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1、中 原 工 学 院 教 案 专 用 纸 第 1 页授课题目：第一章 总论教学目的与要求：熟悉复合材料的概念，了解材料的分类，掌握不同复合材料的性能比较以及复合材料结构设计的基础。教学重点及难点：重点：不同复合材料的性能比较。难点：复合材料结构设计的基础。教学基本内容：1. 复合材料的发展概况2. 复合材料的命名和分类3. 复合材料的基本性能4. 复合材料的设计教学方法及手段：用多媒体课件演示教学内容，使学生有一个具体、清晰的认知。小结：了解复合材料是独立于其他三大固体材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料）的第四种材料。1.1 复合材料（composite material）的发展概况信息
2、、生命和材料是新技术革命的三大分支。材料学分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料三大基本类型尖端科学的迅速发展，对材料性能提出了越来 越高的要求，传统的单一材料已不能满足实际需要，复合材料可以结合不同单一类型材料的性能优点从而达到新的使用性能，对复合材料的需求越来越大，相应的研究也越来越多。1.1.1 复合材料的概念复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组成的一种多相固体材料。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体; 另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态存在于连续相中，两相之间存在相界面，分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒或弥散的填料。1.1.2 复合材料的意
3、义复合材料中各组分之间取长补短的协同作用，极大地弥补了单一材料的缺点，产生了组成它的单一相所不具有的新性能。复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种单一材料的优点，按需要设计、复合成为综合性能优异的新型材料。未来一方面新的单一材料不断涌现，另一方面，各种复合材料将会越来越多，以满足不断发展的社会需要。1.1.3 复合材料的发展历史常用复合材料先进复合材料：低性能树脂基复合材料高性能树脂基复合材料金属基和陶瓷基复合材料1940 年代：玻璃纤维复合材料出现，1960 年代，纤维复合材料技术趋于成熟，取代了很多金属材料1970 年代，耐热纤维与金属
4、、特别是轻金属的复合：金属基复合材料1980 年代，陶瓷基复合材料金属间化合物与合金的差别。1.2 复合材料的命名和分类1.2.1 命名根据增强材料和基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面，基体本材料的名称放在后面中，再加上“复合材料”如：玻璃纤维环氧树脂复合材料也可以在两者之间加隔线：碳/金属复合材料1.2.2 分类1）按增强材料形态分类（1）连续纤维复合材料（2）短纤维复合材料：（3）粒状填料复合材料：（4）编织复合材料；中 原 工 学 院 教 案 专 用 纸 第 2 页2）按增强纤维种类分类（1）玻璃纤维复合材料（2）碳纤维复合材料：（3）有机纤维复合材料：（4）金属纤维复合材料
5、（5）陶瓷纤维复合材料混杂复合材料：用两种或两种以上的纤维增强同一基体制成的复合材料（Hybrid composite materials）3) 按基体材料分类（1）聚合物基复合材料（2）金属基复合材料（3）无机非金属基复合材料4）按材料作用分类（1）结构复合材料（2）功能复合材料还有同质和异质复合材料：增强与基体材料属于同一种物质的为同质，复合材料大多为异质。1.3 复合材料的基本性能复合材料的共同特点是：（1） 可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能玻璃纤维增强环氧基复合材料：钢材的强度，塑料的绝缘性和耐腐蚀性（2） 可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。（3） 可制成所
6、需的任意形状的产品，避免多次加工工序其中性能的可设计性是复合材料最大的优点。1.3.1 聚合物基复合材料的主要性能1）比强度、比模量大（见表 1.1）：因比重小2）耐疲劳性能好：内部相界面可阻止裂纹扩展3）减震性好：因比模量大，自振频率高，内相界面吸波，使振动阻尼高4）过载安全性好5）具有多种功能性（P4）6)有很好的加工工艺性1.3.2 金属基复合材料的主要性能1）高比强度，高比模量构件重量轻、刚性好、强度高，是航天、航空领域理想的结构材料。2）导热导电性能好3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好：因加入了低或负热膨胀系数纤维以抵消金属的热膨胀性。碳，硼纤维等的低热膨性。4）良好的高温性能：添加的纤
7、维或陶瓷粒是耐温很好的材料。整体与高分子比高温性能好得多。5）耐磨性好6）良好的疲劳性能和断裂韧性7）不吸潮、不老化、气密性好中 原 工 学 院 教 案 专 用 纸 第 3 页1.3.3 陶瓷基复合材料的主要性能强度高，硬度大，耐高温、抗氧化、 高温下抗磨性好、耐化学腐蚀性能优良，热膨胀系数和相对密度都较小。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大提高。1.3.4 水泥基复合材料的主要性能高压缩强度、耐热性好，但抗拉伸强度低1.3.5 不同复合材料的性能比较在使用温度和材料硬度方面，三类复合材料有着明显的区别是：树脂基：60-250，金属基：400-600，陶瓷基：1000-
8、1500，硬度也依次递增，耐老化性亦然。导热性顺序则是：金属基（50-65W/(mK)）陶瓷基（0.7-3.5W/(mK)）树脂基（0.35-0.45W/(mK)）耐化学腐蚀性：陶瓷基树脂基金属基制造工艺复杂性：陶瓷基金属基树脂基1.4 复合材料的结构设计基础1.4.1 复合材料的结构对于纤维增强的复合结构，从固体力学角度，其结构分为三个结构层次：一次结构：基体和增强材料组成的单层结构；二次结构：由单层结构层合而成的层合体，其力学性能决定于单层体材料的力学性能和铺层几何三次结构：指工程结构或产品结构将单层材料作为结构来分析，必须研究材料的多相性其各相材料的相互关系。这种研究方法叫微观力学方法，
9、以预示材料的宏观力学性能。它解释机理，发掘材料本质。宏观力学方法：假定单层材料是均匀的，将各相材料的表现当作复合材料的平均表现性来考虑，相应的材料参数称为表观参数。1.4.2 复合材料的设计复合材料的设计分为三个层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计。材料设计和结构设计必须同时进行。复合材料的结构设计是以复合材料的结构分析理论和力学分析理论为基础，三者有机统一，不可分割。中 原 工 学 院 教 案 专 用 纸 第 4 页第二章 复合材料的基体材料2.1 金属材料1）航空、航天、电子、汽车及先进武器系统的迅速发展，对金属基复合材料提出了要求如航天技术对轻质高强结构材料的要求非常强烈。大规模集成电
10、路对电子封装材料要求低热膨胀而高热传导。单一的金属、陶瓷及高分子材料都难以满足相关要求。高强度、高模量的硼、碳纤维增强铝基、镁基复合材料，既保留了铝、镁合金的轻质、导热、导电性，又充分发挥了增强纤维的高强度、高模量，获得高比强度、高比模量、导热、导电、热膨胀系数小的金属基复合材料。2）金属基复合材料中基体的成分多大于增强材料，故基体的选择对复合材料的性能有决定性的作用。金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、耐热性、抗腐蚀性等均影响复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能2.1.1 基体的选择原则1）金属基复合材料的使用要求（1）航空航天材料要求轻质高强，尺寸稳定。故而选取轻质的镁
11、合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成复合材料，可用于航天飞行器和卫星的构件。（2）高性能发动机则要求在高温下保持化学稳定及好的力学性能，常选择碳化硅/钛、钨丝镍基超合金复合材料用于喷气发动机的叶片转轴等重要部件。（3）汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热，而且要成本低廉，故选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维复合（4）集成电路封装材料要求高散热、低膨胀的金属基复合材料，则选高散热的银铜铝为基体，选低膨胀高强度的石墨纤维、金刚石纤维等作为增强材料经综合二者的性能。2）金属基复合材料组成特点由于增强物的性质及增强机理的不同，在基体的选择原则上有很大差别。对连续纤维增强
12、的复合材料，纤维本身有很大的强度，是力的承载体，而金属基的强度远低于纤维，故而要求与纤维有很好的相容性的基体，这时选取强度大的金属基体得到的复合材料强度可能反而不行。如碳纤维增强铝基复合材料就是实例。对于非连续增强（颗粒、晶须和短纤维等）金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料的强度具有决定性的影响。所以要获得高强复合材料就得选取高强的基体。如颗粒增强铝基复合材料。3）基体金属与增强物的相容性高温复合时界面层的问题。基体中合金元素与增强物的浸润性问题。关键：选择基体时要充分注意与增强物的相容性，尽量抑制界面反应，如对增强物进行表面处理，或在基体中加入某些其它组分，还可选择适当的成
13、型方法缩短材料在高温下的停留时间。2.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料-高比强度，高比刚度，高的结构效率，故选取镁、铝等轻合金作基体金属。铝、镁复合材料使用温度450钛合金复合材料-650镍钴基合金复合材料-1200中 原 工 学 院 教 案 专 用 纸 第 5 页用于 450以下的轻金属基体铝基和镁基复合材料：广泛用于航天器、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，已形成工业规模生产。用于 450-700的复合材料的金属基体 -钛合金。钛合金相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高，在航空发动机上使用。与高性能碳化硅纤维，碳硼化钛等增强合金，可获得更高的高温性能。 用于 1000以上的高
14、温复合材料的金属基体镍基、钛基高温合金材料及金属间化合物用钨丝，钍钨丝增强基合金可以大幅度提高了基高温性能-高温持久性能和高温蠕变性能2.1.3 功能用金属基复合材料的基体电子封装材料举例。还有电池极板材料，高温摩擦材料。2.2 无机胶凝材料2.2.1 概述无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。无机胶凝材料作为基体的复合材料中，研究最多的是纤维增强水泥基复合材料2.2.2 水泥基体材料与相应的树脂基复合材料相比纤维增强水泥基复合材料有下列特点：（1） 水泥基体为多孔体系，孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，也影响纤维与基体的界面粘结。（2） 纤维与水泥的弹性模量比不大，应力传递不好。
15、（3） 水泥基材的断裂延伸率较低，在纤维未拨出断裂前，水泥基材即行开裂。（4） 由于水泥与纤维呈点接触，故纤维与水泥的结合性有限，纤维的掺入量不能太大。（5） 水泥基材呈碱性，对金属纤维起保护作用，但对大多数矿物纤维则有腐蚀作用。2.2.3 氯氧镁水泥也称镁水泥，至今有 120 年的历史。它是 MgO-MgCl2-H2O 三元体系。氯氧镁复合材料从轻型屋面材料到复合地板，玻璃瓦、浴缸和风管等多种制品。菱镁矿MgCO3 于 800-850煅烧得到菱苦土（MgO ）是主要的成分。相应的增强材料为玻璃纤维、石棉纤维和本质纤维等。2.3 陶瓷材料1)陶瓷的性质:比金属更高的硬度和熔点，化学性质稳定，耐
16、热性和抗老化性好，通常为绝缘体。最大的弱点是脆性强，可加工性差。2）加入纤维和晶须增强，能提高陶瓷的韧性。3）作为基体使用的陶瓷应有耐高温性，和纤维或晶须之间有良好的界面相容性及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体有玻璃，玻璃陶瓷，氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。2.3.1 玻璃玻璃为非晶质结构。玻璃化温度 Tg软化温度 Tf2.3.2 玻璃陶瓷即微晶玻璃。具有热膨胀系数小，力学性能好和导热性好的特点。中 原 工 学 院 教 案 专 用 纸 第 6 页2.3.3 氧化物陶瓷主要有 Al2O3, MgO, SiO2, ZrO2 等。2.3.4 非氧化物陶瓷氮化物，硼化物，碳化物，硅化物等：耐热，耐磨，硬度高，但脆性也大。2.4 聚合物材料2.4.1 聚合物基体的种类、组分和作用1）聚合物基体的种类常用的有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂，酚醛
