1、第六章第六章 复合材料复合材料为什么主要成分为碳酸钙的贝壳强度要比为什么主要成分为碳酸钙的贝壳强度要比同样组成为碳酸钙的粉笔要高很多？同样组成为碳酸钙的粉笔要高很多？材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料是由两种或复合材料是由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质两种以上物理和化学性能不同的物质组合组合而成的一种多相固体材料。而成的一种多相固体材料。(ISO定义定义)材料材料A 材料材料B（）材料材料C改善或克服单一组成材料的弱点，创造单一材料不具备的改善或克服单一组成材料的弱点，创造单一材料不具备的双重或多重功能。双重或多重功能。复合材料的定义复合材料的定义基体基体Matrix增强体增强
2、体Reinforce-ment主要组份主要组份粘结、保护增强相并粘结、保护增强相并把外加载荷造成的应把外加载荷造成的应力传递到增强相上去力传递到增强相上去其它组份其它组份主要承载相，并起着主要承载相，并起着提高强度提高强度(或韧性或韧性)的作的作用用 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的特点复合材料的特点悬浮液、气溶胶、雾等含有气相或是液相的多相体系不能悬浮液、气溶胶、雾等含有气相或是液相的多相体系不能称之为复合材料。称之为复合材料。多相多相:至少两相；至少两相；独立性独立性：相是独立的，组成和性能独立；：相是独立的，组成和性能独立；复合效益：具备不同于组成相的独特的性能或是效益；复合
3、效益：具备不同于组成相的独特的性能或是效益；*固相固相：复合产物为固相；复合产物为固相；可设计性：组成和性能具有可设计性。可设计性：组成和性能具有可设计性。*复合材料的定义复合材料的定义 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的定义复合材料的定义 获得新组成的材料；获得新组成的材料；获得新形态的材料；获得新形态的材料；获得单一组分不具备的性质和功能，获得复合效应；获得单一组分不具备的性质和功能，获得复合效应；获得某种特定的性能或效益。碳酸钙填充获得某种特定的性能或效益。碳酸钙填充PVC，PP等聚合物等聚合物时只是为了经济效益与其功能无关。时只是为了经济效益与其功能无关。复合的目的复合的目的
4、 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料复合材料 =增强材料增强材料 +基体基体 骨胶原质骨胶原质 +磷灰石磷灰石 贝壳碳酸钙贝壳碳酸钙+基质胶原基质胶原几个实例几个实例 材料材料概论概论 第六章 复合材料波音787：以碳纤维合成物为主体材料以碳纤维合成物为主体材料耗油量：减少20左右。Aluminium or composite?材料材料概论概论 第六章 复合材料航空航天航空航天 材料材料概论概论 第六章 复合材料波音波音787型飞机中使用的型飞机中使用的复合材料复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料垂直安定面（左上图中黑色部分）复合材料前机身段（上图中黑色部分）复合材料在
5、国产军用飞机中的应用（左图）军事军事 材料材料概论概论 第六章 复合材料金属基复合材料在直升飞机中的应用（用作旋翼支架）材料材料概论概论 第六章 复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料交通交通 材料材料概论概论 第六章 复合材料建筑建筑 材料材料概论概论 第六章 复合材料日用品日用品 材料材料概论概论 第六章 复合材料体育用品体育用品 材料材料概论概论 第六章 复合材料玻璃钢应用于体育用品 材料材料概论概论 第六章 复合材料Fords soybean car used cellulose fibre/soybean resin composite panels attached to a
6、 tubular steel frame.Kerb weight was reduced from 3000 to 2000 lb(900 kg).http:/www.hfmgv.org/research/services/populartopics/SoybeanCar/材料材料概论概论 第六章 复合材料风力发电机叶片风力发电机叶片用复合材料用复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的概述复合材料的概述 现代复合材料的起源：现代复合材料的起源：发端于发端于20世纪世纪5060年代，主要是适年代，主要是适应航空航天技术对高强度低密度材料的需求。应航空航天技术对高强度低密度材料的需求
7、。复合材料的现状复合材料的现状:2005年全球玻璃钢复合材料产量逾年全球玻璃钢复合材料产量逾700万万吨吨，产值逾，产值逾4千亿千亿元人民币。我国的产量约为全球的元人民币。我国的产量约为全球的1/4，而，而平均单价却仅为世界平均价格的平均单价却仅为世界平均价格的1/4（低于低于1.5万人民币万人民币/吨）吨）我国是世界玻纤产品的我国是世界玻纤产品的第二第二大生产国。大生产国。我国玻纤著名研究院所：我国玻纤著名研究院所：南京玻璃纤维研究院、北京玻璃钢南京玻璃纤维研究院、北京玻璃钢研究院。研究院。我国玻纤工业我国玻纤工业“三强三强”：泰山玻璃纤维股份有限公司、巨石泰山玻璃纤维股份有限公司、巨石集团
8、有限公司（亚洲玻纤集团有限公司（亚洲玻纤3强，世界玻纤强，世界玻纤5强）、重庆国际复强）、重庆国际复合材料有限公司合材料有限公司 材料材料概论概论 第六章 复合材料复复合合材材料料按基体相分按基体相分按增强相按增强相的形态分的形态分金属基金属基 界面结合存在问题；界面结合存在问题；陶瓷基陶瓷基 对增强体有特殊要求，如耐高温等；对增强体有特殊要求，如耐高温等；聚合物基聚合物基 热塑性、热固性聚合物。可成型性能好；热塑性、热固性聚合物。可成型性能好；水泥基水泥基 界面结合好，成型时基体有化学反应。界面结合好，成型时基体有化学反应。颗粒增强颗粒增强纤维增强纤维增强晶须增强晶须增强按用途分按用途分结构
9、复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料承受载荷，作为承力结构使用承受载荷，作为承力结构使用电、磁、光、热、声、摩电、磁、光、热、声、摩擦、阻尼、化学分离性能擦、阻尼、化学分离性能碳纤维碳纤维玻璃纤维玻璃纤维有机纤维有机纤维复合纤维复合纤维编织物增强编织物增强复合材料的分类复合材料的分类 材料材料概论概论 第六章 复合材料n纤维增强体：纤维增强体：碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等。氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等。特点是特点是用量小、强度大、价格高。用量小、强度大、价格高。纤维与晶须的主要特点是：密度低
10、、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小纤维与晶须的主要特点是：密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小.n 粉状填料：粉状填料：碳酸钙、二氧化钛、蒙脱土、碳黑、二氧化硅碳酸钙、二氧化钛、蒙脱土、碳黑、二氧化硅 (白碳黑白碳黑)。特点是。特点是用量大、价格低。用量大、价格低。n编织物：编织物：二维纺织布、三维纺织物等。特点是二维纺织布、三维纺织物等。特点是初期可初期可赋形、强度大、价格高。赋形、强度大、价格高。复合材料的原料复合材料的原料(增强体增强体)材料材料概论概论 第六章 复合材料a)多角状SiC颗粒b)等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒c)溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒d)a-Al2O3片
11、晶常用的颗粒增强材料常用的颗粒增强材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料nanofiber几种纤维增强体几种纤维增强体 材料材料概论概论 第六章 复合材料纤维的强度纤维的强度 材料材料概论概论 第六章 复合材料三维编织纤维结构三维编织纤维结构管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型几种编制物的结构几种编制物的结构三维正交非织造的纤维结构三维正交非织造的纤维结构 (a)非线性法平面增强非线性法平面增强 (b)一种开式格一种开式格状结构状结构(c）一种柔性结构）一种柔性结构 材料材料概论概论 第六章 复合材料比强度高比强度高抗疲劳与断裂抗疲劳与断裂安全性能好安全性能好良好的减
12、震性能良好的减震性能良好的高温性能良好的高温性能大量的增强纤维对裂纹的扩展起到大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用阻碍作用.纤维增强复合材料具有较高的自震纤维增强复合材料具有较高的自震频率，不易产生共振现象，具有一频率，不易产生共振现象，具有一定的减震作用定的减震作用.增强纤维的熔点都很高，并且在增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较高的强度高温下仍具有较高的强度.比弹性模量高比弹性模量高刚性强刚性强自重小自重小可可 设设 计计 性性 强强根据复合原理设计出具有特定功能的根据复合原理设计出具有特定功能的复合材料，性能对工艺的依赖性。复合材料，性能对工艺的依赖性。复合材料的性能特点复合材料
13、的性能特点 材料材料概论概论 第六章 复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料增强机理增强机理1.纤维增强纤维增强 纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维脆性纤维作作增强体增强体与与韧性基体韧性基体或脆性基体经一定工艺或脆性基体经一定工艺复合而成的复合而成的多相材料多相材料。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。设计纤维增强复合材料的目标：设计纤维增强复合材料的目标：复合材料的基本理论复合材料的基本理论 材料材料概论概论 第六章 复合材料纤维增强复合材料的机理：纤维增强复合材料的机理：1 1
14、、增强纤维因直径较小，产生增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低裂纹的几率降低。2 2、纤维的表面受到基体的保护，不易在承载中纤维的表面受到基体的保护，不易在承载中 产生裂纹，增大承载力。产生裂纹，增大承载力。3 3、基体能阻止纤维的裂纹扩展。基体能阻止纤维的裂纹扩展。4 4、基体对纤维的粘结作用、基体与纤维之间的摩擦基体对纤维的粘结作用、基体与纤维之间的摩擦 力，使得材料的强度大大提高。力，使得材料的强度大大提高。复合材料的基本理论复合材料的基本理论 材料材料概论概论 第六章 复合材料l陶瓷基陶瓷基复合材料增强相是具有强结合键纤维阻止裂纹的产生，复合材料增强相是具有强结合键纤维阻止裂纹的产生
15、，使脆性降低。使脆性降低。l高分子基高分子基复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子链的运动；复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子链的运动；l金属基金属基复合材料中纤维增强相有效阻止位错运动而强化基体。复合材料中纤维增强相有效阻止位错运动而强化基体。钨纤维铜基复合材料中的裂纹钨纤维铜基复合材料中的裂纹在铜中扩展受阻在铜中扩展受阻碳纤维环氧树脂复合材料断裂碳纤维环氧树脂复合材料断裂时纤维断口电子扫描照片时纤维断口电子扫描照片复合材料的基本理论复合材料的基本理论 材料材料概论概论 第六章 复合材料增强纤维起到强化基体作用必要条件增强纤维起到强化基体作用必要条件：1 1、增强纤维的增强纤维的强度强度和和
16、弹性模量弹性模量高。高。3 3、纤维应有一定的纤维应有一定的含量、尺寸和分布含量、尺寸和分布。4 4、纤维与基体之间的纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配线膨胀系数相匹配。2 2、纤维与基体之间有良好的纤维与基体之间有良好的相容性相容性。复合材料的基本理论复合材料的基本理论 材料材料概论概论 第六章 复合材料增强纤维的形状、分布及数量等均影响复合材料的性能增强纤维的形状、分布及数量等均影响复合材料的性能(a)数量数量(b)大小大小(c)形状形状(d)分布分布(e)取向取向复合材料的基本理论复合材料的基本理论 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的基本理论复合材料的基本理论分单向取向和双向取向
17、分单向取向和双向取向取向的影响取向的影响 材料材料概论概论 第六章 复合材料增强机理增强机理2.颗粒增强颗粒增强 指由高强度、高弹性模量的指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒作增强体脆性颗粒作增强体与与韧性基体韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。相材料。纳米硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。纳米硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。颗粒增强复合材料的种类：颗粒增强复合材料的种类：复合材料的基本理论复合材料的基本理论 材料材料概论概论 第六章 复合材料弥散强化复合材料中弥散颗粒种类弥散强化复合材料中弥散颗粒种类金属氧化物金属氧化物碳化物碳化物硼化物硼化物复合材料的基本
18、理论复合材料的基本理论颗粒增强复合材料的机理：颗粒增强复合材料的机理：弥散分布基体中的硬颗粒可以有效地阻止弥散分布基体中的硬颗粒可以有效地阻止位错运动，产生显著的强化作用。位错运动，产生显著的强化作用。材料材料概论概论 第六章 复合材料增韧机理增韧机理1.纤维增韧纤维增韧 由于由于定向、取向定向、取向或或无序排布无序排布的纤维加入，使得的纤维加入，使得复合材料的韧性得到显著提高。复合材料的韧性得到显著提高。纤维吸收裂纹尖端能量是靠纤维断裂及纤维从基体纤维吸收裂纹尖端能量是靠纤维断裂及纤维从基体中拔出实现的。要求用于补强的纤维具有较高的强中拔出实现的。要求用于补强的纤维具有较高的强度且能与陶瓷有
19、良好的粘结。度且能与陶瓷有良好的粘结。d复合材料的基本理论复合材料的基本理论 材料材料概论概论 第六章 复合材料增韧机理增韧机理2.颗粒增韧颗粒增韧增韧的机理主要包括增韧的机理主要包括相变增韧相变增韧、裂纹转向裂纹转向增韧增韧和和分叉增韧分叉增韧。复合材料的基本理论复合材料的基本理论通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从而抵消外加通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧的目的。应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧的目的。ZrO2相变相变增韧增韧 材料材料概论概论 第六章 复合材料纤维吸收裂纹尖端能量纤维吸收裂纹尖端能量纤维断裂纤维断裂纤维从基体中拔出纤维从基
20、体中拔出裂纹转向裂纹转向复合材料的基本理论复合材料的基本理论 材料材料概论概论 第六章 复合材料界面界面 复合材料中基体与增强材料之间的结合面。复合材料中基体与增强材料之间的结合面。这种结合面这种结合面是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。复合材料的界面复合材料的界面理论上可分为三个阶段：理论上可分为三个阶段：u 第一阶段第一阶段：增强体：增强体表面预处理或改性阶段表面预处理或改性阶段。i)界面设计与控制的重要手段界面设计与控制的重要手段ii)改性层成为最终界面层的重要组成部分改性层成为最终界面层的重要组成部分u 第二阶段第二阶段：
21、两相的：两相的接触与浸润过程接触与浸润过程接触接触吸附与浸润吸附与浸润交互扩散交互扩散化学结合或物理结合化学结合或物理结合(化学结合可看作化学结合可看作是一种特殊的浸润过程，是是一种特殊的浸润过程，是界面形成与发展的关键阶段界面形成与发展的关键阶段)u 第三阶段第三阶段：液态（或粘流态）组分的：液态（或粘流态）组分的固化过程固化过程，即凝固或化学反应。，即凝固或化学反应。i)界面的固定（亚稳态、非平衡态）界面的固定（亚稳态、非平衡态）ii)界面的稳定（稳态、平衡态）界面的稳定（稳态、平衡态）复合材料的界面形成过程复合材料的界面形成过程 材料材料概论概论 第六章 复合材料界面界面n分层组成分层组
22、成 非单分子层基体表面层、增强体表非单分子层基体表面层、增强体表 面层、基体面层、基体/增强体界面层三个部分；增强体界面层三个部分；n梯度结构梯度结构 具有一定厚度的界面相（层）随厚度方向变化具有一定厚度的界面相（层）随厚度方向变化而变化，具有而变化，具有“梯度梯度”特征；特征；n界面效益界面效益 界面的比表面积或界面相的体积分数很大界面的比表面积或界面相的体积分数很大(尤其尤其是纳米复合材料是纳米复合材料)界面效应显著，复合材料复合效应产生界面效应显著，复合材料复合效应产生的根源；的根源；n界面缺陷界面缺陷 界面缺陷形式多样界面缺陷形式多样(包括残余应力包括残余应力)，对复合材，对复合材料性
23、能影响十分敏感。料性能影响十分敏感。复合材料的界面结构与性能特点复合材料的界面结构与性能特点复合材料的界面复合材料的界面增强体增强体基体基体 材料材料概论概论 第六章 复合材料界面结合的类型界面结合的类型1 1、机械结合机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。2 2、溶解与浸润结合溶解与浸润结合：液态或是粘流态基体对增强纤维的侵润，液态或是粘流态基体对增强纤维的侵润，而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。大小。3 3、反应
24、反应结合结合：基体与纤维之间形成界面反应层。基体与纤维之间形成界面反应层。4 4、混合混合结合结合：上述三种形式的混合结合方式。上述三种形式的混合结合方式。复合材料的界面复合材料的界面 材料材料概论概论 第六章 复合材料n浸润理论浸润理论 n化学键理化学键理n优先吸附理n可变形层理论n束缚层理论每一理论只能部分解释某些现象或某些结果。都有一定局限性。实际的界面现象复杂的多，需多方面、多角度加以分析。迄今，未能建立一个统一的界面响应理论模型。界面作用理论界面作用理论复合材料的界面复合材料的界面 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料界面的类型复合材料界面的类型1 1、增强体与基体互不反应、互
25、不溶解的界面。增强体与基体互不反应、互不溶解的界面。2 2、增强体与基体不反应、但相互溶解的界面。增强体与基体不反应、但相互溶解的界面。3 3、增强体与基体反应形成界面反应层。增强体与基体反应形成界面反应层。复合材料的界面复合材料的界面表面改性表面改性不同相之间的相容性或是改变界面物理结合不同相之间的相容性或是改变界面物理结合处粗糙程度。方法有处粗糙程度。方法有基体改性和增强体改性两种。基体改性和增强体改性两种。材料材料概论概论 第六章 复合材料怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？1 1、改变、改变增强材料表面性质。增强材料表面性质。2 2、向基体内
26、添加特定的元素。向基体内添加特定的元素。3 3、在在增强材料的表面施加涂层。增强材料的表面施加涂层。表面改性前表面改性后表面改性后复合材料的界面复合材料的界面SEM图由我院高分子系 张云灿 教授 提供 材料材料概论概论 第六章 复合材料表面改性对复合材料力学性能的影响表面改性对复合材料力学性能的影响序号序号玻纤含量玻纤含量(%)拉伸拉伸强度强度MPa弯曲弯曲强度强度MPa缺口缺口冲击冲击kJ/m2 1LC/d界面粘结界面粘结型式型式A-30A-30B-30B-30C-30C-30D-30D-303030303030303030 37.137.1 50.4 50.4 69.6 69.6 71.2
27、 71.2 58.958.9 85.4 85.4112.3112.3116.0116.0 6.56.5 7.4 7.4 16.7 16.7 19.0 19.00.210.210.400.400.660.660.680.68 7373 37 37 16 16 14 14物理润湿物理润湿互穿网络互穿网络化学偶联化学偶联化学偶联化学偶联物理润湿型界面粘结材料的强度指标低，互穿网络型界面粘结材物理润湿型界面粘结材料的强度指标低，互穿网络型界面粘结材料的强度指标中等，而化学偶联型界面粘结材料的强度指标高。料的强度指标中等，而化学偶联型界面粘结材料的强度指标高。复合材料的界面复合材料的界面此表数据由我院高
28、分子系张云灿教授提供 材料材料概论概论 第六章 复合材料v玻璃钢玻璃钢(玻璃纤维增强塑料，玻璃纤维增强塑料，GFRP)密度低：密度低：1.62.0g/cm3；比强度高：较最高强度的合金钢还高比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；倍；耐腐蚀耐腐蚀突出特点突出特点耐烧蚀耐烧蚀航空航天工业：航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。火箭：火箭：发动机壳体、喷管。发动机壳体、喷管。汽车工业：汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。石油化工工业：石油化工工业：如玻璃钢贮罐
29、、容器、管道、洗涤器、冷却塔等如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等 应应 用用玻璃纤维增强玻璃纤维增强酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等热固性树脂基体热固性树脂基体热固性玻璃钢热固性玻璃钢；聚酰胺、聚丙烯、聚酰胺、聚丙烯、ABS、尼龙等热塑、尼龙等热塑性树脂基体性树脂基体热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢。聚合物聚合物(树脂树脂)基复合材料基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料酚醛树脂玻璃钢齿轮酚醛树脂玻璃钢齿轮 聚合物聚合物(树脂树脂)基复合材料基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料 图3-87玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用聚合物聚合物(树脂树
30、脂)基复合材料基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料(玻璃钢)制作的渔船（右）玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢(左)聚合物聚合物(树脂树脂)基复合材料基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料聚合物聚合物(树脂树脂)基复合材料基复合材料各种玻璃钢型材制品各种玻璃钢型材制品 材料材料概论概论 第六章 复合材料环氧树脂玻璃钢显微组织环氧树脂玻璃钢显微组织(表面）表面）环氧树脂玻璃钢显微组织（横截面）环氧树脂玻璃钢显微组织（横截面）材料材料概论概论 第六章 复合材料v碳纤维增强聚合物基复合材料（碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRPCFRP）航天工业：航天工业：如航天飞
31、机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等；空间站大型结构桁架及太阳能电池支架。部压力容器等；空间站大型结构桁架及太阳能电池支架。汽车工业：汽车工业：F F1 1方程式赛车车身方程式赛车车身体育用品：体育用品：网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆。网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆。密度更低密度更低 更高的比强度和比模量更高的比强度和比模量化学稳定性高化学稳定性高高、低温力学性能好高、低温力学性能好突出特点突出特点应应 用用比玻璃钢的性能普遍优越比玻璃钢的性能普遍优越聚合物聚合物(树脂树脂)基复合材料基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料
32、聚合物聚合物(树脂树脂)基复合材料基复合材料CFRP在民用飞机中的应用CFRP在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架中的应用 材料材料概论概论 第六章 复合材料特点特点具有与树脂基复合材料相同的高强度、高弹性具有与树脂基复合材料相同的高强度、高弹性 模量和低线膨胀系数。模量和低线膨胀系数。工作温度高、高韧性、导电、导热、不易燃烧、工作温度高、高韧性、导电、导热、不易燃烧、抗电磁干扰、抗辐射抗电磁干扰、抗辐射 可进行热处理和其它加工来进一步提高性能。可进行热处理和其它加工来进一步提高性能。缺点缺点密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间 易发生化学反
33、应等。易发生化学反应等。长纤维增强长纤维增强原位复合增强原位复合增强颗粒增强颗粒增强短纤维或晶须短纤维或晶须增强增强金属基复合材料金属基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料长纤维增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料1、硼、硼/铝复合材料铝复合材料硼纤维高温强度高，硼纤维高温强度高，1500时蠕变速率低。但高温氧化后时蠕变速率低。但高温氧化后强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或或B4C，防，防止纤维表面氧化。止纤维表面氧化。金属基复合材料金属基复合材料 硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航
34、天飞机主舱体龙骨桁架和支柱 材料材料概论概论 第六章 复合材料2、石墨石墨/铝复合材料铝复合材料具有具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用石墨纤维等特点。利用石墨纤维表面沉积表面沉积Ti/Bi涂层技术，可改善石墨纤维与液态铝的湿润性，涂层技术，可改善石墨纤维与液态铝的湿润性，有效控制铝与纤维的表面反应，提高复合材料的性能。有效控制铝与纤维的表面反应，提高复合材料的性能。长纤维增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料3、石墨、石墨/镁复合材料镁复合材料这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是这种材料密度低、线膨胀系数为零，
35、尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。，提高石墨纤维的润湿性。材料材料概论概论 第六章 复合材料4、碳化硅、碳化硅/钛复合材料钛复合材料碳化硅纤维碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反应小，润湿性好化，与金属的反应小，润湿性好。主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。材料。长纤维增强金属基复合材料长
36、纤维增强金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料5、氧化铝、氧化铝/铝复合材料铝复合材料氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。材料材料概论概论 第六章 复合材料短纤维短纤维/晶须增强金属基复合材料晶须增强金属基复合材料1、氧化铝、氧化铝/铝复合材料铝复合材料2、碳化硅、碳化硅/铝复合材料铝复合材料3、氧化铝、氧化铝/镍复合材料镍复合材料金属基
37、复合材料金属基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料金属基复合材料金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料2.碳化钛碳化钛/钛复合材料钛复合材料1.碳化硅碳化硅/铝复合材料铝复合材料3.颗粒增强金属间化合物复合材料颗粒增强金属间化合物复合材料TiB2/NiAl、TiB2/TiAl金属基复合材料金属基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料金属基复合材料金属基复合材料SiCp/Al，Al2O3p/Al汽车刹车盘，减重60（丰田、福特和通用汽车公司）Al2O3短纤维/Al汽车活塞（活塞环）（丰田汽车公司）SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6Kg（福特、通用汽车公司
38、）材料材料概论概论 第六章 复合材料原位复合材料原位复合材料采用定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则的温度采用定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则的温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身析出晶须或颗粒梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身析出晶须或颗粒而得到的复合材料。而得到的复合材料。金属基复合材料金属基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料什么是陶瓷基复合材料？什么是陶瓷基复合材料？在陶瓷基体中添加碳在陶瓷基体中添加碳纤维纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅碳化硅晶须晶须、氧化铝晶须、碳化硅、氧化铝晶须、碳化硅颗粒颗粒和碳化钛颗粒，和碳化钛颗粒，所形成的复合材
39、料。所形成的复合材料。纤维的加入可以大大提高陶瓷材料的强度和韧性。纤维的加入可以大大提高陶瓷材料的强度和韧性。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料特点特点具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨、具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨、耐蚀和良好的韧性。耐蚀和良好的韧性。应用应用制造高速切削工具和内燃机部件。制造高速切削工具和内燃机部件。种类种类颗粒颗粒增韧复合材料增韧复合材料:Al2O3-TiC颗粒颗粒 晶须晶须增韧复合材料增韧复合材料:SiC-Al2O3晶须晶须 纤维纤维增韧复合材料增韧复合材料:SiC-硼硅、硼硅、Al2O3玻璃纤维玻璃纤维陶瓷基复合材料陶瓷
40、基复合材料目前研究重点目前研究重点作为高温、耐磨、耐蚀材料应用，如作为高温、耐磨、耐蚀材料应用，如 大功率内燃机的大功率内燃机的增压涡轮增压涡轮；航空航天器的航空航天器的热部件热部件；车辆车辆发动机发动机；石油化工石油化工容器容器；废物垃圾焚烧废物垃圾焚烧处理设备处理设备等。等。材料材料概论概论 第六章 复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料1.碳碳/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧性。碳纤维增强的氮化硅陶具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧性。碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在瓷可在1400度以上的高温下长期工作度以上的高温下长期工作碳纤维增强的
41、石英陶瓷复合材料，冲击韧性比烧结石英陶瓷高碳纤维增强的石英陶瓷复合材料，冲击韧性比烧结石英陶瓷高40倍、抗倍、抗弯强度大弯强度大5-12倍。可承受倍。可承受1200-1500度高温气流的冲击。度高温气流的冲击。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料2.碳化硅碳化硅/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳化硅纤维可与多重陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。碳化硅纤维可与多重陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。碳化硅纤维通常采用碳化硅纤维通常采用CVD制备。制备。利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高5-6倍，抗弯强度提高倍，抗弯强度
42、提高50以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。材料材料概论概论 第六章 复合材料3.碳碳/碳复合材料碳复合材料(Cf/C)由碳纤维及其制品由碳纤维及其制品(碳毡、碳布等碳毡、碳布等)增强的碳基复合材料。增强的碳基复合材料。由碳纤维及其制品作为预制体，通过化学气相沉积法由碳纤维及其制品作为预制体，通过化学气相沉积法(CVD)或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得C/C的基体碳来制备的基体碳来制备。耐烧蚀性耐烧蚀性导弹弹头和固体火箭发动机喷管导弹弹头和固体火箭发动机喷管航天飞机的鼻锥、机翼前缘航天飞机的鼻锥、机翼前缘 摩擦磨损性能摩擦磨损
43、性能 与人体的生物相容性与人体的生物相容性 生物医学领域：人工心脏瓣膜、骨骼、牙根、生物医学领域：人工心脏瓣膜、骨骼、牙根、髋关节等髋关节等飞机的刹车盘；赛车、高速列车的刹车制动材料飞机的刹车盘；赛车、高速列车的刹车制动材料耐高温和低密度耐高温和低密度航空发动机理想轻质材料航空发动机理想轻质材料长纤维增强陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料空中客车A320的C/C刹车装置2004年度年度 国家技术发明一等奖国家技术发明一等奖黄伯云院士黄伯云院士高性能炭高性能炭/炭航空制动材料的制备技术炭航空制动材料的制备技术陶瓷基复合材料陶瓷基
44、复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料4.碳化硅碳化硅/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳化硅纤维可与多种陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧碳化硅纤维可与多种陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。化锆陶瓷等复合。碳化硅纤维通常采用碳化硅纤维通常采用CVD制备。制备。利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高5-6倍，倍，抗弯强度提高抗弯强度提高50以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。长纤维增强陶瓷基复合材料长纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材
45、料SiC晶须增强氧化铝钻头颗粒增强氮化硅刀具采用颗粒增强氮化硅刀具加工高硬度的高铬铸铁件短纤维、晶须、颗粒增强陶瓷基复合材料短纤维、晶须、颗粒增强陶瓷基复合材料CMC人工关节陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 材料材料概论概论 第六章 复合材料功能复合材料n基基 体体主要起主要起粘结作用粘结作用，某些情况下也起功能作用，某些情况下也起功能作用复合材料的复合材料的功能特性功能特性不同特性的功能体不同特性的功能体特性各异的功能复特性各异的功能复合材料。合材料。n功能体功能体特特 点点磁功能、电功能、光功能、热功能、磁功能、电功能、光功能、热功能、摩擦功能、阻尼功能、防弹功能、摩擦功能、阻尼功能、防弹功能
46、、辐射功能等。辐射功能等。按功能特按功能特性分类性分类应用面宽应用面宽研制周期短研制周期短附加值高附加值高小批量，多品种小批量，多品种适于特殊用途适于特殊用途 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺n复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺：将两种或两种以上不同：将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起而采用的性质的材料组合在一起而采用的“适当方法适当方法”。n复合材料的制备工艺特点复合材料的制备工艺特点：（1）材料的形成与制品的成型同时完成材料的形成与制品的成型同时完成。复合。复合材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过程。
47、复合材料的工艺水平直接影响材料或制品程。复合材料的工艺水平直接影响材料或制品的性能。的性能。（2）复合材料的成型比较方便复合材料的成型比较方便。一种复合材料。一种复合材料制品可以用多种方法成型，有选择余地。制品可以用多种方法成型，有选择余地。复合材料的制备工艺及特点复合材料的制备工艺及特点 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺树脂固化剂促进剂填料染料纱布毡成型模具脱模剂增强材料原材料原材料胶液配制处理模具准备准备工序准备工序半成品加工复合材料产品的生产流程图复合材料产品的生产流程图 材料材料概论概论 第六章 复合材料成型作业固化脱模加工修饰检验制品成品成品检验
48、检验成型工序成型工序复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺聚合物基复合材料的制备工艺聚合物基复合材料的制备工艺 手糊成型工艺手糊成型工艺 喷射成型工艺喷射成型工艺 铺层工艺铺层工艺 模压成型工艺模压成型工艺 缠绕成型工艺缠绕成型工艺 挤拉成型工艺挤拉成型工艺 材料材料概论概论 第六章 复合材料用手工工具将布或纤维毡浸上树脂胶液，铺糊在敞开模具上，用手工工具将布或纤维毡浸上树脂胶液，铺糊在敞开模具上，经室温固化和脱模获得制品的工艺方法。经室温固化和脱模获得制品的工艺方法。手糊成型工艺手糊成型工艺 复合材料的制备工艺复合材料的制
49、备工艺 材料材料概论概论 第六章 复合材料优点：优点：形状任意、复杂形状任意、复杂设备简单、投资小、折旧低设备简单、投资小、折旧低工艺简单工艺简单可任意添补可任意添补树脂量高，耐腐蚀树脂量高，耐腐蚀缺点：缺点：效率低下效率低下 工作环境差工作环境差 产品质量不稳产品质量不稳 产品力学性能不好产品力学性能不好 批量小批量小复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺手糊成型工艺手糊成型工艺 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺(1)利用高压空气将树脂系统（固化剂、引发剂、促进剂等和利用高压空气将树脂系统（固化剂、引发剂、促进剂等和短纤维从喷枪上不同喷嘴同时喷出并均匀沉积
50、到模具上。短纤维从喷枪上不同喷嘴同时喷出并均匀沉积到模具上。(2)待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂，压实待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂，压实并除去气泡，室温固化成型得到产品。并除去气泡，室温固化成型得到产品。喷射成型工艺喷射成型工艺 材料材料概论概论 第六章 复合材料复合材料的制备工艺复合材料的制备工艺特点 优点：优点：效率高效率高成本低成本低整体性（无缝）整体性（无缝）产品壁厚可调节产品壁厚可调节缺点：缺点：污染大污染大 树脂用量大树脂用量大 制品强度低（短切）制品强度低（短切）喷射成型工艺喷射成型工艺 材料材料概论概论 第六章 复合材料指用手工铺叠方式，将预浸材料
