材料導(dǎo)論復(fù)合材料

材料導(dǎo)論復(fù)合材料第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（1）不飽和聚酯樹脂(UPE)：具有線型結(jié)構(gòu)的、可溶的、分子量不高，而主鏈上同時具有重復(fù)酯鍵及不飽和雙鍵的有機(jī)高分子化合物。熱固性樹脂，為（不）飽和二元酸(或酸酐）和多元醇的縮聚產(chǎn)物。特點(diǎn)①固化迅速，且能在常溫下固化，無揮發(fā)性副產(chǎn)物；②粘度低，浸漬性好；③介電性、抗電弧性優(yōu)良；④耐腐蝕性好。缺點(diǎn)：固化收縮較大，固化不當(dāng)時，固化放熱收縮產(chǎn)生裂紋。順?biāo)犭p環(huán)戊二烯羧基羥基170℃發(fā)生裂解第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日特點(diǎn)：①固化方便、具有好的尺寸穩(wěn)定性和耐久性；②粘附力強(qiáng)；③固化過程中收縮性較低；④具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；⑤電性能好，⑥熱穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐酸性、耐堿性和耐溶劑性。缺點(diǎn)：價格高，粘度大，固化時間比聚酯長，固化劑毒性大。（2）環(huán)氧樹脂：分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團(tuán)有機(jī)高分子化合物。復(fù)合材料工業(yè)上使用量最大的環(huán)氧樹脂品種是縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂，而其中又以由二酚基丙烷（雙酚A）與環(huán)氧氯丙烷縮聚而成的二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂（雙酚A型環(huán)氧樹脂）為主。第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（3）酚醛樹脂——酚醛樹脂是最早的一類熱固性樹脂，它原料易得，合成方便，價格便宜；電絕緣性好；具有良了的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性能，尤其具有突出的瞬時耐高溫?zé)g性能。（4）熱塑性樹脂：具有線型或支鏈型結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子化合物，受熱軟化（或熔化），冷卻變硬且此過程可以反復(fù)進(jìn)行的樹脂。聚丙烯酰胺

第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（1）手糊成型法：用手工工具將布或纖維氈浸上樹脂膠液，鋪糊在敞開模具上，經(jīng)固化和脫模即可獲得制品。設(shè)備簡單、投資少、制品尺寸和形狀不受限制，但生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，且勞動條件差。適宜生產(chǎn)小批量、大尺寸、品種變化多的制品。一般用來成型汽車殼體、船身、貯槽、衛(wèi)生間、機(jī)身蒙皮、火箭外殼、隔音板等。二、聚合物基復(fù)合材料的成型方法

第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（2）噴射成型：利用噴槍將短切纖維及膠液同時噴到模具上而制得復(fù)合材料制品。固態(tài)熱塑噴射成型液態(tài)熱塑噴射成型第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（3）樹脂傳遞（樹脂壓注）模塑法：樹脂傳遞模塑法（ResinTransferMoulding）簡稱RTM法，它是將液態(tài)樹脂注入到事先鋪有增強(qiáng)材料的閉合模中，在閉合模中浸漬增強(qiáng)材料而獲得復(fù)合材料制品的方法。

（4）纏繞成型法：將浸漬過樹脂的連續(xù)纖維或布帶纏繞到一定形狀的芯模上，達(dá)到一定厚度后，通過固化脫膜得到制品。液態(tài)樹脂第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（5）模壓成型工藝

1)纖維料模壓：將預(yù)混（預(yù)浸）的高強(qiáng)度短纖維模壓料裝在金屬模具中加熱加壓成型制品。

2)預(yù)成型坯模壓：先將短切纖維制成與制品形狀和尺寸相似的預(yù)成型坯，然后將其放入模具中倒入樹脂混合物，在一定溫度壓力下成型。適用于制造大型、高強(qiáng)、異形、深度較大、壁厚均勻的制品。

3)SMC（SHEETMOULDINGCOMPOUNDS）模壓法：將SMC片材按制品尺寸、形狀、厚度等要求裁剪下料，然后將多層片材疊合后放入模具中加熱加壓成型制品。適于大面積制品成型，目前在汽車工業(yè)、浴缸制造等方面得到了迅速發(fā)展。第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日三、聚合物基復(fù)合材料基本性能（1）比強(qiáng)度高

玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRP）復(fù)合材料有較高的比強(qiáng)度高，F(xiàn)RP的密度在1.4～2.2g/cm3之間，約為鋼的1/4～1/5之間，而強(qiáng)度與一般碳素鋼相近，因而比強(qiáng)度高。材料密度（g/cm3）拉伸強(qiáng)度(103MPa)彈性模量(105MPa)比強(qiáng)度(105cm)比模量(105cm)鋼7.81.032.10.130.27鋁合金2.80.470.750.170.26鈦合金4.50.961.140.210.25玻璃纖維復(fù)合材料2.01.060.40.530.20碳纖維Ⅱ/環(huán)氧復(fù)合材料1.451.51.41.030.97碳纖維Ⅰ/環(huán)氧復(fù)合材料1.61.072.40.671.5有機(jī)纖維/環(huán)氧復(fù)合材料1.41.40.81.00.57硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料2.11.382.10.661.0硼纖維/鋁復(fù)合材料2.651.02.00.380.57金屬材料和聚合物基復(fù)合材料的性能第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（2）耐疲勞性能好纖維與基體界面能阻止材料受力所致裂紋的擴(kuò)展。（3）減震性好受力結(jié)構(gòu)自振頻率與結(jié)構(gòu)材料比模量的平方根成正比。復(fù)合材料比模量高，故具有高的自振頻率。同時，復(fù)合材料界面具有吸振能力，使材料的振動阻尼很高。（4）FRP的電性能

FRP的電性能介于纖維與樹脂的電性能之間。并且隨著樹脂品種、玻璃纖維表面處理劑類型以及環(huán)境溫度和濕度的變化而不同。第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（5）FRP的熱性能室溫下，F(xiàn)RP導(dǎo)熱系數(shù)低，可作隔熱材料使用。FRP的熱膨脹系數(shù)（4～36）×10-6℃-1與金屬材料（11～29）×10-6℃-1相近。在一定溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)RP具有較好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。但FRP的熱變形溫度和耐熱溫度極限較低，一般FRP的熱變形溫度在160～200℃之間，耐熱極限大多不超過250℃。

（6）FRP的老化性能

FRP在長期的使用和貯存過程中，由于各種物理和化學(xué)因素的作用而發(fā)生的物化性能的下降或變差，故老化（劣化）。（7）有很好的加工工藝性復(fù)合材料可采用手糊成型、模壓成型、纏繞成型、注射成型和拉擠成型等各種方法制成各種形狀的產(chǎn)品。第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(1)建筑行業(yè)：玻璃鋼房屋、建筑裝飾、衛(wèi)生潔具、冷卻塔、門窗等(2)交通運(yùn)輸

火車：鐵路客車上的各種類型的上水箱、廁所地板、客車車廂、車門、車窗等，鐵路冷藏車上的車身、地板、冰箱蓋等，集裝箱。汽車：車身，引擎罩，

船舶行業(yè)：玻璃鋼船

航空航天：飛機(jī)機(jī)身、發(fā)動機(jī)殼體、雷達(dá)罩、螺旋槳、油箱、座椅、地板等(3)化工行業(yè)：各種化工管道，閥門、貯槽四、應(yīng)用第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（1）航空航天第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(2)交通運(yùn)輸?shù)谑捻摚踩捻?，編輯?023年，星期日（3）船體第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.5金屬基復(fù)合材料一、概述（1）高比強(qiáng)度、高比模量加入30～50%纖維作為主要承載體，復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量成倍地高于基體合金的比強(qiáng)度和比模量。（2）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好：金屬基體占60%以上（3）熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好：石墨纖維具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)（4）耐高溫：金屬基復(fù)合材料具有比金屬基體更高的高溫性能（5）耐磨性好：陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)（6）良好的疲勞性能和斷裂韌性（7）不吸潮、不老化、氣密性好

以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料增強(qiáng)物：硼、碳（石墨）、碳化硅、氧化鋁纖維以及鎢絲、鉬絲、不銹鋼絲等金屬絲，晶須主要有碳化硅、氧化鋁，增強(qiáng)顆粒主要有碳化硅和氧化鋁顆粒。存在密度高、制作成本高、工藝復(fù)雜、增強(qiáng)材與基體間易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等缺點(diǎn)性能第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日二、金屬基復(fù)合材料種類：Al、Ni、Ti、Mg1、長纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料1）硼/鋁復(fù)合材料硼纖維高溫強(qiáng)度高，1500℃時蠕變速率低。但高溫氧化后強(qiáng)度降低，所以一般在硼纖維表面涂覆一層SiC或B4C，防止纖維表面氧化。包括長纖維增強(qiáng)、短纖維或晶須增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)以及原位復(fù)合增強(qiáng)等。2）石墨/鋁復(fù)合材料具有導(dǎo)電性高、摩擦系數(shù)小和耐腐蝕等特點(diǎn)。利用石墨纖維表面沉積Ti/Bi涂層技術(shù)，可改善石墨纖維與液態(tài)鋁的濕潤性，有效控制鋁與纖維的表面反應(yīng)，提高復(fù)合材料的性能。MMC的SEM照片第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日3）石墨/鎂復(fù)合材料材料密度低、線膨脹系數(shù)為零，尺寸的穩(wěn)定性好，是金屬基復(fù)合材料中具有最高比強(qiáng)度和比彈性模量的復(fù)合材料?？稍谑w維表面沉積TiB2，提高石墨纖維的潤濕性。4）碳化硅/鈦復(fù)合材料碳化硅纖維比強(qiáng)度高、比模量高，高溫強(qiáng)度高，耐熱、耐氧化，與金屬的反應(yīng)小，潤濕性好。這種復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度高，主要應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件和渦輪葉片以及火箭發(fā)動機(jī)箱體材料。5）氧化鋁/鋁復(fù)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(qiáng)度、剛度，且硬度高，耐磨性好。這種復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和高剛度，可用于汽車發(fā)動機(jī)活塞和其他發(fā)動機(jī)零件。第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日2、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料1）氧化鋁/鋁復(fù)合材料2）碳化硅/鋁復(fù)合材料3）氧化鋁/鎳復(fù)合材料3、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料2）碳化鈦/鈦復(fù)合材料1）碳化硅/鋁復(fù)合材料3）顆粒增強(qiáng)金屬間化合物復(fù)合材料TiB2/NiAl、TiB2/TiAl第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日鋁基復(fù)合材料剎車盤片鐵道車輛鋁基復(fù)合材料制動盤片新開發(fā)的鋁基復(fù)合材料活塞石墨（顆粒）鋁基復(fù)合材料活塞第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日艦用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中國一航燃?xì)鉁u輪研究院展出的渦扇500型發(fā)動機(jī)

第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日航天后封頭（鈦合金）

火箭公共底（鈦合金）

鈦合金精鑄件

第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.6陶瓷基復(fù)合材料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，形成的復(fù)合材料稱為陶瓷基復(fù)合材料。增強(qiáng)體加入可以提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。一、陶瓷基復(fù)合材料基本性能優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化、高溫下抗磨損性好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和比重較小。是一般常用金屬材料、高分子材料及其復(fù)合材料所不具備的。缺點(diǎn)：但陶瓷材料抗彎強(qiáng)度不高，斷裂韌性低，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料使用。韌性差：龜裂擴(kuò)展引起，可用破壞韌性值K1c衡量。破壞韌性值K1c是對材料龜裂的阻抗。其由材料的模量和破壞時吸收的能量決定即：E-楊氏模量，r-破壞能，r0-表面能，r1-塑性變形能，r2-龜裂傾向能，r3-龜裂分枝能。其中，r=r0+r1+r2+r3第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日纖維增強(qiáng)陶瓷時，E纖維>E基體，纖維主要承受力，且纖維使基體的龜裂難于擴(kuò)展。當(dāng)σ纖維>σ基體時，裂縫沿著纖維偏折。有利于K1c提高。例如：

Al2O3陶瓷斷裂韌性值：5.5MPa·m1/2，

SiC/Al2O3陶瓷后：8.8MPa·m1/2。

ZrO2陶瓷的斷裂韌性：5.0MPa·m1/2，

SiC纖維增強(qiáng)后：22.0MPa·m1/2。韌性與纖維及基體，纖維與基體結(jié)合強(qiáng)度、基體孔隙率、工藝參數(shù)有明顯聯(lián)系：纖維與基體間的結(jié)合強(qiáng)度過大將使韌性降低，基體中的孔隙率能改變復(fù)合材料的破壞模式，孔隙率越大，韌性越差。拉伸和彎曲性能與纖維的長度、取向和含量、纖維與基體的強(qiáng)度和彈性模量、它們的熱膨脹系數(shù)的匹配程度、基體的孔隙率和纖維的損傷程度密切相關(guān)。無規(guī)排列短纖維—陶瓷復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能經(jīng)常低于基體材料，因無規(guī)排列纖維的應(yīng)力集中的影響以及熱膨脹系數(shù)不匹配造成的。將短纖維定向可以提高該方向上的性能。用定向的連續(xù)纖維可以明顯提高強(qiáng)度，降低了應(yīng)力集中。第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日二、陶瓷基復(fù)合材料種類（一）長纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料1、碳/陶瓷基復(fù)合材料具有很高的高溫強(qiáng)度、彈性模量和較高的韌性。碳纖維/氮化硅陶瓷:1400℃以上的高溫下長期工作；碳纖維/石英陶瓷:沖擊韌性比燒結(jié)石英陶瓷高40倍、抗彎強(qiáng)度大5－12倍?？沙惺?200－1500℃高溫氣流的沖擊。第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日2、碳化硅/陶瓷基復(fù)合材料碳化硅纖維/碳化硅陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等復(fù)合。碳化硅纖維通常采用CVD制備。利用碳化硅纖維強(qiáng)化的碳化硅陶瓷，其斷裂韌性提高5－6倍，抗彎強(qiáng)度提高50％以上，且基體與纖維之間的結(jié)合性能良好。3、碳/碳復(fù)合材料將碳纖維用聚合物浸潤，固化成型后，無氧條件下，高溫裂解樹脂，得到碳/碳復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度都好，能承受極高的溫度和極高的加熱速度，高溫力學(xué)性能比低溫時還好，是目前使用溫度最高的復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（二）短纖維及晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料1、碳/玻璃陶瓷基復(fù)合材料晶須：SiC、Si3N4、Al2O3晶須。2、晶須/陶瓷基復(fù)合材料基體：Si3N4、Al2O3、ZrO2、SiO2、莫來石等。Si/Si復(fù)合材料ZnO晶須自增韌Si3N4陶瓷第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（三）顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料1、氧化鋯/陶瓷基復(fù)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(fù)合材料第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日功能復(fù)合材料導(dǎo)電功能復(fù)合材料：C/金屬/鍍金玻纖+樹脂壓電功能復(fù)合材料：PZT(ZrTiO3)+C/Ce/Si+樹脂磁性復(fù)合材料：鐵氧體/稀土+樹脂吸波功能復(fù)合材料：Pd/Fe+樹脂減磨阻功能復(fù)合材料：C/石墨纖維+樹脂(PA\氟塑料化學(xué)腐蝕功能復(fù)合材料：無機(jī)粉體+樹脂光功能復(fù)合材料：聚甲基丙烯酸甲酯+氟化物生體功能復(fù)合材料：金屬Co/Ti/Ni→陶瓷Al→高分子納米復(fù)合材料：蒙脫土/PA6復(fù)合材料，納米氮化鎢－銅復(fù)合粉體

梯度功能復(fù)合材料：固化劑+環(huán)氧類樹脂（一定方向上,耐熱性Tg,粘接強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度,沖擊強(qiáng)度,伸長率等依次連續(xù)或階梯緩緩變化）

除機(jī)械性能以外而提供其他物理性能的復(fù)合材料第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日作業(yè)：1.名詞解釋復(fù)合材料材料界面增強(qiáng)體基體不飽和聚酯樹脂2.簡答題（1）C/C復(fù)合材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用（2）金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)（3）聚合物基復(fù)合材料的性能（4）不同增強(qiáng)體的增強(qiáng)機(jī)理