材料化學(xué)第十章-復(fù)合材料課件

1、復(fù)合材料Chapter 10 Composites1本章內(nèi)容復(fù)合材料概述復(fù)合材料分類復(fù)合材料的基體復(fù)合材料的增強(qiáng)相復(fù)合材料的復(fù)合原理復(fù)合材料的成型工藝2學(xué)習(xí)目的掌握復(fù)合材料的特點(diǎn)；了解復(fù)合材料中基體和增強(qiáng)相的種類、特點(diǎn)和要求；理解復(fù)合材料的復(fù)合原理，包括混合法則、增韌機(jī)制和界面作用；了解復(fù)合材料的成型工藝。3參考書目王榮國(guó) 主編，復(fù)合材料概論，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999聞?shì)督骶?，?fù)合材料原理，武漢理工大學(xué)出版社，1998魯云，先進(jìn)復(fù)合材料，機(jī)械工業(yè)出版社，2004ASM International, Engineered materials handbook, Composites, V

2、ol.1, Metals, Park, 1987410.1 復(fù)合材料概述三大材料：金屬無(wú)機(jī)非金屬有機(jī)高分子復(fù)合材料取長(zhǎng)補(bǔ)短協(xié)同作用產(chǎn)生原來(lái)單一材料沒(méi)有本身所沒(méi)有的新性能無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料復(fù)合材料5復(fù)合材料的定義國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材料 材料大詞典 ：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無(wú)機(jī)非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制成的一類新型材料。6Chapter 9 Composites材料科學(xué)技術(shù)百科全書 ：復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新

3、型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。可以通過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)區(qū)別。 7Chapter 9 Composites復(fù)合材料的特點(diǎn)： 1） 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過(guò)宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；2） 復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；3）復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性?？梢愿鶕?jù)使用條件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。 8

4、Chapter 9 Composites基體和增強(qiáng)材料Matrix and Reinforcement基體連續(xù)相增強(qiáng)材料分散相也稱為增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑、增強(qiáng)相等顯著增強(qiáng)材料的性能多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大。可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。9Chapter 9 CompositesSchematic illustration of composite constituentsChapter 9 Composites10復(fù)合材料歷史古代近代先進(jìn)復(fù)合材料天然復(fù)合材料竹、貝殼，樹(shù)木和竹子： 纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體 動(dòng)物骨骼： 無(wú)機(jī)磷酸鹽和

5、蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成 古代：使用 、效仿 半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年敦煌壁畫泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆 11Chapter 9 Composites近現(xiàn)代：第一代：1940年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料第二代：1960年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料 1965年英國(guó)科學(xué)家研制出碳纖維 1971年美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)出開(kāi)芙拉-49 1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及開(kāi)芙拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料” 用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。第四代：1990年以后，主要發(fā)展多功

6、能復(fù)合材料， 如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。12Chapter 9 Composites10.2 復(fù)合材料的分類按增強(qiáng)材料形態(tài)分類1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料： a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長(zhǎng)纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處； b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無(wú)規(guī)則地分散在基體材料中；2、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中；3、板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。其他增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體 13Chapter 9 CompositesClasses of composites14Chapter 9 Composit

7、es纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類 玻璃纖維復(fù)合材料； 碳纖維復(fù)合材料； 有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料； 金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料； 陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復(fù)合材料?；祀s復(fù)合材料：兩種或兩種以上增強(qiáng)體與同一基體制成的復(fù)合材料可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。15Chapter 9 Composites按基體材料分類 聚合物基復(fù)合材料:以有機(jī)聚合物（熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂及橡膠等）為基體； 金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體； 無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基

8、體。16Chapter 9 Composites按材料作用分類 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件； 功能復(fù)合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、摩擦、屏蔽等）。同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料）異質(zhì)復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬此類）。17Chapter 9 Composites復(fù)合材料系統(tǒng)組合分散相連續(xù)相金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料金屬材料金屬纖維纖維/金屬基復(fù)合材料鋼絲/水泥復(fù)合材料增強(qiáng)橡膠金屬晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基復(fù)合材料金屬片材金屬/塑料板無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復(fù)合材料纖維/陶瓷基復(fù)合材料晶須晶須/金屬基復(fù)合材料晶須/陶瓷基

9、復(fù)合材料顆粒彌散強(qiáng)化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復(fù)合材料碳纖維/陶瓷基復(fù)合材料碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹(shù)脂基有機(jī)高分子材料有機(jī)纖維纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料塑料金屬/塑料橡膠18Chapter 9 Composites各種材料的發(fā)展?fàn)顩r玻璃鋼和樹(shù)脂基復(fù)合材料 非常成熟 廣泛的應(yīng)用 金屬基復(fù)合材料 開(kāi)發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位 陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等 尚處于研究階段 有不少科學(xué)技術(shù)問(wèn)題有待解決19Chapter 9 Composites復(fù)合材料的設(shè)計(jì)從常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)發(fā)展仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，成功地制備出

10、具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復(fù)合材料。仿照鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員利用由碳、鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固40。仿照骨骼的組織特點(diǎn)，人們制造了類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直升飛機(jī)的旋翼，外層是剛度、強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料，中層是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。20Chapter 9 Composites10.3 復(fù)合材料的基體材料 復(fù)合材料的原材料：基體材料金屬材料陶瓷材料聚合物材料增強(qiáng)材料纖維晶須顆粒21Chapter 9 Composites10.3.1 金屬基體材料9.3.1.1 選擇基體的原則目前用作金

11、屬基復(fù)合材料的金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物等?；w材料成分的選擇對(duì)能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能，滿足使用要求十分重要。 22Chapter 9 Composites 金屬基復(fù)合材料的使用要求金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。作為飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合金鎂合金和鋁合金作為基體，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復(fù)合材料。23Chapter 9 Compo

12、sites高性能發(fā)動(dòng)機(jī)：要求復(fù)合材料不僅有高比強(qiáng)度和比模量，還要具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時(shí)不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、一定的高溫強(qiáng)度等，同時(shí)又要求成本低廉，適合于批量生產(chǎn)，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基復(fù)合材料。如碳化硅/鋁復(fù)合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸套等零件。24Chapter 9 Composites工業(yè)集成電路需要高導(dǎo)熱、低

13、膨脹的金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。選用具有高導(dǎo)熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、高比模量等性能的金屬基復(fù)合材料，可能成為解決高集成電子器件的關(guān)鍵材料。25Chapter 9 Composites 金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承載物體，纖維本身具有很高的強(qiáng)度和模量，而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。 26Chapt

14、er 9 Composites如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強(qiáng)度鋁合金要好得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。在研究碳鋁復(fù)合材料基體合金優(yōu)化過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋁合金的強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的性能越低，這與基體和纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有關(guān)。27Chapter 9 Composites對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載物，基體的強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料具有決定性的影響。因此要獲得高性能金屬基復(fù)合材料必須選用高強(qiáng)度鋁合金作為基體，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料一般選用高強(qiáng)度鋁合金（

15、如A365，6061，7075）為基體。28Chapter 9 Composites 基體金屬與增強(qiáng)物的相容性金屬基復(fù)合材料需要在高溫下成型，制備過(guò)程中，處于高溫?zé)崃W(xué)非平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面形成反應(yīng)層。界面反應(yīng)層大多是脆性的，當(dāng)反應(yīng)層達(dá)到一定厚度后，材料受力時(shí)將會(huì)因界面層的斷裂伸長(zhǎng)小而產(chǎn)生裂紋，并向周圍纖維擴(kuò)展，容易引起纖維斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破壞。 29Chapter 9 Composites因此，選擇基體時(shí)應(yīng)充分注意與增強(qiáng)物的相容性（特別是化學(xué)相容性），并盡可能在復(fù)合材料成型過(guò)程中抑制界面反應(yīng)。例如，對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理 在金屬基體中添加其他成分 選擇適

16、宜的成型方法 縮短材料在高溫下的停留時(shí)間等。 30Chapter 9 Composites10.3.1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體分為輕金屬基體和耐熱合金基體 用于450以下的輕金屬基體目前最廣泛、最成熟的是鋁基和鎂基復(fù)合材料，用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、剎車盤等 用于450700的復(fù)合材料的金屬基體鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可在450700使用，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等零件。 用于1000以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體基體主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階段。 31Chapter 9 Compo

17、sites10.3.1.3 功能用金屬基復(fù)合材料的基體要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能，如同時(shí)具有高力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要靠?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)將金屬與增強(qiáng)物做成復(fù)合材料來(lái)滿足需求。主要的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。32Chapter 9 Composites微電子技術(shù)的電子封裝集成電路：需用熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好的材料做基板和封裝零件，以便將熱量迅速傳走，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，來(lái)提高器件可靠性。用于電子封裝的金屬基復(fù)合材料有：高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復(fù)合材料，高

18、模、超高模石墨纖維增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料，金剛石顆粒或多晶金剛石纖維增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料，硼/鋁基復(fù)合材料等33Chapter 9 Composites耐高溫摩擦的耐磨材料碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬及其合金的金屬基復(fù)合材料。高導(dǎo)熱和耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料碳（石墨）纖維、金屬絲、陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁、銅、銀及合金等金屬基復(fù)合材料。耐腐蝕的電池極板材料等34Chapter 9 Composites10.3.2 陶瓷基體在陶瓷基體中添加其他成分（如陶瓷粒子、纖維或晶須）可提高陶瓷的韌性。粒子增強(qiáng)雖能使陶瓷的韌性有所提高，但效果并不顯著。高強(qiáng)度的碳化硅晶須容

19、易摻混在陶瓷基體中，增強(qiáng)陶瓷的作用明顯。用作基體材料的陶瓷一般應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性質(zhì)、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。35Chapter 9 Composites7.4.3 陶瓷基陶瓷基復(fù)合材料（CMC） 36Chapter 9 CompositesCMC的應(yīng)用37Chapter 9 Composites7.4.4 C/C碳/碳復(fù)合材料（C/C） JC/C在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用C/C作為剎車盤38Chapter 9 Composites10.3.3 聚合物基體 10.3.3.1 聚合物基體的種類不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂及各種熱塑性聚合物等。 不飽和聚酯樹(shù)脂是制造玻

20、璃纖維復(fù)合材料的一種重要樹(shù)脂。在國(guó)外，聚酯樹(shù)脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹(shù)脂總量的80%以上。39Chapter 9 Composites聚酯樹(shù)脂特點(diǎn)：工藝性良好，室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡(jiǎn)單。樹(shù)脂固化后綜合性能良好，力學(xué)性能不如酚醛樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂。價(jià)格比環(huán)氧樹(shù)脂低得多，只比酚醛樹(shù)脂略貴一些。不飽和聚酯樹(shù)脂的缺點(diǎn)是固化時(shí)體積收縮率大、耐熱性差等。主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中40Chapter 9 Composites 鄰苯型不飽和聚酯：間苯型不飽和聚酯：雙酚型不飽和聚酯：41Chapter 9 Composites環(huán)氧樹(shù)脂特點(diǎn)：在加熱條件下即能固化，無(wú)須添加固化劑。酸、堿對(duì)固化反應(yīng)起促進(jìn)

21、作用；已固化的樹(shù)脂有良好的壓縮性能，良好的耐水、耐化學(xué)介質(zhì)和耐燒蝕性能；樹(shù)脂固化過(guò)程中有小分子析出，故需在高壓下進(jìn)行；固化時(shí)體積收縮率大，樹(shù)脂對(duì)纖維的粘附性不夠好，但斷裂延伸率低，脆性大。42Chapter 9 Composites 雙酚型環(huán)氧樹(shù)脂：酚醛環(huán)氧樹(shù)脂：43Chapter 9 Composites酚醛樹(shù)脂優(yōu)點(diǎn)：比環(huán)氧樹(shù)脂價(jià)格便宜缺點(diǎn)：吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含量高等。大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強(qiáng)塑料，少量用于玻璃纖維復(fù)合材料、耐燒蝕材料等，很少使用在碳纖維和有機(jī)纖維復(fù)合材料中。44Chapter 9 Composites10.3.3.2 聚合物基體的作用把纖維粘在

22、一起；分配纖維間的載荷；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。用作基體的理想材料，其原始狀態(tài)應(yīng)該是低粘度的液體，并能迅速變成堅(jiān)固耐久的固體，足以把增強(qiáng)纖維粘住。盡管纖維增強(qiáng)材料的作用是承受載荷，但是基體材料的力學(xué)性能會(huì)明顯地影響纖維的工作方式及其效率。 45Chapter 9 Composites例如，在沒(méi)有基體的纖維束中大部分載荷由最直的纖維承受，基體使得應(yīng)力較均勻地分配給所有纖維，這是由于基體使所有纖維經(jīng)受同樣的應(yīng)變，應(yīng)力通過(guò)剪切過(guò)程傳遞，這要求纖維和基體之間有高的膠接強(qiáng)度，同時(shí)要求基體本身也具有高的剪切強(qiáng)度和模量。當(dāng)載荷主要由纖維承受時(shí)，復(fù)合材料總的延伸率受到纖維的破壞延伸率的限制，這通常為1%1.5%

23、。基體的主要性能是在這個(gè)應(yīng)變水平下不應(yīng)該裂開(kāi)。在纖維的垂直方向，基體的力學(xué)性能和纖維與基體之間的膠接強(qiáng)度控制著復(fù)合材料的物理性能。由于基體比纖維弱得多，而柔性卻大得多，所以在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免基體直接橫向受載。46Chapter 9 Composites在高膠接強(qiáng)度體系（纖維間的載荷傳遞效率高，但斷裂韌性差）與較低膠接強(qiáng)度體系（纖維間的載荷傳遞效率不高，但韌性較高）之間需要折衷。在應(yīng)力水平和方向不確定情況下使用或在纖維排列精度較低情況下制造的復(fù)合材料往往要求基體比較軟。在明確應(yīng)力水平情況下使用和在嚴(yán)格控制纖維排列情況下制造的先進(jìn)復(fù)合材料，應(yīng)通過(guò)使用高模量和高膠接強(qiáng)度的基體以更充分地發(fā)揮纖維

24、的最大性能。 47Chapter 9 Composites10.4 復(fù)合材料的增強(qiáng)相增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑等）分散在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料分類纖維及其織物晶須顆粒小片狀、板狀48Chapter 9 CompositesTypes of reinforced compositesChapter 9 Composites4910.4.1 纖維增強(qiáng)體天然纖維植物纖維（棉花、麻類）、動(dòng)物纖維（絲、毛）和礦物纖維（石棉）。強(qiáng)度較低現(xiàn)代復(fù)合材料的增強(qiáng)材料用合成纖維有機(jī)纖維無(wú)機(jī)纖維。50Chapter 9 CompositesTypes of fiber reinforcement orien

25、tationChapter 9 Composites51one-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensional1）有機(jī)纖維 芳香族酰胺纖維Aromatic Polymide Fibre, Kevlar, KF特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量和韌性好等密度較低，而比強(qiáng)度極高，超過(guò)玻璃纖維、碳纖維和硼纖維比模量與碳纖維相近，超過(guò)玻璃、鋼、鋁等。由于韌性好，它不象碳纖維、硼纖維那樣脆，因而便于紡織。常和碳纖維混雜，提高纖維復(fù)合材料的耐沖擊性。Kevlar纖維屬于自熄性材料。52Chapter 9 Composites53Chapter 9 CompositesKEVLAR

26、纖維 聚乙烯纖維（Polyethylene, PE）目前國(guó)際上最新的超輕、高比強(qiáng)度、高比模量纖維，成本也比較低。通常分子量大于106，拉伸強(qiáng)度為3.5GPa，彈性模量為116GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。具有高比強(qiáng)度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。不足之處是熔點(diǎn)較低（約135）和高溫容易蠕變。因此僅能在100以下使用，可用于制做武器裝甲、防彈背心、航天航空部件等54Chapter 9 Composites2）無(wú)機(jī)纖維 玻璃纖維（Glass Fibre, GF或Gt）由含有各種金屬氧化物的硅酸鹽類，經(jīng)熔融后以極快的速度抽絲

27、而成。由于質(zhì)地柔軟，因此可以紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。價(jià)格便宜，品種多，適于編織各種玻璃布，作為增強(qiáng)材料廣泛用于航空航天、建筑領(lǐng)域及日常用品。缺點(diǎn)是不耐磨，易折斷，易受機(jī)械損傷，長(zhǎng)期放置強(qiáng)度下降。55Chapter 9 CompositesExample無(wú)捻玻璃纖維 56Chapter 9 Composites種類：按用途高強(qiáng)度纖維、低介電纖維、耐化學(xué)藥品纖維、耐電腐蝕纖維、耐堿纖維；按化學(xué)成分堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維、無(wú)堿玻璃纖維；按單絲直徑可分為：粗纖維、初級(jí)纖維、中級(jí)纖維、高級(jí)纖維。57Chapter 9 Composites7.4.1 聚合物基玻璃鋼天線反射面玻璃鋼

28、建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢58Chapter 9 Composites(1)GFRP玻璃鋼應(yīng)用于體育用品59Chapter 9 Composites 碳纖維（Carbon Fibre, CF或Cf）纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。生產(chǎn)碳纖維的原料主要為人造絲（粘膠纖維）、聚丙烯烴和瀝青三種，其中以聚丙烯烴最為主要。按力學(xué)性能可將碳纖維分成高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維和普通碳纖維。60Chapter 9 Composites碳纖維的結(jié)構(gòu)模型Polymer Matrix Composites，PMC 普通型 高強(qiáng)度型 高彈性模量型 61Chapter 9

29、Composites碳纖維片材（復(fù)合材料）用于建筑物補(bǔ)強(qiáng)加固62Chapter 9 CompositesPyrolysis（熱解） of polyacrylonitrile (聚丙烯腈，PAN) to form carbon fibersChapter 9 Composites63(2)CFRP碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP） CFRP在民用飛機(jī)中的應(yīng)用CFRP在空間站大型結(jié)構(gòu)以及太陽(yáng)能電池支架中的應(yīng)用64Chapter 9 Composites碳纖維的特點(diǎn)：強(qiáng)度和模量高、密度??；具有很好的耐酸性；熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值具有很好的耐高溫蠕變性能，一般在1900以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形。

30、摩擦系數(shù)小、潤(rùn)滑性好、導(dǎo)電性高。碳纖維的缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時(shí)會(huì)生成二氧化碳。65Chapter 9 Composites 硼纖維（Boron Fibre，BF或Bf）通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)沉積硼層。硼纖維的直徑有100m、140m、200m幾種。硼纖維的特點(diǎn)硼纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.42.65g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.25.2GPa，彈性模量為350400GPa。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。66Chapter 9 Composites硼纖維的缺點(diǎn)工藝復(fù)雜，

31、不易大量生產(chǎn)，其價(jià)格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結(jié)果表明，碳心硼纖維比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復(fù)合材料。67Chapter 9 Composites硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于航天飛機(jī)主艙體支柱68Chapter 9 Composites 氧化鋁纖維Aluminia Fibre，AF多晶連續(xù)纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。優(yōu)點(diǎn)：具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到370強(qiáng)度仍下降不大

32、。缺點(diǎn)：在所有纖維中密度最大。用途：主要用于金屬基復(fù)合材料。69Chapter 9 Composites 碳化硅纖維Silicon Carbide Fibre，SF目前SiC纖維的生產(chǎn)有有機(jī)合成法和CVD法兩種。特點(diǎn)：高強(qiáng)度高模量有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。具有半導(dǎo)體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。70Chapter 9 Composites- 碳化硅71Chapter 9 Composites10.4.2 晶須增強(qiáng)體晶須（Wisker）：具有一定長(zhǎng)徑比（一般大于10）和截面積小于5210-5cm2的單晶纖維材料。具有實(shí)用

33、價(jià)值的晶須直徑約為110m，長(zhǎng)度與直徑比在51000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。72Chapter 9 Composites分類：金屬晶須（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等）氧化物晶須（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等）陶瓷晶須（如碳化物晶須SiC、TiC、ZrC、WC、B4C）氮化物晶須（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）無(wú)機(jī)鹽類晶須（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。73Chapter 9 Composites晶須的制備方法：化學(xué)氣相沉積（CVD）法溶膠凝膠法氣液固（VLS

34、）法液相生長(zhǎng)法固相生長(zhǎng)法原位生長(zhǎng)法。74Chapter 9 Composites10.4.3 顆粒增強(qiáng)體 Particle Reinforcement顆粒增強(qiáng)體：用以改善基體材料性能的顆粒狀材料顆粒增強(qiáng)體的特點(diǎn)是選材方便，可根據(jù)不同的性能要求選用不同的顆粒增強(qiáng)體。顆粒增強(qiáng)體成本低，易于批量生產(chǎn)。75Chapter 9 Composites具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒如碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨、細(xì)金剛石等。剛性顆粒增強(qiáng)體（Ragid Particle Reinforcement）76Chapter 9 Composites顆粒增強(qiáng)體以很細(xì)的粉

35、末（一般在10m以下）加入到金屬基和陶瓷基中起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量和韌性的作用在Al合金中加入體積為30%，粒徑為0.3m的Al2O3顆粒,材料在300時(shí)的拉伸強(qiáng)度仍可達(dá)220MPa，并且所加入的顆粒越細(xì)，復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度越高。在Si3N4陶瓷中加入體積為20%的TiC顆粒，可使其韌性提高5%。77Chapter 9 Composites延性顆粒增強(qiáng)體（Ductile Particle Reinforcement）主要為金屬顆粒，加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中增強(qiáng)其韌性如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學(xué)性能會(huì)有所下降。78Chap

36、ter 9 Composites復(fù)合材料的復(fù)合原理，是反映各種因素對(duì)復(fù)合材料性能的影響規(guī)律。影響復(fù)合材料性能的因素：工藝因素基體和增強(qiáng)材料的性能增強(qiáng)材料的形狀、含量、分布增強(qiáng)材料的以及與基體的界面結(jié)合、結(jié)構(gòu)按照復(fù)合原理，可以對(duì)所需要研究和開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料的性能，包括力學(xué)、物理、化學(xué)性能等進(jìn)行設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)和評(píng)估。 10.5 復(fù)合材料的復(fù)合原理79Chapter 9 Composites在復(fù)合材料中，在已知各組分材料的力學(xué)性能、物理性能的情況下，復(fù)合材料的力學(xué)性能和物理性能主要取決于組成復(fù)合材料的材料組分的體積百分比（vol.%）：9.5.1 混合法則 （mixing rule）Pc ：復(fù)合材料的某性

37、能，如強(qiáng)度、彈性模量、熱導(dǎo)率等；Pi ：各組分材料的對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的某性能；V ：組成復(fù)合材料各組分的體積百分比；i：表示組成復(fù)合材料的組分?jǐn)?shù)。80Chapter 9 CompositesSiC/硼硅玻璃復(fù)合材料的強(qiáng)度隨纖維體積含量線性增加81Chapter 9 Composites顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量與顆粒體積分量的關(guān)系82Chapter 9 Composites復(fù)合材料在受沖擊載荷時(shí)材料發(fā)生破壞（斷裂），其韌性大小取決于材料吸收沖擊能量大小和抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。 以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例，主要有纖維的拔出、纖維與基體的脫粘、纖維搭橋等增韌機(jī)制。10.5.2 增韌機(jī)制83Chapter 9

38、 Composites纖維脫粘纖維搭橋纖維拔出84Chapter 9 Composites10.5.3 界面作用在基體和分散相之間必然存在把不同材料結(jié)合在一起的接觸面界面。復(fù)合材料的界面實(shí)質(zhì)上是具有納米級(jí)以上厚度的界面層，有的還會(huì)形成與增強(qiáng)材料和基體有明顯差別的新相，稱之為界面相。界面的粘結(jié)強(qiáng)度是衡量復(fù)合材料中增強(qiáng)材料與基體間界面結(jié)合狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，界面粘結(jié)強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)弱都不利于材料的力學(xué)性能。 85Chapter 9 Composites復(fù)合材料界面的粘結(jié)方式 機(jī)械結(jié)合靜電作用界面擴(kuò)散界面反應(yīng)86Chapter 9 Composites10.6 復(fù)合材料的成型工藝10.

39、6.1 聚合物基復(fù)合材料的成型工藝 聚合物基復(fù)合材料的性能在纖維與樹(shù)脂體系確定后，主要決定于成型工藝。成型工藝包括兩方面成型，即將預(yù)浸料按產(chǎn)品的要求，鋪置成一定的形狀，一般就是產(chǎn)品的形狀，固化，即使已鋪置成一定形狀的疊層預(yù)浸料，在溫度、時(shí)間和壓力等因素影響下使形狀固定下來(lái)，并能達(dá)到預(yù)計(jì)的性能要求。87Chapter 9 Composites 目前在生產(chǎn)中采用的成型工藝方法有：手糊成型顯法鋪層真空袋壓法成型壓力袋成型樹(shù)脂注射和樹(shù)脂傳遞成型噴射成型真空輔助樹(shù)脂注射成型夾層結(jié)構(gòu)成型模壓成型88Chapter 9 Composites注射成型擠出成型纖維纏繞成型拉擠成型連續(xù)板材成型層壓或卷制成型熱塑性

40、片狀模塑料熱沖壓成型離心澆鑄成型89Chapter 9 Composites 擠出成型示意圖1-轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；2-止推軸承；3-料斗；4-冷卻系統(tǒng)；5-加熱器；6-螺桿；7-機(jī)筒；8-濾板；9-機(jī)頭孔型9010.6.2 金屬基復(fù)合材料的成型技術(shù)工藝研究主要內(nèi)容：金屬基體與增強(qiáng)材料的結(jié)合和結(jié)合方式；金屬基體/增強(qiáng)材料界面和界面產(chǎn)物在工藝過(guò)程中的形成及控制；增強(qiáng)材料在金屬基體中的分布；防止連續(xù)纖維在制備工藝過(guò)程中的損傷；優(yōu)化工藝參數(shù)，提高復(fù)合材料的性能和穩(wěn)定性，降低成本。 91Chapter 9 Composites根據(jù)各種方法的基本特點(diǎn)把金屬基復(fù)合材料的制備工藝分為四大類： 固態(tài)法； 液態(tài)法； 噴射

41、與噴涂沉積法； 原位復(fù)合法。92Chapter 9 Composites常用的金屬基復(fù)合材料制備工藝93Chapter 9 Composites霧化金屬液滴與顆粒共沉積示意圖 94Chapter 9 Composites10.6.3 陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝1纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備1）泥漿燒鑄法這種方法是在陶瓷泥漿中把纖維分散，然后澆鑄在石膏模型中。這種方法比較古老，不受制品形狀的限制，但對(duì)提高產(chǎn)品性能的效果不顯著，成本低，工藝簡(jiǎn)單，適合于短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制作。95Chapter 9 Composites2） 熱壓燒結(jié)法將長(zhǎng)纖維切短（3mm），然后分散并與基體粉未混合，再進(jìn)行熱壓燒結(jié)。這種短纖維增強(qiáng)體在與基體粉末混合時(shí)取向是無(wú)序的，但在冷壓成型及熱壓燒結(jié)過(guò)程中，短纖維在基體壓實(shí)與致密化過(guò)程中沿壓力方向轉(zhuǎn)