《复合材料概论》PPT课件

复 合 材 料 概 论,目 录,1、概述 6、金属基复合材料 2、基体材料 7、陶瓷基复合材料 3、增强材料 8、水泥基复合材料 4、复合界面 9、C/C复合材料 5、聚合物基复合材料 10、混杂纤维复合材料,1、概 述,一、定义 由两种或两种以上，物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料。 复合材料的组成相： 增强相 - 纤维、晶须、颗粒。（不连续相） 基体相 - 金属、陶瓷、聚合物。（连续相）,增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。 基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。,例如：,天然木材 - 纤维素纤维 + 木质素 钢筋混凝土- 砂、石、钢筋 + 水泥 玻璃钢 - 玻璃纤维 + 热固性树脂 C/C复合材料 - 石墨碳纤维 + 热解碳或树脂碳 （耐烧蚀）,1、按基体材料分 树脂基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等 60年代 金属基：Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co及其合金 70年代 陶瓷基：Al2O3、ZrO2及非氧化物 80年代 2、按增强相形状分 颗粒 均布、各向同性 纤维（长、短纤维和晶须） 各向异性或同性 层片 各向异性,二、复合材料的分类,3.按应用目的分 树脂基 250 金属基 600 陶瓷基 1500 碳/碳 3000 水泥基 换能 热电、光电、声电等 阻尼吸声 导电导磁 屏蔽 摩擦磨耗 烧蚀,功能复合材料 （注重物理性能）,结构复合材料 （注重力学性能）,性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。 1、主要取决于增强相的性能 .比强度比刚度高 .冲击韧性和断裂韧性高 .耐疲劳性好 .减震性 .热膨胀系数小,三. 复合材料的性能比较,裂纹扩展示意图,各种材料的比强度和比模量,、硬度 陶瓷基 金属基 树脂基 、耐热性 树脂基: 60 250 金属基: 400 600 陶瓷基: 1000 1500 、耐自然老化 陶瓷基 金属基 树脂基,2、取决于基体相的性能,、导热导电性 金属基 陶瓷基 树脂基 、耐蚀性 陶瓷基和树脂基 金属基 、工艺性及生产成本 陶瓷基 金属基 树脂基,1、设计的三个层次： 单层设计 - 微观力学方法 层合体设计 - 宏观力学方法 产品结构设计 - 结构力学方法 单层材料的性能 取决于增强相、基体相和结合界面的力学性能，增强相的含量、分布方向等。 设计内容包括正确选择原料的种类和配比。,四、复合材料设计特点,层合体设计,层合体的性能 取决于单层材料的力学性能和铺层方法（厚度、纤维交叉方式、顺序等）。 设计内容包括：对铺层方案作出合理的安排。 产品结构性能 取决于层合体的力学性能、结构几何、组合与连接方式。 设计内容：最终确定产品结构的形状、尺寸、连接方法等。,2、特点： 性能可设计性强 （可调因素多） 材料设计与结构设计相关联 性能预测性差 如: 加和法 没有考虑界面结合的影响，预测性很差。,2. 基体材料,基体的作用: 固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。 选材原则： 强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。 两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。,相容性： 化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。 环境适应性： 耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。 工艺性： 制备是否方便，成本是否廉等。,一、聚合物基,特点： 一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好； 可选择的增强材料范围广泛，成本最低。 研究与应用： 发展最早，品种最多，应用最广。 可选材料： 几乎所有的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、粘结剂。,1、热固性聚合物 （-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-） .不饱和聚酯树脂 由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线 型预聚体。 + a.结构特征： 饱和二元酸结构 不饱和二元酸结构,b.固化： 固化剂 - 乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。 引发剂 - 过氧化物（加热固化） 促进剂 - 苯胺类和有机钴。室温固化。,c.特点 粘度低，工艺性好。 综合性能好，价廉，用量约占80% 。 苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度 和模量较低。 一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制 作次受力件。,双酚型 CH2 - CH - CH2Cl + n(HO - - R - - OH),(2)、环氧树脂,环氧氯丙烷,二酚基化合物,通式：线性预聚体 CH2 - CH - CH2 O - - R - - O n,其中R:,CH3 - C - CH3 A 丙基,- CH2 - F 亚甲基,O - S - O S 砜,双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。 固化特点： 环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。,b. 非双酚型,链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。 三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。,c. 胺基环氧 结构中含高极性的酰胺键（-NHCO-），粘结性好，力学性能较高；但耐水性差，电性能有所下降。 d. 脂环族环氧 结构中不含苯环，含脂环 ，稳定性更高，热学性能好，耐紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。 e. 脂肪族环氧 - 高韧性环氧 无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。,环氧树脂固化： 环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。 常用固化剂： 二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性会有一定的影响。 潜伏剂： 单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺，室温下可存放6个月，145 165下，80min可固化。,环氧树脂特点： 粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料 强度高，尺寸稳定。 电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。 耐酸碱耐溶剂性强。 热稳定性良好。,(3)酚醛树脂 由酚 和醛 缩合而成。 酚/醛 0.9，碱催化可得体型热固性树脂。 固化： 加热固化 加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。 碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。,O H C - H,OH ,1,5,3,特点： 耐热性高，可达315。价格最低。粘附性较 差，收缩率大,气孔率高，性脆。 改性： 引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛 降低树脂中 -OH 基的含量。如：以苯胺或二甲 苯取代部分苯酚。提高电性能。 硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能 均提高。,应用：,酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量高78，碳化收率达63，因此可用于制作烧蚀材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。,2.热塑性聚合物 与热固性聚合物相比： 力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。 工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。 CH3 聚丙烯 CH - CH2 n 柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。 . 聚酰胺（尼龙）CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH 链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度100，吸水率高。 常用品种：尼龙6、66、1010、610等。,(3)聚碳酸酯 由双酚A的钠盐与碳酸双酰氯缩聚而成 刚性苯环，Tm = 225 250, Tg = 145；变形 小，抗蠕变，尺寸稳定。可与玻璃纤维和碳纤维复合。,(4)聚砜 以砜和苯环连结成硬性链，可在100150下长期使用，Tg 200；S+6处于最高价，抗氧化，耐辐射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达300。 可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。 此外：耐高温的聚酰亚胺、双马来酰亚胺等杂环结构的聚合物，耐温可达300400，也常作为复合材料的基材。,Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Co、Zn、Pb及其合金，金属间化合物（TiAl、NiAl等） 选材原则： 1使用要求 航天航空：选轻金属 Al、Mg及其合金 高性能发动机： Ti、Ni及其合金 汽车发动机活塞汽缸套： Al合金 工模具： Fe、Co、Ni、Ag、Cu 集成电路散热元件： Ag、Cu、Al,二. 金属基材料,2.环境温度 450 Al、Mg 450700 Ti合金 7001000 Ni、Fe、Co耐热合金或金属间化合物 3.纤维长度 与长纤维复合： 纤维承载，宜选纯金属。 与短纤维复合： 基体承载，宜选合金。 4.相容性 Al、Mg Tm低，化学活性高 Cu、Ag、Ni Tm高，化学活性低 Ti Tm高，化学活性高,目的：增韧 基体材料：新型陶瓷 Al2O3、ZrO2、MgO、SiO2、莫来石 TiC、SiC Si3N4、Sialon TiB2、Be2B、Be4B MoSi2,三. 陶瓷材料,3. 增强材料,玻璃纤维 低档 2040元/Kg 碳纤维 高档 6001000元/ Kg 芳纶纤维 中档 200400元/ Kg SiC纤维 B纤维 Al2O3纤维 金属丝,金属和陶瓷基,1.品种 有碱玻璃纤维 A Na-Ca-Si系普通玻璃（Na2O15%） 中碱玻璃纤维 Na2O (10.512.5%) 用量少 无碱玻璃纤维 E Ca-Al-B-Si系 用量大 高强玻璃纤维 S Mg-Al-Si系 或B2O3系 高弹玻璃纤维 M S系中加入BeO,一. 玻璃纤维GF,2.GF的制备 制玻璃球 铂金坩埚熔融 小漏孔拉丝 （102、204、408孔） 涂浸润剂 并股成纱 纺织成布、毡或带。,粗纱 30m 无捻粗纱、无纺布 初级纱 20m 短切纤维、纤维毡 中级纱 1020m 高级纱 310m 纺织 浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有： 石蜡乳液 复合前须清除 聚醋酸乙烯酯 不必清除 改性有机硅类 不必清除,3.GF的性能 (1).力学性能 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级； 直径d, 强度；长度，强度。 弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。 因密度低2.5，比模量高。 断裂延伸率：低 3% (2).热学性能 导热系数：比块玻璃低12个数量级 耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤 500; 耐热玻纤(石英，高硅氧) 1200,(3).电性能 碱玻璃电绝缘性差，随温度、湿度，绝缘性。 无碱玻璃电绝缘性好。 (4). 耐蚀性 纤维比表面积大，化学稳定性差。加入网络形成体可改善耐蚀性。 无碱玻璃耐水性好。 中碱玻璃耐酸性好。 无碱和中碱玻纤耐碱性相近。,二、碳纤维CF,由有机纤维经高温固相反应（脱氢、交联、环化、石墨化）而得，主要成分为碳的无机纤维。 具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。 由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构件，如航天航空、高档体育器材中。,1品种 分高强、高模、中模和低性能碳纤维 聚丙烯腈基纤维 高、中性能碳纤维 人造丝基(粘胶)纤维 沥青基纤维 低性能碳纤维 其它(多环结构的天然纤维),原料选择原则：,C链结构，杂链结构只能成碳黑。 易于交联、环化，碳收率高。 主链内含有环状结构、硬性、结晶度高的纤维。,2制备方法,碳化法 生产长纤维 拉丝： 制有机长纤维 牵伸： 规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。 氧化稳定：低温，400 ，防止热塑化。 碳化： 10002000，保护性气氛下，脱氢、交联、环化， 得乱层环状石墨。 石墨化： 20003000，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成 聚合碳结晶，并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增 高，热膨胀系数下降。但温度过高强度反而下降。 气相法 生产短纤维 高温分解小分子有机物，气相沉积纤维结晶。,3.CF 性能 力学性能 强度约为GF的2倍 模量约为GF的35倍 密度低1.72，所以比强度、比模量高。 断裂延伸率0.52% 热学性能 升华温度高达3800，耐高温性好。热膨胀系数小，纵向为负。,物理性能 导热、导电、自润滑。 化学性能 耐酸碱性强，高温抗氧化性差。C纤维电极电位为正，与金属复合易引起电偶腐蚀。,高强度有机纤维，由对苯二酰与对苯二胺缩聚而成。,结构与尼龙相似，含大量的高极性酰胺键， 但含苯环硬性链。,型,型,三. 芳纶纤维KF,1性能 力学性能 纵向拉伸强度与CF相当； 密度低1.44，比强度大。 横向强度低。 弹性模量CF KF GF 抗冲击性能很好。 热学性能 长期使用 200 热膨胀系数纵向为负 化学性能 耐中性化学品腐蚀，吸水率高。,2.应用,航天航空：温度不高的高强度结构受力件 军事：防弹器件 民用：高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、皮带的加强纤维。,四.其它纤维 1. SiC纤维 采用化学气相沉积法，将SiC沉积在W丝或C纤维表 面而得。 强度、模量与C纤维相近，耐高温达1000，耐腐蚀、耐辐射。 可用于要求耐热的高强度结构件，主要与金属基和陶瓷基复合。 特点：共价键，相容性好，与基体结合强度高。,2.B纤维 气相法将B沉积在W丝或C纤维表面而得。 拉伸强度不高300MPa 突出特点：弹性模量高，相容性较好。 主要用于金属和陶瓷增强。 3.Al2O3纤维 熔融垂直拉单晶的方法制备，价贵; 高温不存在氧化问题，与金属等复合容易; 抗拉强度比GF高3倍，电学性能优良； 不足之处是密度高3.20g/cm3,4. 晶须 陶瓷晶须 金属晶须 是目前强度最高的品种，接近理论强度，比相应的长纤维高一个数量级。 复合增强效果不及长纤维，只能作为补强剂使用。 价贵，用量有限。,E,A,210,47,96,4. 复合界面,复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过界面偶合，它起着传递应力，阻断裂纹扩展，散射吸收各种电磁波，电偶腐蚀等作用。 复合过程中，液体材料通过润湿、渗透、 扩散和化学反应形成一层成分、结构不 同于两相的过渡层微区界面。 基体扩散层化合物层 扩散层纤维,基体,纤维,1.物理结合 （机械咬合 + 次价键结合） 液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。 粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。 极性树脂如：酚醛、聚酰胺、环氧等，与极性纤维具有良好的润湿性，并可形成次价键结合。 非极性树脂如：聚乙烯、聚丙烯。聚四氟乙烯等，结合力弱，复合效果差。 CF表面极性差，经氧化后可提高结合力。,一典型界面结合,总之：,物理结合是一种比较弱的结合方式。 树脂基复合材料若不经特殊处理，多为物理结合。 金属基部分以物理方式结合。 陶瓷基几乎不以这种方式结合。,2.扩散融合,两相成分不同，经扩散或熔融形成过渡层，性质介于两相之间，结合力较强。 金属与陶瓷基复合温度较高，小分子和原子易于扩散，较常见。 3.化学结合 化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。,树脂基复合材料：为提高两相的润湿性和结合力，通常采用偶联剂处理纤维表面，或将偶联剂直接加到液态树脂中，以便形成化学键结合。 金属与陶瓷材料：化学键结合常见。多数情况在界面上形成化合物层，脆性大，对力学性能不利。尤其是高温使用的材料，应防止延续反应。,二. 增强材料的表面处理,为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤维进行的预处理 表面改性。 要点：不同的复合体系应采用不同的处理方法。 树脂基 提高化学结合 金属及陶瓷基 抑制化学反应,1玻璃纤维 GF成分为SiO2，表面吸水后成-OH，可与含-OH、 COOH、-Cl的偶联剂反应成醚键结合。 偶联剂通式： R - M X M - 中心离子 Cr+3、 Si+4、 Ti+3等高价金属离子。 R - 可与聚合物交联的基团。如不饱和双键、氨基、环氧、 巯基等。 X - 可与玻纤表面醚化的活性基团。如：-Cl、-OH、 -COOH、-OCH3、-OC2H5。,2.碳纤维 氧化法 - 提高表面粗造度和极性。 沉积法 - CVD沉积碳晶须。 电聚合法 - 接枝高分子支链 3芳纶等有机纤维 等离子处理，使苯环氧化成 -COOH、 -OH ；或接枝聚合生成高分子支链。,4. 与金属基复合的纤维 目的： 提高浸润性，抑制化学反应。 CF、BF与金属反应活性高，化学相容性差； 氮化物、碳化物纤维反应活性较低； Al2O3反应活性最低。 措施： 降低复合温度，减少高温停留时间。 涂覆隔离层。如CF、BF表面涂SiC。 镀覆金属层，改善浸润性。如Al2O3纤维镀Cu、Ni等。,5. 聚合物基复合材料,一. 基本性能 具有较高的比强度和比模量。 抗疲劳性能好，安全性高。 减振、隔音、保温、隔热。 弹性模量不够高、断裂延伸率小、抗冲击强度差、横向强度、层间剪切强度低。 手工劳动强度大，质量不稳定。,二. 品种,1、GF增强热固性塑料（GFRP）- 玻璃钢,、聚酯玻璃钢 加工性能最好。低粘度，可室温固化；价低，用量占80% 。 、环氧玻璃钢 综合力学性能最好，耐蚀性好；粘度大，施工困难。 酚醛玻璃钢 耐热性最好, 350长期使用，短期可达1000；电学性能好，耐电弧。,2、GF增强热塑性塑料 (FR-TP) 特点： 、比重最轻1.11.6 、抗儒变性等力学性能明显提高 、热学性能大大改善50% 、尺寸稳定性提高,3、高强度纤维增强塑料,、C纤维增强塑料 比强度，比模量最高的材料；耐腐蚀耐热都很 好。抗冲击性差，价格昂贵。 、芳纶纤维增强塑料 与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。 抗拉强度与C纤维相当，冲击强度远高于C纤维； 振动衰减是玻璃钢的45倍。 抗压性能差。,、B纤维增强塑料 突出优点是刚度好，价格比C纤维还贵。 、SiC纤维增强塑料 突出优点是与树脂相容性好。,芳纶纤维增强,C纤维增强,包括：材料设计和结构设计。 材料设计：根据使用要求，选取原材料；安排合适的工艺路线，将其制成满足性能要求的材料。 结构设计：确定构件的最终构型、几何尺寸、组合关系等，使之 满足力学性能，安全寿命，可加工性和经济性要求。 设计过程：,三、聚合物基复合材料设计,材料设计,结构设计,1设计条件, 载荷情况 环境条件：温度，湿度，腐蚀等。可能引起的强度 下降。（如GF、KF耐湿性差） 功能性要求：如烧蚀、润滑、导电、导热、防雷电、 抗电磁干扰、透光等。 构件形状限制：紧凑性、可靠性，施工性和经济性。,静载 - 强度，刚度。 动载 - 抗冲击强度。 交变 - 疲劳强度。,2原料选择,原则：满足性能要求，廉价，易于获得。GFKFCF 特殊要求： 高强度，高刚度 高性能CF、BF 高抗冲击 GF、KF 低温性能 CF 尺寸稳定 KF、CF 透波，吸波 GF、KF、Al2O3,基体材料树脂的选取：,受力结构件首选热固性树脂；大量使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）。 150，聚酯或环氧 150400，聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂 内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）,3、单层设计 目的：为层合板设计提供依据 - 强度、刚度。 一般过程：确定复合比 性能预测 实验校核 、确定复合比,、刚度预测与核定 理论推测，实验核定。 、强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。 纵向拉伸强度 （纤维延伸率小，首先断裂。）,纤维量多，取决于纤维,纤维量少，取决于基体, 纵向压缩强度,取计算结果小者,最后以实验校核为准,4、层合板设计 内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。,0/+45/90/-45,0/90,0,45,铺设技术要点：,对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。 均匀铺设：相邻层间角尽可能小，以防内应力过大。 最小铺设方向610%。 边缘包层 冲击载荷区以0层承载， 45层分散应力均衡负荷。 厚度变化区以阶梯过渡。,5、结构设计 一般采用迭代法，适当修改。 、平缓过度，防止突变。 、合理拆分与合并。 、壁厚7.5mm，确保固化充分。,可拆分件,旋翼与旋毂可合并,6、实验校核 按拉伸、压缩、剪切，根据国标或行标实验校核，结果与设计值比较。 设计值 = 安全系数 使用值 安全系数选取： 玻璃纤维 23 高强度纤维 1.52 民用取上限，军事用途可取低些。,1、手糊 工艺过程： 模具 涂脱模剂 刷胶衣 刷树脂 贴增强剂 固化 脱模 后处理 成品 、原料选择 基体：液态热固性预聚体。 纤维：纤维布、毡、无捻粗纱。 脱模剂：脱模蜡，塑料薄膜，有机硅类，改性甘油三 乙酸酯类。,四. 成型加工,蜡型脱模剂,、胶液配方,(3)、糊制 刷胶衣： 纵横各一遍，施胶量300500 g/m2 ， 厚度0.250.5mm。 结合层糊制：待胶衣半固化后进行，用柔软的表面毡作过渡层，再贴纤维。铺层尽可能连续，错位对接，严禁达接。,(4)、固化 不饱和聚酯： 固化剂 - 苯乙烯 引发剂 - 过氧化物 促进剂 - 有机钴 温度 - 15 湿度 - 80% 时间 - 24小时脱模，一周使用。,手糊玻璃钢赛舟,2. 缠绕成型,将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按一定规律缠绕在芯模上，然后固化脱模得成品。 成型工艺分湿法和干法缠绕。 缠绕设备可自动控制 固化可室温或加热固化 模芯材料：石膏、石蜡、金属及合金、塑料等，要便于脱模。 适用于：中空高压容器。 如：火箭发动机壳体、导弹发射筒、大型储罐、管材等。,聚脂、 环氧树脂,酚醛、 热塑性树脂,3. 树脂传递模塑 （模压法） 先将纤维布、毡裁剪铺设在密封模具内，再高压注入液态树脂固化。可生产结构复杂、高精度的零件，表面质量好。,4. 拉挤成型 挤压法 生产横截面相同的线型型材。生产效率高，自动化程度高，纤维含量可高达4080% 。,6. 金属基复合材料,一、基本性能与种类 1、性能 与下列材料相比： 金属及合金 高的比强度，比刚度。 聚合物基复合材料 导电、导热、耐热性好。 陶瓷基复合材料 高韧性和高冲击强度。,2、种类,(1)、按金属基体分 铝基：d = 2.7 f.c.c. Tm = 660 塑性韧性好，易加工；熔点低， 可避免与纤维过度反应；强化效果好，价廉。 镍基：d = 8.9 f.c.c. Tm = 1453 高温性能好，可加工成薄膜，抗氧化性好。 钛基：d = 4.51 h.c.p.(b.c.c.) Tm = 1668 更高的比强度，比模量，耐腐蚀。 (T/= 883),(2)、按增强剂形态分 颗粒:（体积比20% 粒径1m）增强效果较低。 层片：二维方向，垂直片方向（裂纹核心）。 纤维：单向明显，横向影响不大。 3、纤维选择要点 高强度、高模量。（明显高于金属基体） 耐热性高 （如：KF不宜选用） 价格低 （比较突出的制约因素） 相容性好 （膨胀系数相近，高温惰性）,W、Mo丝： 密度高 Be丝： 价很高 GF： 与金属相容性不好 Al2O3 ： 拉籽晶价高，单晶表面擦伤敏感 C纤维： 细纱难浸润，与多数金属反应，抗折性差 B纤维： 以W丝或C纤维作底，CVD沉积，价高 SiC和B4C： 以W丝或C纤维作底，CVD沉积，价高化学相容性好，与基体结合好，抗高温儒变。,以上纤维强度、弹性模量较高，价高且各有不足：,1、制造方法 单层复合 + 层叠热压 金属薄与纤维粘接或等离子喷涂焊合成单层，裁剪、叠片、热压。 粉末冶金法 如：硬质合金 铸造法 （比重偏析） 汽缸套、活塞 电镀（铸）法 金刚石金属磨头 2、技术关键与难点 防止高温氧化。 高压纤维易损伤，断裂。,二、制造方法及关键技术, 纤维的均匀分布。 控制界面反应。,三、铝基复合材料,大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767 常用：B/Al、C/Al、SiC/Al SiC纤维密度较B高30，强度较低，但相容性好。 C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。 基体材料可选变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝。它们塑性好制备铝薄易。,四、镍基复合材料,熔点高，耐氧化性好，使用温度可达1000。 BF、CF耐氧化性差，多选用-Al2O3晶须。 制备方法：热压法、液态渗透法、粉末冶金法。 为提高润湿性，可使晶须表面金属化。如溅射或电镀,五、钛基复合材料,钛及其合金是比强度、比刚度最好的基材，耐蚀性和耐高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度） 但钛薄难制，化学活性高，与C纤维和B纤维反应生成TiC和TiB2白亮层 。解决办法： 高速工艺 - 缩短高温停留时间 低温工艺 - 850热压15分钟 表面包覆 - 涂SiC 合金化 - 提高基体稳定性,1、存在问题 浸润性差，难渗透。 易曲折，热压难。 相容性差。 电偶腐蚀。,六、C纤维增强金属基复合材料,2、解决方法 电镀Ta、Ni、Ag包覆 涂覆SiC、TiC、B4C等 压渗法 复合纤维制备,C纤维具有很好的力学、热学、电学和自润滑性能，价格也较B纤维有优势，应用前景光明。,C纤维压渗Al,涂Ni碳纤维拉丝复合Al,原位生长晶须。采用控制熔体冷凝速度，在金属基体内生长出晶须。 如：Al基：Al2O3、AlN；Ti基：TiN、TiC 优点： 增强纤维分布均匀 基体与纤维结合力强 热稳定性好 易于加工，直接铸造成型,七、自增强金属基复合材料,金属基复合材料实例,7. 陶瓷基复合材料,一、增韧补强机理 负载转移：高弹纤维承受比基体更大的应力，强度、韧性提高。 预应力效应：纤维热膨胀系数高于基体时，基体受预压应力而强化。 拔出效应：复合材料破断，纤维从基体中拔出要消耗部分能量。 裂纹扩展受阻：纤维阻止裂纹扩展，消耗部分能量。 裂纹转向：裂纹尖端受阻钝化而转向，要消耗更多的表面能。 纤维断裂：高强度纤维断裂，要消耗更大的能量。,二、各种纤维增强陶瓷基,1金属纤维 W、Mo、Ta、Nb、Cr、Fe、Ni、Co、不锈钢丝。 如：Mo、Ta /Al2O3 ； W/TiC、TaC、HfC、ZrC W、Mo/ZrO2、ThO2 ； W（涂SiC）/Si3N4 2陶瓷纤维 C、SiC(W)、B4C(W) 、BN、Al2O3(W)纤维或晶须。 可与Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4陶瓷复合。 (1)性能特点 使用温度范围广，高温强度高，耐热冲击，抗儒变。,(2)、影响增强效果的因素 尺寸因素 纤维过细反应活性高，过粗相当于裂纹。2030m好。长纤维增强效果好，晶须长/径5为好。 排列方向: 与主应力平行。 纤维（晶须）含量及均匀性 含量：断裂韧性，但密度，强度。 均匀性：强度，断裂韧性影响不大。, 相容性 纤维热膨胀系数应约大于基体。 纤维弹性模量应高于基体。 两相化学性质要稳定，陶瓷基以共价键化合物为好。如SiC、Si3N4、BN等。 界面性质 界面结合力应适中。,1瓷浆浇铸法 短纤维混合分散在陶瓷浆体中，浇铸，吸水，干燥，烧结。 工艺简单，成本低，增强效果有限。（致密度不够） 2热压烧结法 短纤维与陶瓷粉末混合，模压成型，热压烧结。 结合力好，但纤维易受损。,三、成型工艺,3浸渍法 长纤维编织或缠绕成型，浸渍陶瓷浆，干燥烧结。 工艺简单，烧结密度低。,发展方向： 1高性能陶瓷纤维和晶须的制备技术。 2纤维和晶须的表面处理技术。 3长纤维陶瓷复合材料的制备技术。 4界面结合强度与材料强度韧性的关系。 5复合比与材料强度韧性的关系。 6重视纤维晶须和颗粒共复合的协同效应。 7. 玻璃-陶瓷基体的研究。,四应用领域及发展方向,8. 水泥基复合材料,一、水泥的基本特性与增强方法 刚/柔比高；抗压/抗拉比高；W/C比高。 增强（韧）方法： 加入高强度集料 混凝土 纤维增韧 （要求纤维粗，较长） 聚合物改性 浸渍填充、聚合物取代或部分取代水泥基体。,1、混凝土 以水泥为基，加入砂、石，钢筋。 骨料要求强度高，耐碱性好，与基体有良好的结合，价廉。 钢筋与水泥相容性好，耐碱。为提高钢筋强度和结合力，近年来要求冷拉、表面轧槽。,二、水泥基复合材料种类,2、纤维增强水泥,可用纤维见下表： 为防止Ca(OH)2和水对纤维的不利影响，水泥中需掺入矿渣、火山灰或粉煤灰等活性填料。 技术要点： 基体强度要高 强度取决于基体，选高标号水泥。 膨胀系数要适当 af am ，产生预压应力。 纤维足量 纤维相互交错搭接，产生叠加效应。 弹性模量要匹配 Ef Em,3、聚合物改性 (1)、聚合物浸渍 将已干固的混凝土构件，浸入聚合物单体或预聚体溶液中使其渗入空隙，通过加热聚合、固化形成聚合物填充。提高密度、强度和韧性。 (2)、聚合物混凝土 （可归入聚合物基复合材料） 聚合物完全取代水泥，作为集料的结合剂。 常用聚合物：环氧、脲醛、糠醛、聚酯树脂等。 性能好，价格较高。应用：如人造石,(3)、聚合物水泥混凝土,特点： 抗折强度明显，抗压强度。 韧性 ，刚度、脆性。 抗渗透性、耐侵蚀性。 粘补性好。 工艺简单，成本低。,聚合物部分取代水泥。要求聚合物具有亲水性，在水中或能溶解或能分散成乳液。 加入状态可以是单体、聚合物乳液、聚合物粉末。,三、 成型工艺,1、混凝土设计与施工 设计过程： 原料选择 工程计算 实验校核调整 初定配方：水 : 灰 : 砂 : 石 0.5 : 1 : 1.5 : 3 实验校核：强度实验与和易性实验 调整：提高水泥标号或用量，可提高强度。 提高水量、降低石料用量，可提高和易性。 最终配方中水泥用量、W/C需满足耐久性要求。,最终配方满足耐久性要求,预应力技术,2、纤维增强水泥的成型 (1)、直接喷射法 砂浆配比：W/C = 0.30.4 ； S/C =0.51 耐碱短切纤维：1250mm ；含量约35% 。,(2)、喷射脱水法 上法经减压，脱去多余水份，提高密度和强度。,(3)、预混料浇铸法 纤维与砂浆混合，铸模成型。,(4)、压力法 预混料铸模后，加压脱水。 (5)、离心成型法 离心成型 + 脱水。 适合于回转体构件，纤维可进行表面集中增强。,3聚合物水泥砂浆及混凝土的成型 砂浆配比 （一般用于表面工程） P/C = 520% W/C = 0.30.6 S/C = 23 按和易性确定 混凝土配比 （主干工程） P/C = 515% W/C = 0.30.5 S+G/C = 57 S/S+G = 4050%,9. C/C复合材料,一. 简述 高熔点材料 W：Tm = 3500； TaC、HfC：Tm = 4000； C石：升华 3800 C/C复合材料的研制，起始于火箭发动机喷嘴大型石墨件的改进。 由于石墨强度低、脆性大，高速气流冲蚀严重。,采用碳纤维编织物浸渍沥青，1000碳化，2800 石墨化后，获得了性能优良的整体C/C复合材料。 C/C复合材料是伴随航天工业的发展而成长的，是最理想的烧蚀材料。烧蚀热高，烧蚀率低且均匀。 具有极好的生物相容性。 应用：再入大气层的航天飞行器热防护材料，飞机、汽车的制动片，高速轴承、人造骨骼、心脏瓣膜等。,二. 成型加工技术,关键技术： 提高致密度和均匀性。 纤维织物密度 d = 0.2 0.8，复合后要求达1.42.0。 提高纤维编织工艺技术。（CF柔顺性差）,1、坯体的编织 长纤维编织：可分为单向、双向、三向、四向、和七向。 纤维毡： 可用长纤维编织加强。,三向编织坯体,三向增强毡坯体,短纤维：与树脂混合，热压成型，或调浆喷射成型。,喷涂成型工艺,2、基体的获得 (1)、沥青基 沥青中含大量苯环，含碳高，碳化收率高。 沥青液化 浸渍 碳化 石墨化 (2)、树脂基 结构特点：分子链含大量苯环和杂环结构，固 化后呈交联网状耐高温树脂。 优点：（与沥青比） 低粘度 （低温、低压、工艺性好） 纯度高，结构稳定。 含碳量高，碳化收率大。,(3)、CVD热解碳 高温热分解小分子碳氢化合物，在纤维坯体上沉积 活性碳，然后石墨化。 最大问题： 表面积碳，内外不均。 解决办法： a.热梯度法 b.压差法 c.脉冲法,热梯度法沉积示意图,热解碳与树脂碳比较：,热解碳工艺简单 纤维不受损伤 致密均匀、强度较高 2500石墨化后，抗热振性提高明显，可有效防止烧蚀过程中的开裂剥落。,三、主要性能,1力学性能 密度小，高的抗拉强度和高弹性模量，高温下性能稳定。,碳素材料性能比较,碳素材料强度与温度的关系,2热学性能 热膨胀系数小，导热性好，耐热冲击性极好。 3烧蚀性能 表面烧蚀温度高，通过辐射和升华带走大量热；烧蚀率低，且均匀。,不同材料的有效烧蚀热,4、生物相容性好 可用于人体骨骼，心脏瓣膜等。 5、隔热性差 控制材料的密度梯度，或与其它材料复合成梯度材料。 6、抗氧化性不好 加入抗氧化性物质，或用SiC涂层。,10. 混杂纤维复合材料,一、复合思想的延伸 二、常用纤维的性能缺陷,三、混杂实例,飞机机翼、直升机旋翼，可选价廉的GF制作整体，用CF或KF补强 翼尖、翼缘。 快艇船壳用GF，边缘用KF提高刚度。 大型板壳体，内用GF外包CF制成夹层。 电器外壳，要求表面不带静电，并具有抗干扰屏蔽作用，可在玻 璃钢内加入CF。 航天器上要求尺寸稳定的构件，如摄影机支架，太阳能帆板架， 卫星接收发射天线等。由于在-160+100之间工作，可采用 CF+GF、KF+GF配合，制成零膨胀系数的混杂复合材料。,8.复合材料的应用,8.1 金属基复合材料 8.1.1金属基复合材料的工程特性 刚度的增强 避免使用中的过度弹性变形 使用例：主动轴、仪表架、自行车主架、三叉戟导弹的惯性导向球等 双体船“美国之帆”的交叉悬臂，长10m，直径45cm，是迄今MMC的最大零部件,金属基复合材料的工程特性,强度的增强 通过复合使强度提高 抗疲劳能力提高 延性下降 应用例：飞机的降落齿轮、ARALL（铝与高分子长纤维交叉叠层）,金属基复合材料的工程特性,抗蠕变能力的增强 长纤维强化效果好 应用例：喷气式汽轮发动机、以轻质材料取代镍基高温合金叶片和涡轮盘、长纤维强化的钛,金属基复合材料的工程特性,耐磨性能的增加 可使磨损率下降至基体的1/10 表面具有好的耐磨性，其它区域仍有高的韧性、强度和导热性 应用例：喷气式汽轮发动机、以轻质材料取代镍基高温合金叶片和涡轮盘、长线强化的钛,金属基复合材料的工程特性,降低密度 Ni基合金中加入陶瓷纤维或颗粒 强度、抗蠕变、抗腐蚀、韧性 问题：界面反应、脆性 Pb电极 注意污染的影响 碳纤维增强铜电缆,金属基复合材料的工程特性,热膨胀的控制,8.1.2 实例分析,硼/铝 复合材料制品,火箭仪器仓,火箭低温箱,发汗材料,火箭尾喷管喉衬 3000度以上高温、气速1000m/s、经受固体颗粒冲刷,发汗材料,先将高熔点金属（钨：熔点3410）制成骨架，再渗入低熔点金属（铜：熔点1083、沸点2595），制备成复合材料。使用时利用铜的熔化与汽化带走大量的热，使尾喷管喉衬的温度维持在钨骨架所能够承受的温度之下。,温度升高,钨+铜,铜熔化,铜气化,热量,热量,实例分析,柴油机活塞 Al合金/Al2O3短纤维,良好的耐磨性； 高温强度； 有选择增强体的余地； 良好的热稳定性； 良好的导热性。,汽车驱动轴 Al合金/20%Al2O3颗粒,刚度高；密度低；韧性满足要求。,设备架,Al合金/20%SiO2颗粒 刚度高； 密度低； 导电性好。,制动器转盘,Al-Si合金/20%Al2O3颗粒 耐磨性好；密度低；热传导性好。,自行车体,Al基合金/ 10%Al2O3 或20%SiO2颗粒 刚度好； 密度低； 抗疲劳性好。,发动机缸体,Al-Si合金/ 12%Al2O3短纤维 +9%碳短纤维 耐磨性好； 抗热疲劳性； 密度低； 高温稳定性好 减振性好 可铸造薄体。,宇航望远镜,Al合金/20%碳长纤维 轴向刚度好；密度低；超低轴向热膨胀性；导电性好。,微电子器件的基座,Al合金/ 2065%SiO2颗粒 热膨胀系数匹配；导热性好；导热系数高；适于钎焊；密度低；尺寸稳定性好。,飞机发动机部件,钛基合金/ 40%SiC单片纤维 高温性能好；增加强度；密度低；部件简化；增加刚度。,8.2 陶瓷基复合材料的应用,韧性的提高,Al2O3-TiC材料中断裂韧性与TiC含量的关系,Al2O3- ZrO2材料中抗弯强度及断裂韧性与ZrO2含量的关系。,SiC晶须强化Al2O3复合材料断裂韧性与SiC晶须添加量之间的关系,SiC添加Al2O3烧结材料的断裂韧性与颗粒长径比之间的关系,SiC-TiC复合材料的断裂韧性,由17枚这样的部件可以组成外径220mm、内径90mm的静翼喷嘴。切片试验的结果表明，断裂强度为581MPa，断裂韧性为5.7Mpa m1/2，得到了高度均匀的烧结体。,涡轮增压器需要在10几万rpm的高速旋转和900的高温条件下工作，同时承受热应力和机械应力。开发此类产品需要材料开发、成形技术开发、接合技术开发、实体机械及发动机的评价技术的开发等。使用气氛加压烧结Si3N4，采用注射成形制成了转子部分，并用活性金属钎焊的方法制造了涡轮增压器。与金属转子相比，惯性力矩减小34%，加速响应性可以大幅度提高，达到10万rpm的时间缩短了36%。该零件已用于汽车，取得了好的效果。,混合复合材料轴承。用于机床的高速主轴的轴承，充分发挥陶瓷的轻量、低摩擦系数和高弹性模量等优点。还可以减少高速旋转时的温升。现在已经成为要求高速化、高精度化的精密机床中不可缺少的部分。,火焰喷嘴内部的温度达1200，外部空气冷却，在厚度方向温差较大。而且在紧急停止时需用含饱和水蒸气的空气急冷。这一应用体现了该类材料的优异的耐热性和耐热冲击性。,电缆桥架,8.3 树脂基复合材料 应用简介,风力发电叶片,汽车储气罐,车站,蔬菜大棚,呼吸器气瓶,爬 梯,保龄球,旅游帐篷,非常感谢大家对该课程的支持与理解,祝各位同学取得优异的成绩！,