復(fù)合材料及其成型技術(shù)

1、復(fù)合材料及其成型技術(shù),曹韓學(xué) ,一、復(fù)合材料定義,第一節(jié) 什么是復(fù)合材料,從廣義上講，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)的組分組合而成的材料。但在現(xiàn)代材料學(xué)界中，復(fù)合材料專指由兩種或兩種以上不同相態(tài)的組分所組成的材料。 復(fù)合材料可定義為：用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復(fù)合、組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。,史上最牛的釘子戶,我們住在復(fù)合材料里,復(fù)合材料無(wú)所不在！,木質(zhì)素 纖維素,樹木也是一種復(fù)合材料,燕子窩：泥土草復(fù)合材料,進(jìn)化的復(fù)合材料-海膽牙齒,進(jìn)化的復(fù)合材料-貝殼,玻璃鋼冷卻塔,復(fù)合材料玻璃鋼,玻璃纖維增強(qiáng)風(fēng)機(jī)葉片

2、,玻璃鋼材料的汽車前保險(xiǎn)杠,玻璃鋼游艇,玻璃鋼/復(fù)合材料在軌道交通車輛中的應(yīng)用,A380復(fù)合材料的使用比例為22%，A340-600的比例為12%。,1997年服役，目前世界性能最佳的制空戰(zhàn)機(jī)之一 55%機(jī)身采用高強(qiáng)度、低重量的復(fù)合材料,B-777上用的先進(jìn)材料,復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，較高的比張度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導(dǎo)熱、隔熱、隔音、減振、耐高(低)溫，獨(dú)特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計(jì)性、制備的靈活性和易加土性等特點(diǎn)，被大量地應(yīng)用到航空航天等軍事領(lǐng)域中，是制造飛機(jī)、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。,二、復(fù)合材料的特點(diǎn),三、復(fù)合材料的意義 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更

3、是離不開復(fù)合材料。 例如：火箭殼體材料對(duì)射程的影響， 飛行器減輕一公斤所取得的經(jīng)濟(jì)效益與飛行速度 航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料發(fā)展預(yù)測(cè)如下,四、復(fù)合材料的分類,復(fù)合材料種類繁多，目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類方法。,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的分類：,復(fù)合材料及其增強(qiáng)相的各種形態(tài),纖維狀,顆粒狀,層狀,片狀,填充狀,第二節(jié) 金屬基復(fù)合材料概述,金屬基復(fù)合材料相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料來(lái)說，具有較高的比強(qiáng)度與比剛度。 而與樹脂基復(fù)合材料相比，它又具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性。 與陶瓷基材料相比，它又具有高韌性和高沖擊性能。,金屬基復(fù)合材料的這些優(yōu)良的性能決定了它已從誕生之日起就成了新材料家族中的重要一員，它已經(jīng)在一些領(lǐng)域里得到應(yīng)用并且其應(yīng)用領(lǐng)域

4、正在逐步擴(kuò)大。,一、金屬基復(fù)合材料的分類,金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料。因此，對(duì)這種材料的分類既可按用途來(lái)進(jìn)行、按基體來(lái)進(jìn)行、也可按增強(qiáng)體來(lái)進(jìn)行。,1.按用途分類,2.按基體分類,(1)鋁基復(fù)合材料 這是在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用得最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方結(jié)構(gòu)，因此具有良好的塑性和韌性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。,在制造鋁基復(fù)合材料時(shí)，通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金。 這主要是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。至于選擇何種鋁合金做基體，則根據(jù)實(shí)際中對(duì)復(fù)合材料的性能需要來(lái)決定

5、。,(2)鎳基復(fù)合材料 這種復(fù)合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優(yōu)良，因此這種復(fù)合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件。,人們研制鎳基復(fù)合材料的一個(gè)重要目的，即是希望用它來(lái)制造燃汽輪機(jī)的葉片，從而進(jìn)一步提高燃汽輪機(jī)的工作溫度。 但目前由于制造工藝及可靠性等問題尚未解決，所以還未能取得滿意的結(jié)果。,(3)鈦基復(fù)合材料 鈦比任何其它的結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強(qiáng)度。 此外，鈦在中溫時(shí)比鋁合金能更好地保持其強(qiáng)度。,因此，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)說，當(dāng)速度從亞音速提高到超音速時(shí)，鈦比鋁合金顯示出了更大的優(yōu)越性。,隨著速度的進(jìn)一步加快，還需要改變飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用更細(xì)長(zhǎng)的機(jī)冀和其它冀型，為此需要高剛度的

6、材料，而纖維增強(qiáng)鈦恰可滿足這種對(duì)材料剛度的要求。,基體和增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù),鈦基復(fù)合材料中最常用的增強(qiáng)體是硼纖維，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近，如下表所示。,3.按增強(qiáng)體分類,(1)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料中的纖維根據(jù)其長(zhǎng)度的不同可分為長(zhǎng)纖維、短纖維和晶須，它們均屬于一維增強(qiáng)體。 因此，由纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料均表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。,當(dāng)韌性金屬基體用高強(qiáng)度脆性纖維增強(qiáng)時(shí)，基體的屈服和塑性流動(dòng)是復(fù)合材料性能的主要特征，但纖維對(duì)復(fù)合材料彈性模量的增強(qiáng)具有相當(dāng)大的作用。,(2)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 這里的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是指彌散的硬質(zhì)增強(qiáng)相的體積超過20的復(fù)合材料，而不包括那種彌散質(zhì)點(diǎn)體

7、積比很低的彌散強(qiáng)化金屬。,分為外加和內(nèi)生兩種。,(3)層狀復(fù)合材料 這種復(fù)合材料是指在韌性和成型性較好的金屬基體材料中，含有重復(fù)排列的高強(qiáng)度、高模量片層狀增強(qiáng)物的復(fù)合材料。,層狀復(fù)合材料的強(qiáng)度和大尺寸增強(qiáng)物的性能比較接近，而與晶須或纖維類小尺寸增強(qiáng)物的性能差別較大。 因?yàn)樵鰪?qiáng)薄片在二維方向上的尺寸相當(dāng)于結(jié)構(gòu)件的大小，因此增強(qiáng)物中的缺陷可以成為長(zhǎng)度和構(gòu)件相同的裂紋的核心。,由于薄片增強(qiáng)的強(qiáng)度不如纖維增強(qiáng)相高，因此層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的強(qiáng)度受到了限制。 然而，在增強(qiáng)平面的各個(gè)方向上，薄片增強(qiáng)物對(duì)強(qiáng)度和模量都有增強(qiáng)效果，這與纖維單向增強(qiáng)的復(fù)合材料相比具有明顯的優(yōu)越性。,二、金屬基復(fù)合材料特性,復(fù)合材料是

8、由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。,1.高比強(qiáng)度、高比模量（剛度）,比強(qiáng)度 = 強(qiáng)度/密度 MPa /（g/cm3） 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）,、增強(qiáng)體或者基體是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都不高，且都不是完全致密的； 、增強(qiáng)體多是強(qiáng)度很高的纖維。,例如，普通碳鋼的密度為7.8 g/cm3。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度為1.52.0 g/cm3，只有普通碳鋼的1/41/5，比鋁合金還要輕1/左右，而機(jī)械強(qiáng)度卻能超過普通碳鋼的水平。,若按比強(qiáng)度計(jì)算，玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料不僅超過碳鋼，而且可超過某些特殊合金綱。 碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料具有

9、比玻璃纖維復(fù)合材料更低的密度和更高的強(qiáng)度，因此具有更高的比強(qiáng)度。,復(fù)合材料的比模量大，故自振頻率也高，可避免構(gòu)件在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振。 纖維與基體界面有吸收振動(dòng)能量的作用，所以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很好的減振性能。,2.熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好,加入增強(qiáng)體到基體材料中不僅可以提高材料的強(qiáng)度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復(fù)合材料中增強(qiáng)體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。,3.良好的高溫性能,目前：聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為350 C； 金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能，其使用溫度在3501100C范圍內(nèi)變動(dòng)； 陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá)1400C； 碳/碳復(fù)合材料的使

10、用溫度最高可達(dá)2800C。,不同SiC纖維復(fù)合材料的使用溫度范圍。,4.良好的疲勞性能和斷裂韌度,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)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(kuò)展，改變裂紋擴(kuò)展的方向。,復(fù)合材料具有較高的疲勞強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明：r7080b，而鋼的疲勞強(qiáng)度只有抗拉強(qiáng)度的4050。 纖維復(fù)合材料平均幾千到幾萬(wàn)根纖維/cm2，即使有少數(shù)纖維斷裂亦不會(huì)影響到其承載能力，故破斷安全性好。,5.工藝性能優(yōu)良 纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)良的工藝性能，能滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復(fù)雜、數(shù)量少制品的制造。,6.耐磨性好,7.不吸潮、不老化、氣密性好,第三節(jié) 金屬基復(fù)合

11、材料的設(shè)計(jì),一、復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性,復(fù)合材料可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具有很好的可設(shè)計(jì)性。,可設(shè)計(jì)性是指：設(shè)計(jì)人員可根據(jù)所需制品對(duì)力學(xué)及其它性能的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)材料本身進(jìn)行設(shè)計(jì)。,力學(xué)（結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)給制品一定的強(qiáng)度和剛度 功能設(shè)計(jì)給制品除力學(xué)性能外的其他性能 工藝設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不僅可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計(jì)，更重要的是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即增強(qiáng)體的比例、分布、排列和取向等的設(shè)計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來(lái)說，是由能承受載荷的增強(qiáng)體組元與能連接增強(qiáng)體又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。由不同的增強(qiáng)體和不同的基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)

12、復(fù)合材料。,對(duì)于結(jié)構(gòu)件來(lái)說，可以根據(jù)受力情況合理布置增強(qiáng)材料，達(dá)到節(jié)約材料、減輕質(zhì)量的目的。,對(duì)于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)可以選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強(qiáng)材料； 對(duì)于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可以方便地通過選擇合適的原材料來(lái)滿足要求。 復(fù)合材料良好的可設(shè)計(jì)性還可以最大限度地克服其彈性模量、層間剪切強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。,二、金屬基復(fù)合材料的基體選擇,1.選擇的基本原則,（1）根據(jù)不同的使用性能要求選擇合適的基體材料。,（2）根據(jù)增強(qiáng)體的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)制不同選擇不同的基體。,（3）選擇的基體要求與增強(qiáng)體具有良好的相容性（浸潤(rùn)性）。,在制備金屬基復(fù)合材料時(shí)，液態(tài)金屬對(duì)增強(qiáng)材料的浸

13、潤(rùn)性，則直接影響到界面粘結(jié)強(qiáng)度。,浸潤(rùn)性是表示液體在固體表面上鋪展的程度。,好的浸潤(rùn)性意味著液體(基體)將在增強(qiáng)材料上鋪展開來(lái)，并覆蓋整個(gè)增強(qiáng)材料表面。,2.結(jié)構(gòu)件金屬基復(fù)合材料的基體,用于航空、航天、汽車、先進(jìn)武器等結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料要求具有高的比強(qiáng)度、比剛度，有高的結(jié)構(gòu)效率，因此大多選擇鋁及鋁合金和鎂及鎂合金作為基體金屬。 在發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)中所需的結(jié)構(gòu)材料，是耐熱結(jié)構(gòu)材料，工作溫度為6501200。鈦合金基體復(fù)合材料可耐650高溫，而鎳、鈷基復(fù)合材料可在1200下使用。,（1）用于450以下的輕金屬基體-鋁、鎂合金,連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料選純鋁或含合金元素少的單相鋁合金為基體。 顆粒、晶

14、須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料選擇具有高強(qiáng)度的鋁合金作為基體。,鋁基復(fù)合材料活塞,顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料,（2）用于450700的復(fù)合材料的金屬基體,鈦合金可在450650使用，增強(qiáng)體為高性能碳化硅纖維、碳化鈦顆粒、硼化鈦顆粒等。,SiC纖維,（3）用于1000以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體,鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金。,3.功能件金屬基復(fù)合材料的基體,用于電子封裝的金屬基復(fù)合材料-高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復(fù)合材料，高模量、超高模量石墨纖維增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料，金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維增強(qiáng)鋁、銅基復(fù)合材料，硼/鋁復(fù)合材料等。 用于耐磨零部件的金屬基復(fù)合材料 用于

15、集電和電觸頭的金屬基復(fù)合材料,三、金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體選擇,增強(qiáng)體應(yīng)具有高比強(qiáng)度、高模量、高溫強(qiáng)度、高硬度、低熱膨脹等。 增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。 增強(qiáng)體與基體金屬應(yīng)具有良好的浸潤(rùn)性和相容性。,（1）連續(xù)纖維,（2）晶須,（3）顆粒,ZnO晶須,Al2O3纖維,SiC顆粒,四、金屬基復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì),1.界面的特征與設(shè)計(jì),復(fù)合材料的界面：指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。,復(fù)合材料的界面雖然很小，但它是有尺寸的，約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米，是一個(gè)區(qū)域或一個(gè)帶、或一層，它的厚度呈不均勻分布狀態(tài)。,界面通常包含以下幾個(gè)部分： 基體和增強(qiáng)物的部分

16、原始接觸面； 基體與增強(qiáng)物相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物，此產(chǎn)物與基體及增強(qiáng)物的接觸面；,基體和增強(qiáng)物的互擴(kuò)散層； 增強(qiáng)物上的表面涂層； 基體和增強(qiáng)物上的氧化物及它們的反應(yīng)產(chǎn)物之間的接觸面等。,界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)。 (1)傳遞效應(yīng) 界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強(qiáng)物，起到基體和增強(qiáng)物之間的橋梁作用。 (2)阻斷效應(yīng) 結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用。,(3)不連續(xù)效應(yīng) 在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。,(4)散射和吸收效應(yīng) 光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和

17、吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊及耐熱沖擊性等。,(5)誘導(dǎo)效應(yīng) 一種物質(zhì)(通常是增強(qiáng)物)的表面結(jié)構(gòu)使另一種(通常是聚合物基體)與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。,復(fù)合材料中的界面并不是一個(gè)單純的幾何面，而是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，界面區(qū)是從與增強(qiáng)體內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點(diǎn)開始，直到與基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點(diǎn)間的區(qū)域。,界面上產(chǎn)生的這些效應(yīng)，是任何一種單體材料所沒有的特性，它對(duì)復(fù)合材料具有重要作用。,界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任一相。 從結(jié)構(gòu)上來(lái)分，這一界面區(qū)由五個(gè)亞層組成(見下圖所示)：,界面區(qū)域示意圖

18、1一外力場(chǎng)； 2-基體； 3-基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)； 5一增強(qiáng)體表面；6-增強(qiáng)體,實(shí)驗(yàn)表明，金屬基復(fù)合材料由于容易發(fā)生界面反應(yīng)，生成脆性大的界面反應(yīng)層，在低應(yīng)力條件下，界面就會(huì)破壞，從而降低復(fù)合材料的整體性能。若基體為合金，則還易出現(xiàn)某元素在界面上富集的現(xiàn)象。,有關(guān)金屬基復(fù)合材料的界面控制研究主要有以下兩方面： （1）對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理 在增強(qiáng)材料組元上預(yù)先涂層以改善增強(qiáng)材料與基體的浸潤(rùn)性，同時(shí)涂層還應(yīng)起到防止發(fā)生反應(yīng)的阻擋層作用。,鍍鎳碳纖維,（2）選擇金屬元素 改變基體的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻擋層來(lái)控制界面反應(yīng)。,在碳纖維增強(qiáng)A1復(fù)合材料中，在碳纖維上涂Ti-B

19、涂層；在碳纖維增強(qiáng)Mg復(fù)合材料中采用SiO2作涂層；在硼纖維增強(qiáng)A1復(fù)合材料中用SiC涂層等都是在增強(qiáng)材料表面預(yù)先涂層的例子。,另外，在C/A1復(fù)合材料中，常用含Ti的Al合金，由于Ti的富集形成一層松散的鈦化物阻擋層，可大大提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性。,五、金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能設(shè)計(jì),1.連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能設(shè)計(jì),（1）單向復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)模型,定義：連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復(fù)合材料，叫做單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 結(jié)構(gòu)模型（圖） 并聯(lián)模型 纖維與基體有相同的應(yīng)變； 串聯(lián)模型 纖維與基體有相同的應(yīng)力。,四個(gè)特征彈性常數(shù)：縱向彈性模量，橫向彈性模量，主泊松比，切變模量