材料第5章 復(fù)合材料

1、2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1 1第第 5 5 章章復(fù)合材料課本第6章內(nèi)容 2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2 2 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成的材料。復(fù)合材料是多相材料，構(gòu)不同的材料組合而成的材料。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基體相和增強(qiáng)相。基體相是一種連續(xù)相，它主要包括基體相和增強(qiáng)相?；w相是一種連續(xù)相，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用。增強(qiáng)相起承受

2、應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和表現(xiàn)的作用。增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和表現(xiàn)功能功能(功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料)的作用。的作用。 2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院3 3第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、復(fù)合材料的分類一、復(fù)合材料的分類 1、按基體材料分類，可分為聚合、按基體材料分類，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。 2、按增強(qiáng)相形狀分類，可分為纖、按增強(qiáng)相形狀分類，可分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)復(fù)合材維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料。料和層狀復(fù)合材料。 3、按復(fù)合材料的性能分類，可分、按復(fù)合材料的性能分

3、類，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。SiC顆粒顆粒Al2O3片片Al2O3纖維纖維增強(qiáng)相三種類型增強(qiáng)相三種類型課本圖課本圖6-1 P2372022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院4 4二、復(fù)合材料的特點(diǎn)二、復(fù)合材料的特點(diǎn)1、比強(qiáng)度和比模量高：其中纖維增強(qiáng)復(fù)、比強(qiáng)度和比模量高：其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最高；合材料的最高；2、抗疲勞性能好：碳纖維增強(qiáng)材料的疲、抗疲勞性能好：碳纖維增強(qiáng)材料的疲勞強(qiáng)度勞強(qiáng)度 -1可達(dá)可達(dá) b的的7080%，因纖維對(duì)疲，因纖維對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用；勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用；3、減振性能良好：復(fù)合材料中

4、的大量界、減振性能良好：復(fù)合材料中的大量界面對(duì)振動(dòng)有反射吸收作用，不易產(chǎn)生共面對(duì)振動(dòng)有反射吸收作用，不易產(chǎn)生共振；振；4、高溫性能好；、高溫性能好； 比強(qiáng)度比較比強(qiáng)度比較碳纖維碳纖維 樹(shù)脂樹(shù)脂硼纖維硼纖維 樹(shù)脂樹(shù)脂玻璃纖維玻璃纖維 樹(shù)脂樹(shù)脂鈦鈦鋼鋼鋁鋁課本表課本表6-1 P2402022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院5 5第二節(jié)第二節(jié) 粒子增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料 粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子高度彌散地分布在粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(金金屬基體屬基體)和分子鏈運(yùn)

5、動(dòng)和分子鏈運(yùn)動(dòng)(聚合物基體聚合物基體)。這種復(fù)合。這種復(fù)合材料是各向同性的材料是各向同性的。 2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院6 6 聚合物基粒子復(fù)合材料如酚醛樹(shù)脂中摻入木聚合物基粒子復(fù)合材料如酚醛樹(shù)脂中摻入木粉的電木、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣粉的電木、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣塑材料塑材料(合成木材合成木材)等。等。碳黑增強(qiáng)橡膠碳黑增強(qiáng)橡膠2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院7 7 陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。粒子增強(qiáng)粒子增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料陶

6、瓷基復(fù)合材料2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院8 8金屬基粒子復(fù)合材料又稱金屬基粒子復(fù)合材料又稱金屬金屬陶瓷陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳化物、氮化物、氧化金屬與碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等組成的非均質(zhì)材物、硼化物等組成的非均質(zhì)材料。料。碳化物金屬陶瓷碳化物金屬陶瓷作為工具材料作為工具材料已被廣泛應(yīng)用，稱作已被廣泛應(yīng)用，稱作硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常以鈷硬質(zhì)合金通常以鈷Co、Ni作作為粘結(jié)劑，為粘結(jié)劑，WC、TiC等作為等作為強(qiáng)化相。強(qiáng)化相。 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織( (Co+WC)2022-3-272022-3

7、-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院9 9硬質(zhì)合金主要有鎢鈷硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦和鎢鈷鈦(YT)兩類。牌號(hào)兩類。牌號(hào)中，中，YG后的數(shù)字為含后的數(shù)字為含Co量，量，YT后的數(shù)字為碳化鈦后的數(shù)字為碳化鈦含量。含量。硬質(zhì)合金硬度極高，且熱硬質(zhì)合金硬度極高，且熱硬性、耐磨性好，一般做硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。成刀片，鑲在刀體上使用。硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金刀具硬質(zhì)合金刀具課本表課本表6-8 P2472022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1010 層狀復(fù)合材料是指在層狀復(fù)合材料是指在基體中含有多重層片基體

8、中含有多重層片狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物的復(fù)合材料。的復(fù)合材料。 這種材料是各向異性這種材料是各向異性的的( (層內(nèi)兩維同性層內(nèi)兩維同性) )。如碳化硼片增強(qiáng)鈦、如碳化硼片增強(qiáng)鈦、膠合板等。膠合板等。層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌三明治復(fù)三明治復(fù)合合第三節(jié)第三節(jié) 層狀增強(qiáng)復(fù)合材料層狀增強(qiáng)復(fù)合材料 2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1111 雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。 結(jié)構(gòu)層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機(jī)制造、運(yùn)輸及包結(jié)構(gòu)層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機(jī)制造、運(yùn)輸及包裝等。

9、裝等。 有有TiN涂層的涂層的高爾夫球頭高爾夫球頭層狀復(fù)合層狀復(fù)合鋁合金蜂窩夾層板鋁合金蜂窩夾層板2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1212第四節(jié)第四節(jié) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指以各種金屬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指以各種金屬和非金屬作為基體，以各種纖維作和非金屬作為基體，以各種纖維作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1313一、纖維增強(qiáng)復(fù)合原則一、纖維增強(qiáng)復(fù)合原則 在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維是材料主要承載組分，其增在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖

10、維是材料主要承載組分，其增強(qiáng)效果主要取決于纖維的特征、纖維與基體間的結(jié)合強(qiáng)度、強(qiáng)效果主要取決于纖維的特征、纖維與基體間的結(jié)合強(qiáng)度、纖維的體積分?jǐn)?shù)、尺寸和分布。纖維的體積分?jǐn)?shù)、尺寸和分布。 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性與纖維方向密切相關(guān)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性與纖維方向密切相關(guān)。 纖維無(wú)規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。均一纖維無(wú)規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編織，織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編織，可獲得各方

11、向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1414 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2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院15151、玻璃纖維：用量最大、價(jià)格最便宜。、玻璃纖維：用量最大、價(jià)格最便宜。2、碳纖維：化學(xué)性能與碳相似。、碳纖維：化學(xué)性能與碳相似。3、硼纖維：耐高溫、強(qiáng)度、彈性模高。、硼纖維：耐高溫、強(qiáng)度、彈性模高。4、金屬纖維：成絲容易、彈性模量高。、金屬纖維：成絲容易、彈性模量高。5、陶瓷纖維：用于高溫、高強(qiáng)復(fù)合材料。、陶瓷纖維

12、：用于高溫、高強(qiáng)復(fù)合材料。6、芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酰胺纖維: 強(qiáng)度、彈性模量高，耐熱。強(qiáng)度、彈性模量高，耐熱。 7、聚乙烯纖維、聚乙烯纖維: 韌性極好，密度非常小韌性極好，密度非常小 。 8、晶須：是直徑小于、晶須：是直徑小于30 m，長(zhǎng)度只有幾毫米的針狀單晶體，斷面，長(zhǎng)度只有幾毫米的針狀單晶體，斷面呈多角形呈多角形, 是一種高強(qiáng)度材料。分為金屬晶須和陶瓷晶須。金屬是一種高強(qiáng)度材料。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(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)的陶瓷晶須主要是晶須已投入生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)的陶瓷晶須主要是SiC晶須。晶須。二、纖維的種類和性能二、纖維的種類和性能2022-3-2720

13、22-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1616玻璃纖維玻璃纖維碳纖維碳纖維SiC纖維纖維2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1717SiC晶須晶須2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1818三、聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三、聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)高分子材料。這類復(fù)合材料通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)高分子材料。這類復(fù)合材料的性能較環(huán)氧樹(shù)脂等基體有大幅度的提高，比強(qiáng)度也高得多。的性能較環(huán)氧樹(shù)脂等基體有大幅度的提高，比強(qiáng)度也高得多。材料種類材料種類縱

14、向抗拉強(qiáng)度縱向抗拉強(qiáng)度 MPa縱向彈性模量縱向彈性模量 GPa環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 696.9環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 / 玻璃纖維玻璃纖維102045環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 / 碳纖維碳纖維1240145環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 / 芳綸纖維芳綸纖維138076環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂 / 硼纖維硼纖維1400-2100210-2802022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1919聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件芳綸剎車片芳綸剎車片碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料制航空碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料制航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件2022-3-272022-3-27北京

15、郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2020復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用 美國(guó)美國(guó)F/A-18殲擊機(jī)殲擊機(jī)2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2121四、纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料四、纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料金屬的熔點(diǎn)高，故高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)后的金屬的熔點(diǎn)高，故高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)后的金屬基復(fù)合材料（金屬基復(fù)合材料（MMC）可以使用在較高溫的工作環(huán)境之下?？梢允褂迷谳^高溫的工作環(huán)境之下。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。作為增強(qiáng)體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、作為增強(qiáng)體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、SiC

16、和和C纖維；纖維；Al2O3纖維通纖維通常以短纖維的形式用于常以短纖維的形式用于MMC中。中。MMC雖強(qiáng)度和彈性模量（剛度）增加，但塑性和韌性因使用陶瓷雖強(qiáng)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。這在一定程度上限制了纖維而有所降低。這在一定程度上限制了MMC的應(yīng)用范圍。的應(yīng)用范圍。2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2222航天飛機(jī)內(nèi)航天飛機(jī)內(nèi)MMC (Al / B纖維纖維)桁架桁架2022-3-272022-3-27北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2323五、纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料五、纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料陶瓷材料耐熱、耐磨、耐蝕、抗氧化，但韌性低、難加工。在陶陶瓷材料耐熱、耐磨、耐蝕、抗氧化，但韌性低、難加工。在陶瓷材料中加入纖維增強(qiáng)，能大幅度提高強(qiáng)度，改善韌性，并提高瓷材料中加入纖維增強(qiáng)，能大幅度提高強(qiáng)度，改善韌性，并提高使用溫度。使用溫度。陶瓷中增韌纖維受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料陶瓷中增韌纖維受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韌性越好。韌性越好。 用晶須作為增強(qiáng)相可以顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，但用晶須作為增強(qiáng)相可以顯著提高復(fù)