第6章 復 合 材 料

1、第第6章復章復 合合 材材 料料6.1復合材料概述6.2增強材料及其界面6.3常用復合材料及其性能6.4復合材料的力學性能預測6.1復合材料概述復合材料概述6.1.1復合材料的定義6.1.2復合材料的命名與分類6.1.1復合材料的定義復合材料的定義(1)復合材料的特性(2)基體的作用(3)增強材料的作用(1)復合材料的特性復合材料的特性1)可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點，使一種材料具有單一材料所沒有的性能。2) 可針對材料性能的需要進行材料的設(shè)計和制造。3) 可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，省掉材料的多次加工工序。(2)基體的作用基體的作用1)可把分散的增強相(如纖維)粘接在一起。2)可分配纖維間的

2、載荷。3)保護纖維不受環(huán)境影響。(3)增強材料的作用增強材料的作用1) 承受載荷。2)纖維材料為復合材料提供剛度、強度和熱穩(wěn)定性。6.1.2復合材料的命名與分類復合材料的命名與分類1.按增強材料的幾何形態(tài)分類2.按基體材料的種類分類3.按材料作用分類1.按增強材料的幾何形態(tài)分類按增強材料的幾何形態(tài)分類(1) 顆粒增強復合材料顆粒狀增強材料分散在基體材料中的復合材料稱為顆粒增強復合材料。(2)纖維增強復合材料增強材料的形貌為纖維狀的復合材料稱為纖維增強復合材料。(3) 編織增強復合材料增強材料為平面二維或立體三維編織物形態(tài)的復合材料稱為編織增強復合材料。圖6-2幾種復合材料的結(jié)構(gòu)示意圖1.按增強

3、材料的幾何形態(tài)分類按增強材料的幾何形態(tài)分類圖6-1復合材料按增強材料的幾何形態(tài)分類2.按基體材料的種類分類按基體材料的種類分類(1)聚合物基復合材料是指以有機聚合物(主要為熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠)為基體制成的復合材料，如玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料等。(2)金屬基復合材料是指以金屬為基體制成的復合材料，如鋁基復合材料等。(3)陶瓷基復合材料是指以陶瓷材料為基體制成的復合材料。3.按材料作用分類按材料作用分類(1)結(jié)構(gòu)復合材料結(jié)構(gòu)復合材料用來制作承受載荷的結(jié)構(gòu)部件，要求它質(zhì)量輕，強度和剛度高，且能承受一定溫度；有時還要求材料的熱膨脹系數(shù)小、絕熱性能好等其他性能。(2)功能復合材料具有各種特殊

4、性能(如阻尼、導電、導磁、換能、摩擦、屏蔽等)的復合材料稱為功能復合材料。6.2增強材料及其界面增強材料及其界面6.2.1復合材料的增強材料6.2.2復合材料的界面6.2.1復合材料的增強材料復合材料的增強材料1.玻璃纖維2.碳纖維3.芳綸纖維4.其他纖維1.玻璃纖維玻璃纖維(1)玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類方法有很多，一般從原料成分和以單絲直徑來分類。(2)玻璃纖維及其制品的生產(chǎn)工藝連續(xù)(無堿)玻璃纖維及其制品的制造，一般由制球、拉絲和紡織三個部分組成。(3)玻璃纖維的性能玻璃纖維具有一系列優(yōu)良性能，如拉伸強度高，防火、防霉、防蛀，耐高溫和電絕緣性能好等。圖6-3拉制玻璃纖維示意圖2.碳纖維

5、碳纖維(1)碳纖維的分類當前國內(nèi)外已經(jīng)商品化的碳纖維種類很多，一般根據(jù)碳纖維的性能和原絲原料來分類。(2)碳纖維的制造目前，制作碳纖維的主要原材料有三種，即人造絲(粘膠纖維)、聚丙烯腈(PAN)及瀝青。(3)碳纖維的性能碳纖維的性能取決于碳纖維的物理及化學結(jié)構(gòu)，由于碳纖維中的碳分子基本平面總是平行于碳纖維軸，因此其性能具有各向異性的特點。表6-1玻璃纖維與玻璃及金屬材料的性能對比圖6-4石墨的晶體結(jié)構(gòu)圖6-5用聚丙烯腈(PAN)制造碳纖維的工藝過程及材料結(jié)構(gòu)的變化a) PANb) 梯形聚合物c) oxyPANd) 碳e) 石墨表6-2碳纖維的主要性能3.芳綸纖維芳綸纖維(1)芳綸纖維的制備將芳

6、綸溶于硫酸溶液，形成紡絲原液。(2)芳綸纖維的性能特點由于在芳綸纖維中分子定向排列，沿纖維方向為強的共價鍵，而橫向為弱的氫鍵，故其性能有各向異性的特點。圖6-6芳綸纖維的結(jié)構(gòu)a) 化學結(jié)構(gòu)式b) 分子排列c) 纖維三維取向表6-3芳綸纖維與其他各種纖維的性能比較4.其他纖維其他纖維(1)碳化硅纖維碳化硅(SiC)纖維是以碳化硅為主要組分的一種陶瓷纖維，這種纖維具有良好的高溫性能及高強度、高模量和化學穩(wěn)定性，主要用于增強金屬和陶瓷，制備耐高溫的金屬或陶瓷基復合材料。(2)硼纖維硼纖維是一種將硼元素通過高溫化學氣相沉積法沉積在鎢絲表面制成的高性能增強纖維。(3)氧化鋁纖維氧化鋁纖維是指以Al2O3

7、為主要成分的陶瓷纖維，一般氧化鋁的質(zhì)量分數(shù)大于70。(4)晶須晶須尺寸很小，其直徑只有幾個微米，長度一般為幾厘米，為單晶體。圖6-7各類增強纖維的比強度與比模量6.2.2復合材料的界面復合材料的界面1.浸潤2.界面結(jié)合3.增強材料的表面處理1.浸潤浸潤圖6-8液體在固體表面的平衡2.界面結(jié)合界面結(jié)合(1)機械鉸合增強纖維與基體之間的機械鉸合可形成界面結(jié)合。(2)靜電結(jié)合當增強纖維和樹脂基體二者表面帶不同的電荷時，正電荷-負電荷之間會產(chǎn)生界面靜電結(jié)合。(3)化學鍵結(jié)合增強纖維表面的化學基團與樹脂基體表面的化學基團之間靠化學反應形成化學鍵結(jié)合。(4)分子纏結(jié)結(jié)合當基體與增強體都是聚合物材料時，增強

8、纖維表面的長鏈高分子與樹脂基體表面的長鏈高分子相互纏結(jié)結(jié)合。(5)擴散反應結(jié)合擴散反應結(jié)合發(fā)生在金屬基與陶瓷基復合材料中。3.增強材料的表面處理增強材料的表面處理(1)玻璃纖維通常玻璃纖維(主要成分是硅酸鹽)與樹脂基體的界面粘接性不好，故常采用偶聯(lián)劑涂層的方法對纖維表面進行處理。(2)碳纖維碳纖維(主要為石墨結(jié)構(gòu))軸平行于石墨結(jié)構(gòu)的基本平面，因此，用未經(jīng)表面處理的碳纖維制成的復合材料其層間剪切強度低。(3)芳綸纖維目前主要是基于化學鍵理論，通過有機化學反應和等離子體處理，在纖維表面引進或產(chǎn)生活性基團，從而改善纖維與基體之間的界面粘接性能。(4)其他纖維對于用于制備金屬基復合材料的纖維，表面處理

9、的目的主要是改善纖維的浸潤性和抑制纖維與金屬基體之間生成界面反應層。6.3常用復合材料及其性能常用復合材料及其性能6.3.1聚合物基復合材料6.3.2金屬基復合材料6.3.3陶瓷基復合材料6.3.1聚合物基復合材料聚合物基復合材料1.聚合物基復合材料的基體與增強體2.聚合物基復合材料的成型加工技術(shù)3.聚合物基復合材料的性能4.常用聚合物基復合材料5.聚合物基復合材料的應用1.聚合物基復合材料的基體與增強體聚合物基復合材料的基體與增強體(1)基體聚合物基復合材料的基體可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類。(2)增強體在聚合物基復合材料中，常用的增強體形狀為顆粒狀、短纖維和長纖維，其中長纖維應用最多

10、。圖6-9用熱固性樹脂制備預浸料坯帶示意圖2.聚合物基復合材料的成型加工技術(shù)聚合物基復合材料的成型加工技術(shù)1)浸漬。2)鋪層。3)合并。4)固化。(1)手糊成型手糊成型是早期采用的簡單聚合物基復合材料的制備方法，可以用圖6-10所示的生產(chǎn)流程圖來表示。(2)噴射成型圖6-11所示為噴射成型示意圖。(3)模壓成型模壓成型是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維復合材料成型方法，其設(shè)備與塑料成型設(shè)備類似。(4)樹脂傳遞模塑成型(Resin Transfer Molding，簡稱RTM)RTM是一種閉模成型方法，其基本過程如圖6-12所示。(5)連續(xù)纏繞成型連續(xù)纖維纏繞成型如圖6-14所示。(6)

11、拉擠成型圖6-15所示為拉擠成型過程原理圖。(7)真空壓力成型真空熱壓成型以預浸料坯帶為原材料，經(jīng)過鋪層，將鋪層件用真空袋包裝，抽真空及加熱加壓等過程使產(chǎn)品固化成型。圖6-10手糊成型生產(chǎn)流程圖圖6-11噴射成型示意圖圖6-12樹脂傳遞模塑成型3.聚合物基復合材料的性能聚合物基復合材料的性能(1)具有較高的比強度和比模量纖維聚合物復合材料的強度及模量與常用的金屬材料，如鋼、鋁、鈦相當。(2)抗疲勞性能好金屬材料的疲勞破壞是由里向外發(fā)展的，斷裂突然發(fā)生，事前沒有任何預兆。(3)減振性能好具有較高自振頻率的受力部件會避免工作狀態(tài)下引起的早期破壞。(4)安全可靠性高聚合物基復合材料中有大量的獨立纖維

12、，每平方厘米的復合材料上有幾千根甚至上萬根纖維，在短期內(nèi)不至于使整個構(gòu)件失去承載的能力。(5)可設(shè)計性強、成型工藝簡單通過改變纖維、基體的種類和相對含量，以及纖維集合形式和排列鋪層方式等可以滿足對復合材料結(jié)構(gòu)與性能的各種設(shè)計要求。表6-4金屬與聚合物基復合材料的比強度和比模量對比4.常用聚合物基復合材料常用聚合物基復合材料(1)玻璃纖維增強熱固性塑料(代號GFRP)玻璃纖維增強熱固性塑料是指玻璃纖維(包括長纖維、布、帶、氈等)為增強材料，熱固性塑料為基體的纖維增強塑料。(2)玻璃纖維增強熱塑性塑料(代號FR-TP) 玻璃纖維增強熱塑性塑料是指玻璃纖維(包括長纖維或短切纖維)為增強材料。(3)碳

13、纖維增強塑料碳纖維增強塑料主要是指以環(huán)氧樹脂為基體，以碳纖維為增強材料的塑料。(4)芳綸纖維增強塑料芳綸纖維增強塑料的基體材料主要是環(huán)氧樹脂，其次是聚乙烯、聚碳酸酯聚酯等。(5)硼纖維增強塑料硼纖維增強塑料是指硼纖維增強環(huán)氧樹脂。(6)碳化硅纖維增強塑料碳化硅纖維增強塑料主要是指碳化硅纖維增強環(huán)氧樹脂。表6-6玻璃纖維增強熱塑性塑料與熱塑性塑料的性能對比5.聚合物基復合材料的應用聚合物基復合材料的應用(1)在航空航天方面的應用航空航天工程對材料的首要要求是高的比強度、比模量和耐燒蝕性能。(2)在交通運輸方面的應用聚合物基復合材料在交通運輸方面的應用已有幾十年的歷史，主要包括車輛制造及造船工業(yè)。

14、(3)在石油化工方面的應用纖維增強聚合物基復合材料具有突出的耐酸、耐堿和耐其他介質(zhì)腐蝕等特點，因而，在化學防腐工程上和石油化工設(shè)備方面獲得了廣泛應用。(4)在建筑工程方面的應用玻璃纖維增強聚合物基復合材料具有透光、隔熱、隔音、耐腐蝕及成本較低等特點，因而在建筑工業(yè)上得到了廣泛應用。(5)在電氣和機械方面的應用聚合物基復合材料具有優(yōu)異的介電性能，又有耐蝕、耐磨、隔聲、隔熱等性能，在電工器材制造方面得到了廣泛應用。(6)在體育及醫(yī)療衛(wèi)生方面的應用體育器材往往在使用時變形較大，并反復承受無規(guī)則的交變振動和沖擊力。6.3.2金屬基復合材料金屬基復合材料1.金屬基復合材料的基體2.金屬基復合材料的制造技

15、術(shù)3.金屬基復合材料的基本性能4.常用金屬基復合材料及其應用1.金屬基復合材料的基體金屬基復合材料的基體金屬基復合材料可分為結(jié)構(gòu)用金屬基復合材料和功能用金屬基復合材料。結(jié)構(gòu)用金屬基復合材料根據(jù)使用的溫度范圍又可分為低溫、中溫和高溫三類。2.金屬基復合材料的制造技術(shù)金屬基復合材料的制造技術(shù)(1)固態(tài)法固態(tài)法是指由固態(tài)顆粒狀或薄板狀金屬基體與固態(tài)增強材料復合形成金屬基復合材料的方法。(2)液態(tài)法液態(tài)法是基體為液態(tài)下制造金屬基復合材料的方法，主要包括液態(tài)金屬攪拌鑄造法和真空壓力浸漬法。(3)沉積法沉積法是將基體金屬與增強顆粒同時沉積制備金屬基復合材料的一種方法。圖6-16纖維滾筒纏繞制造初步粘合體示

16、意圖3.金屬基復合材料的基本性能金屬基復合材料的基本性能(1)物理及化學性能物理及化學性能包括導熱和導電性能、熱膨脹性能和氣體吸附性能。(2) 力學性能包括室溫與高溫力學性能。圖6-17真空壓力浸漬法示意圖a) 纖維預制件放在模具中b) 排出氣體c) 高壓氣體使液態(tài)金屬滲進纖維預制件4.常用金屬基復合材料及其應用常用金屬基復合材料及其應用(1)鋁基復合材料鋁具有良好的塑性和韌性、易加工、可靠性高、價格低廉，所以，鋁基復合材料的研究較多。(2)鎂基復合材料近年來也加速了鎂基復合材料的研制步伐。(3)鈦基復合材料鈦比其他任何普通的結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強度。(4)鎳基復合材料研究鎳基復合材料的應用目

17、的是將其用做燃氣渦輪發(fā)動機的葉片，這類零件可在高溫和接近現(xiàn)有合金所能承受的最高應力下工作。(5)銅基復合材料近年來，銅基復合材料也受到人們極大的重視。6.3.3陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料1.陶瓷基與碳基復合材料2.碳碳復合材料1.陶瓷基與碳基復合材料陶瓷基與碳基復合材料(1)陶瓷基復合材料的基體與增強體常用陶瓷基復合材料的基體包括氧化物(Al2O3、ZrO2)、氮化物(Si3N4、BN、AlN、TiN)、碳化物(SiC、ZrC、Cr3C2、WC)、硼化物(ZrB2、TiB2、HfB2、LaB6)、硅化物(MoSi2、TaSi2、NbSi2)和玻璃陶瓷。(2)陶瓷基復合材料的成型加工技術(shù)長纖維

18、增韌陶瓷基復合材料的性能好，但加工成本高。(3)陶瓷基復合材料的性能陶瓷基復合材料保留了陶瓷基體材料的絕大多數(shù)優(yōu)良性能，如高強度、高模量、耐高溫、耐磨損、高硬度等。(4)陶瓷基復合材料的實用化陶瓷基復合材料已經(jīng)實用化或即將實用的領(lǐng)域包括切削刀具、滑動構(gòu)件、航空航天構(gòu)件及發(fā)動機制件等。圖6-21料漿浸漬-熱壓燒結(jié)工藝流程圖6-22直接反應沉積法示意圖表6-10SiC(晶須)/ S復合材料的性能表6-11顆粒增強陶瓷基復合材料的力學性能圖6-24陶瓷基復合材料的增韌機理a)陶瓷基復合材料的斷口形貌b)裂紋擴展示意圖2.碳碳復合材料碳碳復合材料(1)碳碳復合材料的制備方法碳碳復合材料的制造工藝主要包括以下幾個步驟：制備碳纖維預制件;制備碳基體(致密化處理);石墨化處理和抗氧化處理，這兩個步驟可以根據(jù)使用需要進行選擇。(2)碳碳復合材料的性能 碳碳復合材料的性能與纖維的類型、增強方向、制造條件以及基體碳的微觀結(jié)構(gòu)等諸多因素密切相關(guān)。(3)碳碳復合材料的應用碳碳