第一章無機復合材料概述課件

第一章

復合材料概述主要內容復合材料的概念復合材料的分類復合材料的特性復合材料的用途復合材料的發(fā)展方向第一章

復合材料概述主要內容1一、復合材料的概念復合材料：compositematerials;composites

廣義上講：由兩種或兩種以上的物質組成的材料。

狹義上講：由兩種或兩種以上的材料通過復合工藝組合而成的新型材料。

三個要點：（1）材料組元——兩種或以上不同組元（2）制備工藝——人工復合（3）新型材料——具有原組元所不具備的新性能1、定義一、復合材料的概念復合材料：compositemateri2復合材料的結構通常是一個相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，它顯著增強材料的性能，故常稱為增強體。多數(shù)情況下，增強體較基體硬，剛度和強度較基體大。增強相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體和增強體之間存在著界面。2、復合材料的結構復合材料的結構通常是一個相為連續(xù)相，成為基體3

因此，復合材料是由兩種以上組分以及它們之間的界面構成。

組分材料主要指增強體和基體，它們也被稱為復合材料的增強相和基體相。增強相與基體相之間的界面區(qū)域因為其特殊的結構組成也被視作復合材料中的“相”，即界面相。因此，復合材料是由兩種以上組分以及它們之間的界面構成。4增強相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學性質和在最終復合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。其中一個組分是纖維（連續(xù)的或短切的）、薄片或顆粒狀，具有較高的強度、模量、硬度和脆性，在復合材料承受外加載荷時是主要承載相，稱為增強相或增強體（reinforcingphaseorreinforcement）。增強相或增強體在復合材料中呈分散形式，被基體相隔離包圍，因此也稱作分散相；增強相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學性質和在最終復合5復合材料中的另一個組分是包圍增強相并相對較軟和韌的貫連材料，稱為基體相（matrixphase）。復合材料的各種形態(tài)示意于下圖中：復合材料中的另一個組分是包圍增強相并相對較軟和韌的貫連材6復合材料及其增強相的各種形態(tài)纖維狀顆粒狀層狀片狀填充狀復合材料及其增強相的各種形態(tài)纖維狀顆粒狀層狀片狀填充狀7復合材料在制造前，基體材料的形狀可以是薄片、粉末、塊體或無定形的流體，它的狀態(tài)可以是固態(tài)、氣態(tài)、熔融態(tài)或半固—半液態(tài)。基體材料在與增強相固結后，基體相在復合材料中就成為包裹增強相的連續(xù)體。因此，基體相也叫做連續(xù)相?；w相具有支撐和保護增強相的作用，在復合材料承受外加載荷時，基體相主要以剪切變形的方式起著向增強相分配和傳遞載荷的作用。復合材料在制造前，基體材料的形狀可以是薄片、粉末、塊體或8在復合材料中，增強相和基體相之間還存在著明顯的結合面。位于增強相和基體相之間并使兩相彼此相連的、化學成分和力學性質與相鄰兩相有明顯區(qū)別、能夠在相鄰兩相間起傳遞載荷作用的區(qū)域，稱為復合材料的界面（interface）。在復合材料中，增強相和基體相之間還存在著明顯的結合面。9復合材料中界面層的厚度通常在亞微米以下，但界面層的總面積在復合材料中很大，且復合材料的界面特征對復合材料的性能、破壞行為及應用效能有很大影響。所以，人們以極大的注意力開展對復合材料界面的研究--------表面和界面工程（surfaceandinterfaceengineering）。復合材料中界面層的厚度通常在亞微米以下，但界面層的總面積10

復合材料的性能取決于組分材料的種類、性能、含量和分布。主要包括：增強體的性能和它的表面物理、化學狀態(tài)；基體的結構和性能；增強體的配置、分布和體積含量。3、復合材料具有可設計性復合材料的性能取決于組分材料的種類、性能、含量和分布。主11組分設計：材料A材料B優(yōu)點缺點缺點優(yōu)點組合I組合II組合III組合IV最佳組合最差組合組分設計：材料A材料B優(yōu)點缺點缺點優(yōu)點組合組合組合組合最佳組12復合材料的性能還取決于復合材料的制造工藝條件、復合方法、零件幾何形狀和使用環(huán)境條件。復合材料既能保留原組分材料的主要特色，并通過復合效應獲得組分材料所不具備的性能，還可以通過材料設計使各組分的性能相互補充并彼此關聯(lián)，從而獲得新的性能。

復合材料設計：選擇復合材料的組分、增強體分布和復合材料制造工藝、使其具有使用所要求的性能過程。復合材料的性能還取決于復合材料的制造工藝條件13

復合材料設計可分為三個層次：單層材料設計、鋪層設計、結構設計。

單層材料設計包括正確選擇增強材料、基體材料及其配比，該層次決定單層板的性能；

鋪層設計包括對鋪層材料的鋪層方案做出合理性的安排，該層次決定層合板的性能；

結構設計則最后確定產(chǎn)品結構的形狀和尺寸。上述三個設計層次互為前提、互相影響、互相依賴。復合材料設計可分為三個層次：單層材料設計、鋪層設計、結14因此，復合材料及其結構的設計打破了材料研究和結構研究的傳統(tǒng)界限。設計人員必須把材料性能和結構性能統(tǒng)一考慮，換言之，材料設計和結構設計必須同時進行，并將它們統(tǒng)一在同一個設計方案中。因此，復合材料及其結構的設計打破了材料研究和結構研究的傳15與單質材料相比，現(xiàn)代復合材料具有以下一些特點：復合材料是一種多相材料，其中的組分的類型和相對含量是人們有意識選擇與設計的；復合材料本身是人工制造的，而不是天然的（區(qū)別天然材料）；復合材料中至少有一固相為連續(xù)體，稱為基體，其它固相可為分散相或連續(xù)相，稱為增強相（或增強體、增強材料），可為一維、二維、三維或多維狀態(tài)；復合材料具有各單個組分所沒有的綜合的優(yōu)良性能。4、復合材料的特點與單質材料相比，現(xiàn)代復合材料具有以下一些特點：4、復合材料的16影響復合材料性能的因素：

主要取決于增強材料的性能、含量及分布狀況，基體材料的性能、含量，以及它們之間的界面結合情況，作為產(chǎn)品還與成型工藝和結構設計有關。因此，不論對哪一類復合材料，就是同一類復合材料的性能也不是一個定值，而只能給出其主要性能。影響復合材料性能的因素：17（１）復合材料不僅保留了原組成材料的特點，而且通過各組分的相互補充和關聯(lián)可以獲得原組分所沒有的新的優(yōu)越性能；一般材料的簡單混合與復合材料的兩點本質區(qū)別：（１）復合材料不僅保留了原組成材料的特點，而且通過各組18（２）復合材料的可設計性如結構復合材料不僅可根據(jù)材料在使用中受力的要求進行組元選材設計，更重要的是還可進行復合結構設計，即增強體的比例、分布、排列和取向等的設計。對于結構復合材料來說，是由能承受載荷的增強體組元與能連接增強體又起傳遞力作用的基體組元構成。由不同的增強體和不同的基體即可組成名目繁多的結構復合材料。（２）復合材料的可設計性19二、復合材料的分類二、復合材料的分類20三、復合材料特性復合材料與基體材料相比，具有以下優(yōu)異的性能：輕質高強、比強度和比模量高良好的抗疲勞性能高韌性和抗熱沖擊性減振性能好耐熱性好特殊的光、電、磁性能良好的耐燒蝕性、耐磨損、導電和導熱性……復合材料是由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。三、復合材料特性復合材料與基體材料相比，具有以下優(yōu)異的性能：211、輕質高強、比強度和比模量高三、復合材料的特性復合材料的突出優(yōu)點是比強度和比模量（即強度與密度、模量與密度之比）高。比強度和比模量是度量材料承載能力的一個指標，比強度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的剛性愈大。1、輕質高強、比強度和比模量高三、復合材料的特性復合材料22表1各種單向連續(xù)纖維（60vol％）增強聚合物基復合材料的性能（Gf、Cf、Kevlarf、Bf、Al2O3f、SiCf）材料GFRPCFRPKFRPBFRPAFRPSFRP鋼鋁鈦密度g/cm32.01.61.42.12.42.07.82.84.5拉伸強度GPa1.21.81.51.61.71.51.40.481.0比強度106cm6.011.211.57.57.16.51.81.72.1拉伸模量GPa421308022012013021077110比模量108cm2.18.15.710.45.45.62.72.72.5熱導率KJ/mhK2118010238.4272669222CTE10－6/K8.00.21.84.04.02.612239.0表1各種單向連續(xù)纖維（60vol％）增強聚合物基復合材料232、良好的抗疲勞性能

疲勞是材料在循環(huán)應力作用下的性質。復合材料能有效地阻止疲勞裂紋的擴展。2、良好的抗疲勞性能243、高韌性和抗熱沖擊性高韌性和抗熱沖擊性在PMC和CMC中尤為重要。3、高韌性和抗熱沖擊性25Si3N4Cf/Si3N4SiCw/Si3N4層狀Si3N4/BNKIC/MPa·m1/2Si3N4Cf/Si3N4SiCw/Si3N4層狀Si3N264、減振性能好在實際使用過程中，振動問題十分突出。復合材料的比模量高，所以它的自振頻率很高，不容易發(fā)生共振而快速脆斷；復合材料是一種非均質多相體系，在復合材料中振動衰減都很快。4、減振性能好在實際使用過程中，振動問題十分突出。275、耐熱性好

復合材料在高溫下強度和模量基本不變。選擇適當?shù)幕w材料和增強材料可以制成耐燒蝕材料和熱防護材料，能有效地保護火箭、導彈和宇宙飛行器在2000℃以上承受高溫、高速氣流的沖刷作用。金屬基和陶瓷基復合材料能在較高的溫度下長期使用，但是聚合物基復合材料不能在高溫下長期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復合材料，其長期工作溫度也只能在300℃左右。5、耐熱性好選擇適當?shù)幕w材料和增強材料可以制成耐燒蝕材286、特殊的光、電、磁性能復合材料具有優(yōu)良的電性能，通過選擇不同的樹脂基體、增強材料和輔助材料，可以將其制成絕緣材料或導電材料。例如，玻璃纖維增強的樹脂基復合材料具有優(yōu)良的電絕緣性能，并且在高頻下仍能保持良好的介電性能，因此可作為高性能電機、電器的絕緣材料。6、特殊的光、電、磁性能復合材料具有優(yōu)良的電性能，通過選29玻璃纖維增強的樹脂基復合材料還具有良好的透波性能，被廣泛地用于制造機載、艦載和地面雷達罩。復合材料通過原材料的選擇和適當?shù)某尚凸に嚳梢灾频脤щ姀秃喜牧稀＿@是一種功能復合材料，在冶金、化工和電池制造等工業(yè)領域具有廣泛的應用前景。玻璃纖維增強的樹脂基復合材料還具有良好的透波性能，被廣泛307、良好的耐燒蝕性、耐磨損、導電和導熱性

7、良好的耐燒蝕性、耐磨損、導電和導熱性31Ti3SiC2/M復合材料在高速列車受電弓滑板上的應用Al/Ti3SiC2和Cu/carbon的磨損網(wǎng)線材料（銅導線）的磨損Ti3SiC2/M復合材料在高速列車受電弓滑板上的應用Al/32四、典型的復合材料及其應用聚合物基復合材料(PMC)

?玻璃鋼（玻璃纖維增強塑料，GFRP)

?碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP）金屬基復合材料(MMC)陶瓷基復合材料（CMC）碳/碳復合材料（C/C）四、典型的復合材料及其應用聚合物基復合材料(PMC)33GFRP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。此外，玻璃鋼還具有良好的耐腐蝕性能，在酸、堿、海水，甚至有機溶劑等介質中都很穩(wěn)定，耐腐蝕性超過了不銹鋼。玻璃鋼（GFRP）：應用領域：航空航天工業(yè)

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中

在石油化工工業(yè)中

在體育用品方面……GFRP的突出特點是密度低、比強度高。其密度34大口徑玻璃鋼輸水管道玻璃鋼輸油、氣管道玻璃鋼石化管道玻璃鋼化工管道大口徑玻璃鋼輸水管道玻璃鋼輸油、氣管道玻璃鋼石化管道玻璃鋼化35玻璃鋼天線反射面玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢玻璃鋼容器（200m3水箱）玻璃鋼捕魚船體玻璃鋼天線反射面玻璃鋼建筑材料用于玻璃鋼容器（200m3水箱36玻璃鋼雷達罩各種玻璃鋼型材制品風力發(fā)電機玻璃鋼葉片耐燒蝕玻璃纖維復合材料噴管玻璃鋼雷達罩各種玻璃鋼型材制品風力發(fā)電機玻璃鋼葉片耐燒蝕玻璃37玻璃鋼應用于體育用品

玻璃鋼應用于體育用品38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。應用領域：空間和宇航中的應用航空工業(yè)（飛機）應用在軍事領域的應用在建筑工業(yè)的應用在汽車工業(yè)中的應用……碳纖維增強聚合物基復合材料(CFRP)CFR39CFRP在民用飛機中的應用CFRP在航天飛機中的應用CFRP在民用飛機中的應用CFRP在航天飛機中的應用40復合材料在直升飛機部件中的應用復合材料垂直尾翼（圖中黑色部分）復合材料雷達罩（圖中黑色部分）CFRP在空間站大型結構桁架及太陽能電池支架中的應用復合材料在直升飛機部件中的應用復合材料垂直尾翼（圖中黑色部分41碳纖維增強復合材料垂直尾翼復合材料金屬蜂窩夾層結構飛機構件復合材料飛機部件的制作碳纖維增強復合材料垂直尾翼復合材料金屬蜂窩夾層結構飛機構件復42碳纖維片材（復合材料）用于建筑物補強加固碳纖維片材（復合材料）用于建筑物補強加固43金屬基復合材料（MetalMatrixComposites）金屬基復合材料主要應用在以下領域：空間和宇航中的應用在軍事領域應用航空工業(yè)（飛機）應用在核反應工程中應用在汽車工業(yè)中的應用金屬基復合材料主要由金屬基體（Al、Ti、Mg、Superalloy等合金）與增強纖維（如Cf、SiCf、Al2O3f等)、顆粒（如SiCp、Al2O3p、B4Cp等)以及晶須（如SiCw）等復合制備而成。金屬基復合材料（MetalMatrixComposite44復合材料纖維含量vol％抗拉強度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3Bf/Al501200～1500200～2202.6CVDSiCf/Al501300～1500210～2302.85～3.0NicalonSiCf/Al35～40700～90095～1102.6Cf/Al35500～800100～1502.4Al2O3f/Al506502203.3Al2O3f/Al509001302.9SiCw/Al18～20500～62096～1382.8SiCp/Al20400～510～1002.8CVDSiCf/Ti351500～1750210～2303.9Bf/Ti451300～15002203.7典型的鋁基和鈦基復合材料及其性能復合材料纖維含量抗拉強度拉伸模量密度Bf/Al5045哈勃望遠鏡結構在空間中的哈勃望遠鏡哈勃望遠鏡結構在空間中的哈勃望遠鏡46Bf/Al復合材料用于航天飛機主艙體龍骨桁架和支柱Bf/Al復合材料用于航天飛機主艙體龍骨桁架和支柱47Al基MMC在飛機尾翼和發(fā)動機葉片上的應用Al基MMC在飛機尾翼和發(fā)動機葉片上的應用48NeutronAbsorber在核反應工程中應用作為中子吸收材料BoralTMBoratedAluminumDWA’sBorTecTMNeutronAbsorber在核反應工程中應用Bora49左圖：Al2O3短纖維/Al汽車活塞（活塞環(huán)）（豐田汽車公司）中圖：SiCp/Al連桿，鍛件替代鋼連桿，減重6Kg（福特、通用汽車公司）右圖：SiCp/Al，Al2O3

p/Al汽車剎車盤，減重60％（豐田、福特和通用汽車公司）左圖：Al2O3短纖維/Al汽車活塞（活塞環(huán)）（豐田汽車公50金屬基復合材料主要應用在以下領域：在航空航天、軍事領域中的應用在機械加工中刀具的應用在生物醫(yī)學中的應用在功能陶瓷中應用陶瓷基復合材料主要由陶瓷材料為基體（玻璃、SiC、Si3N4、Al2O3等陶瓷），以纖維（如Cf、SiCf）、晶須（如SiCw）和顆粒（如SiCp、B4Cp）為增強體，通過適當?shù)墓に噺秃现苽涠伞Ｌ沾苫鶑秃喜牧希–eramicMatrixComposites,CMC）金屬基復合材料主要應用在以下領域：陶瓷基復合51在航空航天、軍事領域中的應用（如張立同院士2004年國家發(fā)明一等獎）Cf/SiC復合材料系列噴管及其試車考核情況

在航空航天、軍事領域中的應用Cf/SiC復合材料系列噴管及其52在液體火箭發(fā)動機中使用的C/SiC噴管(a)法國Ariana5大型運載火箭C/SiC擴張段(b)西北工業(yè)大學研制的噴管擴張段(a)(b)在液體火箭發(fā)動機中使用的C/SiC噴管(a)(b)53SiCw/Al2O3復合材料鉆頭顆粒增強氮化硅刀具在機械加工中刀具的應用SiCw/Al2O3復合材料鉆頭顆粒增強氮化硅刀具在機械加工54工業(yè)泵冶金礦山機械軸承石化軍工電力航空清華陶瓷刀具超硬泵多數(shù)采用典型效益：幾百萬度電典型效益：4千萬/年典型效益：5千萬/年加工炮鋼典型效益：幾百發(fā)/天車缸套，效率提高3-4倍加工硬鎳鑄鐵磨煤機磨環(huán)加工高溫合金，效率提高5-10倍瓦軸，洛軸，哈軸，以車代磨，效率提高4-5倍糧食機械加工糧食磨輥，效率提高4-6倍汽車加工剎車盤、連桿、缸體和離合器等新型陶瓷刀具在十幾個行業(yè)，上千家企業(yè)應用，給用戶和國家?guī)盹@著經(jīng)濟效益工業(yè)泵冶金礦山機械軸承石化軍工電力航空清華陶瓷刀具超硬泵多數(shù)55復合Si3N4陶瓷刀具加工冷硬鑄鐵軋輥復合Si3N4陶瓷刀具加工冷硬鑄鐵軋輥56采用復合氮化硅刀具刨大型高錳鋼零件采用復合氮化硅刀具刨大型高錳鋼零件57炮彈加工現(xiàn)場錄像炮彈加工現(xiàn)場錄像58大型水泵加工現(xiàn)場錄像大型水泵加工現(xiàn)場錄像59CMC的人工關節(jié)和齒根在生物醫(yī)學中的應用人工骨CMC的人工關節(jié)和齒根在生物醫(yī)學中的應用人工骨60MechanismsofbiomineralizationBiominaralizationofcollagenChemistryofMaterials15,3221–3226;2003CommentfromNatureMaterials:“Theseresultsshouldimprovetheunderstandingofcollagen-mediatedmineralizationinothercalcifiedtissues,andpointthewaytonewfunctionalmaterialsforbiomimeticengineering.”清華的工作：Mechanismsofbiomineralizatio61PorousStructureoftheMaterialsNanostructuredArtificalBoneNanostructuredartificialbone,whichisthefirstchinesenano-medicineproduct,hascomeintothemarket.Itseffectisclosetoautograftiliacbone.Morethan2000casesofbonedefectwerehealedsuccessfullyusingthisproduct.Now,itispropagandizingindomestichospitals.Artificialboneimplantedinintervertebralforamen,detectedbyX-ray.2weeksafteroperation,intervertebralfusionwasfinished(thearrow)PorousStructureoftheMateri62碳/碳復合材料（Carbon/Carboncomposites）碳/碳復合材料首先是由碳纖維制成多孔的預制體，然后采用浸漬樹脂（或瀝青）炭化，或者采用化學氣相沉積/滲透（CVD/CVI）的方式將多孔預制體中孔隙填充而獲得的。根據(jù)實際應用構件的形狀和使用要求，設計預制體的構成，可以得到不同結構的碳/碳復合材料。例如二維、三維（三維正交，三維編織）等碳/碳復合材料構件?，F(xiàn)在正在將碳/碳復合材料表面形成SiC，可以獲得一種梯度“陶瓷碳/碳復合材料”。碳/碳復合材料主要應用在以下