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1、材料科学与工程导论,主讲人：黄艳琴南京邮电大学材料科学与工程学院2011年12月21日,复合材料一、概述,这种材料优异性能的组合是单一材料，如金属材料、无机非金属材料和高分子材料无法满足的。在这种情况下复合材料应运而生。,例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。但是通常高强度材料的密度也高，增大强度或刚度则会降低材料的韧性。,引 言,现代科学技术的发展，特别是航天、能源、建筑、交通和军事等工程领域技术的发展对材料提出了越来越高的要求，而且有些要求之间甚至是互相矛盾的。,基体材料 粘合增强材料，传导和分散外力。,组分：基体相（基体材料）和增强相（增强材料）复
2、合材料 = 基体材料 + 增强材料,连续相存在,分散相存在,增强材料 增加强度。,复合材料概述,定义：指两种或两种以上物理性能、化学性能、力学性能和加工性能不同的物质经人工组合而成的多相固体材料。 与一般材料简单混合的根本区别是，各种组成材料在性能上能互相取长补短，产生协同效应。故复合材料的综合性能优于原组成材料，能满足各种不同的要求。,例：热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维,热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂脆性低于玻璃纤维,复合材料概述,复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。,按基体材料分类,铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料,树脂基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料,复合材料的分类,按
3、增强相的形态分类,纤维增强树脂 纤维增强橡胶 纤维增强陶瓷纤维增强金属,弥散增强复合材料纯颗粒增强复合材料,双层金属复合材料夹层结构复合材料,复合材料的分类,纤维增强复合材料,复合材料的分类,纤维有长纤维、短纤维和晶须,纤维的强度和弹性应高于基体；,纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。,纤维的排列方向要与构件的受力方向一致；,纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，纤维是承受载荷的主体；,纤维与基体的热胀系数应匹配，从而减小自身产生的内应力；,颗粒增强复合材料,复合材料的分类,弥散增强复合材料通常指尺寸为10-250 nm的微细颗
4、粒弥散分布在金属或合金中形成的复合材料。 颗粒主要是金属氧化物、碳化物、硼化物如Al2O3、SiC等，弥散分布在金属或合金中的颗粒可以有效的阻碍位错运动。基体仍是承受载荷的主体。,纯颗粒增强复合材料指尺寸为微米级颗粒增强的金属、树脂或陶瓷基复合材料。 颗粒尺寸不宜太大且要均匀分布，以免引起内应力集中而成为裂纹源，通过限制颗粒附近基体的运动、约束基体的变形达到强化的目的。颗粒也承受部分载荷。,层叠增强复合材料,复合材料的分类,层叠增强复合材料由两层或更多层不同材料复合而成。,双层金属复合材料：,将两种性能不同的金属材料通过铸造、焊接或热压等加工方法熔合在一起，例如不锈钢-碳素钢复合钢板。,比强度
5、和比模量高 比强度是指材料的抗拉强度与密度之比；比模量是指材料的弹性模量与密度之比。复合材料的比强度及比模量普遍远高于金属材料。 例如：碳纤维环氧树脂复合材料比强度大约是钢的7倍，比模量是钢的3倍。因此，制造强度和刚度相同的构件时，选用复合材料可使物体更轻巧。 抗疲劳和断裂安全性好复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向，因此具有较高的疲劳强度。,复合材料的性能特点,实验表明碳纤维环氧树脂的疲劳强度约为抗拉强度的7080，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的4050。 纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤维（平均每平方米几千到几万根纤维），即使有少数
6、纤维断裂亦不会影响到其承载能力，故断裂安全性好。,复合材料的特点,减振性能好 复合材料的自振频率高，一般工作状态下很难达到这样的高频率，可避免构件在工作状态下产生共振； 纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，振动会很快衰减； 因此，纤维增强复合材料具有很好的减振性能，在精密控制和精密检测的仪器、仪表方面得到广泛应用。 高温性能优良 增强材料的熔点大多较高，而且在高温下仍保持高的强度，所以它们增强的复合材料有较高的高温强度和弹性模量。如铝合金在400时弹性模量已降至近于0，而碳纤维增强后，在此温度下强度和弹性模量基本未变。,复合材料的特点,人类很早用麦秸/泥巴复合制成的土坯是最原始的建筑用复合材料
7、； 混凝土由水泥、石块、沙子和水组成，是建筑工程不可缺少的复合材料； 国外对复合材料的研究开发起步较早。20世纪40年代，美国首次研制了玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃钢； 20世纪60年代，人们研制出许多新型纤维和晶须，如碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、氧化铝晶须等； 近年来复合材料的基体从树脂发展到金属和陶瓷，人们在迅速开发研究适于高温工作的纤维、颗粒增强的金属基和陶瓷基复合材料。,复合材料的发展历史,复合材料的发展历史,1932年，美国，玻璃钢；1940年，美国，军用飞机雷达罩；三大标志性成果：* 美国轻型飞机里尔号，碳纤维复合材料制造；* 哥伦比亚号航天飞机；* 波音767客机。,树脂基复合材料的
8、发展：,比强度、比模量高，耐多种介质腐蚀，但在刚度、耐热性（低于350度使用）方面仍难以满足要求，,树脂是韧性基体，复合的主要设计目标是用高强度和高弹性的纤维提高其室温和高温下的强度和弹性。,金属延展性好，是韧性基体，复合的主要设计目标是提高室温和高温下的强度和弹性。最早应用于哥伦比亚号航天飞机的骨架：硼纤维/Al，由于硼纤维太昂贵，现在基本用碳纤维/Al复合材料来替代硼纤维/Al。耐高温（400-1200度使用)、不燃烧、不吸湿、耐老化和高导热性。金属基体从铝、镁发展到钛、铜、锌、铁等金属。,金属基复合材料的发展：,复合材料的发展历史,陶瓷基复合材料的发展：,目前的复合目的是增韧又不降低其强
9、度。高温（1200-1900 C）作用下仍保持良好的综合性能（切削工具、发动机叶片、燃烧室、涡轮盘等）。,二、常用复合材料,增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等。,纤维增强材料：,增强材料,主要包括纤维增强材料、颗粒增强材料、片状增强材料等。,常用增强纤维与金属丝性能对比,玻璃纤维生产流程图,纤维增强材料,1. 玻璃纤维制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。,1. 玻璃纤维密度2.42.7，与铝相近，但比强度约是钢丝的2.5倍，比模量也略高于钢丝；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等，在建筑装饰上应用日益广泛；耐蚀性好，除氢氟
10、酸、浓碱外，对大多数化学介质有良好的稳定性；缺点：耐热性低，250以上开始软化，不宜用来增强金属基复合材料；脆性大，表面光滑，不易与基体结合。,纤维增强材料, 是应用最广的复合材料，强度可与钢媲美，俗称玻璃钢。 具有优异的耐蚀性、轻量性和强度特性等，用途很广，涉及国防、航空航天、机械、交通运输和生活的许多方面。玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，是制造雷达罩的理想材料。由于有瞬时的耐高温性能，被用来制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。可制造各种机械零件，应用也越来越广泛，从简单的护罩类到复杂的结构件等。可制造汽车、火车、船舶、拖拉机的车身及其它配件。,玻璃纤维增强树脂基复合材料,复合材
11、料玻璃钢,玻 璃 钢 游 艇,玻璃钢冷却塔,2. 碳纤维将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成的纤维；,纤维增强材料,碳纤维的生产过程主要包括三个阶段。第一阶段在空气中于200-400进行低温氧化；第二阶段是在惰性气体中在1000左右进行碳化处理；第三阶段则是在惰性气体中于2000以上的温度作石墨化处理。,2. 碳纤维密度比玻璃纤维低，比强度比玻璃纤维略高，比模量约为玻璃纤维的6倍多；高低温性能好，高温达2000时强度不降低，低温至-180时脆性也不增高 ；化学稳定性高，能耐浓酸；导电性、自润滑性好；缺点：脆性大，表面光滑，与树脂结合力比玻璃纤维还差，常
12、需要通过表面氧化处理来改善与基体的结合力。,纤维增强材料,是最有代表性、性能最优越的树脂基复合材料。优点碳纤维的强度比钢约大3倍，密度只有钢的14，比铝合金还轻，因此碳纤维复合材料广泛应用在航空工业中。与玻璃钢相比，强度高0.51倍，弹性模量高24倍，同时还具有多种功能，包括： 很高的耐腐蚀性； 优良的热特性(绝热性，隔热性和尺寸稳定性等)； 一定的电性能(通电发热，防静电干扰，导电性等)； 滑动特性(耐磨性，润滑性)等。,碳纤维增强树脂基复合材料,为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，碳纤维/环氧树脂复合材料非常轻，可以在某特定方向上增加强度。,高级全碳纤维羽毛球拍
13、,碳纤维增强树脂基复合材料,IBM笔记本电脑,碳纤维增强金属基复合材料,重量轻、强度高的新型复合材料 :,碳纤维复合钛合金,碳纤维复合镁合金,3. 硼纤维将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属丝（钨丝）上制得的一种复合纤维；比强度与玻璃纤维接近，但比模量较玻璃纤维高5倍多；熔点高（2300）；良好的耐蚀性；缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高；不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。,纤维增强材料,4. 芳纶纤维是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的聚芳酰胺类纤维；密度很小，仅为1.44左右，比强度超过碳纤维和硼纤维，但比模量低一些；韧性好，不象玻璃纤维、碳纤维那样脆，-196 的低温下也
14、不变脆；优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。因为纤维本身是聚合物，与树脂基体相容性好。,纤维增强材料,纤维增强材料,5. 晶须 是具有一定长径比(直径0.31um,长30100um)的针状单晶体，是一种新型的高强度材料。 从结构上看，晶须的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量存在且促使强度下降的主要原因。 包括金属晶须、陶瓷晶须和高分子晶须。 铁晶须可批量生产，其最大特点是可在磁场中取向，可以很容易地制取定向纤维增强复合材料。 陶瓷晶须比金属须强度高，密度低，弹性模量高，耐热性好，是极有发展前途的增强纤维，目前工业生产的主要是SiC晶须
15、。,1、单向排布长纤维复合材料单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能，只适用于单轴应力的场合。在实际构件中，主要是使用其纵向性能。,纤维增强陶瓷基复合材料,裂纹垂直于纤维方向扩展示意图,2多向排布纤维增韧复合材料,纤维增强陶瓷基复合材料,许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上均具有优良的性能，这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。,(1) 二维多向排布纤维增韧复合材料,这种复合材料中，纤维的排布方式有两种。一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型，如下图所示：,纤维层,基体,纤维布层压复合材料示意图,纤维增强陶瓷基复合材料,这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂直于纤维排布面方向上的性能较差。材料成型板状构件曲率不宜太大。,另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度，如下图所示。,纤维增强陶瓷基复合材料,纤维层,基体,多层纤维按不同角度方向层压示意图,后一种复合材料可以根据构件的形状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形状的壳层状构件。,
