材料工程基礎(chǔ)第十三章

（優(yōu)選）材料工程基礎(chǔ)第十三章目前一頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點第十三章復(fù)合材料

（COMPOSITE）13.1概念13.2彌散增強(qiáng)復(fù)合材料13.3顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料13.4/5纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及成形工藝13.6夾層結(jié)構(gòu)13.7功能復(fù)合材料目前二頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點13.1復(fù)合材料的概念

國際標(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)組合起來而得到的一種多相固體?！碧烊粡?fù)合材料：木材＝纖維素（柔）＋木質(zhì)素（剛）骨骼＝膠原蛋白（柔）＋磷灰石（剛）早期人造復(fù)合材料：泥土＋草（建材）目前三頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點近代“復(fù)合材料”是指人造材料！復(fù)合材料＝基體組元＋增強(qiáng)體/功能組元例如：混凝土＝水泥＋砂石性能取決于：兩相的性能、比例、界面及增強(qiáng)體的幾何特征等。按用途分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，功能復(fù)合材料目前四頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按不同增強(qiáng)相分類目前五頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按不同基體分類目前六頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點功能復(fù)合材料

除力學(xué)性能以外，還提供其他物理性能并包括部分化學(xué)和生物性能的復(fù)合材料?？蓪崿F(xiàn)的功能特性：導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、放熱。目前七頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點13.2彌散增強(qiáng)復(fù)合材料

(Dispersionstrengthenedcomposite)金屬或合金中加入一定量的惰性硬質(zhì)粉末，并使之均勻分散，從而提高金屬或合金的強(qiáng)度。

機(jī)理：

基體：承受載荷；分散相：阻止位錯運動。與“沉淀硬化”比較：在復(fù)合材料中彌散分布的顆粒不是由相變產(chǎn)生的，而且，兩相之間有明晰的無取向關(guān)系的界面分開.目前八頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點

Al2O3particle/Al制備：1）噴霧法制成Al粉表面有一層氧化膜。2）粉末冶金法壓成型。Al2O3就彌散分布在Al的基體中。Al2O3比Al的熔點高得多，基本不溶入Al內(nèi)，彌散分布，可以起到阻礙位錯滑移的作用，使鋁合金強(qiáng)化。特點：熔點高達(dá)2040℃，這種復(fù)合材料在較高溫下也能保持足夠的強(qiáng)度。目前九頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點幾種彌散增強(qiáng)復(fù)合材料的典型例子體系用途Al2O3/Al

核反應(yīng)堆

PbO/Pb蓄電池鉛板Cd/Ag電接觸材料ThO2/W燈絲、發(fā)熱體目前十頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點13.2顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料

(Particlestrengthenedcomposite)金屬、陶瓷、聚合物中加入增強(qiáng)相顆粒。

機(jī)理：

基體：承受載荷；分散相：承擔(dān)部分應(yīng)力，限制基體運動。與“彌散增強(qiáng)復(fù)合材料比較”：強(qiáng)化機(jī)制。目前十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料彈性模量的混合法則

（Ruleofmixture）上限：Ec=Emφm+Epφp下限：E和φ分別表示彈性模量和體積分?jǐn)?shù)；下標(biāo)c，m和p分別表示復(fù)合材料、基體和增強(qiáng)顆粒。目前十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點幾種顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料1、金屬陶瓷（硬質(zhì)合金）

WC－Co硬質(zhì)合金的金相組織。灰黑色顆粒為WC，白色部分為Co。硬質(zhì)合金中WC的含量在75％到90%之間。制備：粉末冶金目前十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點2、混凝土混凝土＝水泥＋水＋砂＋石石子和砂是填充料，用以降低混凝土的成本，它們靠水泥粘結(jié)在一起。石子和砂的體積是總體積的60－75％

混凝土示意圖目前十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點3、炭黑增強(qiáng)橡膠橡膠＋炭黑/SiO2顆粒降低成本，提高強(qiáng)度、韌性、抗撕裂性和耐磨性。汽車輪胎一般含有15％～30％的炭黑目前十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點13.4/5纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及成形工藝1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維：連續(xù)（長）纖維、短纖維和晶須

纖維：玻璃、碳、硼、碳化硅、尼龍、芳綸（Kevlar）

晶須：石墨、碳化硅、氮化硅和氧化鋁基體：聚合物、陶瓷、金屬目前十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點2、纖維的增強(qiáng)效果1）單向增強(qiáng)——各向異性2）無序增強(qiáng)——各向同性目前十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點單向增強(qiáng)的混合法則連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料受到軸向作用力時，纖維相與基體相所受載荷之比為：F代表載荷，E和φ分別表示彈性模量和體積分?jǐn)?shù)；下標(biāo)m和f分別表示基體和纖維目前十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點幾種纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能對比材料種類縱向抗拉強(qiáng)度/MPa縱向彈性模量/GPa環(huán)氧樹脂696.9E級玻璃纖維/環(huán)氧樹脂102045碳纖維（高彈性）/環(huán)氧樹脂1240

145芳綸纖維（Kevlar49）/環(huán)氧樹脂138076硼纖維（70Vf%）/環(huán)氧樹脂1400-2100210-280目前十九頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點纖維在基體中的幾種分布方式目前二十頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點3、幾種典型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料1）碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料碳纖維的制備：原絲——聚丙烯腈、瀝青工藝步驟：（1）穩(wěn)定化；（2）碳化（3）石墨化目前二十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點碳纖維纖維織物復(fù)合塑料片目前二十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點碳纖維產(chǎn)品目前二十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用SLR-Mclarren超級跑車，最高時速334公里/小時。車身由碳纖維復(fù)合材料制成。目前二十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點2）玻璃纖維/不飽和樹脂復(fù)合材料

玻璃纖維增強(qiáng)不飽和樹脂復(fù)合材料——玻璃鋼玻璃纖維的制備：從熔融的玻璃液中快速拉抽而成。目前二十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點玻璃纖維玻璃纖維原絲玻璃纖維布玻璃纖維型材目前二十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點聚酯玻璃鋼產(chǎn)品目前二十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點3、芳綸（KEVLAR）纖維芳香族聚酰胺纖維——芳綸（KELVAR）

目前二十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點13.5纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成形工藝1、手糊法2、噴射法3、真空袋熱壓罐4、纖維纏繞5、模壓和注射成形6、片材模塑料（SMC）工藝7、拉擠目前二十九頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點復(fù)合材料成型的熱壓罐目前三十頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點纖維纏繞目前三十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點模壓成形目前三十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點注射成形注射成形機(jī)目前三十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點13.6夾層結(jié)構(gòu)a)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖；b）鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)ab目前三十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點瓦楞紙減震目前三十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用在民用飛機(jī)（波音727、757）上的應(yīng)用，727的水平尾翼重量減輕了26％，737的水平尾翼重量較之金屬結(jié)構(gòu)減輕了29％。目前三十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點在直升機(jī)上的應(yīng)用UH－60A型直升飛機(jī)復(fù)合材料總用量達(dá)17％目前三十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點在殲擊機(jī)上的應(yīng)用美國F/A-18殲擊機(jī)包括機(jī)翼、水平和垂直尾翼都采用了復(fù)合的蒙皮。復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的10％，表面面積的50％。目前三十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用

2005年4月27日，空中客車公司制造的世界最大寬體客機(jī)A380首飛。以復(fù)合材料為主的先進(jìn)材料占結(jié)構(gòu)總重量的25%！目前三十九頁\總數(shù)四十二頁\編于十六點13.7功能復(fù)合材料1、導(dǎo)電復(fù)合材料2、機(jī)敏復(fù)合材料3、仿生復(fù)合材料目前四十頁\