常用的復(fù)合材料

關(guān)于常用的復(fù)合材料第1頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）玻璃纖維按玻璃纖維中Na2O和K2O的含量不同，可將其分為無堿纖維（堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<2%）、中堿纖維（堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～12%）、高堿纖維（堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>12%）。隨著堿量的增加，玻璃纖維的強(qiáng)度、絕緣性、耐蝕性降低。特點(diǎn)：強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000～3000MPa；彈性模量比金屬低得多，為（3～5）×104MPa；密度小，為2.5～2.7g/cm3；化學(xué)穩(wěn)定性好；不吸水、不燃燒、尺寸穩(wěn)定、隔熱、吸聲、絕緣等。缺點(diǎn)：脆性較大、耐熱性低，250℃以上開始軟化。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜、制作方便

（2）碳纖維碳纖維是人造纖維（粘膠纖維、聚丙烯腈纖維等），是在200～300℃空氣中加熱并施加一定張力進(jìn)行預(yù)氧化處理，然后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下于1000～1500℃的高溫中進(jìn)行碳化處理而制得。其碳含量Wc85%～95%。由于其具有高強(qiáng)度，因而稱高強(qiáng)度碳纖維，也稱Ⅱ型碳纖維。

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在2500～3000℃高溫的氬氣中進(jìn)行石墨化處理，就可獲得含碳量為Wc98%以上的碳纖維，又稱石墨纖維或高模量碳纖維，也稱Ⅰ型碳纖維。特點(diǎn)：與玻璃纖維相比，碳纖維具有密度?。?.33～2.0g/㎝3），彈性模量高（2.8～4×105MPa）；高溫及低溫性能好，導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、摩擦因數(shù)小、自潤濕性好。缺點(diǎn)：脆性大、易氧化

（3）硼纖維它是用化學(xué)沉積法將非晶態(tài)的硼涂覆到鎢絲上而制得的。具有高熔點(diǎn)（2300℃）、高強(qiáng)度（2450～2750MPa）、高彈性模量（3.8～4.9×105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蝕性。缺點(diǎn)：密度大、直徑較粗及生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、價(jià)格昂貴。

（4）碳化硅纖維它是用碳纖維作底絲，通過氣相沉積法而制得。具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高彈性模量。其突出特點(diǎn)是具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，在1100℃時(shí)其強(qiáng)度仍高達(dá)2100MPa。

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（5）Kevlar有機(jī)纖維（芳綸、聚芳酰胺纖維）特點(diǎn)：比強(qiáng)度、比模量高；其強(qiáng)度可達(dá)2800～3700MPa；密度小，只有1.45g/㎝3；耐熱性比玻璃纖維好。它還具有優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性。

2．纖維―樹脂復(fù)合材料

（1）玻璃纖維―樹脂復(fù)合材料亦稱玻璃纖維增強(qiáng)塑料，也稱玻璃鋼。

1）熱塑性玻璃鋼它是由20%～40%的玻璃纖維和60%～80%的熱塑性樹脂（如尼龍、ABS等）組成，具有高強(qiáng)度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低熱膨脹系數(shù)。

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2)熱固性玻璃鋼它是由60%～70%玻璃纖維（或玻璃布）和30%～40%熱固性樹脂（環(huán)氧、聚酯樹脂等）組成。主要優(yōu)點(diǎn)：密度小、強(qiáng)度高，耐蝕性、絕緣性、絕熱性好；吸水性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。缺點(diǎn)：彈性模量低，熱穩(wěn)定性不高，只能在300℃以下工作。

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（3）硼纖維―樹脂復(fù)合材料主要由硼纖維與環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成。具有高的比強(qiáng)度、比模量，良好的耐熱性。其缺點(diǎn)是各向異性明顯。

（2）碳纖維―樹脂復(fù)合材料最常用的是碳纖維與聚酯、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和比模量，還具有優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐蝕性及耐熱性。缺點(diǎn)是纖維與基體結(jié)合力低。

（4）碳化硅纖維樹脂復(fù)合材料由碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料，具有高的比強(qiáng)度、比模量。

（5）Kevlar纖維樹脂復(fù)合材料由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹脂組成。主要性能特點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度大于玻璃鋼，而與碳纖維―環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相似；延性好，與金屬相當(dāng)；其耐沖擊性超過碳纖維增強(qiáng)塑料；其疲勞抗力高于玻璃鋼和鋁合金；減振能力為鋼的8倍。第6頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．纖維―金屬（或合金）復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)金屬復(fù)合材料是由高強(qiáng)度、高模量的脆性纖維（碳、硼、碳化硅纖維）與具有較高韌性及低屈服強(qiáng)度的金屬（鋁及其合金、鈦及其合金、銅及其合金、鎳合金、鎂合金、銀鉛等）組成，具有高的橫向力學(xué)性能、高的層間剪切強(qiáng)度；沖擊韌性好、高溫強(qiáng)度高、耐熱性、耐磨性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好；不吸濕、尺寸穩(wěn)定性好、不老化等優(yōu)點(diǎn)。

（1）纖維―鋁（或合金）復(fù)合材料

1）硼纖維―鋁（或合金）基復(fù)合材料。硼和鋁在高溫易形成AlB2，與氧易形成B2O3，故在硼纖維表面要涂一層SiC以提高硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性。特點(diǎn)：具有高彈性模量，高抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。應(yīng)用：主要用于制造飛機(jī)和航天器的蒙皮、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。

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2）石墨纖維―鋁（或合金）基復(fù)合材料。由Ⅰ型碳纖維與純鋁或形變鋁合金、鑄造鋁合金組成。特點(diǎn)：具有高比強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，在500℃時(shí)其比強(qiáng)度為鈦合金的1.5倍應(yīng)用：主要用于制造航天飛機(jī)的外殼、飛機(jī)蒙皮。

3）碳化硅纖維―鋁（或合金）復(fù)合材料它是由碳化硅纖維與純鋁（或鑄造鋁合金、鋁銅合金等）組成的復(fù)合材料。特點(diǎn)：具有高的比強(qiáng)度、比模量，硬度高。應(yīng)用：用于制造飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞、連桿等。

（2）纖維―鈦合金復(fù)合材料由硼纖維或改性硼纖維、碳化硅纖維與鈦合金（Ti—6Al—4V）組成。它具有低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高耐熱性、低熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)。

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（3）纖維―銅（或合金）復(fù)合材料由石墨纖維與銅（或銅鎳合金）組成的材料。為了增強(qiáng)石墨纖維和基體的結(jié)合強(qiáng)度，常在石墨纖維表面鍍銅或鍍鎳后再鍍銅。石墨纖維增強(qiáng)銅或銅鎳合金復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、低的摩擦因數(shù)和高的耐磨性，以及在一定溫度范圍內(nèi)的尺寸穩(wěn)定性。

4．纖維―陶瓷復(fù)合材料

用碳（或石墨）纖維與陶瓷組成的復(fù)合材料能大幅度提高陶瓷的沖擊韌性和抗熱振性，降低脆性，而陶瓷又能保護(hù)碳（或石墨）纖維在高溫下不被氧化。因而這類材料具有很高的強(qiáng)度和彈性模量。除上述三大類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料外，近年來研制了多種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，例C/C復(fù)合材料、混雜纖維復(fù)合材料等。

二、疊層復(fù)合材料

疊層復(fù)合材料是由兩層或兩層以上不同材料結(jié)合而成。

第9頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．雙層金屬復(fù)合材料

將性能不同的兩種金屬用膠合或熔合鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復(fù)合在一起，以滿足某種性能要求的材料。

2．塑料—金屬多層復(fù)合材料

典型代表是SF型三層復(fù)合材料，如圖6-4所示。

第10頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料

1．顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（d>1μm，體積分?jǐn)?shù)φv>20%）

金屬陶瓷是常見的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。硬質(zhì)合金就是以TiC、WC（或TaC）等碳化物為基體，以金屬Ni、Co為粘合劑，將它們用粉末冶金方法經(jīng)燒結(jié)所形成的金屬陶瓷。

2．彌散強(qiáng)化復(fù)合材料（d=0.01～0.1μm,φv=1%～15%