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1、复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 曹韩学 chxchx2001 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 一、复合材料定义一、复合材料定义 第一节第一节 什么是复合材料什么是复合材料 从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质化学性质 的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指 由两种或两种以上不同相态相态的组分所组成的材料。 复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种 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。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技
2、术 史上最牛的钉子户 我们住在复合材料里 复合材料无所不在！ 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 木质素 纤维素 树木也是一种复合材料 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 燕子窝：泥土草复合材料 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 进化的复合材料-海胆牙齿 进化的复合材料-贝壳 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 玻璃钢冷却塔 复合材料玻璃钢 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 玻璃纤维增强风机叶片 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 玻璃钢材料的汽车前保险杠 玻璃钢游艇 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 1.机车导流罩 2.司机室 3.外顶板 4.
3、上顶板和下层地板 5.内墙板 6.通过台 7.卫生间 8.外部门板 9.设备保护外壳 10.内板家具 和座椅 11.行李箱 12.内板隔板和门板 玻璃钢/复合材料在轨道交通车辆中的应用 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 A380复合材料的使用比例为22%， A340-600的比例为12%。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 1997年服役，目前 世界性性能最佳能最佳的制 空战机之一 55%55%机身采用高高 強度強度、低重量、低重量的复 合材料 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 美国F/A-18歼击机 美UH60A型直升飞机 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 B
4、-777上用的先进材料 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延 展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温，独特 的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、 制备的灵活性和易加土性等特点，被大量地应用到航空航天等 军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理 想材料。 二、复合材料的特点二、复合材料的特点 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 三、复合材料的意义三、复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。 例如：火箭壳体材料对射程的影响， 飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度 航空发动机材
5、料发展预测如下 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 四、复合材料的分类四、复合材料的分类 复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。 复合材料 性能高低 常用复合材料 先进复合材料 用 途 结构复合材料 功能复合材料 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 结构复合材料的分类： 按 基 体 相 的 性 质 分 聚合物基聚合物基复合材料 金属基金属基复合材料 陶瓷基陶瓷基复合材料 水泥基水泥基复合材料 碳基碳基复合材料 热固热固性树脂基 热塑热塑性树脂基 橡胶橡胶基 高温陶瓷高温陶瓷基 玻璃玻璃基 玻璃陶瓷玻璃陶瓷基 轻金属轻金属基 高熔点金属高熔点金属基 金属间化合物金属间化合物基 复
6、合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 按 增 强 体 的 形 态 分 叠层式叠层式复合材料 片材增强片材增强复合材料 颗粒增强颗粒增强复合材料 纤维增强纤维增强复合材料 人工人工晶片晶片 天然天然片状物片状物 微米微米颗粒颗粒 纳米纳米颗粒颗粒 不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料 连续纤维增强连续纤维增强复合材料复合材料 晶须晶须增强复合材料增强复合材料 短切纤维短切纤维增强复合材料增强复合材料 单向纤维单向纤维增强复合材料增强复合材料 二维织物二维织物增强复合材料增强复合材料 三维织物三维织物增强复合材料增强复合材料 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 复合材料及其增强相的各种形态
7、 纤维状 颗粒状层状 片状 填充状 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 第二节第二节 金属基复合材料概述金属基复合材料概述 金属基复合材料金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较 高的比强度比强度与比刚度比刚度。 而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性导电性与 耐热性耐热性。 与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性高韧性和高冲击性能高冲击性能。 金属基复合材料金属基复合材料的这些优良的性能决定了它已从诞生 之日起就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领 域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 一、金属基复合材料的分类一、金属基复合材料
8、的分类 金属基复合材料是以金属为基体以金属为基体，以高强度的第二相为以高强度的第二相为 增强体增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可可按按 用途用途来进行、来进行、按基体按基体来进行、也可按增强体按增强体来进行。 1.按用途分类 按用途 结构复合材料 功能复合材料 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 2.按基体分类 铝基复合材料 镍基复合树树 钛基复合材料 按基体 (1)(1)铝基复合材料铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用得最广应用得最广的一种。由于铝的铝的 基体基体为面心立方面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性塑性和韧性，再加之 它所具有的易加工性易加工性、工程可靠
9、性工程可靠性及价格低廉价格低廉等优点，为其 在工程上应用创造了有利的条件。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各用各 种铝合金种铝合金。 这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能铝合金具有更好的综合性能 。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的 性能需要来决定。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 (2)(2)镍基复合材料镍基复合材料 这种复合材料是以镍及镍合金为基体镍及镍合金为基体制造的。由于镍的 高温性能优良高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工 作的零部件。 人们研制镍基复合材料镍基复合材料的一
10、个重要目的，即是希望用它 来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温 度。 但目前由于制造工艺制造工艺及可靠性可靠性等问题尚未解决，所以还 未能取得满意的结果。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 (3)(3)钛基复合材料钛基复合材料 钛钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度 更高的比强度。 此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度能更好地保持其强度。 因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音 速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性钛比铝合金显示出了更大的优越性。 随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计改变飞机的结构设计， 采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚
11、度的材料高刚度的材料，而 纤维增强钛纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 基体和增强体的热膨胀系数基体和增强体的热膨胀系数 钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维硼纤维，这是由于 钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 3.按增强体分类 纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 层状复合材料 按增强体 (1)(1)纤维增强复合材料纤维增强复合材料 金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同根据其长度的不同可分为长纤长纤 维维、短纤维短纤维和晶须晶须，它们均属于一维增强体一维增强体。 因此，由纤维增强的复合材料均表现出
12、明显的各向异性各向异性 特征。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 当韧性金属基体韧性金属基体用高强度脆性纤维高强度脆性纤维增强时，基体的屈服基体的屈服 和塑性流动塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料 弹性模量的增强弹性模量的增强具有相当大的作用。 (2)(2)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积增强相的体积 超过超过2020的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比弥散质点体积比很低的 弥散强化金属。 分为分为外加外加和和内生内生两种。两种。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 (3)(3)层状复合材料层状复合材料 这种复合
13、材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料在韧性和成型性较好的金属基体材料 中中，含有重复排列的高强度高强度、高模量高模量片层状增强物的复合材 料。 层状复合材料的强度强度和大尺寸增强物的性能大尺寸增强物的性能比较接近， 而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能小尺寸增强物的性能差别较大。 因为增强薄片在二维方向上的尺寸增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小 ，因此增强物中的缺陷增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核裂纹的核 心心。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 由于薄片增强的强度薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构 复合材料的强度受到了限制。 然而，在增强平面的各个
14、方向上，薄片增强物薄片增强物对强度和对强度和 模量都有增强效果模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有 明显的优越性。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 二、金属基复合材料特性二、金属基复合材料特性 复合材料是由多种组分的材料组 成，许多性能优于单一组分的材料。 1.高比强度、高比模量（刚度） 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3） 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3） 、增强体或者基体是比重小的物 质，或两者的比重都不高，且都不 是完全致密的； 、增强体多是强度很高的纤维。 比强度比较 碳纤维树脂 硼纤维树脂 玻璃纤维树脂 钛 钢 铝 复合材料及其成
15、型技术复合材料及其成型技术 例如，普通碳钢普通碳钢的密度为7.8 g/cm3。玻璃纤维增强树脂玻璃纤维增强树脂 基基复合材料的密度为1.52.0 g/cm3，只有普通碳钢的1/4 1/5，比铝合金还要轻1/左右，而机械强度机械强度却能超过普通碳 钢的水平。 若按比强度比强度计算，玻璃纤维增强的树脂玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超 过碳钢碳钢，而且可超过某些特殊合金纲 合金纲。 碳纤维碳纤维复合材料、有机纤维有机纤维复合材料具有比玻璃纤维 玻璃纤维复合 材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 复合材料的比模量大，故自振频率也高，可避免构件在 工作状态下产生共振。 纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，所以纤维增强 复合材料具有很好的减振性能很好的减振性能。 2.热膨胀系数小，尺寸稳定性好 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚 度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料 中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。 复合材料及其成型技术复合材料及其成型技术 3.良好的高温性能 目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在3501100C范围 内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。 不同SiC 纤
