復(fù)合材料-清華大學(xué)-工程材料.pptVIP

“十五”國家級(jí)規(guī)劃教材工程材料第3版配套課件,第6章,第6章 復(fù)合材料 內(nèi)容提要： 介紹纖維復(fù)合材料和顆粒復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)制與原則。介紹常用金屬基和非金屬基復(fù)合材料的組成、性能及應(yīng)用。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解復(fù)合材料復(fù)合機(jī)制和復(fù)合原則。熟悉常用復(fù)合材料的性能，了解其應(yīng)用。,概述,復(fù)合材料 兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)一定方法得到的一種新的多相固體材料。,復(fù)合材料可以由金屬材料、高分子材料和陶瓷材料中任兩種或幾種制備而成。,復(fù)合材料的性能比組成材料的性能優(yōu)越得多，改善或克服了組成材料的弱點(diǎn)，能夠按零件的結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。 創(chuàng)造單一材料不具備的雙重或多重功能。 復(fù)合材料有著極其廣泛的應(yīng)用。,復(fù)合材料應(yīng)用舉例： 汽車擋泥板 單獨(dú)使用玻璃太脆，單獨(dú)使用聚合物材料則強(qiáng)度低而且剛度滿足不了要求。復(fù)合成玻璃纖維增強(qiáng)樹脂得到了高強(qiáng)度、高韌性的新材料，而且質(zhì)量小。,自動(dòng)控溫開關(guān) 由溫度膨脹系數(shù)不同的黃銅片和鐵片復(fù)合成雙金屬片。溫度變化時(shí)雙金屬片彎曲，接通或斷開電觸點(diǎn)。,復(fù)合材料的分類,6.1 復(fù)合材料的復(fù)合原則 6.1.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合原則 老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容 一、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制 纖維增強(qiáng)相是具有強(qiáng)結(jié)合鍵材料或硬質(zhì)材料（陶瓷、玻璃等），內(nèi)部含微裂紋，易斷裂，因而脆性大； 將其制成細(xì)纖維可降低裂紋長(zhǎng)度和出現(xiàn)裂紋的幾率，使脆性降低，極大地發(fā)揮增強(qiáng)相的強(qiáng)度。,高分子基復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有效阻止基體分子鏈的運(yùn)動(dòng)； 金屬基復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)相有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化基體。,鎢纖維銅基復(fù)合材料中的 裂紋在銅中擴(kuò)展受阻,碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料 斷裂時(shí)纖維斷口電子掃描照片,二、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合原則 （1）纖維增強(qiáng)相是主要承載體，應(yīng)有高的強(qiáng)度和彈性模量，且高于基體材料； （2）基體相起粘接劑作用，應(yīng)對(duì)纖維相有潤(rùn)濕性，基體相應(yīng)有一定塑性和韌性； （3）纖維增強(qiáng)相和基體相兩者之間結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)。結(jié)合力過小，受載時(shí)容易沿纖維和基體間產(chǎn)生裂紋；結(jié)合力過高，會(huì)使復(fù)合材料失去韌性而發(fā)生危險(xiǎn)的脆性斷裂；,（1）基體與增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)不能相差過大； （2）纖維相必須有合理的含量、尺寸和分布； （3）兩者間不能發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)。,6.1.2 顆粒復(fù)合材料的復(fù)合原則 一、顆粒復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制 顆粒復(fù)合材料，基體承受載荷時(shí)，顆粒的作用是阻礙分子鏈或位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。 增強(qiáng)的效果與顆粒的體積含量、分布、尺寸等密切相關(guān)。,二、顆粒復(fù)合材料的復(fù)合原則 （1）顆粒均勻彌散分布在基體中，阻礙分子鏈或位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。 （2）顆粒大小應(yīng)適當(dāng)：顆粒過大本身易斷裂，同時(shí)會(huì)引起應(yīng)力集中，材料強(qiáng)度降低；顆粒過小，位錯(cuò)容易繞過, 起不到強(qiáng)化的作用。通常，顆粒直徑為幾微米到幾十微米。,（3）顆粒的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在20以上，否則達(dá)不到最佳強(qiáng)化效果。 （4）顆粒與基體之間應(yīng)有一定的結(jié)合強(qiáng)度。,6.2 復(fù)合材料的性能特點(diǎn) 6.2.1 復(fù)合材料的力學(xué)性能 一、比強(qiáng)度和比模量 比強(qiáng)度 材料的強(qiáng)度與其密度之比。 比模量 材料的模量與其密度之比。 材料的比強(qiáng)度或比模量越高，構(gòu)件的自重就越小，或者體積會(huì)越小。,通常，復(fù)合材料的復(fù)合結(jié)果是密度大大減小，高的比強(qiáng)度和比模量是復(fù)合材料的突出性能特點(diǎn)。,二、抗疲勞性能和抗斷裂性能 1. 很好的抗疲勞性能 復(fù)合材料中纖維的缺陷少，抗疲勞能力高； 基體的塑性和韌性好，能夠消除或減少應(yīng)力集中，不易產(chǎn)生微裂紋； 塑性變形使微裂紋產(chǎn)生鈍化而減緩其擴(kuò)展。 例如：碳纖維增強(qiáng)樹脂的疲勞強(qiáng)度為拉伸強(qiáng)度的70%80%，一般金屬材料卻僅為30%50%。,2. 抗斷裂能力好 基體中有大量細(xì)小纖維，較大載荷下部分纖維斷裂時(shí)載荷由韌性好的基體重新分配到未斷裂纖維上，構(gòu)件不會(huì)瞬間斷裂。,復(fù)合材料疲勞曲線,6.2.3 復(fù)合材料的其它性能 一、高溫性能 優(yōu)越的耐高溫性能，高溫下保持很高的強(qiáng)度。 聚合物基復(fù)合材料使用溫度100 350； 金屬基復(fù)合材料使用溫度350 1100； SiC纖維、Al2O3纖維陶瓷復(fù)合材料在1200 1400 范圍內(nèi)保持很高的強(qiáng)度。 碳纖維復(fù)合材料在非氧化氣氛下在24002800長(zhǎng)期使用。,二、減摩、耐磨、減振性能 良好的減摩、耐磨性 摩擦系數(shù)比高分子材料低；少量短切纖維大大提高耐磨性。 較強(qiáng)的減振能力 比彈性模量高，自振頻率也高，其構(gòu)件不易共振；纖維與基體界面有吸收振動(dòng)能量的作用，振動(dòng)會(huì)很快衰減。,三、其它特殊性能 高韌性和抗熱沖擊性能（金屬基復(fù)合材料）。 優(yōu)良電絕緣性，不受電磁作用，不反射無線電波（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）。 耐輻射性、蠕變性能高以及特殊的光、電、磁等性能。,6.3 非金屬基復(fù)合材料 6.3.1 聚合物基復(fù)合材料 老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容 一、聚合物基復(fù)合材料的發(fā)展 20世紀(jì)40年代出現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料（玻璃鋼），制造機(jī)器零件； 20世紀(jì)60年代硼纖維和碳纖維增強(qiáng)塑料改善了玻璃纖維模量低的缺點(diǎn)，大量應(yīng)用航空航天等領(lǐng)域；,70年代初期的聚芳酰胺纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料加快了復(fù)合材料發(fā)展； 80年代初期熱塑性復(fù)合材料完善了聚合物基復(fù)合材料的工藝及理論，在航空航天、汽車、建筑等各領(lǐng)域得到全面應(yīng)用。,二、聚合物基復(fù)合材料分類 1. 以基體性質(zhì)分類 熱固性樹脂復(fù)合材料 熱塑性樹脂復(fù)合材料 橡膠類復(fù)合材料 2. 按增強(qiáng)相類型分類 分為纖維增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)、層片增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)等聚合物基復(fù)合材料。,聚合物基復(fù)合材料分類,三、常用聚合物基復(fù)合材料的性能及應(yīng)用 1. 玻璃鋼 (1) 熱固性玻璃鋼 以熱固性樹脂為粘接劑的玻璃纖維增強(qiáng)材料： 酚醛樹脂玻璃鋼 環(huán)氧樹脂玻璃鋼 聚酯樹脂玻璃鋼 有機(jī)硅樹脂玻璃鋼 熱固性玻璃鋼成形工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性能好。,熱固性玻璃鋼缺點(diǎn)是：彈性模量低(1/51/10結(jié)構(gòu)鋼)、耐熱度低(250 )、易老化。 通過樹脂改性改善性能。 酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂混溶的玻璃鋼即有良好粘接性, 又降低了脆性，保持了耐熱性, 具有較高的強(qiáng)度。,熱固性玻璃鋼應(yīng)用： 主要用于機(jī)器護(hù)罩、車輛車身 絕緣抗磁儀表 耐蝕耐壓容器和管道 各種形狀復(fù)雜的機(jī)器構(gòu)件和車輛配件,環(huán)氧樹脂玻璃鋼顯微組織 酚醛樹脂玻璃鋼齒輪,(2) 熱塑性玻璃鋼 以熱塑性樹脂為粘接劑的玻璃纖維增強(qiáng)材料。 熱塑性玻璃鋼強(qiáng)度不如熱固性玻璃鋼, 但成形性好、生產(chǎn)率高，且比強(qiáng)度不低。 尼龍66玻璃鋼 ABS玻璃鋼 聚苯乙烯玻璃鋼 聚碳酸酯玻璃鋼,熱塑性玻璃鋼應(yīng)用： 尼龍66玻璃鋼 剛度、強(qiáng)度、減摩性好，作軸承、軸承架、齒輪等精密件、電工件、汽車儀表、前后燈等 ABS玻璃鋼 化工裝置、管道、容器等 聚苯乙烯玻璃鋼 汽車內(nèi)裝飾、收音機(jī)機(jī)殼、空調(diào)葉片等 聚碳酸酯玻璃鋼 耐磨件、絕緣儀表等,2. 碳纖維樹脂復(fù)合材料 碳纖維特點(diǎn)： 碳是六方結(jié)構(gòu)晶體(石墨)，共價(jià)鍵結(jié)合； 比玻璃纖維強(qiáng)度更高，彈性模量高幾倍； 高溫、低溫性能好，很高的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性；低的摩擦系數(shù)； 脆性大，與樹脂的結(jié)合力不如玻璃纖維，表面氧化處理可改善其與基體的結(jié)合力。,應(yīng)用: 制造宇宙飛船和航天器的外層材料， 人造衛(wèi)星和火箭的機(jī)架、殼體。 精密機(jī)器的齒輪、軸承以及活塞、密封圈。 化工容器和零件。,碳纖維樹脂復(fù)合材料： 碳纖維環(huán)氧樹脂 碳纖維聚四氟乙烯 碳纖維酚醛樹脂,3. 硼纖維樹脂復(fù)合材料 硼纖維環(huán)氧樹脂、硼纖維聚酰亞胺樹脂 硼纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維的相近；比彈性模量比玻璃纖維的高5倍；耐熱性更高。 硼纖維樹脂復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都很高(優(yōu)于鋁合金、鈦合金)，且蠕變小； 硬度和彈性模量高，疲勞強(qiáng)度很高； 耐輻射及導(dǎo)熱極好；,應(yīng)用：用于航空航天器、宇航器的翼面、儀表盤、轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)葉片、螺旋漿的傳動(dòng)軸,6.3.2 陶瓷基復(fù)合材料 一、分類 顆粒增韌復(fù)合材料: Al2O3-TiC顆粒 晶須增韌復(fù)合材料: SiC-Al2O3晶須 纖維增韌復(fù)合材料: SiC-硼硅玻璃纖維,二、陶瓷基復(fù)合材料特點(diǎn)及應(yīng)用 高強(qiáng)度、高模量、良好的韌性。 低密度、耐高溫、耐磨、耐蝕。 用于制造高速切削工具和內(nèi)燃機(jī)部件。 作為高溫材料和耐磨、耐蝕材料。 如大功率內(nèi)燃機(jī)的增壓渦輪、航空航天器的熱部件。 代替金屬制造車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設(shè)備等。,6.3.3 碳基復(fù)合材料 一、組成及特點(diǎn) 碳纖維及其制品(如碳?xì)?增強(qiáng)的碳基復(fù)合材料。 具有許多碳和石墨的特點(diǎn)，如密度小、導(dǎo)熱性高、膨脹系數(shù)低以及對(duì)熱沖擊不敏感； 具有優(yōu)越的機(jī)械性能：強(qiáng)度和沖擊韌性比石墨高510倍，比強(qiáng)度非常高；隨溫度升高強(qiáng)度升高；斷裂韌性高、蠕變低； 化學(xué)穩(wěn)定性高，耐磨性極好，是耐溫最高的高溫復(fù)合材料（達(dá)2800）。,二、碳基復(fù)合材料應(yīng)用 主要用于航空航天、軍事和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域, 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、導(dǎo)向器、密封片及擋聲板、飛機(jī)剎車盤 導(dǎo)彈彈頭、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管 賽車和摩托車剎車系統(tǒng) 人體骨骼替代材料,6.4 金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料克服了聚合物基復(fù)合材料彈性模量低、耐熱度低、易老化的缺點(diǎn)。 金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)相的種類、形態(tài)分類和按金屬基體類型分類。,金屬基復(fù)合材料 以金屬及其合金為基體，用一種或幾種金屬或非金屬增強(qiáng)的復(fù)合材料。,金屬基復(fù)合材料分類,幾種典型金屬基復(fù)合材料的性能,6.4.1 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（金屬陶瓷） 一、組成 金屬陶瓷是金屬基體（通常為鈦、鎳、鈷、鉻等及其合金）和陶瓷（通常為氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等)組成的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。,二、性能及應(yīng)用 氧化物金屬陶瓷 多以鈷或鎳作為粘接金屬，熱穩(wěn)定性和抗氧化能力較好, 韌性高。 做高速切削工具材料，高溫下工作的耐磨件, 如噴嘴、熱拉絲模以及機(jī)械密封環(huán)等。,碳化物金屬陶瓷 應(yīng)用最廣泛的金屬陶瓷。 通常以Co或Ni作金屬粘接劑。 根據(jù)金屬含量不同可作耐熱結(jié)構(gòu)材料或工具材料。 碳化物金屬陶瓷作工具材料時(shí)，通常被稱為硬質(zhì)合金。,常見硬質(zhì)合金的牌號(hào)、成分、性能和用途,6.4.2 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 基體材料：鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金。 增強(qiáng)纖維：硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、高強(qiáng)度金屬絲。,硼纖維、陶瓷纖維、碳纖維等增強(qiáng)相都是無機(jī)非金屬材料，密度低、強(qiáng)度和模量高，耐高溫性好。 這類復(fù)合材料有比強(qiáng)度高、比模量高和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。,纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料適合制造： 航天飛機(jī)主艙骨架支柱、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、尾翼、空間站結(jié)構(gòu)材料； 汽車構(gòu)件、保險(xiǎn)杠、活塞連桿 自行車車架、體育運(yùn)動(dòng)器械,6.4.3 細(xì)粒和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 一、組成 基體材料：鋁、鎂、和鈦合金 增 強(qiáng) 相：碳化硅、碳化硼、氧化鋁細(xì)粒或晶須 典型材料 SiC增強(qiáng)鋁合金 細(xì)粒和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是目前應(yīng)用最廣泛的一類金屬基復(fù)合材料。,二、細(xì)粒和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 特點(diǎn)及應(yīng)用 具有極高的比強(qiáng)度和比模量。 軍工行業(yè) 如輕質(zhì)裝甲、導(dǎo)彈飛翼 航空工