材料科学第六章复合材料.

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1、第六章 复合材料 材料科学概论 机电学院 刘艳花 Date1 实际上，复合材料不是人们发明的一种新材料，在自然 界中就有许多天然的复合材料。 身边的复合材料天然复合材料 Date2 身边的复合材料传统复合材料 人类社会发展的早期出现了一些古老的、原始的复合材 料，我们称之为传统复合材料。 粘土+麦秆复合材料土坯房 Date3 身边的复合材料传统复合材料 藤浸渍桐油复合材料盔甲 Date4 身边的复合材料传统复合材料 巴比伦空中花园 为防止渗水，每层都铺上浸透柏油的柳条垫，垫上再铺两层砖，还浇注 一层铅，然后在上面培上肥沃的土壤，种植了许多来自异域他乡的奇花异草 ，并设有灌溉的水源和水管。 Da

2、te5 身边的复合材料现代复合材料 复合材料作为一种先进材料出现，是从上世纪40年代的 玻璃纤维增强塑料开始，为了与天然的、古代出现的复合材 料区分，称之为现代复合材料。 Date6 金属基复合材料 聚合物基复合材料 陶瓷基复合材料 本章主要内容 复合材料概述 碳/碳复合材料 Date7 6.1 复合材料概述 Date8 复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上物理、化学 、 力学性能不同的物质组合而成的多相固体 材料。 Date9 复合材料的组成 复合材料是由基体和增强体两部分组成的： 基体(matrix)一般把在材料中占主要组分的材料称 为基体； 增强体(reinforcement)其它

3、组分称为增强材料或 增强相。 Date10 复合材料的种类 复合材料 结构复合材料 功能复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 树脂基复合材料 水泥基复合材料 导电导磁复合材料 阻尼吸声复合材料 屏蔽功能复合材料 摩擦磨损复合材料 石墨基复合材料 Date11 复合材料的性能特点 比强度和比弹性模量高 抗疲劳与断裂安全性能好 良好的减震性能 良好的高温性能 大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用 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，具有一定的减震作用 增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较 高的强度 Date12 聚合物材料 热固性树脂(聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等

4、)； 热塑性树脂(聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯、聚砜等)。 金属材料 铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、银、铅、 锌等金属 陶瓷材料 玻璃、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷 碳 树脂碳、热解碳 复合材料的基体材料 Date13 复合材料的增强材料 复合材料所用的增强材料主要有三类： 纤维： 无机纤维(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维) 有机纤维(芳纶纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维等) 晶须： 金属晶须(Ni、Cu、Ag、Ti等) 陶瓷晶须(Al2O3、MgO、SiC、Si3N4、AlN等) 颗粒： 金属颗粒(Al、Co等) 非金属颗粒(Al2O3、SiC、Si3N4、石墨、细金刚石等)

5、Date14 光导纤维 光纤由石英玻璃纤维制成，光纤的中芯是石英玻璃 纤维，外面是一层二氧化硅半导体层，最外面包覆 树脂。 Date15 华裔物理学家高锟在光纤领域做出了突出贡 献，因此，他被称为“光纤之父”，并由此使他在 2009年与美国科学家威拉德博伊尔和乔治埃尔伍 德史密斯共享诺贝尔物理学奖。 光纤之父高锟 Date16 复合材料的界面 复合材料的界面是指基体与增强材料之间化 学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载 荷传递作用的微小区域。 包括： 1.基体和增强物的部分原始接触面； 2.基体和增强物相互反应生成的产物； 3.产物与基体和增强物的接触面； 4.基体和增强物的互扩散层。

6、Date17 界面效应对复合材料的性能具有重要作用： 传递效应界面将外力传递给增强物，起基体和 增强物之间的桥梁作用 阻断效应阻止裂纹扩展、中断材料破坏的作用 不连续效应界面上产生物理性能的不连续性， 如抗电性、耐热性、尺寸稳定性等 散射和吸收效应光波、冲击波等在界面上产生 散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性等 诱导效应通过界面增强物的表面结构诱导基体 的表面结构发生改变，使性能增强 复合材料的界面效应 Date18 6.2 金属基复合材料 Date19 金属基复合材料(Metal Matrix Composite, MMC) MMC是以陶瓷例如连续长纤维、短纤维、 晶须、颗粒等为增强材料，

7、以金属例如铝、镁、钛 、镍、铜、铁等为基体材料复合而成的。 这种复合材料以其优异的性能在航空航天、 军事领域、汽车、电子仪表、体育器材、先进武器 系统等行业中显示出了巨大的应用潜力。 金属基复合材料组成 Date20 高比强度、高比模量 良好的导热、导电性能 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的耐高温性能 良好的耐磨性能 良好的耐疲劳性能和断裂韧性 不吸潮、不老化、气密性好 金属基复合材料主要性能 Date21 长纤维增强金属基复合材料 1、硼/铝复合材料 硼铝复合材料以其高比强度和高比模量主要用作结构材料。 硼纤维高温强度高，1500度时蠕变速率低。但高温氧化后 强度降低，所以一般在硼纤维表面

8、涂覆一层SiC或B4C，防 止硼纤维表面氧化。 常见金属基复合材料 Date22 长纤维增强金属基复合材料 2、石墨/铝复合材料 这种材料具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用 石墨纤维表面沉积Ti/Bi涂层技术，可改善石墨纤维与液态 铝的润湿性，有效控制铝与纤维的表面反应，提高复合材料 的性能。 常见金属基复合材料 Date23 长纤维增强金属基复合材料 3、石墨/镁复合材料 这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸稳定性好，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 料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。 常见金属基复合材料 Date24 长纤维增强金属基复

9、合材料 4、碳化硅/钛复合材料 碳化硅纤维比强度高、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。这种复合材料的高温 强度高，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。 常见金属基复合材料 Date25 长纤维增强金属基复合材料 5、氧化铝/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 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。 常见金属基复合材料 Date26 短纤维增强金属基复合材料 1、氧化铝/铝复合材料 2、碳化硅/铝复合材料 3、氧化铝/镍复合材料 常见金属基复合材料 Dat

10、e27 航空领域 金属基复合材料应用 Date28 F-16战斗机的腹鳍采用SiC/Al复合材料，相比铝合金 蒙皮，寿命由原来的数百小时提高到设计的全寿8000h， 全寿命节约检修费用达2600万美元。 Date29 EC-120直升机 超音速飞机 Date30 金属基复合材料应用 航天领域 航天飞机哈勃望远镜 Date31 左图：Al203短纤维/Al汽车活塞 （活塞环） 中图：SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6Kg 右图：SiCp/Al，Al203p/Al汽车刹车盘，减重60 金属基复合材料应用 汽车行业 Date32 军工行业 金属基复合材料应用 Date33 “好奇号”火星探测

11、器 由于“好奇”火星探测器入轨的特殊性，其外部温度可达2093摄氏度。热 防护系统采用片状的酚碳烧蚀材料（Phenolic Impregnated Carbon Ablator, PICA） Date34 6.3 聚合物基复合材料 Date35 聚合物基复合材料(Polymer Matrix Composite, PMC) PMC是以连续纤维等为增强材料，以有机聚合物 为基体材料复合而成的，是目前结构复合材料中发展最 早、研究最多、应用最广的一类复合材料。 这种复合材料以其优异的性能在航空航天、军事 领域、汽车、电子仪表、体育器材、船舶等各个方面都 有应用。 聚合物基复合材料 Date36 比

12、强度、比模量大 减震性好 过载时安全性好 良好的耐疲劳性能 很好的加工工艺性 具有多种功能性耐烧蚀、耐腐蚀、耐摩 擦、高度的电绝缘性能、特殊的光电磁性能 聚合物基复合材料主要性能 Date37 一、玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP) 聚合物基复合材料中，就应用广泛性来说，特别 值得介绍的是玻璃钢，即玻璃纤维增强塑料（GFRP ）。 GFRP是一类采用玻璃纤维增强以酚醛树脂、环 氧树脂、聚酯树脂等热固性树脂为基体的聚合物基复 合材料。GFRP是物美价廉的复合材料。 聚合物基复合材料 Date38 GFRP的突出特点是密度低、比强度高。其 密度为1.62.0g/cm3，比轻金属铝还低，而比强度

13、要比最高强度的合金钢还高3倍，“玻璃钢”的名称就 是由此而来。 因此，玻璃钢在需要轻质高强材料的航空航 天工业首先得到广泛应用，在波音B747飞机的机 内、外结构件中玻璃钢的使用面积达到了2700m2， 如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。由 于火箭结构材料不但要求具有高比强度和比模量， 而且还要求材料的耐烧蚀性能，可采用玻璃钢用于 航天工业中做火箭发动机壳体、喷管。 聚合物基复合材料 Date39 石油化工工业轻质、高强、耐腐蚀 应用于贮槽、贮罐、反应设备、管道、阀门、泵、管件等 GFRP的应用 玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用 Date40 建筑业轻质高强、保温节能、防震抗震

14、 应用于屋顶、天花板、卫生间、门窗、桥梁等 GFRP的应用 玻璃钢用于上海东方明珠电 视塔大堂装潢 玻璃钢整体卫浴 玻璃钢门窗 Date41 造船业轻质高强、耐腐蚀、稳定性好 应用于赛艇、游艇、救生艇、帆船、渔轮、扫雷艇等 GFRP的应用 Date42 宇航工业轻质高强、耐腐蚀、稳定性好 应用于飞机、火箭、导弹、雷达等 GFRP的应用 Date43 采用玻璃钢制作的体育娱乐用品也越来越多，大到快艇、帆 船、滑雪车，小到自行车赛车、滑雪板等，应有尽有。 GFRP的应用 Date44 二、碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP） CFRP密度更低，具有比玻璃钢更高的比强度和比模量，比 强度是高强度钢

15、和钛合金的56倍，是玻璃钢的2倍，比模量 是这些材料的34倍。 在航天工业中作为主结构材料，如航天飞机有效载荷门 、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等都是采用 CFRP，为此航天飞机减重达2吨之多。此外在空间站大型结构 桁架及太阳能电池支架也采用CFRP。在航空工业，CFRP首先在 军用飞机中得到应用，如美国F14、F16、F18上主翼外 壳、后翼、垂直安定面、水平和垂直尾翼等，军用直升飞机主 旋翼和机身等。现在甚至在研究全机身CFRP的战斗机。同样， 在民用飞机中也在大量采用CFRP，如波音B757、B777上的 阻流板、方向舵、升降舵、内外副翼等。 聚合物基复合材料 Date45 CFRP在飞机上的应用面积图示 Date46 CFRP制造的火箭和导弹的壳体，比金属制的重量减轻 45%,射程由原来的1600km增加到4000km。 CRFP制造的飞行器的外壳，具有防宇宙射线的作用。 飞行器穿越大气层时，外表面的温度高达4000-6000， 因此飞行器表面需加防热层，这种防热材料采用最好的合金 或陶瓷都无法承担，但是碳纤维增强的酚醛塑料就能够胜