)外表溫度可達(dá)4000，合金鋼2000即熔化，目前沒(méi)有任一種單一材料可抵抗此溫度美國(guó)航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”外表覆蓋了可重復(fù)使用的聚合物基復(fù)合材料隔熱瓦片30757塊，成功解決了此難題例2：宇宙飛行器上的雷達(dá)天線，稱(chēng)為“飛行器眼睛”。為降低信號(hào)損失，對(duì)其尺寸穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求：變形小

3、于萬(wàn)分之一，重量輕、強(qiáng)度高，工作環(huán)境卻非常惡劣：發(fā)射加速度沖擊與振動(dòng)，-20070高模量碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料幾乎為唯一滿足要求的材料例3：美國(guó)MX導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)由碳纖維/環(huán)氧纏繞殼體取代鈦合金， CFWRP的比重僅為合金鋼的1/5，導(dǎo)彈射程由1千公里增至4千公里第4頁(yè)/共144頁(yè)例5:AV-88 Harrier世界上第一種實(shí)用型垂直/短距起落飛機(jī)例6：商用波音757視頻6第5頁(yè)/共144頁(yè)7第一節(jié) 復(fù)合材料概述第二節(jié) 復(fù)合材料的復(fù)合理論第三節(jié) 常用復(fù)合材料第六節(jié) 復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)講授內(nèi)容一、復(fù)合材料的涵義二、復(fù)合材料的分類(lèi)三、復(fù)合材料的命名四、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)一、增強(qiáng)機(jī)制二、增韌機(jī)制一、纖

4、維增強(qiáng)型復(fù)合材料二、顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料三、疊層復(fù)合材料第四節(jié) 功能復(fù)合材料第五節(jié) 復(fù)合材料應(yīng)用概況第6頁(yè)/共144頁(yè)8第一節(jié) 復(fù)合材料概述木質(zhì)素纖維素95%片狀文石5%蛋白質(zhì)一多糖膠原蛋白磷灰石泥土樹(shù)枝第7頁(yè)/共144頁(yè)9一、復(fù)合材料的涵義.flv由兩種或更多種物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成的一種多相固體材料第8頁(yè)/共144頁(yè)復(fù)合材料的相組成基體材料或連續(xù)相，把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體并傳遞應(yīng)力增強(qiáng)材料、增強(qiáng)劑或分散相，以纖維、顆?；虬迤男问椒植加诨w相中承受應(yīng)力，顯示功能10基體相增強(qiáng)相復(fù)合材料第9頁(yè)/共144頁(yè)混凝土玻璃鋼環(huán)氧樹(shù)脂： 粘結(jié)作用-基體相或基體材料玻璃纖維：

5、承受載荷-增強(qiáng)相或增強(qiáng)材料基體相：水泥增強(qiáng)相：沙子、卵石11第10頁(yè)/共144頁(yè)12復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)1）不僅保留了原組成材料的特色，而且通過(guò)各組分性能的互相補(bǔ)充和關(guān)聯(lián)可以獲得原組分所沒(méi)有的新的優(yōu)越性能例：在一些塑料中加入玻璃纖維及無(wú)機(jī)填料提高強(qiáng)度、剛性、耐熱性，同時(shí)又發(fā)揮塑料的輕質(zhì)、易成型等特性；添加碳黑使塑料具有導(dǎo)電性，添加鐵氧體粉末使塑料具有磁性2）可按照構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和受力要求，給出預(yù)定的、分布合理的配套性能，進(jìn)行材料的最佳設(shè)計(jì)例：定向纖維復(fù)合材料若使構(gòu)件的纖維與所受外力一致時(shí)，便可使構(gòu)件在此方向上的強(qiáng)度大大提高3）可以獲得單一材料無(wú)法具備的電、聲、磁等特殊的功能第11頁(yè)/共144頁(yè)13二、復(fù)

6、合材料的分類(lèi)樹(shù)脂基按基體材料的種類(lèi)按增強(qiáng)材料的形態(tài)按復(fù)合材料的使用性能金屬基陶瓷基纖維增強(qiáng)顆粒增強(qiáng)疊層(層狀)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)功能第12頁(yè)/共144頁(yè)14 如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、碳化鈦等基體材料(1) 樹(shù)脂材料 以合成樹(shù)脂為主：較高的力學(xué)性能、介電性能、耐熱性能、耐老化性能、良好的工藝性能 酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂 最近發(fā)展的新型的 熱固性樹(shù)脂（如鄰二甲酸二丙烯酯樹(shù)脂、聚二苯醚樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂）和 熱塑性樹(shù)脂（如聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、 ABS等）(2) 金屬材料 鋁、銅、鈦、鎂及高溫合金等 鋁基材料：研究最多、發(fā)展最快、技術(shù)較成熟、應(yīng)用較廣(3) 陶瓷材料 氧化物陶瓷、碳

7、化物陶瓷、氮化物陶瓷第13頁(yè)/共144頁(yè)15增強(qiáng)材料 在復(fù)合材料中，凡能提高基體力學(xué)性能的材料均可稱(chēng)為增強(qiáng)材料，它是提高結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的關(guān)鍵組分 按形態(tài)可分為纖維狀、顆粒狀和層狀增強(qiáng)材料第14頁(yè)/共144頁(yè)16三、復(fù)合材料的命名1以基體材料為主命名：如金屬基復(fù)合材料2以增強(qiáng)材料為主命名：如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3基體和增強(qiáng)材料并用：常指某一具體復(fù)合材料，一般增強(qiáng)材料名稱(chēng)在前，基體材料名稱(chēng)在后。如碳纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料（C/Al復(fù)合材料）4商業(yè)名稱(chēng)命名：如玻璃鋼第15頁(yè)/共144頁(yè)17四、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)1比強(qiáng)度和比模量高2抗疲勞性能好3良好的減振性能4良好的高溫性能5斷裂安全性能好減摩性、耐蝕性

8、較好，并且成型工藝簡(jiǎn)單，可用模具依次成型制成各種構(gòu)件，材料利用率高第16頁(yè)/共144頁(yè)181比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個(gè)指標(biāo)。比強(qiáng)度越高，同一零件的自重越?。槐饶Ａ吭礁?，零件的剛性越大。第17頁(yè)/共144頁(yè)192抗疲勞性能好復(fù)合材料對(duì)缺口、應(yīng)力集中敏感性小，特別是纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料，基體良好的強(qiáng)韌性降低了裂紋擴(kuò)展速度，大量的增強(qiáng)纖維對(duì)裂紋又有阻隔作用，阻止疲勞裂紋擴(kuò)展并改變裂紋擴(kuò)展方向，因此具有較高的疲勞極限。第18頁(yè)/共144頁(yè)20尤其是碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的疲勞性能更好。（碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的疲勞極限是其抗拉強(qiáng)度的70%-80%，而金屬材料只有40%-

9、50%）碳纖維自身的疲勞抗力高環(huán)氧樹(shù)脂基體的塑性好增強(qiáng)相與基體間的界面有效地減緩了疲勞裂紋擴(kuò)展原因第19頁(yè)/共144頁(yè)213良好的減振性能復(fù)合材料的比模量高，可以較大程度地避免構(gòu)件在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振纖維與基體界面有吸收振動(dòng)能量的作用，阻尼特性好，使振動(dòng)很快地衰減下來(lái)在精密控制和精密檢測(cè)儀器方面得到廣泛應(yīng)用第20頁(yè)/共144頁(yè)224良好的高溫性能復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的熔點(diǎn)都較高，其中增強(qiáng)纖維的熔點(diǎn)一般都在2000以上，而且在高溫條件下仍然保持較高的強(qiáng)度，故用它們?cè)鰪?qiáng)的復(fù)合材料具有較高的高溫強(qiáng)度和彈性模量。高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料：200300金屬基復(fù)合材料：300500陶瓷基復(fù)合材料：1000以上。

10、鋁 合 金 在 4 0 0 時(shí) 強(qiáng) 度 由 500MN/m2 降 到 3 0 50MN/m2，彈性模量幾乎為零，當(dāng)用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)后，在此溫度強(qiáng)度和彈性模量基本上與室溫相同。第21頁(yè)/共144頁(yè)235斷裂安全性能好纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中存在大量相對(duì)獨(dú)立的纖維，與塑韌性基體結(jié)合成一個(gè)整體。當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件由于過(guò)載或其他原因而部分纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)重新分配到未斷裂的增強(qiáng)纖維上，避免結(jié)構(gòu)在很短的時(shí)間內(nèi)突然破壞，從而使構(gòu)件喪失承載能力的過(guò)程延長(zhǎng)。（藕斷絲連）第22頁(yè)/共144頁(yè)24第二節(jié) 復(fù)合材料的復(fù)合理論增強(qiáng)：纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基和纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料增韌：纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料第23頁(yè)/共144頁(yè)25一

11、、復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制1纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：由高強(qiáng)度、高彈性模量的脆性纖維作增強(qiáng)體與韌性基體（樹(shù)脂、金屬）或脆性基體（陶瓷）經(jīng)一定工藝復(fù)合而成的多相材料。特點(diǎn)：強(qiáng)度和彈性模量主要由纖維的強(qiáng)度、彈性模量和體積分?jǐn)?shù)決定，并隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而呈線性增加。力學(xué)性能取決于纖維和基體的性能，纖維的體積分?jǐn)?shù)，纖維與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度，還與纖維的排列、分布方式、斷裂形式有關(guān)。第24頁(yè)/共144頁(yè)26纖維增強(qiáng)機(jī)理1 ）脆性纖維直徑細(xì)小，而使產(chǎn)生裂紋的幾率降低，有利于纖維脆性的改善和強(qiáng)度的提高。2 ）纖維處于基體之中，彼此隔離，纖維表面 受到基體的保護(hù)作用 ，不易遭受損傷，不易在承載過(guò)程

12、中產(chǎn)生裂紋，使承載能力增強(qiáng)。3 ）復(fù)合材料受到較大應(yīng)力時(shí)，一些有裂紋的纖維可能斷裂，但塑性好和韌性好的基體能阻止裂紋擴(kuò)張。4 ）斷裂時(shí)，斷口不可能在一個(gè)平面上，若要使整體斷裂，必然有許多根纖維從基體中被撥出，必須克服基體對(duì)纖維的粘結(jié)力以及基體與纖維之間的摩擦力，從而使材料的抗拉強(qiáng)度、斷裂韌度大大提高。鎢纖維銅基復(fù)合材料中的裂紋在銅中擴(kuò)展受阻碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料斷裂時(shí)，纖維斷口不在一個(gè)平面上第25頁(yè)/共144頁(yè)27纖維增強(qiáng)遵循的原則（1）增強(qiáng)纖維要選用強(qiáng)度和彈性模量均高于基體的纖維。因?yàn)樵鰪?qiáng)纖維的彈性模量E越高，在同樣應(yīng)變量的條件下，按照虎克定律（E），所受應(yīng)力越大，這樣材料充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)

13、作用，保證復(fù)合材料中承受載荷的材料是增強(qiáng)纖維第26頁(yè)/共144頁(yè)28纖維增強(qiáng)遵循的原則（2）纖維和基體之間要有一定的粘結(jié)作用和適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強(qiáng)度，以保證基體所受的應(yīng)力能通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維。結(jié)合強(qiáng)度小，界面很難傳遞載荷，纖維無(wú)法發(fā)揮主要承受載荷的作用。結(jié)合強(qiáng)度過(guò)大使纖維拔出消耗能量過(guò)程消失，降低強(qiáng)度并導(dǎo)致危險(xiǎn)的脆性斷裂 。第27頁(yè)/共144頁(yè)29纖維增強(qiáng)遵循的原則（3）纖維應(yīng)有合理的含量、尺寸和排列。復(fù)合材料中纖維含量越高，抗拉強(qiáng)度、彈性模量越大。纖維直徑對(duì)其強(qiáng)度有較大影響，纖維越細(xì)，則材料缺陷越小，強(qiáng)度越高；同時(shí)細(xì)纖維的比表面積大，有利于增強(qiáng)與基體的結(jié)合力。纖維越長(zhǎng)，對(duì)增強(qiáng)越有利。連續(xù)纖維比短切纖

14、維的增強(qiáng)效果好得多。纖維的排列方向應(yīng)符合構(gòu)件的受力要求。由于纖維的縱向比橫向的抗拉強(qiáng)度高幾十倍，應(yīng)盡量使纖維的排列方向平行于應(yīng)力作用方向。受力比較復(fù)雜時(shí)，纖維可以采用不同方向交叉層疊排列，以使之沿幾個(gè)不同方向產(chǎn)生增強(qiáng)效果。第28頁(yè)/共144頁(yè)30纖維增強(qiáng)遵循的原則（4）纖維與基體的熱膨脹系數(shù)應(yīng)匹配，不能相差過(guò)大，否則會(huì)在熱脹冷縮過(guò)程中引起纖維和基體結(jié)合強(qiáng)度降低。韌性較低的基體，纖維的線膨脹系數(shù)基體的線膨脹系數(shù)；韌性較高的基體，纖維的線膨脹系數(shù)基體的線膨脹系數(shù)。第29頁(yè)/共144頁(yè)31纖維增強(qiáng)遵循的原則（5）纖維與基體之間要有良好的相容性。在高溫作用下纖維與基體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，基體對(duì)纖維不產(chǎn)

15、生腐蝕和損傷作用。第30頁(yè)/共144頁(yè)32纖維增強(qiáng)必須考慮以下因素 使纖維盡可能多地承擔(dān)外加載荷，盡量選擇強(qiáng)度與彈性模量比基體高的纖維。原因：在受力情況下，當(dāng)基體與纖維應(yīng)變相同時(shí)，它們所承受應(yīng)力之比等于兩者彈性模量之比，彈性模量大，則承載能力大。 構(gòu)件所受應(yīng)力的方向要與纖維平行，才能最大地發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度必須適當(dāng)，以保證基體中承受的應(yīng)力能順利地傳遞到纖維上面。如果兩者結(jié)合強(qiáng)度為零，則纖維毫無(wú)作用，整個(gè)強(qiáng)度反而降低；如果兩者結(jié)合太強(qiáng)，在斷裂過(guò)程中就沒(méi)有纖維自基體中拔出這一吸收能量的過(guò)程，以致受力增大時(shí)出現(xiàn)整個(gè)構(gòu)件的脆性斷裂。第31頁(yè)/共144頁(yè)332顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)

16、機(jī)制彌散增強(qiáng)復(fù)合材料：粒子直徑為10100nm，體積分?jǐn)?shù)約115純顆粒（真正顆粒）增強(qiáng)復(fù)合材料：粒子直徑為1 50 m，體積分?jǐn)?shù)大于20第32頁(yè)/共144頁(yè)34顆粒增強(qiáng)遵循的原則顆粒應(yīng)高度均勻彌散分布在基體中。顆粒大小應(yīng)適當(dāng)。一般幾微米到幾十微米，過(guò)大易裂，過(guò)小起不到強(qiáng)化作用。顆粒的體積含量應(yīng)在20以上，否則達(dá)不到強(qiáng)化效果。顆粒與基體之間有一定的結(jié)合強(qiáng)度。第33頁(yè)/共144頁(yè)351）彌散增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制基體仍是承受載荷的主體增強(qiáng)材料主要是金屬氧化物、碳化物和硼化物，如Al2O3、TiC、SiC等在承受載荷時(shí)，彌散均勻分布的增強(qiáng)粒子將阻礙導(dǎo)致基體塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(金屬基)或分子鏈運(yùn)動(dòng)(高

17、聚物基)粒子尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化效果越好第34頁(yè)/共144頁(yè)362）純顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制用金屬或高分子聚合物把具有耐熱性、硬度高但不耐沖擊的金屬氧化物、碳化物、氮化物粘結(jié)在一起而形成的材料。具有基體材料脆性小、耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)，又具有陶瓷的高硬度及高耐熱性。顆粒借助于限制顆粒鄰近基體的運(yùn)動(dòng)，約束基體的變形來(lái)達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。復(fù)合材料所受載荷并非完全由基體承擔(dān)，增強(qiáng)顆粒也承受部分載荷。顆粒與基體間的結(jié)合力越大，增強(qiáng)的效果越明顯。性能與增強(qiáng)顆粒和基體的比例密切相關(guān)。第35頁(yè)/共144頁(yè)37二、復(fù)合材料的增韌機(jī)制1纖維增韌由于定向或無(wú)序排布的纖維的加入，陶瓷基復(fù)合材料的韌度顯著提高。1

18、）單向排布長(zhǎng)纖維增韌單向排布纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有各向異性，沿纖維長(zhǎng)度方向上的縱向性能大大高于橫向性能。韌度的提高來(lái)自：纖維撥出纖維斷裂裂紋轉(zhuǎn)向第36頁(yè)/共144頁(yè)382）多維多向排布長(zhǎng)纖維增韌原因：許多陶瓷構(gòu)件要求在二維及三維方向上均要求高性能兩種排布方式：1)2)1)將纖維編織成纖維布，這種材料在纖維排布平面的二維方向上性能優(yōu)越，而在垂直于纖維排布面的方向上性能較差。一般應(yīng)用于要求二維方向上均有較高性能的構(gòu)件上。2)纖維分層單向排布，層間纖維成一定角度。韌化機(jī)理：纖維斷裂、纖維撥出與裂紋轉(zhuǎn)向。第37頁(yè)/共144頁(yè)3）短纖維增韌制備工藝簡(jiǎn)單。只需將長(zhǎng)纖維剪短（3mm），然后分散并與基體粉

19、料混合均勻，再用熱壓燒結(jié)的方法制得復(fù)合材料。短纖維增強(qiáng)體在與原料混合時(shí)，取向是隨機(jī)的，但在受壓成形時(shí)，短纖維將沿壓力方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在最終制成的復(fù)合材料中，短纖維沿加壓面擇優(yōu)取向，因而產(chǎn)生性能上的各向異性。沿加壓面方向的性能優(yōu)于垂直加壓面方向上的性能。韌性提高來(lái)自纖維拔出、纖維斷裂及裂紋轉(zhuǎn)向。碳纖維增韌玻璃陶瓷復(fù)合材料中的纖維分布碳纖維增強(qiáng)Pyrex玻璃復(fù)合材料中的纖維定向排列39第38頁(yè)/共144頁(yè)404）晶須增韌晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制提高韌性與纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料類(lèi)似，界面結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)適宜晶須拔出橋連的SEM照片裂紋轉(zhuǎn)向的SEM照片第39頁(yè)/共144頁(yè)412顆粒增韌相變?cè)鲰g、裂紋轉(zhuǎn)向與分

20、叉增韌1）相變?cè)鲰g氧化鋯增韌陶瓷氧化鋯在一定溫度和應(yīng)力場(chǎng)作用下，亞穩(wěn)定四方氧化鋯（t-ZrO2）顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嘌趸啠╩-ZrO2）。伴隨著這種相變有35的體積膨脹，因而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而抵消外加應(yīng)力，阻止裂紋擴(kuò)展，達(dá)到增韌目的。第40頁(yè)/共144頁(yè)422）裂紋轉(zhuǎn)向與分叉增韌裂紋在陶瓷材料中不斷擴(kuò)展，裂紋前沿遇到高強(qiáng)度的顆粒的阻礙，使擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，增加了材料的斷裂韌度，達(dá)到了增韌的目的。第41頁(yè)/共144頁(yè)43第三節(jié) 常用復(fù)合材料一、纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料二、顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料三、疊層復(fù)合材料第42頁(yè)/共144頁(yè)44一、纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料1纖維增強(qiáng)材料2纖維樹(shù)脂復(fù)合材料3纖維金屬(或合

21、金)復(fù)合材料4纖維陶瓷復(fù)合材料第43頁(yè)/共144頁(yè)451.纖維增強(qiáng)材料纖維增強(qiáng)材料按化學(xué)特征可分為有機(jī)纖維和無(wú)機(jī)纖維兩大類(lèi)，它決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量等主要力學(xué)性能。A.B.C.D.E.F.G.玻璃纖維碳纖維硼纖維陶瓷纖維金屬纖維新型合成纖維新型晶須第44頁(yè)/共144頁(yè)46(1)玻璃纖維將熔化的玻璃以極快的冷卻速度拉成細(xì)絲(其直徑大多在3-20m之間)而制得。按玻璃纖維中Na2O和K2O含量的不同，可分為無(wú)堿纖維(含堿量2) 、中堿纖維(含堿量212)、高堿纖維(含堿量12)。隨含堿量增加，玻璃纖維強(qiáng)度、絕緣性、耐腐蝕性能降低，因此高強(qiáng)度玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多用無(wú)堿玻璃纖維。第45頁(yè)/共

22、144頁(yè)47玻璃纖維的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)10003000MN/m2；彈 性 模 量 為 3 5 1 0 4 MN/m2； 密 度 小 ， 為 2 . 5 2.7103kg/m3，與鋁相近，是鋼的1/3；比強(qiáng)度和比模量較高；化學(xué)穩(wěn)定性好；不吸水；不燃燒；尺寸穩(wěn)定；隔熱；吸音；絕緣等。缺點(diǎn): 脆性大；表面光滑；耐熱性低，250以上開(kāi)始軟化。價(jià)格便宜，制作方便，廣泛應(yīng)用玻璃纖維繩第46頁(yè)/共144頁(yè)無(wú)堿玻璃纖維E-玻璃纖維高強(qiáng)度玻璃纖維S-玻璃纖維wSiO2=53.5%wAl2O3=15.3%wB2O3=10%wCaO=16.3%wMgO=4.5%wSiO2=64.3%wAl2O3=24

23、.8%wMgO=10.27%wNa2O=0.27%抗拉強(qiáng)度3500MPa彈性模量29MPa3相對(duì)密度2.54g/cm抗拉強(qiáng)度4600MPa彈性模量35MPa3相對(duì)密度2.48g/cm電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐濕性好，是符合一般應(yīng)用玻璃鋼的增強(qiáng)材料主要用于高性能玻璃鋼48第47頁(yè)/共144頁(yè)(2)碳纖維和石墨纖維視頻將人造纖維在200300空氣中加熱并施加一定張力進(jìn)行預(yù)氧化處理，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，在10001500的高溫下進(jìn)行碳化處理而制得。其含碳量可達(dá)8595。由于它具有高強(qiáng)度，而稱(chēng)之為高強(qiáng)度碳纖維，也稱(chēng)型碳纖維。將碳纖維在25003000的高溫下進(jìn)行石墨化處理，這種碳纖維中石墨晶體的層面有規(guī)

24、則地沿纖維方向排列，具有高的彈性模量，又稱(chēng)石墨纖維，也稱(chēng)型碳纖維。碳纖維繩49第48頁(yè)/共144頁(yè)50碳纖維和石墨纖維的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：密度小(1.332.0103kg/m3)；彈性模量高(2.8 4 10 5 MN/m2)；高溫和低溫性能好，在1500以上惰性氣體中強(qiáng)度不變，在-180下脆性增加；導(dǎo)電性好。還具有耐磨，耐化學(xué)腐蝕，熱膨脹低，比強(qiáng)度和比模量?jī)?yōu)于其他無(wú)機(jī)纖維，以及纖維的柔曲性和可編性。缺點(diǎn)：脆性大；易氧化；與基體結(jié)合力差。是先進(jìn)復(fù)合材料最常用的，也是最重要的增強(qiáng)材料。第49頁(yè)/共144頁(yè)抗拉強(qiáng)度MPa彈性模量MPa直徑m相對(duì)密度3g/cm低模量碳纖維280052.0 1061.74高強(qiáng)

25、度碳纖維350052.3 1071.76高模量碳纖維250053.8 1071.81石墨纖維2000061.0 100.52.52.2551碳纖維的性能第50頁(yè)/共144頁(yè)52 生產(chǎn)碳纖維的主要原料：粘膠纖維、瀝青纖維、聚丙烯腈基纖維等，其中聚丙烯腈基纖維是目前和未來(lái)發(fā)展高性能纖維的主要品種。現(xiàn)已在各種飛機(jī)上得到應(yīng)用。 目前工業(yè)上廣泛采用的碳纖維的生產(chǎn)方法： 是用聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或?yàn)r青纖維在隔絕空氣和水分的情況下，加熱至1300 使之分解碳化而制得。 若繼續(xù)加熱至2000 ，還可形成石墨纖維。第51頁(yè)/共144頁(yè)53(3)硼纖維用化學(xué)沉積法將非晶態(tài)硼涂敷到鎢絲或碳絲上而制得優(yōu)點(diǎn)：具有高熔

26、點(diǎn)(2300)、高強(qiáng)度(2450-2750MN/m2)、高彈性模量(3.8-4.9105 MN/m2)；在無(wú)氧化條件下1000時(shí)其模量不變；具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性。缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，且纖維直徑較粗。在復(fù)合材料中的應(yīng)用不如玻璃纖維和碳纖維廣泛。第52頁(yè)/共144頁(yè)54(4)陶瓷纖維屬無(wú)機(jī)纖維，具有耐高溫、抗氧化、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。主要有氧化鋁纖維、氮化硼纖維、氮化硅纖維、碳化硅纖維、氧化鋯纖維。第53頁(yè)/共144頁(yè)55碳化硅纖維:具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度 ( 平均抗拉強(qiáng)度達(dá) 3090MN/m2)、高彈性模量 (1.96105 MN/m2)。優(yōu)點(diǎn)：具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，在1100時(shí)其強(qiáng)度仍

27、高達(dá)2100 MN/m2?？寡趸院茫€具有耐輻射和吸波性能。主要用于增強(qiáng)金屬陶瓷。氧化鋁纖維:強(qiáng)度高、彈性模量高、耐熱性好，可用于1400 的高溫環(huán)境下，因此多用于高溫結(jié)構(gòu)材料，特別是航空航天領(lǐng)域。第54頁(yè)/共144頁(yè)56(5)Kevlar有機(jī)纖維又稱(chēng)芳綸、聚芳酰胺纖維。主要由對(duì)苯二胺和對(duì)苯甲酰氯縮聚制得。優(yōu)點(diǎn)：比強(qiáng)度、比模量高；強(qiáng)度為2800 3700MN/m2；密度小，為1.45103kg/m3；耐熱性比玻璃纖維好，能在 290 長(zhǎng)期使用；還具有優(yōu)良的抗疲勞性、耐腐蝕性、絕緣性和加工性，且價(jià)格便宜。主 要 種 類(lèi) 有 Kevlar，Kevlar9，Kevlar49及我國(guó)的芳綸纖維。第55

28、頁(yè)/共144頁(yè)57(6)晶須即纖維狀晶體，是新型高強(qiáng)度增強(qiáng)材料，直徑小于30m，為針狀單晶體，長(zhǎng)度約幾毫米?；旧鲜峭暾膯尉?，斷面呈多角形，抗拉強(qiáng)度可達(dá) 1.9 2.8103MN/m2，彈性模量達(dá)3.926.86105MN/m2，為高強(qiáng)度材料。包括金屬晶須和陶瓷晶須兩類(lèi)。陶瓷晶須兼?zhèn)鋸?qiáng)度高、比重小、彈性模量高、耐熱性好等特點(diǎn)主要晶須材料有氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、氮化硅等。新型晶須有硼酸鋁晶須（強(qiáng)度和彈性模量與碳化硅相當(dāng)，熱膨脹系數(shù)小，耐磨性好，而且價(jià)格低廉）、鈦酸鉀晶須、氧化鋅晶須等。第56頁(yè)/共144頁(yè)58(7)金屬纖維主要有鎢、鉬、鋼、不銹鋼、鈦、銣、鋁、鎂等鎢、鉬等高熔點(diǎn)金屬纖維、不銹

29、鋼及高強(qiáng)度鈹纖維引人注目。第57頁(yè)/共144頁(yè)592纖維樹(shù)脂復(fù)合材料熱固性樹(shù)脂 ： 酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等。熱塑性樹(shù)脂 ： 聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS樹(shù)脂等。第58頁(yè)/共144頁(yè)60(1)玻璃纖維樹(shù)脂復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)塑料通常稱(chēng)為玻璃鋼，是應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料。種類(lèi)：熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼。第59頁(yè)/共144頁(yè)61(a)熱塑性玻璃鋼由2040的玻璃纖維和6080的基體材料 (如尼龍、ABS等) 組成。具有高強(qiáng)度和高沖擊韌性、良好的低溫性能及低熱膨脹系數(shù)。第60頁(yè)/共144頁(yè)熱塑性玻璃鋼 通過(guò)玻璃纖維的增強(qiáng)作用，可使強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度提高

30、23倍、沖擊韌度提高24倍、蠕變能力提高25倍。例如：尼龍66玻璃鋼強(qiáng)度高、減摩性好，常用于軸承、軸承架、齒輪等精密件，汽車(chē)儀表、前后燈等。 ABS玻璃鋼用于化工裝置、管道、容器等。聚苯乙烯玻璃鋼 用于汽車(chē)內(nèi)裝、空調(diào)葉片、收音機(jī)機(jī)殼等。62第61頁(yè)/共144頁(yè)63(b)熱固性玻璃鋼由6070的玻璃纖維(或玻璃布)和3040的基體材料(如環(huán)氧、聚酯等)組成。優(yōu)點(diǎn)：密度小、強(qiáng)度高，比強(qiáng)度超過(guò)一般高強(qiáng)度鋼和鋁合金、鈦合金，耐磨性、絕緣性和絕熱性好、吸水性低、防磁、微波穿透性好、易于加工成型。缺點(diǎn)：彈性模量低，只有結(jié)構(gòu)鋼的1/5l/10，剛性差，耐熱性比熱塑性玻璃鋼好但不夠高，只能在300以下工作。第

31、62頁(yè)/共144頁(yè)64(2)碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料組成：碳纖維與聚酯、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹(shù)脂。優(yōu)點(diǎn)：性能優(yōu)于玻璃鋼，具有密度小，強(qiáng)度高，彈性模量高，比強(qiáng)度和比模量高，并具有優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能，良好的自潤(rùn)滑性、減摩性、耐磨性、耐蝕性和耐熱性。缺點(diǎn)：碳纖維與基體的結(jié)合力低，各向異性嚴(yán)重。應(yīng)用：主要用于航空、航天、機(jī)械制造、汽車(chē)工業(yè)及化學(xué)工業(yè)中。第63頁(yè)/共144頁(yè)65(3)硼纖維樹(shù)脂復(fù)合材料組成：由硼纖維和環(huán)氧、聚酰亞胺等樹(shù)脂組成。優(yōu)點(diǎn)：具有高的比強(qiáng)度和比模量，良好的耐熱性。如硼纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料其彈性模量分別為鋁、鈦合金的三倍和兩倍，比模量則為鋁、鈦合金的四倍。缺點(diǎn)：各向異性明顯，

32、加工困難，成本太高。用途：主要用于航空、航天工業(yè)。第64頁(yè)/共144頁(yè)66(4)碳化硅纖維樹(shù)脂復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)：具有高的比強(qiáng)度和比模量，抗拉強(qiáng)度接近碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，而抗壓強(qiáng)度為其兩倍。用途：主要用于航空、航天工業(yè)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料噴管第65頁(yè)/共144頁(yè)67(5)Kevlar有機(jī)纖維樹(shù)脂復(fù)合材料組成：Kevlar有機(jī)纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹(shù)脂。最常用的是Kevlar纖維與環(huán)氧樹(shù)脂組成的復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度較高，與碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料相似；延展性好，與金屬相當(dāng)；耐沖擊性超過(guò)碳纖維增強(qiáng)塑料；有優(yōu)良的疲勞抗力和減震性，其疲勞抗力高于玻璃鋼和鋁合金，減震能力為鋼的8倍，為玻

33、璃鋼的45倍。用途：飛機(jī)機(jī)身，雷達(dá)天線罩，輕型艦船等。第66頁(yè)/共144頁(yè)683纖維金屬(或合金)復(fù)合材料由高強(qiáng)度、高模量的脆性纖維和具有較好韌性的低屈服強(qiáng)度的金屬或合金組成。常用的纖維有：硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維。常用的基體有鋁及其合金、鈦及其合金、銅及其合金、鎳合金及銀、鉛等。第67頁(yè)/共144頁(yè)69纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（FMMCs）金屬高性能纖維固結(jié)纖維、傳遞載荷FMMCs承受載荷含量一般在30%-50%纖維和基體金屬的類(lèi)型和性能纖維含量與分布纖維與金屬基體間的界面結(jié)構(gòu)制造工藝影響FMMCs性能的因素第68頁(yè)/共144頁(yè)70纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn) 比強(qiáng)度和比模量高、剛性好，

34、其中碳/鋁、碳/鎂復(fù)合材料的比強(qiáng)度比鋁、鈦、鋼高出4倍，比模量高出910倍。 良好的高溫性能 低的熱膨脹系數(shù)和良好的尺寸穩(wěn)定性 良好的疲勞性能和斷裂韌性第69頁(yè)/共144頁(yè)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用 可用于航空航天、軍事武器上的零部件。如：碳/鋁、碳/鎂復(fù)合材料已用于人造衛(wèi)星支架、L頻帶平面天線、空間望遠(yuǎn)鏡、紅外反射鏡等。 由于良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和低熱膨脹性，可用于大功率大規(guī)模集成電路基板。如：碳/鋁復(fù)合材料可用于核潛艇的蓄電池板。 體育器械、紡織、汽車(chē)等民用工業(yè)也廣泛采用了纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。如：用氧化鋁、硅酸鋁短纖維增強(qiáng)鋁合金活塞使發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高5%，壽命提高5倍以上。向陽(yáng)面與背陽(yáng)面溫

35、差260OC71第70頁(yè)/共144頁(yè)72(1)硼纖維鋁(或合金)基復(fù)合材料由硼纖維和純鋁、形變鋁合金、鑄造鋁合金組成。為提高硼的化學(xué)穩(wěn)定性在硼纖維表面涂一層SiC，而稱(chēng)之為改性硼纖維或硼矽克。性能優(yōu)于硼纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，也優(yōu)于鋁合金和鈦合金。優(yōu)點(diǎn)：具有高拉伸模量、高橫向模量、高抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。用途：主要用于制造飛機(jī)或航天器蒙皮、大型壁板等。第71頁(yè)/共144頁(yè)73(2)石墨纖維鋁(或合金)基復(fù)合材料組成：由型碳纖維與純鋁、形變鋁合金、鑄造鋁合金組成。優(yōu)點(diǎn)：具有高的比強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，在500 時(shí)其比強(qiáng)度為鈦合金的1.5倍。用途：主要用于航空、航天工業(yè)。第72頁(yè)/共144頁(yè)74(

36、3)纖維鈦合金基復(fù)合材料組成：由硼纖維、改性硼纖維、碳化硅纖維與鈦合金(Ti-6Al-4V)組成。特點(diǎn)：具有低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高耐熱性、低膨脹系數(shù)，是理想的航空、航天用結(jié)構(gòu)材料。碳化硅、改性硼纖維和Ti-6Al-4V鈦合金組成的復(fù)合材料，其密度為3.6103 kg/m3 ；抗拉強(qiáng)度1.21103 MN/m2；彈性模量2.34105 MN/m2；熱膨脹系數(shù)1.391.7510-6/。第73頁(yè)/共144頁(yè)75(4)纖維銅(或合金)基復(fù)合材料組成：由石墨纖維和銅或銅鎳合金組成。為了增強(qiáng)石墨纖維和基體的結(jié)合強(qiáng)度，常在石墨纖維表面鍍銅或鍍鎳后再鍍銅。優(yōu)點(diǎn)：高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、低的摩擦系數(shù)和高的耐

37、磨性，以及在一定溫度范圍內(nèi)的尺寸穩(wěn)定性。用途：高負(fù)荷滑動(dòng)軸承、集成電路、電刷等。第74頁(yè)/共144頁(yè)764纖維陶瓷復(fù)合材料由碳纖維或石墨纖維與陶瓷組成的復(fù)合材料能大幅度地提高沖擊韌性和防熱、防震性，降低陶瓷的脆性，而陶瓷又能保持碳(或石墨)纖維在高溫下不被氧化，因而具有很高的高溫強(qiáng)度和彈性模量。碳纖維氮化硅復(fù)合材料可在1400溫度下長(zhǎng)期使用，用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片；碳纖維石英陶瓷復(fù)合材料，沖擊韌性比燒結(jié)石英陶瓷大40倍，抗彎強(qiáng)度大512倍，比強(qiáng)度、比模量成倍提高，能承受12001500高溫氣流沖擊。第75頁(yè)/共144頁(yè)77二、顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料增強(qiáng)材料：主要是一些陶瓷材料，如SiC、Al2O3

38、、TiC、Si3N4、BN、石墨等。這些材料具有高強(qiáng)度和彈性模量、耐高溫等特點(diǎn)，是金屬基復(fù)合材料的主要增強(qiáng)體。加入塑料中的填充劑木粉、石棉粉、云母粉，加入橡膠中的碳黑、二氧化硅等都有顯著的增強(qiáng)作用，也可看成是增強(qiáng)顆粒。耐磨陶瓷復(fù)合材料膨脹節(jié)第76頁(yè)/共144頁(yè)1彌散增強(qiáng)復(fù)合材料(d10100nm，Vp115)由尺寸較小的金屬氧化物粒子與金屬組成的。典型代表是SAP復(fù)合材料、ThNi復(fù)合材料。SAP 復(fù)合材料：在鋁基體上用Al2O3 質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行彌散強(qiáng)化的材料。由于彌散相金屬氧化物熔點(diǎn)高、硬而且穩(wěn)定，使該材料高溫力學(xué)性能很好，具有較高的抗蠕變性能，高的高溫屈服強(qiáng)度等。ThNi 復(fù)合材料：在鎳基中加入

39、1 2 Th，在壓緊燒結(jié)時(shí)，使氧擴(kuò)散到金屬鎳內(nèi)部，內(nèi)氧化產(chǎn)生ThO2，細(xì)小的ThO2 質(zhì)點(diǎn)彌散分布在鎳基體中，使其高溫強(qiáng)度顯著提高。 78第77頁(yè)/共144頁(yè)792純顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料(d1m，Vp20)，金屬陶瓷和砂輪。金屬陶瓷是由Ti、Cr、Ni、Co、Mo、Fe等金屬或合金與氧化物(Al2O3，MgO，BeO)粒子或碳化物粒子(TiC、SiC、WC)為基體構(gòu)成的一種復(fù)合材料。其中硬質(zhì)合金是以TiC，WC 為基體，金屬鎳、鈷為粘結(jié)劑形成的復(fù)合材料。優(yōu)點(diǎn)：高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕和膨脹系數(shù)小。用途：制造工具，如硬質(zhì)合金用來(lái)做刀具刃部材料，砂輪做為磨削材料。第78頁(yè)/共144頁(yè)80三、疊層

40、復(fù)合材料兩層或兩層以上不同材料結(jié)合而成。目的：為了將組分層的最佳性能組合起來(lái)，以得到更為有用的材料。用疊層增強(qiáng)法可使復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐蝕性、絕熱性、隔音性、減輕自重等若干性能分別得到改善。第79頁(yè)/共144頁(yè)811雙層金屬?gòu)?fù)合材料將兩種不同性能的金屬，用膠合或熔合鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復(fù)合在一起，以滿足某種性能要求的材料。最簡(jiǎn)單的雙層金屬?gòu)?fù)合材料是將兩塊具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬板膠合起來(lái)，利用它熱脹冷縮的翹曲變形，來(lái)測(cè)量和控制溫度。第80頁(yè)/共144頁(yè)2塑料金屬多層復(fù)合材科SF型三層復(fù)合材料以鋼為基體，燒結(jié)銅網(wǎng)或銅球?yàn)橹虚g層，塑料為表面層的一種自潤(rùn)滑材料。其物理性能和力學(xué)性能

41、取決于基體，而摩擦磨損性能取決于塑料表層。中間層系多孔性青銅，其作用是使三層之間有較強(qiáng)的結(jié)合力，且一旦塑料磨損露出青銅亦不致磨傷軸。常用于表層的塑料為聚四氟乙烯(如SF1型)和聚甲醛(SF2型)。82第81頁(yè)/共144頁(yè)83SF型三層復(fù)合材料的性能常用作無(wú)油潤(rùn)滑軸承，它比單一的塑料提高承載能力20倍，導(dǎo)熱系數(shù)提高50倍，熱膨脹系數(shù)降低75，因而提高了尺寸穩(wěn)定性和耐磨性。適于制作高應(yīng)力(140MN/m2)、高溫(270)及低溫(-195)和無(wú)油潤(rùn)滑條件下的各種滑動(dòng)軸承。第82頁(yè)/共144頁(yè)843夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由兩層薄而強(qiáng)的面板（或稱(chēng)蒙皮），中間夾一層輕而弱的芯子組成面板由抗拉、抗壓強(qiáng)度高，彈性

42、模量大的材料組成，如金屬、玻璃鋼、增強(qiáng)塑料等芯子有實(shí)心的或蜂窩格子的，芯子材料根據(jù)性能要求而定，常用泡沫、塑料、木屑、石棉、金屬箔、玻璃鋼等面板與芯子可用膠粘劑粘結(jié)（金屬材料可用焊接方法連接）第83頁(yè)/共144頁(yè)85夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)密度低、減輕了構(gòu)件自重，有較高的剛度和抗壓穩(wěn)定性，可按需要選擇制作面板、芯子的材料，以得到絕熱、隔聲、絕緣等性能。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能與面板厚度、夾芯的高度、蜂窩格子的大小和夾層的性能等有關(guān)。對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸大，要求強(qiáng)度高，剛度好、耐熱性好的受力構(gòu)件可采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；受力不太大，但要求結(jié)構(gòu)剛度好，尺寸較小的受力構(gòu)件可采用泡沫塑料夾層。用途：已用于飛機(jī)上的天線罩

43、隔板、機(jī)翼以及火車(chē)車(chē)廂、運(yùn)輸容器等。第84頁(yè)/共144頁(yè)86第四節(jié) 功能復(fù)合材料復(fù)合材料中除力學(xué)性能以外，具有良好的其他物理特性（電、磁、光、阻尼、熱、摩擦、聲等）的復(fù)合材料稱(chēng)為功能復(fù)合材料。功能復(fù)合材料是目前的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)第85頁(yè)/共144頁(yè)87功能復(fù)合材料的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)材料相比，具有如下特點(diǎn)： 應(yīng)用面廣 研制周期短 附加值高 小批量、多品種 適用多種用途第86頁(yè)/共144頁(yè)功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則功能復(fù)合材料主要由一種或多種功能體和基體組成。柔韌性磁體：磁粉功能體橡膠和塑料基體黏結(jié)和賦形作用，并同時(shí)改善材料的物理機(jī)械性能88第87頁(yè)/共144頁(yè)89在單一功能體的復(fù)合材料中，

44、其功能性質(zhì)雖然由功能體提供，但基體不僅起到粘結(jié)和賦形作用，同時(shí)也會(huì)對(duì)復(fù)合材料整體的物理性能有影響。第88頁(yè)/共144頁(yè)90多元功能體的復(fù)合材料可以具有多種功能，同時(shí)還有可能由于產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)而出現(xiàn)新的功能。因此，多功能復(fù)合材料成為功能復(fù)合材料的發(fā)展方向。第89頁(yè)/共144頁(yè)91功能復(fù)合材料的主要設(shè)計(jì)原則：（1）首先考慮關(guān)鍵的、主要的性能；（2）兼顧其它性能；（3）選擇性能分散性小的原材料;（4）采取的成型工藝盡可能簡(jiǎn)單、方便；（5）經(jīng)濟(jì)性合理。第90頁(yè)/共144頁(yè)92復(fù)合材料設(shè)計(jì)的目的：提高材料的綜合性能,也就是材料的優(yōu)值。材料的優(yōu)值：是由幾個(gè)物理量綜合起來(lái)對(duì)材料的使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的量。復(fù)合材料

45、有很多途徑以達(dá)到高優(yōu)值，即按照要求調(diào)整其特有的參數(shù)，經(jīng)設(shè)計(jì)來(lái)滿足材料有關(guān)的物理量組元。也可通過(guò)復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)設(shè)計(jì)制造各種功能復(fù)合材料。第91頁(yè)/共144頁(yè)93功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：復(fù)合材料的最大特點(diǎn)在于它的可設(shè)計(jì)性。因此，在給定的性能要求、使用環(huán)境及經(jīng)濟(jì)條件限制的前提下，從材料的選擇途徑和工藝結(jié)構(gòu)途徑上進(jìn)行設(shè)計(jì)。第92頁(yè)/共144頁(yè)94具有提高材料優(yōu)值的廣泛途徑和自由度 調(diào)整復(fù)合度 復(fù)合度是參與復(fù)合各組分的體積（質(zhì)量）分?jǐn)?shù)。 調(diào)整聯(lián)接方式 復(fù)合材料中各組分在三維空間中互相連接的形式可任意調(diào)整。 調(diào)整對(duì)稱(chēng)性 對(duì)稱(chēng)性是功能復(fù)合材料組分在空間幾何布局上的特征。不同功能復(fù)合材料的對(duì)稱(chēng)性須選用不同

46、的描述方法。如，0-3型（球形顆粒分散在基體中）復(fù)合材料各向同性；1-3型（針行顆粒按一定方向排列）產(chǎn)生雙折射行為；2-2型（片狀顆粒分散在基體中）則出現(xiàn)負(fù)光性。 調(diào)整尺寸當(dāng)功能體尺寸從微米、亞微米減小到納米時(shí)，原有的宏觀物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。這是由于物體尺寸減小時(shí)表面原子數(shù)增多引起的。 調(diào)整周期性第93頁(yè)/共144頁(yè)95可利用復(fù)合效應(yīng)創(chuàng)造新型復(fù)合功能材料例如，利用線性效應(yīng)的混合法則，通過(guò)合理鋪設(shè)可以設(shè)計(jì)出某一溫度區(qū)間膨脹系數(shù)為零或接近于零的構(gòu)件。模仿生物體中的纖維和基體的合理分布，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可望設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的仿生功能材料。又如XY平面是壓電，XZ平面呈電致發(fā)光性，通過(guò)鋪層設(shè)計(jì)

47、可以得到Y(jié)Z平面壓致發(fā)光的復(fù)合材料。第94頁(yè)/共144頁(yè)96材料在復(fù)合后所得的復(fù)合材料，依據(jù)其產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的特征，可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)復(fù)合效應(yīng)為線性效應(yīng)；另一類(lèi)則為非線性效應(yīng)。在這兩類(lèi)復(fù)合效應(yīng)中，又可以顯示出不同的特征。功能復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)第95頁(yè)/共144頁(yè)97下表列出了不同復(fù)合效應(yīng)的類(lèi)別。不同復(fù)合效應(yīng)的類(lèi)別線性效應(yīng)平均效應(yīng)平行效應(yīng)相補(bǔ)效應(yīng)相抵效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)非線性效應(yīng)相乘效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)共振效應(yīng)系統(tǒng)效應(yīng)第96頁(yè)/共144頁(yè)98平均效應(yīng)是復(fù)合材料所顯示的最典型的一種復(fù)合效應(yīng)。它可以表示為：Pc = PmVm + Pf V f式中，為材料性能，為材料體積含量，角標(biāo)c、m、f分別表示復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)

48、體（或功能體）。第97頁(yè)/共144頁(yè)99復(fù)合材料的某些功能性質(zhì)，例如電導(dǎo)、熱導(dǎo)、密度和彈性模量等服從平均效應(yīng)這一規(guī)律。例如，復(fù)合材料的彈性模量，若用混合率來(lái)表示，則為Ec = EmVm + E f V f第98頁(yè)/共144頁(yè)100平行效應(yīng)顯示這一效應(yīng)的復(fù)合材料，它的各組分材料在復(fù)合材料中，均保留本身的作用，既無(wú)制約，也無(wú)補(bǔ)償。第99頁(yè)/共144頁(yè)101對(duì)于增強(qiáng)體（如纖維）與基體界面結(jié)合很弱的復(fù)合材料，所顯示的復(fù)合效應(yīng)，可以看作是平行效應(yīng)。第100頁(yè)/共144頁(yè)102相補(bǔ)效應(yīng)組成復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)體，在性能上相互補(bǔ)充，從而提高了綜合性能，則顯示出相補(bǔ)效應(yīng)。第101頁(yè)/共144頁(yè)103對(duì)于脆性的

49、高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)體與韌性基體復(fù)合時(shí)，兩相間若能得到適宜的結(jié)合而形成的復(fù)合材料，其性能顯示為增強(qiáng)體與基體的互補(bǔ)。第102頁(yè)/共144頁(yè)104相抵效應(yīng)基體與增強(qiáng)體組成復(fù)合材料時(shí)，若組分間性能相互制約，限制了整體性能提高，則復(fù)合后顯示出相抵效應(yīng)。第103頁(yè)/共144頁(yè)105例如，脆性的纖維增強(qiáng)體與韌性基體組成的復(fù)合材料，當(dāng)兩者界面結(jié)合很強(qiáng)時(shí)，復(fù)合材料整體顯示為脆性斷裂。第104頁(yè)/共144頁(yè)106在玻璃纖維增強(qiáng)塑料中，當(dāng)玻璃纖維表面選用適宜的硅烷偶聯(lián)劑處理后，與樹(shù)脂基體組成的復(fù)合材料，由于強(qiáng)化了界面的結(jié)合，故致使材料的拉伸強(qiáng)度比未處理纖維組成的復(fù)合材料可高出30-40%，而且濕態(tài)強(qiáng)度保留率也明顯提高。

50、第105頁(yè)/共144頁(yè)107但是，這種強(qiáng)結(jié)合的界面同時(shí)卻導(dǎo)致了復(fù)合材料沖擊性能的降低。因此，在金屬基、陶瓷基增強(qiáng)復(fù)合材料中，過(guò)強(qiáng)的界面結(jié)合不一定是最適宜的。第106頁(yè)/共144頁(yè)108相補(bǔ)效應(yīng)和相抵效應(yīng)常常是共同存在的。顯然，相補(bǔ)效應(yīng)是希望得到的，而相抵效應(yīng)要盡量能夠避免。所有這些，可通過(guò)相應(yīng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。第107頁(yè)/共144頁(yè)109乘積效應(yīng)兩種具有轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料復(fù)合在一起，即可發(fā)生乘積效應(yīng)。乘積效應(yīng)是在復(fù)合材料兩組分之間產(chǎn)生可用乘積關(guān)系表達(dá)的協(xié)同作用。例如，把具有電磁效應(yīng)的材料與具有磁光效應(yīng)的材料復(fù)合時(shí)，將可能產(chǎn)生具有電光效應(yīng)的復(fù)合材料。第108頁(yè)/共144頁(yè)因此，通?？梢詫⒁环N

51、具有兩種性能相互轉(zhuǎn)換的功能材料X/Y和另一種換能材料Y/Z復(fù)合起來(lái)，可用下列通式來(lái)表示，即：式中，、分別表示各種物理性能。上式符合乘積表達(dá)式，所以稱(chēng)之為乘積效應(yīng)。110X YY ZXZ=第109頁(yè)/共144頁(yè)=111熱-形變材料（X/Y）與另一種形變-電導(dǎo)材料（Y/Z）復(fù)合，其效果就是即由于兩組分的協(xié)同作用得到一種新的熱-電導(dǎo)功能復(fù)合材料。X Y XY Z Z相乘效應(yīng)的組合可以非常廣泛，已被用于設(shè)計(jì)功能復(fù)合材料。常用的物理乘積效應(yīng)見(jiàn)下表所示：第110頁(yè)/共144頁(yè)復(fù)合材料的乘積效應(yīng)相性質(zhì)壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)壓電效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)閃爍效應(yīng)熱致變形效應(yīng)相性質(zhì)磁阻效應(yīng)磁電效應(yīng)場(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)壓阻效應(yīng)電

52、致效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)壓敏電阻效應(yīng)復(fù)合后的乘積性質(zhì)（）（）壓敏電阻效應(yīng)壓電效應(yīng)壓力發(fā)光效應(yīng)磁阻效應(yīng)光致伸縮輻射誘導(dǎo)導(dǎo)電熱敏電阻效應(yīng)112第111頁(yè)/共144頁(yè)113誘導(dǎo)效應(yīng)在一定條件下，復(fù)合材料中的一個(gè)組分材料可以通過(guò)誘導(dǎo)作用使另一個(gè)組分材料的結(jié)構(gòu)改變，從而改變整體性能或產(chǎn)生新效應(yīng)。這種誘導(dǎo)行為已在很多實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也在復(fù)合材料界面的兩側(cè)發(fā)現(xiàn)。第112頁(yè)/共144頁(yè)114例如，結(jié)晶的纖維增強(qiáng)體對(duì)非晶基體的誘導(dǎo)結(jié)晶或晶形基體的晶形取向產(chǎn)生作用。在碳纖維增強(qiáng)尼龍或聚丙烯中，由于碳纖維表面對(duì)基體的誘導(dǎo)作用，致使界面上的結(jié)晶狀態(tài)與數(shù)量發(fā)生了改變，如出現(xiàn)橫向穿晶等，這種效應(yīng)對(duì)尼龍或聚丙烯起著特殊的作用。第11

53、3頁(yè)/共144頁(yè)115共振效應(yīng)兩個(gè)相鄰的材料在一定條件下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械的或電、磁的共振。由不同材料組成的復(fù)合材料，其固有頻率不同于原組分的固有頻率，當(dāng)復(fù)合材料中某一部位的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，復(fù)合材料的固有頻率也會(huì)發(fā)生改變。第114頁(yè)/共144頁(yè)116利用共振效應(yīng)，可以根據(jù)外來(lái)的工作頻率，改變復(fù)合材料固有頻率而避免材料在工作時(shí)引起的破壞。對(duì)于吸波材料，同樣可以根據(jù)外來(lái)波長(zhǎng)的頻率特征，調(diào)整復(fù)合頻率，達(dá)到吸收外來(lái)波的目的。第115頁(yè)/共144頁(yè)117系統(tǒng)效應(yīng)這是材料的一種復(fù)雜效應(yīng)，至目前為止，這一效應(yīng)的機(jī)理尚不很清楚，但在實(shí)際現(xiàn)象中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)的存在。第116頁(yè)/共144頁(yè)118例如，交替疊層鍍膜的硬

54、度大于原來(lái)各單一鍍膜的硬度和按線性混合率估算值，說(shuō)明組成了復(fù)合系統(tǒng)才能出現(xiàn)的現(xiàn)象。彩色膠片是以紅、藍(lán)、黃三色感光材料膜組成一個(gè)系統(tǒng)，能顯示出各種色彩，單獨(dú)存在即無(wú)此作用。這也是系統(tǒng)效應(yīng)的例子。第117頁(yè)/共144頁(yè)119平均效應(yīng)、乘積效應(yīng)、平行效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、共振效應(yīng)、相抵效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)等各種復(fù)合效應(yīng)，都是復(fù)合材料科學(xué)所研 究的對(duì)象和重要內(nèi)容，這也是開(kāi)拓新型復(fù)合材料，特別是功能型復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論問(wèn)題。第118頁(yè)/共144頁(yè)120功能復(fù)合材料分類(lèi)第119頁(yè)/共144頁(yè)121功能復(fù)合材料制造方法傳統(tǒng)的方法與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型方法基本相同，主要取決于基體。新興的制備技術(shù)：（1）以材料合成過(guò)

55、程中于基體中產(chǎn)生彌散相且與母體有良好相容性、無(wú)重復(fù)污染為特色的原位復(fù)合技術(shù)；（2）以自放熱、自潔凈和高活性、亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)物為特色的自蔓延復(fù)合技術(shù)；（3）以組分、結(jié)構(gòu)及性能漸變?yōu)樘攸c(diǎn)的梯度復(fù)合技術(shù)；（4）以攜帶電荷基體通過(guò)交替的靜電引力來(lái)形成層狀高密度、納米級(jí)均勻分散材料為特點(diǎn)的分子自組裝技術(shù)；仿生技術(shù)、凝膠澆注技術(shù)、微波合成與燒成技術(shù)第120頁(yè)/共144頁(yè)122功能特性的可靠性控制可靠性控制的難度和復(fù)雜性非常高，原因：（1）組分材料的多重性；（2）材料-結(jié)構(gòu)工藝的同步性。復(fù)合材料可靠性目前存在的問(wèn)題：（1）材料特性知識(shí)的缺乏；（2）材料性能的分散性；（3）制備工藝的不穩(wěn)定性；（4）試驗(yàn)方法的不完

56、善；（5）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足；（6）對(duì)復(fù)合材料性能隨時(shí)間變化的規(guī)律和知識(shí)掌握不夠。第121頁(yè)/共144頁(yè)123功能復(fù)合材料發(fā)展方向（1）由單功能向雙功能、多功能化發(fā)展；（2）由功能向機(jī)敏、智能化方向發(fā)展；（3）功能-承力一體與輕量化；（4）功能體的高性能化與微細(xì)化；（5）使用性能的穩(wěn)定性與長(zhǎng)壽命；（6）高精度的設(shè)計(jì)技術(shù)與設(shè)計(jì)制造一體化；（7）無(wú)余量成型與低成本制造技術(shù)。第122頁(yè)/共144頁(yè)124第四節(jié) 復(fù)合材料應(yīng)用概況復(fù)合材料除在機(jī)械、航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用之外，在以下方面還有著廣泛的應(yīng)用。1.2.3.4.5.電工、電子行業(yè)車(chē)輛制造方面造船工業(yè)方面建筑行業(yè)方面化學(xué)工業(yè)方面第123頁(yè)/共144頁(yè)1251

57、.電工、電子行業(yè) 研究表明，一臺(tái)600KW的汽輪發(fā)電機(jī)使用的復(fù)合材料就有幾十種，一些發(fā)電機(jī)的端蓋、定子槽楔也都采用了復(fù)合材料。例如：用碳纖維增強(qiáng)塑料制的汽輪發(fā)電機(jī)端部線圈護(hù)環(huán)，不但強(qiáng)度和彈性模量能滿足要求，而且減輕了重量，杜絕了漏磁現(xiàn)象。 像熔斷器管、絕緣筒、電子計(jì)算機(jī)、收錄機(jī)、電視機(jī)的線路板、隔板及鍵盤(pán)觸點(diǎn)，也都用上了絕緣性好的玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。第124頁(yè)/共144頁(yè)1262.車(chē)輛制造方面在火車(chē)上、汽車(chē)上，無(wú)論是結(jié)構(gòu)部件還是內(nèi)部裝飾，都大量使用了復(fù)合材料?；疖?chē)的機(jī)車(chē)車(chē)身，客車(chē)和貨車(chē)車(chē)廂、頂棚及門(mén)、窗，衛(wèi)生間等構(gòu)件部分，都應(yīng)用了大量的泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)以及多層復(fù)合板；汽車(chē)的懸掛結(jié)構(gòu)、中

58、間減震環(huán)及內(nèi)部構(gòu)件也都采用了復(fù)合材料。資料表明：采用先進(jìn)復(fù)合材料制造的轎車(chē)車(chē)身僅重7.3kg，而鋼制的車(chē)身為18.1kg，這既減輕了汽車(chē)重量，又大大提高了車(chē)速。第125頁(yè)/共144頁(yè)1273.造船工業(yè)方面玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料由于密度小、強(qiáng)度高、耐海水腐蝕、抗微生物附著性好、吸收撞擊性強(qiáng)以及成形的自由度大，應(yīng)用很廣。 建造掃雷艇、汽艇、氣墊船、工作艇、小型艦艇（如巡邏艇、登陸艇、交通艇、消防艇等）方面更具優(yōu)越性。 還可用于甲板、風(fēng)斗、風(fēng)帽、油箱、方向舵、儀表盤(pán)、推進(jìn)器、導(dǎo)流帽、救生圈、駕駛室、浮鼓、蓄電池箱、汽缸罩、機(jī)棚室等。第126頁(yè)/共144頁(yè)1284.建筑行業(yè)方面 建筑物主要承力結(jié)構(gòu)使用的鋼筋