1、 总论 基体 增强材料 树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 C/C复合材料 主要以介绍性能、成型方法、应用复合材料概论第一章 总论 复合材料？ 简历？ 复合材料的那些类型？ 复合材料的特性？ 用途？1.1 复合材料定义 复合材料（Composite material） 定义：由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。1.2 复合材料发展概况复合思想的产生：单一材料无法满足人们对结构性能的要求自古有之近代复合材料现代复合材料我国发展现状自古有之距今7000年前的西安半坡村遗址中曾发现草拌泥制成的墙壁和砖坯，其性能优于草和泥；4000年以前的漆器是典型的纤维
2、增强复合材料，它是用丝、麻及其织物为增强相，以生漆做粘结剂一层一层铺敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。近代复合材料 近代复合材料的发展主要从军事上轻质、高性能需求发展起来的。纤维增强橡胶：轮胎是以帘子线增强橡胶复合材料；玻璃钢：1932年在美国出现，1940年制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机雷达罩，其后美国莱特空军发展中心设计制造了GFRP为机身和机翼的飞机。二战以后开始迅速扩展到民用材料。现代复合材料 进入20世纪70年代，GFRP比强度和比刚度还不够理想，满足不了对重量敏感、强度和刚度要求很高的尖端技术要求。因而开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚
3、乙烯纤维等高性能增强材料，并以此增强高性能树脂、金属与陶瓷制成先进复合材料（ACM）。用于飞机、火箭、卫星、飞船等航天飞行器。复合材料在中国 始于军品开发，1958年研制出玻璃钢快艇、手提火箭发射管 60年代研制成用于远程火箭的GF-酚醛树脂烧蚀防热弹头、 GFRP直升机螺旋桨 1970年制造出直径44米的GFRP雷达罩 70年代以后GFRP逐渐转入民用，如冷却塔、化学储罐、水箱、汽车部件、运动器材等 目前研发FRTP、MMC和CMC1.3 复合材料的组成1.4 复合材料的命名和分类 1）按材料作用分类 2）按增强材料形状分类3) 按基体材料分类 按材料作用分类按增强材料形状分类按基体材料分类
4、1.5 复合材料的特性 复合材料能构保持原组分材料的部分特性和优点的同时取长补短，从而可获得比单一组分材料更为优异的性能。复合材料主要特性 1）性能可设计性 2）力学性能 3）物理性能 4）工艺特性 性能的可设计性是复合材料最大特点。 1.5.1 性能可设计性复合材料最显著的特性是其性能（主要指力学性能、物理性能和工艺性能）在一定范围内具有可设计性。选择基体、增强体的类型及其含量；增强体在基体中的排列方式；基体与增强体之间的界面性能。来获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能 。例如：FRP 1.5.2 力学性能与传统材料相比，复合材料一般具有优异的力学性能，主要表现在比强度、比模量高；耐磨性
5、好（MMCMMC、C/CC/C复合材料）；抗疲劳性能好，通常金属材料的疲劳强度极限/ /拉伸强度=30-50%=30-50%，而CFRPCFRP的疲劳强度极限/ /拉伸强度=70-80%=70-80%；抗冲击能力强（如：RMCRMC）；高温性能好（如：MMCMMC、C/CC/C复合材料） 表1-1 传统金属材料与复合材料性能比较材料密度g/cm3抗拉强度 MPa拉伸模量 GPa比强度 *1e6/cm比模量*1e8/cm膨胀系数*1e-6/KC/环氧1.6180012811.380.2芳纶/环氧1.415008010.75.71.8B/环氧2.116002207.610.54.0碳化硅/环氧2.
6、015001307.56.52.6石墨纤维/铝2.28002313.610.52.0钢7.814002101.42.712铝合金2.8500771.72.823钛合金4.510001102.22.49.0 1.5.3 物理性能密度小：比强度、比模量高；低膨胀系数小：热稳定性好,（如CFRP、KFRP可设计成零膨胀结构）；导电、导热性：导电和超导材料、散热结构；抗冲刷、耐烧蚀：CMC、C/C复合材料；阻尼性能：受力结构的自振频率除与形状有关外，还同结构材料的比模量平方根成正比。减振结构材料（CFRP）、隐身材料； 1.5.4 工艺特性不同复合材料成型及加工工艺差别很大，但各类复合材料相对于其所用
7、的基体材料而言，成型与加工工艺并不复杂，有时很简单。如：RMC、MMC、CMC可整体成型，可大大减少结构中的装配零件数量，提高构件的质量和使用可靠性；短纤维或颗粒增强MMC，可采用传统的金属工艺进行制备和二次加工。 1.5.5 影响复合材料性能的主要因素 增强材料的性能；基体材料的性能；含量及其分布状况； 界面结合情况；作为产品还与成型工艺和结构设计。1.6 复合材料的应用目前复合材料已大量应用在航空航天、国防、建筑、化工、能源、体育等国民经济经济各领域。 1.6.1 航空航天领域中的应用 复合材料的高比强度、高比模量、良好的抗疲劳损伤、独特的可设计性，可使飞行器显著提高结构效率和寿命，减轻重
8、量，改善气动力性能，同时在隐身、智能、结构综合等方面显示巨大的潜力。 国外军用飞机上应用情况 续表 国外民用飞机上复合材料的应用 波音767用复合材料 某飞机垂尾使用复合材料减轻的重量美国90年就计划到20世纪末在先进作战飞机上复合材料的用量将占结构总重量的26%65%。每架飞机平均使用2.4-4.5t，年增长率8%-20%，到2000年先进复合材料在飞机上的用量超过3万t. 直升飞机上应用金属桨叶的寿命一般不超过3000h，而复合材料桨叶的寿命可达10000h以上。1987年第一架全复合材料飞机波音公司的360直升机，被称为直升机技术的第二次革命。 航天器结构对材料的要求 发射时，航天器受到
9、很大的加速度过载和强烈的振动，要求材料有足够的强度；为了避免航天器和发射系统共振，要求结构有足够的刚度；在轨运行中航天器处于高低温交变环境中，某些部件（如卫星抛物线天线等）尺寸精度要求很高，必须有尽可能小的热膨胀系数； 高真空及粒子、紫外辐射下具有足够的稳定性；返回式航天器结构，还要求防热、耐热。 应用例卫星天线：用石墨/环氧复合材料天线支撑桁架比铝合金减重50%，可设计成零膨胀系数结构；太阳电池帆板：要求高比模量、低热变形，采用碳/环氧材料；空间平台材料：石墨/铝；热结构材料：C/C、C/SiC、SiC/SiC；隔热材料：SiC/SiO2防热瓦使用温度高达1260 ，用于哥伦比亚和挑战者，各
10、用了31000块；低密度烧蚀材料、对流冷却结构、热管结构等 哥伦比亚航天飞机所用复合材料导弹烧蚀材料复合材料壳体喷管材料：CMC、C/C固体火箭发动机的全复合材料化：美国飞马座火箭的三级固体火箭发动机采用的复合材料已占其构件质量的94%，大富大降低了结构重量。烧蚀材料 导弹运行环境：飞行速度20马赫、弹头锥体表面温度3500左右。 早期的宇宙神、大力神、雷神导弹弹头采用热容量大、比热容高的金属如钨、钼、铜制作弹头的锥部，以吸收大量的气动热量而防止熔化，但材料密度大，使弹头结构笨重、吸热量不够大。 烧蚀式防热材料：在热流作用下能发生分解、熔化、蒸发、升华等多种物理和化学变化，借材料自身的质量消耗
11、带走大量的热量，以防止热流传入弹头内部的目的。应用例复合材料壳体主要指标：在满足强度和刚度的前提下减重，比铝合金减重30%以上应用图片 1.6.2 交通与能源工业中的应用机场路面：钢纤维混凝土；汽车：壳体、保险杠、板簧（GFRP板簧疲劳寿命钢板弹簧，而重量仅为钢板弹簧的20%）、发动机进气歧管（GF/尼龙）、活塞（Al2O3/铝硅合金）；发电：风力发电机叶片；船舶：渔船、游艇、救生艇、军用舰艇承载/隐身一体化结构目前最大的复合材料猎扫雷舰为美国的复仇者（avenger）级猎扫雷舰，全船船体为木层-玻璃钢混合结构。其骨架为夹层木板所制，其船体外板为4层厚木板，外层包玻璃钢 扫雷舰法国海军生产的“
12、拉菲特”级护卫舰上层建筑后半部包括机库主要采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）夹层板 护卫舰 1.6.3 医疗、体育、娱乐方面应用 医疗器具：X射线透光板，采用CFRP是铝的8倍；玻璃钢轮椅；体育、娱乐器械：FRP赛艇、FRP皮艇、CFRP桨、CFRP高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、弓箭、钓鱼竿；GFRP水上滑道，儿童滑梯等1.64 复合材料在电子工业中的应用电子功能材料是电子元器件和电子装备的基础和支撑。复合材料可赋予电子产品以轻质、高强度、高刚度、高尺寸精度等特性。例如：印刷线路板、天馈系统、电磁屏蔽系统、计算机壳体等1) 印刷线路板玻璃布基敷铜箔板具有高耐潮湿性、绝缘强度及绝缘电阻大，已大量
13、取代纸基板而广泛应用于彩电、计算机、雷达等的印刷线路板；美国杜邦公司Kevlar复合材料印刷线路板，其抗拉强度高、尺寸稳定性好、有效抑制了树脂基体与铜因受热膨胀引起的分层，尺寸稳定性好。2) 2) 天馈系统天线：美国“海盗号”火星宇宙飞船的抛物面天线反射体采用CFRP为正反面蒙皮，正面贴敷铝箔，中间为铝蜂窝夹心结构。整个天线重量是铝制天线的1/3，且在空间环境下的热稳定性好。我国也在1991年研制成功CFRP天线用于直升机反潜雷达。馈源：1987年我国研制出CFRP战场雷达天线用馈源重量只有0.88kg，而铜馈源是4.04kg。1.6.4 其他应用建筑工业：建筑雕塑、卫生洁具、冷却塔、建筑补强
14、，水处理设备等化学工业：防腐蚀设施、容器、管道；机电工业：齿轮、轴承、飞轮、永磁体；1.7 复合材料知识体系复合材料力学复合材料结构力学复合材料结构数值分析复合材料结构设计方法复合材料成型工艺复合材料机械复合材料测试技术小结 本章重点掌握内容：1. 复合材料定义；2. 复合材料的组成和各组分的作用；3. 复合材料的分类方法；4. 复合材料的主要特性；5. 复合材料应用领域。第二章 复合材料的基体材料 基体作用：传递荷载、保护增强体；基体类型：塑料（热固性、热塑性）、金属、无机非金属（陶瓷、C、水泥等）21 金属材料 用于MMC的主要品种：铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、铅、钛铝
15、、镍铝金属间化合物。 合理选择品种的重要性：正确选择基体对能否充分组合和发挥基体金属和增强物的性能特点，获得预期的优异综合性能十分重要。 2.1.1 选择基体的基本原则在选择基体金属时应考虑因素： MMC的使用要求 MMC的组成特点 基体金属与增强物的相容性 1）MMC的使用要求 不同应用领域、不同工况条件对复合材料构件的性能要求有很大差异。 航天、航空器元件：高比强度、比模量+尺寸稳定性。宜选用密度较小的轻金属合金镁合金和铝合金，如C/Mg、C/Al、B/Al。 高性能发动机叶片、转轴：高比强度、比模量+耐高温。选择钛基合金、镍基合金及金属间化合物。如SiC/Ti、W/Ni。 汽车发动机活塞
16、、缸套：耐高温+耐磨、导热，选择C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al。 高集成电子器件：要求高导热+低膨胀，选择高导热率的银、铜、铝等与高导热性、低膨胀的石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合。 2）金属基复合材料的组成特点连续纤维增强MMC：基体的主要作用是以充分发挥增强材料性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性。 如：连续C/Al中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金好得多。且铝合金强度越高，其MMC的性能越低。非连续增强MMC：基体是主要承载物，基体强度对MMC具有决定性的影响。因此需选用高性能金属基体。 3）基体金属与增强物的相容性：良好的浸润性、稳定的界面
17、。 例：在纯铝中加入少量的Ti、Zr等元素，可明显改善MMC的界面结构和性质，大大提高MMC的性能。 Fe、Ni高温时会破坏CF的结构，使其丧失原有强度，因此不能直接用作CF的基体。 2.1.2 结构复合材料的基体按制品使用温度要求分为：用于450以下的MMC轻金属基体用于450-700的MMC金属基体用于1000以上的高温MMC的金属基体 1）用于450以下MMC的轻金属基体目前研究发展最成熟、应用最广泛的MMC是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并以形成工业化规模生产。对于不同类型的 复合材料应选用合适的铝或镁合金基体。连续纤维增强MMC：一般选
18、用纯铝或含合金元素少的单相铝合金；颗粒、晶须增强MMC：则选用具有高强度的铝合金。表2-1 各种牌号铝、镁合金的成分和性能 2） 用于450-700的MMC金属基体钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450-700 使用。SiC/Ti制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。 表2-2钛合金的成分和性能表表2-2 钛合金的性能钛合金的性能合金牌号密度g/cm3热膨胀系数10-6K-1导热率W/（m）抗拉强度MPa模量GPa工业纯钛TA14.518.016.3345685100TC14.558.010.2411753118TC34.458.48.4991118TC114
19、.489.36.310301225123TB24.838.58.9912961110ZTC44.408.98.6940114 3）用于1000以上的高温MMC金属基体用于1000以上的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、铁基高温合金。金属间化合物基MMC尚处于研究阶段。W/Ni合金，可以大幅度提高其高温性能高温持久性能和高温蠕变性能，一般可提高1-3倍，主要用于高性能发动机叶片等重要零件。表2-3 高温MMC的基体合金成分和性能表表2-3 高温金属基复合材料的基体合金成分和性能高温金属基复合材料的基体合金成分和性能基体合金及成分密度g/cm3持久强度MPa11001
20、00h高温比强度m1031100100hZh36Ni-12.5-7W-4.8Mo-5Al-2.5Ti12.5138112.5EPD16Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb8.35163.5Nimocast713CNi-12.5Cr-2.5Fe/2Nb-4Mo-6Al-1Ti8.04861.3Ni-35W-15Cr-2Al-2Ti9.152325.4 2.1.3 功能用MMC的基体 电子、信息能源等高技术领域的发展，要求材料和器件同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高磨擦系数和耐磨性等综合物理性能。 如电子器件：集成度越来越高，功率增大，发热严重，需用热膨
21、胀系数小、导热性好的材料做基板和封装材料，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，提高器件可靠性。SiCp/Al 、SiCp/Cu； 又如汽车发动机零件：要求耐磨、导热性好、热膨胀系数适当。采用SiC、Al2O3、Gr等增强材料增强Al、Mg、Cu、Zn、Pb等MMC22 陶瓷材料2.2.1 陶瓷材料发展历史及概念内涵 传统陶瓷：是采用粘土及其天然矿物质经粉碎加工、成型、烧结等过程制得，如日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷，其主要原料是硅酸盐矿物，所以归属于硅酸盐类材料。 特种陶瓷：高温陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、高导热陶瓷、高耐腐蚀陶瓷，所用材料不局限于天然矿物，而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工材料。
22、 现代陶瓷：是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来的又具有与传统陶瓷不同的鲜明特点的一类新型陶瓷。它早已超出传统陶瓷的概念和范畴，是高新技术的产物 2.2.2 陶瓷的分类1.按化学成分分类氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO、Cr2O3及莫莱石（3Al2O33SiO4）和尖晶石（MgAl2O3）等，这类CMC避免在高温、高应力环境下使用，因为Al2O3、 ZrO2的抗热震性差、 SiO2高温下容易发生蠕变和相变。碳化物陶瓷：一般具有比氧化物陶瓷更高的熔点。最常用的是SiC、WC、B4C、TiC，制备过程应有气氛保护；耐热温度约为9001000氮化物陶瓷：具有优良的
23、综合力学性能和耐高温性能。应用最广泛的是Si3N4，还有TiN、BN、AlN、C3N4；耐热温度约为13001700， BN可达2000 硼化物陶瓷：主要用作添加剂或第二相加入其它陶瓷中以改善性能，常用TiB2、ZrB2。 2. 按性能和用途分类 结构陶瓷：作为结构材料用于制作结构零件，主要使用其力学性能。如强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性等，上述按化学组成分类的四大陶瓷大多数为此类，如Al2O3、Si3N4、ZrO2都是力学性能优异的代表性结构陶瓷 功能陶瓷：作为功能材料用来制造功能器件，主要使用期物理性能。如电磁性能、热性能、光性能、生物性能等。例如铁电陶瓷用其电磁性能制造电磁元件
24、，介电陶瓷用于制造电容器，压电陶瓷用于制造位移或压力传感器，生物陶瓷用于制造人工骨骼和人工牙齿。 2.2.3 陶瓷材料的特点陶瓷材料的性能特点优点： 1）高硬度：决定了优异的耐磨性； 2）高熔点：决定了杰出的耐热性； 3）高化学稳定性：决定了良好的耐腐蚀性缺点：脆性，需要增韧复合材料 2.2.4 陶瓷的力学性能弹性性能：陶瓷是脆性材料，满足胡克定律。表2-4陶瓷的弹性模量硬度：表2-5陶瓷材料的硬度强度：表2-6陶瓷材料的室温强度断裂韧性：表2-7 陶瓷材料与金属断裂韧性的比较表表2-4 陶瓷的弹性模量陶瓷的弹性模量材料E/GPa材料E/GPa金刚石1000Si3N4220320WC40065
25、0SiO294SiC450ZrO2160241Al2O3390莫莱石145TiC379玻璃3545AlN310350Cf310450表表2-5 陶瓷的维氏硬度值陶瓷的维氏硬度值材料HV/GPa材料HV/GPa金刚石90Si3N420MgO6.6ZrO21416SiC33莫莱石16Al2O323.7B4C16SiO25.4C-BN70表表2-6 陶瓷的室温强度陶瓷的室温强度材料弯曲强度/MPa拉伸强度/MPa烧结Al2O3（5%气孔率）烧结ZrO2（5%气孔率）烧结莫莱石（5%气孔率）热压Si3N4（100m，一般直径在120m，直径越小强度越高。短纤维增强体：长度几十毫米，分单丝、和束丝短纤维
26、增强体。短纤维增强复合材料的强度、刚度低于连续纤维复合材料。颗粒类增强体作用：以很细的粉状（14%，强度低、耐湿热性差； 特种GF：高强GF（S玻纤）由纯镁铝硅三元组成，抗拉强度2800MPa；高模量GF（M玻纤）在低铝的钙镁硅酸盐系统中加入铬、钽、铌等氧化物，其E=120GPa。 表3-1 典型GF的力学性能纤维种类密度拉伸强度MPa弹性模量GPaE-玻纤2.54350072S-玻纤2.44470087M-玻纤2.893700118棉纤维1.53004001012铝合金2.74046072 3.2.1 物理性能密度：2.42.9；耐磨性和耐折性：都很差；热性能：导热率小0.035W/（mK）
27、，隔热性好优良的绝热材料；耐热性好，软化点为550580；热膨胀系数4.810-6/K电性能：优良的电绝缘材料；光学性能：优良的透光材料； 3.2.2 化学性能C-玻纤：对酸的稳定性好，但对水的稳定性差；E-玻纤：耐酸性较差，但耐水性较好；C-玻纤和E-玻纤耐碱性接近，耐碱性好；S-玻纤和M-玻纤的耐酸性和耐水性好，耐碱性也好于C-玻纤和E-玻纤。 3.2.3 玻纤商品纤维纱：单丝、复丝；纤维织物：无捻粗纱布、平纹布、斜纹布、缎纹布；纤维毡：表面毡、短切毡。 3.2.3 硼纤维主要性能拉伸强度：3450MPa；弹性模量：400GPa；热膨胀系数：1.510-6/K；密度：2.42.6。制备：硼
28、纤维是用化学气相法在一根受热的纤芯（钨丝或碳丝）上沉积而成。 3.2.4 碳化硅纤维主要性能强度20003000MPa， 弹性模量180200GPa， 断裂延伸率1.5%， 密度2.55， 热膨胀系数（轴向）3.110-6/K；在1000以下可长期使用；在1000以下碳化硅纤维与金属几乎不发生反应，但有很好的浸润性，有益于与金属的复合。 3.2.5 氧化铝纤维主要性能优异的机械强度和耐热性能，直到1370其强度仍下降不大。强度：13002500MPa；模量：150460GPa；密度：2.74.2。制备：烧结法、先驱体法、熔融法。应用：多用于高温结构材料。 3.2.6 氮化硅纤维主要性能拉伸强度
29、：15003000MPa；弹性模量：120260GPa；耐化学腐蚀；绝缘性能优异。应用：制造航空、航天、汽车发动机等高温部件最好的候选材料。3.3 金属丝主要类型：高强钢丝、不锈钢丝、难熔金属丝（钨钍丝）；用途：高强钢丝、不锈钢丝可用于增强铝合金，难熔金属丝（钨钍丝）用于增强镍基耐热合金以提高耐热合金的高温性能，钢丝还可用来增强水泥基复合材料。表3-2 各种金属丝的性能金属丝密度弹性模量GPa拉伸强度MPa熔点/KW19.440740203673Mo10.232921602895钢7.7419641201673不锈钢7.819634301673Be1.83245127015533.4 有机纤维
30、（芳纶纤维）芳纶纤维（Kevlar纤维)是芳香族聚酰胺类纤维的总称。最常用的为Kevlar-49。主要性能：高强度：3773MPa高模量：127158GPa抗冲击性好：约为石墨纤维的6倍、硼纤维的3倍；低密度：1.441.45，只有铝的一半；热膨胀系数：纤维向-210-6/K，横向5910-6/K。3.5 晶须类型：用作强度材料的主要为陶瓷晶须。主要性能：高强：在纤维中强度最高，原因是它的直径非常小，容纳不下使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。耐高温：Al2O3晶须在2070下仍能保持7000MPa的拉伸强度。 表3-3 晶须的基本性能应用：由于价格高，目前主要应用在空间和尖端技术领域。表3
31、-3 晶须的基本性能晶须类别密度熔点/拉伸强度/GPa拉伸模量/GPa氧化铝3.9208014284821033氧化铍1.825601420700碳化硼2.524507450石墨2.2535802110003.6 颗粒增强物颗粒增强物：主要有Al2O3、SIC、SI3N4、TiC、B4C、石墨和CaCO3等主要用途：陶瓷颗粒常用于MMC和CMC，而石墨、CaCO3常用于RMC。本章小结纤维的主要作用；增强纤维应具备的基本特性；增强纤维的主要类型及其各自主要特性；第四章 聚合物基复合材料4.1 概述4.2 RMC的种类和性能4.3 RMC结构设计4.4 RMC成型加工技术4.5 RMC的应用4.
32、1 概述发展最早理论最成熟成型工艺最完善应用最广泛成本最低发展潜力大 4.1.1 种类按聚合物基体的结构分为纤维增强热固性塑料（FRP）和纤维增强热塑性塑料（FRTP）；按增强纤维种类分为GF 、CF 、KF、BF、SIC等纤维增强塑料。 4.1.2 性能1）力学特性 2）物理性能 3）化学性能 4）工艺特点 5）复合材料的弱点 一. 力学特性A.各向异性材料 材料各方向的力学、物理、化学性能均不同 表4-2 碳/环氧单向板各向异性特性 B.线弹性 FRP的线弹性特性，可以利用弹性力学理论中，不涉及材料性能参数的方程（如几何关系、静力平衡条件等）。 用应力应变关系曲线说明表4-2碳/环氧单向板
33、各向异性特性性能纤维向弹性模量/GPa垂直纤维向弹性模量/GPa纤维向拉伸强度/MPa垂直纤维向拉伸强度/MPa纤维向热膨胀系数/10-6/K垂直纤维向热膨胀系数/10-6/KT300/42111268.01414351.030 复合材料最显著的特性是其性能（包括力学性能、物理性能、化学性能等）在一定范围内具有可设计性。 可通过选择基体、增强材料的类型和含量及增强材料的排列方式及基体与增强材料之间的界面性质等因素，获得常规材料难以提供的某一性能或综合性能。 C .可设计性 D. 比强度、比模量高材料密度g/cm3抗拉强度 MPa拉伸模量 GPa比强度 *1e6/cm比模量*1e8/cm膨胀系数
34、*1e-6/KC/环氧1.6180012811.380.2K/环氧1.415008010.75.71.8G/环氧1.81000385.62.17.0钢7.814002101.42.712铝合金2.8500771.72.823钛合金4.510001102.22.49.0 E. E. 抗疲劳 复合材料具有高疲劳强度。例如，碳纤维增强聚酯树脂的抗疲劳强度为其拉伸强度的70%80%，而大多数金属材料只有其抗拉强度的40%50%。 F. 减震性能好结构及设备的自振频率除与本身的质量和形状有关外还与材料的比模量的平方根成正比。RMC具有高比模量，因此也具有高自振频率，这样可以有效地防止在工作状态下产生共振
35、及由此引起的时期破坏。同时，复合材料中纤维和基体间的界面有较强的吸振能力，表明它有较高的振动阻尼，故振动衰减比其它材料快。对相同形状和尺寸的梁进行试验得知,轻合金梁需9秒才能停止振动,而CFRP只须2.5秒就停止。 二. 物理性能 1）低密度：GFRP、CFRP、KFRP2）低热膨胀 表1-3 各种材料的热膨胀系数（10-6/K）材料种类热固性塑料热塑性塑料钢材混凝土木材先进FRP木纹向垂直木纹向纤维向垂直纤维向热膨胀系数60801010310030 3）透波性、无磁FRP透波性能好，可用作结构隐形材料、雷达罩、电子信息结构工程材料。 三. 化学性能 1）耐腐蚀：FRP具有优良的耐酸、碱、有机
36、溶剂和海水及抗微生物作用的能力，特别适用于化工建筑、地下建筑及水工建筑等工程； 2）耐烧蚀：FRP的耐烧蚀性能通常好于金属和陶瓷，其中玻璃纤维、石英纤维及碳纤维增强的酚醛树脂均为优良的耐烧蚀材料。 四. 工艺特点成型工艺灵活，可根据不同部位的强度、刚度要求灵活布置增强材料；可用模具一次性成型复杂结构，从而减少后加工，提高整体强度。工艺：手糊法、缠绕法、模压法、RTM法、挤拉法，袋压法。 五. 复合材料的弱点1）弹性模量低：通用FRP，特别是GFRP弹性模量低，只有钢材的1/51/6；2）层间强度和剪切模量低：层间为纯基体、界面粘接强度低，无垂直于界面方向的纤维造成，解决办法，三维编织；3）RM
37、C的耐高温性能较差；4）材料价格高：GFRP 10元/kg、 CF 40-2000美元/kg 复合材料的结构设计过程中应扬长避短，追求高性能价格比。 4.2 RMC结构设计 复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此，复合材料在经典非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展 。 设计方法和相关理论结构层次：结构典型构件层合板单向板纤维和基体；相关理论：复合材料细观力学经典层合理论复合材料结构力学结构设计；细观力学分析：单向板宏观性能与细观组分性能和相对含量关系；经典层合理论：弹性、小变形、界面粘接牢固假定下的层合板理论；复合材料结构力学：研究复合材料典型构件在各种边界条件下的力学特性；结构设计：复
38、合材料结构设计基准、荷载基准、可靠性、优化设计方法。4.3 RMC成型加工技术RMC的成型工艺是RMC工业发展的基础和条件。目前RMC的成型方法已达20多种。主要工艺方法：手糊成型、喷射成型、RTM成型、缠绕成型、拉挤成型、模压成型、卷制成型等。 4.3.1 手糊成型成型方法：增强材料选择树脂配合比设计涂脱模剂糊制成型固化脱模修整模具设计与制作产品 1）手糊成型工艺优点产品尺寸和产量不受限制；操作简单、投资少、成本低；能合理使用增强材料，可在任意部位增厚补强。 2）手糊成型工艺缺点操作技术要求高，质量稳定性差；产品只能做到单面光；生产周期长、效率低；劳动强度大，条件差。 4.3.2 喷射成型
39、喷射成型技术在RMC成型工艺中比例：美国9.1%、西欧11.3%、日本21%。其原理如图 1）喷射成型的优点用纤维粗纱代替织物，可降低材料成本；生产效率比手糊高出24倍；产品整体性好，无接缝，层间剪切强度高，树脂含量高，抗腐蚀、耐渗透性好；产品尺寸和形状不受限制。 2）喷射成型的缺点 树脂含量高，制品强度低； 产品只能做到单面光； 污染环境，有害工人健康。 应用： 喷射成型工艺方法适合于大型船体、整体卫生间、汽车车身构件、大型浮雕作品等 4.3.3 RTM成型工艺RTM（resin transfer molding )-树脂传递模塑成型，主要针对手糊成型单面光的缺点，改进而来。基本方法：将增强
40、材料铺放到闭模的模腔内，用压力将树脂胶液注入模腔，浸透增强材料，然后固化，脱模成型制品。 1）RTM工艺原理示意图 2）工艺流程图）工艺流程图 3）RTM成型优点产品可达到两面光；产品质量好；模具及设备费低；能生产形状复杂的制品。 4） RTM成型的缺点模具质量要求高；纤维含量低；生产大尺寸制品困难。 应用：广泛应用于建筑、交通、卫生、航空航天等工业制品生产中。如汽车壳体及部件、螺旋桨、天线罩、座椅、水箱、电话亭等 5）RTM设备 a) 树脂压注机树脂泵：活塞式往复泵，负责将树脂和催化剂分别定量地送入混合器中；注射枪：在注射枪口后的静态紊流混合器中，将树脂和催化剂在无气状态下混合均匀，然后经枪
41、口注入模具中。 树脂压注机系统图树树脂脂压压注注机机 b) 模具模具设计应注意的问题防止变形：模具在注入压力下保证变形满足设计要求；密封问题：对模处密封好，防止漏胶；注入口：注入口应设计在模具底部，靠近形心；注入口应保证树脂垂直注入模腔；为防止影响制品外观质量，注入口应开在制品不醒目的位置；排气口：一般设计在模具的最高处，便于排气和减少树脂流失。 6）RTM原料树脂体系增强材料填料 a) 树脂体系对树脂体系要求： 粘度较低（0.51.5Pas），对增强材料浸润性好； 固化放热低（80130）； 固化时间短，一般凝胶时间530min，固化时间不超过60min； 固化收缩率低； 固化时无低分子物析
42、出，气泡能自身消除。 RTM工艺主要用不饱和聚酯树脂，专用树脂表4-3 国产RTM专用树脂牌号粘度/Pas凝胶时间/min酸值固含量/%特性和用途FL-RTM-1FL-RTM-2FL-RTM-30.250.450.20.40.250.581610224.818.21825202916.525586558656068中等活性，粘度低一般制品用；用于耐热、耐腐蚀制品b) 增强材料一般RTM的增强材料主要是玻璃纤维，其含量为25%45%，常用玻璃纤维毡、方格布。c) 填料填料 填料对RTM很重要，它不仅能降低成本,改善性能，而且能在树脂固化阶段吸收热量。 常用的填料:氢氧化铝、玻璃微珠、碳酸钙、云母
43、等，其用量为20%40%。 4.3.4 袋压成型袋压法：是一种低压成型工艺，是将增强材料（或预浸布）按设计方向和顺序逐层铺放到模具上，达到规定厚度后，经加压、固化、脱模、修整获得制品的方法。与手糊工艺仅区别在加压固化工序。分类：根据袋压形式分为压力袋法、真空袋压法以及热压罐法一. 压力袋法在模具上手糊成型制品，在上盖板上固定橡胶袋，并固定好盖板，然后通入压缩空气或蒸汽（0.250.5MPa），使制品在热压条件下固化。 压力袋法示意图二. 真空袋压法将手糊未固化的制品上加盖一层橡胶膜，制品处在橡胶膜与模具之间，密封周边，抽真空（0.10.07MPa），使制品中的气泡和挥发成份排除。 真空袋压法示
44、意图 袋压成型注意事项模具要有足够的强度：能承受成型过程中的热压作用和外力冲击；防止漏气：模具和橡胶袋使用前要仔细检查气密性，模具材料和橡胶袋材料不被溶剂浸蚀；排气：真空压力很小，成型大尺寸制品时，胶袋表面真空度不均匀，需用刮板加压排出气泡；加压排气应在树脂凝胶之前开始，加热固化应在排气和凝胶之后进行。 三. 热压釜法热压釜是卧式金属压力容器，将未固化的手糊制品，加上密封橡胶袋，抽真空，然后连同模具用小车推进热压釜内，通入蒸汽（1.52.5MPa)，并抽真空、加压、加热，排气，使其在热压条件下固化。热压釜法综合了压力袋法和真空袋法的优点，生产周期短，产品质量好。 热压釜法示意图 四. 袋压成型
45、的特点优点：产品两面光；气泡少；模具费用低。缺点：操作技术要求高；生产效率低。 五. 袋压成型的的应用目前主要广泛应用于飞机、导弹、卫星和航天飞机的舱门、整流罩、机载雷达罩、支架、尾翼、隔板、壁板等大型复杂壳体制品的生产中。4.3.5 模压成型方法：将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，将加热、加压固化成型的方法。地位：模压成型工艺占有率达42%以上，居各种成型工艺之首。 1）成型工艺分类纤维料模压法碎布料模压法织物模压法层压模压法缠绕模压法片状膜塑料（SMC）模压法预成型料模压法 2）模压料的组成组成合成树脂：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、呋喃树脂等；增强材料：GF开刀丝
46、、无捻粗纱、有捻粗纱、连续纤维束、玻璃布、玻璃纤维毡等；辅助材料：固化剂、促进剂、稀释剂、表面处理剂（偶联剂）、低收缩添加剂、脱模剂、着色剂（颜料）和填料。SMC、BMC：将上述组分在生产线上混合制成的模压料。为便于保存含有一定量的阻聚剂。 3）制品压制工艺流程 4）模压成型的优点生产效率高，易实现专业化、自动化生产；产品尺寸精度高，重复性好；表面光洁，无需二次修饰；能一次成型结构复杂的制品；批量生产，价格低。 5）模压成型的缺点设备投资大；模具质量要求高，费用大；不适合小批量生产；生产大尺寸产品困难；制品强度和刚度小。4.3.6 缠绕成型方法：经浸过树脂液体的连续纤维按照一定规律缠绕到芯模上
47、，经过固化、脱模获得制品。分类：根据缠绕成形时树脂基体的物理化学状态分为：干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕。制品类型：管道、压力容器 一. 缠绕工艺流程 1）干法缠绕方法：采用经过预浸渍处理（树脂处于B阶段）的预浸纱或带，在缠绕机上经过加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。特点质量控制好：由于预浸沙是由专业生产，能严格 控制树脂含量（精确到2%以内）和预浸沙质量，因此干法缠绕能够准确地控制产品质量；生产效率高：缠绕速度可达100200m/min;卫生条件好：清洁、无气味；缺点：层间剪切强度低，材料成本高。 2）湿法缠绕方法：湿法缠绕是将纤维束（或带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。优点：成本比干
48、法缠绕低40%；产品气密性好；纤维排列平行度好。缺点：树脂浪费大；操作环境差；含胶量及成品质量不易控制。 3）半干法缠绕方法：纤维浸胶后，到缠绕机芯模途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除掉。特点：与干法缠绕相比，省去了预浸胶工序和设备；与湿法相比可使产品中的气泡含量降低。三种方法中湿法缠绕应用最普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。 二. 缠绕成形的特点1）优点：能按产品的受力状况设计缠绕规律，使纤维强度充分发挥；比强度高：一般纤维缠绕容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40%60%；可靠性高：易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，制品质量稳定；生产效率高。 2
49、）缠绕成形的缺点适应性小：不能缠绕任意形状的制品，特别是表面凹凸不平的制品；设备要求高：需缠绕机、芯模、加热固化炉、脱模机等设备投资大；技术要求高：要求操作人员技术素质高。 三. 缠绕设备缠绕机：卧式缠绕机、绕臂式缠绕机、滚转式缠绕机、轨道式缠绕机、球形缠绕机等。辅助设备：纱架、浸胶槽、张力控制器、绕丝嘴。控制系统：机械控制、数字控制、微机控制系统。 1）缠绕机五轴驱动卧式缠绕机 绕臂式缠绕机适用于干法缠绕中小型短粗筒形容器 滚转式缠绕机由于滚翻机构不宜过大，只适用于缠绕小型制品 其他缠绕机轨道式缠绕机轨道式缠绕机适用于生产大型制品适用于生产大型制品 2）浸胶槽 3）张力控制器 4）纱架根据设
50、计纱片宽度选择纱团数目及纱架形式 5）绕丝嘴 四. 原材料增强材料：碳纤维、玻璃纤维、kevlar纤维；树脂基体：指树脂和固化剂组成的胶液系统。通常使用热固性树脂，环氧树脂、不饱和聚酯树脂；填料：为改善树脂的某种功能或降低成本加入填料。如加入耐磨性填料、阻燃剂、低收缩填料。 五. 芯模1）芯模设计的基本要求足够的强度和刚度；能满足制品形状和精度要求；保证产品固化后能顺利地脱模；制造简单，造价便宜。 2）芯模材料溶、熔性材料：石蜡、水溶性聚乙烯醇型砂，低熔点金属；组装式材料：铝、钢、夹层结构、木材、石膏等六. 缠绕规律缠绕成型的实现：任何形式的缠绕都是由绕丝嘴和芯模的相对运动实现的。缠绕线型必须
