资源描述
人类进步的历史与人类应用材料的历史密切相关。在迈向现代文明的进程中，人类经历了石器时代、铜器时代、铁器时代、合成材料时代，现已迈入应用复合材料的新时代。长期以来，人们不断改进原有材料、开发新的材料品种，在实践中积累了丰富的应用材料的经验。但是，任何一种单一的材料（金属、陶瓷、聚合物），虽有许多优点，但都存在着一些明显的不足，改性也往往是有限的。随着现代科学技术的迅猛发展，对材料提出了越来越高、越来越严、越来越多的要求，既要求良好的综合性能，如高强度、高刚度、高韧性、低密度等性能，又希望能够在高温、高压、强腐蚀等恶劣的环境下服役。这些是传统的单一材料所不能满足的。于是人们想到将一些不同性能的材料复合起来，相互取长补短，这样就出现了复合材料。,4.3 复 合 材 料,复合材料的发展概况,早期的复合材料,复合材料并不是人类发明的新材料，在自然界存在许多天然的复合材料，人类使用复合材料有着悠久的历史。天然复合材料：竹子、木材、骨骼、皮肤、贝壳等。自然界的经典组合：竹子是由许多直径不同的管状纤维素分散在木质素基体中形成的复合材料。表皮纤维细而密，可增强抗弯强度；内层纤维粗而疏，可改善韧性。最原始的人工复合材料：6000年前，我国古代劳动人民使用的土坯砖是有粘土和稻草组成的。古代金属基复合材料：越王剑即金属包层复合材料，在潮湿的环境中埋藏了几千年，出土是仍光亮夺目，锋利无比。,近代复合材料,主要指人工特意复合而成的一种新型材料体系，成功制造要从1942年开始算起。第二次世界大战期间，玻璃纤维增强聚脂树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件。复合材料发展第一代：19421960年，玻璃纤维增强塑料时代。复合材料发展第二代：19601980年，先进复合材料发展时代，主要研究增强材料，英国研制碳纤维，美国研制了Kevlar纤维。碳纤维增强环氧树脂、Kevlar纤维增强环氧树脂复合材料用于飞机、火箭的主承力构件。复合材料发展第三代：19801990年，纤维增强金属基复合材料时代，其中铝基复合材料应用最广泛；同时陶瓷基复合材料也得到研究和发展。复合材料发展第四代：1990至今，主要发展多功能复合材料，梯度功能材料、纳米符合材料、仿生复合材料。,4.3.1 复合材料的概念,复合材料在材料科学中是一门新兴学科，理论尚不成熟，还没有形成统一的、普遍接受的定义。国际化组织为复合材料下的定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。改进的定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质采用适当的工艺组合而成的一种多相固体材料，而且这种多相固体材料的性能比单一材料的性能优越。,定义要点,一、多相材料。通常包括基体相和增强相。基体相可以是一个或几个，把改善性能的增强相材料固结成一体，起着粘结和传递应力的作用，又称为连续相。增强相也可以是一个或几个，起着承受应力和显示功能的作用，又称为分散相。 二、固体材料。若复合产物为液体或气体混合物，就不是复合材料。 三、人工合成。自然界天然的复合材料不在材料科学研究之列。,四、性能优越性1、改善或克服组成材料的弱点，充分发挥优点。如玻璃钢强度玻璃和树脂。2、各向异性，性能具有可设计性，使构件中纤维与受力方向一致。3、可创造出单一材料不具备的性能，或同一时间里发挥不同的功能。如温控开关。,复合材料可以由金属、高聚物和陶瓷中任意两者人工合成，也可以由两种或更多种金属、高聚物和陶瓷来制备，因此复合材料范围很广、种类很多，目前分类也不统一。 按基体材料分类 1、聚合物基复合材料 （Polymer Matrix Composites，简写PMC） 2、金属基复合材料 （Metal Matrix Composites，简写MMC） 3、陶瓷基复合材料 （Ceramic Matrix Composites，简写CMC） 4、碳碳基复合材料 （Carbon-Carbon Composites，简写C/C）,复合材料的分类,二、按增强材料的形态分类 1、零维：颗粒增强复合材料。根据颗粒大小，又分为弥散颗粒增强复合材料（1002500）和真正颗粒增强复合材料（微米级）。 2、一维：纤维增强复合材料。按纤维长短有分为连续纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料和晶须增强复合材料。按纤维种类有分为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、硼纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、金属纤维增强复合材料、陶瓷纤维增强复合材料。 3、二维：板状复合材料、平面编织复合材料、片状材料增强复合材料。 4、三维：骨架状复合材料、立体编织复合材料。,三、按复合材料的用途分类 1、结构复合材料：以承受载荷为主要目的。主要使用力学性能，以满足高强度、高模量、耐冲击、耐磨损的要求。这类复合材料通常由基体材料和增强材料组成，其中增强材料起主要作用，由它提供复合材料的刚度和强度，基本上控制了复合材料的力学性能；基体材料起配合作用，支持和固定增强材料，改善复合材料的某些性能。 2、功能复合材料：主要使用功能特性，利用其在电、磁、声、光、热、阻尼、烧蚀等方面的特殊性能。如导电复合材料、磁性复合材料等。 3、智能复合材料：机敏材料+自决策材料+执行材料。当材料发生故障或即将失效时，电阻或电导发生突变，机敏材料发出预警，自决策材料根据情况作出最优控制，发出指令传达给执行材料使之发生动作，从而保证材料处于最佳状态。,复合材料的命名,1、强调基体材料时以基体材料命名，如金属基复合材料。 2、强调增强材料时以增强材料命名，如碳纤维增强复合材料。 3、强调基体材料和增强材料时，两者并用，如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。,纤维增强高分子复合材料,复合材料表示方法,1、增强材料/基体材料。如WC/Co（读作：由碳化钨增强的钴基复合材料）；SiC（P）/Al（读作：由碳化硅颗粒增强的铝基复合材料）；C（f）/EP（读作：由碳纤维增强的环氧树脂复合材料）。 2、英文编号的缩写。 如FRP：纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics）； PMC：聚合物基复合材料； MMC：金属基复合材料； CMC：陶瓷基复合材料； FRC：纤维增强复合材料； 各种教材常用这些编号，实际并没有统一。 例如FRC可代表纤维增强陶瓷；也可代表纤维-树脂复合材料， 还表示纤维增强复合材料。 原因是C：Ceramic；Cement；Composites；碳纤维。 M：Metal；Matrix。R：Reinforced；Resin。P：Polymer；Plastics,4.3.2 复合材料的性能特点,一、比强度和比模量高。比强度=强度/密度；比模量=弹性模量/密度比强度高，制作的零件自重小；比模量高，零件刚性好。C（f）/EP的比强度是钢的8倍，比模量是钢的3.5倍。 二、抗疲劳性能好。金属材料的疲劳极限为其拉伸强度的4050%，疲劳破坏往往是突发性的，事先没有征兆；碳纤维树脂复合材料的疲劳极限为其拉伸强度的7080%，疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，破坏前有明显的预兆。原因：1）缺陷少的纤维抗疲劳能力强；2）基体塑性好，使疲劳裂纹难以萌生为裂纹；3）增强纤维与基体间的界面能有效地减缓疲劳裂纹的扩展。,三、减振性能好。构件的自振频率与结构本身的性状有关，还与材料的比模量的平方根成正比。复合材料比模量大，自振频率高，在一般加载速度下，不容易发生共振而快速断裂。另外，复合材料是多相体系，大量界面对振动有反射和吸收作用，振动阻尼很高，其中振动衰减快，因而减振能力强。 四、高温性能好（相对基体材料而言）。增强材料有较高的熔点和高温强度，如铝在400500完全丧失强度，而B（f）/Al在400500仍有很高的强度。碳纤维增强树脂基复合材料的耐热性能比树脂基体有明显的提高。 五、减摩、耐磨性能好。塑料王聚四氟乙烯摩擦系数极低，仅0.04，几乎是所有固体擦了中最低的。碳纤维可降低塑料的摩擦系数，在热塑性塑料中掺入少量短切碳纤维，其耐磨性大大提高。,六、化学稳定性好。钢材不耐酸，但很大复合材料能耐酸碱腐蚀。玻璃纤维增强塑料不仅可在含氯离子的酸性介质中长期使用，还能在强碱介质中使用。 七、断裂安全性高。纤维增强复合材料中含有大量的独立纤维。当构件过载后即使有少量的纤维断裂，载荷也会迅速重新分配到为破坏的纤维上，使整个构件不致在极短的时间内完全丧失承载能力而整体破坏，因而工作安全性高。 八、成型工艺性好。复合材料构件制造工艺简单，适合整体成型，即一次成型。在制备复合材料的同时，也获得了构件，减少了后续工序。,复合材料性能不足之处,1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。 2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。 3、制造是产品性能不稳定，分散性大，质检困难。 4、老化性能不好。 5、机械连接困难。 6、成本太高。,4.3.3 纤维增强复合材料的复合原则,材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。 （1）纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强度和刚度。弹性模量E愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高也是保证结构稳定性所必要的。 （2）基体起粘结纤维的作用，因此必须：对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结力，而将纤维粘结为一个整体；具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面的反应。,（3）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。 （4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压应力，增进韧性。,（5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在4070%范围内。纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度考虑，短纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用长径比大于某一临界值的不连续纤维。纤维的分布方式应符合于构件的受力要求。由于纤维的纵向拉伸强度比横向高几十倍，所以应尽量使纤维的排列平行于应力作用的方向。受力复杂的情况下，纤维采用不同方向交叉层叠的方式排列，以提供多个方向的增强效果。,颗粒增强复合材料的复合原则,颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为1002500，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，最常见的是氧化物。这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，可以有效地阻碍位错的运动或在聚合物基体中，颗粒可阻碍大分子链的运动；或在陶瓷基体中，颗粒对裂纹可起到屏蔽作用，进而产生显著的强化效果。这类复合材料的复合强化机理与合金的沉淀硬化机理类似，可用Orowan理论（即位错绕过质点的理论）予以解释。复合材料中基体是承受载荷的主体，所不同的是这些细小弥散颗粒不是借助于相变产生的第二相质点，它们随温度的升高仍保持其原有的尺寸，因此增强效果在高温下可维持较长的时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于所用的基体金属或合金。,若颗粒直径小于100，这时材料结构接近于固溶体结构，位错容易绕过，难以对位错起障碍作用，增强作用不大。若颗粒直径大于1000，在载荷作用下，颗粒周围将造成应力集中，或基体本身破裂，导致强度降低。为使弥散增强复合材料的性能达到最佳，除要求颗粒坚硬、稳定、与基体不发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及同基体结合能力均是必须加以考虑的因素。实践表明，复合材料的性能显著受到颗粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体中。,4.3.4 复合材料的界面,定义：复合材料的界面是指增强体与基体接触所构成的界面，通常界面处化学成分有显著变化，并有与基体相和增强相结构明显不同的新相，又称之为界面相或界面层。 产生原因：由于增强体和基体接触时在一定条件下可能发生化学反应，或两相元素扩散、溶解而产生新相。即使不发生上述相互作用，也可能由于基体固化而产生内应力，或两相结构间发生诱导效应，使接近增强体的基体部分结构发生不同于基体本体结构而形成的界面相。,复合材料界面机能,1、传递效应：界面传递应力，是基体与增强体之间的桥梁； 2、阻断效应：界面阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中； 3、诱导效应：一种物质（增强体）的表面结构使与之接触的另一种物质（基体）结构由于诱导作用而发生变化，由此产生一个作用类似过渡层的界面层； 4、不连续效应：界面处化学成分和物理性能的不连续性； 5、散射和吸收效应：光波、声波、冲击波等在界面处产生散射和吸收。,4.3.5 复合材料断裂的特点,1、缺口敏感性因纤维的分布情况有很大的差异复合材料中，纤维是主要承载体，缺口敏感性主要取决于纤维的分布情况。当缺口与纤维方向垂直，受载后首先发生的是缺口附近应力集中引起的脱粘，脱粘将沿着纤维扩展，由此导致缺口附近张开并钝化，从而消除了应力集中。当缺口与纤维方向平行，在应力作用下，裂纹很容易顺着原来的方向扩展，因而对缺口非常敏感。 2、断裂的两大模式一类是在固有缺陷较小时，应力的增加虽也引起缺陷尺寸一定程度的增大，更重要的是引发更多的缺陷，进而在较大范围内产生较为密集的缺陷分布，这些缺陷导致材料的总体破坏，称为总体损伤模式。另一模式是在缺陷较大时，应力集中造成缺陷（裂纹）的扩大，这种裂纹扩展导致破坏的模式称为裂纹扩展模式。在复合材料整个断裂过程中，两种模式有可能其中一种占绝对优势，也可能是两种模式都出现。,3、长纤维复合材料裂纹扩展的非共线性由于纤维的强度远高于基体材料和界面的强度，当裂纹遇到纤维与基体的界面时，往往是界面先破坏，使得裂纹出现拐弯，转而沿界面的方向扩展。复合材料裂纹的扩展绝大多数都是复合型的扩展过程，非共线的。 4、层合板的多重开裂现象。金属材料中，一个裂纹的扩展会导致材料的最终断裂，而复合材料则不一样，它的初始裂纹的出现与扩展，并不意味着材料的最终破坏，而是随着载荷的增加，还会发生一系列的后续开裂。例如：090正交铺设的层合板，若裂纹首先在90层内出现，则随着载荷的增加，90层内的裂纹数目会由少到多，有稀到密；接着0层内也会出现顺着纤维方向的裂纹，同时出现层间裂纹，最后以纤维断裂面复合材料发生破坏。,粒子增强复合材料 粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。 这种复合材料是各向同性的。,卫星用颗粒增强铝基复合材料零件,4.3.6 复合材料介绍,聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料。 陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。,金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。 碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。,硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。 硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。,层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。,双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。,聚合物基纤维增强复合材料 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。,聚合物基纤维增强复合材料零件,复合材料在航空中的应用,纤维增强金属基复合材料 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。 作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。,金属基复合材料(MMC)虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。,航天飞机桁架,纤维增强陶瓷复合材料 陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。 陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。,用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须 (如SiC 和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。,玻璃钢 增强剂 玻璃纤维（主要是SiO2），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。粘结剂（基体）热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。性能（与基体相比） ( 比 ) 强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。用途 轴承，轴承架，齿轮，车身。,碳纤维树脂复合材料增强剂 碳纤维 ( 石墨 ) ，强度和弹性模量高，且2000以上保持不变；-180不变脆。 粘结剂（基体） 环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。性能（与基体相比） 强度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。用途 火箭外壳 ，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器。,硼纤维树脂复合材料增强剂 硼纤维, b=27503140MPa，E=382392MPa（4倍于玻纤）。基体 环氧树脂等。性能 抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，耐辐射, 化学稳定（水, 有机溶剂, 燃料, 润滑剂）, 导热性能和导电性能好。用途 航空和宇航材料。,硼纤维金属复合材料基体 铝镁及其合金，钛及其合金。性能 如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金，比强度高于钢和钛合金 。用途 航空、火箭 。,本章小结,重点要求1、高分子材料的概念、分类和性能特点。 2、高分子材料的三种物理状态。 3、陶瓷材料的概念、 分类和性能特点。 4、陶瓷材料的相组成特点。 5、复合材料的概念、性能特点。,感谢聆听！,of 4.3 & Chapter 4,
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