复合材料课件

,第三章,复合材料,3.5 复合材料,材料种类,特性,强度大，易腐蚀,无机非金属材料,硬度大，脆性大,高分子材料,质量轻，易老化,复合材料,Composite material,3.5 复合材料材料种类特性强度大，易腐蚀无机非金属材料硬度,复合材料课件,精品资料,精品资料,你怎么称呼老师？,如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？,你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？,教师的教鞭,“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘 ”,“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早”,复合材料课件,我们住在复合材料里,我们住在复合材料里,燕子窝：泥土-草复合材料,燕子窝：泥土-草复合材料,复合材料,是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的新材料，其既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。,复合材料的特征,：,非均相材料，组分材料性能差异较大，新性能，体积分数大于10%，固体材料。,3.5.1 概述,复合材料是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备工艺复合在,复合材料构成,：,复合材料构成：,复合材料课件,骨头（由原胶纤维与无机材料复合）,骨头（由原胶纤维与无机材料复合）,植物茎干（树木、竹）、叶（微纤维与木质素复合）,植物茎干（树木、竹）、叶（微纤维与木质素复合）,吴王矛,越王剑,吴王矛越王剑,复合材料作为一种先进材料出现，是从上世纪40年代的玻璃纤维增强塑料开始，为了与天然的、古代出现的复合材料区分，称之为,现代复合材料,。,航空航天技术要求制成飞行器材料高比强度、比模量，以减轻其重量，提高飞行速度、增加运载火箭有效负载、保证气动特性等。因此，在航空航天领域、现代国防工业中现代复合材料首先得到了广泛的应用.,复合材料作为一种先进材料出现，是从上世纪40年代的玻璃纤维增,B787客机(2007年7月首架飞机下线,复合材料占总质量50%,节省燃油20%) 技术参数： 翼展：50.3-51.8米；机长: 55.5米；高度：16.5米；最大起飞总重:163000千克；巡航速度： 0.85马赫（马赫=1126公里/小时）,；载客量：289；最大航程：15700公里,B787客机(2007年7月首架飞机下线,复合材料占总,B787复合材料机身,B787复合材料机身,B787复合材料机身,B787复合材料机身,A380客机(2007年10月,首次商业航行,复合材料占总质量25%) 是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。,技术参数：翼展：79.8米；机长：73米；宽度：7.14米；最大起飞重量：560吨；巡航速度：0.89马赫；载 客 量：555人；最大航程：15000公里。,A380客机(2007年10月,首次商业航行,复合材,我国研制的ARJ21 （,Advanced Regional Jet,）支线客机“翔凤”(复合材料占总质量2%)2007年12月21日下线，2008年上半年首飞；载客量70100人;最大燃油航程： 4164 km.,我国研制的ARJ21 （Advanced Region,美国F-22猛禽战机,机身材料重量比：42%钛合金，23%复合材料，15%铝合金，20%其它,美国F-22猛禽战机机身材料重量比：42%钛合金，23%复合,复合材料课件,在民用工业如机械工业、交通运输、建筑工业以及生物医学、体育等领域，由于复合材料的优异性能都已得到和正在得到广泛的应用。,图3-73 玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢(左),复合材料(玻璃钢)制作的渔船 （右）,在民用工业如机械工业、交通运输、建筑工业以及生物医学、体育等,复合材料与基体材料相比具有以下优异的性能：,（1）比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量/密度）高；,（2）抗疲劳性能好；,（3）高韧性和抗热冲击性，在PMC和CMC中尤为重要；,（4）耐热性高；,（5）减振性能好；,（6）耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热；,（7）特殊的光、电、磁性能等。,除其优异性能外，复合材料还具有可设计性，可以根据对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量上进行选择，并进行适当的制备与加工。,复合材料与基体材料相比具有以下优异的性能： 除其优异性能外，,3.5.2 复合材料复合原理,由于复合材料是由两种或两种以上不同的材料组分复合而成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复合材料的性能。此外增强材料的形状、含量、分布以及与基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。,复合材料的复合原理，就是反映上述因素对复合材料性能的影响规律。据此人们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。在本节中，主要介绍,组分的作用,、,增韧机制,和,界面的影响,。,3.5.2 复合材料复合原理 由于复合材料是由两种或两种以上,3.5.2.1 混合法则,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（如强度、弹性模量）和物理性能（密度、电导率、热导率、热膨胀系数等）主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）,Pc 表示复合材料的某性能，如强度、弹性模量、密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；Pi 表示各组分材料的对应复合材料的某性能；V表示组成复合材料各组分的体积百分比（vol.%）；下标i表示组成复合材料的组分数（包括基体、若干增强材料）。,（Rule of Mixtures）,3.5.2.1 混合法则 在复合材料中，在已知各组分材料的力,例：,连续纤维单向增强复合材料，当只采用一种纤维增强时，复合材料沿纤维方向的拉伸强度可以表示为：,c fVf + mVm,式中下标c、f 和m分别表示复合材料、纤维和基体，其中Vm （1Vf）,图3-74 SiC/硼硅玻璃复合材料的强度随纤维体积含量线性增加,例： 连续纤维单向增强复合材料，当只采用一种纤维增强时，复合,由于纤维方向性，复合材料垂直纤维方向的弹性模量则表示为：,1 / Ec Vf / Ef + Vm /Em,此式的形式仍然是混合法则的形式。,由于纤维方向性，复合材料垂直纤维方向的弹性模量则表示为：,颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系,颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系,混合法则简明表达了复合材料的性能与基体、增强材料性能之间的关系，但在应用混合法则对复合材料性能进行估算时，由于增强材料的形状、长径比、分布以及基体与增强材料的结合等因素，还需要对此进行一定的修正。,混合法则简明表达了复合材料的性能与基体、增强材料性能之间的关,3.5.2.2 增韧机制,复合材料在应用的过程中，难免要受冲击载荷或发生高速变形，尤其是那些表观上不会使复合材料遭受破坏的低能冲击，往往会造成复合材料的内部损伤，从而使其性能大大下降。,特别是在热固性树脂为基体或脆性的陶瓷为基体的复合材料中，增加复合材料的韧性是改善材料性能的重要任务之一。,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和抵抗裂纹扩展的能力。,经过分析及研究，提出了许多增韧机制。以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。,3.5.2.2 增韧机制 复合材料在应用的过程中，难免要受冲,纤维脱粘韧化机理,在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面产生界面分离，形成新的表面，这需要消耗外界能量。尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。,纤维脱粘韧化机理 在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基,纤维拔出韧化机理,纤维拔出是指在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用下沿着它与基体的界面滑出的现象。很显然纤维首先应发生脱粘和断裂才能被拔出。纤维拔出需要外力做功，因此起到增韧作用。,纤维拔出韧化机理 纤维拔出是指在靠近裂纹尖端的纤维在外力作用,纤维搭桥韧化机理,在裂纹扩展时，如果紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，裂纹在基体中扩展，因此在裂纹的两边纤维搭起了小桥，使两岸联在一起，称之为纤维搭桥，如图3-78所示。这会在裂纹表面形成压应力，以抵销外加拉应力的作用，使裂纹难以进一步扩展，从而起到增韧作用。,纤维搭桥韧化机理 在裂纹扩展时，如果紧靠裂纹尖端处的纤维并未,除了上述增韧机制外，在颗粒、短纤维和晶须增强复合材料中，由于增强材料的存在，阻碍了裂纹在基体中的扩展，在增韧方面，还存在有裂纹偏转、微裂纹增韧等机制。此外，在陶瓷基复合材料中，利用氧化锆的相变产生的体积效应，引起基体产生微裂纹，从而增加陶瓷基复合材料的韧性，这种方法称之为相变增韧机制。,除了上述增韧机制外，在颗粒、短纤维和晶须增强复合材料中，由于,3.5.2.3 界面作用,复合材料是由性质和形状各不相同的两种或两种以上材料组元复合而成的，在两种材料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别的新相，称之为,界面相,。,在复合材料设计和性能预测、评估时，研究界面作用和影响是一项重要内容。,3.5.2.3 界面作用 复合材料是由性质和形状各不相同的两,在复合材料中界面的作用是非常重要的。在纤维增强复合材料中，界面往往起到把载荷由基体传递到纤维的,传递作用,。此外，复合材料的界面还起到,诱导作用,、,阻断作用,、,散射及吸收作用,等。,为了保证界面的作用，纤维与基体之间要有一定的粘结，并且两者之间的结合与增强材料及基体的性质有关。除此之外，复合材料界面的结合方式、界面结构和性质会直接影响和控制复合材料的性能。,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。,在复合材料中界面的作用是非常重要的。在纤维增强复合材料中，界,复合材料界面的粘结方式有：,机械结合、静电作用、界面扩散和界面反应等。,机械结合,是指增强材料与基体结合时，两种材料的表面相互接触，由于表面的粗糙而产生机械锚固，靠机械摩擦力保持表面的结合。,静电作用,则是指复合材料的增强材料与基体的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电引力，形成两者的结合。因静电作用距离有限，表面的污染会大大减弱这种作用。,复合材料界面的粘结方式有：机械结合是指增强材料与基体结合时，,基体与增强材料在复合时，由于复合的条件（温度、压力等）可以在两种材料表面发生原子或分子的相互扩散，甚至溶解，形成,扩散或溶解结合,。,增强材料与基体之间的表面原子，在一定的热力学和动力学条件下会发生界面反应，形成不同于原组元成分及结构的界面反应层，这种结合为,界面反应结合,。,基体与增强材料在复合时，由于复合的条件（温度、压力等）可以在,复合材料的界面粘结方式大都是以上述界面的粘结方式中的一种为主，并伴随以其它粘结方式的共同作用的结果，多数的界面结合是以扩散和反应结合为主。,为了保证复合材料的界面粘结强度和控制界面反应，往往需要对增强材料的表面进行处理。,在金属基复合材料中，界面反应层的结构和性质对其性能的影响尤为重要。,例如硼纤维增强钛复合材料中，由于硼纤维与钛基体在界面产生脆性的TiB2反应产物，如果反应生成TiB2的量大或界面层厚，就会严重影响其力学性能。,复合材料的界面粘结方式大都是以上述界面的粘结方式中的一种为主,SiCf /Ti的界面及界面反应层,在复合材料设计和制备（复合）时，为保证复合材料的最佳性能，如何进行界面的控制和优化，这在复合材料研究中称之为,界面工程,。,SiCf /Ti的界面及界面反应层 在复合材料设计和制备（复,3.5.3 增强材料,复合材料中的增强材料就其形态而言，主要有,纤维及其织物,、,晶须,和,颗粒,。就其组成的性质而言又可分为有机增强材料、金属增强材料和无机非金属增强材料。,3.5.3 增强材料 复合材料中的增强材料就其形态而言，主要,在复合材料设计中，选择增强材料的原则主要是：,1)增强材料的强度、模量和密度；,2)增强材料与基体材料的物理相容性（湿润性、热膨胀系数匹配、互溶性等）；,3)化学相容性（极性、化学位等）,4)性能/价格比。,对结构复合材料而言，第一考虑的是增强材料的强度、模量和密度。其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。,在复合材料设计中，选择增强材料的原则主要是： 1)增强材料,为了使得复合材料既轻又强、既轻又不易变形（即比强度和比模量高），增强材料的比强度和比模量就非常重要。,因此首先考虑的是高强度的晶须和纤维。但晶须和纤维，特别是晶须的价格昂贵，在一些民用领域，尤其是要求专门性能如耐磨损性能的部件中，一般选用价廉物美的颗粒作为增强材料。,从增强材料的性质上考虑，由于有机高分子材料和无机非金属材料的密度低，一般所用的增强材料多数为这两类材料。,为了使得复合材料既轻又强、既轻又不易变形（即比强度,3.5.3.1 纤维增强材料,在现代复合材料的发展历史中，纤维增强材料是最大的功臣，也可以说是现代复合材料的支柱。最早使用的复合材料就是玻璃纤维增强塑料，至今在高技术新材料领域纤维增强复合材料仍然在发挥重要的作用。,主要有玻璃纤维、芳纶纤维（kevlar纤维）、尼龙纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及金属纤维（如钨、钼、不锈钢丝等）。其中在各类复合材料中得到大量使用的是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。,3.5.3.1 纤维增强材料 在现代复合材料的发展历史中，纤,1. 玻璃纤维,在复合材料中应用最早和最为广泛的无机纤维是玻璃纤维。,玻璃纤维是19世纪末美国康宁公司研发成功的，但直至20世纪40年代开发出玻璃纤维增强塑料（GFRP）后才得到大量使用。,玻璃纤维的直径一般为59微米，生产或使用时大多为纤维束。,1. 玻璃纤维 在复合材料中应用最早和最为广泛的无机纤维是,无捻玻璃纤维,无捻玻璃纤维,（1）玻璃纤维的组成,玻璃纤维是由,SiO,2,及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属无定形离子结构物质。,SiO,2,：,主要组分，形成基本骨架，有高的熔点,金属氧化物,：,（,Al,2,O,3,，CaO ，MgO ，BeO ，Na,2,O,K,2,O，B,2,O,3,）,改善制备玻璃纤维的工艺条件,(,Na,2,O,K,2,O为助熔剂，降低熔点),和性能,(,BeO，模量 ；B,2,O,3，,耐酸 ),（1）玻璃纤维的组成,（2）玻璃纤维的制备,坩埚拉丝法,玻璃球,d=1518mm,M10g,拉丝,玻璃原料（砂、石灰石、硼酸）,熔炼炉（1260,）,造球机,玻纤,（2）玻璃纤维的制备 坩埚拉丝法 玻璃球拉丝玻璃原料（砂,（3）玻璃纤维的性能,力学性能（拉伸强度较高，但模量较低）,d10,m,m,s,玻纤,=1000M,Pa；,d,5m,m,，,s,玻纤,=24,00MPa,s,玻璃,40100MPa,弹性模量在70110GPa（与铝和钛合金模量相当）,（3）玻璃纤维的性能 力学性能（拉伸强度较高，但模量较低）,微裂纹理论：,玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，玻璃被破坏。微裂纹尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低。,块状玻璃比玻璃纤维尺寸大，其内部和表面存在微裂纹的概率更大，所以块状玻璃比玻璃纤维的强度低得多。,s,玻纤,s,玻璃,玻纤直径越小，长度越短，强度越大；存放时间越长，负荷时间越长，玻纤强度下降。,微裂纹理论：s玻纤 s玻璃玻纤直径越小，长度越短，强度越,分子取向理论：,玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。,s,玻纤,s,玻璃,s玻纤 s玻璃,热性能,T,g,600，T,f,1200；,T250 ，温度 ，强度 ，具有短时耐高温特性；,300 ，24h，,s,20%； 400 ，24h，,s,50%；,导热系数,k,低（20100 ，0.86Kcal/m.h. ）,良好的绝热性能；,热膨胀系数,a,低（20100 ，4.810,-6,/ ）。, 热性能Tg600，Tf 1200；,耐腐蚀性能,玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对酸、碱、盐以及有机溶剂具有较好的耐腐蚀能力。, 耐腐蚀性能 玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，,电性能,电绝缘性好：含碱量越高，绝缘性越低；,（碱金属离子迁移，成为载流子）,湿度、温度提高，绝缘性降低,良好的高频介电性能（介电常数较小，介质损耗低）, 电性能电绝缘性好：含碱量越高，绝缘性越低；,玻璃纤维与其它纤维相比，其价格便宜，品种多，适合编织制成各种玻璃织物如,玻璃纤维布,，因而广泛应用于航空航天领域；在民用领域，如建筑材料、交通工具、体育用品等方面玻璃纤维增强复合材料也用的很多。,玻璃纤维与其它纤维相比，其价格便宜，品种多，适合编织制成各种,2. 芳纶纤维,芳纶纤维是目前主要用于聚合物基复合材料的一种有机纤维，是美国杜邦公司（Dupont）在1968年研制成功的，并在1973年正式以Kevlar作为其商品名。,芳纶纤维的密度仅为1.44 g/cm3，其抗拉强度高达3.4GPa，模量为59190GPa，因此其比强度和模量均优于玻璃纤维，特别是比强度甚至高于一般碳纤维和硼纤维。,和其它的有机纤维（如聚乙烯、尼龙和聚酯纤维）相比，耐热性较高，象Kevlar49纤维的抗拉强度长期在150下几乎不变，在427下不分解，在190低温下不变脆，并且在高温下不易变形，尺寸稳定，特别是其柔韧性好，抗冲击，耐酸、碱。,但芳纶纤维制成的聚合物基复合材料层间抗剪强度较低。,2. 芳纶纤维 芳纶纤维是目前主要用于聚合物基复合材料的一种,芳纶纤维作为纤维可直接用于登山绳索、传送带、降落伞、防弹服、背心等。,芳纶纤维作为纤维可直接用于登山绳索、传送带、降落伞、防弹服、,作为聚合物基复合材料的增强材料，可单独或与碳纤维混合使用，主要用于航天飞机、大中型客机、汽车和船舶，替代钢、铝等金属的结构件，减重效果显著。,如用于波音757可减重454kg，用于轿车车身，可减重40，在船舶中采用时比用玻璃纤维还可减重2030。,军工上可用于火箭壳体、防弹头盔等。,此外芳纶纤维还可替代石棉纤维用作无石棉摩擦材料的增强纤维。,作为聚合物基复合材料的增强材料，可单独或与碳纤维混合使用，主,芳纶纤维的制备,芳纶纤维的制备,3. 碳纤维,早在1880年大发明家爱迪生发明电灯时开始就用棉、麻纤维来制取碳纤维作为灯丝。,在20世纪50 年代末至60年代中，经过科学家们的努力分别研究和开发出了各种不同高强度和高模量的碳纤维。,碳纤维的出现也标志复合材料的研究与开发进入了一个新阶段。,3. 碳纤维 早在1880年大发明家爱迪生发明电灯时开始就用,生产碳纤维的原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（PAN）碳纤维和沥青基碳纤维。经过碳化和石墨化后，可以分别得到高强度碳纤维、超高强度碳纤维、高模量碳纤维、超高模量碳纤维、高强度高模量碳纤维等。,根据原材料、含碳量及石墨化条件，碳纤维的密度在1.62.18g/cm3，,抗拉强度在17GPa之间，模量为100800GPa。,性能的变化主要与碳纤维的结构有关。,生产碳纤维的原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（PAN）碳,复合材料课件,碳纤维的单丝直径为57微米，一般成束使用，一束达1000根单丝（1K），有的已达24K。碳纤维和玻璃纤维一样，可以织，有纱、布、毡等制品种类。,碳纤维的单丝直径为57微米，一般成束使用，一束达1000根,与玻璃纤维相比，碳纤维比强度和比模量有明显提高。,此外，碳纤维导热、导电，耐化学腐蚀性好，但仍然较脆，且抗氧化性差。,碳纤维不仅作为玻璃纤维的代用品，用于聚合物基复合材料，而且适用于金属基复合材料。,因此，碳纤维成为航空航天领域所用先进复合材料中不可缺少的增强材料。,与玻璃纤维相比，碳纤维比强度和比模量有明显提高。,4. 硼纤维,最早是1959年美国AVCO公司开发的硼纤维，其采用直径为12微米左右的钨丝加热，通入三氯化硼和氢气作为反应气体，在10001300温度下在钨丝上沉积5060微米厚的硼层，因此硼纤维直径为100140微米，中心含有钨丝芯。,由于有钨芯，硼纤维的密度为2.42.6 g/cm3，与玻璃纤维相当。其拉伸强度为3.45.2GPa,而模量则达400GPa,为玻璃纤维的46倍，是目前比模量和比强度最高的增强纤维。,硼纤维耐高温氧化性差，在与某些金属（如钛及钛合金）复合时会产生界面反应，影响复合材料的性能。,4. 硼纤维 最早是1959年美国AVCO公司开发的硼纤维，,为了提高硼纤维的性能，一般在纤维的表面要沉积一层37微米的陶瓷层，如碳化硅或碳化硼。,在表面沉积碳化硅的硼纤维的商品名为“Borsic”（硼矽克）纤维。因为硼纤维采用的是CVD法制备，所以价格昂贵，应用范围有限，一般只用于航空航天领域的聚合物基和金属基复合材料。,为了提高硼纤维的性能，一般在纤维的表面要沉积一层37微米的,5. 碳化硅纤维,1973年美国AVCO公司采用碳芯制备出了CVD碳化硅纤维。该方法生产的碳化硅纤维的密度为3.5 g/cm3，抗拉强度为2.23.9GPa，模量为415GPa，直径也较粗，为100140微米，柔软性也差，并且这种纤维的价格也很贵。为此，材料科学家寻求直径细、柔软性更好和价格合适的碳化硅纤维。,在1978年日本研究与开发了利用有机聚碳硅烷纺丝，然后烧结制备碳化硅纤维的方法。这种碳化硅纤维的商品名为Nicolon（尼可纶），也称为纺丝碳化硅纤维，其价格较之CVD碳化硅纤维要便宜。因不含芯材，其密度仅为2.55 g/cm3，抗拉强度为2.53.0GPa，模量为250GPa，其单丝直径为1015微米，柔软性好，可以象玻璃纤维和碳纤维一样进行编织。,5. 碳化硅纤维 1973年美国AVCO公司采用碳芯制备出了,碳化硅纤维是陶瓷纤维，具有陶瓷特征，抗氧化、耐腐蚀，与金属基体一般不发生反应，湿润性好，且价格便宜，这些都是硼纤维所不能比的。,碳化硅纤维可用作聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的增强材料。碳化硅纤维增强复合材料主要可用于航空航天、汽车结构部件和运动器械（滑雪板、网球拍）。,碳化硅纤维是陶瓷纤维，具有陶瓷特征，抗氧化、耐腐蚀，与金属基,3.5.3.2 晶须,晶须是一种直径为零点几至几个微米的针状单晶体纤维材料。在单晶体中的原子排列非常整齐，几乎没有多晶材料中存在的各种缺陷，如杂质、空穴和位错等，因此从强度而言，晶须的强度接近理论极限。,如果晶须能够象上述的纤维那样可以非常长，则是最理想的增强纤维。遗憾的是，至今也无法使晶须生长成为长纤维，其长度一般为几十微米至几毫米。因此尽管强度非常高，但晶须也无法单独作为结构材料使用，一般作为复合材料的增强材料。,（Whisker）,3.5.3.2 晶须 晶须是一种直径为零点几至几个微米的针状,材料学家们研究开发出了上百种晶须，如晶须铁、镍、铬、铜、钛、银等金属晶须；,氧化铝、氧化钛、氧化铬、氧化铍、氧化钇和莫莱石等氧化物晶须；,碳化硅、碳化钛、碳化硼和碳化锆等碳化物晶须；,氮化硼、氮化硅、氮化钛和氮化铝等氮化物晶须；,硼化钛、硼化锆、硼化铬等硼化物晶须以及钛酸铝、钛酸钾、硼酸铝和硫酸钙等晶须。,材料学家们研究开发出了上百种晶须，如晶须铁、镍、铬、铜、钛、,与纤维增强材料相似，无机非金属晶须的密度低，其性能比金属晶须更优越，比强度和比模量是金属晶须的几倍甚至十几倍。,因此真正进入工业化生产并在复合材料中得到应用的主要是陶瓷晶须，碳化硅晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等，特别是碳化硅晶须。,与纤维增强材料相似，无机非金属晶须的密度低，其性能比金属晶须,碳化硅晶须根据晶体结构分为-碳化硅和-碳化硅晶须。碳化硅的密度为3.15 g/cm3，-碳化硅和-碳化硅晶须的抗拉强度为735GPa，-碳化硅晶须模量约为480GPa、-碳化硅晶须模量约为5.58.3GPa。,-碳化硅,碳化硅晶须根据晶体结构分为-碳化硅和-碳化硅晶须。碳化硅,3.5.3.3 颗粒增强材料,在材料的设计和应用中，有些要求复合材料具有较高强度，但模量要求更高，以保持形状的稳定性；或者要求复合材料具有较高强度和模量外还需要有好的抗磨损性能以及其它性能；或者要求在改善和满足复合材料强度和模量的情况下还希望降低复合材料的成本等等，这时往往考虑选择颗粒增强材料。,颗粒增强材料是改善基体材料性能的颗粒状材料。,与复合材料应用的纤维和晶须一样，颗粒增强材料大多数为具有低密度、高强度、高模量、高硬度、耐高温的无机非金属颗粒材料，如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。,3.5.3.3 颗粒增强材料 在材料的设计和应用中，有些要求,a) 多角状SiC颗粒,b) 等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒,c) 溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒,d) Al2O3片晶,a) 多角状SiC颗粒 b) 等离子喷射熔融法制备的Al2,在聚合物基复合材料中也要使用颗粒材料，但一般是作为填料使用，增强作用不大，主要起改善物理性能的作用，如加入滑石粉、二硫化钼或石墨粉来改善复合材料的润滑性能；加入碳黑、银粉或铜粉以改善复合材料的导电、导热性能等。,但在金属基和陶瓷基复合材料中，颗粒增强材料可以起到增强或增韧作用。,与纤维和晶须增强材料相比，颗粒增强材料的成本低廉、易于批量生产。如在金属和陶瓷基复合材料中，采用的颗粒增强材料往往使用生产磨料磨具的碳化硅、氧化铝等颗粒，只不过纯度和细度要求更高些。,在聚合物基复合材料中也要使用颗粒材料，但一般是作为填料使用，,3.5.4 典型的复合材料及应用,3.5.4.1 聚合物基复合材料,（Polymer Matrix Composites、简称PMC）,现代复合材料就是以20世纪40年代玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）的出现为标志。,经过60余年的发展，已经研究开发出了具有各种优异性能及应用的聚合物基复合材料，包括玻璃纤维增强、碳纤维增强、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维等增强复合材料（表3-9）。,为了获得更高比强度、比模量的复合材料，除主要用于玻璃钢的酚醛树脂、环氧树脂和聚酯外，研究与开发了许多具有耐热性好的基体树脂，如聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PES）和聚醚醚酮（PEEK）等热塑性树脂。,3.5.4 典型的复合材料及应用 3.5.4.1 聚合物基,材,料,GFRP,CFRP,KFRP,BFRP,AFRP,SFRP,钢,铝,钛,密度,g/cm,3,2.0,1.6,1.4,2.1,2.4,2.0,7.8,2.8,4.5,拉伸强度,GPa,1.2,1.8,1.5,1.6,1.7,1.5,1.4,0.48,1.0,比强度,10,6,cm,6.0,11.2,11.5,7.5,7.1,6.5,1.8,1.7,2.1,拉伸模量,GPa,42,130,80,220,120,130,210,77,110,比模量,10,8,cm,2.1,8.1,5.7,10.4,5.4,5.6,2.7,2.7,2.5,热导率,KJ/mhK,21,180,10,23,8.4,272,669,222,CTE 10,6,/K,8.0,0.2,1.8,4.0,4.0,2.6,12,23,9.0,各种单向连续纤维（60vol）增强聚合物基复合材料的性能,材 料GFRPCFRPKFRPBFRPAFRPSFRP钢铝钛,1. 玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP),GFRP是一类采用玻璃纤维增强以酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等热固性树脂以及聚酰胺、聚丙烯等热塑性树脂为基体的聚合物基复合材料。GFRP是物美价廉的复合材料。,GFRP的突出特点是密度低、比强度高。其密度为1.62.0g/cm3，比轻金属铝还低；而比强度要比最高强度的合金钢还高3倍，“玻璃钢”的名称就是由此而来。,因此，玻璃钢在需要轻质高强材料的航空航天工业首先得到广泛应用，在波音B747飞机的机内、外结构件中玻璃钢的使用面积达到了2700m2，如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。由于火箭结构材料不但要求具有高比强度和比模量，而且还要求材料的耐烧蚀性能，玻璃钢用于航天工业中做火箭发动机壳体、喷管。,1. 玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP) GFRP是一类采,在现代汽车工业中为了减轻自重、降低油耗，玻璃钢也大显身手，得到了大量应用，如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩以及内部装饰件等。,除了比强度高外，玻璃钢还具有良好的耐腐蚀性能，在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等介质中都很稳定，耐腐蚀性超过了不锈钢。因此，在石油化工工业中玻璃钢得到了广泛应用，如玻璃钢制成的贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等。,在现代汽车工业中为了减轻自重、降低油耗，玻璃钢也大显身手，得,复合材料课件,玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用,玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用,玻璃钢雷达罩,玻璃钢雷达罩,耐烧蚀玻璃纤维复合材料喷管,耐烧蚀玻璃纤维复合材料喷管,风力发电机玻璃钢叶片,风力发电机玻璃钢叶片,采用玻璃钢制作的体育用品也越来越多，大到快艇、帆船、滑雪车，小到自行车赛车、滑雪板等，应有尽有。,采用玻璃钢制作的体育用品也越来越多，大到快艇、帆船、滑雪车，,此外，玻璃钢具有透光、隔热、隔音和防腐等性能，因而可作为轻质建筑材料如用于建筑工程的各种玻璃钢型材，这是玻璃钢应用最广泛的领域。,此外，玻璃钢具有透光、隔热、隔音和防腐等性能，因而可作为轻质,2. 碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）,CFRP密度更低，具有比玻璃钢更高的比强度和比模量，比强度是高强度钢和钛合金的56倍，是玻璃钢的2倍，比模量是这些材料的34倍。,因此在航天工业中作为主结构材料，如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等都是采用CFRP，为此航天飞机减重达2吨之多。此外在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架也采用CFRP。,2. 碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP） CFRP密度更,CFRP在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架中的应用,CFRP在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架中的应用,在航空工业，CFRP首先在军用飞机中得到应用，如美国F14、F16、F18上主翼外壳、后翼、垂直安定面、水平和垂直尾翼等，军用直升飞机主旋翼和机身等。现在甚至在研究全机身CFRP的战斗机。同样，在民用飞机中也在大量采用CFRP，如波音B757、B777上的阻流板、方向舵、升降舵、内外副翼等。,CFRP在民用飞机中的应用,在航空工业，CFRP首先在军用飞机中得到应用，如美国F14,由于碳纤维的价格高，CFRP主要应用于航空航天领域。但随着碳纤维的研究开发工作的深入，碳纤维价格在不断降低，因此在玻璃钢应用的一些领域也开始采用更轻、更强和刚性更好的CFRP。,如体育用品中的网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆，F1方程式赛车车身。同样，为减轻车体重量，降低油耗，提高车速，汽车的部分部件也开始采用CFRP。甚至在大型混凝土结构遭受一定的破坏后（如地震），也用CFRP片材进行修复，可节省大量资金。,由于碳纤维的价格高，CFRP主要应用于航空航天领域。但随着碳,碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固,碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固,3.5.4.2 铝基复合材料（Aluminum Matrix Composites）,聚合物基复合材料具有很多特点，应用领域也广泛，但其树脂基体的耐热性较差（最高使用温度为350），限制了聚合物基复合材料在高温下的使用。,用可耐高温的金属基体替代树脂基体，再用各种纤维、晶须或颗粒去增强，开发出了各种耐高温、高比强度和比模量的金属基复合材料（Metal Matrix Composites、简称MMC）。,MMC的金属基体大多是属于密度低的轻金属，如铝、镁、钛等，只有作为发动机叶片材料才考虑密度较大的镍和钴基高温合金等。因此，MMC以基体来分类可分为：铝基、钛基、镁基和高温合金基复合材料。,3.5.4.2 铝基复合材料（Aluminum Matri,复合材料,增强材料含量vol.,抗拉强度MPa,拉伸模量GPa,密 度g/cm,3,B,f,/Al,50,12001500,200220,2.6,CVD SiC,f,/ Al,50,13001500,210230,2.853.0,Nicalon SiC,f,/ Al,3540,700900,95110,2.6,C,f,/ Al,35,500800,100150,2.4,FP Al,2,O,3f,/ Al,50,650,220,3.3,Sumica Al,2,O,3f,/ Al,50,900,130,2.9,SiC,w,/ Al,1820,500620,96138,2.8,SiC,p,/ Al,20,400510,100,2.8,CVD SiC,f,/ Ti,35,15001750,210230,3.9,B,f,/ Ti,45,13001500,220,3.7,几种典型铝基MMC的性能,复合材料增强材料含量vol.抗拉强度MPa拉伸模量GPa密,铝基复合材料是当前使用最广泛、应用最早、品种和规格最多的一种MMC。早在20世纪60年代末，美国NASA就把硼纤维增强铝作为结构材料用于航天飞机主舱体的龙骨桁架和支柱，既增加了强度和模量，还降低了结构重量。,硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱,铝基复合材料是当前使用最广泛、应用最早、品种和规格最多的一,由于硼纤维价格昂贵，硼纤维增强MMC主要应用于航天领域的结构件。随着碳纤维、碳化硅纤维等增强材料的开发，降低了MMC的成本，铝基MMC已用于空间站结构材料如主结构支架等，和飞机结构件如发动机风扇叶片、尾翼等。,由于硼纤维价格昂贵，硼纤维增强MMC主要应用于航天领域的结构,短纤维、晶须和颗粒增强材料在MMC的应用以及MMC新的制备技术开发，降低了成本，扩大了铝基MMC在民用领域的应用，最明显的是在汽车工业中的应用。,由于Al2O3颗粒或短纤维、SiC颗粒或晶须、B4C颗粒增强的铝基MMC具有良好的高温力学性能、导热性和耐磨性，因此可制成汽车,发动机,的汽缸套、活塞（活塞环）、连杆、气门挺柱以及制动器的刹车盘、刹车衬片等。,同样，铝基MMC也已经用于体育用品，如自行车赛车车架，棒球击,球杆等。,短纤维、晶须和颗粒增强材料在MMC的应用以及MMC新的制备技,Al203短纤维/Al汽车活塞 （活塞环）（丰田汽车公司）,SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6Kg（福特、通用汽车公司）,SiCp/Al，Al203p/Al汽车刹车盘，减重60（丰田、福特和通用汽车公司）,Al203短纤维/Al汽车活塞 （活塞环）（丰田汽车公司）,3.5.4.3 陶瓷基复合材料（CMC）,陶瓷材料具有高强度、高模量、高硬度以及耐高温、耐腐蚀等许多优良的性能。但陶瓷特有的脆性、抗热震性能差、以及对裂纹、空隙等缺陷很敏感，又限制了其在工程领域作为结构材料的广泛使用。因此采用纤维、晶须、颗粒等增强增韧提高陶瓷材料的韧性，提高其使用的可靠性，成为复合材料研究的重要方面。,目前CMC的基体主要有玻璃陶瓷（如锂铝硅玻璃、硼硅玻璃）和氧化铝、碳化硅、氮化硅等，采用的增强材料有碳化硅纤维、碳纤维，碳化硅晶须、碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等。,典型的CMC有SiCf/SiC、Cf/SiC、SiCw/ Al2O3、SiCw/Si3N4、SiCp/ Al2O3、SiCp/Si3N4以及氧化锆增韧氧化铝等。,3.5.4.3 陶瓷基复合材料（CMC） 陶瓷材料具有高强,从增韧效果来看，纤维增韧效果最佳，如碳纤维增韧氮化硅（Cf/Si3N4）的断裂韧性由基体的3.7MPa.m1/2提高为近16 MPa.m1/2，Cf /SiC和SiCf /SiC的断裂韧性甚至达30 MPa.m1/2，比基体韧性提高67倍。,而晶须和颗粒增韧的CMC虽然不如纤维增韧，但与陶瓷基体相比仍有较大提高，同时强度和模量也有较大提高。,从增韧效果来看，纤维增韧效果最佳，如碳纤维增韧氮化硅（Cf/,Si3N4/BN层状复合材料的 断裂时裂纹扩展路径。,Si3N4/BN层状复合材料的 断裂时裂纹扩展路径。,因为CMC的高硬度、耐腐蚀性和耐磨性，如SiCw/ Al2O3和SiCw/Si3N4等CMC已得到广泛应用的领域是用于现代高速、数控机床中的高速以及加工高硬度材料的切削刀具。,SiC晶须增强氧化铝钻头,颗粒增强氮化硅刀具,采用颗粒增强氮化硅刀具加工高硬度的高铬铸铁件,因为CMC的高硬度、耐腐蚀性和耐磨性，如SiCw/ Al2O,但是因CMC的最大特点是其高温强度和模量、其最大的应用应在航空航天领域，如发动机的各种高温结构件叶片、燃烧室等和导弹的鼻锥、火箭喷管。这是陶瓷基复合材料应用的发展方向。,但是因CMC的最大特点是其高温强度和模量、其最大的应用应在航,3.5.4.4 碳/碳复合材料（C/C）,碳/碳复合材料（C/C）是由碳纤维及其制品（碳毡、碳布等）增强的碳基复合材料。,一般C/C是由碳纤维及其制品做成,预制体,，通过化学气相沉积法（CVD）或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得C/C的基体碳来制备的。,CVD法得到基体碳为沉积碳，采用树脂或沥青碳化得到的基体碳分别为树脂碳和沥青碳。,3.5.4.4 碳/碳复合材料（C/C） 碳/碳复合材料（,三维正交碳纤维增强的C/C的显微结构,三维正交碳纤维增强的C/C的显微结构,碳/碳复合材料预成形体,a)三维结构 b)四维结构 c)五维结构,碳/碳复合材料预成形体,C/C的组成只有一个元素碳，因此具有碳和石墨材料所特有的优点如低密度和优异热性能如耐烧蚀性、抗热震性、高导热性和低膨胀系数等，同时还具有复合材料的高强度、高模量等特点。,C/C首先在航空航天领域得到应用。最初是作为耐烧蚀材料用于军事工业的导弹弹头和固体火箭发动机喷管等。,另一军事领域的用途是作为固体火箭发动机喷管、喉衬，也是利用了C/C的这些特性。此外，基于同样的原因，在航天领域中采用C/C作为航天飞机的鼻锥、机翼前缘,因为航天飞机再入大气层时，这些部位需要经受近2000的高温。,C/C的组成只有一个元素碳，因此具有碳和石墨材料所特有的优,C/C的另一重要性能是其优异的,摩擦磨损性能,。C/C中的碳纤维除增强碳基体外，也提高了复合材料的摩擦系数。C/C复合材料高温摩擦时能大量吸收能量，在高速、高能量条件下的摩擦升温高达1000以上，其摩擦性能仍然保持平稳，而且磨损量很低，这是其它摩擦材料所不具有的。正因为如此，C/C作为军用和民用飞机的刹车盘材料得到了越来越广泛的应用。,空中客车A320的C/C刹车装置,C/C的另一重要性能是其优异的摩擦磨损性能。C/C中的碳纤维,目前6070的C/C主要用于摩擦材料，包括飞机刹车盘、F1赛车、高速列车的刹车制动材料。,目前6070的C/C主要用于摩擦材料，包括飞机刹车盘、F,C/C的另一用途是利用其与人体的生物相容性，用于生物医学领域，例如人工心脏瓣膜、人工骨骼、人工牙根和人工髋关节等。,C/C的另一用途是利用其与人体的生物相容性，用于生物医学领,