復(fù)合材料PPT.

1、復(fù)合材料（金屬基復(fù)合材料）張文興：參考資料：參考資料：1、復(fù)合材料及其應(yīng)用復(fù)合材料及其應(yīng)用-尹洪峰尹洪峰,任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003）2、復(fù)合材料概論、復(fù)合材料概論-王榮國王榮國 武衛(wèi)莉武衛(wèi)莉 （哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999）3、金屬基復(fù)合材料及其制備技術(shù)、金屬基復(fù)合材料及其制備技術(shù)-于化順（化學(xué)工業(yè)出版社于化順（化學(xué)工業(yè)出版社,2000）4、金屬基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料-張國定張國定(上海交通大學(xué)出版社上海交通大學(xué)出版社,1996)5、高性能復(fù)合材料學(xué)、高性能復(fù)合材料學(xué)-郝元愷郝元愷,肖加余肖加余 (化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社,20

2、04)6、復(fù)合材料大全、復(fù)合材料大全-沃丁柱沃丁柱 (化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社,2001)主要內(nèi)容第一章 總論 第二章 復(fù)合材料的基體材料 第三章 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料第四章 復(fù)合材料的界面 第五章 金屬基復(fù)合材料第六章 陶瓷基復(fù)合材料 一 總論 前10萬年 石器時(shí)代 前3000年 青銅器時(shí)代 前1000年 鐵器時(shí)代 1800年 鋼時(shí)代 1950年 硅時(shí)代 1990年 新材料時(shí)代1.1 復(fù)合材料的發(fā)展概況（復(fù)合材料）交通運(yùn)輸工具：獨(dú)輪車與手推車魯班時(shí)代交通運(yùn)輸工具：自行車交通運(yùn)輸工具：汽車交通運(yùn)輸工具：民用與軍用飛機(jī)交通運(yùn)輸工具：航天器1.1.1 復(fù)合材料的歷史及現(xiàn)狀自然界中的復(fù)合材料：骨骼

3、和牙齒自然界中的復(fù)合材料：蜂窩和樹木復(fù)合材料的歷史1：草增強(qiáng)泥復(fù)合材料的歷史1：草增強(qiáng)泥復(fù)合材料的歷史1：漆器麻布增強(qiáng)固化生漆麻布增強(qiáng)固化生漆千層底鞋底復(fù)合材料的歷史2：層合板復(fù)合材料的歷史2：鋼筋混凝土復(fù)合材料的歷史2：纖維增強(qiáng)橡膠現(xiàn)代復(fù)合材料：第一代玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP/GFRP）4060年代（二戰(zhàn)期間）現(xiàn)代復(fù)合材料：第二代：高性能（碳）纖維增強(qiáng)塑料（CRP/ CFRP）6080年代，Bf 、SiCf 、芳綸纖維第三代：金屬基復(fù)合材料(MMC) 陶瓷基復(fù)合材料(CMC)坦克履帶坦克履帶F18戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)液壓傳動(dòng)缸液壓傳動(dòng)缸F16戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)腹部穩(wěn)定翅腹部穩(wěn)定翅和上機(jī)身蓋板和上機(jī)身蓋板波

4、音波音777噴氣發(fā)動(dòng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)出氣導(dǎo)流葉片機(jī)出氣導(dǎo)流葉片鋁蜂窩板波音787機(jī)體結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)穿甲彈彈托體分離高速攝影照片 (1) 20年代年代 貴金屬包覆電接點(diǎn)材料、鋁包鋼貴金屬包覆電接點(diǎn)材料、鋁包鋼(21923年年 WC-6%Co(3) 1946年年 燒結(jié)鋁粉（燒結(jié)鋁粉（ Al2O3/Al ）d0.1微米微米(4) 60年代年代 W/Cu, SiCf/Al, Bf/Al。典型實(shí)例：。典型實(shí)例：1978Bf/Al哥倫比亞航天飛機(jī)桁架；哥倫比亞航天飛機(jī)桁架；1982年豐田年豐田Al2O3*SiO2/Al活塞活塞(5) SiC, Al2O3, TiC TiB2, B4C/Al, Mg, Cu,

5、Ti(6) 非連續(xù)，連續(xù)增強(qiáng)體（定向凝固共晶合金）非連續(xù)，連續(xù)增強(qiáng)體（定向凝固共晶合金）1.1.2 金屬基復(fù)合材料的發(fā)展史金屬基復(fù)合材料的發(fā)展史注意復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬的區(qū)別典型共析鋼組織定向凝固共析鋼組織1.2 復(fù)合材料概念、分類及命名復(fù)合材料概念、分類及命名1.2.1 復(fù)合材料的概念復(fù)合材料的概念 復(fù)合材料的復(fù)合材料的ISO定義：定義： 兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。的一種多相固體材料。 復(fù)合材料的特點(diǎn)：復(fù)合材料的特點(diǎn)：1. 具有優(yōu)良的綜合性能具有優(yōu)良的綜合性能2. 良好的可設(shè)計(jì)性良好的可設(shè)計(jì)性3. 人工制備人

6、工制備注：相是體系中具有相同物理、化學(xué)性質(zhì)，且與其他部分以注：相是體系中具有相同物理、化學(xué)性質(zhì)，且與其他部分以界面分開的均勻部分界面分開的均勻部分圖 典型復(fù)合材料與其基體金屬的性能比較通過或傳統(tǒng)工藝的方法制備出的具有的材料 復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)（組成部分）：復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)（組成部分）： 復(fù)合材料由基體、增強(qiáng)體和界面三部分組成復(fù)合材料由基體、增強(qiáng)體和界面三部分組成1）基體：將增強(qiáng)體聯(lián)接成整體的部分，并起到傳遞外界作用）基體：將增強(qiáng)體聯(lián)接成整體的部分，并起到傳遞外界作用力和保護(hù)增強(qiáng)體的作用，一般是構(gòu)成復(fù)合材料的連續(xù)相。力和保護(hù)增強(qiáng)體的作用，一般是構(gòu)成復(fù)合材料的連續(xù)相。2）增強(qiáng)體（增強(qiáng)相、增強(qiáng)劑）

7、：提高基體某種性能的部分，）增強(qiáng)體（增強(qiáng)相、增強(qiáng)劑）：提高基體某種性能的部分，一般以獨(dú)立的形態(tài)分散分布在整個(gè)基體中，或稱分散相。一般以獨(dú)立的形態(tài)分散分布在整個(gè)基體中，或稱分散相。其形狀可以是纖維狀其形狀可以是纖維狀(fiber,wisker)、顆粒、顆粒(particle)3）界面：增強(qiáng)體與基體之間的過渡部分。）界面：增強(qiáng)體與基體之間的過渡部分。 1.2.2 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類 按功能分：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料構(gòu)復(fù)合材料：以按功能分：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料構(gòu)復(fù)合材料：以承受外力為主要目的，強(qiáng)調(diào)力學(xué)性能。承受外力為主要目的，強(qiáng)調(diào)力學(xué)性能。功能復(fù)合材料：強(qiáng)調(diào)力學(xué)性能以外的性能，如

8、熱（電子封裝功能復(fù)合材料：強(qiáng)調(diào)力學(xué)性能以外的性能，如熱（電子封裝材料）、電、磁、光學(xué)等性能，以及耐磨材料材料）、電、磁、光學(xué)等性能，以及耐磨材料 按基體分：按基體分： 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(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 水泥基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料 碳基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料熱固性樹脂基復(fù)合材料熱固性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料碳化硅基復(fù)合材料碳化硅基復(fù)合材料氧化鋁基復(fù)合材料氧化鋁基復(fù)合材料按增強(qiáng)體種類分：玻璃纖維按增強(qiáng)體種類分：玻璃纖維Gf，碳化硅顆粒，碳化硅顆粒SiCp按增強(qiáng)體形狀分：按增強(qiáng)體形狀

9、分： 層狀增強(qiáng)復(fù)合材料層狀增強(qiáng)復(fù)合材料 片狀增強(qiáng)復(fù)合材料片狀增強(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 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料按增強(qiáng)體引入方式分按增強(qiáng)體引入方式分 原位復(fù)合材料（原位復(fù)合材料（in-situ） 非原位復(fù)合材料非原位復(fù)合材料人工晶片人工晶片天然片狀物天然片狀物不連續(xù)纖維不連續(xù)纖維連續(xù)纖維連續(xù)纖維晶須晶須短（切）纖維短（切）纖維單向纖維單向纖維二維織物二維織物三維織物三維織物: fibre; :particulate; :whisker復(fù)合典型結(jié)構(gòu)1.2.3 復(fù)合材料的命名復(fù)合材料的命名 強(qiáng)調(diào)基體強(qiáng)調(diào)基體 以基體材料的名稱為主，如聚合物基復(fù)合材料以基體材料的名稱為主，

10、如聚合物基復(fù)合材料PMC, MMC, CMC 強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體 以增強(qiáng)體材料的名稱為主，如玻璃纖維增強(qiáng)以增強(qiáng)體材料的名稱為主，如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（復(fù)合材料（Gf），）， Cf, Bf, 芳綸纖維，芳綸纖維，SiCf，SiCp ，SiCw 并重并重 具體的復(fù)合材料表示，如玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)具體的復(fù)合材料表示，如玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料（合材料（Gf/Epoxy，G/Ep，G-Ep），碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁），碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（基復(fù)合材料（ SiCp /Al），）， Cf /Mg1.3.1 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料(PMC)的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）比強(qiáng)度和

11、比模量高）比強(qiáng)度和比模量高 強(qiáng)度、模量強(qiáng)度、模量/密度，見下表密度，見下表2）耐疲勞性能好）耐疲勞性能好 金屬疲勞一般是金屬疲勞一般是 沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞， PMC破壞前有明顯的預(yù)兆；破壞前有明顯的預(yù)兆； 疲勞強(qiáng)度前者只有其抗拉強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度前者只有其抗拉強(qiáng)度 的的2050%，后者高達(dá)，后者高達(dá)7080%1.3 復(fù)合材料的性能特點(diǎn)復(fù)合材料的性能特點(diǎn)15001000500103 104 105 10 6 107 循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)圖圖 三種材料的疲勞強(qiáng)度三種材料的疲勞強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料 玻璃鋼 鋁合金表表 各種材料的比強(qiáng)度和比模量（各種材料的比強(qiáng)度和比模量（Vf=60

12、%）3）減震性好）減震性好 基體模量小易變形吸能效果好，界面具有吸基體模量小易變形吸能效果好，界面具有吸震能力，總之震能力，總之PMC具有很高的振動(dòng)阻尼。如輕合金梁具有很高的振動(dòng)阻尼。如輕合金梁9s停止振動(dòng)，而同樣大小的振動(dòng)碳纖維復(fù)合材料梁停止振動(dòng)，而同樣大小的振動(dòng)碳纖維復(fù)合材料梁2.5s停止。停止。4）過載安全性好）過載安全性好 過載時(shí)少數(shù)纖維斷裂，過載時(shí)少數(shù)纖維斷裂， 載荷迅速重新分載荷迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個(gè)構(gòu)建短時(shí)間不失去承載能力。配到未破壞的纖維上，使整個(gè)構(gòu)建短時(shí)間不失去承載能力。5）具有多重功能性）具有多重功能性 電絕緣性能、耐腐蝕性、摩擦性能電絕緣性能、耐腐蝕性、摩擦

13、性能（摩阻和減磨）、特殊的光熱磁等性能（摩阻和減磨）、特殊的光熱磁等性能6）加工工藝性好）加工工藝性好 PMC可手糊、模壓、纏繞、注射、拉擠可手糊、模壓、纏繞、注射、拉擠成型等多種方法制成各種產(chǎn)品形狀成型等多種方法制成各種產(chǎn)品形狀 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：耐高溫、耐老化性能差，沖擊性能差耐高溫、耐老化性能差，沖擊性能差1.3.2 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料(MMC)的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）高比強(qiáng)度、高比模量）高比強(qiáng)度、高比模量 尤其對(duì)尤其對(duì)CRMMC而言。而言。 Cf：=1.85g/cm3 max=7GPa， Gmax=900GPa2）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能圖圖 典型復(fù)合材料與其基

14、體金屬的性能比較典型復(fù)合材料與其基體金屬的性能比較3）熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性高）熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性高表表 部分材料的熱物理性能指標(biāo)部分材料的熱物理性能指標(biāo) 4）良好的高溫性能）良好的高溫性能 與與PMC相比，尤其是相比，尤其是CRMMC，如，如Cf/Al，500時(shí)高溫時(shí)高溫強(qiáng)度為強(qiáng)度為600MPa，鋁合金在，鋁合金在300時(shí)已降低到時(shí)已降低到100MPa5）耐磨性好）耐磨性好6）良好的疲勞性能和斷裂韌性）良好的疲勞性能和斷裂韌性7）不吸潮、不老化、氣密性好）不吸潮、不老化、氣密性好 在空間設(shè)備中不會(huì)分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境在空間設(shè)備中不會(huì)分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境 以上優(yōu)點(diǎn)使

15、金屬基復(fù)合材料在航天、航空、電子、汽車、以上優(yōu)點(diǎn)使金屬基復(fù)合材料在航天、航空、電子、汽車、先進(jìn)武器系統(tǒng)中均具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)裝備性能的提先進(jìn)武器系統(tǒng)中均具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)裝備性能的提高發(fā)揮巨大作用。高發(fā)揮巨大作用。1.3.3 陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下抗磨損優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下抗磨損性能好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和相對(duì)密度較小。性能好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和相對(duì)密度較小。如歐洲開發(fā)如歐洲開發(fā)Cf/SiC和和SiCf/SiC在在1700和和1200下保持下保持20下的抗拉性

16、能，并有較好的抗壓性能和斷裂延伸率。下的抗拉性能，并有較好的抗壓性能和斷裂延伸率。 缺點(diǎn)：脆性大，可加工性差，成本高（還需新型耐高溫纖缺點(diǎn)：脆性大，可加工性差，成本高（還需新型耐高溫纖維）維）1.4.1 混合定則混合定則（也稱混合法則，不考慮界面效應(yīng)時(shí)）（也稱混合法則，不考慮界面效應(yīng)時(shí)） 一般多相材料的性能可用混合定律來預(yù)測(cè)。假設(shè)一般多相材料的性能可用混合定律來預(yù)測(cè)。假設(shè)P為復(fù)為復(fù)合材料的性能，合材料的性能，x1, x2表示組成相的性能則表示組成相的性能則 P = f(x1,x2,) 用用v1, v2,表示組成相的體積分?jǐn)?shù)，則有以下線性關(guān)系表示組成相的體積分?jǐn)?shù)，則有以下線性關(guān)系 P = x1v

17、1+x2v2+. 對(duì)復(fù)合材料而言，則可表示為對(duì)復(fù)合材料而言，則可表示為 Xc = Xm vm + Xrvr 或或 Xc = Xrvr + Xm（1 - vr） 式中：式中： X：材料的性能，如：材料的性能，如、E、等；等； 下標(biāo)下標(biāo) c、m、r 分別代表復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體。分別代表復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)體。1.4 混合定則與組成體選擇原則混合定則與組成體選擇原則圖圖 SiC/Al的熱膨脹系數(shù)實(shí)測(cè)值與不同模型的比較的熱膨脹系數(shù)實(shí)測(cè)值與不同模型的比較實(shí)例與隨堂作業(yè) ZL101：Al7Si，2.68 (Al:2.7；Si:2.33；Cu:8.96) ZL201：Al5Cu，2.78 ()隨堂作業(yè)：

18、計(jì)算Al40SiC、Al70SiC的、和密度密度g/cm3導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)W/mK熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)106Al2.723823.6SiC3.2703.8Al2O33.9206.5使用混合定律時(shí)，復(fù)合材料滿足以下條件使用混合定律時(shí)，復(fù)合材料滿足以下條件:（1）復(fù)合材料內(nèi)部是均勻的，且不存在內(nèi)應(yīng)力；）復(fù)合材料內(nèi)部是均勻的，且不存在內(nèi)應(yīng)力；（2）各組分材料是均質(zhì)的各向同性及線彈性材料；）各組分材料是均質(zhì)的各向同性及線彈性材料；（3）各組分之間粘結(jié)牢靠，無空隙，不產(chǎn)生相對(duì)滑移。）各組分之間粘結(jié)牢靠，無空隙，不產(chǎn)生相對(duì)滑移。 混合定律表達(dá)了復(fù)合材料的性能與基體和增強(qiáng)材料混合定律表達(dá)了復(fù)合材料的性能與基體和增強(qiáng)材料的性能及分量的關(guān)系。但實(shí)際上復(fù)合材料的性能除這兩個(gè)的性能及分量的關(guān)系。但實(shí)際上復(fù)合材料的性