第五章復(fù)合材料

第一節(jié)概述復(fù)合材料兩種或者兩種以上的不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的多相材料。第1頁/共60頁12021/10/10星期日在現(xiàn)代工程中對材料的要求越來越苛刻，特別是在航天、航海及交通運輸領(lǐng)域。例如，要求飛機結(jié)構(gòu)材料既有低的密度，又具有高的強度、剛度、韌性、耐磨及耐蝕性。通常高強度材料的密度也高，增大強度或剛度則會降低材料的韌性。第2頁/共60頁22021/10/10星期日這種材料優(yōu)異性能的組合是單一材料無法滿足的。復(fù)合材料第3頁/共60頁32021/10/10星期日玻璃纖維增強風(fēng)機葉片玻璃纖維增強尼龍車輪第4頁/共60頁42021/10/10星期日玻璃纖維增強塑料制自行車復(fù)合材料制小船第5頁/共60頁52021/10/10星期日復(fù)合材料制防彈衣第6頁/共60頁62021/10/10星期日復(fù)合材料在波音飛機上的應(yīng)用第7頁/共60頁72021/10/10星期日特點復(fù)合材料既保持組成材料各自的最佳特性，又具有組合后的新特性。第8頁/共60頁82021/10/10星期日材料斷裂能/J玻璃纖維7.5×10-4常用樹脂2.26×10-2熱固性玻璃鋼17.6例1：熱固性玻璃鋼＝熱固性樹脂＋玻璃纖維熱固性玻璃鋼：強度高于熱固性樹脂脆性低于玻璃纖維第9頁/共60頁92021/10/10星期日泥土＋稻草水泥＋鋼筋例2：建筑材料（復(fù)合材料的應(yīng)用）第10頁/共60頁102021/10/10星期日一、復(fù)合材料的分類復(fù)合材料種類繁多，目前尚無統(tǒng)一的分類方法。按基體相的性質(zhì)分金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料銅基復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料第11頁/共60頁112021/10/10星期日按增強相的形態(tài)分纖維增強塑料（玻璃鋼）纖維增強橡膠（輪胎）纖維增強陶瓷纖維增強金屬金屬陶瓷彌散強化金屬纖維增強復(fù)合材料顆粒增強復(fù)合材料疊層復(fù)合材料雙層金屬復(fù)合材料三層復(fù)合材料第12頁/共60頁122021/10/10星期日纖維增強復(fù)合材料顆粒增強復(fù)合材料疊層復(fù)合材料第13頁/共60頁132021/10/10星期日二、復(fù)合材料的性能特點比強度和比模量高纖維增加材料的比強度及比模量遠高于金屬材料，特別是碳纖維－環(huán)氧樹脂復(fù)合材料比強度是鋼的8倍，比模量是鋼的4倍?？蛊诤推茢喟踩院美w維增強復(fù)合材料對缺口及應(yīng)力集中的敏感性小，纖維與基體界面能阻止疲勞裂紋的擴展，改變裂紋擴展的方向。第14頁/共60頁142021/10/10星期日（1）比強度與比模量高

比強度、比模量是指材料的強度或模量與密度之比。比強度愈高，同一零件的自重愈小;比模量愈高，零件的剛性愈大。環(huán)氧樹脂與高強度的碳纖維復(fù)合，比強度可達913kNm/kg，比模量為85MNm/kg，與高模量的碳纖維復(fù)合，比模量可達116MNm/kg，比強度為613kNm/kg,遠遠超過一般鋼材和鋁合金（鋼的比強度為126kNm/kg，比模量為27MNm/kg）。第15頁/共60頁152021/10/10星期日（2）化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良

鋼材一般不耐酸，尤其是含有氯離子的酸，即使含鉬不銹鋼在這種介質(zhì)中，也會很快被腐蝕。但纖維增強塑料如玻纖增強酚醛樹脂，在含氯主子的酸性介質(zhì)中能長期使用。用玻纖增強塑料，可制造耐強酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥、容器、風(fēng)機、攪拌器等設(shè)備。如用耐堿玻纖或碳纖維與塑料復(fù)合，還能在強堿介質(zhì)中使用。耐堿玻纖可用來取代鋼筋與水泥復(fù)合。第16頁/共60頁162021/10/10星期日（3）減摩、耐磨、自潤滑性好

在熱塑性塑料中摻入少量短切碳纖維可大大提高它的耐磨性，其增加倍數(shù)為聚氯乙烯本身3.8倍，聚四氟乙烯本身的3倍，聚丙烯本身的2.5倍，聚酰胺本身的1.2倍，聚酯本身的2倍。碳纖維增強塑料還可降低塑料的摩擦系數(shù)，提高它的pv值[1]；pv值隨碳纖維的增加而有不同程度地提高。以鋼作對磨件時，碳纖維增強的磨損比玻纖增強的約小10倍。碳纖維增強塑料具有良好的自潤性能，因此可用于制造無油潤滑活塞環(huán)、軸承和齒輪。如用石棉之類的材料與塑料復(fù)合，則與上述情況相反，可得到摩擦系數(shù)大、制動效果好的摩阻材料。

[1]p為滑動軸承投影面的壓強（MPa），v為滑動線速度（m/s），各種塑料及其復(fù)合材料均有一個允許最高承載能力的p值；與允許最高滑動線速度的v值。

第17頁/共60頁172021/10/10星期日（4）耐熱性高碳化硅（SiC）纖維、氧化鋁纖維（α–Al2O3·SiO2）與陶瓷復(fù)合，在空氣中能耐1200～1400℃高溫，要比所有超高溫合金的耐熱性高出100℃以上。用于柴油發(fā)動機、可取消原來的散熱器、水泵等冷卻系統(tǒng)，減輕重量約100kg。用于汽車發(fā)動機，使用溫度可高達1370℃。第18頁/共60頁182021/10/10星期日（5）高韌性和高抗沖擊性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性

金屬基復(fù)合材料具有高韌性和高抗沖擊性能，在受到?jīng)_擊時能通過塑性變形吸收能量。具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，可以使集中電荷和局部的高溫?zé)嵩春芸鞌U散消失，有利于解決熱氣流沖擊和雷擊問題。第19頁/共60頁192021/10/10星期日循環(huán)次數(shù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料玻璃鋼鋁合金復(fù)合材料具有較高的疲勞強度。實驗表明：σr＝70～80％σb，而鋼的疲勞強度只有抗拉強度的40～50％。纖維復(fù)合材料平均幾千到幾萬根纖維/cm2，即使有少數(shù)纖維斷裂亦不會影響到其承載能力，故破斷安全性好。（6）抗疲勞和破斷安全性好

纖維增強復(fù)合材料對缺口及應(yīng)力集中的敏感性小，纖維與基體界面能阻止疲勞裂紋的擴展，改變裂紋擴展的方向。第20頁/共60頁202021/10/10星期日第三節(jié)常用復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料第21頁/共60頁212021/10/10星期日一、塑料基復(fù)合材料作為機械工程材料，塑料的最大優(yōu)點是密度小、耐腐蝕、可塑性好、易于加工成型。缺點：強度低、彈性模量低、耐熱性差。改善的方法：復(fù)合材料，主要是增強。第22頁/共60頁222021/10/10星期日使用最廣泛的是纖維增強塑料。按纖維的性質(zhì)可以把塑料基復(fù)合材料分為：玻璃纖維增強塑料碳纖維增強塑料硼纖維增強塑料碳化硅纖維增強塑料Kevlar纖維增強塑料基體材料：熱固性塑料、熱塑性塑料第23頁/共60頁232021/10/10星期日（一）玻璃纖維增強塑料俗稱玻璃鋼。按照塑料的性質(zhì)可以分為：熱塑性玻璃鋼熱固性玻璃鋼第24頁/共60頁242021/10/10星期日1、熱塑性玻璃鋼由體積分數(shù)為20～40%的玻璃纖維與60～80%的熱塑性樹脂組成。具有高強度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低的熱脹系數(shù)。第25頁/共60頁252021/10/10星期日2、熱固性玻璃鋼由體積分數(shù)為60～70%的玻璃纖維與30～40%的熱固性樹脂組成。主要特點：密度小、強度高、比強度超過一般的高強鋼，耐腐蝕、絕緣、絕熱等。但彈性模量低，在300℃以下使用。主要用于制造自重輕的受力構(gòu)件和要求無磁性、絕緣、耐腐蝕的零件。第26頁/共60頁262021/10/10星期日（二）碳纖維增強塑料

組成由碳纖維與聚脂、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復(fù)合材料。優(yōu)點低密度、高強度、高彈性模量、高比強度和比模量。優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐腐蝕和耐熱性。第27頁/共60頁272021/10/10星期日

缺點碳纖維和基體結(jié)合強度低，各向異性嚴重。應(yīng)用性能優(yōu)于玻璃鋼，主要用于航天和航空工業(yè)中制作飛機機身，螺旋漿，發(fā)電機的護環(huán)材料等。第28頁/共60頁282021/10/10星期日（三）硼纖維增強塑料

組成由硼纖維與環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成的復(fù)合材料。特點高比強度和比模量；良好的耐熱性；缺點是各向異性嚴重第29頁/共60頁292021/10/10星期日

應(yīng)用

主要用于航天和航空工業(yè)中要求高剛度的構(gòu)件，如飛機機身，機翼等。第30頁/共60頁302021/10/10星期日（四）碳化硅纖維增強塑料

組成由碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料。特點高比強度和比模量；抗拉強度接近碳纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，但抗壓強度是其兩倍；碳化硅—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是一種很具有發(fā)展前途的新型材料。第31頁/共60頁312021/10/10星期日

應(yīng)用

主要用于宇航器上的結(jié)構(gòu)，比金屬輕30%。還可以制作飛機的門、降落傳動裝置、機翼等等。第32頁/共60頁322021/10/10星期日（五）Kevlar纖維增強塑料

組成由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等樹脂組成的復(fù)合材料。特點最常用的是Kevlar纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；抗拉強度高于玻璃鋼，與碳纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相近；延性好，與金屬相似；具有優(yōu)良的疲勞抗力和減振性。第33頁/共60頁332021/10/10星期日主要用于制作飛機機身、雷達天線罩、火箭發(fā)動機外殼、快艇等。

應(yīng)用第34頁/共60頁342021/10/10星期日二、金屬基復(fù)合材料目前是機械工程中用量最大的一類材料。塑性，韌性，硬度，彈性模量比較高。但仍不能滿足要求，一直在改進。第35頁/共60頁352021/10/10星期日主要應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料：纖維增強金屬基復(fù)合材料顆粒增強金屬基復(fù)合材料塑料—金屬多層復(fù)合材料第36頁/共60頁362021/10/10星期日三、橡膠基復(fù)合材料橡膠具有彈性高，減振性好，熱導(dǎo)率低，絕緣等優(yōu)點，但強度和彈性模量低，耐磨性差。為了改善橡膠制品的性能，可以用增強纖維或粒子與其復(fù)合。制備纖維增強橡膠和粒子增強橡膠制品。纖維增強橡膠—主要用于輪胎，皮帶，橡膠管，橡膠布等。粒子增強橡膠—利用補強劑提高橡膠的抗拉強度，撕裂強度，耐磨性等。第37頁/共60頁372021/10/10星期日四、陶瓷基復(fù)合材料陶瓷具有耐高溫，抗氧化，耐腐蝕，彈性摩量高，抗壓強度大等優(yōu)點。但陶瓷脆性大，不能承受劇烈的機械沖擊和熱沖擊。用纖維或粒子與陶瓷制成復(fù)合材料，其韌性明顯提高，是目前研究的熱點。主要有：纖維增強陶瓷復(fù)合材料粒子增強陶瓷復(fù)合材料第38頁/共60頁382021/10/10星期日復(fù)合材料應(yīng)用實例雙金屬復(fù)合鋼管陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管第39頁/共60頁392021/10/10星期日20鋼/316L鋼復(fù)合管基管20鋼內(nèi)襯316L鋼第40頁/共60頁402021/10/10星期日20鋼/316L復(fù)合管第41頁/共60頁412021/10/10星期日第42頁/共60頁422021/10/10星期日鋁熱劑：Al+Fe2O3FeAl2O3第43頁/共60頁432021/10/10星期日第六節(jié)增強材料及其增強機制復(fù)合材料是一種由基體matrix和增強相reinforcedphase組成的多相材料，通?；w為連續(xù)相，而增強相為分散相。復(fù)合材料基體增強相金屬材料、高分子材料、陶瓷材料顆粒增強材料、纖維增強材料、片狀增強材料第44頁/共60頁442021/10/10星期日一、增強材料增強效果最明顯、應(yīng)用最廣。主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等（一）纖維增強材料第45頁/共60頁452021/10/10星期日密度g/cm3抗拉強度GPa拉伸模量100GPa比強度106N.m/kg比模量106N.m/kg無堿玻璃纖維2.553.400.711.3328高強度碳纖維（II）1.742.422.161.39124高模量碳纖維（I）2.002.233.751.12188Kevlar491.442.801.261.9488硼纖維2.362.753.821.17162SiC纖維（鎢芯）2.693.434.801.28178鋼絲7.744.202.000.5426鎢絲19.404.104.100.2121鉬絲10.202.203.600.2235常用增強纖維與金屬絲性能對比第46頁/共60頁462021/10/10星期日玻璃纖維由熔融玻璃經(jīng)拉絲制成纖維；密度2.4～2.7，與鋁相近，彈性模量低于金屬，但比強度和比模量高；耐熱性好，軟化溫度550～580℃；耐蝕性好，除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對其它溶劑有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；不吸水、不燃燒、尺寸穩(wěn)定、隔熱、吸聲、絕緣、透過電磁波等；制取方便，價格便宜，是應(yīng)用最廣的增強纖維。第47頁/共60頁472021/10/10星期日碳纖維將有機纖維（如粘膠纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青纖維等）在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而制成wC>90%以上的纖維；密度低、強度和模量高；高、低溫性能好（1500℃，-180℃）；化學(xué)穩(wěn)定性高，能耐濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；熱脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高，導(dǎo)電性、自潤滑性好；缺點：脆性大，易氧化，與基體結(jié)合力差。第48頁/共60頁482021/10/10星期日硼纖維將元素B用蒸汽沉積的方法沉積到耐熱金屬絲－纖芯（鎢絲）上制得的一種復(fù)合纖維；熔點高（2300℃）；強度、彈性模量高；良好的耐蝕性；缺點：密度較大，直徑較粗，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高；不及玻璃纖維和碳纖維應(yīng)用廣泛。第49頁/共60頁492021/10/10星期日芳綸纖維亦稱Kevlar纖維，是一種將聚合物溶解在溶劑中，再經(jīng)紡絲制成的芳香族聚酰胺類纖維；密度小，比強度、比彈性模量高；抗拉強度比玻璃纖維高45％，韌性好；耐熱性好，能在290℃下長期作用；優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性，且價格便宜。第50頁/共60頁502021/10/10星期日碳化硅纖維是以鎢絲或碳纖維作纖芯，通過氣相沉積法而制得；或用聚碳硅烷紡紗，經(jīng)燒結(jié)而得；是一種高熔點、高強度、高模量的陶瓷纖維，主要用于增強金屬和陶瓷；優(yōu)良的高溫強度，在1100℃時強度仍高達2100MPa。第51頁/共60頁512021/10/10星期日主要增強顆粒為陶瓷顆粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；陶瓷顆粒性能好、成本低，易于批量生產(chǎn)；在聚合物中添加不同的填料，構(gòu)成以填料為分散相、聚合物為連續(xù)相的復(fù)合材料，可改善制品的力學(xué)性能、耐磨性能、耐熱性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)磁性能、耐老化性能等。（二）顆粒增強材料第52頁/共60頁522021/10/10星期日碳黑和白碳黑（Si2C無定形微粉，呈白色，具有類似碳黑的增強作用，故稱之）可明顯提高橡膠的強度、硬度和彈性模量；石墨、銀粉、銅粉等可改善塑料的導(dǎo)電性；Fe2O3磁粉可改善塑料的導(dǎo)磁性；MoS2可提高塑料的自潤滑性；空心玻璃微珠可減小塑料的密度并提高其耐熱性。第53頁/共60頁532021/10/10星期日二、增強機制纖維是具有強結(jié)