东北大学复合材料总复习.模板

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1、复合材料学 目 录绪论绪论1 1 复合材料概论复合材料概论2 2 复合材料的基体复合材料的基体3 3 复合材料的增强材料复合材料的增强材料 4 4 复复合材料的界面合材料的界面5 5 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺6 6 复合理论复合理论绪论什么是材料？ 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分 。（百度百科）。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础（可以满足人类对

2、吃、穿、住、行的需求）。在人类历史的发展跟材料的发展密切相关，人类的历史进程是按材料的发展来区分的（石器时代、青铜器时代，铁器时代）。 20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。 材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由于材料多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。材料的用途 材料经过加工制成各种实物、燃料、物品、零件、机器最终满足人们对吃、穿、住、行、用、交流的需求。 吃：食材， 穿：布料，住：建材，行：工程材

3、料 通常本专业所指的材料为工程材料。 指具有一定性能，在特定条件下，能够承担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。 是用于制备各种工具，设备，以及交通工具的材料。不同的材料制成的零件在机器、设备、不同用具上发挥自己的作用最终保证了不同设备的正常运转。材料的获取 人类能够获取的材料及工具最早是从自然界中直接获得的，比如木材、石头、动物的骨骼等。 而随着人类社会的发展，人类开始发现并制造新的材料，比如金属材料，高分子材料，纤维材料等。绪论材料如何加工成设备零件生产准备生产准备毛坯制造毛坯制造机械加工机械加工装配调试装配调试（车，铣，车，铣，刨，磨，钻，刨，磨，钻，镗等镗等）（组装，组装，部装，总部

4、装，总装装）（铸造，锻铸造，锻造，焊接，造，焊接，冲压等冲压等）（市场调市场调查，购买查，购买原材料原材料）为改善加工性和提高材质的力学性为改善加工性和提高材质的力学性能，通常要进行热处理能，通常要进行热处理绪论金属材料的生产工艺绪论The Materials Science Tetrahedron材料科学四面体结构固有特性制作方法测定性能使用性能性能价格比Cost(price)performance绪论绪论材料的性能材料的性能 材料（零件）的失效使用寿命衣服，座椅，房屋，都有一定的使用寿命。零件也有一定的使用寿命，比如汽车发动机，跑了多少万公里以后就要进行更换。当材料制成的零件由于某种原因失

5、去承担某种功能的能力时，材料就发生了失效。机械零件的失效主要有磨损、断裂和腐蚀，而磨损失效占60%80%。绪论工程材料（我们通常所指的材料）指具有一定性能，在特定条件下，能够承担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。工程材料的分类：工程材料的分类： 按使用功能分类按使用功能分类 结构材料（结构材料（structural materialstructural material） 实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。 功能材料（功能材料（functional materialfunctional material） 理化功能为主，

6、力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。绪论 按成分分类按成分分类-三大类或四大类材料（包括复合三大类或四大类材料（包括复合材料）材料）绪论1.复合材料概述三大材料：三大材料：金属金属无机非金属无机非金属有机高分子有机高分子复合材料复合材料取长补短取长补短协同作用协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料11Chapter 9 Composites1.1复合材料的定义复合材料的定义国际标准化组织国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的：由两种以上在物理和化学

7、上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料物质组合起来而得到的一种多相固体材料 复合材料的特点之一复合材料的特点之一：是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不：是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能；具备的新性能；特点之二特点之二：是它的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工：是它的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的艺条件的保证等，使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。1.3 复

8、合材料的复合材料的结构结构通常是一个相为连续相，成为通常是一个相为连续相，成为基体基体；而另外一相是以独立的形态分布在整个；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为增强材料增强材料（增强（增强体、增强剂、增强相等）体、增强剂、增强相等）在基体和增强体之间存在着界面。在基体和增强体之间存在着界面。1.3 复合材料的复合材料的结构结构通常是一个相为连续相，成为通常是一个相为连续相，成为基体基体；而另外一相是以；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它

9、显著增强材料的性能，故常称为强材料的性能，故常称为增强材料增强材料（增强体、增强剂、（增强体、增强剂、增强相等）。增强相等）。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。在基体和增强体之间存在着界面。1.6 复合材料分类 聚合物基聚合物基复合材料复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；等）为基体； 金属基金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛

10、等）为基体；复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体； 无机非金属无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体按基体分类复合材料按功能分类按按增强材料形态增强材料形态分类分类1、纤维纤维增强复合材料：增强复合材料： a.连续连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；都位于复合材料的边界处； b.非连续非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；基体材料中；2、颗粒颗粒增强复合材料：增强复合材料：微小颗粒状增强材料

11、分散在基体微小颗粒状增强材料分散在基体中；中；3、板状板状增强体、增强体、编织复合材料：编织复合材料：以平面二维或立体三维以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。物为增强材料与基体复合而成。其它增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体其它增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 金属基复合材料的分类按复合材料的定义可分为1） 宏观组合型：其组成组分可用肉眼识别出来的兼备两种组分性能的材料，有包覆材料、涂镀材料、双金属及层压材料。2）微观强化型金属基复合材料其组分只有通过显微镜才能分辨出来，是以通过材料强度为主要目的的复合材料。n金属基复合材料n分散强化金属基复合材料n颗粒增强金属基

12、复合材料n纤维增强金属基复合材料n单层n多层n分层n混杂n连续纤维增强n不连续纤维增强n定向排列n多向排列n短纤维增强n晶须强化n定向排列n定向排列n随机排列n随机排列热塑性树脂热塑性树脂：热塑性树脂：是具有受热软化、冷却硬化的性能，而且不起化学反应，无论加热和冷却重复进行多少次，均能保持这种性能。凡具有热塑性树脂其分子结构都属线型。它包括含全部聚合树脂和部分缩合树脂。 热固性树脂：加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解。热固性树脂其分子结构为体型，它包括大部分的缩合树脂，热固性树脂的优点是耐热性高，受压不易变形。其缺点是机械性能较差。3 复合材料的增强材料在复合材料中，

13、凡是能提高基体材料力学性能的物质，均称为增强复合材料。纤维在复合材料中起增强作用是主要成力组分。它不仅能使材料显示出较高的抗拉强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，抗拉强度可以从600兆帕提高到1000兆帕，弹性模量可从3000兆帕提高到8000兆帕，其变形温度可以从85摄氏度提高到105摄氏度，使零下40摄氏度的冲击强度提高10倍。增强基的分类按来源： 天然和人造按形态：颗粒 ；纤维（长短之分，粗细之分）；晶须按物质结合键和物化性能： 陶瓷类氧化物：Al2 O3、 Al2 O3(SiO3)3、K2TiO3非氧化物：Si C、Si3 N4、

14、TiB2 高聚物类：聚芳酰胺纤维、聚乙烯纤维 金属类：金属丝，如：W、Mo 碳纤维类 玻璃纤维为什么玻璃纤维、具有很高的强度？第四章、复合材料的界面复合材料中实际存在的界面可以分为5类：复合材料的成型工艺制造金属基复合材料时必须注意的问题：1）纤维与基体金属的润湿性、结合性和反应性，即相容性问题。2） 纤维分布状态的控制。3） 制造过程中纤维因热学、力学方面的原因造成的损伤和劣化。4）纤维和基体金属的膨胀及制造时承受的残余应力的分布状态。5）纤维质量的稳定性。6）适于工业化生产，便于质量控制的制造方法。2 纤维增强金属基复合材料的复合成形颗粒增强金属基复合材料复合成形法5.4 颗粒增强金属基复

15、合材料的成形方法粉末冶金法热轧法机械合金化法固态法液态法重力铸造法压铸法离心铸造法电磁场铸造法喷雾铸造法半固态复合铸造法1）固态成形法（1） 粉末冶金法如典型的WC-Co超硬质合金就是用粉末冶金法生产，还有碳化硅铝复合材料（2）热轧法用热轧法制造颗粒增强金属基复合材料时，可将作为基体的各种金属粉末等混入作为增强粒子的各种陶瓷颗粒，或将粉末混合料堆积在Al、低碳钢或不锈钢等金属板材上，在保护性气氛下加热，使基体金属粉末或板材加热至半熔融状态，保温一定时间后进行轧制，制成既有较高韧性，表面又耐磨、耐热的表面复合材料。如：在钢管中加入铸铁粉、碳化硅粉，加热至半熔融状态，轧制，切分成表面复合材料。2）

16、 液态复合法：它是将密度与液体金属不同的颗粒等增强材料直接加入液体金属进行复合成形。如Mg/SiC，主要问题：颗粒增强材料的加入和均匀分散（1）颗粒的加入方法A 气流喷入法：将颗粒增强材料用惰性气体作载体喷入到金属液中。B 在浇注过程中加入金属流中C 块状加入：用增强颗粒和基体金属粉末的混合块往比重大的金属液里添加时，不压入是难以成功的，但可以把铝粉和Cu或Ni涂覆过的石墨粉末混合物压成块加入到Al合金液体内。（2) 金属液搅拌法A 旋涡法：用叶轮使金属液旋转形成旋涡，将加入的颗粒及短纤维卷入金属液内。用于10微米以上的颗粒。5.5 定向凝固法 定向凝固定向结晶，是使金属或合金由液相中定向生长

17、晶体的一种方法。用于制造单晶、柱状晶和自生复合材料。对于共晶合金，采用定向凝固方法，通过合理控制工艺参数，可使基体和增强相均匀相间，定向整齐排列。当增强相按凝固方向长成细长的晶须时，就可得到晶须增强复合材料。这种复合材料有以下优点：1）第二相是在结晶凝固过程中析出的，两相界面结合牢固，界面强度高，利于应力传递。同时避免了润湿、化学反应和相容性问题。2）由于两相是在高温接近热力学平衡条件下缓慢生长而成，两界面处于低界面能状态，具有良好的热稳定性。3） 纤维分布均匀。如：Ni基与碳化物构成的共晶合金性能超过常用合金的高温合金，有“共晶高温合金”之称。定向凝固的工艺方法定向凝固的主要工艺参数：1）凝

18、固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度G2）固液界面向前推进速度，即晶体凝固速度R。G/R是控制晶体长大的重要判据，应使：G/Rm(C-CE)/DT/D式中： m液相线的斜率 C-CE对共晶成分CE的成分偏差 D液相中溶质原子的扩散系数 T固液共存的温度范围定向凝固的方法：发热剂法、功率降低法、快速凝固法、液体金属冷却法、液体流动床法、定边供膜生长法定向凝固过程及组织示意图Ni基高温合金飞机发动机叶片5.3 半固态复合铸造半固态铸造是将固液态金属或合金浆液铸造成形的方法。对正在凝固的金属或合金进行强烈搅拌，虽然随着温度的下降合金中固相组分不断增加，当增加到4060甚至更高时，这种合金仍象糊状浆料

19、一样，具有良好的流动性，并带有粘性，即流变性，将其直接压铸成形，叫做半固态流变铸造或流变铸造。半固态触变成形或铸造：熔化制备半固态浆料铸造再加热至半固态（固态状态）搬运压力凝固成形液固相轧制复合层状金属复合材料的制备方法铸造复合PPT液态液态液态固态固态固态300440454045(b)3004404530044045(b)(a)3004 4045固-固轧制复合4 爆炸焊接利用炸药爆炸的能量把两层或两层以上的金属板或者预制带结合在一起的一种加工方法。主要用于金属层合板和金属纤维增强金属复合材料特点：1）结合力大2）能使其它方法无法结合的异种金属结合在一起3）与焊接法相比，受到热影响的区域小。4

20、）可进行多达几十层层合材料的加工。第六章 复合理论6.1 复合强度理论6.2 复合材料的相容性6.3 基体与增强基的润湿性6.1 复合强度理论 6.1.1分散强化原理（分散强化原理（Vp=1015%）分散强化复合材料是由细微硬质点与金属基体复合而成。作为增强剂的硬质点主要是金属氧化物、碳化物和硼化物等。分散强化原理：与析出强化机理相似，可用Orowan位错绕过机制说明。载荷主要由基体负担，分散硬质点阻碍基体中的位错运动，质点阻止位错运动能力越大，强化效果越好。在切应力 的作用下，位错滑移，遇到硬质点位错线弯曲，位错弯曲部分曲率半径R为：式中：Gm基体剪切模量 b柏氏矢量若质点间距为Dp，在剪应

21、力的作用下，位错线曲率半径RDp/2时，复合材料产生塑性变形，此时剪应力为复合材料的屈服强度：如果质点直径为d，体积分数为Vp，质点弥散且均匀分布，根据体式金相学有如下关系：可得：因此：质点尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好，一般Vp=1015%，d0.10.01um6.1.2 颗粒增强原理颗粒增强复合材料是由尺寸较大（1微米）的坚硬颗粒与金属基体复合而成。载荷主要由基体承受，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形。颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好。在外力作用下，基体内位错的滑移在基体颗粒界面上受到阻止，并在颗粒上产生应力集中，其值：i 由位错理论，应力集中因子为：得到：当应力集中达到

22、颗粒断裂强度时，颗粒开始破坏，产生裂纹，引起复合材料变形，有：因此颗粒增强复合材料的屈服强度为：把质点直径、体积分数和质点间距的关系式代入得：因此：质点尺寸越小，体积分数越高，强度越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。在实际用的颗粒增强复合材料中，增强颗粒直径为150微米，体积分数为550。6.1.3 纤维增强原理纤维增强复合材料是由连续纤维或不连续（短）纤维与金属基体复合而成。复合材料受力时，高强度、高模量的增强纤维承受大部分载荷，而基体主要作为媒介，传递和分散载荷。通常纤维增强复合材料的弹性模量和断裂强度与各组分性能关系如下：强度增强率：复合材料强度与基体强度之比，它表示复合材料的增强效果。

23、分散强化的强度增强率：颗粒增强复合材料强度增强率：在分散强化和颗粒增强复合材料中，强度增强率与质点或颗粒体积分数、直径及其分布有关，一般说，质点越细，增强率F越大。分散强化时，质点尺寸在0.10.01微米时，F415。质点再细就容易形成固溶体，质点较大，在0.11微米时，F13，增强效果不明显：主要质点尺寸在此范围内易产生应力集中，强度下降。当Vf一定时， 比越大，纤维承受载荷越大，增强作用就越大。因此复合材料要采用高强度、高模量的增强纤维，而基体用低强度、复合材料要采用高强度、高模量的增强纤维，而基体用低强度、低模量的材料，但基体韧性要好低模量的材料，但基体韧性要好当 值一定时， Vf值越大

24、，纤维贡献越大。理论计算Vf最大可达0.9069，但实际Vf大于0.80时，复合材料的强度不但不随纤维含量的增大，反而下降。这是因为纤维太多，没有足够的基体去润湿和渗入纤维，造成纤维粘结不好，有空隙，因此强度不高。实际使用体积分数为0.30.6纤维强化时的强度增强率： 复合材料变形第二阶段:纤维的弹性模量大于基体，纤维仍然弹性变 形，基体已经屈服，即进入塑性变形。 由于载荷主要由纤维承担，随变形增加，纤维载荷增加快，当达到 纤维破 断强度 时，复合材料破坏，这时基体仍在塑性变形阶段。如果设纤维破断应变为 ，这基体拉伸应力为 ，复合材料的强度为：6.2 复合材料的相容性复合材料的相容性：指在加工

25、和使用过程中，复合材料中各组元之间的相互配合程度。复合材料的相容性包括：1） 物理相容：主要指在应力作用下和热变化时，材料性能和材料常数之间的关系。（1）力学相容：主要指基体应有足够韧性和强度，能将外部载荷均匀地传到增强物上，而不会产生明显地不连续现象。（2）热相容：指基体和增强材料在热膨胀时相互配合地程度。2）化学相容性（1）化学热力学相容：要求复合材料中两相热力学平衡，或者发生有害反应的化学动力学十分缓慢。化学相容也是基体与增强材料之间化学反应问题，有的组分希望通过反应来促进基体和增强材料之间的结合，有的则希望避免某些反应以减少纤维损伤或在界面形成硬脆相。如FeAl（2） 动力学相容：即反

26、应速度问题在界面部分叙述。基体与增强材料之间的相互作用类型1） 基体与纤维不互相作用，也不互溶； 如AlB，在最佳工艺条件下，铝表面存在氧化膜保护基体与增强材料不反应。Cu不锈钢，AlSiC。2）基体与纤维间不发生化学反应，但互溶。NiW , NiC.3）基体与纤维间发生化学反应，在界面上生产化合物。如AlB，当铝表面氧化膜破坏，基体与增强材料反应，形成化合物。6.3 金属基体与增强材料的润湿性液体对固体的润湿性：就是液体在固体表面铺开的能力。如果固体表面能超过液体表面能，则液体在固体表面上铺开，即液体润湿固体。润湿程度可用二者之间的接触角表示，平衡时：得： 如果 ，液体不能润湿固体，如果 ，

27、则能 润湿固体。液体与固体之间的粘结程度可用粘着功来度量粘着功W：指在固体真空界面和液体饱和蒸气界面形成单位面积固液相界面所需得功。 用接触角表示：表明：固体与液体的表面能除消耗于形成固液界面所需能量外，多余部分转化为粘着功，粘着功越大，液体于固体结合强度越高，当 时，即固体和液体表面能完全贡献给形成新的固液界面时，W=0， ，即液体不能润湿固体。当 ，液体在固体表面完全铺开。铺开因子S可表示为： 时，液体能在固体表面铺开；S=0时，液体能完全铺开。降低固体增强材料与液体金属界面张力和提高固体表面张力，可以减小接触角，有利于润湿，并能增加粘结强度。因此可以采取下列措施来降低液体金属与固体增强材

28、料的接触角，改进润湿：1） 改变固体增强材料的表面状态及化学成分。 如对纤维表面进行表面处理（清洗、涂层，C纤维涂TiB)，对于颗粒增强：除去颗粒表面吸附的气体和水分。2）改变液体金属中的化学成分（1）在基体中添加合金元素，如AlC系中，向铝液中加入Ti、Nb等这些元素可以与C反应，生产碳化物来改进铝对碳纤维的润湿（2）添加某些元素可使液体表面能减少，固液界面能减少，及生成化合物，也可改进润湿。如向铝合金液体中加入碱性元素Li、Mg、Ca、Ti等都可以有效改善铝合金液体对石墨、氧化铝、碳化硅氧化镐等颗粒的润湿。3）改变加工温度提高加工温度可减少液体金属基体与固体增强材料的接触角，改进润湿。如低于1000 时铝不能润湿石墨，但高于1000 时，可使接触角小于90度。4） 改变工作环境气氛。主要通过气氛来改变 和5)提高液相压力有人导出如下公式，认为渗透力与毛细压力P成正比：当 ，P为正，液体金属在毛细压力驱使下可渗进纤维；当 ，P为负，液体金属不能渗入，只有在外加压力下才能深入。