《材料科学与工程概论 教学课件 ppt 作者 杜双明 全书 第7章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学与工程概论 教学课件 ppt 作者 杜双明 全书 第7章（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第7章 复 合 材 料,7.1 概述 7.2 复合材料的增强体 7.3 复合材料的基体 7.4 聚合物基复合材料 7.5 金属基复合材料 7.6 陶瓷基复合材料 7.7 C/C复合材料,7.1 概 述 7.1.1 复合材料的提出 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展，同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。,7.1.2 复合材料的发展历史和意义 实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料。我们的祖先很早就创造和使用了复合材料。,7.1.3 复合材料的定义、命名及分类 1复合材料的定义 国际标准化组织(ISO)将复合材料定义为：“两
2、种或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”。,2复合材料的组成与命名 1) 复合材料的组成 复合材料一般有两个相：一相为连续相，称为基体；另一相是以独立的形态分布在整个基体中的分散相，称为增强相(增强体、增强剂)。 复合材料中基体主要有聚合物、金属和陶瓷三大类，此外还有一类碳基体。,2) 复合材料命名 复合材料可根据增强体与基体的名称来命名。将增强体的名称放在前面，基体的名称放在后面，再加上“复合材料”，如玻璃纤维和聚酯树脂构成的复合材料称为“玻璃纤维聚酯树脂复合材料”。,3复合材料的分类 复合材料是由金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料的不同种类和形态相结合，而构
3、成的各种不同的复合材料体系。,7.1.4 复合材料的界面 1界面的定义 复合材料的界面是指基体与增强体之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。,2界面的效应 按复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应。 (1) 传递效应 (2) 阻断效应 (3) 不连续效应 (4) 散射和吸收效应 (5) 诱导效应,7.1.5 复合材料的特性 1) 比强度和比模量高 材料的强度与其密度的比值称为比强度，单位为(m/s)2。材料的模量与其密度的比值称为比模量，单位为(m/s)2。在满足相同的设计要求时，材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈
4、大。,2) 抗疲劳性能好 疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而形成的低应力破坏。,图7-1 纤维增强复合材料裂纹变钝转向示意图 (a) 初始裂纹；(b) 裂纹扩展受阻,3) 断裂韧性好 韧性是指材料抵抗裂纹萌生于扩展的能力。断裂韧性是衡量韧性较常用的指标，它表示材料阻抗断裂的能力。,4) 高温性能好，抗蠕变能力强 复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基体。,5) 减振性能好 结构的自振频率除与结构本身有关外，还与材料比模量的平方根成正比。高的自振频率避免了工作状况下因共振而引起的早期破坏。,6) 尺寸稳定性好 常用的增强体(包括纤维、颗粒、晶须等)
5、的热膨胀系数都比较小，而且在一定的条件下热膨胀系数可能为零，因而通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。,7) 化学稳定性好 许多复合材料尤其聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性，因此可用来制造耐强酸、强碱、盐、脂和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、搅拌器等设备。,8) 绝缘、导电和导热性好 玻璃纤维增强塑料是一种优良的电气绝缘材料，用于制造仪表、电机与电器中的绝缘材料。,9) 其他 除上述一些特性以外，复合材料还具有优良的减摩性、耐磨性、自润滑性等，而且复合材料制品或构件制造工艺简单，表现出良好的工艺性能，适合整体成型。在制造复合材料的同时，也就获得了制品
6、或构件。,从设计和制造的角度来看，复合材料的优点是： (1) 材料性能具有很强的可设计性。 (2) 材料与制件制造的一致性。,7.2 复合材料的增强体 7.2.1 纤维增强体 纤维增强体是复合材料中作用最明显、应用最广泛的一类增强材料。纤维大多数是直径为几至几十微米的多晶材料或非晶态材料，主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、芳纶纤维、尼龙纤维和聚烯烃纤维等。,图7-2 增强纤维的排列和编织方式 (a) 单向铺设；(b) 二维二轴编织布； (c) 二维三轴编织布；(d) 三维四向编织布,1玻璃纤维 在纤维增强体中，玻璃纤维是应用最为广泛的增强体，通常作为复合材料中的增强材料、
7、电绝缘材料和绝热保温材料、电路基板等，广泛应用于国民经济各个领域。,2碳纤维 1) 碳纤维的分类 (1) 按力学性能可分为超高模量(UHM)碳纤维、高模量(HM)碳纤维、中等模量碳纤维(MM)、超高强度(UHS)碳纤维、高强度(HS)碳纤维。 (2) 按原丝类型可分为聚丙烯腈(PAN)碳纤维、沥青碳纤维和粘胶碳纤维。 (3) 按用途可分为24K(1K为1000根单丝)以下为宇航级小丝束碳纤维、48K以上为工业级大丝束碳纤维。 (4) 根据外观可分为短碳纤维、长碳纤维、二维(向)织物碳纤维、三维织(向)物碳纤维、多向织物碳纤维等。,2) 碳纤维的主要性能 (1) 强度高、模量高。 (2) 密度小
8、，比强度高。 (3) 耐低温、耐超高温性能好。 (4) 耐酸性能好。 (5) 热膨胀系数小，热导率大。 (6) 防原子辐射，能使中子减速。 (7) 导电性能好(电阻率值为517 mWm)。 (8) 碳纤维的抗氧化性差，在空气中，若温度达到400以上，便开始发生剧烈氧化；轴向抗剪切模量低；断后延伸率小(0.6%1.2%)；与熔融金属基体的润湿性较差，复合较为困难。,3芳纶纤维 芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌号为凯芙拉(Kevlar)纤维，我国命名为芳纶纤维。,4硼纤维 硼纤维又称硼丝。硼纤维是一种利用化学气相沉积法(CVD)，将加热至1300的三氯化硼蒸气与氢气的混合气通入反应器
9、，还原出的硼沉积在直径约12.5 mm的钨丝表面制成的皮芯型复合纤维。制造出的硼纤维大致有三种，即丝径为75 m、100 m和140 m。,5碳化硅纤维 碳化硅纤维(Silicon Carbide fibre，SiC纤维)是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有-碳化硅结构的无机纤维，属陶瓷纤维类。,6氧化铝纤维 氧化铝纤维是高性能无机纤维的一种。它以Al2O3为主要成分，有的还含有其他氧化物(如SiO2、B2O3等)，具有长纤维、短纤维、晶须等形式。氧化铝纤维的突出优点是有高强度、高模量、高的耐热性和抗高温氧化性。,7.2.2 晶须 1晶须的分类 晶须是在受控条件下培植生长的高
10、纯度纤细单晶体，其直径一般为0.12 mm，长度为几十微米，长径比较大，通常在730范围内，外观是粉末状。 根据化学成分不同，晶须可分为陶瓷晶须和金属晶须两类。,2晶须的性能 晶须的结晶近乎完整，不含有晶界、位错、空位等晶体缺陷，因而强度接近于完整晶体的理论值。,7.2.3 颗粒增强体 颗粒增强体一般是具有高强度、高模量，耐热、耐磨性好，耐高温的陶瓷、金属间化合物、石墨等非金属颗粒，如Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、SiC、TiC、B4C、VC、WC、ZrC、Si3N4、AlN、BN、NbN、TiB2、MoSi2、石墨、细金刚石等颗粒。陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产。,7.3 复
11、合材料的基体 7.3.1 基体的作用 尽管增强体的强度和模量一般都比较高，但只有把增强体包埋在强度和刚度可能比增强体低得多的韧性基体中后，才能充分发挥增强体的性能。,7.3.2 基体的类型 1树脂基体 树脂又称聚合物或塑料。树脂(或塑料)基复合材料通常称为增强塑料，作为最实用的轻质结构材料，它在工程复合材料中占有重要地位。根据加工方法的不同，树脂可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。,2金属基体 复合材料中，常用的金属基体有以下几种： 1) 铝合金 2) 镁合金 3) 钛合金 4) 铜及铜合金 5) 金属间化合物,3陶瓷基体 制作陶瓷基复合材料的主要目的是增加韧性。陶瓷基复合材料的基体主要有：氧
12、化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷和玻璃或水泥等无机非金属材料。,7.4 聚合物基复合材料 聚合物基复合材料(Polymer Matrix Composites，PMC)通常是指以有机聚合物为基体，以短晶须、黏土、滑石、云母、短纤维、连续纤维及其编织物为增强体，经复合而成的材料。,1聚合物基复合材料的类别 玻璃纤维增强树脂基复合材料； 天然纤维增强树脂基复合材料； 碳纤维增强树脂基复合材料； 芳纶纤维增强树脂基复合材料； 金属纤维增强树脂基复合材料； 特种纤维增强聚合物基复合材料； 陶瓷颗粒树脂基复合材料；, 热塑性树脂基复合材料，如聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚苯硫醚(PPS
13、)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)等树脂基复合材料； 热固性树脂基复合材料，如环氧树脂、聚酰亚胺、聚双马来酰亚胺(PBMI)、不饱和聚酯等树脂基复合材料； 聚合物基纳米复合材料。,2聚合物基复合材料的性能 纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics，PRP)具有复合材料的基本性能特点，即比强度高、比模量大，抗疲劳性、减振性好，过载时安全性好，还具有多种功能特性，如耐烧蚀、耐腐蚀、良好的摩擦性能(包括摩阻特性和减摩特性)、优良的绝缘性和特殊的光学、电磁学特性。,3典型PMC的应用 用玻璃纤维增强塑料得到的复合材料俗称玻璃钢，它是近代意义上复合材料的先驱。,7.5
14、 金属基复合材料 金属基复合材料(Metal Matrix Composite，MMC)是以陶瓷为增强材料，金属为基体材料而制备的。 1MMC的分类 1) 按用途不同分 按用途不同，金属基复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两类。,2) 按基体不同分 按基本不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热合金基、金属间化合物基等。,3) 按增强体不同分 按增强体不同，金属基复合材料可分为连续纤维增强型和非连续纤维增强型。,2MMC的特性 1) 高比强度、高比模量 2) 导热、导电性能好 3) 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 4) 良好的高温性能 5) 耐磨性好,3MMC的应用
15、 硼纤维增强铝基复合材料是历史较长、较成熟的金属基复合材料，在美国和俄罗斯，B/Al复合材料已从实验室进入工程实际应用阶段。,7.6 陶瓷基复合材料 1陶瓷基复合材料的分类 (1) 纤维(或晶须)增韧补强陶瓷基复合材料。 (2) 异相颗粒增强陶瓷基复合材料。 (3) 原位生成陶瓷基复合材料。 (4) 梯度功能复合陶瓷。 (5) 纳米陶瓷复合材料。,2陶瓷基复合材料的性能 由于增强相的加入，陶瓷基复合材料在保持陶瓷材料强度高、耐高温、抗氧化、耐磨损、抗腐蚀、热膨胀系数密度小等优点的同时，还克服了陶瓷材料脆性大这一突出缺点。,1) 连续纤维增强陶瓷基复合材料 纤维增强陶瓷基复合材料的最大特点是使用温度范围广和高温强度高，在高温下长时间使用不发生蠕变，并具有较强的抗热冲击、抗热疲劳和抗机械疲劳性能，是断裂韧性最佳的一种CMC。,2) 颗粒、晶须、短纤维增强陶瓷基复合材料的性能 晶须增强CMC的性能比短纤维增强CMC的性能要优越，它具有较好的断裂韧性、优异的耐高温蠕变性能，以及较高的耐磨损性和耐蚀性，但其韧性往往低于连续纤维增强CMC，且制备工艺要求严格。,3陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有：刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。,7.7 C/C复合材料
