航空工程材料（第3版）課件 8復(fù)合材料

第8章復(fù)合材料8.1復(fù)合材料概述一、概念“兩種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)上不同的物質(zhì)結(jié)合起來而得到的一種多相固體材料”。注：每一種材料都有其性能上的優(yōu)勢與不足，但相互復(fù)合后，取長補(bǔ)短組成特征：1、不同的非金屬材料之間2、不同的金屬材料之間3、非金屬材料和金屬材料之間組成部分：基體材料:強(qiáng)度韌性好；聚合物、橡膠、金屬增強(qiáng)材料:高強(qiáng)度、高E；玻璃纖維、碳纖維二、復(fù)合材料的分類和特點(diǎn)按強(qiáng)化相的結(jié)構(gòu)形態(tài)與特征分類定向纖維復(fù)合材料連續(xù)與不連續(xù)纖維復(fù)合材料疊層復(fù)合材料（圖8-1）二維或三維編織復(fù)合材料（圖8-2）顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料按基體材料分類金屬基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料碳-碳基復(fù)合材料三、復(fù)合材料的特性復(fù)合材料的性能特點(diǎn)對(duì)材料的要求總是希望其既具有較高的強(qiáng)度，又有較好的塑性，強(qiáng)度高意味著承載能力強(qiáng)，塑性好則能夠防止材料突然破壞。但是金屬材料強(qiáng)度與塑性很難同步提高，無機(jī)非金屬（玻璃、陶瓷等）則剛而不柔，有機(jī)聚合物（樹脂、橡膠等）則柔而不剛，而復(fù)合材料是將剛性較大的增強(qiáng)材料與塑性較好的基體材料結(jié)合起來，剛?cè)岵?jì)，具有良好的綜合性能。高比強(qiáng)度、高比模量從表8-1可以看出，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量是各類材料中最高的。據(jù)計(jì)算，用復(fù)合材料制成與高強(qiáng)度鋼具有相同強(qiáng)度和剛度的零件時(shí)，其質(zhì)量可以減輕70％左右。表8-1抗疲勞性能好金屬材料的疲勞破壞，一般都是材料內(nèi)部的損傷積累造成的，裂紋發(fā)展到一定程度，迅速擴(kuò)展而造成的突然斷裂，通常事先沒有征兆；而纖維復(fù)合材料中的初始缺陷（如斷裂的纖維、基體開裂、纖維脫膠等）大大超過普通金屬，因而對(duì)缺口、孔等引起的應(yīng)力集中的敏感性要比金屬小的多，特別是纖維和基體界面能改變裂紋擴(kuò)展的方向，從而在一定程度上阻止了裂紋的擴(kuò)展。其疲勞破壞總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)開始，逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上，破壞前有明顯的征兆。大多數(shù)金屬的疲勞極限是其拉伸強(qiáng)度的40％-50％，而碳纖維復(fù)合材料則可高達(dá)70％-80％。減摩耐磨、自潤滑性能好破損安全性好數(shù)纖維復(fù)合材料基體中平均每平方厘米面積上的纖維至少有幾千根，多至幾萬根，使用中超載時(shí)即使少量的纖維斷裂，其載荷會(huì)迅速重新分配到未被破壞的纖維上，這樣短時(shí)間內(nèi)不至使整個(gè)構(gòu)件失去承載能力?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好各向異性其他特殊性能目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料存在的主要問題是：抗沖擊性能低，橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度差，成本高。四、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)要求復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及其制造技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的金屬材料，具有兩個(gè)基本的特點(diǎn)：力學(xué)性能的可設(shè)計(jì)性在構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造時(shí)可以可按其受力情況和性能要求設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能，而不僅僅是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的材料的選擇材料制造和構(gòu)件制造的統(tǒng)一性制作材料的同時(shí)也就制造出了構(gòu)件五、復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用767的復(fù)合材料使用3％777飛機(jī)的復(fù)合材料使用11％§8.2金屬基復(fù)合材料8.2.1金屬基復(fù)合材料的種類與一般特性定義與分類金屬基復(fù)合材料是以金屬或合金為基體，以纖維、晶須、顆粒等為增強(qiáng)體，采用多種工藝方法制成的復(fù)合材料。按基體可分為鋁基、鎂基、銅基、鈦基、高溫合金基、金屬間化合物基、難熔金屬基復(fù)合材料；按增強(qiáng)體可分為纖維增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。2.一般特性與應(yīng)用范圍金屬基復(fù)合材料與一般金屬相比，具有耐高溫、高比強(qiáng)度、高比彈性模量、抗蠕變、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小和抗磨損等優(yōu)點(diǎn)。與樹脂基復(fù)合材料相比，不僅剪切強(qiáng)度高，對(duì)缺口不敏感，而且物理和化學(xué)性能更穩(wěn)定，具有不吸濕、不放氣、不老化、抗原子氧侵蝕、抗核輻射、抗電磁脈沖、抗阻尼、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，金屬基復(fù)合材料是理想的航天器材料，適合空間環(huán)境使用。在航空器上也有潛在的應(yīng)用前景，是研制高溫結(jié)構(gòu)材料的重要領(lǐng)域。其中，連續(xù)纖維具有更明顯的增強(qiáng)、增模效果，但因性能有各向異性則需要考慮取向設(shè)計(jì)。通?？刹捎酶鞣N纖維混雜增強(qiáng)，調(diào)整各向性能；晶須增強(qiáng)復(fù)合材料具有較低的沖擊韌性，制備和加工復(fù)合材料的工藝較復(fù)雜，需認(rèn)真解決潤濕性和界面反應(yīng)、穩(wěn)定工藝和降低成本等問題。8.2.2增強(qiáng)體及其典型性能增強(qiáng)體是復(fù)合材料中承受載荷和具有特殊功能的組分。按幾何形狀可分為零維的顆粒狀、一維的纖維狀、二維的片狀、三維的立體結(jié)構(gòu)。按屬性分為無機(jī)和有機(jī)增強(qiáng)體，其中有天然的和合成的。二維可制成布、氈，三維可制成異形織物預(yù)制體。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，增強(qiáng)體的類型、品種、性能不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，可以混雜增強(qiáng)，可以多維編制預(yù)制體等。為使增強(qiáng)體與基體潤濕、結(jié)合適當(dāng)，得到理想的界面組織，增強(qiáng)體表面有時(shí)按復(fù)合材料性能要求而進(jìn)行表面處理，涂覆復(fù)合材料涂層。1.金屬基復(fù)合材料用顆粒增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料通常選擇具有高彈性模量、高強(qiáng)度、高溫性能好、耐磨、物理和化學(xué)性能與基體金屬匹配的材料作為顆粒增強(qiáng)體。常用的顆粒增強(qiáng)體有SiC、Al2O3，、TiC、TiB、BC、石墨等非金屬顆粒。2.金屬基復(fù)合材料用纖維增強(qiáng)體纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料常用的連續(xù)纖維增強(qiáng)劑有Bf(單絲)、Cf(石墨)、SiCf(單絲、束絲)、Al2O3，纖維等。短纖維有Al2O3

、Al2O3-SiO2、BN纖維等。金屬纖維有W、Mo、鋼絲。硼纖維用得最早，碳石墨纖維性能優(yōu)異且產(chǎn)量大、品種多。3．金屬基復(fù)合材料用晶須增強(qiáng)體

晶須是人工控制條件下以單晶形式生長的一種纖維，直徑非常細(xì)，缺陷少，原子排列高度有序，強(qiáng)度接近完整晶體理論值，增強(qiáng)復(fù)合材料潛力大，包括金屬、氧化物、碳化物、氮化物、鹵化物等。SiCw是用化學(xué)氣相法制備，已投人工業(yè)生產(chǎn)，SiCw/Al復(fù)合材料已在航空、航天工業(yè)和汽車工業(yè)中得到應(yīng)用。8.2.3金屬基復(fù)合材料制備工藝

金屬基復(fù)合材料的制造程序是增強(qiáng)體經(jīng)預(yù)處理或預(yù)成形后，先與基體材料復(fù)合，再經(jīng)第二次成形和加工制成復(fù)合材料零件。重要的是要使增強(qiáng)纖維材料與基體間在高溫下界面反應(yīng)不引起損傷和具有較強(qiáng)的界面結(jié)合。1．纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方法真空壓力浸漬法（圖8-4）液態(tài)金屬浸漬法擠壓鑄造法（圖8-5）熱壓擴(kuò)散黏結(jié)法（圖8-6，8-7）2.顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方法粉末冶金法鑄造法噴霧共沉積法（圖8-8）3.晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方法粉末冶金法壓力鑄造法4.金屬基材料的二次加工技術(shù)

金屬基復(fù)合材料在制成鑄錠、坯、板后，通常采用二次加工成形，制成可應(yīng)用的零件、鍛件、旋壓件、型材等模鍛二次擠壓旋壓軋制超塑性成形熱壓擴(kuò)散結(jié)合熱等靜壓離心鑄造8.2.4金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用表8—6金屬基復(fù)合材料及其一般應(yīng)用范圍§8.3樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料由樹脂基體與增強(qiáng)纖維所組成。樹脂基體是復(fù)合材料另一個(gè)主要組分材料。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成形過程中，樹脂基體參與化學(xué)反應(yīng)并固化成形為結(jié)構(gòu)。因此，樹脂基體固化工藝決定了結(jié)構(gòu)件成形工藝和制造成本。樹脂基體對(duì)纖維起支撐、保護(hù)作用并傳遞載荷。因此，樹脂基體性能直接關(guān)系到復(fù)合材料的用溫度、壓縮性能、橫向(90。)性能和剪切性能(包括層問剪切強(qiáng)度)等基本性能，以及濕熱性能、抗沖擊損傷性能和沖擊后壓縮強(qiáng)度CAI等，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用愈廣，對(duì)樹脂基體提出的要求也就愈多、愈苛刻。8.3.1樹脂基體熱固性樹脂基體

1)環(huán)氧樹脂基體2)雙馬來酰亞胺樹脂基體

3)聚酰亞胺樹脂基體熱塑性樹脂基體

RTM用樹脂基體

低溫低壓固化（LTM）樹脂基體8.3.2增強(qiáng)纖維

增強(qiáng)纖維是樹脂基復(fù)合材料主要組分材料之一，是復(fù)合材料承載主體，選定纖維品種及其體積含量，即可預(yù)估出復(fù)合材料沿纖維方向(縱向)的力學(xué)性能。機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的增強(qiáng)纖維有碳纖維、芳綸(Kevlar’)、玻璃纖維和硼纖維等。碳纖維由于其性能好、纖維類型和規(guī)格多、成本適中等因素，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用最廣。芳綸性能雖然尚佳，但在濕熱環(huán)境下性能有明顯下降，一般不用作飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)，多與碳纖維混雜使用。玻璃纖維由于模量低，僅用于次要結(jié)構(gòu)(整流罩、艙內(nèi)裝飾結(jié)構(gòu)等)，但其電性能、透波性適宜制作雷達(dá)罩等。硼纖維因纖維直徑太粗又剛硬，成形和加工性不好，價(jià)格又十分昂貴，故應(yīng)用十分有限。碳纖維發(fā)展方向主要有三個(gè)，即中等模量高強(qiáng)度碳纖雛T800、T1000，高模量碳纖M50J、M60J和工業(yè)用廉價(jià)碳纖維。增強(qiáng)材料的基本形式有纖維絲束、編織布和針織布。8.3.3結(jié)構(gòu)成形工藝成形工藝是將原材料轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)、將設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖樣轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物的必經(jīng)之路。提高制造技術(shù)水平，降低制造成本是擴(kuò)大復(fù)合材料應(yīng)用的重要措施。以下主要介紹熱固性樹脂基碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成形的工藝方法及其技術(shù)特點(diǎn)。樹脂基復(fù)合材料成形工藝技術(shù)有如下顯著特點(diǎn)：(1)確保實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所確定的纖維鋪設(shè)方向。(2)熱壓工藝成形、結(jié)構(gòu)件成形與材料形成同時(shí)完成。(3)可實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件整體成形，顯著減少機(jī)械加工和裝配工作。(4)需完善的工藝質(zhì)量控制體系，保證高成品率1．樹脂基復(fù)合材料成形工藝技術(shù)特點(diǎn)2．成形工藝方法1)熱壓罐法2)軟模成形法3)預(yù)成