第6章复合材料的制备课件

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1、2020/9/29/00:39:41,材料合成与制备,李亚伟 赵雷 无机非金属材料系,第6章 复合材料的制备,Preparation of Composite Materials,/00:39:41,6.1 复合材料的基本概念和性能,复合材料是由两种或两种以上单一材料构成的，具有一些新性能的材料 由两个或两个以上独立的物理相，包含粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物。,玻璃纤维增强高分子复合材料,定义,Composite Materials,/00:39:41,复合材料的应用,/00:39:41,复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成复合

2、材料的连续相； 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。,/00:39:41,复合材料结构示意图a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短切纤维复合,/00:39:41,复合材料的命名 复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”。如“玻璃纤维环氧树脂复合材料”,/00:39:41,国外还常用英文编号来

3、表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep),/00:39:41,复合材料分类,/00:39:41,材料的优缺点组合示意图,/00:39:41,因此复合材料必须通过对原材料的选择，各组分分布的设计和工艺条件的保证等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。,/00:39:41,复合材料应具有以下三个特点： (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏

4、观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。 (2)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。 (3)复合材料具有可设计性。,/00:39:41,通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括： 组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，至少包括两种物理或化学性能不同的独立组元，其中一组元的体积分数一般不低于20，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒； 复合材料是人工制造的，而非天然形成的。 复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。,/00:39:41

5、,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),复合材料的基本性能（优点）,集束箭弹小箭,钨基合金箭头,铁基合金尾翼,/00:39:41,2、良好的高温性能： 目前已经达到的水平： 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350 1100 C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。,复合材料的基本性能（优点）,/00:39:41,3、良好的尺寸稳定性： 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的

6、强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。,复合材料的基本性能（优点）,/00:39:41,4、良好的化学稳定性： 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。 5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性： 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 6、良好的功能性能,复合材料的基本性能（优点）,/00:39:41,6.2 几种复合材料,聚合物基复合材料的性能,聚合物基复合材料（纤维-树脂复合材料 Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Composite）是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材

7、料，以此为例说明。 聚合物基复合材料的特性 1) 比强度、高比模大,/00:39:41,Glass fiber reinforced composites Carbon fiber reinforced composites Boron fiber reinforced composites,玻璃纤维复合材料有较高的比强度、比模量，而碳纤维、硼纤维、有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度相当于钛合金的35倍，它们的比模量相当于金属的4倍之多。,/00:39:41,2) 耐疲劳性能好： 疲劳破坏的种类不同： 金属 突发性破坏 极限=抗张强度20%50% 聚合物基复合材料 有预兆破坏 极限=抗张强

8、度70%80% 3) 减震性好： 受力结构的自振频率有关因素： 结构形状比模量的平方根. 同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高 4) 各向异性和可设计性： 可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料及铺层设计满足既定的要求。FRC的这一特点可以实现制件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。 5) 材料与结构的统一性 制造材料的同时，获得了制件。复杂制件一次成型。件数目减少-减轻了部件质量降低了应力集中。,/00:39:41,聚合物基复合材料存在的缺点： 材料工艺的稳定性差 材料性能的分散性大 长期耐高温与环境老化性能不好 抗冲击性能低 横向强度和层间剪切强

9、度不够好,/00:39:41,金属基复合材料的性能,1) 高比强度、比模量 由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维 硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。用高比强度、比模量复合材料制成的构件重量轻、刚性好、强度高，是航空、航天技术领域中理想的结构材料。,/00:39:41,2) 导热、导电性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，一般在60以上，因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性。 为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维

10、、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的导热率比纯铝、钢还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。,金属基复合材料的性能,/00:39:41,金属基复合材料的性能,3) 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数以满足各种工况要求。 例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到48w时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形，这对人造卫星构件特别重要。 通过选择不同的基体金属和增强物，以一定的比例复合在

11、一起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。,/00:39:41,金属基复合材料的性能,4) 良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料，在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本不下降，纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。,/00:39:41,金属基复合材料的性能,5) 耐磨性好 金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因

12、为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强物，特别是细小的陶瓷颗粒。 6)良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是界面状态。最佳的界面结合状态，既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。据美国宇航公司报道，CAl复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为0.7左右。,/00:39:41,金属基复合材料的性能,7) 不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越，在空间使用不会分

13、解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。,金属基复合材料所具有的高比强度、比模量，良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能，低的热膨胀系数，高的尺寸稳定性等优异的综合性能，使金属基复合材料在航空、航天、电子、汽车、先进武器系统中均具有广泛的应用前景，对装备性能的提高将发挥巨大作用。,/00:39:41,陶瓷基复合材料的性能,陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小. 陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。,/00:39:41,陶瓷基复合材料的性

14、能,最近，欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维增强碳化硅基体和用碳化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶瓷基复合材料，可分别在1700oC和1200oC下保持20oC时的抗拉强度，并且有较好的抗压性能，较高的层间剪切强度，而断裂延伸串较一般陶瓷高，耐辐射效率高，可有效地降低表面温度，有极好的抗氧化、抗开裂性能。 陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍较缓慢，主要原因是一方面制备工艺复杂，另一方面是缺少耐高温的纤维。,/00:39:41,碳碳复合材料的性能,碳/碳复合材料（C/C）是由碳纤维及其制品（碳毡、碳布等）增强的碳基复合材料。一般C/C是由碳纤维及其制品作为预制体，通过化学气相沉积法（CV

15、D）或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得C/C的基体碳来制备的。,空中客车A320的C/C刹车装置,M-4海对地战略弹道导弹（法）,/00:39:41,C/C的组成只有一个元素碳，具有碳和石墨材料的所特 有优点如低密度和优异热性能如耐烧蚀性、抗热震性、高导热 性和低膨胀系数等，同时还具有复合材料的高强高模量等特点。 C/C的另一重要的性能是其优异的摩擦磨损性能。C/C中的碳纤维除增强碳基体外，也提高了复合材料的摩擦系数。C/C的高温摩擦时能大量吸收的能量（8201050KJ/KgC/C），在高速、 高能量条件下的摩擦升温高达1000以上，其摩擦性能仍然保 持平稳，而且磨损量很低，这是其它摩擦材料所不

16、具有的。,/00:39:41,6.3 复合材料的制备方法,复合材料的制备,有许多工艺方法。 纤维的处理、分散、致密化等问题,对复合材料的性能影响较大,需要使用许多新方法。 增强颗粒一般不用或很少用特殊处理，因此颗粒增强复合材料多沿用传统的制备工艺。,/00:39:41,6.3.1 复合材料的制备工艺,复合材料的传统制备工艺主要包括： 增强物的制备、成型和固化（烧结）三个部分。 其中增强物的制备包括粉体和纤维以及晶须的制备。,/00:39:41,几种常用纤维的制备,1、玻璃纤维（Glass Fiber） 玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。,/00:39:41,将玻璃小球熔化，然后通过1mm左右直径的小孔把他们拉出。缠绕纤维的心轴的转动速度决定纤维的直径，通常为10m的数量级。为了便于操作