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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Chapter 10,*,第四章 复合材料加工原理,Chapter 10,1,4.1 复合材料的种类及特点,复合材料是由基体（金属、陶瓷、聚合物）与嵌入的增强体（长纤维、短纤维、晶须、颗粒）经复合而形成的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。,Chapter 10,2,复合材料的分类,碳/碳复合材料,树脂基复合材料（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）,金属基复合材料,陶瓷基复合材料（包括玻璃、水泥）,连续纤维增强复合材料（玻璃纤维；碳纤维；有机纤维如芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维；金属纤维如钨丝、不锈钢丝等；陶瓷纤维如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等。）,短纤维或晶须增强复合材料,颗粒增强复合材料,编织复合材料,Chapter 10,3,复合材料的分类,3. 按功能分为,结构复合材料,功能复合材料,Chapter 10,4,由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。,结构复合材料主要作为承力结构使用的材料,Chapter 10,5,包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。,功能复合材料一般由功能体和基体组元构成。基体起连接功能体构成整体的作用以及协同和增强功能的作用。,未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料、和发展多功能、机敏、天然复合材料等领域,。,功能复合材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。,Chapter 10,6,Figure Scanning electron micrograph of the fracture surface of a silver-copper alloy reinforced with carbon fibers. Poor bonding causes much of the fracture surface to follow the interface between the metal matrix and the carbon tows ( 3000). (From Metals Handbook, American Society for Metals, Vol. 9, 9th Ed., 1985.),Chapter 10,7,GF/CF不同的纤维种类,Chapter 10,8,Composite materials configurations,Materials: Glass/carbon/aramid fibres with thermoset/thermoplastic resins,Architecture: Unidirectional tapes, woven, braided, chopped strand mat, pultruded, filament wound, RTM, injection moulded/,Chapter 10,9,Chapter 10,10,Chapter 10,11,2500目CaCO3粒子/PP,Chapter 10,12,Chapter 10,13,增强体的性能,增强体的特点是高强度、高模量。增强体直径较小，含有缺陷的机率少，所以保持了高强度、高模量的特性。用于航天、航天结构的复合材料的增强体密度一般都低。,Chapter 10,14,复合材料的特点,（1）密度低，比强度高、比模量高、膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨、抗疲劳、抗蠕变、抗冲击、高阻尼；,（2）综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种功能；,（3）可以根据材料性能要求对材料进行设计；,（4）可形成任意形状的制品，实现近终形加工。,Chapter 10,15,复合材料的特点,（1）高比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量/密度）,（2）热膨胀系数低,（3）抗蠕变性好,（4）抗疲劳性好,（5）减振性能好,（6）材料性能的可设计性,Chapter 10,16,碳/碳复合材料,碳/碳复合材料是以碳纤维、石墨纤维或它们的织物为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料。,碳/碳复合材料的分类：,碳纤维增强石墨；石墨纤维增强碳；石墨纤维增强石墨,Chapter 10,17,碳/碳复合材料,碳/碳复合材料的性能特点：,（1）耐高温：石墨熔点 3652-3697 。,（2）脆性大：延伸率仅有0.12%-0.24%。,（3）热导率高。,（4）热膨胀系数小：约为金属的1/5-1/6。,（5）比热容高：单位质量物质温度升高1吸收的热量叫做这种物质的比热容 。,（6）高比强度、高比模量。,（7）抗震性好。,（8）耐磨性好。,（9）耐烧蚀性好。,Chapter 10,18,碳/碳复合材料,碳/碳复合材料的应用：,碳复合材料具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、高热导率、低热膨胀以及对热冲进击不敏感，航空航天及军事领域主要用做烧蚀材料和热结构材料。,如，可用做导弹头部进入大气层烧蚀的防热结构材料，以及载人宇宙飞船或航天飞机的防热材料。,烧蚀是指导弹和飞行器进入大气层在热流作用下，由热化学和机械过程引起的固体表面的质量迁移(材料消耗)现象。,在现有的材料中，碳/碳复合材料是最好的抗烧蚀材料。,此外，在航天工业用于导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭发动机的高温喷管、航天飞机的鼻锥帽和机冀前缘。,利用其耐磨性可做飞机、汽车、赛车的刹车片。,Chapter 10,19,碳/碳复合材料,碳/碳复合材料的应用：,在民用工业中可用于高温密封材料、高温轴承、涡轮叶片、喷气发动机的高温出口等。,3、生物医学上的应用,利用碳/碳复合材料的生物相容性好、耐磨、耐疲劳等特性，可用于人工膝关节、髋关节。,Chapter 10,20,聚合物复合材料,聚合物复合材料是以连续纤维为增强体，与有机聚合物复合而成的材料。,基体材料分为：,热固性塑料：包括不饱和聚酯树脂；环氧树脂；酚醛树脂,热塑性塑料：包括聚丙烯、聚甲醛、聚碳酸脂等。,增强材料：包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维等。,Chapter 10,21,聚合物复合材料,应用最广的为玻璃纤维增强塑料GRP（Glass Reforced Plastics），又称玻璃钢。玻璃钢的硬度高，比钢材轻得多。喷气式飞机上用它作油箱和管道，可减轻飞机的重量。登上月球的宇航员们，他们身上背着的微型氧气瓶，也是用玻璃钢制成的。玻璃钢加工容易，不锈不烂，不需油漆。我国已广泛采用玻璃钢制造各种小型汽艇、救生艇、游艇，以及汽车制造业等，节约了不少钢材。此外，卫生洁具、安全帽 、玻璃钢瓦等。,Chapter 10,22,聚合物复合材料,Chapter 10,23,聚合物复合材料,聚合物复合材料的特点：,（1）高比强度和比刚度：比钢和铝合金高出几倍以上。如纤维增强热塑性塑料：与钢相比，比重仅为钢的1/5，比强度为钢的8倍，比模量为3.6倍，疲劳强度为2.7倍，抗拉强度为1.4倍。,（2）耐腐蚀性优异。全世界每年腐蚀金属约1.2亿吨，我国金属腐蚀损失每年约600亿以上。聚合物复合材料因根本不发生金属的电化学腐蚀，可取代昂贵的不锈钢。,Chapter 10,24,聚合物复合材料,聚合物复合材料的特点：,（3）采用热固性塑料为基体，工作温度较低，可在-40-130 范围内长期工作；采用热塑性塑料为基体，可在200-259 范围内长期工作，短时温度可达350-409。,（4）减震性能好：聚合物复合材料的自振频率为钢的1.9倍。振动阻尼高，同尺寸梁实验：聚合物复合材料梁2.5min停止振动，钢梁需9min。,（5）抗疲劳性能好,（6）材料性能的可设计性；纤维增强材料的数量与方向可根据受力情况调变；以最大程度提高结构抗力。,Chapter 10,25,聚合物复合材料,聚合物复合材料的应用：,广泛应用于航空航天、海洋、汽车、化工、建筑、体育器材等领域。,如：飞机主货舱门、机翼前缘、压力容器、飞机引擎罩、汽车壳体、化工管道、滑雪板等。,图片,例：美国航天飞机采用了各种先进复合材料：,发动机壳体 硼纤维/环氧 聚合物基复合材料,压力容器 硼纤维/聚酰亚胺,后部机体 碳纤维/聚酰亚胺,机体中央部分 硼纤维/铝 金属基复合材料,机头及主翼前缘 碳/碳复合材料,Chapter 10,26,金属基复合材料,金属基复合材料是以金属为基体，用各种金属、金属间化合物或非金属的纤维、晶须或颗粒为增强体复合而成的材料。,基体材料：,任何具有工程应用价值的金属和合金，常见的是有色金属材料，包括：,钛合金、铜合金、镁合金、锌合金、铝合金等。,增强材料：,（1）碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维、合金的晶须等具有超高比强度和比模量的材料；,（2）SiC、Al2O3、TiC、TiB、ZrO2等具有高硬度的颗粒；,（3）滑石、石墨等具有润滑性能的软质颗粒。,Chapter 10,27,金属基复合材料,金属基复合材料的特点：,（1）高强度,（2）高模量,（3）冲击韧性好（纤维强化）,（4）耐磨性好（颗粒强化）,（5）高温性能好,Chapter 10,28,金属基复合材料,金属基复合材料的分类：,（1）根据基体材料分为：,钛基、铜基、镁基、锌基、铝基、镍基复合材料,铝基、镁基复合材料质量轻、比强度、比模量高，主要用于航天与航空领域的飞机、卫星、火箭等壳体和内部结构等结构材料；,铜基、铝基具有高导热、低热膨胀特性，用于电子集成电路的散热元件和基板等功能材料；,钛基、镍基具有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温性能，可用作航空航天发动机中的叶片等高温材料；,锌基用于模具材料。,Chapter 10,29,金属基复合材料,金属基复合材料的分类：,（2）根据增强体的尺寸分为：,纤维增强复合材料；颗粒增强复合材料,（3）根据颗粒增强相的加入方式分：,外加颗粒增强复合材料;原位自生颗粒增强复合材料,Chapter 10,30,金属基复合材料,金属基复合材料的应用：,Chapter 10,31,陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料是在陶瓷中加入连续纤维或离散颗粒制成的材料。,陶瓷材料,如氮化物、碳化物、硅化物、氧化物具有很高的熔点、硬度、耐磨性、耐蚀性等性能，因此，陶瓷材料具有优异的性能。但陶瓷材料脆性大，易发生灾难性破坏。提高其韧性对于扩大陶瓷材料的应用范围至关重要。,制备陶瓷基复合材料是提高陶瓷韧性的重要方法。,常用的陶瓷基体材料有SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2等；,常用的增强材料有长、短纤维（碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、玻璃纤维等）、晶须（ SiC、Si3N4、Al2O3晶须）和颗粒（SiC、Si3N4等） 。,Chapter 10,32,陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料的应用：,刀具、航空航天飞行器构件（如导弹头锥、火箭喷管）、发动机构件、涡轮增压器、内燃机部件。,如，热机的循环压力和循环气体的温度越高，其热效率也就越高。现在普遍使用的燃气轮机高温部件还是镍基合金或钴基合金，它可使汽轮机的进口温度高达1400 C，但这些合金的耐高温极限受到了其熔点的限制，因此，采用陶瓷材料取代替高温合金已成了目前研究的一个重点。,Chapter 10,33,
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