工程材料-第十一章-復(fù)合材料課件

1、第十一章 復(fù)合材料11.1 復(fù)合材料概述11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理11.3 常用復(fù)合材料第十一章 復(fù)合材料11.1 復(fù)合材料概述復(fù)合材料船體復(fù)合材料船體工程材料-第十一章-復(fù)合材料課件工程材料-第十一章-復(fù)合材料課件管接頭（宇宙飛船上用） 用Beralcast363復(fù)合材料，剛度比鋁材高3倍以上，零件減輕22，與石墨等匹配很好，減少了焊接應(yīng)力。管接頭（宇宙飛船上用）直升飛機(jī)反光鏡和外罩 用Al基復(fù)合材料（SiC+Al合金），硬度高，熱膨脹系數(shù)小，輕且耐磨，可滿足戰(zhàn)斗機(jī)在極端溫度下正常工作。直升飛機(jī)反光鏡和外罩11.1 復(fù)合材料概述一、復(fù)合材料的概念 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對復(fù)合材料的定義：由兩種

2、以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)結(jié)合起來而得到的一種多相固體材料。指經(jīng)人工特意復(fù)合而成的材料，不包括天然復(fù)合材料及鋼、陶瓷這一類多相體系。11.1 復(fù)合材料概述一、復(fù)合材料的概念二、復(fù)合材料的組成和分類11.1 復(fù)合材料概述（一）復(fù)合材料的組成 兩個(gè)基本組成相： 1. 連續(xù)相，稱為基體相，起粘接和固定作用； 2. 分散相，稱為增強(qiáng)相，主要起承受載荷作用。二、復(fù)合材料的組成和分類11.1 復(fù)合材料概述（一）復(fù)合材二、復(fù)合材料的組成和分類11.1 復(fù)合材料概述SiC顆粒Al2O3片Al2O3纖維增強(qiáng)相三種類型（二）復(fù)合材料的分類二、復(fù)合材料的組成和分類11.1 復(fù)合材料概述SiC顆粒A二、復(fù)合材料的組

3、成和分類11.1 復(fù)合材料概述二、復(fù)合材料的組成和分類11.1 復(fù)合材料概述二、復(fù)合材料的組成和分類11.1 復(fù)合材料概述二、復(fù)合材料的組成和分類11.1 復(fù)合材料概述三、復(fù)合材料的性能 既保持了組成材料各自的最佳特性，又有單一材料無法比擬的綜合性能。（一）力學(xué)性能 表11-1 常用金屬材料與復(fù)合材料的性能比較 1. 高的比強(qiáng)度和比模量。 2. 較小的缺口敏感性，較高的疲勞極限，斷裂安全性好。 3. 自振頻率高，阻尼特性好，減振性好；良好的高溫強(qiáng)度、高溫彈性模量和抗蠕變性能。11.1 復(fù)合材料概述 （二）物理、化學(xué)性能 1.密度低，膨脹系數(shù)小。 2.許多復(fù)合材料具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、壓電效應(yīng)、換能、

4、吸波等特殊性能。 3.有些復(fù)合材料還具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。三、復(fù)合材料的性能 既保持了組成材料各自的最佳特性，又有三、復(fù)合材料的性能11.1 復(fù)合材料概述三、復(fù)合材料的性能11.1 復(fù)合材料概述三、復(fù)合材料的性能11.1 復(fù)合材料概述三種材料的疲勞強(qiáng)度三、復(fù)合材料的性能11.1 復(fù)合材料概述三種材料的疲勞強(qiáng)度三、復(fù)合材料的性能11.1 復(fù)合材料概述兩種材料的振動衰減特性三、復(fù)合材料的性能11.1 復(fù)合材料概述兩種材料的振動衰減三、復(fù)合材料的性能11.1 復(fù)合材料概述三、復(fù)合材料的性能11.1 復(fù)合材料概述11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)

5、合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理（一）顆粒增強(qiáng)材料 主要是陶瓷材料顆粒，Al2O3、 SiC 、WC 、TiC 、Si3N4 、B4C 、石墨等。 氧化鋅、碳酸鈣、氧化鋁、石墨等粉末增強(qiáng)材料一般作為填料用于塑料、橡膠制品。 炭黑一般不列入顆粒增強(qiáng)材料之中。1. SiC 顆粒增強(qiáng)材料2. Al2O3 顆粒增強(qiáng)材料一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理（一）顆粒增1. SiC顆粒 -SiC用做研磨和耐高溫材料、也是一種電子材料。-SiC 顆粒沒有明顯的棱角、表面比較光滑，尺寸范圍可小到幾個(gè)nm,可用于制造高密度的耐高溫材料、打印機(jī)使用的 “ 墨粉 ” 。一、

6、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理1. SiC顆粒一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)掃描電鏡圖片-近圓形 -SiC 顆粒 一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理掃描電鏡圖片-近圓形 -SiC 顆粒 一、增強(qiáng)材料1 2. 氧化鋁顆粒 Al2O3，分子量102，“鋁氧”，白色無定形粉狀物，俗稱礬土，離子晶體，共價(jià)鍵，熔點(diǎn)2050，沸點(diǎn)3000，密度3.6g/cm3。 一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理 2. 氧化鋁顆粒一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料氧化鋁顆粒一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理氧化鋁顆粒一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料11

7、.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料（二）晶須增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理 SiC晶須是一種高強(qiáng)度胡須狀（一維）單晶體，具有高強(qiáng)、高模等優(yōu)良的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于金屬基、陶瓷基復(fù)合材料。主要用于陶瓷刀具、宇航領(lǐng)域的高溫元件，主強(qiáng)軸承座、大型泥漿泵等。 n m級- SiC晶須，晶須直徑 100 n m，長徑比10，灰綠色，純度95以上。 m級- SiC晶須，粒徑在0.052.5 m之間，長徑比20。一、增強(qiáng)材料（二）晶須增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)

8、合增SiC晶須一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理SiC晶須一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料（三）纖維增強(qiáng)材料 大自然中有許多天然纖維，如棉花、麻類，動物的絲、毛，石棉等。天然纖維一般強(qiáng)度較低。 常用的纖維增強(qiáng)材料為合成纖維，分為有機(jī)纖維和無機(jī)纖維兩類。有機(jī)纖維有Kevlar纖維、尼龍纖維、芳綸纖維及聚乙烯纖維等；無機(jī)纖維有玻璃纖維、碳（石墨）纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等。11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理1. 玻璃纖維2. 碳纖維一、增強(qiáng)材料（三）纖維增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增 1. 玻璃纖維 玻璃纖維絕緣性、耐熱性、抗腐蝕性好，強(qiáng)度高,用做絕

9、緣材料、玻璃鋼的原料。 glass fiber或fiberglass，成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等制成。單絲直徑從幾m到二十幾m ，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的 1/20 1/5 ，每束纖維原絲都有數(shù)百根甚至上千根單絲組成，通常作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料、電絕緣材料和絕熱保溫材料、電路基板等。 一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理 1. 玻璃纖維一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及玻璃纖維一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理玻璃纖維一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理玻璃纖維布一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)

10、材料及復(fù)合增強(qiáng)原理玻璃纖維布一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理 2. 碳纖維 碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。力學(xué)性能優(yōu)異，具有最高比強(qiáng)度、最高比模量。在2000以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理 2. 碳纖維一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及碳纖維一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理/中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司碳纖維一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理htt一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理一、增強(qiáng)材料1

11、1.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理二、復(fù)合增強(qiáng)原理（一）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合增強(qiáng)原理（1）彌散增強(qiáng)： 0.1 m，顆粒通過限制顆粒鄰近基體的運(yùn)動來強(qiáng)化基體。不僅基體承受載荷，增強(qiáng)顆粒也承受部分載荷。 其性能受顆粒大小影響：顆粒尺寸小，增強(qiáng)效果好；顆粒與基體間的結(jié)合力大，如： 密度 c=pVp+mVm ccomposite pparticle mmatrix 但復(fù)合材料強(qiáng)度極限、硬度不能用混合定律。11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理注意：金屬材料中亞共析鋼也可用混合定律，如： HB = 80 wF + 180 wP b = 230 wF + 770 wP = 50 wF + 20 wP二、復(fù)合增強(qiáng)原

12、理（2）純顆粒增強(qiáng)： 0.1 m，顆粒通二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理 其性能與“紡織”狀態(tài)有關(guān)，適用混合定律。 c=fVf+mVm 航空上研究、應(yīng)用最多。 （二）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合增強(qiáng)原理 纖維承擔(dān)大部分外力，基體主要提供塑性和韌性。其強(qiáng)韌性好，因其基體能阻止裂紋迅速擴(kuò)展。二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理 二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理纖維斷裂后裂紋沿纖維與基體界面擴(kuò)展 二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理纖維斷裂二、復(fù)合增強(qiáng)原理

13、11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理斷裂的纖維被從基體中拔出 二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理斷裂的纖二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理二、復(fù)合增強(qiáng)原理11.2 增強(qiáng)材料及復(fù)合增強(qiáng)原理11.3 常用復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料二、金屬基（MMC）復(fù)合材料三、陶瓷基（CMC）復(fù)合材料四、其它類型復(fù)合材料五、復(fù)合材料的應(yīng)用11.3 常用復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料（一）樹脂基復(fù)合材料的成型 1. 預(yù)浸料 將樹脂浸到纖維或纖維織物上，通過一定處理制成的增強(qiáng)塑料的半成品。 2. 成型方法 （1）手糊成型 （7）樹脂傳遞成型 （2）噴射成型 （8）反應(yīng)注射成型 （

14、3）熱壓罐成型 （9）真空袋法成型 （4）模壓成型 （10）樹脂膜熔浸成型 （5）纏繞成型 （11）低溫固化預(yù)浸料成型 （6）拉擠成型 （12） SCRIMP,RIFT,VARTM 11.3 常用復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料（一）樹脂基復(fù)合材料的成型11.3 常（二）樹脂基復(fù)合材料1.玻璃纖維增強(qiáng)塑料 俗稱玻璃鋼，分熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼，如制雷達(dá)罩、飛機(jī)螺旋槳、直升飛機(jī)機(jī)身、發(fā)動機(jī)葉輪、深水潛艇外殼、掃雷艇（無磁性）等。2. 碳纖維增強(qiáng)塑料 如衛(wèi)星殼體、螺旋槳、發(fā)動機(jī)殼體、網(wǎng)球拍等。3. 硼纖維增強(qiáng)塑料 如飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等。4. 芳綸纖維增強(qiáng)塑料 如飛機(jī)機(jī)身、火箭發(fā)動機(jī)外殼、輕型船艇等。5

15、. 石棉纖維增強(qiáng)塑料 如汽車制動件、閥門、導(dǎo)管等。6. 碳化硅增強(qiáng)塑料 如宇航器結(jié)構(gòu)件。7. 其它增強(qiáng)塑料 混雜纖維增強(qiáng)塑料 ； 顆粒、薄片增強(qiáng)塑料。8. 橡膠基復(fù)合材料 纖維增強(qiáng)橡膠 ； 粒子增強(qiáng)橡膠。一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料（二）樹脂基復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合 汽車用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性材料(GMT)、片狀模塑材料(SMC)、樹脂傳遞模塑材料(RTM)以及手糊FRP制品。一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料 汽車用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括玻璃纖維增強(qiáng)熱塑BMW汽車車門內(nèi)襯 酚醛樹脂玻璃鋼齒輪 一、樹脂基

16、復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料BMW汽車車門內(nèi)襯 酚醛樹脂玻璃鋼齒輪 一、樹脂基復(fù)合材料 玻璃鋼復(fù)合材料是指玻璃纖維增強(qiáng)塑料及其它纖維和填料或改性的樹脂基復(fù)合材料，玻璃鋼/復(fù)合材料管道和容器逐漸取代普通鋼材、不銹鋼和稀有貴重金屬等傳統(tǒng)材料。 一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料 玻璃鋼復(fù)合材料是指玻璃纖維增強(qiáng)塑料及其它纖維和填一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料CFRP（ Carbon Fiber Reinforced Polymer ）一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料CFRP（ 一、樹脂基復(fù)合材料

17、11.3 常用復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料波音787主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料制造一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料波音787主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料制造一、樹脂基復(fù)合材料 新款SLR Mclaren車身由碳纖維復(fù)合材料制，具有非同尋常的能量吸收能力,確保最高標(biāo)準(zhǔn)的乘客安全保護(hù)一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料 新款SLR Mclaren車身由碳纖維復(fù)合材“金龜子”轎車的碳纖維車架一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料“金龜子”轎車的碳纖維車架一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常碳纖維

18、輪轂碳纖維自行車架一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料碳纖維輪轂碳纖維自行車架一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用碳纖維復(fù)合材料高速列車剎車片一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料碳纖維齒輪碳纖維復(fù)合材料高速列車剎車片一、樹脂基復(fù)合材料11.3 荷蘭世界最長碳纖維復(fù)合材料橋，長24.5米，寬5米 一、樹脂基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料荷蘭世界最長碳纖維復(fù)合材料橋，長24.5米，寬5米 一、樹脂（一）金屬基復(fù)合材料的制造方法熱壓擴(kuò)散法 2. 液態(tài)滲透法3. 噴涂沉積法 4. 粉末冶金法二、金屬基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料（一）金屬基復(fù)合材料的制造方法二、金屬基復(fù)合材料11.3 （二）纖維

19、及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料1. 纖維增強(qiáng)鋁（或鋁合金）基復(fù)合材料（1）硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 如航天飛機(jī)蒙皮。（2）碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 如航空航天器天線。（3）碳化硅纖維、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 如航空航天結(jié)構(gòu)件。（4）氧化鋁纖維、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 如汽車發(fā)動機(jī)活塞。2. 纖維增強(qiáng)鈦合金基復(fù)合材料（尚在研究、試驗(yàn)階段）3. 纖維增強(qiáng)鎂（或鎂合金）基復(fù)合材料 優(yōu)點(diǎn)是尺寸穩(wěn)定性好。4. 碳（石墨）纖維增強(qiáng)銅（或銅合金）基復(fù)合材料 功能材料 如電刷。5. 纖維增強(qiáng)高溫合金基復(fù)合材料二、金屬基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料（二）纖維及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料二、金屬基復(fù)合材料11.（三）顆粒增強(qiáng)金屬

20、基復(fù)合材料1. 純顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料（顆粒尺寸大于0.1m）（1）碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al） 如發(fā)動機(jī)缸套、衛(wèi)星支架。（2）顆粒增強(qiáng)高溫合金基復(fù)合材料 如導(dǎo)彈外殼體、尾翼。2. 彌散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料（顆粒尺寸小于0.1m）（1）彌散強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料（燒結(jié)鋁） 如飛機(jī)機(jī)身、高溫活塞。（2）彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料 如白熾燈引線、微波管。二、金屬基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料（三）顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料二、金屬基復(fù)合材料11.3 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織 鋁碳化硅（SiCp/Al、Al/SiC、SiC/Al）采用Al合金作基體，用SiC顆粒作增強(qiáng)體，構(gòu)成有明顯界面的多組相復(fù)合材料，兼具單一金屬不具備的綜合優(yōu)越性能。二、金屬基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織 鋁碳化硅（SiCp/Al、二、金屬基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料Al/SiC增強(qiáng)復(fù)合材料碳化硅增強(qiáng)型玻璃鋼脫硫?yàn)V網(wǎng)硅化石墨材料是碳化硅和石墨的復(fù)合材料二、金屬基復(fù)合材料11.3 常用復(fù)合材料Al/SiC增