大学课件复合材料

复合材料复合材料Chapter 9 Composites1本章内容1.复合材料概述2.复合材料分类3.复合材料的基体4.复合材料的增强相5.复合材料的复合原理6.复合材料的成型工艺2学习目的掌握复合材料的特点；了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求；理解复合材料的复合原理，包括混合法那么、增韧机制和界面作用；了解复合材料的成型工艺。3参考书目王荣国主编，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,198749.1 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取长补短短协同作用同作用产生原来生原来单一材料没有本身所没有的新性能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5复合材料的定义国国际标准化准化组织：由两种以上在物理和化学上不：由两种以上在物理和化学上不同的物同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料合起来而得到的一种多相固体材料?材料大材料大词典典?：复合材料是根据：复合材料是根据应用用进行行设计，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或金属材料组合在一起，使其性能互合在一起，使其性能互补，从而制，从而制成的一成的一类新型材料。新型材料。6?材料科学技材料科学技术术百科全百科全书书?：复合材料是由有机高：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几分子、无机非金属或金属等几类类不同材料通不同材料通过过复复合工合工艺组艺组合而成的新型材料。它既保存原合而成的新型材料。它既保存原组组成材成材料的重要特色，又通料的重要特色，又通过过复合效复合效应获应获得原得原组组分所不分所不具具备备的性能。可以通的性能。可以通过过材料材料设计设计使各使各组组分的性能分的性能互相互相补补充并彼此关充并彼此关联联，从而，从而获获得更得更优优秀的性能，秀的性能，与一般材料的与一般材料的简单简单混合有本混合有本质质区区别别。7复合材料的特点：复合材料的特点：1 1 复合材料是由两种或两种以上不同性能的复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料材料组元通元通过宏宏观或微或微观复合形成的一种新型复合形成的一种新型材料，材料，组元之元之间存在着明存在着明显的界面；的界面；2 2 复合材料中各复合材料中各组元不但保持各自的固有特元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度性，而且可最大限度发挥各种材料各种材料组元的特性，元的特性，并并赋予予单一材料一材料组元所不具元所不具备的的优良特殊性能；良特殊性能；3 3复合材料具有可复合材料具有可设计性。可以根据使用条性。可以根据使用条件要求件要求进行行设计和制造，以和制造，以满足各种特殊用途，足各种特殊用途，从而极大地提高工程从而极大地提高工程结构的效能。构的效能。8基体和增强材料Matrix 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。9Schematic illustration of composite constituents10复合材料历史古代近代先古代近代先进复合材料复合材料天然复合材料天然复合材料竹、竹、贝壳，壳，树木和竹子：木和竹子：纤维素和木素和木质素素的复合体的复合体 动物骨骼：物骨骼：无机磷酸无机磷酸盐和蛋白和蛋白质胶原复合胶原复合而成而成 古代：使用古代：使用、效仿、效仿 半坡人草梗合泥筑半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今，且延用至今漆器麻漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已和土漆复合而成，至今已四千多年四千多年敦煌壁画泥胎、敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木外表殿建筑里园木外表的披麻覆漆的披麻覆漆 11近现代：第一代：第一代：19401940年到年到19601960年，玻璃年，玻璃纤维增增强塑料塑料第二代：第二代：19601960年到年到19801980年，先年，先进复合材料复合材料19651965年英国科学家研制出碳年英国科学家研制出碳纤维19711971年美国杜邦公司开年美国杜邦公司开发出开芙拉出开芙拉-49-4919751975年先年先进复合材料复合材料“碳碳纤维增增强、及开芙拉、及开芙拉纤维增增强环氧氧树脂复合材料脂复合材料用于用于飞机、火箭的主承力机、火箭的主承力件上。件上。第三代：第三代：19801980年到年到19901990年，碳年，碳纤维增增强金属基复合材料金属基复合材料以以铝基复合材料的基复合材料的应用最用最为广泛。广泛。第四代：第四代：19901990年以后，主要开展多功能复合材料，年以后，主要开展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功如智能复合材料和梯度功能材料等。能材料等。129.2 复合材料的分类按增按增强材料形材料形态分分类1 1、纤维增增强复合材料：复合材料：a.a.连续纤维复合材料：作复合材料：作为分散相的分散相的长纤维的的两个端点都位于复合材料的两个端点都位于复合材料的边界界处；b.b.非非连续纤维复合材料：短复合材料：短纤维、晶、晶须无无规那那么地分散在基体材料中；么地分散在基体材料中；2 2、颗粒增粒增强复合材料：微小复合材料：微小颗粒状增粒状增强材料分散在材料分散在基体中；基体中；3 3、板状增、板状增强体、体、编织复合材料：以平面二复合材料：以平面二维或立体或立体三三维物物为增增强材料与基体复合而成。材料与基体复合而成。其他增其他增强体：体：层叠、骨架、涂叠、骨架、涂层、片状、天然增、片状、天然增强体体 13Classes of composites14纤维增增强复合材料种复合材料种类玻璃玻璃纤维复合材料；复合材料；碳碳纤维复合材料；复合材料；有机有机纤维芳香族聚芳香族聚酰胺胺纤维、芳香族聚、芳香族聚酯纤维、聚聚烯烃纤维等复合材料；等复合材料；金属金属纤维如如钨丝、不、不锈钢丝等复合材料；等复合材料；陶瓷陶瓷纤维如氧化如氧化铝纤维、碳化硅、碳化硅纤维等复合材等复合材料。料。混混杂复合材料：复合材料：两种或两种以上增两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料体与同一基体制成的复合材料可以看成是两种或多种可以看成是两种或多种单一一纤维或或颗粒复合材料的相粒复合材料的相互复合，即复合材料的互复合，即复合材料的“复合材料。复合材料。15按基体材料分按基体材料分类聚合物基复合材料聚合物基复合材料:以有机聚合物以有机聚合物热固性固性树脂、脂、热塑性塑性树脂及橡胶等脂及橡胶等为基体；基体；金属基复合材料：以金属金属基复合材料：以金属铝、镁、钛等等为基体；基体；无机非金属基复合材料：以陶瓷材料也包无机非金属基复合材料：以陶瓷材料也包括玻璃和水泥括玻璃和水泥为基体。基体。16按材料作用分按材料作用分类结构复合材料：用于制造受力构件；构复合材料：用于制造受力构件；功能复合材料：具功能复合材料：具备各种特殊性能如各种特殊性能如阻尼、阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等。磁、摩擦、屏蔽等。同同质复合材料增复合材料增强材料和基体材料属于材料和基体材料属于同种物同种物质，如碳，如碳/碳复合材料碳复合材料异异质复合材料复合材料多属此复合材料复合材料多属此类。17复合材料系统组合分散相分散相连续相相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料 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18各种材料的开展状况各种材料的开展状况玻璃玻璃钢和和树脂基复合材料脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛的广泛的应用用 金属基复合材料金属基复合材料 开开发阶段段 某些某些结构件的关构件的关键部位部位 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尚处于研究于研究阶段段有不少科学技有不少科学技术问题有待解决有待解决19复合材料的复合材料的设计从常从常规设计向仿生向仿生设计开展开展仿照竹子从表皮到内仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成由密排到疏松的特点，成功地制功地制备出具有明出具有明显组织梯度与性能梯度的新型梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。基耐磨梯度复合材料。仿照仿照鲍鱼壳的壳的结构，西雅构，西雅图华盛盛顿大学的研究人大学的研究人员利利用由碳、用由碳、铝和硼混合成陶瓷和硼混合成陶瓷细带制成了制成了1010微米厚的微米厚的薄薄层，由此得到的，由此得到的层状复合材料比其原材料巩固状复合材料比其原材料巩固4040。仿照骨骼的仿照骨骼的组织特点，人特点，人们制造了制造了类似似结构的构的风力力发电机和直升机和直升飞机的旋翼，外机的旋翼，外层是是刚度、度、强度高的碳度高的碳纤维复合材料，中复合材料，中层是玻璃是玻璃纤维增增强复合材料、内复合材料、内层是硬泡沫塑料。是硬泡沫塑料。209.3 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增强材料材料纤维晶晶须颗粒粒219.3.1 金属基体材料9.3.1.1 选择选择基体的原那么基体的原那么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及铝铝合金、合金、镁镁合金、合金、钛钛合金、合金、镍镍合金、合金、铜铜与与铜铜合金、合金、锌锌合合金、金、铅铅、钛铝钛铝、镍铝镍铝金属金属间间化合物等。化合物等。基体材料成分的基体材料成分的选择对选择对能否充分能否充分组组合和合和发挥发挥基体基体金属和增金属和增强强物性能特点，物性能特点，获获得得预预期的期的优优异异综综合合性能，性能，满满足使用要求十分重要。足使用要求十分重要。22 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。23高性能高性能发动机：要求复合材料不机：要求复合材料不仅有高比有高比强度和比模量，度和比模量，还要具有要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此作。此时不宜不宜选用一般的用一般的铝、镁合金，而合金，而应选择钛合金、合金、镍合金以及金属合金以及金属间化合物作化合物作为基体材料。基体材料。如碳化硅如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合材料可用于基超合金复合材料可用于喷气气发动机叶片、机叶片、转轴等重要零件。等重要零件。在汽在汽车发动机中要求其零件耐机中要求其零件耐热、耐磨、耐磨、导热、一定的高温、一定的高温强度等，同度等，同时又要求本又要求本钱低廉，适合于批量生低廉，适合于批量生产，因此，因此选用用铝合金作基体材料与陶瓷合金作基体材料与陶瓷颗粒、短粒、短纤维组成成颗粒短粒短纤维/铝基复合材料。基复合材料。如碳化硅如碳化硅/铝复合材料、碳复合材料、碳纤维或氧化或氧化铝纤维/铝复合材复合材料可制作料可制作发动机活塞、缸套等零件。机活塞、缸套等零件。24工工业集成集成电路路需要需要高高导热、低膨、低膨胀的金属基复合材料的金属基复合材料作作为散散热元件和基板。元件和基板。选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。为解决高集成电子器件的关键材料。25 金属基复合材料金属基复合材料组成特点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。26如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝或含有少量如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料基体合金优化过程中，低。在研究碳铝复合材料基体合金优化过程中，发现铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，发现铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。基体本身的塑性有关。27对于非连续增强颗粒、晶须、短纤维金属对于非连续增强颗粒、晶须、短纤维金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。因此要获得高对复合材料具有决定性的影响。因此要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金如一般选用高强度铝合金如A365A365，60616061，70757075为基体。为基体。28 基体金属与增基体金属与增强强物的相容性物的相容性金属基复合材料需要在高温下成型，制金属基复合材料需要在高温下成型，制备备过过程中，程中，处处于高温于高温热热力学非平衡状力学非平衡状态态下的下的纤维纤维与金属之与金属之间间很容易很容易发发生化学反响，在界面形成生化学反响，在界面形成反响反响层层。界面反响。界面反响层层大多是脆性的，当反响大多是脆性的，当反响层层到达一定厚度后，材料受力到达一定厚度后，材料受力时时将会因界面将会因界面层层的的断裂伸断裂伸长长小而小而产产生裂生裂纹纹，并向周，并向周围纤维扩围纤维扩展，展，容易引起容易引起纤维纤维断裂，断裂，导导致复合材料整体破坏。致复合材料整体破坏。29因此，因此，选择选择基体基体时应时应充分注意与增充分注意与增强强物的相物的相容性容性 特特别别是化学相容性是化学相容性，并尽可能在复合材，并尽可能在复合材料成型料成型过过程中抑制界面反响。程中抑制界面反响。例如，例如，对对增增强强纤维进纤维进行外表行外表处处理理 在金属基体中添加其他成分在金属基体中添加其他成分 选择选择适宜的成型方法适宜的成型方法 缩缩短材料在高温下的停留短材料在高温下的停留时间时间等。等。309.3.1.2 结构复合材料的基体构复合材料的基体分分为轻金属金属基体和基体和耐耐热合金基体合金基体 用于用于450以下的以下的轻金属基体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。319.3.1.3 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。32微电子技术的电子封装集成电路：需用热膨胀系数小、导热性好的材料做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，防止产生热应力，来提高器件可靠性。用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝基复合材料等33耐高温摩擦的耐磨材料碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属及其合金的金属基复合材料。高导热和耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料碳石墨纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等金属基复合材料。耐腐蚀的电池极板材料等349.3.2 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。35陶瓷基复合材料CMC36CMC的应用的应用37JC/C在航天领域中的应用在航天领域中的应用C/C作为刹车盘作为刹车盘碳碳/碳复合材料碳复合材料C/C 389.3.3 聚合物基体9.3.3.1 聚合物基体的种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。39聚聚酯树脂脂特点：特点：工艺性良好工艺性良好，室温下固化，常压下成型，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。工艺装置简单。树脂固化后树脂固化后综合性能良好综合性能良好，力学性能不如，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。酚醛树脂或环氧树脂。价格价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。贵一些。不饱和聚酯树脂的不饱和聚酯树脂的缺点缺点是固化时是固化时体积收缩体积收缩率大、耐热性差等率大、耐热性差等。主要用于一般主要用于一般民用工民用工业和生活用品和生活用品中中40 邻苯型不饱和聚酯：间苯型不饱和聚酯：双酚型不饱和聚酯：41环氧氧树脂脂特点：特点：在加在加热条件下即能固化，无条件下即能固化，无须添加固化添加固化剂。酸、碱酸、碱对固化反响起促固化反响起促进作用；作用；已固化的已固化的树脂有良好的脂有良好的压缩性能，良好的性能，良好的耐水、耐化学介耐水、耐化学介质和耐和耐烧蚀性能；性能；树脂固化脂固化过程中有小分子析出，故需在高程中有小分子析出，故需在高压下下进行；行；固化固化时体体积收收缩率大，率大，树脂脂对纤维的粘附的粘附性不性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。好，但断裂延伸率低，脆性大。42 双酚型环氧树脂：酚醛环氧树脂：43酚酚醛树脂脂优点：比点：比环氧氧树脂价格廉价脂价格廉价缺点：吸附性不好、收缺点：吸附性不好、收缩率高、成型率高、成型压力高、制品空隙含量高等。力高、制品空隙含量高等。大量用于粉状大量用于粉状压塑料、短塑料、短纤维增增强塑料，塑料，少量用于玻璃少量用于玻璃纤维复合材料、耐复合材料、耐烧蚀材材料等，很少使用在碳料等，很少使用在碳纤维和有机和有机纤维复复合材料中。合材料中。449.3.3.2 聚合物基体的作用聚合物基体的作用把把纤维纤维粘在一起；粘在一起；分配分配纤维间纤维间的的载载荷；荷；保保护纤维护纤维不受不受环环境影响。境影响。用作基体的理想材料，其原始状用作基体的理想材料，其原始状态应该态应该是低粘是低粘度的液体，并能迅速度的液体，并能迅速变变成巩固耐久的固体，成巩固耐久的固体，足以把增足以把增强强纤维纤维粘住。粘住。尽管尽管纤维纤维增增强强材料的作用是承受材料的作用是承受载载荷，但是基荷，但是基体材料的力学性能会明体材料的力学性能会明显显地影响地影响纤维纤维的工作的工作方式及其效率。方式及其效率。45例如，在没有基体的纤维束中大局部载荷由最直的纤维例如，在没有基体的纤维束中大局部载荷由最直的纤维承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这是由承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪切过程于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪切过程传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度，同时要传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度，同时要求基体本身也具有高的剪切强度和模量。求基体本身也具有高的剪切强度和模量。当载荷主要由纤维承受时，复合材料总的延伸率受到纤当载荷主要由纤维承受时，复合材料总的延伸率受到纤维的破坏延伸率的限制，这通常为维的破坏延伸率的限制，这通常为1%1.5%1%1.5%。基体的主。基体的主要性能是在这个应变水平下不应该裂开。要性能是在这个应变水平下不应该裂开。在纤维的垂直方向，基体的力学性能和纤维与基体之间在纤维的垂直方向，基体的力学性能和纤维与基体之间的胶接强度控制着复合材料的物理性能。的胶接强度控制着复合材料的物理性能。由于基体比纤维弱得多，而柔性却大得多，所以在结构由于基体比纤维弱得多，而柔性却大得多，所以在结构件设计中应尽量防止基体直接横向受载。件设计中应尽量防止基体直接横向受载。46在高胶接强度体系纤维间的载荷传递效率高，但断在高胶接强度体系纤维间的载荷传递效率高，但断裂韧性差与较低胶接强度体系纤维间的载荷传递裂韧性差与较低胶接强度体系纤维间的载荷传递效率不高，但韧性较高之间需要折衷。效率不高，但韧性较高之间需要折衷。在应力水平和方向不确定情况下使用或在纤维排列精在应力水平和方向不确定情况下使用或在纤维排列精度较低情况下制造的复合材料往往要求基体比较软。度较低情况下制造的复合材料往往要求基体比较软。在明确应力水平情况下使用和在严格控制纤维排列情在明确应力水平情况下使用和在严格控制纤维排列情况下制造的先进复合材料，应通过使用高模量和高胶况下制造的先进复合材料，应通过使用高模量和高胶接强度的基体以更充分地发挥纤维的最大性能。接强度的基体以更充分地发挥纤维的最大性能。479.4 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48Types of reinforced composites499.4.1 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。50Types of fiber reinforcement orientation51one-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensional1有机纤维 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。5253KEVLAR纤维 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，本钱也比较低。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。缺乏之处是熔点较低约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542无机纤维 玻璃纤维Glass 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。价格廉价，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。55Example无捻玻璃纤维无捻玻璃纤维 56种类：按用途高强度纤维、低介电纤维、耐化学药品纤维、耐电腐蚀纤维、耐碱纤维；按化学成分碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维；按单丝直径可分为：粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维。577.4.1 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58(1)GFRP玻璃钢应用于体育用品玻璃钢应用于体育用品59 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。60碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型Polymer 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 61碳纤维片材复合材料碳纤维片材复合材料用于建筑物补强加固用于建筑物补强加固62Pyrolysis热解 of polyacrylonitrile(聚丙烯腈，PAN)to form carbon fibers63(2)CFRP碳纤维增强聚合物基复合材料CFRP CFRP在民用在民用飞机中的应用飞机中的应用CFRP在空间站大型结构在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用以及太阳能电池支架中的应用64碳纤维的特点：强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900以上才呈现出永久塑性变形。摩擦系数小、润滑性好、导电性高。碳纤维的缺点：价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。65 硼纤维Boron Fibre，BF或Bf通用的制备方法是在加热的钨丝外表通过化学反响沉积硼层。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，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。66硼纤维的缺点工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低本钱和密度，结果说明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但本钱降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反响，因此需在外表沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。67硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱68 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。69 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。具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。70-碳化硅碳化硅719.4.2 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。72分类：金属晶须如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等氧化物晶须如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等陶瓷晶须如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC、B4C氮化物晶须如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等无机盐类晶须如K2Ti6O13和Al18B4O33。73晶须的制备方法：化学气相沉积CVD法溶胶凝胶法气液固VLS法液相生长法固相生长法原位生长法。749.4.3 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。颗粒增强体本钱低，易于批量生产。75具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。刚性颗粒增强体Ragid Particle Reinforcement76颗粒增强体以很细的粉末一般在10m以下参加到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用在Al合金中参加体积为30%，粒径为0.3m的Al2O3颗粒,材料在300时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所参加的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。在Si3N4陶瓷中参加体积为20%的TiC颗粒，可使其韧性提高5%。77延性颗粒增强体Ductile Particle Reinforcement主要为金属颗粒，参加到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性如Al2O3中参加Al，WC中参加Co等。金属颗粒的参加使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。78复合材料的复合原理，是反映各种因素对复合材料性能的影响规律。影响复合材料性能的因素：工艺因素基体和增强材料的性能增强材料的形状、含量、分布增强材料的以及与基体的界面结合、结构按照复合原理，可以对所需要研究和开发的复合材料的性能，包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。9.5 复合材料的复合原理79在复合材料中，在各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比vol.%：9.5.1 混合法那么 mixing rulePc：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。80SiC/硼硅玻璃复合材料的强度硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加随纤维体积含量线性增加81颗粒增强复合材料的颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系弹性模量与颗粒体积分量的关系82复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏断裂复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏断裂，其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小，其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。和抵抗裂纹扩展的能力。以纤维增强复合材料为例，以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。纤维搭桥等增韧机制。9.5.2 增韧机制83纤维脱粘纤维脱粘纤维搭桥纤维搭桥纤维拔出纤维拔出849.5.3 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异的新相，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。85复合材料界面的粘复合材料界面的粘结方式方式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869.6 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下使形状固定下来，并能到达预计的性能要求。87 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889.注射成型10.挤出成型11.纤维缠绕成型12.拉挤成型13.连续板材成型14.层压或卷制成型15.热塑性片状模塑料热冲压成型16.离心浇铸成型89 挤出成型示意出成型示意图1-转动机构；机构；2-止推止推轴承；承；3-料斗；料斗；4-冷却系冷却系统；5-加加热器；器；6-螺杆；螺杆；7-机筒；机筒；8-滤板；板；9-机机头孔孔型型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，降低本钱。91根据各种方法的根本特点把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：固态法；液态法；喷射与喷涂沉积法；原位复合法。92常用的金属基复合材料制备工艺93雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图949.6.3 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，本钱低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。952 热压烧结法将长纤维切短3mm，然后分散并与基体粉未混合，再进行热压烧结。这种短纤维增强体在与基体粉末混合时取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结过程中，短纤维在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动，导致在最终制得的复合材料中短纤维沿加压面择优取向，这也就产生了材料性能上一定程度的各向异性。这种方法制备的陶瓷基复合材料的纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法。963 浸渍法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，枯燥后进行焙烧。优点:纤维取向可自由调节，即前面所述的单向排布及多向排布等。缺点:不能制造大尺寸制品，而且所得制品的致密度较低。97例子：碳纤维增强氧化镁以氧化镁为基体，碳纤堆为增强体体积含量为10%左右，在1200进行热压成型获得复合材料，它的抗破坏能力比纯氧化镁高出10倍以上。由于碳纤维与氧化镁的热膨胀系数相差个数量级，所以这种复合材料具有较多裂纹，实用价值不大。98 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，把这种毡片无规那么地积层，并在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。99 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时的弯曲强度却到达了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。1002晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的制备晶须与颗料的尺寸均很小，用它们进行增韧的陶瓷基复合材料的制造工艺是根本相同的。制备工艺比长纤维复合材料简便得多，也不需像长纤维复合材料那样的纤维缠绕或编织用的复杂专用设备。只需将晶须或颗粒分散后并与基体粉末混合均匀，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。101工艺过程：1配料把几种原料粉末混合配成坯料的方法可分为干法和温法两种。新型陶瓷领域混合处理加工的微米级、亚微米级粉末方法由于效率和可靠性等原因大多采用湿法。湿法主要以水作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系原料混合时，为防止原料的氧化那么使用有机溶剂。混合装置一般采用专用球磨机。1022成型 混好后的料浆在成型时有三种不同的情况：经一次枯燥制成粉末坯料后供给成型工序；把结合剂添加于料浆中，不枯燥坯料，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。1033)烧结从生坯中除去粘合剂后的陶瓷素坯烧固成致密制品的过程叫烧结。烧结窑炉的类型间歇式：放入窑炉内生坯的硬化、烧结、冷却及制品取出等工序是间歇进行的连续式。1044)精加工烧结后的许多制品还需进行精加工。提高烧成品的尺寸精度主要用金刚石砂轮进行磨削加工提高烧成品的外表平滑性用磨料进行研磨加工。105