第九章 复合材料,第九章 复合材料,本章的主要内容 9.1 复合材料及其类型 9.2 复合材料的增强机制和复合原则 9.3 复合材料的性能特点 9.4 常用复合材料,第九章 复合材料 9.1 复合材料及其类型,1.含义：由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经 人工组合而得到的多项固体材料。 优点： 燕窝/钢筋混凝土/竹子 改善或克服组成材料的弱点，充分发挥其优点； 可按照构件的结构和受力要求，给出约定的、分配合理的 配套性能，进行材料的最佳设计； 可创造单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里 发挥不同功能的作用。,2. 分类 复合材料是多相结构，可分为两类，一类相为基体，起连接作用；另一类为增强相，起提高强度（或韧性）作用。 常见的分类有三种 按基体类型分：树脂类/金属类 按性能分：结构复合材料/功能复合材料 按增强相的性质和形态分： 纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 层叠增强复合材料,第九章 复合材料 9.1 复合材料及其类型,第九章 复合材料 9.1 复合材料及其类型,（a）层叠复合材料 （b）纤维复合材料 （c）颗粒复合材料 复合材料结构示意图,2. 分类,3.复合材料的制备方法 （1）叠层（层合）法 利用胶黏剂的胶接层合、热压或挤出层合以及利用各种方法形成表面层。 （2）混合法 在基体材料中加入填料，经机械混合形成溶液、乳液状态，料浆和混合料，甚至微观结合，然后固化、分层、烧结而制成均匀的复合材料。 （3）浸渍法 多孔连续基体相材料在增强液体中浸渍获得。,第九章 复合材料 9.1 复合材料及其类型,4.复合材料的应用,第九章 复合材料9.1 复合材料及其类型,复合材料在B777上的应用,第九章 复合材料 9.1 复合材料及其类型,复合材料在A380上的应用,ARJ21的复合材料应用和研究计划,第九章 复合材料 9.1 复合材料概述,4.复合材料的应用,增强复合材料的形态主要有纤维态和粒子态两种。 1、纤维增强复合材料的增强机制与复合原则 纤维增强复合材料是由高强度、高弹性模量的连续（长）纤维或不连续（短）纤维与基体(树脂或金属、陶瓷等)复合而成。 （1）增强纤维的强度、弹性模量应远远高于基体，以保证复合材 料受力时主要由纤维承受外加载荷。 （2）纤维和基体之间应有一定结合强度，这样才能保证基体所承 受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂。 （3）纤维的排列方向要和构件的受力方向一致，才能发挥增强作 用。,第九章 复合材料 9.2 复合材料的增强机制和复合原则,1、纤维增强复合材料的增强机制与复合原则 （4）纤维和基体之间不能发生使结合强度降低的化学反应。 （5）纤维和基体的热膨胀系数应匹配，不能相差过大，否 则在热胀冷缩过程中会引起纤维和基体结合强度降低。 （6）纤维所占的体积分数、纤维长度L和直径d及长径比L/d 等必须满足一定要求。,第九章 复合材料 9.2 复合材料的增强机制和复合原则,2、粒子增强型复合材料的增强机制与复合原则 增强原理： 在外力的作用下，复合材料的基体将主要承受载荷，而弥散均匀分布的增强粒子将阻碍导致基体塑性变形的位错运动，使变形抗力增加，强度提高。 原则： （1）粒子与基体应有一定的结合强度。 （2）粒子增强的效果与粒子相的体积含量、分布和粒子直径有 关。,第九章 复合材料 9.2 复合材料的增强机制和复合原则,1、比强度和比模量高 可减轻重量，使构件做的更小，可取代部分Al合金构件。 2、良好的抗疲劳性能和破断安全性 对缺口和应力集中敏感性小，就是有裂纹，其扩展方向因纤维/基体界面会变钝，或改变方向。 3、减震性能好 4、优良的高温性能,第九章 复合材料 9.3 复合材料的性能特点,第九章 复合材料 9.3 复合材料的性能特点,复合材料中疲劳裂纹扩展示意图,三种材料的疲劳强度,1.树脂基复合材料的基本类型 （1）热固性树脂 特点：硬度、刚度大，受热不软化，其用量比热塑性树脂大。 常用的几种热固性树脂为：环氧、酚醛、聚酯、硅树脂 和聚酰亚胺 （2）热塑性树脂 特点：受热到玻璃转化温度时，会明显产生软化，而冷却后又 能恢复其强度。,第九章 复合材料 9.4 常用复合材料,2. 增强纤维及纤维树脂基复合材料 （1）玻璃纤维及其增强的复合材料 玻璃脆性很大 可将熔融液态玻璃以极快的速度控制拉成纤维后，就具有一定的柔软性，可纺制成纱和玻璃布。 玻璃纤维的分类 可根据纤维中K、Na的氧化物含量分为： 有碱(10%)玻璃纤维 低碱(26%)玻璃纤维: 强度高，耐水性好，电绝缘性好 无碱(1%)玻璃纤维 特种玻璃纤维,第九章 复合材料 9.4 常用复合材料,2. 增强纤维及纤维树脂基复合材料 （1）玻璃纤维及其增强的复合材料 玻璃纤维的性能特点 抗拉强度很高。纤维越细，强度越高，纤维直径一般在10m以下，单丝抗拉强度为13 103MPa ，但弹性模量不高，仅为5104 MPa。 耐热性低：250以上开始软化 化学稳定性高，除HF和浓碱外，在其它化学介质中都有较好的稳定性。 脆性较大：延伸率具有3%左右。,第九章 复合材料 9.4 常用复合材料,2. 增强纤维及纤维树脂基复合材料 （1）玻璃纤维及其增强的复合材料 分类及性能 热固性玻璃钢：(6070%)纤维+(3040%)热固性树脂，用手敷法， 模压结合或注射成型。 热塑性玻璃钢：适量玻璃纤维+热塑性树脂复合材料，此类玻璃钢 机械强度不如热固性玻璃钢高。 用途 航空领域：可作飞机螺旋桨、副油箱、雷达罩等； 交通运输方面：可作车顶、车身、发动机罩和船舶零件； 化工方面：可作管道、阀门、贮罐等。 优点：比重小强度高，耐腐蚀，绝电抗磁，隔音能力较好。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,2. 增强纤维及纤维树脂基复合材料 （2）碳纤维及其增强的复合材料 碳纤维 生产碳纤维的原料有各种人造纤维和天然有机纤维，如聚丙烯腈、沥青纤维等。 1)聚丙烯腈制造碳纤维的过程如下：,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,2. 增强纤维及纤维树脂基复合材料 （2）碳纤维及其增强的复合材料 预氧化目的：提高热稳定性，保证碳化时得到碳纤维。 碳化：在氮气或真空中高温加热，使纤维中的氢、氮、氧等元素逸出，形成碳纤维(此时含7595%)。这种碳纤维叫高强度碳纤维(也称型碳纤维)，即此时纤维强度最高； 石墨化：是在氩保护下在更高温度下加热，进一步提高碳含量(98%以上)，并使碳转变成石墨晶体。 具有石墨晶体结构的纤维叫石墨纤维，又称型碳纤维。它的性能特点是强度低于型碳纤维，但弹性模量比型高，故称高模量碳纤维。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,2. 增强纤维及纤维树脂基复合材料 （2）碳纤维及其增强的复合材料 碳纤维的性能特点： 1) 比重小、弹性模量高。 2) 高低温性能好。 3) 具有高的化学腐蚀稳定性，导电性和低的摩擦系 数等优点。 用途： 机身局部构件、机舱地板、发动机的压气机叶片；垂直尾翼、水平尾翼等。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料 （1）硼纤维 B的熔点为2050，硬而脆，不能用常规方法制造纤维，通常用化学气相沉积法来制取，方法如下：,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料 （2）硼纤维环氧树脂复合材料 特性：硼纤维环氧复合材料的拉伸、压缩、剪切强度比Ti合金、Al合金都高，但其各向异性十分明显。 可做成长度为3076m，宽度为76.2mm的带材，在其宽度上分布着600根硼纤维占体积的4354%。 应用：主要用于高性能飞机垂尾，机翼部件和起落架门。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,4晶须及其增强的树脂基复合材料 （1）晶须 用不同处理方法，可使金属、金属的氧化物、金属的氮化物、非金属的碳化物、氮化物自由长大成纤维状的单晶体，即晶须。 直径：约为0.1325m 长度：约为几毫米 特性：不存在晶体缺陷，强度很高，弹性模量也很高，高温机械性能比任何纤维都高。 （2）晶须树脂复合材料 晶须价格昂贵，在树脂基复合材料中用的不多，即使使用晶须，一般只为百分之几。常用于局部增强。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料 优点： 其横向机械性能和层间剪切强度高，工作温度高， 尺寸稳定，不老化，不吸湿不放气。 缺点： 工艺复杂，难度大，成本很高。 研究和应用水平不如树脂基复合材料。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料 （1）硼纤维增强的金属基复合材料 1）硼纤维增强铝合金 性能特点： 疲劳性能高； 抗压强度和抗剪强度，比硼-环氧树脂基复合材料高； 拉伸模量高于硼-环氧、7075铝合金、Ti6A14V钛合金； 高温性能也优于硼-环氧和7075铝合金。 B纤维的表面，一般涂SiC涂层来提高化学稳定性，防止AlB2和B2O3的形成。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料 （1）B纤维增强的金属基复合材料 1）B纤维增强Al合金 基体 基体可以是纯Al，变形Al合金(采用热压扩散结合)，铸造Al合金(采用铸造法)。 显微组织 由厚度为0.0760.13mm的多层铝箔+直径为0.1mm的多根硼纤维在524、700MPa压力下，保持1.5小时制成。 应用 因强度高、耐蚀性好，一般用于发动机风扇叶片、飞机蒙皮等。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,硼/铝复合材料的典型制造工艺流程,第九章 复合材料9.4 常用复合材料 5.金属基复合材料 （1）B纤维增强的金属基复合材料 1）B纤维增强Al合金,5.金属基复合材料 （1）B纤维增强的金属基复合材料 2）硼纤维增强钛合金 Ti与B之间相容性差，易形成TiB2，进而产生裂纹。 在B纤维表面涂SiC后，基本上可以解决相容性问题。 目前还处于研究和使用阶段。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料 （2）石墨纤维增强金属基复合材料 性能特点： 石墨纤维强度高、刚度高、密度小，大规模生产容易，与Al、Ni、Cu、Mg等金属有一定相容性； 但石墨在高温下易产生氧化，制造困难，因此限制了其应用； 用途： 可作飞机蒙皮、直升机旋翼桨叶及压气机叶片等； 难点：如何提高其高温性能仍是研究的重点。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料 （3）氧化铝晶须增强镍复合材料 性能特点： Al2O3晶须比重不到4.0，熔点高，有优异的高温强度。用Al2O3增强镍和镍基高温材料，意义很大。 前景： Al2O3 /Ni复合材料，室温到1000时，其实验室的强度只降低了一半，显示出很大的性能潜力。 难点： 由于Al2O3晶须与Ni基体间的化学不相容性，以及膨胀系数相差较大，制造时晶须排列困难，价格太高等原因，其发展缓慢，应用受到了限制。,第九章 复合材料9.4 常用复合材料,