【大学课件】复合材料PPT.pptx

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1、复合材料复合材料Chapter 9 Composites1http:/ 主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出版社，1998鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，2004ASM International,Engineered materials handbook,Composites,Vol.1,Metals,Park,1987http:/ 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

2、无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料5http:/ 材料大词典材料大词典：复合材料是根据应用进行设计，复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。成的一类新型材料。6http:/ and Reinforcement基体基体连续相连续相增强材料增强材料分散相分散相也称为增强体、增强剂、增强相等也称为增强体、增强剂、增强相等显著显著增强材料的增强材料的性能性能多数多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大情况下，分散相

3、较基体硬，刚度和强度较基体大。可以可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。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。9http:/ illustration of composite constituentshttp:/ 动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 古代：使用、效仿 半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆 11http:/ 1965年英国科学家研制出碳纤维年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉年美国杜邦公司开发出

4、开芙拉-49 1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：第三代：1980年到年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料年，碳纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代：第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。如智能复合材料和梯度功能材料等。12http:/ 复合材料的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

5、：增强复合材料：a.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.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 2、颗粒颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3 3、板状板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体其

6、他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 13http:/ of composites14http:/ 玻璃玻璃纤维复合材料；纤维复合材料；碳纤维碳纤维复合材料；复合材料；有机纤维有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；维等）复合材料；金属纤维金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；陶瓷纤维陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。混杂混杂复合材料：复合材料：两种两种或两种以上增强或两种以上增强体体与同一基体与同一基体制成的制成的复合材料复合

7、材料可以可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的即复合材料的“复合材料复合材料”。15http:/ 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、热塑以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；性树脂及橡胶等）为基体；金属基金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；无机非金属基无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。泥）为基体。16http:/ 结构结构复合材料：用于制造受力构件；复合材料：用于制

8、造受力构件；功能功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。同质同质复合材料（增强材料和基体材料属于同复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳种物质，如碳/碳复合材料）碳复合材料）异质异质复合材料（复合材料多属此类）。复合材料（复合材料多属此类）。17http:/ 碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶18http:/ 非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用 金属基复合材料金属基复合材料 开发阶

9、段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决19http:/ 复合材料的基体材料 复合材料的原材料：复合材料的原材料：基体材料基体材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料聚合物材料聚合物材料增强材料增强材料纤维纤维晶须晶须颗粒颗粒21http:/ 金属基体材料9.3.1.1 选择基体的原则选择基体的原则目前用作金属基复合材料的金属有目前用作金属基复合材料的金属有铝铝及铝合金、及铝合金、镁镁合金、合金、钛钛合金、合金、镍镍合金、合金、铜铜与铜合金、

10、与铜合金、锌锌合合金、铅、钛铝、镍铝金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物金属间化合物等。等。基体材料成分的选择对能否基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点体金属和增强物性能特点，获得预期的，获得预期的优异综优异综合性能合性能，满足使用要求十分重要。，满足使用要求十分重要。22http:/ 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构件的金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据体材料最重要的依据。在在航天、航空技术航天、航空技术中中高比强度和比模量高比强度和比模量以及以及尺寸稳定尺寸稳定性性是最重

11、要的性能要求。是最重要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨镁、石墨/铝、硼铝、硼/铝复合铝复合材料。材料。23http:/ 金属基复合材料组成特点金属基复合材料组成特点连续连续纤维增强金属基复合材料，纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物纤维是主要承载物体体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维。的强度和模量远远

12、低于纤维。连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是是以充分发挥增强纤维的性能为主以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与，基体本身应与纤维有纤维有良好的相容性和塑性良好的相容性和塑性，而，而并不要求并不要求基体本身基体本身有很高的强度。有很高的强度。26http:/ 基体金属与增强物的基体金属与增强物的相容性相容性金属基复合材料需要在金属基复合材料需要在高温高温下成型，制备下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生金属之间很容易发生化学反应化学反应，在界面形成反应，在界面

13、形成反应层。界面层。界面反应层反应层大多是大多是脆性脆性的，当反应层达到一的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。维断裂，导致复合材料整体破坏。29http:/ 在金属在金属基体基体中添加其他成分中添加其他成分 选择适宜的选择适宜的成型成型方法方法 缩短材料在高温下的停留缩短材料在高温下的停留时间时间等。等。30http:/ 结构复合材料的基体结构复合材料的基体分为分为轻金属轻金属基体和基体和耐热耐热合金基体合金基体 用

14、于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等 用于用于450700的复合材料的金属基体的复合材料的金属基体钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在在450450700700使用，用于航空发动机等零件。使用，用于航空发动机等零件。用于用于10001000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属

15、间化合物。较成熟基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。于研究阶段。31http:/ 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体要求材料和器件具有优良的要求材料和器件具有优良的综合物理性能综合物理性能，如同时具如同时具有有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而

16、要靠靠优化设计和先进制造技术优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合将金属与增强物做成复合材料来满足需求。材料来满足需求。主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。铅、锌等金属。32http:/ 陶瓷基体在陶瓷基体中添加其他成分（如陶瓷粒子、纤维或晶须）可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。高强度的碳化硅晶须容易掺混在陶瓷基体中，增强陶瓷的作用明显。用作基体材料的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。35http:/ 聚合物基体 9.3.3.1

17、 聚合物基体的种类聚合物基体的种类不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物热塑性聚合物等。等。不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的合材料用树脂总量的80%80%以上。以上。39http:/ 邻苯型不饱和聚酯：间苯型不饱和聚酯：双酚型不饱和聚酯：41http:/ 双酚型环氧树脂：酚醛环氧树脂：43http:/ 聚合物基体的作用聚合物基体的作用把纤维粘在一起；把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；分配纤维间的载

18、荷；保护纤维不受环境影响。保护纤维不受环境影响。用作基体的用作基体的理想材料理想材料，其原始状态应该是低粘度的液，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。粘住。尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。45http:/ 复合材料的增强相增增强强材材料料（增增强强体体、增增强强剂剂等等）分分散散在基体内以改进其机械性能的高强度材料在基体内以改进其机械性能的高强度材料分类分类

19、纤维及其织物纤维及其织物晶须晶须颗粒颗粒小片状、板状小片状、板状48http:/ of reinforced compositeshttp:/ 纤维增强体天然纤维植物纤维（棉花、麻类）、动物纤维（丝、毛）和矿物纤维（石棉）。强度较低现代复合材料的增强材料用合成纤维有机纤维无机纤维。50http:/ of fiber reinforcement orientationhttp:/ 芳香族酰胺纤维Aromatic Polymide Fibre,Kevlar,KF特点：高强度、高模量和韧性好等密度较低，而比强度极高，超过玻璃纤维、碳纤维和硼纤维比模量与碳纤维相近，超过玻璃、钢、铝等。由于韧性好，它不

20、象碳纤维、硼纤维那样脆，因而便于纺织。常和碳纤维混杂，提高纤维复合材料的耐冲击性。Kevlar纤维属于自熄性材料。52http:/ 聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。通常分子量大于106，拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为116GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。不足之处是熔点较低（约135）和高温容易蠕变。因此仅能在100以下使用，可用于制做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等54http:/ 玻璃纤维（Glass

21、 Fibre,GF或Gt）由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。由于质地柔软，因此可以纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。价格便宜，品种多，适于编织各种玻璃布，作为增强材料广泛用于航空航天、建筑领域及日常用品。缺点是不耐磨，易折断，易受机械损伤，长期放置强度下降。55http:/ 56http:/ 聚合物基玻璃钢天线反射面玻璃钢天线反射面玻璃钢建筑材料用于玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢上海东方明珠电视塔大堂装潢58http:/ 碳纤维（Carbon Fibre,CF或Cf）纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。生产碳纤维的原料主要为人

22、造丝（粘胶纤维）、聚丙烯烃和沥青三种，其中以聚丙烯烃最为主要。按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。60http:/ Matrix Composites，PMC 普通型普通型 高强度型高强度型 高弹性模量型高弹性模量型 61http:/ polyacrylonitrile(聚丙烯腈，PAN)to form carbon fibershttp:/ 硼纤维（Boron Fibre，BF或Bf）通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100m、140m、200m几种。硼纤维的特点硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，

23、硼纤维的密度为2.42.65g/cm3，拉伸强度为3.25.2GPa，弹性模量为350400GPa。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。66http:/ 氧化铝纤维Aluminia Fibre，AF多晶连续纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。优点：具有优良的耐热性和抗氧化性，直到370强度仍下降不大。缺点：在所有纤维中密度最大。用途：主要用于金属基复合材料。69http:/ 碳化硅纤维Silicon Carbide Fibre，SF目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。特点：高强度高模量有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。具有半导体

24、性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。70http:/ 晶须增强体晶须（Wisker）：具有一定长径比（一般大于10）和截面积小于5210-5cm2的单晶纤维材料。具有实用价值的晶须直径约为110m，长度与直径比在51000之间。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。72http:/ 颗粒增强体 Particle Reinforcement颗粒增强体：用以改善基体材料性能的颗粒状材料颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。颗粒增强体成本低，易于批量生产。75http:/ Particle Reinforcement）76ht

25、tp:/ Particle Reinforcement）主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。78http:/ 复合材料的复合原理79http:/ 混合法则（mixing rule）Pc：复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；Pi：各组分材料的对应复合材料的某性能；V：组成复合材料各组分的体积百分比；i：表示组成复合材料的组分数。80http:/ 增韧机制83http:/ 界面作用在基体和分散相之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面界面。复合材料的界面实质上是具有

26、纳米级以上厚度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为界面相。界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的一个指标。对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或过弱都不利于材料的力学性能。85http:/ 机械结合机械结合静电作用静电作用界面扩散界面扩散界面反应界面反应86http:/ 复合材料的成型工艺9.6.1 聚合物基复合材料的成型工艺 聚合物基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型工艺。成型工艺包括两方面成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状，固化，即使已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响

27、下使形状固定下来，并能达到预计的性能要求。87http:/ 目前在生产中采用的成型工艺方法有：1.手糊成型显法铺层2.真空袋压法成型3.压力袋成型4.树脂注射和树脂传递成型5.喷射成型6.真空辅助树脂注射成型7.夹层结构成型8.模压成型88http:/ 挤出成型示意图挤出成型示意图1-转动机构；转动机构；2-止推轴承；止推轴承；3-料斗；料斗；4-冷却系统；冷却系统；5-加热器；加热器；6-螺杆；螺杆；7-机筒；机筒；8-滤板；滤板；9-机头孔机头孔型型909.6.2 金属基复合材料的成型技术工艺研究主要内容：金属基体与增强材料的结合和结合方式；金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形

28、成及控制；增强材料在金属基体中的分布；防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。91http:/ 94http:/ 陶瓷基复合材料的制备工艺1纤维增强陶瓷基复合材料的制备1）泥浆烧铸法这种方法是在陶瓷泥浆中把纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老，不受制品形状的限制，但对提高产品性能的效果不显著，成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。95http:/ 石墨纤维增强LiOAl2O3nSiO2用石墨纤维作增强体，以氧化锂、氧化铝和石英组成的复盐为基体。把复盐先制成泥浆，然后使其附着在石墨纤维毡上，把这种毡片无规则地积层，并在

29、1375 1425热压5分钟，压力为7MPa。所得复合材料与基体材料相比更耐力学冲击和耐热冲击。99http:/ 碳纤维增强无定型二氧化硅基体为无定型二氧化硅，增强体为碳纤维，碳纤维的含量约50%左右。这种复合材料沿纤维方向的弯曲模量可达150GPa，而且在800时仍能保持在100GPa，在室温和800时的弯曲强度却达到了300MPa。在冷水和1200之间进行热冲击实验，基体没有产生裂纹。实验后测定的强度与实验前完相同。冲击功为1.1J/cm2。100http:/ 混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：经一次干燥制成粉末坯料后供给成型工序；把结合剂添加于料浆中，不干燥坯料，保持浆状供给成型工序；用压滤机将料浆状的粉脱水后成坯料供给成型工序。103http:/