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1、第5章博采众长复合材料第四章第四章 博采众长的复合材料博采众长的复合材料z概述概述z复合材料的增强机制及复合原则复合材料的增强机制及复合原则z复合材料的性能特点复合材料的性能特点z常用复合材料常用复合材料第5章博采众长复合材料马王堆汉墓的漆器 汉代漆器汉代漆器 第5章博采众长复合材料第一节第一节 概述概述一、复合材料的定义一、复合材料的定义是指两种或两种以上的物理、化学性质是指两种或两种以上的物理、化学性质不同的物质，经一定方法得到的一种新的多不同的物质，经一定方法得到的一种新的多相固体材料。相固体材料。复合材料应包括以下几方面：复合材料应包括以下几方面： 复合材料是人工制造的，而非天然形成的
2、。复合材料是人工制造的，而非天然形成的。 其一组元的体积分数一般不低于其一组元的体积分数一般不低于20%，第二组元通常，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒。为纤维、晶须或颗粒。 性质取决于组元性质的优化组合，应优于独立组元的性质取决于组元性质的优化组合，应优于独立组元的性质。性质。第5章博采众长复合材料特点：特点：其性能比组成材料的性能优越的多，大大其性能比组成材料的性能优越的多，大大改善或克服了组成材料的弱点；改善或克服了组成材料的弱点；可按构件的结构与受力要求进行最佳设计；可按构件的结构与受力要求进行最佳设计；可创造单一材料不具备的双重或多重功能。可创造单一材料不具备的双重或多重功能。如：玻璃
3、钢、如：玻璃钢、 用缠绕法制造的火箭发动机外壳、用缠绕法制造的火箭发动机外壳、 自动控温开关等。自动控温开关等。第5章博采众长复合材料 （）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，（）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，而且通过各组分的而且通过各组分的相互补充和关联相互补充和关联相互补充和关联相互补充和关联可以获得原组分可以获得原组分所没有的新的优越性能；所没有的新的优越性能；一般材料的简单混合与复合材料的一般材料的简单混合与复合材料的两点本质区别两点本质区别：第5章博采众长复合材料如结构复合材料不仅可根据材料在使用中如结构复合材料不仅可根据材料在使用中的的受力要求进行受力要求进行组元选材设计组元
4、选材设计组元选材设计组元选材设计，更重要的是还可进，更重要的是还可进行行复合结构设计复合结构设计复合结构设计复合结构设计，即，即增强体的比例、分布、排列增强体的比例、分布、排列和取向等的设计和取向等的设计。（）复合材料的可设计性（）复合材料的可设计性第5章博采众长复合材料二、复合材料的分类二、复合材料的分类1.按相可分为两类：按相可分为两类：基体相基体相增强相增强相常用基体材料：高聚物基、金属基、陶瓷基常用增强材料：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、颗粒、晶须等2.按性能和用途分：按性能和用途分：结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料智能复合材料智能复合材料第5章博采众长复合材料主要复合结构
5、主要复合结构:第5章博采众长复合材料三、复合材料增强相的制作方法三、复合材料增强相的制作方法1、熔体抽丝法、熔体抽丝法2、热分解法、热分解法3、气相沉积法、气相沉积法4、拔丝法、拔丝法第5章博采众长复合材料第二节第二节 复合材料的增强机制复合材料的增强机制 及复合原则及复合原则一、纤维增强复合材料的复合机制和原则：一、纤维增强复合材料的复合机制和原则：1 1、复合机制、复合机制（1）纤维增强相是材料的主要承载体，是具有强结合键）纤维增强相是材料的主要承载体，是具有强结合键的物质或硬质材料，制成纤维状可极大地发挥增强相强度。的物质或硬质材料，制成纤维状可极大地发挥增强相强度。（2）基体相起粘接剂
6、作用，保护增强相不易遭受损伤，）基体相起粘接剂作用，保护增强相不易遭受损伤，并能阻止裂纹扩展。并能阻止裂纹扩展。（3）当纤维受力产生断裂时，其断口不可能在同一平面）当纤维受力产生断裂时，其断口不可能在同一平面上出现。上出现。第5章博采众长复合材料第5章博采众长复合材料2 2、复合原则、复合原则（1）纤维相应有高的强度和模量。）纤维相应有高的强度和模量。（2）基体相应有一定的塑性和韧性。）基体相应有一定的塑性和韧性。（3）纤维相与基体间应有相互）纤维相与基体间应有相互“润湿润湿”性，保证性，保证较高的结合强度。较高的结合强度。（4）纤维相需具有合理的含量、尺寸和分布。）纤维相需具有合理的含量、尺
7、寸和分布。（5）纤维相与基体间的热膨胀系数要匹配。）纤维相与基体间的热膨胀系数要匹配。（6）纤维相与基体间不能发生有害的化学反应。）纤维相与基体间不能发生有害的化学反应。第5章博采众长复合材料二、颗粒增强复合材料的复合机制和原则：二、颗粒增强复合材料的复合机制和原则：1 1、复合机制、复合机制2 2、复合原则、复合原则（1）主要由基体承受载荷）主要由基体承受载荷（2）粒子相起阻碍基体中的分子链或位错运动的作用）粒子相起阻碍基体中的分子链或位错运动的作用（1）粒子相应高度均匀地弥散分布在基体中）粒子相应高度均匀地弥散分布在基体中（2）粒子大小应适当）粒子大小应适当(一般粒径为几微米到几十微米)（
8、3）粒子体积含量应在）粒子体积含量应在20%以上以上（4）粒子与基体间应有一定的粘结强度）粒子与基体间应有一定的粘结强度第5章博采众长复合材料三、复合材料制品的结构工艺性三、复合材料制品的结构工艺性 z(1)纤维的分布应满足承载的要求纤维的分布应满足承载的要求z(2)构件弯折处应采用圆角过渡构件弯折处应采用圆角过渡z(3)尽量采用整体结构尽量采用整体结构z(4)采用刚性较好的结构采用刚性较好的结构 由于复合材料成形有其独具的工艺特点，故其制品的结构设计与单一材料相比有许多不同之处。以纤维增强复合材料为例，其制品结构设计时应遵循以下原则：第5章博采众长复合材料第三节第三节 复合材料的性能特点复合
9、材料的性能特点z比强度（比强度（ / ）和比模量（和比模量（E/ ）高高z良好的抗疲劳性能和抗断裂性能良好的抗疲劳性能和抗断裂性能z高温性能好高温性能好z较好的减摩性、耐磨性、较好的减摩性、耐磨性、 减振性能减振性能z其他特殊性能其他特殊性能第5章博采众长复合材料第5章博采众长复合材料第四节第四节 常用复合材料常用复合材料复复合合材材料料非金属基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聚合物基聚合物基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料石墨基石墨基复合材料复合材料混凝土基混凝土基复合材料复合材料第5章博采众长复合材料一、聚合物基一、聚合物基复合材料复合材料1、发展、发展2、
10、分类、分类第5章博采众长复合材料3、常用聚合物基、常用聚合物基复合材料的性能和应用复合材料的性能和应用玻璃钢玻璃钢热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢热固性玻璃钢热固性玻璃钢碳纤维树脂复合材料碳纤维树脂复合材料硼纤维树脂复合材料硼纤维树脂复合材料 玻璃纤维增强塑料是指玻璃纤维做为增强材料，玻璃纤维增强塑料是指玻璃纤维做为增强材料，热塑热塑性或性或热固性塑料做为基体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。热固性塑料做为基体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。第5章博采众长复合材料 玻璃纤维增强热固性塑料(代号GFRP)zGFRP突出特点是密度小、比强度高。密度为1.62.0，比最轻的金属铝还要轻，而比强度比高级合金钢还高。“玻
11、璃钢”这个名称便由此而来。GFRP还具有良好的耐腐蚀性，在酸、碱、有机溶剂、海水等介质中均很稳定；良好的电绝缘性；不受电磁作用的影响，不反射无线电波；具有保温、隔热、隔声、减振等性能。zGFRP最大的缺点是刚性差，它的弯曲弹性模量比钢材小十倍。其次是耐热性较低，一般连续使用温度在350以下。第5章博采众长复合材料典型热固性树脂基玻璃纤维复合材料的性质与应用范围：典型热固性树脂基玻璃纤维复合材料的性质与应用范围：第5章博采众长复合材料 玻璃纤维增强热塑性塑料（代号FR-TP）z原则上所有的热塑性树脂，如聚烯烃、聚醚、聚酰胺、聚酯、聚砜等都可作为复合材料基体。普通的热塑性基体包括通用塑料，如聚丙烯
12、(PP)、ABS树脂和工程塑料如聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)、聚苯醚(PPO)、聚酯(PET，PBT)等它们通常用2040的短纤维增强，拉伸强度和弹性模量可提高12倍，可明显改善蠕变性能，提高热变形温度和导热系数，降低线膨胀系数，增加尺寸稳定性，降低吸湿率，抑制应力开裂，提高疲劳性能。z玻璃纤维增强热塑性塑料与玻璃纤维增强热固性塑料相比玻璃纤维增强热塑性塑料与玻璃纤维增强热固性塑料相比，其突出的特点是具有更轻的密度，一般在1.11.6之间，为钢材的1/51/6；比强度高，蠕变性大大改善。因此作为工程材料广泛用于机械零部件、汽车、化工设备等。第5章博采众长复合材料常见玻璃纤维增强热塑性树脂的
13、性能和用途：常见玻璃纤维增强热塑性树脂的性能和用途：第5章博采众长复合材料高强度、高模量纤维树脂复合材料高强度、高模量纤维树脂复合材料z(1) 碳纤维树脂复合材料y碳纤维树脂复合材料以环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯为主要的基体树脂。碳纤维树脂复合材料是一种强度、刚度、耐热性均好的复合材料。z(2) 硼纤维树脂复合材料y硼纤维树脂复合材料主要指硼纤维增强环氧树脂和聚酰亚胺树脂。该种材料突出的优点是刚度好，它的刚度和弹性模量均高于碳纤维增强环氧树脂和聚酰亚胺树脂，是高强度高模量纤维增强塑料中性能最好的。z(3) 凯芙拉（Kevlar）纤维树脂复合材料第5章博采众长复合材料先进橡胶轮胎使汽车成为交通
14、主宰先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰赛车上使用的特殊轮胎赛车上使用的特殊轮胎第5章博采众长复合材料二、陶瓷基复合材料二、陶瓷基复合材料 通过在陶瓷材料中加入颗粒、晶须及纤维等便得到了陶瓷基复合材料。 特性： 具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性。应用： 目前已用于高速切削工具和内燃机部件上，如大功率内燃机的增压涡轮、航空航天器的热部件以及代替金属制造车辆发动机、石油化工容器、废物垃圾焚烧处理设备等。但由于这类材料发展较晚，其潜能尚待进一步发挥。第5章博采众长复合材料氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦第5章博采众长复合材料耐高温纤维制成的消
15、防人员的服装耐高温纤维制成的消防人员的服装第5章博采众长复合材料三、金属基复合材料三、金属基复合材料金属基复合材料就是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强的复合材料。分类：分类：第5章博采众长复合材料1、金属陶瓷、金属陶瓷（颗粒增强金属基复合材料）颗粒增强金属基复合材料）金属陶瓷金属陶瓷是发展最早的一类金属基复合材料。是金属为是发展最早的一类金属基复合材料。是金属为基体，陶瓷为增强相的非均质颗粒增强型的复合材料。基体，陶瓷为增强相的非均质颗粒增强型的复合材料。实际生产中，金属和陶瓷可按不同配比组成工具材料、高温结实际生产中，金属和陶瓷可按不同配比组成工具材料、高温结构材料和特殊性
16、能材料。构材料和特殊性能材料。以金属为主时一般作结构材料，以陶瓷为主时多为工具材料。以金属为主时一般作结构材料，以陶瓷为主时多为工具材料。 碳化物金属陶瓷是应用最广泛的金属陶瓷，通常以碳化物金属陶瓷是应用最广泛的金属陶瓷，通常以Co或或Ni作金作金属粘接剂。根据金属含量不同可作耐热结构材料或工具材料。属粘接剂。根据金属含量不同可作耐热结构材料或工具材料。 碳化物金属陶瓷作工具材料时通常称为硬质合金。碳化物金属陶瓷作工具材料时通常称为硬质合金。又称粉末冶金材料又称粉末冶金材料第5章博采众长复合材料粉末冶金材料粉末冶金材料是由几种金属粉末或金属与非金属粉末混匀是由几种金属粉末或金属与非金属粉末混匀
17、压制成型，并经过烧结而获得的材料。属多孔性压制成型，并经过烧结而获得的材料。属多孔性材料。材料。常见种类：常见种类：烧结减摩材料烧结减摩材料烧结钢烧结钢烧结摩擦材料烧结摩擦材料硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金 是以碳化钨（是以碳化钨（WC）或碳化钨与碳化钛或碳化钨与碳化钛 （TiC）等高熔点、高硬度的碳化物为基体，并加入钴（或等高熔点、高硬度的碳化物为基体，并加入钴（或镍）作为粘结剂的一种粉末冶金材料。镍）作为粘结剂的一种粉末冶金材料。性能特点：性能特点：硬度高、红硬性高（可达硬度高、红硬性高（可达9001000度）、耐磨性好。度）、耐磨性好。抗压强度高，但抗弯强度低；抗压强度高，但抗弯强度低
18、；弹性高但韧性低。弹性高但韧性低。种类：种类：钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金 如如YG6等等钨钴钛类硬质合金钨钴钛类硬质合金 如如YT15等等通用硬质合金通用硬质合金 如如YW1；YW2第5章博采众长复合材料第5章博采众长复合材料第5章博采众长复合材料硬质合金刀具硬质合金刀具机夹可转位式机夹可转位式机夹可转位式车刀第5章博采众长复合材料硬质合金铣刀硬质合金铣刀第5章博采众长复合材料2、纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料性能特点：性能特点： 基体材料一般为密度低、强度和模量高，并且耐高温性能好基体材料一般为密度低、强度和模量高，并且耐高温性能好的合金，以的合金，以SiC、Al2O3纤维及
19、高强度金属丝纤维为增强材料，所纤维及高强度金属丝纤维为增强材料，所以，这类复合材料具有比强度高、比模量高和耐高温等优点。以，这类复合材料具有比强度高、比模量高和耐高温等优点。应用：应用： 特别适合于作航天飞机主舱骨架支柱、发动机叶片、尾翼、特别适合于作航天飞机主舱骨架支柱、发动机叶片、尾翼、空间站结构材料。另外，在汽车构件保险杠、活塞连杆及自行车空间站结构材料。另外，在汽车构件保险杠、活塞连杆及自行车车架、体育运动器械上也得到了应用。车架、体育运动器械上也得到了应用。第5章博采众长复合材料典型金属基复合材料的性能：典型金属基复合材料的性能：第5章博采众长复合材料硼纤维金属基复合材料制成的火箭履
20、轴的管道输送部件硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件第5章博采众长复合材料美国美国B-2B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料第5章博采众长复合材料空客A380使用了创新的GLARE(玻璃纤维增强铝材料)材料 第5章博采众长复合材料四、碳四、碳/碳复合材料碳复合材料(C/C) z碳/碳复合材料(C/C)是由碳纤维及其制品(碳毡或碳布)增强的碳基复合材料。C/C的组成元素只有一个，即碳元素，因而C/C具有许多碳和石墨材料的优点。z如密度低和优异的热性能，即高的导热性、低热膨胀系数以及对热冲击不敏感等特性。z作为新型结构材
21、料，C/C还具有优异的力学性能，如高温下的高强度和模量，尤其是其随温度的升高，强度不但不降低，反而升高的特性以及高断裂韧性、低蠕变等性能。z碳/碳复合材料(C/C)成为目前唯一可用于高温达2800的高温复合材料。第5章博采众长复合材料zC/C复合材料自60年代问世以来，在航空航天、核能、军事以及许多民用工业领域受到极大关注，并得到迅速发展和广泛应用。z主要用作烧蚀材料和热结构材料。如导弹弹头和固体火箭发动机喷管、军用和民用飞机的刹车盘、赛车和摩托车的刹车系统、航天飞机的鼻锥和机翼前缘、航空发动机燃烧室、导向器、尾喷鱼鳞片和密封片及声挡板等，人体骨骼的替代材料以及代替不锈钢和钛合金作人造关节等。第5章博采众长复合材料第5章博采众长复合材料航天员走出返回舱航天员走出返回舱 （神五）（神五）航天员 ：杨利伟 第5章博采众长复合材料航天员走出返回舱航天员走出返回舱 （神六）（神六）航天员 ：费俊龙 聂海胜 第5章博采众长复合材料神州六号返回仓亮相珠海航展神州六号返回仓亮相珠海航展 第5章博采众长复合材料神六搭载的字画 第5章博采众长复合材料神七返回舱1
