《材料科学基础 教学课件 ppt 作者 王章忠 1_ 第十五章 复 合 材 料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础 教学课件 ppt 作者 王章忠 1_ 第十五章 复 合 材 料（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十五章 复 合 材 料,第一节 概 述 第二节 复合材料的增强机理 第三节 复合材料性能特点 第四节 复合材料简介,第一节 概 述,一、复合材料定义 复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(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。 二、复合材料分类 (一)根据材料的主要性能与作用分类 (二)根据基体的不同分类 (三)根据增强材料形态分类,(一)根据材料的主要性能与作用分类,1、结构复合材料 以承受外力载荷为主的复合材料。
2、2、功能复合材料 是指除机械性能以外还提供其他物理性能的复合材料。如:导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等功能。统称为功能复合材料。 3、智能复合材料 具有自诊断、自适应、自修复、自决策的高级复合材料。,(二)根据基体的不同分类,按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250350、3501200和1200以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复 合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合
3、材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。,先进复合材料:以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106厘米（cm），比模量大于4108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料,(三)根据增强材料形态分类,图15-1 复合材料的形态示意图,纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。 夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。 细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。 混杂复合材料。由两种或两种以
4、上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。,三、复合材料的命名,(1)以基体为主命名。例如金属基复合材料。 (2)以增强体为主命名。如碳纤维增强复合材料。 (3)基体和增强体并用命名。如“C/Al复合材料”即 为碳纤维增强铝基复合材料。,第二节 复合材料的增强机理,一、复合材料的组成 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 多相固体材料。 复 合 材 料 船 体 复合材料 复合材料的组成： 基体增强体 。 二、复合材料的工艺 复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。 三、复合材料增强机制 纤维增强复合材
5、料的增强机制 粒子增强型复合材料的增强机制 （1）弥散强化的复合材料的增强机制 （2）颗粒增强的复合材料的增强机制 ,第三节 复合材料性能特点,一、材料性能的可设计性 对结构复合材料或功能复合材料，可以根据工程结构的载荷分布、环境条件、使用要求，选择相应的机体，涉及各种排列方向。 二、材料与元件的统一性 材料与元件可以一次成型，改善了构件的稳定性。,三、力学性能特点,1.轻质高强 比强度(强度/密度)和比模量(弹性模量/密度)是材料承载能力的重要指标。 2.良好的抗疲劳性能 复合材料基体中密布着大量的纤维，疲劳断裂时纤维与基体界面能够阻止疲劳裂纹扩展并改变裂纹扩展方向，故复合材料的疲劳强度通常
6、都很高。 3.优良的耐高温性能 陶瓷增强纤维一般都有较高的弹性模量、熔点和高温强度(表15-2)，其中玻璃纤维增强树脂复合材料可工作到200300。 4.减振能力好 构件的自振动频率与结构有关，且与材料比模量的平方根成正比。,5.断裂安全性高 纤维增强复合材料每平方厘米界面上有成千上万根相互隔离的细纤维，当材料过载而有少数纤维断裂时，载荷随即迅速重新分配到未破坏纤维上，不至造成构件的瞬间完全丧失承载能力而断裂，故工作安全性高。,表15-1 部分复合材料的强度性能比较,表15-2 各种陶瓷纤维材料的熔点,四、物理及化学性能特点,一、密度 复合材料中基体或填料的含量通常以质量百分率表示必须将质量百
7、分率换算成体积百分率才能应用复合规则来估算复合材料的密度 复合材料的密度 m基体的密度； 基体的密度 f增强体的密度； 增强体的密度 Vf增强体的体积分数。 二、热性能 热功能复合材料的最重要性质 与力学性能并列为结构复合材料最重要的特性 热膨胀系数 Vf增强体的容积分数 角标cmf分别代表复合材料基体和增强体,五、工艺性能特点,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 。 性能特点：复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。,一、树脂基复合材料,第四节 复合材料简介,(一)热固性树脂基复合材料,表1
8、5-3 热固性玻璃钢的性能,(二)热塑性树脂基复合材料,表15-4 热塑性玻璃钢的性能,二、金属基复合材料,(一)长纤维增强金属基复合材料 1 首先是将预先设计好的一定体积百分比的长纤维和金属基体粉 末混装于容器中，在真空或保护气氛下预烧结。 2 然后将预烧结体进行热等静压加工。 一般情况下， 采用粉末冶金工艺制备的长纤维增强金属基复合材 料中，纤维的体积百分含量为 40%60%，最多可达 75%。 (二)短纤维及晶须增强金属基复合材料 用于金属基复合材料短纤维增强体的材料 等。 Al 、Sic 短纤维增强 金属基复合材料成本比连续纤维增强金属基复合 材料低得多， 与基体合金相比， 短纤维增强
9、金属基 比刚度和高耐磨性， 复合材料具有较高的比强度、 其各向异性要远远小于连续纤维增强复合材料。,三、陶瓷基复合材料,(一)纤维增强陶瓷基复合材料 (二)颗粒增强陶瓷基复合材料 粒子与陶瓷材料复合，可改善陶瓷的强韧性。且工艺简单。,表15-5 陶瓷经碳化硅纤维增强前后的性能比较,四、其他类型复合材料,(一)碳/碳复合材料 碳/碳复合材料具有低密度(2.0g/cm3)、高比强、高比模量、高导热性、低膨胀系数，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是目前在1650以上应用的唯一备选材料，最高理论温度更高达2600，因此被认为是最有发展前途的高温材料。 (二)夹层复合材料 复合材料夹层结构基本原理 复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成， 在弯曲荷载下， 上下面层 承担主要的拉应力和压应力， 芯材主要承担剪切应力。 芯材的力学作用机理是连接面层使之成为 整体构件， 让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲， 并将剪切力从面层传向内层。,
