1、第九章第九章 复合材料及加工工艺复合材料及加工工艺9.1 复合材料的基本特性复合材料的基本特性9.2 常用复合材料常用复合材料9.3 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺9.4 复合材料在产品设计中的应用复合材料在产品设计中的应用9.1 复合材料的基本特性复合材料的基本特性n复合材料复合材料(Composite materials)，是以一，是以一种材料为种材料为基体基体(Matrix)，另一种材料为增强，另一种材料为增强体体(reinforcement)，通过一定的工艺组合，通过一定的工艺组合而成的材料。而成的材料。n基体材料和增强材料在性能上互相取长补短基体材料和增强材料在性能上互相取长补
2、短，产生，产生协同效应协同效应，使复合材料的综合性能优，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。于原组成材料而满足各种不同的要求。 1 什么是复合材料什么是复合材料 克服单一材料的缺点克服单一材料的缺点 ，产生原来单一材料本身所，产生原来单一材料本身所没有的新性能。没有的新性能。复合材料的结构通常是一个相为连续相，复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为称为；而另一相是以独立的形态分布；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为显
3、著增强，故常称为 (也称为增强材也称为增强材料、增强相等料、增强相等)。复合材料的结构复合材料的结构复合材料复合材料=基体基体+增强体增强体硬质颗粒增强体高强纤维纤维编织物金属塑料基体陶瓷在大多数情况下，增强相较基体在大多数情况下，增强相较基体硬硬，强度和刚度强度和刚度较基体大。在基体与增较基体大。在基体与增强体之间存在着界面。强体之间存在着界面。复合材料的组成及作用复合材料的组成及作用（基体）连续相（基体）连续相（增强体（增强体)分散相分散相粘接和固定增强相粘接和固定增强相分配增强体的载荷分配增强体的载荷保护增强体免受环保护增强体免受环境影响境影响增加强度、改善增加强度、改善性能性能界面相界
4、面相传递作用、传递作用、阻断作用、阻断作用、诱导效应诱导效应 A 组成与结构特点组成与结构特点（1）具有可设计性）具有可设计性（2）组元间有明显界面或）组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材料；呈梯度变化的多相材料；（3）性能取决于各组分性）性能取决于各组分性能及协同效应。能及协同效应。B 性能特点性能特点比强度高比强度高抗疲劳性能好抗疲劳性能好耐磨减磨性能高耐磨减磨性能高减震能力强减震能力强高温性能好高温性能好化学稳定性高化学稳定性高成型工艺简单灵活成型工艺简单灵活2 复合材料的特点复合材料的特点复合材料性能不足之处复合材料性能不足之处1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。、横向拉伸强度和层间剪切
5、强度低。2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。3、制造时产品性能不稳定，分散性大，质、制造时产品性能不稳定，分散性大，质 检困难。检困难。4、抗老化性能不好。、抗老化性能不好。5、机械连接困难。、机械连接困难。6、成本太高。、成本太高。n按组成分按组成分n金属与金属复合材料金属与金属复合材料n非金属与金属复合材料非金属与金属复合材料n非金属与非金属复合材料非金属与非金属复合材料n按结构特点：按结构特点：n纤维复合材料纤维复合材料n夹层复合材料夹层复合材料n细粒复合材料细粒复合材料n混杂复合材料混杂复合材料3 复合材料分类复合材料分类n按基体类型分类按基体类型分类
6、n树脂基复合材料树脂基复合材料n金属基复合材料金属基复合材料n陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料n碳碳-碳复合材料碳复合材料9.2 常用复合材料常用复合材料1 纤维增强复合材料纤维增强复合材料基体：强度低、模量低、韧性好基体：强度低、模量低、韧性好增强纤维：强度高、模量高、脆性大增强纤维：强度高、模量高、脆性大增增强强纤纤维维化学纤维金属纤维陶瓷纤维碳/硼纤维玻璃纤维塑料基体基基体体金属基体陶瓷基体 玻璃纤维增强塑料（玻璃纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics），也称树脂基复合材料（），也称树脂基复合材料（Resin Matrix Composite）是目前技术比较成熟且）
7、是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。应用最为广泛的一类复合材料。n用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。塑性树脂基体，经复合而成。1）玻璃纤维增强塑料）玻璃纤维增强塑料A 热塑性玻璃纤维增强塑料热塑性玻璃纤维增强塑料构成：热塑性树脂构成：热塑性树脂+玻璃纤维玻璃纤维性能：性能：强度高、疲劳性能好、冲击韧性高、抗蠕变性好强度高、疲劳性能好、冲击韧性高、抗蠕变性好B 热固性玻璃纤维增强塑料热固性玻璃纤维增强塑料玻璃钢玻璃钢构成：热固性树脂构成：热固性树脂+玻璃纤维玻璃纤维性能：性能： 强度高、质轻、电绝缘、绝热、抗腐蚀
8、、憎水性强度高、质轻、电绝缘、绝热、抗腐蚀、憎水性以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业。围内已形成了产业。2）碳纤维增强复合材料）碳纤维增强复合材料A 碳纤维塑料复合材料 性能优于玻璃钢B 碳纤维金属复合材料 强度高、质量轻C 碳纤维陶瓷复合材料 强度高、质量轻n粒子增强复合材料粒子增强复合材料是将粒子高度弥散是将粒子高度弥散地分布在基体中，地分布在基体中，使其阻碍导致塑性使其阻碍导致塑性变形的变形的位错运动位错运动( (金属基体金属基体) )和和分子分子链运动链运动( (聚合物基聚合物基体体) )。n这种复合材料是各这种复合
9、材料是各向同性的。向同性的。 卫星用颗粒增强铝基复合材料卫星用颗粒增强铝基复合材料零件零件2 粒子增强复合材料粒子增强复合材料n陶瓷基粒子陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。等。 n聚合物基粒子聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料。塑料的钙塑材料。粒子增强粒子增强SiCSiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶碳黑增强橡胶n金属基粒子复合材料又称金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬
10、等金属与碳化物、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。等组成的非均质材料。n碳化物金属陶瓷作为工具碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作材料已被广泛应用，称作硬质合金硬质合金。硬质合金通常。硬质合金通常以以Co、Ni作为粘结剂，作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相等作为强化相。 硬质合金组织硬质合金组织(Co+WC)(Co+WC)n硬质合金主要有硬质合金主要有钨钨钴钴(YG)和钨钴钛和钨钴钛(YT)两类两类。牌号中。牌号中，YG后的数字为后的数字为含含Co量，量，YT后的数字后的数字为碳化钛含量。为碳化钛含量。n硬质合金硬度极高硬质合金硬度
11、极高，且热硬性、耐磨，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀性好，一般做成刀片，镶在刀体上使片，镶在刀体上使用。用。硬质合金模具硬质合金模具硬质合金轴承刀具硬质合金轴承刀具n是指在基体中含是指在基体中含有多重层片状高有多重层片状高强高模量增强物强高模量增强物的复合材料。的复合材料。这这种材料是各向异种材料是各向异性的性的(层内两维同层内两维同性性)。如。如碳化硼片碳化硼片增强钛、胶合板增强钛、胶合板等。等。层状陶瓷复合材料断口形貌层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复三明治复合合3 层状复合材料层状复合材料n双金属、表面涂层双金属、表面涂层等也是层状复合材料。等也是层状复合材料。n层状结构材料根据材质不同，
12、分别用于飞机制造层状结构材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。、运输及包装等。 有有TiNTiN涂层的高尔夫球头涂层的高尔夫球头铝合金蜂窝夹层板铝合金蜂窝夹层板层状复合层状复合 9.3 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发镇，其老的成型工艺日臻材料工业得到迅速发镇，其老的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基复合材料的成型方法已有复合材料的成型方法已有2
13、0多种，并成功地多种，并成功地用于工业生产用于工业生产.（1）手糊成型工艺）手糊成型工艺-湿法铺层成型法；湿法铺层成型法；（2）喷射成型工艺；）喷射成型工艺；（3）树脂传递模塑成型技术（）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）；技术）；（4）袋压法（压力袋法）成型；）袋压法（压力袋法）成型；（5）真空袋压成型；）真空袋压成型；（6）热压罐成型技术；）热压罐成型技术；（7）液压釜法成型技术；）液压釜法成型技术；（8）热膨胀模塑法成型技术；）热膨胀模塑法成型技术；（9）夹层结构成型技术；）夹层结构成型技术；（10）模压料生产工艺；）模压料生产工艺；（11）ZMC模压料注射技术；模压料注射技术；（12）
14、模压成型工艺；）模压成型工艺；（13）层合板生产技术；）层合板生产技术； 9.4 复合材料在设计中的应用复合材料在设计中的应用 聚合物基纤维增强复合材料聚合物基纤维增强复合材料n通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。 n这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。高，比强度也高得多。材料种类材料种类纵向抗拉强度纵向抗拉强度 MPaMPa纵向弹性模量纵向弹性模量 GPaGPa环氧树脂环氧树脂69696.96.9环氧树脂环氧树脂 / E/ E级玻璃纤维级玻璃纤维1020102
15、04545环氧树脂环氧树脂 / / 碳纤维（高弹性）碳纤维（高弹性）12401240145145环氧树脂环氧树脂 / / 芳纶纤维（芳纶纤维（4949）138013807676环氧树脂环氧树脂 / / 硼纤维（硼纤维（70 % 70 % V Vf f ）1400-21001400-2100210-280210-280聚合物基纤维增强复合材料零件聚合物基纤维增强复合材料零件芳纶刹车片芳纶刹车片高温构件碳纤维增强聚酰亚胺高温构件碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机复合材料制航空发动机 纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料n金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属金属的熔点高，故高强度纤维增
16、强后的金属基复合材料（基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工可以使用在较高温的工作环境之下。作环境之下。n常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。合金。l作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和和C纤维；纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用纤维通常以短纤维的形式用于于MMC中。中。 纤维增强陶瓷复合材料纤维增强陶瓷复合材料n陶瓷材料耐热、耐磨、耐陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧
17、性，并提高强度，改善韧性，并提高使用温度。高使用温度。n陶瓷中增韧纤维受外力作陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。耗能越多材料韧性越好。 n用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须航器件上采用。现在发现，晶须 (如如SiC 和和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。能起到陶瓷材料增韧的作用。ZnOZnO晶须晶须自增韧自增韧SiSi3 3N N4 4陶瓷陶瓷 玻璃钢玻璃钢 增强剂增强剂 玻璃
18、纤维（主要是玻璃纤维（主要是SiO2），），比强度和比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。比模量高，耐蚀，绝缘。粘结剂（基体）粘结剂（基体）热固性的酚醛、环氧树脂，热热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。塑性的聚脂。性能（与基体相比）性能（与基体相比） ( 比比 ) 强度，疲劳性能，强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。韧性，蠕变抗力高。用途用途 轴承，轴承架，齿轮，车身。轴承，轴承架，齿轮，车身。 碳纤维树脂复合材料碳纤维树脂复合材料增强剂增强剂 碳纤维碳纤维 ( 石墨石墨 ) ，强度和弹性模量高，强度和弹性模量高，且且2000以上保持不变；以上保持不变；-180不变脆。不变脆。 粘结剂（基体）粘结剂（
19、基体） 环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。乙烯。性能（与基体相比）性能（与基体相比） 强度，疲劳性能，韧性，强度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。耐蚀，蠕变抗力高。用途用途 火箭外壳火箭外壳 ，齿轮，轴承，活塞，密封圈，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器。化工容器。 硼纤维树脂复合材料硼纤维树脂复合材料 增强剂增强剂 硼纤维硼纤维, b=27503140MPa，E=382392MPa（4倍于玻纤）。倍于玻纤）。基体基体 环氧树脂等。环氧树脂等。性能性能 抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，耐辐射度和弹性模量高，耐辐射, 化学稳定（水化学稳定（水, 有机溶剂有机溶剂, 燃料燃料, 润滑剂）润滑剂）, 导热性能和导电导热性能和导电性能好。性能好。用途用途 航空和宇航材料。航空和宇航材料。 硼纤维金属复合材料硼纤维金属复合材料基体基体 铝镁及其合金，钛及其合金。铝镁及其合金，钛及其合金。性能性能 如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金，比强度高于钢和钛极限高于高强铝合金，比强度高于钢和钛合金合金 。用途用途 航空、火箭航空、火箭 。
