復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料=基體-增強(qiáng)體課件

第九章復(fù)合材料及加工工藝9.1復(fù)合材料的基本特性9.2常用復(fù)合材料9.3復(fù)合材料的成型工藝9.4復(fù)合材料在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用第九章復(fù)合材料及加工工藝9.1復(fù)合材料的基本特性9.1復(fù)合材料的基本特性復(fù)合材料(Compositematerials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強(qiáng)體(reinforcement)，通過一定的工藝組合而成的材料?；w材料和增強(qiáng)材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。1什么是復(fù)合材料克服單一材料的缺點，產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能。9.1復(fù)合材料的基本特性復(fù)合材料(Compositema復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強(qiáng)，故常稱為增強(qiáng)體(也稱為增強(qiáng)材料、增強(qiáng)相等)。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料=基體+增強(qiáng)體復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨3硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)體高強(qiáng)纖維纖維編織物金屬塑料基體陶瓷在大多數(shù)情況下，增強(qiáng)相較基體硬，強(qiáng)度和剛度較基體大。在基體與增強(qiáng)體之間存在著界面。硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)體高強(qiáng)纖維纖維編織物金屬塑料基體陶瓷在大多數(shù)情況4復(fù)合材料的組成及作用（基體）連續(xù)相（增強(qiáng)體)分散相粘接和固定增強(qiáng)相分配增強(qiáng)體的載荷保護(hù)增強(qiáng)體免受環(huán)境影響增加強(qiáng)度、改善性能界面相傳遞作用、阻斷作用、誘導(dǎo)效應(yīng)……＋＋復(fù)合材料的組成及作用（基體）連續(xù)相（增強(qiáng)體)分散相粘接和固定5A組成與結(jié)構(gòu)特點（1）具有可設(shè)計性（2）組元間有明顯界面或呈梯度變化的多相材料；（3）性能取決于各組分性能及協(xié)同效應(yīng)。B性能特點比強(qiáng)度高抗疲勞性能好耐磨減磨性能高減震能力強(qiáng)高溫性能好化學(xué)穩(wěn)定性高成型工藝簡單靈活2復(fù)合材料的特點A組成與結(jié)構(gòu)特點B性能特點2復(fù)合材料的特點6復(fù)合材料性能不足之處1、橫向拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度低。2、斷裂伸長率低，沖擊韌性有時不好。3、制造時產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，分散性大，質(zhì)檢困難。4、抗老化性能不好。5、機(jī)械連接困難。6、成本太高。復(fù)合材料性能不足之處1、橫向拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度低。7按組成分①金屬與金屬復(fù)合材料②非金屬與金屬復(fù)合材料③非金屬與非金屬復(fù)合材料按結(jié)構(gòu)特點：①纖維復(fù)合材料②夾層復(fù)合材料③細(xì)粒復(fù)合材料④混雜復(fù)合材料3復(fù)合材料分類按組成分3復(fù)合材料分類8按基體類型分類①樹脂基復(fù)合材料②金屬基復(fù)合材料③陶瓷基復(fù)合材料④碳-碳復(fù)合材料按基體類型分類9.2常用復(fù)合材料1纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基體：強(qiáng)度低、模量低、韌性好增強(qiáng)纖維：強(qiáng)度高、模量高、脆性大增強(qiáng)纖維化學(xué)纖維金屬纖維陶瓷纖維碳/硼纖維玻璃纖維塑料基體基體金屬基體陶瓷基體9.2常用復(fù)合材料1纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基體：強(qiáng)度低、模量低玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FiberReinforcedPlastics），也稱樹脂基復(fù)合材料（ResinMatrixComposite）是目前技術(shù)比較成熟且應(yīng)用最為廣泛的一類復(fù)合材料。用短切的或連續(xù)纖維及其織物增強(qiáng)熱固性或熱塑性樹脂基體，經(jīng)復(fù)合而成。1）玻璃纖維增強(qiáng)塑料玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FiberReinforcedP11A熱塑性玻璃纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)成：熱塑性樹脂+玻璃纖維性能：強(qiáng)度高、疲勞性能好、沖擊韌性高、抗蠕變性好B熱固性玻璃纖維增強(qiáng)塑料—玻璃鋼構(gòu)成：熱固性樹脂+玻璃纖維性能：強(qiáng)度高、質(zhì)輕、電絕緣、絕熱、抗腐蝕、憎水性以玻璃纖維作為增強(qiáng)相的樹脂基復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)已形成了產(chǎn)業(yè)。A熱塑性玻璃纖維增強(qiáng)塑料B熱固性玻璃纖維增強(qiáng)塑料—玻璃鋼122）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料A碳纖維塑料復(fù)合材料性能優(yōu)于玻璃鋼B碳纖維金屬復(fù)合材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕C碳纖維陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕2）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料A碳纖維塑料復(fù)合材料B碳纖維金屬復(fù)13粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯運動(金屬基體)和分子鏈運動(聚合物基體)。這種復(fù)合材料是各向同性的。

衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件2粒子增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導(dǎo)致14陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。

聚合物基粒子復(fù)合材料如酚醛樹脂中摻入木粉的電木、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣塑材料。粒子增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)鋁基泡沫復(fù)合材料碳黑增強(qiáng)橡膠陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。粒子增強(qiáng)SiC陶15金屬基粒子復(fù)合材料又稱金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等組成的非均質(zhì)材料。碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應(yīng)用，稱作硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常以Co、Ni作為粘結(jié)劑，WC、TiC等作為強(qiáng)化相。

硬質(zhì)合金組織(Co+WC)硬質(zhì)合金銑刀金屬基粒子復(fù)合材料又稱金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳16硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦(YT)兩類。牌號中，YG后的數(shù)字為含Co量，YT后的數(shù)字為碳化鈦含量。硬質(zhì)合金硬度極高，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金軸承刀具硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦(YT)兩類。牌號中，YG17是指在基體中含有多重層片狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物的復(fù)合材料。這種材料是各向異性的(層內(nèi)兩維同性)。如碳化硼片增強(qiáng)鈦、膠合板等。層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌三明治復(fù)合3層狀復(fù)合材料是指在基體中含有多重層片狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物的復(fù)合材料。這種材18雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。層狀結(jié)構(gòu)材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機(jī)制造、運輸及包裝等。

有TiN涂層的高爾夫球頭鋁合金蜂窩夾層板層狀復(fù)合雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。有TiN涂層的高爾夫球頭199.3復(fù)合材料的成型工藝復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，復(fù)合材料工業(yè)得到迅速發(fā)鎮(zhèn)，其老的成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現(xiàn)，目前聚合物基復(fù)合材料的成型方法已有20多種，并成功地用于工業(yè)生產(chǎn).9.3復(fù)合材料的成型工藝復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工（1）手糊成型工藝--濕法鋪層成型法；

（2）噴射成型工藝；

（3）樹脂傳遞模塑成型技術(shù)（RTM技術(shù)）；

（4）袋壓法（壓力袋法）成型；

（5）真空袋壓成型；

（6）熱壓罐成型技術(shù)；

（7）液壓釜法成型技術(shù)；

（8）熱膨脹模塑法成型技術(shù)；

（9）夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)；

（10）模壓料生產(chǎn)工藝；

（11）ZMC模壓料注射技術(shù)；

（12）模壓成型工藝；

（13）層合板生產(chǎn)技術(shù)；（1）手糊成型工藝--濕法鋪層成型法；

（2）噴射成型工藝；（14）卷制管成型技術(shù)；

（15）纖維纏繞制品成型技術(shù)；

（16）連續(xù)制板生產(chǎn)工藝；

（17）澆鑄成型技術(shù)；

（18）拉擠成型工藝；

（19）連續(xù)纏繞制管工藝；

（20）編織復(fù)合材料制造技術(shù)；

（21）熱塑性片狀模塑料制造技術(shù)及冷模沖壓成型工藝；

（22）注射成型工藝；

（23）擠出成型工藝；

（24）離心澆鑄制管成型工藝；

（25）其它成型技術(shù)。

（14）卷制管成型技術(shù)；

（15）纖維纏繞制品成型技術(shù)；

（9.4復(fù)合材料在設(shè)計中的應(yīng)用9.4復(fù)合材料在設(shè)計中的應(yīng)用23

聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)高分子材料。這類復(fù)合材料的性能較環(huán)氧樹脂等基體有大幅度的提高，比強(qiáng)度也高得多。材料種類縱向抗拉強(qiáng)度

MPa縱向彈性模量

GPa環(huán)氧樹脂

696.9環(huán)氧樹脂/E級玻璃纖維102045環(huán)氧樹脂/碳纖維（高彈性）1240145環(huán)氧樹脂/芳綸纖維（49）138076環(huán)氧樹脂/硼纖維（70%Vf）1400-2100210-280聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料材料種類縱向抗拉強(qiáng)度

MPa24聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件芳綸剎車片高溫構(gòu)件碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料制航空發(fā)動機(jī)聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件芳綸剎車片高溫構(gòu)件碳纖維增強(qiáng)聚酰25

纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料金屬的熔點高，故高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)后的金屬基復(fù)合材料（MMC）可以使用在較高溫的工作環(huán)境之下。常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂合金。作為增強(qiáng)體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、SiC和C纖維；Al2O3纖維通常以短纖維的形式用于MMC中。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料26

纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料陶瓷材料耐熱、耐磨、耐蝕、抗氧化，但韌性低、難加工。在陶瓷材料中加入纖維增強(qiáng)，能大幅度提高強(qiáng)度，改善韌性，并提高使用溫度。陶瓷中增韌纖維受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韌性越好。纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料27用晶須作為增強(qiáng)相可以顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，但因為價格昂貴，目前僅在少數(shù)宇航器件上采用?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，晶須(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韌的作用。ZnO晶須自增韌Si3N4陶瓷用晶須作為增強(qiáng)相可以顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量，但因為28

玻璃鋼

增強(qiáng)劑——玻璃纖維（主要是SiO2），比強(qiáng)度和比模量高，耐蝕，絕緣。粘結(jié)劑（基體）——熱固性的酚醛、環(huán)氧樹脂，熱塑性的聚脂。性能（與基體相比）——(比)強(qiáng)度，疲勞性能，韌性，蠕變抗力高。用途——軸承，軸承架，齒輪，車身。玻璃鋼29

碳纖維樹脂復(fù)合材料增強(qiáng)劑——碳纖維(石墨)，強(qiáng)度和彈性模量高，且2000℃以上保持不變；-180℃不變脆。粘結(jié)劑（基體）——環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂，聚四氟乙烯。性能（與基體相比）——強(qiáng)度，疲勞性能，韌性，耐蝕，蠕變抗力高。用途——火箭外殼，齒輪，軸承，活塞，密封圈，化工容器。碳纖維樹脂復(fù)合材料30

硼纖維樹脂復(fù)合材料增強(qiáng)劑——硼纖維,σb=2750～3140MPa，E=382～392M