《复合材料概述》北京科技大学

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1、复复 合合 材材 料料 复 合 材 料 概 述 基 本 原 理 原 材 料 制 备 方 法 界 面 强 韧 化 热 学 行 为 加 工 与 连 接 检 测 与 评 价 应 用 注意事项 上课 周次 1 7周 上课地点 逸夫教学楼 上课时间 周三下午第二大节 逸夫教学楼305 周五晚上 逸夫教学楼305 参考书 目 复合材料教程 即将出版 陶瓷基复合材料导论 等 考核办法 考试 开卷 1 概述 定义和分类 国际标准化组织 由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起 来而得到的一种多相固体材料 材料科学技术百科全书 复合材料是由有机高分子 无机非 金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材

2、料 它既保留原组成材料的重要特色 又通过复合效应获得原组分所 不具备的性能 可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼 此关联 从而获得更优越的性能 与一般材料的简便混合有本质 区别 材料大辞典 复合材料是根据应用的需要进行设计 把两种 以上的有机聚合物材料 或无机非金属材料 或金属材料组合在 一起 使之互补性能优势 从而制成的一类新型材料 一般由基 体组元与增强材料或功能体组元所组成 因此亦属于多相材料范 畴 复合材料的定义和分类 关于复合材料 有着不同的定义方式 v 由两种以上不同的原材料组成 并使原材料的性能得到 充分发挥 通过复合化而得到单一材料所不具备的性能 岛 村昭治 未来 拓 先

3、端材料 工业调查会 1982 v 把一些个体典型或基本的特性组合 而得到的物质 余永宁 等 译 金属基复合材料导论 北京 冶金工业 出版社 1996 v 由两种以上异质 异形 异性的材料复合而成的新型材 料 吴人洁 复合材料 天津大学出版社 2000 v 经过一定的操作 将复数个原材料合体 或者是由复数 个相生成 且具有比原材料优异的性能 香川 丰 八 田博志 基复合材料 承风社 1990 1 1 复合材料概述 尽管定义的细节有所不同 但其要点是共 同的 v 含两种以上不同的化学相 v 具有每个组分所不具备的优良性能 至于天然材料的骨骼 竹子 木材等是否应属于复合材料的范畴 尚有不同的看法 但

4、一般认为它们应属于具有复合材料形态的 天然材料 这样 复合材料的含义就还应该包括 人工制造 成 分由人们有意识的选择 具有重复的几何形状等 通过以上对复合材料的多种定义可以发现 复合材料是 两个或两个以上的不同化学性质的组元或不同组织相组 成的结合体 是不同的材料在宏观尺度上组合而成的一 种有用的材料 并应满足以下三个条件 1 各组元含量 都大于5 2 复合材料的性能显著不同于各组元的性能 3 通过各种方法混合而成 对于复合材料 应该强调正面效果 即复合后的整体性 能应超过组分材料 同时保留了所期望的性能 例如高强 度 刚度 轻的重量 抑制了所不期望的特性 例如低延 性 复合材料应该是多功能的

5、材料系统 可提供任何单 一材料所无法获得的特性 也就是说 并非随意将不同 种类的原材料混合在一起都能够得到复合材料 复合材料应具有以下特点 1 复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计 的 即复合材料具有可设计性 2 组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固 有的物理和化学性质 区别于化合物和合金 3 复合材料不仅能保持原组分的部分优点 而且产 生原组分所不具备的新性能 就是说复合材料中 各组元不但保持各自的固有特性 而且可最大限 度发挥各种材料组元的特性 并赋予单一材料组 元所不具备的优良持殊性能 复合材料应具有以下特点 4 复合材料的性能取决于各组成相性能的协 同 复合材料具有新的 独

6、特的和可用的 性能 这种性能是单个组分材料性能所不 及或不同的 5 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 6 复合材料是非天然形成的 以区别于具有 某些复合材料形态特征的天然物质 复合材料的命名 复合材料的结构通常是一个相为连续相 称为基体 而 另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相 与连续相相比 这种分散相的某些性能优越 会使材料 的性能显著增强 故常称为增强体 也称为增强材料 增强相等 在大多数情况下 分散相较基体硬 强度和刚度较基体 大 分散相可以是纤维及其编织物 也可以是颗粒状或 弥散的填料 在基体与增强体之间存在着界面 复合材料在世界各国

7、还没有统一的名称和命名方法 比 较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名 通常 有以下三种情况 复合材料的命名 1 强调基体时以基体材料的名称为主 如树脂 基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材 料等 2 强调增强体时以增强体材料的名称为主 如 玻璃纤维增强复合材料 碳纤维增强复合材料 陶瓷颗粒增强复合材料等 3 基体材料名称与增强体材料并用 这种命名 方法常用来表示某一种具体的复合材料 习惯 上把增强体材料的名称放在前面 基体材料的 名称放在后面 材料的分类方法 1 按材料的使用性能 结构材料 功能 材料 2 按材料的化学性质分类 有金属材料 非金属材料 3 按物理性质分类 有绝缘材料

8、磁性 材料 远光材料 半导体材料 导电材 料等 4 按用途分类 有航空材料 电工材料 建筑材料 包装材料等 复合材料的定义和分类 木质基复合 材料 复合 材料 有机材料基复 合材料 金属基复合材 料MMC 无机非金属基 复合材料 聚合物基复 合材料PMC 热塑性树脂 热固性树脂 树脂基 水泥或混凝土基 复合材料 陶瓷基复合材料 CMC 橡胶基 将复合材料进行分类时 有按基体或第二相等多种方法 基体一般按材质分类 Composite Materials 或 Composites Metal Matrix Composites Polymer Matrix Composites Ceramics

9、Matrix Composites 颗粒增强复 合材料 颗粒状分散 相复合材料 纤维状分散 相复合材料 短纤维 连续纤维 强化复合材料 分散强化复 合材料 片晶增强复 合材料 复 合 材 料 单向纤维强化复合材料 非编织纤维层 2维 3维编织纤维层 晶须 随机排列 随机排列 定向排列 定向排列 不连续纤维 强化复合材料 根据第二相 增强体 形态分 按照材料的作用分类 1 结构复合材料 主要用于制造受力构件 结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合 材料 它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为 整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成 结构复合材料的特点 可根据材料在使用中

10、受力的要求进行组元选材和 增强体排布设计 从而充分发挥各组元的效能 2 功能复合材料 指具备各种特殊物理与化学性能的材料 例如 声 光 电 磁 热 耐腐蚀 零膨胀 阻尼 摩擦 屏蔽或换 能等 功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元 它分布于基体组元中 功能复合材料中的基体不仅起到构成整体的作用 而且能够产生协同或 加强功能的作用 按照组成的合成了的原材料是 否同质材料而分类 同质复合材料 增强材料和基体材 料属于同种物质 如碳 碳复合材料 异质复合材料 前面提及的复合材 料多属此类 复合材料按制造方法的种类 大 分 类 构成有机材料金属材料无机材料 混 合 系 积层 混合 含浸 被覆 发泡

11、机械加 工 FW 冷压 热压 含浸 涂层 发泡剂 注射成形 扩散接合 粉末冶金 溶浸 电镀 发泡剂 烧 成 拔丝 挤压 热压 混凝土 高分子混凝土 化学气相沉积 CVD 搅拌 压延 生 成 系 生成系自增强定向凝固 反应扩散 定向凝固 反应扩散 复合材料目前状况 1 树脂基复合材料 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 1 2 复合材料的历史 从广义上讲 复合材料已有很久的历史 远古时 代人们用稻草掺入黏土做土坯 古代人们用钢铁层压 法制成刀剑等 近代的复合材料是以19

12、42年制出的玻 璃纤维强化塑料为起点 随后为了提高纤维的弹性率 开发了硼纤维 碳纤维 耐热氧化铝纤维等 另一 方面 为了改善树脂的耐热性 对金属基复合材料也 开展了研究 FRM的耐热温度已达450 强度在 1500 MPa以上 同时 对陶瓷等无机材料作为复合材 料的基体也有了重新的认识 在研究开发的基础上有 了广泛的应用 如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料 则CFRP BFRP可以称为第二代复合材料 进一步 以金属或 陶瓷为基体的先端复合材料则可以称为第三代复合材 料 第一代 第二代第三代 氧化铝纤维 玻璃纤维 硼纤维 碳纤维 芳族聚酰胺 晶 须 高韧性 高弹性 轻量 耐热性 工程塑料 环

13、境扩大 碳化硅纤维 金 属 陶 瓷 石 墨 泡沫材料 混凝土 石 膏 功能 复合材料 延伸与 韧性 氮化铝纤维 石墨纤维 功能化 定向凝固 共晶 自增强 塑料 扩散接合 表面处理 CVD 化学气相沉积 CVI 化学气相渗透 CIP HIP SiC Al2O3 Si3N4 石墨 聚 脂 金属纤维 聚酰亚 硝胺 1 2 复合材料在21世纪应起的作用 讨论复合材料在21世纪应起的作用之前 应分析与预测 人类在新的世纪面临的问题 社会特点与重点需求 v世界发展的趋势是进入高信息化的社会 对生活质量和健 康水平的追求会更高 v地球存在着非常严重的问题 环境污染 地球温室效应 臭 氧层破坏 沙漠化 野生动

14、物的灭绝 人口膨胀 清洁淡水 食物 可耕地 能源枯竭 石油 天然气 煤 矿产等 1 对信息技术提供服务 复合材料 信息获得 敏感器件 换能材料 信息存储 磁记录 光记录 信息处理 芯片封装 电路板 信息传播 光导纤维 导波管 信息执行 机械动作 高强高刚 人类已经进入 了高度信息化 的社会 信息技术的每 一步发展都与 材料息息相关 2 对提高人类生活质量做出贡献 材料还深刻地影响着人类的生产生活方 式 复合材料的发展 推动了高技术产 品的智能化与微型化 从而极大地影响 着人类的现代生活 社会结构与文化价 值 人类生活的衣食住行中 都与复合 材料有着密切的关系 2 对提高人类生活质量做出贡献 复

15、合材料 衣 纺织机械 食 蔬菜大棚 住 建筑材料 行 交通工具 改善舒适性 轻质高强 隔音隔热 墙体门窗 整体洁具 飞机车辆 大小船舰 高速列车的车体结构 提高安全性 抗冲韧性 吸收能量 汽车保险杠轿车底板 自诊断机敏复合材料 高层建筑抗地政灾害 提高健康水平 修复植入人造器官 成分设计 调整应力 生物相容性 人工关节 夹骨板 3 在解决资源短缺与能源危机方面的贡献 复 合 材 料 开发新能源与 节约能源 挖掘尚未被利 用的能源 开发海洋 与空间 使基础设施 延长寿命 提高太阳能的转换率 光电池 框架 风力发电装置 大型化的叶片 支 柱 核燃料 铀分离转子 潮汐发 电 基础设施建设的重要性 高

16、性能纤维增强混凝土 取代钢筋 镁 轻量 阻尼性能好 力学性能差 颗粒增强或晶须增强 扩大应用范 围野生植物 无机矿物 电厂烟囱煤 灰 耐高压 耐海水腐蚀的深海勘探装置 碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m 海上石油平台 空间站 航天器等 能源领域 轻量化是汽车节能的重要手段 采用轻质高强材料 是实现汽车轻 量化重要途径 高性能复合材料的应用使汽车 轻量化 上升到 一个新水平 在火车车厢制造领域早已应用复合材料 如双层玻璃钢车厢 随 着火车的提速 特别是实现高速列车后 复合材料正成为越来越重 要的一类材料 风力发电是新能源中开发较早 应用广 技术最成熟的可再生清 洁能源 目前大型风力发动机的叶片基本上由各种复合材料制成 同时复合材料还用在机舱罩 轮毅 塔架等部位 复合材料用于海洋能源的产品有冷水吸水管 发电机叶片 浮筒 阀体 挡波板 喷嘴等 这些产品均利用复合材料的比强度高 耐海水腐蚀 耐盐雾侵蚀 抗海水微生物增长 耐冲击 耐磨 损等优点 能源领域 地热能源利用一是采暖 二是发电 复合材料在地热能的应用主要 是管道 冷却塔 变电设备中绝缘 消声器 隔热 保温设备上 这主 要利用复合材料