第五章 复合材料,朱 荣,本章内容,第一节概述 第二节金属基复合材料 第三节陶瓷基复合材料 第四节碳基复合材料 第五节聚合物基复合材料 第六节纤维增强体材料,第一节概述,复合材料 两种或者两种以上的不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。,在现代工程中对材料的要求越来越苛刻，特别是在航天、航海及交通运输领域。 例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。 通常高强度材料的密度也高，增大强度或刚度则会降低材料的韧性。,这种材料优异性能的组合是单一材料无法满足的。,复合材料,玻璃纤维增强风机叶片,玻璃纤维增强尼龙车轮,玻璃纤维增强塑料制自行车,复合材料制小船,复合材料制防弹衣,复合材料在波音飞机上的应用,特点,复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性。,例1： 热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维,热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂 脆性低于玻璃纤维,泥土稻草 水泥钢筋,例2：建筑材料（复合材料的应用）,一、复合材料的分类,复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。,按基体相的性质分,铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料,塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料,按增强相的形态分,纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属,金属陶瓷弥散强化金属,双层金属复合材料三层复合材料,纤维增强复合材料,颗粒增强复合材料,叠层复合材料,二、复合材料的性能特点,比强度和比模量高 纤维增加材料的比强度及比模量远高于金属材料，特别是碳纤维环氧树脂复合材料比强度是钢的8倍，比模量是钢的4倍。 抗疲劳和破断安全性好 纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。,（1）比强度与比模量高,比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。比强度愈高，同一零件的自重愈小;比模量愈高，零件的刚性愈大。环氧树脂与高强度的碳纤维复合，比强度可达913kNm/kg，比模量为85MNm/kg，与高模量的碳纤维复合，比模量可达116MNm/kg，比强度为613kNm/kg,远远超过一般钢材和铝合金（钢的比强度为126kNm/kg，比模量为27MNm/kg）。,（2）化学稳定性优良,钢材一般不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，即使含钼不锈钢在这种介质中，也会很快被腐蚀。但纤维增强塑料如玻纤增强酚醛树脂，在含氯主子的酸性介质中能长期使用。用玻纤增强塑料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、风机、搅拌器等设备。如用耐碱玻纤或碳纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。耐碱玻纤可用来取代钢筋与水泥复合。,（3）减摩、耐磨、自润滑性好,在热塑性塑料中掺入少量短切碳纤维可大大提高它的耐磨性，其增加倍数为聚氯乙烯本身3.8倍，聚四氟乙烯本身的3倍，聚丙烯本身的2.5倍，聚酰胺本身的1.2倍，聚酯本身的2倍。碳纤维增强塑料还可降低塑料的摩擦系数，提高它的pv值1；pv值随碳纤维的增加而有不同程度地提高。以钢作对磨件时，碳纤维增强的磨损比玻纤增强的约小10倍。碳纤维增强塑料具有良好的自润性能，因此可用于制造无油润滑活塞环、轴承和齿轮。如用石棉之类的材料与塑料复合，则与上述情况相反，可得到摩擦系数大、制动效果好的摩阻材料。 1 p为滑动轴承投影面的压强（MPa），v为滑动线速度（m/s），各种塑料及其复合材料均有一个允许最高承载能力的p值；与允许最高滑动线速度的v值。,（4）耐热性高,碳化硅（SiC）纤维、氧化铝纤维（Al2O3SiO2）与陶瓷复合，在空气中能耐12001400高温，要比所有超高温合金的耐热性高出100以上。用于柴油发动机、可取消原来的散热器、水泵等冷却系统，减轻重量约100kg。用于汽车发动机，使用温度可高达1370。,（5）高韧性和高抗冲击性、导电和导热性,金属基复合材料具有高韧性和高抗冲击性能，在受到冲击时能通过塑性变形吸收能量。具有良好的导电和导热性能，可以使集中电荷和局部的高温热源很快扩散消失，有利于解决热气流冲击和雷击问题。,复合材料具有较高的疲劳强度。实验表明：r7080b，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的4050。 纤维复合材料平均几千到几万根纤维/cm2，即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能力，故破断安全性好。,（6）抗疲劳和破断安全性好 纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。,第三节 常用复合材料,塑料基复合材料 金属基复合材料 橡胶基复合材料 陶瓷基复合材料,一、塑料基复合材料,作为机械工程材料，塑料的最大优点是密度小、耐腐蚀、可塑性好、易于加工成型。 缺点：强度低、弹性模量低、耐热性差。 改善的方法：复合材料，主要是增强。,使用最广泛的是纤维增强塑料。按纤维的性质可以把塑料基复合材料分为： 玻璃纤维增强塑料 碳纤维增强塑料 硼纤维增强塑料 碳化硅纤维增强塑料 Kevlar 纤维增强塑料 基体材料：热固性塑料、热塑性塑料,（一）玻璃纤维增强塑料,俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为： 热塑性玻璃钢 热固性玻璃钢,1、热塑性玻璃钢,由体积分数为2040%的玻璃纤维与6080%的热塑性树脂组成。 具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低的热胀系数。,2、热固性玻璃钢,由体积分数为6070%的玻璃纤维与3040%的热固性树脂组成。 主要特点：密度小、强度高、比强度超过一般的高强钢，耐腐蚀、绝缘、绝热等。但弹性模量低，在300以下使用。 主要用于制造自重轻的受力构件和要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。,（二）碳纤维增强塑料,组成 由碳纤维与聚脂、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。 优点 低密度、高强度、高弹性模量、高比强度和比模量。 优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐热性。,缺点,碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。 应用 性能优于玻璃钢，主要用于航天和航空工业中制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。,（三）硼纤维增强塑料,组成 由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料。 特点 高比强度和比模量； 良好的耐热性； 缺点是各向异性严重,应用,主要用于航天和航空工业中要求高刚度的构件，如飞机机身，机翼等。,（四）碳化硅纤维增强塑料,组成 由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。 特点 高比强度和比模量； 抗拉强度接近碳纤维环氧树脂复合材料，但抗压强度是其两倍； 碳化硅环氧树脂复合材料是一种很具有发展前途的新型材料。,应用,主要用于宇航器上的结构，比金属轻30%。还可以制作飞机的门、降落传动装置、机翼等等。,（五） Kevlar纤维增强塑料,组成 由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等树脂组成的复合材料。 特点 最常用的是Kevlar纤维环氧树脂复合材料； 抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维环氧树脂复合材料相近； 延性好，与金属相似； 具有优良的疲劳抗力和减振性。,主要用于制作飞机机身、雷达天线罩、火箭发动机外壳、快艇等。,应用,二、金属基复合材料,目前是机械工程中用量最大的一类材料。 塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但仍不能满足要求，一直在改进。,主要应用的金属基复合材料： 纤维增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料 塑料金属多层复合材料,三、橡胶基复合材料,橡胶具有弹性高，减振性好，热导率低，绝缘等优点，但强度和弹性模量低，耐磨性差。 为了改善橡胶制品的性能，可以用增强纤维或粒子与其复合。制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品。 纤维增强橡胶主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡胶布等。 粒子增强橡胶利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强度，耐磨性等。,四、陶瓷基复合材料,陶瓷具有耐高温，抗氧化，耐腐蚀，弹性摩量高，抗压强度大等优点。 但陶瓷脆性大，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击。 用纤维或粒子与陶瓷制成复合材料，其韧性明显提高，是目前研究的热点。主要有： 纤维增强陶瓷复合材料 粒子增强陶瓷复合材料,复合材料应用实例,双金属复合钢管 陶瓷内衬复合管,20钢/316L钢复合管,基管20钢,内衬316L钢,20钢/316L复合管,铝热剂：Al+Fe2O3,第六节 增强材料及其增强机制,复合材料是一种由基体matrix 和增强相reinforced phase 组成的多相材料，通常基体为连续相，而增强相为分散相。,复合材料,金属材料、高分子材料、陶瓷材料,颗粒增强材料、纤维增强材料、片状增强材料,一、增强材料,增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等,（一）纤维增强材料,常用增强纤维与金属丝性能对比,玻璃纤维 由熔融玻璃经拉丝制成纤维； 密度2.42.7，与铝相近，弹性模量低于金属，但比强度和比模量高； 耐热性好，软化温度550580； 耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性； 不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等； 制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。,碳纤维 将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成wC90%以上的纤维； 密度低、强度和模量高； 高、低温性能好（1500，-180）； 化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导电性、自润滑性好； 缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。,硼纤维 将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属丝纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维； 熔点高（2300）； 强度、弹性模量高； 良好的耐蚀性； 缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高； 不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。,芳纶纤维 亦称Kevlar纤维，是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类纤维； 密度小，比强度、比弹性模量高； 抗拉强度比玻璃纤维高45，韧性好； 耐热性好，能在290下长期作用； 优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。,碳化硅纤维 是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，经烧结而得； 是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤维，主要用于增强金属和陶瓷； 优良的高温强度，在1100时强度仍高达2100MPa。,主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等； 陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产； 在聚合物中添加不同的填料，构成以填料为分散相、聚合物为连续相的复合材料，可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能等。,（二）颗粒增强材料,碳黑和白碳黑（Si2C无定形微粉，呈白色，具有类似碳黑的增强作用，故称之）可明显提高橡胶的强度、硬度和弹性模量； 石墨、银粉、铜粉等可改善塑料的导电性； Fe2O3磁粉可改善塑料的导磁性； MoS2可提高塑料的自润滑性； 空心玻璃微珠可减小塑料的密度并提高其耐热性。,二、增强机制,纤维是具有强结合键的物质或硬质材料； 纤维处于基体中，表面受到基体的保护不易损伤，也不易在受载过程中产生裂纹，承载能力增大；,（一）纤维增强,增强机制,当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。,纤维断裂,裂纹扩展方向,当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。,纤维的强度和弹性模量应远高于基体； 纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以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； 纤维的排列方向要与构件的受力方向一致； 纤维与基体的热胀系数应匹配； 纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应； 纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。,纤维增强复合条件,颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分布在基体中，基体承受载荷，而增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动（金属基体）或分子链运动（高聚物基体）。 增强颗粒大小会直接影响增强效果： d过大（0.1m