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1、2023-4-171Composite Material2023-4-172 一一 概概 述述 （一）、复合材料的概念一）、复合材料的概念由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。 基体相：基体相：起粘结作用,呈连续分布增强相：增强相：起提高强度和韧性作用例如：例如：钢筋水泥、泥浆中拌稻草、 现代的玻璃钢等材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-173材料科学与工程学院材料科学与工程学院 （二）复合材料的发展历史和意义（二）复合材料的发展历史和意义 1 1、复合材料的发展历史、复合材料的发展历史 6000年前人类
2、用稻草加粘土作为建筑复合材料； 水泥复合材料广泛应用于高楼大厦和河堤大坝等； 20世纪40年代，美国用碎布酚醛树脂代替木材制备枪托，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢），这是现代化复合材料。 2023-4-174材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2 2、复合材料的意义：、复合材料的意义： 现代高科技的发展离不开复合材料。 2023-4-175材料科学与工程学院材料科学与工程学院 火箭壳体材料对射程的影响：火箭壳体材料对射程的影响：2023-4-176材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-177材料科学与工程学院材料科学与工程学院 复合材料在航空中的应用复合材料在航空中的应用 美
3、国美国F/A-18歼击机歼击机美美UH60A型直升飞机型直升飞机2023-4-178材料科学与工程学院材料科学与工程学院 航空发动机涡轮叶片材料发展趋势航空发动机涡轮叶片材料发展趋势2023-4-179 （二）、复合材料的分类二）、复合材料的分类 1 1按照基体材料分按照基体材料分 （1）非金属基复合材料 2 2按增强材料形态分按增强材料形态分 （1）纤维增强复合材料 （2）粒子增强复合材料 （3）叠层复合材料 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 （2）金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子基复合材料2023-4-1710纤维复合纤维复合纤维增强塑料（玻璃钢） 纤维增强橡胶（橡胶轮胎）粒子复合粒
4、子复合金属陶瓷 弥散强化金属叠层复合：叠层复合：胶合板、双层金属 3 3：按复合材料性能分类：按复合材料性能分类：结构复合材料：结构复合材料：用于结构零件的复合材料功能复合材料：功能复合材料：具有某些特殊物理、化学特性材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1711 （三）、复合材料的性能三）、复合材料的性能 1 1、性能的可设计性、性能的可设计性：一定范围内具有可设计性 选择基体、增强体的类型、数量增强体在基体中的排列方式基体与增强体之间的界面性质调节性能调节性能 2 2、比强度高、比强度高b b/d /d 、比模量大、比模量大 E/dE/d比强度 b/d cm比模量 E/d c
5、m钢0.131060.27102碳纤维-环氧1.031060.97102材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-17123 3、抗疲劳和破断安全性良好、抗疲劳和破断安全性良好 基体与增强纤维的界面能够有效的阻止疲劳裂纹扩展或改变裂纹的扩展方向。例：一般金属材料： -10.40.5 b碳纤维增强复合材料：-10.7-0.8 b破断安全性好：破断安全性好：纤维增强复合材料不可能所有的增强纤维同时断裂，构件不会发生突然破坏。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-17134 4、高温性能好：、高温性能好：多数增强纤维高温下保持高强度，显著提高耐高温性能 例：例：707576铝
6、合金。400时，E0，b从500MPa降至3050MPa；碳纤维增强复合后400时，E和b接近于室温时的水平。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1714材料科学与工程学院材料科学与工程学院 目前： 聚合物基复合材料：聚合物基复合材料：最高耐温为350C； 金属基复合材料：金属基复合材料：使用温度3501100C； 陶瓷基复合材料：陶瓷基复合材料：使用温度可达1400C； 碳碳/ /碳复合材料：碳复合材料：使用温度最高2800C。2023-4-17155 5、减振性能好、减振性能好i i 避免自振避免自振ii ii 纤维分基体的界面吸收振动能量纤维分基体的界面吸收振动能量。 结
7、构自振频率与材料的比模量成正比，复合材料比模量高，故其自振频率高，故避免在工作条件下发生共振。 例：同样尺寸形状的梁，金属9S停止振动，纤维复合材料则需2.5S。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-17166:6:存在的问题：存在的问题：（1）某些性能要进一步改进，例抗冲击性能；（2）手工操作多，工艺复杂，效率低，质量不稳定；（3）价格高，增强纤维价格太高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1717二、增强材料及其增强机制二、增强材料及其增强机制（一）增强材料（一）增强材料1 1、纤维增强材料：、纤维增强材料：增强效果最明显、应用最广泛.材料科学与工程学院材料
8、科学与工程学院 基体：基体：各种金属和非金属材料；增强材料：增强材料：各种纤维。碳纤维碳纤维碳纤维增强效果取决于：增强效果取决于： 纤维的特征； 纤维与基体间的结合强度； 纤维的体积分数； 纤维的尺寸和分布。 2023-4-1718材料科学与工程学院材料科学与工程学院 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关 纤维在基体中的不同分布方式无规排列无规排列，基本各向同性；均一方向均一方向，明显的各向异性；正交编织正交编织，相互垂直的方向有好的性能；三维编织三维编织，各方向力学性能均优。2023-4-1719材料科学与工程学院材料科学与工程学院 纤
9、维的种类：纤维的种类：玻璃纤维：玻璃纤维：用量最大、价格最便宜碳纤维：碳纤维：化学性能与碳相似。硼纤维：硼纤维：耐高温、强度、弹性模高金属纤维：金属纤维：成丝容易、弹性模量高。陶瓷纤维：陶瓷纤维：高温、高强复合材料。玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维SiC纤维纤维2023-4-1720材料科学与工程学院材料科学与工程学院 聚酰胺纤维聚酰胺纤维: : 强度、弹性模量高，耐热。聚乙烯纤维聚乙烯纤维: : 韧性极好，密度非常小 。 晶须：晶须：极高强度材料。晶须：晶须：直径小于30m，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形。SiC晶须晶须金属晶须陶瓷晶须分为分为材 料块状纤维 晶须Al2O3280210
10、0 21000Si3N414014000 陶瓷的截面与强度 MPa2023-4-17212 2、颗粒增强材料、颗粒增强材料颗粒增强金属基复合材料： 颗粒增强材料是陶瓷，如Al2O3,SiC,WC,TiC等。高聚物中的填料： 填料为分散相，聚合物为连续相,组成复合材料。可以改善力学性能，提高耐磨性、耐热性能等。例：塑料中加入陶土、碳酸钙等，提高硬度、强度。 常用的填料有：石墨、MgO、SiO、高岭土、碳酸钙等材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1722（二）纤维增强的增强机制（二）纤维增强的增强机制: : 为达到强化目的，必须满足下列条件： 1)增强纤维的强度、弹性模量应远远高于
11、基体； 2)纤维和基体之间应有一定的结合强度； 3)纤维的排列方向要和构件的受力方向一致； 4)纤维和基体之间不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； 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等必需满足一定要求。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1723 1 1、弥散强化复合材料的增强机制、弥散强化复合材料的增强机制 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或分子链运动。 （三）粒子增强型的增强机制三）粒子增强型的增强机制: : 弥散强化的复合材料：弥散强化的复合材料：粒子直径d一般为0.01
12、0.1m，粒子体积分数v1%5%； 颗粒增强的复合材料：颗粒增强的复合材料：粒子直径d为150m，体积分数v20%。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1724 2 2、颗粒增强复合材料的增强机制、颗粒增强复合材料的增强机制 用金属或高分子聚合物为粘接剂，把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成，既具有陶瓷的高硬度及耐热性，又具有脆性小、耐冲击等优点。 颗粒增强：改善材料的耐磨性或综合的力学性能。 颗粒周围的位错环 位错切割粒子的电镜观察 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1725三、常用的复合材料三、常用的复合材料 （一
13、）、纤维增强复合材料（一）、纤维增强复合材料 1 1常用增强纤维常用增强纤维 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar有机物纤维等。 玻璃纤维纸玻璃纤维绳玻璃纤维布玻璃纤维绳纳米碳管纤维碳纤维绳材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1726材料科学与工程学院材料科学与工程学院 （1 1）玻璃纤维）玻璃纤维 由熔融的玻璃经拉丝制成纤维。强度高：强度高：抗拉强度可达10003000MPa；密度小：密度小：2.52.7g/cm3；化学稳定性好：化学稳定性好：不燃烧；弹性模量低：弹性模量低：（35）104MPa；不吸水，尺寸稳定；不吸水，尺寸稳定；特点特点 缺点：缺点：脆
14、性较大、耐热性低，250以上开始软化。 优点：优点：价格低廉、制取方便。2023-4-1727材料科学与工程学院材料科学与工程学院 随着碱量的增加，玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降低。根据玻璃纤维中根据玻璃纤维中NaNa2 2O O和和K K2 2O O的含量的含量无碱纤维：无碱纤维：（碱12%）分为分为2023-4-1728 （2 2）碳纤维）碳纤维 型碳纤维：型碳纤维：人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等），在200300空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下于10001500的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量Wc85%95%。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 型
15、碳纤维：型碳纤维：在25003000氩气中进行石墨化处理，获得含碳量为Wc98%以上的碳纤维，又称石墨纤维石墨纤维或高模量碳纤维高模量碳纤维2023-4-1729与玻璃纤维相比与玻璃纤维相比材料科学与工程学院材料科学与工程学院 缺点：缺点：脆性大、易氧化脆性大、易氧化 特点：特点：密度小：密度小：1.332.0g/3；弹性模量高：弹性模量高：2.84105MPa；高温及低温性能好；高温及低温性能好；导电性好、化学稳定性高。导电性好、化学稳定性高。摩擦因数小、自润湿性好；摩擦因数小、自润湿性好；弹性模量为玻璃纤维的4-6倍；1500惰性气体中强度不变，-180低温脆性不增加。2023-4-173
16、0材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1731材料科学与工程学院材料科学与工程学院 材 料玻璃纤维增强热固性塑料碳纤维增强热固性塑料 钢铝钛密度, g/cm32.01.6 7.82.8 4. 5拉伸强度,GPa1.21.81.4 0.48 1.0比强度600 1120 180 170210拉伸模量,GPa 42130 210 77110比模量21 81272725热膨胀系数(10-6/K)8 0.2 12 23 9.0聚合物复合材料的力学性能2023-4-1732 （3 3）硼纤维）硼纤维 它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝上而制得。具有高熔点（2300）、高强度（24502750MPa）、高弹性模量（3.84.9105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。 缺点：缺点：密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2023-4-1733 （4 4）碳化硅纤维）碳化硅纤维 用碳纤维作底丝，通过气相沉积法而制得。 具有高熔点、高强度、高弹性模量。 优良的高温强度，1100时强度仍高达2100MPa。 （5 5）KevlarK
