1、第九章 复合材料COMPOSITE MATERIALS第一节 概述复合材料 用多种不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料一、复合材料的分类复合材料结构示意图a) 叠层复合材料b) 、d) 纤维增强复合材料c) 颗粒增强复合材料按基体相性质金属基复合材料非金属基复合材料按增强相形态纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料二、复合材料的性能特点1. 比强度和比模量高THE ENDTHE END2. 抗疲劳和破断安全性好三种材料的疲劳强度比较 对缺口和应力集中的敏感性小 阻止疲劳裂纹扩展或改变裂纹扩展路径3. 高温性能优良如，用碳纤维增强铝合金后，400时强度和弹性模量基本不变4.
2、 减振性能好 结构自振频率材料比模量的平方根， 避免构件共振 纤维与基体界面吸收振动能量，使振动很快衰减第二节 增强材料及其增强机制一、纤维增强高强度碳纤维高强度碳纤维(型型) )高模量碳纤维高模量碳纤维( (型型) )1. 纤维增强材料1. 玻璃纤维 高抗拉强度比块状玻璃高几十倍，比 块状高强度合金钢还高 弹性模量较高比其他人造纤维高58 倍，但比一般金属低很多 耐热性较高软化点为550580，在 550580以下受热时强度不变 良好的耐蚀性除氢氟酸、浓碱、浓磷 酸外，对其他溶剂有良好的化学稳定性 不吸水，不燃烧，尺寸稳定，隔热，吸 声，绝缘，透过电磁波 制取方便，价格便宜2. 碳纤维 高、
3、低温性能好1500以上惰性气体 中强度不变，在180 脆性也不增加 化学稳定性高耐浓盐酸、硫酸、苯、 磷酸、丙酮 热膨胀系数小，导电，自润滑性好 脆性大，易氧化 密度低1.332.0g/cm3 弹性模量高2.61054105MPa3. 硼纤维 高强度与玻璃纤维相近 良好的抗氧化性和耐腐蚀性 比重大，直径较粗，生产工艺复杂，成 本高，价格昂贵 高熔点2300 弹性模量高3.81054.9105MPa将元素硼用蒸汽沉积的方法沉积到钨丝纤芯上4. 芳纶纤维（Kevlar纤维） 高韧性好于玻璃纤维和碳纤维 耐热性好好于玻璃纤维，能在290 下长期使用 价格便宜 高比模量是玻璃纤维的3倍 优良的抗疲劳性
4、、耐腐蚀性、绝缘性和 加工性 高比强度小比重( )，高强 度( )2.83.7GPa1.45g/cm35. 碳化硅纤维 高熔点，高模量 优良的高温强度1100, 2100MPa以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，经烧结而制得金属基复合材料中的增强颗粒：Al2O3 SiC Si3N4 WC TiC B4C 石墨2. 颗粒增强材料聚合物基复合材料中的增强颗粒：石墨、碳黑、白碳黑(二氧化硅无定形微粉)、云母、高岭土、膨润土、碳酸钙、滑石粉、空心玻璃微珠MgO、SiO2、MoS2、Fe2O3、二、增强机制简介1. 纤维增强1) 纤维增强机制() 纤维断裂时，基体能阻止裂纹扩展
5、并改 变扩展方向() 纤维与基体间适当的界面结合强度，使 纤维断裂而从基体中难以拔出() 被基体保护的纤维，不易受损伤，受载 时不易产生裂纹，使材料承载能力增大() 与块状材料相比，纤维具有更高的强度 和韧性 THE END纤维断裂后裂纹沿纤维与基体界面扩展断裂的纤维被从基体中拔出2) 纤维增强复合条件() 纤维的排列方向应与构件受力方向一致() 纤维与基体的热膨胀系数应匹配() 纤维与基体间应有适当的界面结合强度() 纤维的强度和弹性模量应远高于基体() 纤维与基体之间不应发生使结合强度降 低的化学反应() 纤维所占体积分数、纤维长度 L 和直径 d 及长径比 L/d 等应满足一定要求2.
6、颗粒增强 高度弥散分布于基体中的增强颗粒使主要 承受载荷的基体的强度得到提高 对于金属基体，增强颗粒阻碍基体中位错 的运动 对于高聚物基体，增强颗粒阻碍基体中分 子链的运动 增强颗粒直径一般在范围时 增强效果最好0.010.1m第三节 常用复合材料一、塑料基复合材料1. 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）1) 热塑性玻璃钢 体积分数为 20%40% 的玻璃纤维与 60% 80% 的热塑性树脂复合 高强度和冲击韧性，良好的低温性能和 低热膨胀系数体体2) 热固性玻璃钢 体积分数为 60%70% 的玻璃纤维与 30% 40% 的热固性树脂复合 高强度、小密度，耐腐蚀，绝缘、绝热 性好，吸水性低，防磁，微波
7、穿透性 好，易加工成型体体 弹性模量及耐热性仍不如钢3) 玻璃钢的应用用于制造：要求自重轻的受力构件要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件如，航天航空工业：雷达罩，直升机机身， 飞机螺旋桨，发动机叶轮，火箭导弹发 动机壳体和燃料箱 船舶工业：轻型船、艇、舰，扫雷艇车辆工业：汽车、机车、拖拉机车身， 发动机机罩 电机电器工业：重型发电机护环，大型 变压器线圈绝缘桶，各种绝缘零件 石油化工工业：代替不锈钢制作耐酸、耐碱、耐油的容器、管道、反应釜2. 碳纤维增强塑料 性能优于玻璃钢 低密度，高强度，高弹性模量，高比强 度，高比模量，优良的抗疲劳性能、耐 冲击性能、自润滑性、减磨耐磨性、耐 腐蚀性、耐热性 碳
8、纤维与基体结合力低，各向异性严重 航天航空工业：飞机机身，螺旋桨，尾 翼，发动机风扇叶片，卫星壳体，航天 飞行器外表面防热层 机器制造工业：轴承，齿轮，磨床磨 头，齿轮旋转刀具 电机工业：大功率发电机护环 化学工业：管道，容器3. 硼纤维增强塑料 高比强度、比模量，良好的耐热性 各向异性明显，加工困难，成本高 主要用于航天航空工业中要求高刚度的 结构件，如飞机机身机翼轨道飞行器隔 离装置结合器4. 碳化硅纤维增强塑料 高比强度、比模量 主要用于宇航器上的结构件，飞机的门、 降落传动装置箱、机翼4. 碳化硅纤维增强塑料 高比强度、比模量 主要用于宇航器上的结构件，飞机的门、 降落传动装置箱、机翼
9、5. Kevlar 纤维增强塑料 抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维还氧 树脂复合材料相近 延性好，与金属相近 抗耐冲击性超过碳纤维增强塑料 优良的疲劳抗力和减振性 主要用于：飞机机身，雷达天线罩，火 箭发动机外壳，轻型船舰，快艇二、金属基复合材料1. 纤维增强金属基复合材料1) 硼纤维增强铝基复合材料 高抗拉、压、剪切、疲劳强度 主要用于：飞机或航天器蒙皮、大型壁 板、长梁、加强肋，航空发动机叶片2) 碳纤维增强铝基复合材料 高比强度、比模量，高温强度好，减摩 性和导电性好 主要用于：航天飞机外壳运载火箭的大 直径圆锥段级间段接合器油箱，飞机蒙 皮、螺旋桨涡轮发动机的压气机叶片， 重返大气层运载工
10、具的防护罩，汽车发 动机零件（如活塞，汽缸头等），滑动 轴承3) 碳化硅纤维增强铝基复合材料 高比强度、比模量，高硬度 主要用于：飞机机身结构件，汽车发动机活塞、连杆等2. 颗粒增强金属基复合材料1) 金属陶瓷（前已讲过）2) 弥散强化合金将少量的（体积分数通常小于20%）颗粒尺寸极细的增强微粒高度弥散地均匀分布在金属基体中常用的增强相是高抗拉、压、剪切、疲劳强度 常用的增强相： Al2O3 ThO2 MgO BeO 常用基体金属： Al Cu Ti Cr Ni(1) 弥散强化铝（烧结铝） 主要制作：飞机的结构件（如机翼，机 身），飞机发动机压气机叶轮、高温活 塞，大功率柴油机活塞，冷却反应堆
11、中 核燃料元件的包套材料 先将片状铝粉的表面氧化成薄膜， 再经压制、烧结、挤压Al2O3 高温强度好(2) 弥散强化铜 主要制作：高温下的导热、导电体，如 电焊机的电极，高功率电子管的电极Cu-Al2O3 先制成 合金粉，再热挤或锻造 既有良好导电性，又有良好的高温强度3. 塑料金属多层复合材料塑料-金属三层复合材料1塑料层0.050.3mm 2多孔性青铜中间层0.20.3mm 3钢基体 主要用作：高应力（140MPa）、高温 （270）及低温（195 ）下的无油 润滑滑动轴承 塑料层：聚四氟乙烯或聚甲醛，自润滑 三、橡胶基复合材料1. 纤维增强橡胶汽车轮胎的结构示意图1胎面层 2缓冲层 3胎体帘布层 常用纤维：天然纤维, 合成纤维（如尼 龙, 涤纶, 维尼纶）, 玻璃纤维, 金属丝 主要用于: 轮胎,传动带,橡胶管,橡胶布 补强剂:碳黑,白碳黑,氧化锌,活性碳酸钙2. 粒子增强橡胶四、陶瓷基复合材料1. 纤维增强陶瓷基复合材料主要是提高陶瓷的韧性 常用纤维：碳纤维, 纤维, SiC纤维, 金属纤维Al2O3 2. 粒子增强陶瓷基复合材料 常用粒子：TiC, , SiC,ZrB2 ZrO2
