1、1第九章第九章 复合材料基础复合材料基础 9.1 复合材料概述复合材料概述 9.2 复合材料的界面理论和界面控制复合材料的界面理论和界面控制 9.3 复合理论与复合材料设计复合理论与复合材料设计 9.4 金属基复合材料制备与加工金属基复合材料制备与加工 9.5 陶瓷基复合材料制备与加工陶瓷基复合材料制备与加工 9.6 纤维增强高分子复合材料纤维增强高分子复合材料2 三大材料三大材料:金属金属无机非金属无机非金属有机高分子有机高分子 复合材料复合材料取长补短取长补短协同作用协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合
2、材料9.1 复合材料概述复合材料概述39.1 复合材料概述复合材料概述 复合材料历史复合材料历史 现代现代:1942年年,美国美国PPG公司发明玻璃钢公司发明玻璃钢（树脂板，玻璃纤维增强聚酯树脂）（树脂板，玻璃纤维增强聚酯树脂）;古代古代：仰韶文化草拌泥作墙体：仰韶文化草拌泥作墙体；美索不达美索不达米亚人用芦苇、纸莎草加沥青或树胶制造米亚人用芦苇、纸莎草加沥青或树胶制造小艇小艇；古埃及木乃伊是将用香料处理过的；古埃及木乃伊是将用香料处理过的尸体缠绕亚麻布带后再浸渍天然树脂尸体缠绕亚麻布带后再浸渍天然树脂；4 第一代第一代:1940年到年到1960年年,玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料 第二代：
3、第二代：1960年到年到1980年，先进复合材料年，先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉（年美国杜邦公司开发出开芙拉（Kevlar）-49（聚对聚对苯二甲酰对苯二胺苯二甲酰对苯二胺）1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：第三代：1980年到年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料年，碳纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代
4、：第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。如智能复合材料和梯度功能材料等。56一、概述一、概述 一、一、复合材料定义复合材料定义 (1)种类不同,性质差异很大的几种材料及其界几种材料及其界面相面相（层）所组成（组成上）(2)多相多相固体材料（结构）(3)经设计设计复合而成（制备上）(4)通过复合效应获得原组份材料所不具备的性原组份材料所不具备的性能能，或产生性能协同作用，与简单混合有本质的区别（性能上）简言之:复合材料由连续基体相连续基体相(matrix phase)和分分散增强相散增强相(disperse phase)及
5、界面相界面相(interface phase)所构成。7复合材料系统组合分散相分散相连续相连续相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机有机高
6、分高分子材子材料料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶8 二、分类二、分类(1)按来源来源:天然、人工复合材料等;(2)按基体基体：树脂基、金属基、无机非金属基复合材料等；(3)按增强体形态：颗粒增强(particle-reinforced)短纤或晶须增强(chopped fiber or whiskers reinforced)连续长纤增强(continuous fiber-reinforced)多维编织布增强(braided fabric or filament winding-reinforced)三维编织体增强等；(4)按应用应用：结构、功能、智能复合材料等；(5)按增强材料
7、品种增强材料品种：玻纤、碳纤、有机纤维复合材料等；(6)按特定含义特定含义：通用、先进、现代、近代、混杂、纳米、原位、分子、宏观复合材料等；910 三、复合材料的组成与特性三、复合材料的组成与特性聚合物基复合材料(polymer-matrix composites,PMC)金属基复合材料(metal-matrix composites，MMC)陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites，CMC)11（1）组成组成(composition)基体基体(matrix)增强材料增强材料(reinforcement)（都是一个庞大的材料体系、品种繁多,结构与性能呈多样化，复合体系
8、的系统组合、排列给复合材料的巨大的发展空间，原则上，基体与增强体结构与性能差异越大，愈具复合价值，但更为重要的是基体与增强体之间的匹配。）A.颗粒颗粒增强体:高强、高模、耐高温的陶瓷和石墨等非金属材料 的微细粉末，主要起增强、增韧作用，而不是普通填料的填充体积或降低成本的作用，增强体价格往往比基体还贵。B.短纤维短纤维（晶须）(chopped fiber or whisker)：长径比51000之间，横截面积小于52105cm2的含缺陷很少的单晶纤维，其模量和强度接近其纯晶体的理论值。主要有金属晶须、氧化物晶须、氮化物晶须、硼化物晶须和无机盐类晶须。C.纤维及其织物纤维及其织物(braided
9、 fabric or filament winding)：植物纤维、动物纤维、碳物纤维、合成纤维等 12（2）复合材料的特性特性 一般特性:a.可设计性 b.构件复合与成型一次性完成,整体性好 c.性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数甚至一些 偶然性因素都十分敏感，难以精确控制结构和性能 d.复合效应（多种复合效应）一般性能特点：a.比强度、比模量大 b.破坏安全性高 c.耐疲劳性好 d.阻尼减震性好 e.耐烧蚀性能好133 4 5 10 20 30 40E/r(106cm)钢钢铝铝玻璃玻璃/环氧环氧Al2O3晶须晶须/NiAl2O3晶须晶须/铝铝碳化硼碳化硼/铝铝硼硼/环氧环氧碳碳/环氧环
10、氧铍铍硼硼/钼钼硼硼/镍镍硼硼/铝铝/r(106cm)2 3 4 5 10几种常用几种常用材料和纤材料和纤维增强复维增强复合材料比合材料比强度、比强度、比模量的比模量的比较较(1)组分材料密度都较低组分材料密度都较低;(2)由于纤维具有很小的直径由于纤维具有很小的直径,其其内部缺陷要比块状形式的材料少内部缺陷要比块状形式的材料少得多，所以强度较高。得多，所以强度较高。14材料名称材料名称比强度比强度比模量比模量钢钢0.130.27铝铝0.170.26玻纤玻纤/聚酯聚酯CM0.530.21碳纤碳纤/环氧环氧CM1.030.2115 2、PMC的组成组成 (1)基体基体 热固性基体热固性基体(th
11、ermosetting matrix):i)熔体或溶液粘度低,易于浸渍与浸润，成型工艺性好 ii)交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆 iii)制备过程伴有复杂化学反应 热塑性基体热塑性基体(thermoplastic matrix)：i)溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力 下成型，工艺性差 ii)线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好 iii)制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象)(2)增强体增强体主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等 树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理与表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复杂化。
12、1617183、MMC (1)基体基体:Al、Mg、Ti、Ni等轻金属及其它们的合金（比强度、比模量高）(2)增强体增强体：强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金金属或非金 属材料属材料。主要有：硼纤维、碳纤维、SiC纤维、Al2O3纤维 钨丝、钢丝、不锈钢丝 陶瓷颗粒、晶须等;特点：保持金属材料特性外,与金属基体相比具有高强、高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性 能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，适合于 用作中、高温结构材料。194、CMC (1)基体基体:氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷特种陶瓷 陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺点：性
13、脆、抗热震性（抗热冲击性）差,抗震性差且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效 (2)增强材料增强材料：碳纤维、硼纤维、-Al2O3纤维、氧化铝-硼酸盐纤维钨丝、铌丝、不锈钢丝、SiC晶须、SiN4晶须、ZrO2 颗粒等，复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧 CMC仍以烧结成型为主烧结成型为主，适合于作高温结构材料，被称为“材料的梦想”。2021 5、C/C复合材料复合材料 化学组成单一,C元素元素，但C的形态与结构十分复杂 (1)基体基体碳:i)CVD碳;ii)树脂碳；iii)沥青碳 (2)增强体增强体：高性能碳纤维及其织物
14、 (3)性能性能特点：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、低蠕变、高导热、高抗热震性、高耐温、耐烧蚀等；同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能随温度升高而升高的特点；缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松；高温结构材料和耐烧蚀材料高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展很快。22碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型Polymer Matrix Composites,PMC23 四、复合材料的结构复合材料的结构 无规分散无规分散（弥散）增强结构 （含颗粒、晶须、短纤维）(randomly oriented)连续长纤连续长纤单向增强结构（单向板）(aligned)层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层)(l
15、aminate)三维编织三维编织体增强结构(braided fabric or filament winding)夹层夹层结构（蜂窝夹层等）(sandwich constructure)混杂混杂结构(hybrid constructure)24引入相的相的“连通性连通性”概念,理论上可将复合材料结构划分为 0-3型、型、1-3型型2-2型、型、2-3型、型、3-3型型等几种典型结构。25三维编织纤维结构 三维正交非织造的纤维结构 (a)非线性法平面增强 (b)一种开式格状结构 (c）一种柔性结构 管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型26各种玻璃夹层结构 27单向及准各向同性板的铺层铺层结构28混杂复
16、合材料的混杂类型 29一、纤维增强复合材料一、纤维增强复合材料 1、常用增强纤维、常用增强纤维 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar有机物纤维等。有机物纤维等。玻璃纤维绳玻璃纤维绳玻璃纤维纸纳米碳管纤维碳纤维绳 五、常见复合材料基体、增强体举例五、常见复合材料基体、增强体举例30碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）CFRP在空间站大型结构在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用以及太阳能电池支架中的应用31 （1）玻璃纤维）玻璃纤维 按玻璃纤维中按玻璃纤维中Na2O和和K2O的含量不同的含量不同,可将其分为可将其分为无碱纤维（
17、碱的质量分数无碱纤维（碱的质量分数12%）。）。随着碱量的增加，玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降随着碱量的增加，玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降低。低。特点特点:强度高，抗拉强度可达强度高，抗拉强度可达10003000MPa;弹性模弹性模量比金属低得多，为（量比金属低得多，为（35）104MPa；密度小，为；密度小，为2.52.7g/cm3；化学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸；化学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等。稳定、隔热、吸声、绝缘等。缺点：脆性较大、耐热性低，缺点：脆性较大、耐热性低，250以上开始软化。以上开始软化。优点：价格便宜、制作方便优点：价格便宜、制作方便
18、32 在在25003000高温的氩气中进行石墨化处理高温的氩气中进行石墨化处理,就可就可获得含碳量为获得含碳量为Wc98%以上的碳纤维，又称石墨纤维或以上的碳纤维，又称石墨纤维或高模量碳纤维，也称高模量碳纤维，也称型碳纤维型碳纤维。特点特点:与玻璃纤维相比，碳纤维具有密度小（与玻璃纤维相比，碳纤维具有密度小（1.332.0g/3），弹性模量高（），弹性模量高（2.84105MPa）;高温及低高温及低温性能好，导电性好、化学稳定性高、摩擦因数小、自温性能好，导电性好、化学稳定性高、摩擦因数小、自润湿性好。润湿性好。缺点：脆性大、易氧化缺点：脆性大、易氧化 （2）碳纤维）碳纤维 碳纤维是人造纤维（
19、粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等）碳纤维是人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等）,是在是在200300空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下于然后在氮气的保护下于10001500的高温中进行碳化处的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量理而制得。其碳含量Wc85%95%。由于其具有高强度，。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称因而称高强度碳纤维，也称型碳纤维型碳纤维。33 （3 3）硼纤维）硼纤维 它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝上而制它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝上而制得的。具有高熔点（得的。具有高熔点（23002300）、高
20、强度（）、高强度（245024502750MPa2750MPa）、高弹性模量（）、高弹性模量（3.83.84.94.910105 5MPaMPa）。具有良）。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。好的抗氧化性、耐蚀性。缺点缺点:密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵。价格昂贵。34 （5 5）KevlarKevlar有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）特点特点:比强度、比模量高比强度、比模量高;其强度可达其强度可达280028003700MPa3700MPa；密度小；密度小,只有只有1.45 g/1.45 g/3 3；耐热性比玻璃
21、纤维；耐热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工好。它还具有优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。性。（4）碳化硅纤维）碳化硅纤维 它是用碳纤维作底丝它是用碳纤维作底丝,通过气相沉积法而制得。具有通过气相沉积法而制得。具有高熔点、高强度、高弹性模量。其突出特点是具有优良高熔点、高强度、高弹性模量。其突出特点是具有优良的高温强度，在的高温强度，在1100时其强度仍高达时其强度仍高达2100MPa。35 2 2、纤维、纤维树脂复合材料树脂复合材料 （1 1）玻璃纤维）玻璃纤维树脂复合材料树脂复合材料 亦称玻璃纤维增强塑料亦称玻璃纤维增强塑料,也称玻璃钢。也称玻璃钢。1 1）
22、热塑性玻璃钢）热塑性玻璃钢 它是由它是由20%20%40%40%的玻璃纤维和的玻璃纤维和60%60%80%80%的热塑性树脂的热塑性树脂（如尼龙、（如尼龙、ABSABS等）组成，具有高强度和高冲击韧性，良好等）组成，具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低热膨胀系数。的低温性能及低热膨胀系数。36 2)2)热固性玻璃钢热固性玻璃钢 它是由它是由60%60%70%70%玻璃纤维（或玻璃布）和玻璃纤维（或玻璃布）和30%30%40%40%热固性树脂热固性树脂（环氧、聚酯树脂等）组成。（环氧、聚酯树脂等）组成。主要优点主要优点:密度小、强度高密度小、强度高,耐蚀性、绝缘性、绝热性好耐蚀性、绝缘性、
23、绝热性好;吸水吸水性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。缺点：弹性模量低，热稳定性不高，只能在缺点：弹性模量低，热稳定性不高，只能在300300以下工作。以下工作。37 （3 3）硼纤维）硼纤维树脂复合材料树脂复合材料 主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。具有主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。具有高的比强度、比模量高的比强度、比模量,良好的耐热性。其缺点是各向异良好的耐热性。其缺点是各向异性明显。性明显。（2 2）碳纤维）碳纤维树脂复合材料树脂复合材料 最常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙最常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树
24、脂组成的复合材料烯等树脂组成的复合材料,具有高强度、高弹性模量、具有高强度、高弹性模量、高比强度和比模量，还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击高比强度和比模量，还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐蚀性及耐热性。缺点性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐蚀性及耐热性。缺点是纤维与基体结合力低。是纤维与基体结合力低。38 （4 4）碳化硅纤维树脂复合材料）碳化硅纤维树脂复合材料 由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料,具有高的具有高的比强度、比模量。比强度、比模量。（5 5）KevlarKevlar纤维树脂复合材料纤维树脂复合材料 由由KevlarKev
25、lar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。主要性能特点是抗拉强度大于玻璃钢树脂组成。主要性能特点是抗拉强度大于玻璃钢,而与碳而与碳纤维纤维环氧树脂复合材料相似环氧树脂复合材料相似;延性好，与金属相当；其延性好，与金属相当；其耐冲击性超过碳纤维增强塑料；其疲劳抗力高于玻璃钢耐冲击性超过碳纤维增强塑料；其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金；和铝合金；减振能力为钢的减振能力为钢的8 8倍。倍。39 3 3、纤维、纤维金属（或合金）复合材料金属（或合金）复合材料 纤维增强金属复合材料是由高强度、高模量的脆性纤维增强金属复合材料是由高强度、高模量的脆性纤维（碳、硼、
26、碳化硅纤维）与具有较高韧性及低屈服纤维（碳、硼、碳化硅纤维）与具有较高韧性及低屈服强度的金属（铝及其合金、钛及其合金、铜及其合金、强度的金属（铝及其合金、钛及其合金、铜及其合金、镍合金、镁合金、银铅等）组成镍合金、镁合金、银铅等）组成,具有高的横向力学性具有高的横向力学性能、高的层间剪切强度能、高的层间剪切强度;冲击韧性好、高温强度高、耐冲击韧性好、高温强度高、耐热性、耐磨性、导电性、导热性好；不吸湿、尺寸稳定热性、耐磨性、导电性、导热性好；不吸湿、尺寸稳定性好、不老化等优点。性好、不老化等优点。40 （1 1）纤维）纤维铝（或合金）复合材料铝（或合金）复合材料 1 1）硼纤维）硼纤维铝（或合
27、金）基复合材料。铝（或合金）基复合材料。硼和铝在高温易形成硼和铝在高温易形成AlBAlB2 2,与氧易形成与氧易形成B B2 2O O3 3，故在硼，故在硼纤维表面要涂一层纤维表面要涂一层SiCSiC以提高硼纤维的化学稳定性。以提高硼纤维的化学稳定性。特点特点:具有高弹性模量，高抗压强度、抗剪强度和疲具有高弹性模量，高抗压强度、抗剪强度和疲劳强度。劳强度。应用：主要用于制造飞机和航天器的蒙皮、航空发应用：主要用于制造飞机和航天器的蒙皮、航空发动机叶片等。动机叶片等。41 2 2）石墨纤维）石墨纤维铝（或合金）基复合材料。铝（或合金）基复合材料。由由型碳纤维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组型碳纤
28、维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组成。成。特点特点:具有高比强度和高温强度具有高比强度和高温强度,在在500500时其比强时其比强度为钛合金的度为钛合金的1.51.5倍倍 应用：主要用于制造航天飞机的外壳、飞机蒙皮。应用：主要用于制造航天飞机的外壳、飞机蒙皮。3 3）碳化硅纤维）碳化硅纤维铝（或合金）复合材料铝（或合金）复合材料 它是由碳化硅纤维与纯铝（或铸造铝合金、铝铜合它是由碳化硅纤维与纯铝（或铸造铝合金、铝铜合金等）组成的复合材料。金等）组成的复合材料。特点特点:具有高的比强度、比模量具有高的比强度、比模量,硬度高。硬度高。应用：用于制造飞机机身结构件及汽车发动机的活应用：用于制造飞机机
29、身结构件及汽车发动机的活塞、连杆等。塞、连杆等。42 （2 2）纤维）纤维钛合金复合材料钛合金复合材料 由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金（Ti6Al4VTi6Al4V）组成。它具有低密度、高强度、高弹性）组成。它具有低密度、高强度、高弹性模量、高耐热性、低热膨胀系数的特点。模量、高耐热性、低热膨胀系数的特点。（3 3）纤维）纤维铜（或合金）复合材料铜（或合金）复合材料 由石墨纤维与铜（或铜镍合金）组成的材料。为了由石墨纤维与铜（或铜镍合金）组成的材料。为了增强石墨纤维和基体的结合强度增强石墨纤维和基体的结合强度,常在石墨纤维表面镀常在石墨纤维表面
30、镀铜或镀镍后再镀铜。石墨纤维增强铜或铜镍合金复合材铜或镀镍后再镀铜。石墨纤维增强铜或铜镍合金复合材料具有高强度、高导电性、低的摩擦因数和高的耐磨性，料具有高强度、高导电性、低的摩擦因数和高的耐磨性，以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。43 4 4、纤维、纤维陶瓷复合材料陶瓷复合材料 用碳（或石墨）纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅用碳（或石墨）纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅度提高陶瓷的冲击韧性和抗热振性度提高陶瓷的冲击韧性和抗热振性,降低脆性，而陶瓷又降低脆性，而陶瓷又能保护碳（或石墨）纤维在高温下不被氧化。因而这类能保护碳（或石墨）纤维在高温下不被氧化。因而这类材
31、料具有很高的强度和弹性模量。材料具有很高的强度和弹性模量。除上述三大类纤维增强复合材料外，近年来研制了除上述三大类纤维增强复合材料外，近年来研制了多种纤维增强复合材料，例多种纤维增强复合材料，例C/CC/C复合材料、混杂纤维复合复合材料、混杂纤维复合材料等。材料等。44C/C在航天领域中的应用在航天领域中的应用C/C作为刹车盘作为刹车盘45 二、叠层复合材料二、叠层复合材料 叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。1 1、双层金属复合材料、双层金属复合材料 将性能不同的两种金属用胶合或熔合铸造、热压、将性能不同的两种金属用胶合或熔合铸造、
32、热压、焊接、喷涂等方法复合在一起焊接、喷涂等方法复合在一起,以满足某种性能要求的以满足某种性能要求的材料。材料。46 2 2、塑料、塑料金属多层复合材料金属多层复合材料 典型代表是典型代表是SFSF型三层复合材料（型三层复合材料（如钢如钢铜铜塑料）塑料）,可制作在高应力、高温及低温、无润滑条件下的轴承可制作在高应力、高温及低温、无润滑条件下的轴承。47 三、粒子增强型复合材料三、粒子增强型复合材料 1 1、颗粒增强复合材料（、颗粒增强复合材料（d1m,d1m,体积分数体积分数v v20%20%）金属陶瓷是常见的颗粒增强复合材料。硬质合金就是金属陶瓷是常见的颗粒增强复合材料。硬质合金就是以以Ti
33、CTiC、WCWC（或（或TaCTaC）等碳化物为基体，以金属）等碳化物为基体，以金属NiNi、CoCo为粘为粘合剂，将它们用粉末冶金方法经烧结所形成的金属陶瓷。合剂，将它们用粉末冶金方法经烧结所形成的金属陶瓷。2 2、弥散强化复合材料（、弥散强化复合材料（d=0.01d=0.010.1m,0.1m,v v=1%=1%15%15%）随着科学技术的进步随着科学技术的进步,一大批新型复合材料将得到应用。一大批新型复合材料将得到应用。例如，例如，C/CC/C复合材料、金属化合物复合材料、纳米复合材料、复合材料、金属化合物复合材料、纳米复合材料、功能梯度复合材料、智能复合材料及体现复合材料功能梯度复合
34、材料、智能复合材料及体现复合材料“精髓精髓”的的“混杂混杂”复合材料将得到发展及应用。复合材料将得到发展及应用。2121世纪将是复合世纪将是复合材料大力发展的时代。材料大力发展的时代。48 各种材料的发展状况各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用 金属基复合材料金属基复合材料 开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决499.2 复合材料的界面理论和界面控制复合材料的界面
35、理论和界面控制复合材料界面的粘结方式复合材料界面的粘结方式 机械结合机械结合静电作用静电作用界面扩散界面扩散界面反应界面反应509.3 复合理论与复合材料设计复合理论与复合材料设计NiVPP1iicPc:复合材料的某性能,如强度、弹性模量、热导率等;Pi：各组分材料的对应复合材料的某性能；V：组成复合材料各组分的体积百分比；i：表示组成复合材料的组分数。51纤维搭桥纤维搭桥纤维拔出纤维拔出纤维脱粘纤维脱粘52复合材料的设计复合材料的设计从常规设计向从常规设计向仿生仿生设计发展设计发展 仿照仿照竹子竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点,成功地制成功地制备出具有
36、明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。材料。仿照仿照鲍鱼壳鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了铝和硼混合成陶瓷细带制成了1010微米厚的薄层，由此得到的微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固层状复合材料比其原材料坚固4040。仿照仿照骨骼骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是
37、玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。539.4 金属复合材料制备与加工金属复合材料制备与加工硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱54常用的金属基复合材料制备工艺常用的金属基复合材料制备工艺55 (1)(1)固态法固态法 固态法是指基体处于固态下固态法是指基体处于固态下制造金属基复合材料的方法。制造金属基复合材料的方法。(2)(2)液态法液态法 液态法是指基体处于熔融状液态法是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。态下制造金属基复合材料的方法。(3)(3)其他制造方法其他制造方法 主要包括
38、原位自生成主要包括原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法、复合镀法等化学镀和电镀法、复合镀法等。56一、固态法一、固态法 1 1、扩散黏结法、扩散黏结法(Diffusion Bonding)扩散黏结是一种在较长时间、较高温度扩散黏结是一种在较长时间、较高温度和压力下和压力下,通过固态焊接工艺，使同类或不同通过固态焊接工艺，使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工艺类金属在高温下互扩散而黏结在一起的工艺方法。方法。5758 2、形变法、形变法(Plastic Forming)形变法就是利用金属具有塑性成型的形变法就是利用金属具有塑
39、性成型的工艺特点工艺特点,通过热轧、热拉、热挤压等加工通过热轧、热拉、热挤压等加工手段，使已复合好的颗粒、晶须、短纤维手段，使已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成板材。增强金属基复合材料进一步加工成板材。593、粉末冶金法、粉末冶金法(Powder Metallurgy Method)粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粒增强粒增强(非连续增强型非连续增强型)金属基复合材料的金属基复合材料的传统固态工艺法。传统固态工艺法。6061二、液态法二、液态法 1、液态金属浸润法、液态金属浸润法 液态金属浸润法的实质是液态金属浸润法的实质是使基体金属呈熔
40、融状态时与增强材料浸润结合使基体金属呈熔融状态时与增强材料浸润结合,然后凝固成型。然后凝固成型。（1）挤压铸造法）挤压铸造法(Squeeze Casting)挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制件中制造复合材料的方法。料预制件中制造复合材料的方法。62 (2)真空压力浸渍法真空压力浸渍法(Vacuum Pressure Infiltration)真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体的共同作用下的共同作用下,使熔融金属浸渗入预制件中制使熔融金属浸渗入预制件中制造金属基复合材料的方法。造金属基复合材料的方法。6364
41、(3)液态金属搅拌铸造法液态金属搅拌铸造法(Stir-Casting Method of Liquid Metal)液态金属搅拌铸造法是将增强相颗粒直接液态金属搅拌铸造法是将增强相颗粒直接加入金属熔体中加入金属熔体中,通过搅拌使颗粒均匀分散，通过搅拌使颗粒均匀分散，然后浇铸成型制成复合材料制品的方法然后浇铸成型制成复合材料制品的方法。65 2、井喷沉积法、井喷沉积法(Spray Co-Deposition)井喷沉积法是运用特殊的喷嘴井喷沉积法是运用特殊的喷嘴,将液态金将液态金属基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细属基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细小的液态金属流，将增强相颗粒加入到雾化小的液
42、态金属流，将增强相颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料的方法。在衬底上，凝固形成金属基复合材料的方法。66井喷沉积法生井喷沉积法生产陶瓷颗粒增产陶瓷颗粒增强金属基复合强金属基复合材料材料 67三、其他方法三、其他方法 通过运用化学、物理等基本原理而通过运用化学、物理等基本原理而发展的一些金属基复合材料制造方法发展的一些金属基复合材料制造方法,如原位自生成法、物理气相沉积法和化如原位自生成法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等。学气相沉积法等。689.5 陶瓷基复合材料制备与加工陶瓷基复合材料制备与加工69一、模
43、压成型一、模压成型(Dry-Pressing)模压成型又称干压成型模压成型又称干压成型,是将粉料装入钢模内是将粉料装入钢模内,通过冲头对通过冲头对粉末单向或双向压力，压制成具有一定形状和尺寸压坯的成粉末单向或双向压力，压制成具有一定形状和尺寸压坯的成型方法。型方法。二、等静压成型二、等静压成型(Isostatic Forming)等静压成型是利用液体或橡胶等在各个方向传递压力相等静压成型是利用液体或橡胶等在各个方向传递压力相等的原理对坯体进行压制的。等的原理对坯体进行压制的。三、注浆成型三、注浆成型(Slip Casting)注浆成型首先将陶瓷颗粒悬浮于液体中，然后注入多孔注浆成型首先将陶瓷颗
44、粒悬浮于液体中，然后注入多孔质模具，由模具的气孔把料浆中的液体吸出，而在模具内留质模具，由模具的气孔把料浆中的液体吸出，而在模具内留下坯体，经脱模、干燥后获得具有一定形状和强度的坯体下坯体，经脱模、干燥后获得具有一定形状和强度的坯体。70四、热压成型四、热压成型(Hot Injection Molding)热压成型时热压成型时,先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热，利用蜡类材料热熔冷固的特点，把粉料与熔化的加热，利用蜡类材料热熔冷固的特点，把粉料与熔化的蜡料等粘合剂迅速搅合成具有流动性的料浆，然后将混蜡料等粘合剂迅速搅合成具有流动性的料浆，然后将混合料加
45、压注入模具，冷却凝固后成型，即可得致密的、合料加压注入模具，冷却凝固后成型，即可得致密的、较硬实的坯体。较硬实的坯体。五、注射成型五、注射成型(Injection Molding)注射成型是从塑料的注射成型工艺借鉴来的，它将注射成型是从塑料的注射成型工艺借鉴来的，它将粉料与热塑性树脂等有机物混合后，加热混炼，制成粒粉料与热塑性树脂等有机物混合后，加热混炼，制成粒状粉料，用注射成型机在一定的压力和温度下注射入金状粉料，用注射成型机在一定的压力和温度下注射入金属模具中，迅速冷却后，脱模取出坯体，经脱脂后就可属模具中，迅速冷却后，脱模取出坯体，经脱脂后就可按常规工艺烧结。按常规工艺烧结。71六、直接
46、氧化法（六、直接氧化法（Lanxide法）法）将熔融金属直接与氧化剂发生氧化反将熔融金属直接与氧化剂发生氧化反应制备陶瓷基复合材料的方法应制备陶瓷基复合材料的方法,称为直接称为直接氧化法，商业上称为氧化法，商业上称为Lanxide工艺。工艺。七、化学气相渗透工艺七、化学气相渗透工艺(Chemical Vapor Infil-tration，CVI)将化学气相沉积技术运用在将大量陶将化学气相沉积技术运用在将大量陶瓷材料渗透进增强材料预制坯件的方法称瓷材料渗透进增强材料预制坯件的方法称为化学气相渗透工艺。为化学气相渗透工艺。72739.6 纤维增强高分子复合材料纤维增强高分子复合材料玻璃钢天线反射
47、面玻璃钢天线反射面玻璃钢建筑材料用于玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢上海东方明珠电视塔大堂装潢74玻璃钢应用于体育用品玻璃钢应用于体育用品75一、手糊成型工艺一、手糊成型工艺(hand laying-up)所谓手糊成型工艺所谓手糊成型工艺,是指用手工或是指用手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料的一种成型方法。的一种成型方法。7677二、喷射成型工艺二、喷射成型工艺(Spray Moulding)喷射成型工艺是利用喷枪将短纤维及喷射成型工艺是利用喷枪将短纤维及树脂同时喷到模具上树
48、脂同时喷到模具上,压实固化成制件压实固化成制件的工艺方法。的工艺方法。7879三、袋压成形工艺三、袋压成形工艺(Bag Moulding)袋压成型工艺是在手糊成型的制品上袋压成型工艺是在手糊成型的制品上,装上橡胶装上橡胶袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，将气体压力施加到未袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，将气体压力施加到未固化的玻璃钢制品表面而使制品成型的工艺方法。固化的玻璃钢制品表面而使制品成型的工艺方法。四、层压成型工艺四、层压成型工艺(Lamination Process)层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布层压成型工艺，是把一定层数的浸胶布(纸纸)叠叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压力在一起，送入多
49、层液压机，在一定的温度和压力下压制成板材的工艺。下压制成板材的工艺。80五、模压成型工艺五、模压成型工艺(Pressure Molding)模压成型工艺是指将模压料置于金属对模中模压成型工艺是指将模压料置于金属对模中,在一定的在一定的温度下，加压固化为复合材料制品的一种成型工艺，是一种温度下，加压固化为复合材料制品的一种成型工艺，是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维增强复合材料的成对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维增强复合材料的成型方法。型方法。1 1短纤维料模压法短纤维料模压法 该法是将经过预混或预浸后的短纤维状物料在模具中成该法是将经过预混或预浸后的短纤维状物料在模具中成型为复合材
50、料制品型为复合材料制品 。2 2毡料模压法毡料模压法 该法是将浸毡机组制备的连续玻璃纤维预浸毡剪裁成所该法是将浸毡机组制备的连续玻璃纤维预浸毡剪裁成所需形状，在金属对模中压制成制品。需形状，在金属对模中压制成制品。3 3碎布料模压法碎布料模压法 该法是将浸渍过树脂的玻璃布或其他织物的下脚料剪成该法是将浸渍过树脂的玻璃布或其他织物的下脚料剪成碎块，在模具中压制成型碎块，在模具中压制成型 。81 4 4、层压模压法、层压模压法 该法是介于层压与模压之间的一种工艺该法是介于层压与模压之间的一种工艺,系将预浸渍的玻璃布或其他织物裁剪成所需形系将预浸渍的玻璃布或其他织物裁剪成所需形状，在金属对模中层叠铺
