工程材料-过控-13-复合材料

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1、工程材料 海洋科学与技术学院 贾 非 Dalian University of Technology 第 13章 复合材料 23:57 主 要 内 容 复合增强理论及增强体材料 复合增强理论简介 增强体材料 复合材料的性能特点 常用复合材料 树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 23:57 复合材料 复合材料 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的材料。 复合材料船体 常用工程材料 复合材料 是多相材料，主要包括基体相和增强相。 基体相 是一种连续相，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。 增强相 起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合

2、材料 )的作用。 纤维增强高分子复合材料 复合材料 复合材料可以是一个连续相与一个分散相的复合，也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合。 复合后的产物为固体。 产物为液体或气体时，不能称为复合材料。 构成特性 复合材料 复合材料与传统材料相比，两个主要特点是性能可设计性和材料与构件成型的一致性。 复合材料所期望的复合效果是原材料（组分材料）的性能互补，并产生叠加效果，具备一些原材料所不具备的优异的物化性能。 复合材料的特点 复合材料 材料设计是指在材料科学的理论知识和已有经验的基础上，按预定性能要求，确定材料的组分和结构，预测达到性能要求应选择的工艺手段和工艺方法。 通过改

3、变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能，是材料性能的可设计性。 复合材料设计：选材、制备工艺、工艺参数控制。 复合材料的性能可设计性 复合材料 复合材料与复合材料构件是同时成型，在把增强材料掺入基体形成复合材料的同时，形成复合材料构件，称为复合材料与构件制造的一致性。 一次成型：根据构件形状设计模具，使基体材料与增强材料组合、固化后获得复合材料构件 。 后加工：构件的连接（螺接、铆接、焊接、粘结等）、机械切削加工及坯件的进一步塑性变形（金属基复合材料的挤压、轧制和滚压）。 净成型：一次成型后，复合材料构件可供直接使用的成型方法。 材料与构件制造的一致性 复合材料 复合材料的分类

4、 1、按 基体材料 分类，可分为聚合物基 、 陶瓷基 和 金属基 复合材料。 2、按 增强相形状 分类，可分为 纤维 增强复合材料、 粒子 增强复合材料和 层状 复合材料。 3、按 复合材料的性能 分类，可分为 结构 复合材料和 功能 复合材料。 SiC颗粒 Al2O3片 Al2O3纤维 增强相三种类型 复合材料 结构复合材料按不同基体分类 -基体材料的种类 复合材料 结构复合材料按不同增强体形式分类 -增强相的形态 复合材料 增强相材料形态分类 复合材料 复合材料系统组合 分散相 连续相 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 金 属 材 料 金属纤维 纤维 /金属基复合材料 钢丝 /水泥

5、复合材料 增强橡胶 金属晶须 晶须 /金属基复合材料 晶须 /陶瓷基复合材料 金属片材 金属 /塑料板 无 机 非 金 属 材 料 陶瓷 纤维 纤维 /金属基复合材料 纤维 /陶瓷基复合材料 晶须 晶须 /金属基复合材料 晶须 /陶瓷基复合材料 颗粒 弥散强化合金材料 粒子填充塑料 玻璃 纤维 纤维 /树脂基复合材料 颗粒 碳 纤维 碳纤维 /金属基复合材料 碳纤维 /陶瓷基复合材料 碳纤维 /树脂基复合材料 炭黑 颗粒 /橡胶；颗粒 /树脂基 有机高分子材料 有机纤维 纤维 /树脂基复合材料 塑料 金属 /塑料 橡胶 复合材料 强调基体时，以基体材料的名称为主。 树脂基、金属基、陶瓷基复合材

6、料等。 强调增强体时，以增强材料的名称为主。 玻璃纤维、碳纤维、陶瓷颗粒增强复合材料。 复合材料的命名 复合材料 基体材料名称与增强体材料名称并用，表示一种具体的复合材料。 玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，简称玻璃纤维 /环氧树脂复合材料或玻璃纤维 /环氧。 英文编号，头字母缩写。 MMC (Metal Matrix Composite), FRP (Fiber Reinforced Plastics), GF/Epoxy, G/Ep). 复合材料的特点 1、 比强度 和 比模量 高 其中纤维增强复合材料的最高。 2、 抗疲劳性能 好 碳纤维增强材料 -1可达 b的 7080%。 因纤维对疲劳裂

7、纹扩展有阻碍作用 。 3、 减振性能 良好 复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。 4、 高温性能 好。 比强度比较 碳纤维树脂 硼纤维树脂 玻璃纤维树脂 钛 钢 铝 概 述 粒子与层状增强复合材料 粒子增强复合材料 粒子增强复合材料是将 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 各向同性 的。 卫星用颗粒增强铝基 复合材料零件 复合材料 聚合物基 粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的 电木 、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的 钙塑材料 (合成木材 )等。 陶瓷基 粒子复合材料如 氧化锆增韧陶

8、瓷 等。 粒子增强 SiC陶瓷基复合材料 颗粒增强铝基泡沫复合材料 碳黑增强橡胶 粒子增强复合材料 金属基 粒子复合材料又称金属陶瓷 ，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。 碳化物金属陶瓷 作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金 。硬质合金通常以 Co、 Ni作为粘结剂，WC、 TiC等作为强化相。 硬质合金组织 (Co+WC) 硬质合金铣刀 粒子增强复合材料 硬质合金 主要有 钨钴(YG)和 钨钴钛 (YT)两类。牌号中， YG后的数字为 含 Co量， YT后的数字为 碳化钛含量 。 硬质合金 硬度极高 ，且 热硬性 、 耐磨性 好，一般做成刀片，镶在

9、刀体上使用。 硬质合金模具 硬质合金轴承刀具 粒子增强复合材料 层状复合材料 层状复合材料是指在基体中含有多重 层片状 高强高模量增强物的复合材料。 这种材料是 各向异性 的 (层内两维同性 )。如 碳化硼片增强钛 、胶合板 等。 层状陶瓷复合材料断口形貌 三明治复合 复合材料 双金属 、 表面涂层 等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于 飞机制造 、运输 及 包装 等。 有 TiN涂层的高尔夫球头 层状复合 铝合金蜂窝夹层板 层状复合材料 纤维增强复合材料 纤维增强复合材料是指以各种 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

10、原则 在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 复合材料 1、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 mmffcmmffc VEVEEVV ,ffmmcfmc VV ,当外力垂直于纤维轴向时，则 myfycdL22、纤维的临界长径比 mfummufcV 3、 纤维最小体积分数 纤维增强复合材料 纤维增强复合材料的 强度 和 刚性 与 纤维方向 有关。 纤维 无规排列 时，能获得基本 各向同性 的复

11、合材料。均一方向 的纤维使材料具有明显的 各向异性 。纤维采用 正交编织 ，相互 垂直的方向 均具有好的性能。纤维采用 三维编织 ，可获得 各方向 力学性能均优的材料。 纤维在基体中的不同分布方式 纤维增强复合材料 纤维的种类和性能 1、 玻璃纤维 ：用量最大、价格最便宜。 2、 碳纤维 ：化学性能与碳相似。 3、 硼纤维 ：耐高温、强度、弹性模高。 4、 金属纤维 ：成丝容易、弹性模量高。 5、 陶瓷纤维 ：用于高温、高强复合材料。 玻璃纤维 碳纤维 SiC纤维 纤维增强复合材料 6、芳香族 聚酰胺纤维 : 强度、弹性模量高，耐热。 7、 聚乙烯纤维 : 韧性极好，密度非常小 。 8、 晶须

12、 ：是直径小于 30m，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形 , 是一种高强度材料。 分为金属晶须和陶瓷晶须。金属中 , Fe晶须 已投入生产 。 工业生产的陶瓷晶须主要是 SiC晶须 。 SiC晶须 纤维增强复合材料 纤维增强体的强度和模量 纤维增强复合材料 典型纤维增强体的性能 纤维增强复合材料 聚合物基纤维增强复合材料 常用 碳纤维 、 玻璃纤维 和 芳纶纤维 增强高分子材料。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。 材料种类 纵向抗拉强度 MPa 纵向弹性模量 GPa 环氧树脂 69 6.9 环氧树脂 / E级玻璃纤维 1020 45 环氧树脂 / 碳纤

13、维（高弹性） 1240 145 环氧树脂 / 芳纶纤维（ 49） 1380 76 环氧树脂 / 硼纤维 （ 70 % Vf ） 1400-2100 210-280 纤维增强复合材料 纤维增强聚合物基 复合材料零件 芳纶刹车片 碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件 纤维增强复合材料 在航空中的应用 美国 F/A-18歼击机 美 UH 60A型直升飞机 纤维增强复合材料 纤维增强金属基复合材料 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的 金属基复合材料 （ MMC）可以使用在 较高温 的工作环境之下。 常用的 基体金属 材料有 铝合金 、 钛合金 和 镁合金 。 作为 增强体 的连续纤维主要有

14、硼纤维 、SiC和 C纤维； Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于 MMC中。 MMC的 SEM照片 纤维增强复合材料 MMC虽 强度 和 弹性模量 （刚度）增加，但 塑性 和 韧性 因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了 MMC的应用范围。 航天飞机内 MMC (Al / B纤维 )桁架 纤维增强复合材料 纤维增强陶瓷复合材料 陶瓷材料 耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但 韧性低 、难加工。在陶瓷中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。 陶瓷中 增韧纤维 受外力作用，因 拔出 而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。 C/C复合材料 Si/Si复合材料 纤维增强复合材料 用 晶须 作为 增强相 可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须 (如 SiC 和 Si3N4)能起到 陶瓷材料增韧 的作用。 ZnO晶须 自增韧 Si3N4陶瓷 纤维增强复合材料 1. 比强度、比模