材料学高分子精简课件

Composites Composites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(key point)6.复合材料的成型工艺本章内容复合材料概述（一）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本身所没有的新性能产生原来单一材料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（一）复合材料概述三大材料：金属复合材料、复合材料的定义、复合材料的定义 什么是复合材料什么是复合材料(Composition Materials,Composite)?要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑复复复复合后材料的性能合后材料的性能合后材料的性能合后材料的性能，或偏重于考虑，或偏重于考虑复合材料的结构复合材料的结构复合材料的结构复合材料的结构。、复合材料的定义 什么是复合材料(Compositi 复合材料的特点复合材料的特点复合材料的特点复合材料的特点：1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2、复合材料是以人工制造人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理物理和化学性质和化学性质（区别于化合物和合金）；4、复合材料的性能性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间被明显界面界面区分的多相材料。复合材料的特点：3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然基体、增强材料、界面（key point）Matrix,Reinforcement,Interface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、增强相等显著增强材料的性能多数情况下，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。可以是纤维及其编织物，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在基体和增强体之间存在着界面界面。基体、增强材料、界面（key point）Matrix Schematic illustration of composite constituentsSchematic illustration of comp（二）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：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、天然增强体其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体（二）复合材料的分类按增强材料形态分类纤维增强复合材料种类纤维增强复合材料种类 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：两种或两种以上增强体两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料与同一基体制成的复合材料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，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，即复合材料的即复合材料的“复合材料复合材料”。纤维增强复合材料种类按按基体材料基体材料分类分类 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。按基体材料分类按按材料作用材料作用分类分类 结构结构复合材料：复合材料：用于制造受力构件；功能功能复合材料：复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。同质同质复合材料复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异质异质复合材料复合材料（复合材料多属此类）。按材料作用分类复合材料系统组合分散相分散相连续相连续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/塑料橡胶复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子各种材料的发展状况各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料玻璃钢和树脂基复合材料 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 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各种材料的发展状况复合材料的设计复合材料的设计从常规设计向从常规设计向仿生仿生设计发展设计发展仿照竹子从表皮到内层表皮到内层纤维由密排到疏松密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度明显组织梯度与性能梯度性能梯度的新型钢基耐磨新型钢基耐磨梯度复合材料。仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料层状复合材料比其原材料坚固40。仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展（三）复合材料的基体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（三）复合材料的基体材料 3.1 金属基体材料（key point）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、与铜合金、锌锌合合金、金、铅铅、钛铝、镍铝、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充分组合和发挥组合和发挥基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。3.1 金属基体材料（key point）3.1.1 选择基 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镁镁合合金金和和铝铝合合金金作为基体，与高强度、高模量的石石墨墨纤纤维维、硼硼纤纤维维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。金属基复合材料的使用要求Some properties of commercially pure metalsSome properties of commerciall高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金钛合金、镍镍合金合金以及金属间化合物金属间化合物作为基体材料。如碳化硅碳化硅/钛钛、钨丝钨丝/镍基镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。如碳化硅碳化硅/铝复合材料铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。选用具有高导热率的银、铜、铝银、铜、铝等金属为基体基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒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，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和 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，纤维是主要承载物体纤维是主要承载物体.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。连续纤维增强金属基复合材料中基基体体的的主主要要作作用用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。金属基复合材料组成特点如碳碳纤纤维维增增强强铝铝基基复复合合材材料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，发现铝铝合合金金的的强强度度越越高高，复复合合材材料料的的性性能能越越低低，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。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对于对于非连续非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。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因此要获得高性能金属基复合材料必须选用高必须选用高强度铝合金作为基体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如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如金（如A365，6061，7075）为基体。）为基体。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 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高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层大多是脆性的，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。基体金属与增强物的相容性因此，选择基体时应充分注意与增强物的相因此，选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合尽可能在复合材料成型过程中抑制材料成型过程中抑制界面反应界面反应。例如，例如，对增强纤维进行表面处理 在金属基体中添加其他成分 选择适宜的成型方法 缩短材料在高温下的停留时间等。因此，选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相3.1.2 3.1.2 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、最成熟的是目前最广泛、最成熟的是铝基铝基和和镁基镁基复合材料，用于航天复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件零件、刹车盘等、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钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可具有比重轻、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基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟。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。3.1.2 结构复合材料的基体分为轻金属基体和耐热合金基体3.1.3 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要求求材材料料和和器器件件具具有有优优良良的的综综合合物物理理性性能能，如同时具有高力学性能、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。单单靠靠金金属属与与合合金金难难以以具具有有优优良良的的综综合合物物理理性性能能，而而要要靠靠优优化化设设计计和和先先进进制制造造技技术术将将金金属属与与增增强强物物做做成成复复合合材料来满足需求。材料来满足需求。主主要要的的金金属属基基体体是是纯纯铝铝及及铝铝合合金金、纯纯铜铜及及铜铜合合金金、银银、铅、锌等金属。铅、锌等金属。3.1.3 功能用金属基复合材料的基体要求材料和器件具有优良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，避免产生热应力，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/铝基复合材料等微电子技术的电子封装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耐高温摩擦的耐磨材料3.2 陶瓷基体（供了解）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，但效果粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。并不显著。高强度的碳化硅晶须容易掺混在陶瓷基体中，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。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。以及较好的工艺性能等。3.2 陶瓷基体（供了解）在陶瓷基体中添加其他成分（如陶瓷粒陶瓷基复合材料（CMC）陶瓷基复合材料（CMC）3.3 聚合物基体（供了解）9.3.3.1 聚合物基体的种类聚合物基体的种类不不饱饱和和聚聚酯酯树树脂脂、环环氧氧树树脂脂、酚酚醛醛树树脂脂及及各各种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80%以上。3.3 聚合物基体（供了解）9.3.3.1 聚合物基体的种聚酯树脂聚酯树脂特点：特点：工工艺艺性性良良好好，室室温温下下固固化化，常常压压下下成成型型，工艺装置简单。工艺装置简单。树树脂脂固固化化后后综综合合性性能能良良好好，力力学学性性能能不不如如酚醛树脂或环氧树脂。酚醛树脂或环氧树脂。价价格格比比环环氧氧树树脂脂低低得得多多，只只比比酚酚醛醛树树脂脂略略贵一些。贵一些。不不饱饱和和聚聚酯酯树树脂脂的的缺缺点点是是固固化化时时体体积积收收缩缩率大、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业民用工业和和生活用品生活用品中中聚酯树脂 邻苯型不饱和聚酯：间苯型不饱和聚酯：双酚型不饱和聚酯：邻苯型不饱和聚酯：间苯型不饱和聚酯：双酚型不饱和聚酯：环氧树脂环氧树脂特点：特点：在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。环氧树脂 双酚型环氧树脂：酚醛环氧树脂：双酚型环氧树脂：酚醛环氧树脂：酚醛树脂酚醛树脂优点：比环氧树脂价格便宜优点：比环氧树脂价格便宜缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。制品空隙含量高等。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。酚醛树脂3.3.2 聚合物基体的作用聚合物基体的作用（供了解）（供了解）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。3.3.2 聚合物基体的作用（供了解）例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的最直的纤维纤维承受，基体使得应力较均匀地分配给承受，基体使得应力较均匀地分配给所有所有纤维，这是由纤维，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传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度高的胶接强度，同时要，同时要求求基体本身也具有高的剪切强度和模量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%。基体的。基体的主要性能是在这个应变水平下不应该裂开。主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件设计中应尽量避免基体直接横向受载。尽量避免基体直接横向受载。例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的纤维承受，基体使在高胶接强度体系（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）之间需要效率不高，但韧性较高）之间需要折衷折衷。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。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（四）复合材料的增强相（主要是供了解内容）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（四）复合材料的增强相（主要是供了解内容）增强材料（增强Types of reinforced compositesTypes of reinforced composites4.1 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。4.1 纤维增强体天然纤维植物纤维（棉花、麻类）、动物纤Types of fiber reinforcement orientationone-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensionalTypes of fiber reinforcement o1）有机纤维 芳香族酰胺纤维Aromatic Polymide Fibre,Kevlar,KFKEVLAR纤维1）有机纤维 芳香族酰胺纤维KEVLAR纤维芳纶纤维的性能特点芳纶纤维的性能特点A、芳纶纤维的芳纶纤维的力学性能力学性能；、芳纶纤维的芳纶纤维的热稳定性热稳定性；、芳纶纤维的、芳纶纤维的化学性能化学性能。芳纶纤维的性能特点A、芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的力学性能芳芳纶纶纤纤维维的的特特点点是是拉拉拉拉伸伸伸伸强强强强度度度度高高高高。单丝强度可达3773 MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度为2744 MPa，大约为铝的5倍。芳芳纶纶纤纤维维的的冲冲冲冲击击击击性性性性能能能能好好好好，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。A、芳纶纤维的力学性能芳芳芳芳纶纶纶纶纤纤纤纤维维维维的的弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量高高高高，可达1.27 1.577 MPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。芳芳芳芳纶纶纶纶纤纤纤纤维维维维的的断断断断裂裂裂裂伸伸伸伸长长长长在在3左左右右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。芳芳芳芳纶纶纶纶纤纤纤纤维维维维与与碳碳碳碳纤纤纤纤维维维维混混杂杂将将能能大大大大提提提提高高高高纤纤维维复复合合材材料料的的冲冲冲冲击性能击性能击性能击性能。芳芳芳芳纶纶纶纶纤纤纤纤维维维维的的密密密密度度度度小小小小，比重为1.44 1.45，只有铝的一半。因此，它有高的比强度比强度与比模量比模量。芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27 1.577 MP下表为芳纶纤维的基本性能下表为芳纶纤维的基本性能下表为芳纶纤维的基本性能、芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维的热稳定性芳芳芳芳纶纶纶纶纤纤纤纤维维维维有有良良良良好好好好的的的的热热热热稳稳稳稳定定定定性性性性，耐耐耐耐火火火火而而而而不不不不熔熔熔熔，当温度达487 时尚不熔化不熔化，但开始碳化碳化。因此，因此，芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维在高温作用下，不发生变形，直至分解。在高温作用下，不发生变形，直至分解。如，能长期在180下使用；在150下作用一周后强强度度、模模量量不会下降；即使在200下，一周后强强度度降降低低15，模模量降低量降低4；另外，在低温另外，在低温(-60)不发生不发生脆化脆化脆化脆化亦不亦不降解降解降解降解。、芳纶纤维的热稳定性因此，芳纶纤维在高温作用下，不发和碳纤维一样，芳纶纤维的和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数具有具有各向异性各向异性各向异性各向异性的特点。的特点。如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数在0 100时为-2 10-6/；在100 200时为-4 10 6/。横向热膨胀系数横向热膨胀系数为59 10-6/和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有各向异性的特点。、芳纶纤维的化学性能、芳纶纤维的化学性能 芳芳芳芳纶纶纶纶纤纤纤纤维维维维具具有有良良好好的的耐耐耐耐介介介介质质质质性性能能，对对中中性性化化学学药药品品的的抵抵抵抵抗抗抗抗力力力力一一般般是是很很强强的的，但易受各种酸酸碱碱的的侵侵蚀蚀，尤其是强酸的侵蚀强酸的侵蚀；芳芳纶纶纤纤维维的的耐耐耐耐水水水水性性性性也也不不好好，这是由于在分子结构中存在着极性酰氨基极性酰氨基；湿湿湿湿度度度度对对纤纤维维的的影影响响，类类似似于于尼尼龙龙或或聚聚酯酯。在低低湿湿度度(20相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为1，但在高高湿湿度度(85相对湿度)下，可达到7。、芳纶纤维的化学性能 芳纶纤维的耐水性也不好，这是由于在 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 聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）2）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。2）无机纤维 玻璃纤维（Glass Fibre,GF或GExample无捻玻璃纤维无捻玻璃纤维 Example无捻玻璃纤维 种类：按用途按用途高强度纤维、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；按按单单丝丝直直径径可可分分为为：粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维。种类：7.4.1 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7.4.1 聚合物基玻璃钢天线反射面玻璃钢建筑材料用于(1)GFRP玻璃钢应用于体育用品玻璃钢应用于体育用品(1)GFRP玻璃钢应用于体育用品 碳纤维（Carbon Fibre,CF或Cf）（需适当关注）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）、聚丙烯腈和沥青三种，其中以聚丙烯腈最为主要。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。碳纤维（Carbon Fibre,CF或Cf）（需适当碳纤维片材（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碳纤维片材（复合材料）Pyrolysis（热解）of polyacrylonitrile(聚丙烯腈，PAN)to form carbon fibersPyrolysis（热解）of polyacrylonit(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(2)CFRP碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）CFR碳纤维的特点碳纤维的特点：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。碳纤维的特点：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，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。硼纤维（Boron Fibre，BF或Bf）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，以降低成本和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积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。硼纤维的缺点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硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱 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。氧化铝纤维 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。碳化硅纤维-碳化硅碳化硅-碳化硅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。4.2 晶须增强体晶须（Wisker）：具有一定长径比（一般分类：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）。分类：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。晶须的制备方法：新型氧化锌晶须新型氧化锌晶须在在众众多多种种类类的的晶晶须须中中，新新型型氧氧化化锌锌晶晶须须（Zinc Oxide Whisker,简简写写为为ZnOw）以其以其独特的结构独特的结构而倍受注目。而倍受注目。新型氧化锌晶须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。颗粒增强体成本低，易于批量生产。4.3 颗粒增强体 Particle Reinforce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 Reinforcement）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颗粒增强体以很细的粉末（一般在10m以下）加入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合金中加入体积为30%，粒径为0.3m的Al2O3颗粒,材料在300时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。在Si3N4陶瓷中加入体积为20%的TiC颗粒，可使其韧性提高5%。颗粒增强体以很细的粉末（一般在10m以下）加入到金属基和陶延性颗粒增强体（Ductile 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。延性颗粒增强体（Ductile Particle Rei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。（五）复合材料的复合原理（KEY POINT）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。在复合材料中，在已知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.%）：5.1 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。在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，SiC/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SiC/硼硅玻璃复合材料的强度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颗粒增强复合材料的5.2 增强机制 材料的强度是组织结构敏感的性能指标。因此，要从理论上正确预测复合材料的强度通常不太容易。较为经典的强度复合准则有所谓shear lag 模型：(1-1)式中，yc和ym分别表示复合材料和基体材料的屈服应力。该模型的主要考虑对象是以晶须和长径比As较小的短纤维为强化相的复合材料。显然，式(1-1)不适用于强化相As2的情形，因为在此情形下所预测的复合材料的屈服强度将小于基体材料的屈服强度。5.2 增强机制 材料的强度是组织结构敏感的性能指标。因此，式(1-1)没有考虑强化颗颗粒粒尺尺寸寸（直径）的影响，也不能反应由于复合所引起的基基体体材材料料晶晶粒粒尺尺寸寸与与位位错错密密度度的的变变化化等对材料强度有明显影响这一因素的效果。与经典复合准则的强化理论不同，近年来倾向于从微微观观组组织织来解释强度变化，即认为强化相的强化机制是如下几个方面综合作用的结果：（1）位位错错强强化化：由于基体与强化相的热膨胀差所引起的淬火时的位错密度增加。（2）颗颗粒粒强强化化：颗粒等强化相对位错的钉扎作用与位错的高密度化。（3）晶晶粒粒与与亚亚晶晶粒粒强强化化：添加细小颗粒导致的晶粒细化，这一点对于采用铸造凝固法制备的颗粒弥散强化金属基复合材料的影响尤为显著。式(1-1)没有考虑强化颗粒尺寸（直径）的影响，也不能反应由复复合合材材料料在在受受冲冲击击载载荷荷时时材材料料发发生生破破坏坏（断断裂裂），其其韧韧性性大大小小取取决决于于材材料料吸吸收收冲冲击击能能量量大大小小和和抵抗裂纹扩展的能力。抵抗裂纹扩展的能力。5.3 增韧机制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5.4 韧性与强度的关系金属是一种富有延性与韧性的材料，一般地讲，随着强化相含量的增加，金属基复合材料的延性与韧性降低，即强度与弹性模量的提高往往是以牺牲延即强度与弹性模量的提高往往是以牺牲延性与韧性为代价的。性与韧性为代价的。而陶瓷材料本身多为脆性材料，其塑性变形能力几乎为零（某些特殊条件下的超塑性现象除外），韧性很差。如果利用以上所述的各种韧化机制，在陶瓷材料中加入适当的强化相（包括种类的正确选择和加入量的适量化），则则可可以以在在提提高高陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料的的强强度度的的同同时时，提提高高其其韧韧性性，使强化与韧化同时实现。5.4 韧性与强度的关系金属是一种富有延性与韧性的材料，一般5.5 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，称之为界面相界面相。界面的粘结强度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。5.5 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复合材料界面的粘结机制复合材料界面的粘结机制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一般地讲，复合材料界面结合形式复合材料界面结合形式分为三种类型：粘粘结结结结合合：基体与增强相之间既不发生化学反应，也不产生相互溶解；扩扩散散、溶溶解解结结合合：基体与增强相之间不发生化学反应，但产生相互扩散或溶解；反反应应结结合合：基体与增强相之间发生化学反应，在界面上生成化合物。复合材料界面的粘结机制机械结合一般地讲，复合材料界面结合形式（六）复合材料的成型工艺（略）（六）复合材料的成型工艺（略）谢谢谢谢89