Ch11复合材料讲义教材课件.ppt

1、第十一章第十一章 复合材料复合材料11.1 复合材料概述复合材料概述11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理11.3 常用复合材料常用复合材料复合材料船体复合材料船体管接头管接头（宇宙飞船上用）（宇宙飞船上用）用用Beralcast363复合材料，刚度比铝材高复合材料，刚度比铝材高3倍以上，倍以上，零件减轻零件减轻22，与石墨等匹配很好，减少了焊接应力。，与石墨等匹配很好，减少了焊接应力。直升飞机反光镜和外罩直升飞机反光镜和外罩 用用Al基复合材料（基复合材料（SiC+Al合金），硬度高，合金），硬度高，热膨胀系数小，轻且耐磨，可满足战斗机在极端热膨胀系数小，轻且耐磨，可满足战斗

2、机在极端温度下正常工作。温度下正常工作。11.1 复合材料概述复合材料概述一、一、复合材料复合材料的概念的概念 国际标准化组织对复合材料的定义：由两种以上在物理和化学上国际标准化组织对复合材料的定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。指经人工特意复合指经人工特意复合而成的材料而成的材料，不包括天然复合材料及钢、陶瓷这一类多相体系。，不包括天然复合材料及钢、陶瓷这一类多相体系。二、复合材料的组成和分类二、复合材料的组成和分类11.1 复合材料概述复合材料概述（一）复合材料的组成（一）复合材料的组成 两个基本组成相：两个

3、基本组成相：1.连续相连续相，称为基体相，起粘接和固定作用；，称为基体相，起粘接和固定作用；2.分散相分散相，称为增强相，主要起承受载荷作用。，称为增强相，主要起承受载荷作用。二、复合材料的组成和分类二、复合材料的组成和分类11.1 复合材料概述复合材料概述SiC颗粒颗粒Al2O3片片Al2O3纤维纤维增强相三种类型增强相三种类型（二）复合材料的分类（二）复合材料的分类二、复合材料的组成和分类二、复合材料的组成和分类11.1 复合材料概述复合材料概述二、复合材料的组成和分类二、复合材料的组成和分类11.1 复合材料概述复合材料概述三、复合材料的性能三、复合材料的性能 既保持了组成材料各自的最佳

4、特性，又有单一材料无法比拟的综合性能。既保持了组成材料各自的最佳特性，又有单一材料无法比拟的综合性能。（一）（一）力学性能力学性能 表表11-1 常用金属材料与复合材料的性能比较常用金属材料与复合材料的性能比较 1.高的比强度和比模量。高的比强度和比模量。2.较小的缺口敏感性，较高的疲劳极限，断裂安全性好。较小的缺口敏感性，较高的疲劳极限，断裂安全性好。3.自振频率高，阻尼特性好，减振性好；良好的高温强度、高温弹性模量和抗蠕自振频率高，阻尼特性好，减振性好；良好的高温强度、高温弹性模量和抗蠕变性能。变性能。11.1 复合材料概述复合材料概述（二）（二）物理、化学性能物理、化学性能 1.密度低，

5、膨胀系数小。密度低，膨胀系数小。2.许多复合材料具有导电、导热、压电效应、换能、吸波等特殊性能。许多复合材料具有导电、导热、压电效应、换能、吸波等特殊性能。3.有些复合材料还具有良好的耐热性和化学稳定性。有些复合材料还具有良好的耐热性和化学稳定性。三、复合材料的性能三、复合材料的性能11.1 复合材料概述复合材料概述三、复合材料的性能三、复合材料的性能11.1 复合材料概述复合材料概述三种材料的疲劳强度三种材料的疲劳强度三、复合材料的性能三、复合材料的性能11.1 复合材料概述复合材料概述两种材料的振动衰减特性两种材料的振动衰减特性三、复合材料的性能三、复合材料的性能11.1 复合材料概述复合

6、材料概述11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理一、增强材料一、增强材料二、复合增强原理二、复合增强原理一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理（一）（一）颗粒增强颗粒增强材料材料 主要是陶瓷材料颗粒，主要是陶瓷材料颗粒，Al2O3、SiC、WC、TiC、Si3N4、B4C、石墨等。、石墨等。氧化锌、碳酸钙、氧化铝、石墨等粉末增强材料一般作为填料用于塑料、氧化锌、碳酸钙、氧化铝、石墨等粉末增强材料一般作为填料用于塑料、橡胶制品。橡胶制品。炭黑一般不列入颗粒增强材料之中。炭黑一般不列入颗粒增强材料之中。1.SiC 颗粒增强材料颗粒增强材料2.A

7、l2O3 颗粒增强材料颗粒增强材料1.SiC颗粒颗粒 -SiC用做研磨和耐高温材料、也是一种用做研磨和耐高温材料、也是一种电子材料。电子材料。-SiC 颗粒没有明显的棱角、表面颗粒没有明显的棱角、表面比较光滑，尺寸范围可小到几个比较光滑，尺寸范围可小到几个nm,可用于制可用于制造高密度的耐高温材料、打印机使用的造高密度的耐高温材料、打印机使用的“墨墨粉粉”。一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理扫描电镜图片扫描电镜图片-近圆形近圆形-SiC 颗粒颗粒 一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理 2.氧化铝颗粒氧化铝颗粒

8、 Al2O3，分子量，分子量102，“铝氧铝氧”，白色无定形粉状物，俗，白色无定形粉状物，俗称矾土，离子晶体，共价键，熔点称矾土，离子晶体，共价键，熔点2050，沸点，沸点3000，密，密度度3.6g/cm3。一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理氧化铝颗粒一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理一、增强材料一、增强材料（二）（二）晶须增强晶须增强材料材料11.2

9、 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理 SiC晶须晶须是一种高强度胡须状（一维）单晶体，具有高强、是一种高强度胡须状（一维）单晶体，具有高强、高模等优良的力学性能，广泛应用于金属基、陶瓷基复合材料。高模等优良的力学性能，广泛应用于金属基、陶瓷基复合材料。主要用于陶瓷刀具、宇航领域的高温元件，主强轴承座、大型主要用于陶瓷刀具、宇航领域的高温元件，主强轴承座、大型泥浆泵等。泥浆泵等。n m级级-SiC晶须，晶须直径晶须，晶须直径 100 n m，长径比，长径比10，灰，灰绿色，纯度绿色，纯度95以上。以上。m级级-SiC晶须，粒径在晶须，粒径在0.052.5 m之间，长径比之间，长径比20

10、。SiC晶须一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理一、增强材料一、增强材料（三）（三）纤维增强纤维增强材料材料 大自然中有许多天然纤维，如棉花、麻类，动物的丝、毛，石棉等。大自然中有许多天然纤维，如棉花、麻类，动物的丝、毛，石棉等。天然纤维一般强度较低。天然纤维一般强度较低。常用的纤维增强材料为合成纤维，分为有机纤维和无机纤维两类。有常用的纤维增强材料为合成纤维，分为有机纤维和无机纤维两类。有机纤维有机纤维有Kevlar纤维、尼龙纤维、芳纶纤维及聚乙烯纤维等；无机纤维有纤维、尼龙纤维、芳纶纤维及聚乙烯纤维等；无机纤维有玻璃纤维、碳（石墨）纤维、硼纤维、碳

11、化硅纤维、氧化铝纤维等。玻璃纤维、碳（石墨）纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理1.玻璃纤维玻璃纤维2.碳纤维碳纤维 1.玻璃纤维玻璃纤维 玻璃纤维绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好，强度高玻璃纤维绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好，强度高,用做用做绝缘材料、玻璃钢的原料。绝缘材料、玻璃钢的原料。glass fiber或或fiberglass，成分为二氧化硅、氧化铝、氧，成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。以玻璃球或废旧玻璃为化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等制成。单丝直径从几原

12、料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等制成。单丝直径从几m到二十几到二十几m，相当于一根头发丝的，相当于一根头发丝的 1/20 1/5，每束纤，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复合材料维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料、电路基板等。中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料、电路基板等。一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理玻璃纤维一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理玻璃纤维布一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强

13、原理 2.碳纤维 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。力学以上。力学性能优异，具有最高比强度、最高比模量。在性能优异，具有最高比强度、最高比模量。在2000以上以上高高温惰性环境中，是唯一温惰性环境中，是唯一强度不下降强度不下降的物质。的物质。一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理碳纤维一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理http:/ 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理一、增强材料一、增强材料11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理二、复合增强原

14、理二、复合增强原理（一）颗粒增强复合材料的复合增强原理（一）颗粒增强复合材料的复合增强原理（1）弥散增强弥散增强：0.1 m，颗粒通过，颗粒通过限制颗粒邻近基体的运动限制颗粒邻近基体的运动来强化基体。不仅基体承受载荷，增强颗粒也承受部分载荷。来强化基体。不仅基体承受载荷，增强颗粒也承受部分载荷。其性能受颗粒大小影响：颗粒尺寸小，增强效果好；颗粒与基体间其性能受颗粒大小影响：颗粒尺寸小，增强效果好；颗粒与基体间的结合力大，如：的结合力大，如：密度密度 c=pVp+mVm ccomposite pparticle mmatrix 但复合材料强度极限、硬度不能用混合定律。但复合材料强度极限、硬度不能

15、用混合定律。11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理注意：金属材料中亚共析钢也可用混合定律，如：注意：金属材料中亚共析钢也可用混合定律，如：HB=80 wF+180 wP b=230 wF+770 wP =50 wF+20 wP二、复合增强原理二、复合增强原理11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理 其性能与其性能与“纺织纺织”状态状态有关，适用有关，适用混合定律混合定律。c=fVf+mVm 航空上研究、应用最多。航空上研究、应用最多。（二）（二）纤维增强复合材料的纤维增强复合材料的复合增强复合增强原理原理 纤维承担大部分外力，纤维承担大部分外力，基体主要提供塑性和

16、韧性基体主要提供塑性和韧性。其强韧性好，因其基体能阻止裂纹迅速扩展。其强韧性好，因其基体能阻止裂纹迅速扩展。二、复合增强原理二、复合增强原理11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理二、复合增强原理二、复合增强原理11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理纤维断裂后裂纹沿纤维与基体界面扩展纤维断裂后裂纹沿纤维与基体界面扩展 二、复合增强原理二、复合增强原理11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理断裂的纤维被从基体中拔出断裂的纤维被从基体中拔出 二、复合增强原理二、复合增强原理11.2 增强材料及复合增强原理增强材料及复合增强原理11.3 常用复合材料常用复

17、合材料一、一、树脂基树脂基复合材料复合材料二、二、金属基（金属基（MMC）复合材料复合材料三、三、陶瓷基（陶瓷基（CMC）复合材料复合材料四、其它类型复合材料四、其它类型复合材料五、复合材料的应用五、复合材料的应用一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料（一）树脂基复合材料的成型（一）树脂基复合材料的成型 1.预浸料预浸料 将树脂浸到纤维或纤维织物上，通过一定处理制成的增强塑料的半成品。将树脂浸到纤维或纤维织物上，通过一定处理制成的增强塑料的半成品。2.成型方法成型方法 （1）手糊成型）手糊成型 （7）树脂传递成型）树脂传递成型 （2）喷射成型）喷射成型 （8）反应注射成型）反应注射成型 （3）热

18、压罐成型）热压罐成型 （9）真空袋法成型）真空袋法成型 （4）模压成型）模压成型 （10）树脂膜熔浸成型）树脂膜熔浸成型 （5）缠绕成型）缠绕成型 （11）低温固化预浸料成型）低温固化预浸料成型 （6）拉挤成型）拉挤成型 （12）SCRIMP,RIFT,VARTM 11.3 常用复合材料常用复合材料（二）（二）树脂基树脂基复合材料复合材料1.玻璃纤维玻璃纤维增强塑料增强塑料 俗称俗称玻璃钢玻璃钢，分热固性玻璃钢和热塑性玻璃，分热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢，钢，如制雷达罩、飞机螺旋桨、直升飞机机身、发动机叶轮、深水潜艇外壳、如制雷达罩、飞机螺旋桨、直升飞机机身、发动机叶轮、深水潜艇外壳、扫雷艇（无

19、磁性）等。扫雷艇（无磁性）等。2.碳纤维碳纤维增强塑料增强塑料 如卫星壳体、螺旋桨、发动机壳体、网球拍等。如卫星壳体、螺旋桨、发动机壳体、网球拍等。3.硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料 如飞机机身、机翼等。如飞机机身、机翼等。4.芳纶纤维增强塑料芳纶纤维增强塑料 如飞机机身、火箭发动机外壳、轻型船艇等。如飞机机身、火箭发动机外壳、轻型船艇等。5.石棉纤维增强塑料石棉纤维增强塑料 如汽车制动件、阀门、导管等。如汽车制动件、阀门、导管等。6.碳化硅增强塑料碳化硅增强塑料 如宇航器结构件。如宇航器结构件。7.其它增强塑料其它增强塑料 混杂纤维增强塑料混杂纤维增强塑料 ；颗粒、薄片增强塑料。颗粒、薄片增强

20、塑料。8.橡胶基复合材料橡胶基复合材料 纤维增强橡胶纤维增强橡胶 ；粒子增强橡胶。粒子增强橡胶。一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料 汽车用汽车用玻璃纤维玻璃纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强热塑性材料、玻璃纤增强复合材料包括玻璃纤维增强热塑性材料、玻璃纤维毡增强热塑性材料维毡增强热塑性材料(GMT)、片状模塑材料、片状模塑材料(SMC)、树脂传递模塑材料、树脂传递模塑材料(RTM)以及手糊以及手糊FRP制品。制品。一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料BMW汽车车门内衬汽车车门内衬 酚醛树脂玻璃钢齿轮酚醛树脂玻璃钢齿轮 一、树脂

21、基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料 玻璃钢复合材料是指玻璃纤维增强塑料及其它纤维和填料或改性的树脂基复合材料，玻璃钢/复合材料管道和容器逐渐取代普通钢材、不锈钢和稀有贵重金属等传统材料。一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）一、一、树脂基复合材料树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料一、树脂基复合材料一、树脂基复合

22、材料11.3 常用复合材料常用复合材料波音波音787主体结构采用主体结构采用碳纤维碳纤维复合材料制造复合材料制造一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料 新款SLR Mclaren车身由碳纤维复合材料制，具有非同寻常的能量吸收能力,确保最高标准的乘客安全保护一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料“金龟子”轿车的碳纤维车架一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料碳纤维轮毂碳纤维自行车架一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料碳纤维复合材料高速列车刹车片一、树脂基复合材料一、树

23、脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料碳纤维碳纤维齿轮齿轮荷兰世界最长碳纤维复合材料桥，长24.5米，宽5米 一、树脂基复合材料一、树脂基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料（一）（一）金属基复合材料的制造金属基复合材料的制造方法方法热压扩散法热压扩散法 2.液态渗透法液态渗透法3.喷涂沉积法喷涂沉积法 4.粉末冶金法粉末冶金法二、金属基复合材料二、金属基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料（二）（二）纤维及晶须增强金属基纤维及晶须增强金属基复合材料复合材料1.纤维增强铝（或铝合金）基复合材料纤维增强铝（或铝合金）基复合材料（1）硼纤维增强铝基复合材料）硼纤维增强铝基复合材

24、料 如航天飞机蒙皮。如航天飞机蒙皮。（2）碳纤维增强铝基复合材料）碳纤维增强铝基复合材料 如航空航天器天线。如航空航天器天线。（3）碳化硅纤维、晶须增强铝基复合材料）碳化硅纤维、晶须增强铝基复合材料 如航空航天结构件。如航空航天结构件。（4）氧化铝纤维、晶须增强铝基复合材料）氧化铝纤维、晶须增强铝基复合材料 如汽车发动机活塞。如汽车发动机活塞。2.纤维增强钛合金基复合材料（尚在研究、试验阶段）纤维增强钛合金基复合材料（尚在研究、试验阶段）3.纤维增强镁（或镁合金）基复合材料纤维增强镁（或镁合金）基复合材料 优点是尺寸稳定性好。优点是尺寸稳定性好。4.碳（石墨）纤维增强铜（或铜合金）基复合材料碳

25、（石墨）纤维增强铜（或铜合金）基复合材料 功能材料功能材料 如电刷。如电刷。5.纤维增强高温合金基复合材料纤维增强高温合金基复合材料二、金属基复合材料二、金属基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料（三）（三）颗粒增强金属基颗粒增强金属基复合材料复合材料1.纯颗粒增强纯颗粒增强金属基复合材料金属基复合材料（颗粒尺寸大于颗粒尺寸大于0.1m）（1）碳化硅颗粒增强铝基复合材料（）碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）如发动机缸套、卫星支架。如发动机缸套、卫星支架。（2）颗粒增强高温合金基复合材料）颗粒增强高温合金基复合材料 如导弹外壳体、尾翼。如导弹外壳体、尾翼。2.弥散强化弥散强化金属

26、基复合材料金属基复合材料（颗粒尺寸小于颗粒尺寸小于0.1m）（1）弥散强化铝基复合材料（烧结铝）弥散强化铝基复合材料（烧结铝）如飞机机身、高温活塞。如飞机机身、高温活塞。（2）弥散强化铜基复合材料）弥散强化铜基复合材料 如白炽灯引线、微波管。如白炽灯引线、微波管。二、金属基复合材料二、金属基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料颗粒增强铝基复合材料组织 铝碳化硅（铝碳化硅（SiCp/Al、Al/SiC、SiC/Al）采用）采用Al合金作基体，用合金作基体，用SiC颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越

27、性能。金属不具备的综合优越性能。二、金属基复合材料二、金属基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料二、金属基复合材料二、金属基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料Al/SiC增强复合材料碳化硅增强型玻璃钢脱硫滤网硅化石墨材料是碳化硅和石墨的复合材料金属基复合材料金属基复合材料应用举例应用举例美国航天飞机机身支柱：美国航天飞机机身支柱：150kg，B/Al复合材料。复合材料。SiC颗粒颗粒Al合金，比重是钢的合金，比重是钢的1/3，Ti合金的合金的2/3，与，与Al合合金相当。强度比中碳钢好，与金相当。强度比中碳钢好，与Ti合金相近，比合金相近，比Al合金略高，合金略高，耐磨性比耐磨性

28、比Ti合金、合金、Al合金好。合金好。二、金属基复合材料二、金属基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料（一）纤维、晶须补强增韧陶瓷基复合材料（一）纤维、晶须补强增韧陶瓷基复合材料（二）颗粒补强增韧陶瓷基复合材料（二）颗粒补强增韧陶瓷基复合材料（三）晶须与颗粒复合材料补强增韧陶瓷材料（三）晶须与颗粒复合材料补强增韧陶瓷材料三、陶瓷基复合材料三、陶瓷基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料三、陶瓷基复合材料三、陶瓷基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料三、陶瓷基复合材料三、陶瓷基复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料（一）夹层复合材料（一）夹层复合材料 上下两块薄面板和芯材构成

29、上下两块薄面板和芯材构成（二）（二）碳碳/碳碳复合材料复合材料（C/C）（三）功能复合材料（三）功能复合材料四、其它类型复合材料四、其它类型复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料 C/C复合材料复合材料由高强度碳素纤维和碳素基质构成，具有出色的机械特由高强度碳素纤维和碳素基质构成，具有出色的机械特性，适用于各种高温用途。在高温环境下具有很好的综合性能，是各类航性，适用于各种高温用途。在高温环境下具有很好的综合性能，是各类航天飞行器最高温度区的首选材料，应用特别广泛，如美国现役的航天飞机天飞行器最高温度区的首选材料，应用特别广泛，如美国现役的航天飞机头部、机翼前缘和轨道器，俄罗斯、法国和日本的航天飞机等。头部、机翼前缘和轨道器，俄罗斯、法国和日本的航天飞机等。四、其它类型复合材料四、其它类型复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料采用采用C/C复合材料的端头帽复合材料的端头帽C/C复合材料紧固件四、其它类型复合材料四、其它类型复合材料11.3 常用复合材料常用复合材料