材料科學第六章復合材料

第六章復合材料材料科學概論機電學院劉艷花2023/1/161

實際上，復合材料不是人們發(fā)明的一種新材料，在自然界中就有許多天然的復合材料。身邊的復合材料—天然復合材料2023/1/162身邊的復合材料—傳統(tǒng)復合材料

人類社會發(fā)展的早期出現(xiàn)了一些古老的、原始的復合材料，我們稱之為傳統(tǒng)復合材料。粘土+麥稈復合材料土坯房2023/1/163身邊的復合材料—傳統(tǒng)復合材料藤浸漬桐油復合材料盔甲2023/1/164身邊的復合材料—傳統(tǒng)復合材料巴比倫空中花園為防止?jié)B水，每層都鋪上浸透柏油的柳條墊，墊上再鋪兩層磚，還澆注一層鉛，然后在上面培上肥沃的土壤，種植了許多來自異域他鄉(xiāng)的奇花異草，并設有灌溉的水源和水管。

2023/1/165身邊的復合材料—現(xiàn)代復合材料復合材料作為一種先進材料出現(xiàn)，是從上世紀40年代的玻璃纖維增強塑料開始，為了與天然的、古代出現(xiàn)的復合材料區(qū)分，稱之為現(xiàn)代復合材料。2023/1/166金屬基復合材料聚合物基復合材料陶瓷基復合材料本章主要內(nèi)容復合材料概述碳/碳復合材料2023/1/1676.1復合材料概述2023/1/168復合材料的定義復合材料是由兩種或兩種以上物理、化學、力學性能不同的物質(zhì)組合而成的多相固體材料。2023/1/169復合材料的組成復合材料是由基體和增強體兩部分組成的：基體(matrix)—一般把在材料中占主要組分的材料稱為基體；增強體(reinforcement)—其它組分稱為增強材料或增強相。2023/1/1610復合材料的種類復合材料結構復合材料功能復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料樹脂基復合材料水泥基復合材料導電導磁復合材料阻尼吸聲復合材料屏蔽功能復合材料摩擦磨損復合材料石墨基復合材料2023/1/1611復合材料的性能特點比強度和比彈性模量高抗疲勞與斷裂安全性能好良好的減震性能良好的高溫性能大量的增強纖維對裂紋的擴展起到阻礙作用纖維增強復合材料具有較高的自震頻率，不易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，具有一定的減震作用增強纖維的熔點都很高，并且在高溫下仍具有較高的強度2023/1/1612聚合物材料

熱固性樹脂(聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等)；熱塑性樹脂(聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚砜等)。金屬材料

鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬陶瓷材料

玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷碳

樹脂碳、熱解碳復合材料的基體材料2023/1/1613復合材料的增強材料復合材料所用的增強材料主要有三類：纖維：無機纖維(玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維、Al2O3纖維)

有機纖維(芳綸纖維、尼龍纖維、聚乙烯纖維等)晶須：金屬晶須(Ni、Cu、Ag、Ti等)

陶瓷晶須(Al2O3、MgO、SiC、Si3N4、AlN等)顆粒：金屬顆粒(Al、Co等)

非金屬顆粒(Al2O3、SiC、Si3N4、石墨、細金剛石等)2023/1/1614光導纖維光纖—由石英玻璃纖維制成，光纖的中芯是石英玻璃纖維，外面是一層二氧化硅半導體層，最外面包覆樹脂。2023/1/1615華裔物理學家高錕在光纖領域做出了突出貢獻，因此，他被稱為“光纖之父”，并由此使他在2009年與美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·埃爾伍德·史密斯共享諾貝爾物理學獎。光纖之父—高錕2023/1/1616復合材料的界面

復合材料的界面是指基體與增強材料之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。包括：基體和增強物的部分原始接觸面；基體和增強物相互反應生成的產(chǎn)物；產(chǎn)物與基體和增強物的接觸面；基體和增強物的互擴散層。2023/1/1617界面效應對復合材料的性能具有重要作用：傳遞效應—界面將外力傳遞給增強物，起基體和增強物之間的橋梁作用阻斷效應—阻止裂紋擴展、中斷材料破壞的作用不連續(xù)效應—界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性，如抗電性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等散射和吸收效應—光波、沖擊波等在界面上產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性等誘導效應—通過界面增強物的表面結構誘導基體的表面結構發(fā)生改變，使性能增強復合材料的界面效應2023/1/16186.2金屬基復合材料2023/1/1619金屬基復合材料(MetalMatrixComposite,MMC)MMC是以陶瓷例如連續(xù)長纖維、短纖維、晶須、顆粒等為增強材料，以金屬例如鋁、鎂、鈦、鎳、銅、鐵等為基體材料復合而成的。

這種復合材料以其優(yōu)異的性能在航空航天、軍事領域、汽車、電子儀表、體育器材、先進武器系統(tǒng)等行業(yè)中顯示出了巨大的應用潛力。金屬基復合材料—組成2023/1/1620高比強度、高比模量良好的導熱、導電性能熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好良好的耐高溫性能良好的耐磨性能良好的耐疲勞性能和斷裂韌性不吸潮、不老化、氣密性好金屬基復合材料—主要性能2023/1/1621長纖維增強金屬基復合材料1、硼/鋁復合材料硼鋁復合材料以其高比強度和高比模量主要用作結構材料。硼纖維高溫強度高，1500度時蠕變速率低。但高溫氧化后強度降低，所以一般在硼纖維表面涂覆一層SiC或B4C，防止硼纖維表面氧化。常見金屬基復合材料2023/1/1622長纖維增強金屬基復合材料2、石墨/鋁復合材料這種材料具有導電性高、摩擦系數(shù)小和耐腐蝕等特點。利用石墨纖維表面沉積Ti/Bi涂層技術，可改善石墨纖維與液態(tài)鋁的潤濕性，有效控制鋁與纖維的表面反應，提高復合材料的性能。常見金屬基復合材料2023/1/1623長纖維增強金屬基復合材料3、石墨/鎂復合材料這種材料密度低、線膨脹系數(shù)為零，尺寸穩(wěn)定性好，是金屬基復合材料中具有最高比強度和比彈性模量的復合材料?？稍谑w維表面沉積TiB2，提高石墨纖維的潤濕性。常見金屬基復合材料2023/1/1624長纖維增強金屬基復合材料4、碳化硅/鈦復合材料碳化硅纖維比強度高、比模量高，高溫強度高，耐熱、耐氧化，與金屬的反應小，潤濕性好。這種復合材料的高溫強度高，主要應用于飛機發(fā)動機部件和渦輪葉片以及火箭發(fā)動機箱體材料。常見金屬基復合材料2023/1/1625長纖維增強金屬基復合材料5、氧化鋁/鋁復合材料氧化鋁纖維在氧化氣氛中穩(wěn)定，能在高溫下保持其強度、剛度，且硬度高，耐磨性好。這種復合材料具有高強度和高剛度，可用于汽車發(fā)動機活塞和其他發(fā)動機零件。常見金屬基復合材料2023/1/1626短纖維增強金屬基復合材料1、氧化鋁/鋁復合材料2、碳化硅/鋁復合材料3、氧化鋁/鎳復合材料常見金屬基復合材料2023/1/1627航空領域金屬基復合材料—應用2023/1/1628F-16戰(zhàn)斗機的腹鰭采用SiC/Al復合材料，相比鋁合金蒙皮，壽命由原來的數(shù)百小時提高到設計的全壽8000h，全壽命節(jié)約檢修費用達2600萬美元。2023/1/1629EC-120直升機超音速飛機2023/1/1630金屬基復合材料—應用航天領域航天飛機哈勃望遠鏡2023/1/1631左圖：Al203短纖維/Al汽車活塞（活塞環(huán)）中圖：SiCp/Al連桿，鍛件替代鋼連桿，減重6Kg右圖：SiCp/Al，Al203p/Al汽車剎車盤，減重60％

金屬基復合材料—應用汽車行業(yè)2023/1/1632軍工行業(yè)金屬基復合材料—應用2023/1/1633“好奇號”火星探測器

由于“好奇”火星探測器入軌的特殊性，其外部溫度可達2093攝氏度。熱防護系統(tǒng)采用片狀的酚碳燒蝕材料（PhenolicImpregnatedCarbonAblator,PICA）

2023/1/16346.3聚合物基復合材料2023/1/1635聚合物基復合材料(PolymerMatrixComposite,PMC)PMC是以連續(xù)纖維等為增強材料，以有機聚合物為基體材料復合而成的，是目前結構復合材料中發(fā)展最早、研究最多、應用最廣的一類復合材料。

這種復合材料以其優(yōu)異的性能在航空航天、軍事領域、汽車、電子儀表、體育器材、船舶等各個方面都有應用。聚合物基復合材料2023/1/1636比強度、比模量大減震性好過載時安全性好良好的耐疲勞性能很好的加工工藝性具有多種功能性—耐燒蝕、耐腐蝕、耐摩擦、高度的電絕緣性能、特殊的光電磁性能聚合物基復合材料—主要性能2023/1/1637一、玻璃鋼（玻璃纖維增強塑料，GFRP)

聚合物基復合材料中，就應用廣泛性來說，特別值得介紹的是玻璃鋼，即玻璃纖維增強塑料（GFRP）。GFRP是一類采用玻璃纖維增強以酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等熱固性樹脂為基體的聚合物基復合材料。GFRP是物美價廉的復合材料。

聚合物基復合材料2023/1/1638GFRP的突出特點是密度低、比強度高。其密度為1.6～2.0g/cm3，比輕金屬鋁還低，而比強度要比最高強度的合金鋼還高3倍，“玻璃鋼”的名稱就是由此而來。因此，玻璃鋼在需要輕質(zhì)高強材料的航空航天工業(yè)首先得到廣泛應用，在波音B－747飛機的機內(nèi)、外結構件中玻璃鋼的使用面積達到了2700m2，如雷達罩、機艙門、燃料箱、行李架和地板等。由于火箭結構材料不但要求具有高比強度和比模量，而且還要求材料的耐燒蝕性能，可采用玻璃鋼用于航天工業(yè)中做火箭發(fā)動機殼體、噴管。聚合物基復合材料2023/1/1639石油化工工業(yè)—輕質(zhì)、高強、耐腐蝕應用于貯槽、貯罐、反應設備、管道、閥門、泵、管件等GFRP的應用玻璃鋼管道與接頭在石油、化工工業(yè)中的應用2023/1/1640建筑業(yè)—輕質(zhì)高強、保溫節(jié)能、防震抗震應用于屋頂、天花板、衛(wèi)生間、門窗、橋梁等GFRP的應用玻璃鋼用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢玻璃鋼整體衛(wèi)浴玻璃鋼門窗2023/1/1641造船業(yè)—輕質(zhì)高強、耐腐蝕、穩(wěn)定性好應用于賽艇、游艇、救生艇、帆船、漁輪、掃雷艇等GFRP的應用2023/1/1642宇航工業(yè)—輕質(zhì)高強、耐腐蝕、穩(wěn)定性好應用于飛機、火箭、導彈、雷達等GFRP的應用2023/1/1643采用玻璃鋼制作的體育娛樂用品也越來越多，大到快艇、帆船、滑雪車，小到自行車賽車、滑雪板等，應有盡有。GFRP的應用2023/1/1644二、碳纖維增強聚合物基復合材料(CFRP）

CFRP密度更低，具有比玻璃鋼更高的比強度和比模量，比強度是高強度鋼和鈦合金的5～6倍，是玻璃鋼的2倍，比模量是這些材料的3～4倍。在航天工業(yè)中作為主結構材料，如航天飛機有效載荷門、副翼、垂直尾翼、主起落架門、內(nèi)部壓力容器等都是采用CFRP，為此航天飛機減重達2噸之多。此外在空間站大型結構桁架及太陽能電池支架也采用CFRP。在航空工業(yè)，CFRP首先在軍用飛機中得到應用，如美國F－14、F－16、F－18上主翼外殼、后翼、垂直安定面、水平和垂直尾翼等，軍用直升飛機主旋翼和機身等?，F(xiàn)在甚至在研究全機身CFRP的戰(zhàn)斗機。同樣，在民用飛機中也在大量采用CFRP，如波音B－757、B－777上的阻流板、方向舵、升降舵、內(nèi)外副翼等。

聚合物基復合材料2023/1/1645CFRP在飛機上的應用面積圖示2023/1/1646CFRP制造的火箭和導彈的殼體，比金屬制的重量減輕45%,射程由原來的1600km增加到4000km。CRFP制造的飛行器的外殼，具有防宇宙射線的作用。飛行器穿越大氣層時，外表面的溫度高達4000-6000℃，因此飛行器表面需加防熱層，這種防熱材料采用最好的合金或陶瓷都無法承擔，但是碳纖維增強的酚醛塑料就能夠勝任。聚合物基復合材料2023/1/1647

由于碳纖維的價格高，CFRP主要應用于航空航天領域。但隨著碳纖維的研究開發(fā)工作的深入，碳纖維價格在不斷降低，因此在玻璃鋼應用的一些領域也開始采用更輕、更強和剛性更好的CFRP。如體育用品中的網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、釣魚桿，F(xiàn)－1方程式賽車車身。同樣，為減輕車體重量，降低油耗，提高車速，在汽車的部分部件也開始采用CFRP。甚至在大型混凝土結構遭受一定的破壞后（如地震），用CFRP片材進行修復，可節(jié)省大量資金。碳纖維片材（復合材料）用于建筑物補強加固聚合物基復合材料2023/1/16486.4陶瓷基復合材料2023/1/1649什么是陶瓷基復合材料？在陶瓷基體中添加碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳化硅晶須、氧化鋁晶須、碳化硅顆粒和碳化鈦顆粒，所形成的復合材料稱為陶瓷基復合材料。這些纖維的加入可以大大提高陶瓷材料的強度和韌性。陶瓷基復合材料2023/1/1650長纖維增強陶瓷基復合材料1、碳/陶瓷基復合材料這種復合材料具有很高的高溫強度、彈性模量和較高的韌性。碳纖維增強的氮化硅陶瓷可在1400度以上的高溫下長期工作；碳纖維增強的石英陶瓷復合材料，沖擊韌性比燒結石英陶瓷高40倍、抗彎強度大5－12倍?？沙惺?200－1500度高溫氣流的沖擊。陶瓷基復合材料2023/1/1651長纖維增強陶瓷基復合材料2、碳化硅/陶瓷基復合材料碳化硅纖維可與多種陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等復合。碳化硅纖維通常采用化學氣相沉積法制備。利用碳化硅纖維強化的碳化硅陶瓷，其斷裂韌性提高5－6倍，抗彎強度提高50％以上，且基體與纖維之間的結合性能良好。陶瓷基復合材料2023/1/1652短纖維及晶須增強陶瓷基復合材料1、碳/玻璃陶瓷基復合材料晶須：SiC、Si3N4、Al2O3晶須。2、晶須/陶瓷基復合材料基體：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO2、莫來石等。陶瓷基復合材料2023/1/1653顆粒增強陶瓷基復合材料1、氧化鋯/陶瓷基復合材料利用ZrO2相變增韌原理，提高陶瓷的斷裂韌性。利用ZrO2增韌的氧化Al2O3陶瓷，其斷裂韌性可提高1.4倍。2、氧化釔/陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料2023/1/1654SiC晶須增強氧化鋁鉆頭（左圖）顆粒增強氮化硅刀具(中圖)采用顆粒增強氮化硅刀具加工高硬度的高鉻鑄鐵件（右圖）陶瓷基復合材料2023/1/1655CMC的最大特點是其高溫強度和模量、其最大的應用應在航空航天領域，如發(fā)動機的各種高溫結構件葉片、燃燒室等和導彈的鼻錐、火箭噴管。這是陶瓷基復合材料應用的發(fā)展方向。此外，CMC可以制作人工關節(jié)等在生物醫(yī)學領域得到應用。

陶瓷基復合材料2023/1/16566.5碳/碳復合材料2023/1/1657碳/碳復合材料就是碳纖維增強的碳基復合材料，它的組成元素只有一種，即碳，因此，它具有許多碳和石墨材料的優(yōu)點。碳碳復合材料的優(yōu)點：低密度；優(yōu)異的熱性能；優(yōu)異的力學性能。碳/碳復合材料這種材料是將碳纖維用聚合物浸潤，固化成型后，在無氧條件下，高溫裂解樹脂，得到碳/碳復合材料。碳/碳復合材料的強度和剛度都相當好，能承受極高的溫度和極高的加熱速度，高溫力學性能比低溫時還好，是目前使用溫度最高的復合材料。2023/1/1658碳/碳復合材料碳碳復合材料的發(fā)現(xiàn)來自于一次偶然的實驗，1958年，美國ChanceVought航空公司為了測定CF增強酚醛樹脂復合材料中的CF含量，由于實驗過程的失誤，聚合物基體沒有被氧化，反而被熱解碳化，意外得到了碳基體。該公司的研發(fā)人員并沒有將此次實驗的樣品拋棄，而是對其進行了仔細分析，并利用這種方法多次實驗，最后發(fā)現(xiàn)，這種CF增強的碳基復合材料有一系列優(yōu)異的物理和高溫性能，是一種新型的結構復合材料，從此，復合材料大家庭又增添了一名新成員。碳/碳復合材料（C/C）是由碳纖維及其制品（碳氈、碳布等）增強的碳基復合材料。一般C/C是由碳纖維及其制品作為預制體，通過化學氣相沉積法（CVD）或液態(tài)樹脂、瀝青浸漬碳化法獲得C/C的基體碳來制備的。2023/1/1659碳/碳復合材料一、在軍事領域的應用最初作為耐燒蝕材料用于軍事工業(yè)的導彈彈頭和固體火箭發(fā)動機噴管等。戰(zhàn)略彈道導彈的彈頭除要滿足再入大氣層時為音速10～20倍的高速和幾十兆帕的局部壓力外，還要經(jīng)受上千度的氣動加熱，彈頭必需進行燒蝕防熱處理以提高導彈的命中精度，而C/C成為最佳材料。2023/1/1660另一用途是作為固體火箭發(fā)動機噴管、喉襯。碳/碳復合材料2023/1/1661二、在航天領域的應用采用C/C作為航天飛機的鼻錐、機翼前緣，因為這些部位是航天飛機再入大氣層時需要經(jīng)受近2000℃的高溫。碳/碳復合材料

C/C作為航天飛機的鼻錐等2023/1/1662三、在航空領域的應用C/C的另一重要的性能是其優(yōu)異的摩擦磨損性能。C/C中的碳纖維除增強碳基體外，也提高了復合材料的摩擦系數(shù)。C/C的高溫摩擦時能大量吸收能量（820～1050kJ/KgC/C），在高速、高能量條件下的摩擦升溫高達1000℃以上，其摩擦性能仍然保持平穩(wěn)，而且磨損量很低，這是其它摩擦材料所不具有的。正因為如此，C/C作為軍用和民用飛機的剎車盤材料得到了越來越廣泛的應用，圖示為空中客車A320的C/C剎車裝置。目前60～70％的C/C主要用于摩擦材料，包括飛機剎車盤、F－1賽車、高速列車的剎車制動材料等。碳/碳復合材料2023/1/1663

C/C作為剎車盤碳/碳復合材料2023/1/1664四、在醫(yī)療方面的應用

C/C的另一用途是利用其與人體的生物相容性，用于生物醫(yī)學領域，例如人工心臟瓣膜、人工骨骼、人工牙