2009材料导论-复合材料1

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1、复合材料李珍材料科学与化学工程学院2009-3-18材料学导论材料学导论DateDate1 1材料为什么复合？材料为什么复合？无机非金 属材料高分子材料局限性局限性: :成分成分 结构结构 性能性能DateDate2 2问题解决思路：复合克服单一材料缺点，发挥复合后共 同的优点复合的方式研究新材料的捷径使材料有了很强的可设计性但由于单一材料自身的成分、结构形成的界 面特征，目前并不是所有单一材料都能复合DateDate3 3材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看 出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)铝木材石料青铜铸铁钢复合材料碳纤维芳香族酰胺纤维 6新材料技术是工业革 命

2、和产业发展的先导DateDate4 4网球拍材料发展60年，木质球拍70年代，金属球拍今 日 ， 复 合 材 料如碳、玻璃、克维拉、 高张力碳纤维，钛，超刚性 碳纤维等材料单独使用或混 合使用。、复合材料与木或 铝比起来更轻，更硬，更耐 用也更能吸收震荡与振动。 同时也让制造厂商在球拍的 硬度，球感，击球性能的设 计上有更大的伸展空间。DateDate5 5飞机用材料的发展70年代后以铝、钛、钢硼或碳纤维增强的复合材料。已 成为飞机的基本结构材料。A38025%重量的部件由CFRP 复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3% 为铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料层状结构的LARE

3、纤 维金属板。部件包括：减速板、垂直和水平稳定器、 方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门等1903 年12月17日莱特 兄弟的第一架飞木材、 布和钢19101925年开始用钢管代替 木材作机身骨架，用铝作蒙皮40-5040-50年代末年代末全金属结构飞机全金属结构飞机60年代出现3倍音速的SR-71全钛高 空高速侦察机和不锈钢占机体结构重 量 69的XB-70轰炸机。DateDate6 6A380，每位乘客的百公里能耗不到3升，比竞争 机型的能耗低12%； 空中巴士公司的A350超宽客机，复合材料结构将 达62%，A350的百公里能耗预计只有2.5升/人 ，几乎可以跟现在的小汽车媲美。

4、 DateDate7 7大飞机制造材料：北京航空材料研究院益小苏 70年代空客A300，复合 材料占整架飞机的比重只 有5%； 06年面世超大型飞机 A380，复合材料的比重 已达23%； 2010年A350超宽客机， 其高性能轻质结构将达 62%，成为空客公司第 一架全复合材料机翼飞机 。 飞机的机身前舱部分可整 体使用复合材料成型 DateDate8 819501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面温度()1700单晶合金普通铸件定向凝固超级合金共晶合金弥散强化超级合金隔热涂层陶瓷复合材料碳-碳新材料技术是工业革 命和产业发展的先导

5、在发动机上应用的年份 叶片材料的发展历程纤维增强超级合金DateDate9 930年代教练机二次大战战斗机80年代截击机航天飞机东方快车号10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同类型的飞行器蒙皮温度温度（0C）新材料技术是工业革 命和产业发展的先导DateDate1010+175+390+595金属玻璃纤维KavlarC/C复合材料K m 导弹射程火箭壳体材料与导弹射程DateDate1111纤维混凝土井盖 铸铁井盖 纤维聚合物井盖 DateDate1212讲授内容：4.1 概述一、什么是复合材料二、复合材料的命名三、复合材料的分类四、复合材料的发展历史

6、五、复合材料的发展趋势4.3增强材料 一、玻璃纤维 二、碳纤维 三、硼纤维 四、碳化硅纤维 五、芳纶纤维 六、晶 须4.2 4.2 复合材料的增强机制复合材料的增强机制 一、粒子增强型复合材料增强机制一、粒子增强型复合材料增强机制 二、纤维增强复合材料的增强机制二、纤维增强复合材料的增强机制 三、三、复合材料的界面 四、复合材料的基本性能四、复合材料的基本性能4.4金属基复合材料 4.5陶瓷基复合材料 4.64.6聚合物基复合材料聚合物基复合材料DateDate1313一、什么是复合材料？复合材料(omposite materials)是 由两种或两种以上化学性质或组 织结构不同的材料组合而成

7、的材 料。以一种材料为基体(Matrix) ，另一种材料为增强体 (reinforcement)组合而成的材料。 各种材料在性能上互相取长补短 ，产生协同效应，使复合材料的 综合性能优于原组成材料而满足 各种不同的要求。 4.1 概述复合材料船体碳纤维密度：1.7g/cm3 拉伸强度：35GPa 拉伸模量：200700GPa 芳纶密度：1.4gcm3 拉伸模量：120150GPaDateDate1414复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。l基体相：一种连续相，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用。l增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。 S

8、iC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型纤维增强高分子复合材料DateDate1515（1）基体与增强材料并用：增强材料/基体材料 “复合材料”如：碳纤维环氧树脂复合材料（2）强调基体材料时以基体为主：例：树脂基复合材料，金属基复合材料（3）强调增强材料时则以增强材料为主：如玻璃纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料等二、复合材料的命名二、复合材料的命名DateDate1616（1）基体材料类型 无机非金属基无机非金属基复合材料复合材料金属基金属基复合材料复合材料( (石墨纤维增强镁石墨纤维增强镁 ) )聚合物基聚合物基复合材料复合材料（2）增强纤维类型有机纤维有机纤维复合材料复合材料玻璃

9、纤维玻璃纤维复合材料复合材料 碳纤维碳纤维复合材料复合材料硼纤维硼纤维复合材料复合材料 混杂纤维混杂纤维复合材料复合材料（3）增强物外形粒子复合材料粒子复合材料纤维复合材料纤维复合材料层状复合材料层状复合材料三、复合材料分类DateDate1717（4）材料作用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 聚合物基复合材料 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DateDate1818四、复合材料的发展历史 远古时代出现。例如：古代草混在泥土中，做 壁体的房顶，草混土就是原始的纤维增强复合 材料；公元前埃及的金字塔就使用了石灰、火 山灰等

10、作粘结剂，并以砂石混合作为混凝土材 料，这是原始的粒子分散复合材料。 现代复合材料发展是近几十年的事： 树脂基复合材料（玻璃钢）70年历史， 金属基和无机非金属基复合材料的发展有30多 年历史。DateDate1919国际：1932在美国诞生 19401945（二次大战期间）玻璃纤维增强聚酯军用雷达罩、飞机油箱（美国） 1944玻璃钢夹层结构，制造飞机机身（美国） 1950直升飞机的螺旋浆（美国） 60年代“北极星A”导弹发动机壳体（美国） 1965年SMC压制汽车配件，浴盆（美国和日本） 60年代热塑性树脂复合材料得到发展，主要用于汽车制造业树脂基高性能复合材料已用于制造军用飞机的承力结构，

11、近年 来又逐步进入其他工业领域。 60年代以来，树脂基复合材料得到飞快发展，从原材料、成型 工艺、机械设备、产品种类、检验及应用等形成了完整的工业 体系。 发展途径： 美国 军工民用为主西欧各国：直接发展民用复合材料（1）树脂基复合材料发展史DateDate2020我国：玻璃钢始于1958年，最初是军工产品起家 ，也注意到民用品 1958，手糊工艺制造玻璃钢船，层压和卷制工艺 研制了玻璃钢板、管和火箭筒； 1962，引进不饱和聚酯树脂生产线，研究飞机螺 旋桨等； 1970，手糊夹层结构板制造了大型玻璃钢雷达罩 ； 1972，武汉工业大学、上海华东化工学院、哈尔 滨建筑工筑学院三校设立复合材料专

12、业，此后北 京航空学院、西北工业大学、国防科技大学、哈 尔滨工业大学等高等院校设立了复合材料专业。 1971年以前主要是军工产品、70年代以后开始转 向民用。DateDate2121研制起步较晚，发展迅速。 60年代末期，美国首次成功将B/Al复合材料代替铝 合金制作航天轨道飞行器中部壳体的衍架支柱以来 而深受各国重视。 70年代末期用高强度、高模量的耐热纤维与（轻） 金属复合，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导 电、导热性低等不足。 金属基复合材料有优良导电和导热性，加上纤维增 强体不仅提高了材料的强度和模量，而且降低了密 度。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻 尼、不吸潮、不放气和膨

13、胀系数低等特点，广泛用 于航天航空等尖端技术领域，是理想的结构材料。（2）金属基复合材料发展史DateDate2222陶瓷基复合材料：80年代开始发展陶瓷基复合材料 ，采用纤维补强陶瓷基体以提高韧性。主要目的 是制造燃气涡轮叶片和其它耐热部件。无机粘接剂基复合材料：自1968年英国研究出抗碱 玻纤之后，玻璃纤维增强水泥复合材料得到推广 应用，目前已工业化生产。（3）无机非金属发展史DateDate2323五、复合材料的发展趋势1、由宏观复合向微观复合发展微纤增强复合材料 纳米复合材料 分子复合材料2、向多元混杂复合和超混杂复合发展例如两种纤维的复合应用，两种基体的复合应用等3、由结构复合为主向

14、结构复合与功能 复合并重的方向发展功能复合材料的开发与应用等DateDate2424复合材料的发展趋势4、由被动复合向主动复合材料发展所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种 作用或作出某种反应。主动材料就是指具备能自诊断、 自适应和自修补作用材料。5、由常规设计向仿生设计方向发展仿生设计就是利用某种生物体的特征，设计材料。 仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的 功能材料。DateDate2525一、粒子增强型复合材料的增强机制1、弥散强化复合材料的增强机制 将粒子高度弥散地分布在基体中， 使其阻碍导致塑性变形的位错运动( 金属基体)和分子链运动(聚合物基 体)。 这种复合材料是各

15、向同性的。 其强化效果与粒子直径、体积分数 有关，质点尺寸越小体积分数越高 ，强化效果越好。4.2 4.2 复合材料的增强机制复合材料的增强机制卫星用颗粒增强铝 基复合材料零件碳黑增强橡胶DateDate2626用金属或高分子聚合物把具有耐 热性、硬度高但不耐冲击的金属 氧化物、碳化物、氮化物粘结在 一起而形成的材料。 由于强化相颗粒较大，对位错的 滑移（金属基）或分子链运动（ 聚合物基）已没有多大的阻碍作 用，强化效果并不显著。 主要不是提高强度，而是改善耐 磨性或提高综合力学性能。（2 2）颗粒增强复合材料的增强机制颗粒增强复合材料的增强机制硬质合金组织(Co+WC)硬质合金模 具硬质合金

16、轴承刀具DateDate2727以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。纤维增强复合原则纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。 碳纤维二、纤维增强复合材料的增强机制DateDate28281）弹性模量及强度外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则当外力垂直于纤维轴向时，则2）纤维的临界长径比3）纤维最小体积分数DateDate2929粒子增强型复合材料增强机制 弥散强化复合材料，其粒子直径 0.10.01m、体积分数约1%15%，增强强 度。 颗粒增强复合材料，粒子直径为150m、 体积分数大于20%，改善耐磨性或提高综合力 学性能。DateDate3030纤维增强遵循原则：1。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。3。纤维所