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1、第六章 复合材料 材料科学概论 王鹏 wp425 最古老的复合材料泥草 试着找出其中的原因 不要把很多现象当成理所当然， 多刨根问底，寻找背后的本质。 为什么？ 三大材料： 金属 无机非金属 有机高分子 无机 非金属 材料 有机 高分子 材料 金属 材料 复合 材 料 6.1.1 复合材料的定义及分类 用经过选择的 一定数量比的 两种或两种以上的组分(或称组元)， 通过人工复合， 组成多相、三维结合 且各相之间有明显界面的、 具有特殊性能的材料。 1、复合材料的定义 主要包括基体相和增强相。 基体相是一种连续相， 它把改善性能的增强相材料固结成一体， 并起传递应力的作用。 增强相起承受应力（结
2、构复合材料） 和显示功能(功能复合材料)的作用。 复合材料是多相材料 纤维增强高分子纤维增强高分子 复合材料复合材料 在基体相和增强相之间存在着界面。 取长补短 协同作用 产生原来单一材料本身 所没有的新性能 复合材料复合指导思想 嫁嫁接与复合接与复合= =创新创新 2、复合材料的分类 1、按基体材料 分类 聚合物基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 2、按增强相 形状分类 纤维增强复合材料 粒子增强复合材料 层状增强复合材料 3、按复合材料 的性能分类 结构复合材料 功能复合材料 SiC颗粒 Al2O3片 Al2O3纤维 增强相三种类型 功能复合材料 电功能 磁功能 光功能 热功能 化
3、学功能 机械功能 导电 压电 超导 绝缘 吸波 屏蔽半导电 软磁 硬磁 屏蔽 磁滞 磁流体 透光 滤光 变色 光屏蔽 声功能 吸声 声纳 导热 防热 阻燃 耐热蚀 吸附 分离 抗腐蚀 催化催化 阻尼 减振 自润滑 耐磨 密封 防弹 功能复合材料 6.1.2复合材料的性能特点 1 1、复合材料的性能可设计、复合材料的性能可设计性性 复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计 2 2、材料与构件制造的一致性、材料与构件制造的一致性 制造材料的同时获得了制件，复杂制件一次成型制造材料的同时获得了制件，复杂制件一次成型 4 4、优异的物理化学性能优异的物理化学
4、性能 3 3、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多复合材料是各组分之间被明显界面区分的多 相材料，即组元之间存在着明显的界面。相材料，即组元之间存在着明显的界面。 （1）比强度和比模量高 其中纤维增强复合材料的最高。 （2）抗疲劳性能好 尤其是纤维对疲劳 裂纹扩展有阻碍作用。 （3）减振性能良好 复合材料中的大量 界面对振动有反射吸收作用， 不易产生共振。 （4）耐热性能好 优异的物理化学性能 碳纤维树脂 硼纤维树脂 玻璃纤维树脂 钛 钢 铝 比强度比较 6.2.1纤维增强复合材料 l纤维增强复合材料是指以各种金属和非金属作为基体 ，以各种纤维作为增强材料的复合材料。 l1.纤维在复合材料中
5、的作用 l在纤维增强复合材料中，纤维是材料 主要承载组分，其增强效果主要取决 于纤维的特征、纤维与基体间的结合 强度、纤维的体积分数、尺寸和分 布。 碳纤维 2.纤维方向与复合材料强度的关系 纤维无规排列时, 能获得基本各向同性的复合材料 均一方向的纤维, 材料具有明显的各向异性 纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能 纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料 纤维在基体中的不同分布方式 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料 ； 有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯 纤维、聚烯烃纤维等）复合材料； 碳纤维复合材料； 玻璃纤维复合材料； 陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等
6、） 复合材料。 3.根据纤维种类分类 4.根据基体相种类分类 （1）纤维增强聚合物基复合材料 （2）纤维增强金属基复合材料 （3）纤维增强陶瓷复合材料 l（1）纤维增强聚合物基复合材料 l通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。 l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。 材料种类 纵向抗拉强度 MPa 纵向弹性模量 GPa 环氧树脂 696.9 环氧树脂 / E级玻璃纤维102045 环氧树脂 / 碳纤维（高弹性） 1240145 环氧树脂 / 芳纶纤维（49）138076 环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100210-280 纤维性
7、能比较 l纤维的柔韧性及断裂 都没有屈服 Kevlar49是韧性断裂， 其它为脆性断裂 l比性能 CF的比模量最高 GF的比模量最低 PE的比强度和比模量配合最好 l热稳定性 CF的耐高温性能最好 Kevalr49最差 以树脂为基体，玻璃纤维为增强材料制成 的复合材料。 玻璃纤维是由熔 融的玻璃经快速拉伸, 冷却所形成的纤维。 玻璃纤维增强复合材料 玻璃钢就是玻璃 纤维增强树脂基 复合材料的俗称钢化玻璃 优点：比重小、强度高、耐腐蚀、 耐燃且成型性能好 广泛用于汽车车身、氧气瓶、 轻型船体及石油化工的管道、阀门等。 缺点：刚性差，易变形， 耐热性能差，易老化。 玻璃钢性能与应用 碳纤维增强材料
8、,树脂基体组成的材料 保持了玻璃钢的许多优点，而且性能优于玻璃钢。 碳纤维制备：在隔绝空气和水分的情况下， 加热至1000左右分解碳化聚丙烯脂、 黏胶纤维或沥青纤维。 可作宇宙飞行器 人造卫星 和火箭的机架、壳体等。 碳纤维增强复合材料 碳纤维增强聚酰亚胺复合材料 制航空发动机高温构件 l高强度、高模量和韧性好， l密度较低， l而比强度极高，超过玻璃纤维、碳纤维 l比模量与碳纤维相近，超过玻璃、钢、铝等。 l由于韧性好，它不象碳纤维、硼纤维那样脆，因而 便于纺织。 l常和碳纤维混杂，提高纤维复合材料的耐冲击性。 芳香族酰胺纤维增强复合材料 是硼纤维增与树脂基体组成的复合材料。 硼纤维是一种强
9、度、刚度均比碳纤维高的纤 维。 用作高温材料，但因为价格昂贵， 应用受到限制。 主要用于航空工业。 硼纤维增强复合材料 l（2） 纤维增强金属基复合材料 l金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材 料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。 l常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。 l作为增强体的连续纤 维主要有硼纤维、SiC 和C纤维； lAl2O3纤维通常以短纤 维的形式用于MMC 中。 MMCMMC的的SEMSEM照片照片 lMMC虽强度和弹性模量（刚度）增加， l但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。 l这在一定程度上限制了MMC的应用范围。 航天飞机内 MMC (Al
10、/ B 纤维)桁架 l陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、 抗氧化，但韧性低、难加工。 在陶瓷材料中加入纤维增强， 能大幅度提高强度，改善韧性 ，并提高使用温度。 l拔出陶瓷中增韧纤维消耗能量 ，耗能越多材料韧性越好。 Si/SiSi/Si复合材料复合材料 l（3）纤维增强陶瓷复合材料 5纤维增强复合材料的原则 (1)纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高 模量和高强度，因为除个别情况外，在多数情况下 承载主要是靠增强纤维。 (2)纤维与基体之间要有一定的粘结作用，两者之间 结合要保证所受的力通过界面传递给纤维。 (3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大。 (4)纤维与基体之间不能发生有害的化学反
11、应，特别 是不发生强烈的反应，否则将引起纤维性能降低而 失去强化作用。 (5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。 l6.2.2 粒子增强复合材料 l具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的 刚性颗粒或陶瓷颗粒做为增强相 如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、 细金刚石等。 作用： 提高耐磨、耐热、强度、模量 和增强材料的韧性。 l1、聚合物基粒子复合材料 碳黑增强橡胶 将酚醛树脂和锯木粉、 滑石粉（填料）、 乌洛托品（固化剂）， 硬脂酸(润滑剂)、 颜料等充分混合， 并在混炼机中加热混炼， 即得电木粉。 将电木粉在模具中加热压制成型后 得到热固性酚醛塑料制品。 SiC粒子增强陶瓷基复
12、合材料 2、陶瓷基粒子复合材料 氧化锆增韧陶瓷 颗粒增韧机制 颗粒增强体可以通过三种机制产生增韧效果 l 材料受到破坏应力时，裂纹尖端处颗粒发生显著的 物理变化，如晶型转变、体积改变、裂纹产生与增 殖等，均能消耗能量，提高复合材料韧性， 这种增韧机制称为相变增韧和微裂纹增韧。 l复合材料中第二相颗粒使裂纹扩展路径发生改变， 如裂纹偏转、弯曲、分叉、裂纹桥接或裂纹钉扎等 从而产生增韧效果。 l以上两种机制同时发生，此时称为混合增韧。 l3、金属基粒子复合材料 又称金属陶瓷 是由钛、镍、钴、铬等金属 与碳化物、氮化物、氧化 物、硼化物等组成的非均质 材料。 l碳化物金属陶瓷作为工具材 料已被广泛应
13、用，称作硬质 合金。硬质合金通常以Co 、Ni作为粘结剂，WC、 TiC等作为强化相。 硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀硬质合金铣刀 颗粒增强复合材料的原则 (1)颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其 阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基 体)或分子链的运动(聚合物基体)。 (2)颗粒直径的大小要合适，因为颗粒直径过 大会引起应力集中或本身破碎导致材料强度降 低；颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。 因此，一般粒径为几微米到几十微米。 (3)颗粒的数量一般大于20，数量太少，达不 到最佳的强化效果。 l6.2.3层状复合材料 l层状复合材料是指在基 体中含有多重层片状高 强高模量
14、增强物的复合 材料。 l这种材料是各向 异性的(层内二 维同性)。如碳 化硼片增强钛、 胶合板等。 层状陶瓷复合材料断口形貌 三明治复合 l双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 l结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运 输及包装等。 有TiN涂层的 高尔夫球头 层状复合 铝合金蜂窝夹层板 复合材料目前状况 （1）聚合物基复合材料：非常成熟，广泛 的应用 （2）金属基复合材料：开发阶段，某些结 构件的关键部位 （3）陶瓷基复合材料及功能复合材料等： 尚处于研究阶段，有不少科学技术问题有 待解决。 (1) 在建筑工业中，广泛用于各种轻型结构房屋、建筑装饰及 雕塑、卫生洁具、门及窗构件、地面等。 (2) 在化学工业中，主要用于各种防腐蚀管、罐、泵、阀门、 贮槽及各种防腐设备的衬里。 (3) 在交通运输方面，汽车制造工业中，主要用于各种车身构 件、仪表盘、车门等；在铁路运输中用于客车车厢、车门窗、 水箱及各种通讯线路器材等。 (4) 在造船工业中，用于生产各种工作艇、渔船、潜水艇、救 生艇及游艇等。 6.2.5复合材料的应用复合材料的应用 (5) 体育用品中各种体育器材。如球拍、滑板、赛艇、皮 艇、划桨等 (6) 在军械
