工程材料-第十一章-復合材料課件

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

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

3、成和分類11.1 復合材料概述二、復合材料的組成和分類11.1 復合材料概述二、復合材料的組成和分類11.1 復合材料概述二、復合材料的組成和分類11.1 復合材料概述三、復合材料的性能 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）力學性能 表11-1 常用金屬材料與復合材料的性能比較 1. 高的比強度和比模量。 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；良好的高溫強度、高溫彈性模量和抗蠕變性能。11.1 復合材料概述 （二）物理、化學性能 1.密度低，膨脹系數(shù)小。 2.許多復合材料具有導電、導熱、壓電效應、換能、

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

5、合增強原理一、增強材料一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理（一）顆粒增強材料 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材料之中。1. SiC 顆粒增強材料2. Al2O3 顆粒增強材料一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理（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nm,可用于制造高密度的耐高溫材料、打印機使用的 “ 墨粉 ” 。一、

6、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理1. SiC顆粒一、增強材料11.2 增強材料及復合增強掃描電鏡圖片-近圓形 -SiC 顆粒 一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理掃描電鏡圖片-近圓形 -SiC 顆粒 一、增強材料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，共價鍵，熔點2050，沸點3000，密度3.6g/cm3。 一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理 2. 氧化鋁顆粒一、增強材料11.2 增強材料氧化鋁顆粒一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理氧化鋁顆粒一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理一、增強材料11

7、.2 增強材料及復合增強原理一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理一、增強材料（二）晶須增強材料11.2 增強材料及復合增強原理 SiC晶須是一種高強度胡須狀（一維）單晶體，具有高強、高模等優(yōu)良的力學性能，廣泛應用于金屬基、陶瓷基復合材料。主要用于陶瓷刀具、宇航領域的高溫元件，主強軸承座、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、增強材料（二）晶須增強材料11.2 增強材料及復

8、合增SiC晶須一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理SiC晶須一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理一、增強材料（三）纖維增強材料 大自然中有許多天然纖維，如棉花、麻類，動物的絲、毛，石棉等。天然纖維一般強度較低。 常用的纖維增強材料為合成纖維，分為有機纖維和無機纖維兩類。有機纖維有Kevlar纖維、尼龍纖維、芳綸纖維及聚乙烯纖維等；無機纖維有玻璃纖維、碳（石墨）纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等。11.2 增強材料及復合增強原理1. 玻璃纖維2. 碳纖維一、增強材料（三）纖維增強材料11.2 增強材料及復合增 1. 玻璃纖維 玻璃纖維絕緣性、耐熱性、抗腐蝕性好，強度高,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、絡紗、織布等制成。單絲直徑從幾m到二十幾m ，相當于一根頭發(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，通常作為復合材料中的增強材料、電絕緣材料和絕熱保溫材料、電路基板等。 一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理 1. 玻璃纖維一、增強材料11.2 增強材料及玻璃纖維一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理玻璃纖維一、增強材料11.2 增強材料及復合增強原理玻璃纖維布一、增強材料11.2 增強

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

11、1.2 增強材料及復合增強原理二、復合增強原理（一）顆粒增強復合材料的復合增強原理（1）彌散增強： 0.1 m，顆粒通過限制顆粒鄰近基體的運動來強化基體。不僅基體承受載荷，增強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 但復合材料強度極限、硬度不能用混合定律。11.2 增強材料及復合增強原理注意：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、復合增強原

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

13、11.2 增強材料及復合增強原理斷裂的纖維被從基體中拔出 二、復合增強原理11.2 增強材料及復合增強原理斷裂的纖二、復合增強原理11.2 增強材料及復合增強原理二、復合增強原理11.2 增強材料及復合增強原理11.3 常用復合材料一、樹脂基復合材料二、金屬基（MMC）復合材料三、陶瓷基（CMC）復合材料四、其它類型復合材料五、復合材料的應用11.3 常用復合材料一、樹脂基復合材料一、樹脂基復合材料（一）樹脂基復合材料的成型 1. 預浸料 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）低溫固化預浸料成型 （6）拉擠成型 （12） SCRIMP,RIFT,VARTM 11.3 常用復合材料一、樹脂基復合材料（一）樹脂基復合材料的成型11.3 常（二）樹脂基復合材料1.玻璃纖維增強塑料 俗稱玻璃鋼，分熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼，如制雷達罩、飛機螺旋槳、直升飛機機身、發(fā)動機葉輪、深水潛艇外殼、掃雷艇（無磁性）等。2. 碳纖維增強塑料 如衛(wèi)星殼體、螺旋槳、發(fā)動機殼體、網(wǎng)球拍等。3. 硼纖維增強塑料 如飛機機身、機翼等。4. 芳綸纖維增強塑料 如飛機機身、火箭發(fā)動機外殼、輕型船艇等。5

15、. 石棉纖維增強塑料 如汽車制動件、閥門、導管等。6. 碳化硅增強塑料 如宇航器結(jié)構(gòu)件。7. 其它增強塑料 混雜纖維增強塑料 ； 顆粒、薄片增強塑料。8. 橡膠基復合材料 纖維增強橡膠 ； 粒子增強橡膠。一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料（二）樹脂基復合材料一、樹脂基復合材料11.3 常用復合 汽車用玻璃纖維增強復合材料包括玻璃纖維增強熱塑性材料、玻璃纖維氈增強熱塑性材料(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、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料 汽車用玻璃纖維增強復合材料包括玻璃纖維增強熱塑BMW汽車車門內(nèi)襯 酚醛樹脂玻璃鋼齒輪 一、樹脂基

16、復合材料11.3 常用復合材料BMW汽車車門內(nèi)襯 酚醛樹脂玻璃鋼齒輪 一、樹脂基復合材料 玻璃鋼復合材料是指玻璃纖維增強塑料及其它纖維和填料或改性的樹脂基復合材料，玻璃鋼/復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、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料 玻璃鋼復合材料是指玻璃纖維增強塑料及其它纖維和填一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料CFRP（ Carbon Fiber Reinforced Polymer ）一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料CFRP（ 一、樹脂基復合材料

17、11.3 常用復合材料一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料波音787主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復合材料制造一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料波音787主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復合材料制造一、樹脂基復合材料 新款SLR Mclaren車身由碳纖維復合材料制，具有非同尋常的能量吸收能力,確保最高標準的乘客安全保護一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料 新款SLR Mclaren車身由碳纖維復合材“金龜子”轎車的碳纖維車架一、樹脂基復合材料11.3 常用復合材料“金龜子”轎車的碳纖維車架一、樹脂基復合材料11.3 常碳纖維

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

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

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