第五章復(fù)合材料

第一節(jié)概述復(fù)合材料兩種或者兩種以上的不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的多相材料。第1頁/共60頁12021/10/10星期日在現(xiàn)代工程中對材料的要求越來越苛刻，特別是在航天、航海及交通運(yùn)輸領(lǐng)域。例如，要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料既有低的密度，又具有高的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐磨及耐蝕性。通常高強(qiáng)度材料的密度也高，增大強(qiáng)度或剛度則會降低材料的韌性。第2頁/共60頁22021/10/10星期日這種材料優(yōu)異性能的組合是單一材料無法滿足的。復(fù)合材料第3頁/共60頁32021/10/10星期日玻璃纖維增強(qiáng)風(fēng)機(jī)葉片玻璃纖維增強(qiáng)尼龍車輪第4頁/共60頁42021/10/10星期日玻璃纖維增強(qiáng)塑料制自行車復(fù)合材料制小船第5頁/共60頁52021/10/10星期日復(fù)合材料制防彈衣第6頁/共60頁62021/10/10星期日復(fù)合材料在波音飛機(jī)上的應(yīng)用第7頁/共60頁72021/10/10星期日特點(diǎn)復(fù)合材料既保持組成材料各自的最佳特性，又具有組合后的新特性。第8頁/共60頁82021/10/10星期日材料斷裂能/J玻璃纖維7.5×10-4常用樹脂2.26×10-2熱固性玻璃鋼17.6例1：熱固性玻璃鋼＝熱固性樹脂＋玻璃纖維熱固性玻璃鋼：強(qiáng)度高于熱固性樹脂脆性低于玻璃纖維第9頁/共60頁92021/10/10星期日泥土＋稻草水泥＋鋼筋例2：建筑材料（復(fù)合材料的應(yīng)用）第10頁/共60頁102021/10/10星期日一、復(fù)合材料的分類復(fù)合材料種類繁多，目前尚無統(tǒng)一的分類方法。按基體相的性質(zhì)分金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料銅基復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料第11頁/共60頁112021/10/10星期日按增強(qiáng)相的形態(tài)分纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）纖維增強(qiáng)橡膠（輪胎）纖維增強(qiáng)陶瓷纖維增強(qiáng)金屬金屬陶瓷彌散強(qiáng)化金屬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料疊層復(fù)合材料雙層金屬復(fù)合材料三層復(fù)合材料第12頁/共60頁122021/10/10星期日纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料疊層復(fù)合材料第13頁/共60頁132021/10/10星期日二、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)比強(qiáng)度和比模量高纖維增加材料的比強(qiáng)度及比模量遠(yuǎn)高于金屬材料，特別是碳纖維－環(huán)氧樹脂復(fù)合材料比強(qiáng)度是鋼的8倍，比模量是鋼的4倍?？蛊诤推茢喟踩院美w維增強(qiáng)復(fù)合材料對缺口及應(yīng)力集中的敏感性小，纖維與基體界面能阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，改變裂紋擴(kuò)展的方向。第14頁/共60頁142021/10/10星期日（1）比強(qiáng)度與比模量高

比強(qiáng)度、比模量是指材料的強(qiáng)度或模量與密度之比。比強(qiáng)度愈高，同一零件的自重愈小;比模量愈高，零件的剛性愈大。環(huán)氧樹脂與高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合，比強(qiáng)度可達(dá)913kNm/kg，比模量為85MNm/kg，與高模量的碳纖維復(fù)合，比模量可達(dá)116MNm/kg，比強(qiáng)度為613kNm/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般鋼材和鋁合金（鋼的比強(qiáng)度為126kNm/kg，比模量為27MNm/kg）。第15頁/共60頁152021/10/10星期日（2）化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良

鋼材一般不耐酸，尤其是含有氯離子的酸，即使含鉬不銹鋼在這種介質(zhì)中，也會很快被腐蝕。但纖維增強(qiáng)塑料如玻纖增強(qiáng)酚醛樹脂，在含氯主子的酸性介質(zhì)中能長期使用。用玻纖增強(qiáng)塑料，可制造耐強(qiáng)酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥、容器、風(fēng)機(jī)、攪拌器等設(shè)備。如用耐堿玻纖或碳纖維與塑料復(fù)合，還能在強(qiáng)堿介質(zhì)中使用。耐堿玻纖可用來取代鋼筋與水泥復(fù)合。第16頁/共60頁162021/10/10星期日（3）減摩、耐磨、自潤滑性好

在熱塑性塑料中摻入少量短切碳纖維可大大提高它的耐磨性，其增加倍數(shù)為聚氯乙烯本身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。碳纖維增強(qiáng)塑料還可降低塑料的摩擦系數(shù)，提高它的pv值[1]；pv值隨碳纖維的增加而有不同程度地提高。以鋼作對磨件時(shí)，碳纖維增強(qiáng)的磨損比玻纖增強(qiáng)的約小10倍。碳纖維增強(qiáng)塑料具有良好的自潤性能，因此可用于制造無油潤滑活塞環(huán)、軸承和齒輪。如用石棉之類的材料與塑料復(fù)合，則與上述情況相反，可得到摩擦系數(shù)大、制動效果好的摩阻材料。

[1]p為滑動軸承投影面的壓強(qiáng)（MPa），v為滑動線速度（m/s），各種塑料及其復(fù)合材料均有一個(gè)允許最高承載能力的p值；與允許最高滑動線速度的v值。

第17頁/共60頁172021/10/10星期日（4）耐熱性高碳化硅（SiC）纖維、氧化鋁纖維（α–Al2O3·SiO2）與陶瓷復(fù)合，在空氣中能耐1200～1400℃高溫，要比所有超高溫合金的耐熱性高出100℃以上。用于柴油發(fā)動機(jī)、可取消原來的散熱器、水泵等冷卻系統(tǒng)，減輕重量約100kg。用于汽車發(fā)動機(jī)，使用溫度可高達(dá)1370℃。第18頁/共60頁182021/10/10星期日（5）高韌性和高抗沖擊性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性

金屬基復(fù)合材料具有高韌性和高抗沖擊性能，在受到?jīng)_擊時(shí)能通過塑性變形吸收能量。具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，可以使集中電荷和局部的高溫?zé)嵩春芸鞌U(kuò)散消失，有利于解決熱氣流沖擊和雷擊問題。第19頁/共60頁192021/10/10星期日循環(huán)次數(shù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料玻璃鋼鋁合金復(fù)合材料具有較高的疲勞強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明：σr＝70～80％σb，而鋼的疲勞強(qiáng)度只有抗拉強(qiáng)度的40～50％。纖維復(fù)合材料平均幾千到幾萬根纖維/cm2，即使有少數(shù)纖維斷裂亦不會影響到其承載能力，故破斷安全性好。（6）抗疲勞和破斷安全性好

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對缺口及應(yīng)力集中的敏感性小，纖維與基體界面能阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，改變裂紋擴(kuò)展的方向。第20頁/共60頁202021/10/10星期日第三節(jié)常用復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料第21頁/共60頁212021/10/10星期日一、塑料基復(fù)合材料作為機(jī)械工程材料，塑料的最大優(yōu)點(diǎn)是密度小、耐腐蝕、可塑性好、易于加工成型。缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、彈性模量低、耐熱性差。改善的方法：復(fù)合材料，主要是增強(qiáng)。第22頁/共60頁222021/10/10星期日使用最廣泛的是纖維增強(qiáng)塑料。按纖維的性質(zhì)可以把塑料基復(fù)合材料分為：玻璃纖維增強(qiáng)塑料碳纖維增強(qiáng)塑料硼纖維增強(qiáng)塑料碳化硅纖維增強(qiáng)塑料Kevlar纖維增強(qiáng)塑料基體材料：熱固性塑料、熱塑性塑料第23頁/共60頁232021/10/10星期日（一）玻璃纖維增強(qiáng)塑料俗稱玻璃鋼。按照塑料的性質(zhì)可以分為：熱塑性玻璃鋼熱固性玻璃鋼第24頁/共60頁242021/10/10星期日1、熱塑性玻璃鋼由體積分?jǐn)?shù)為20～40%的玻璃纖維與60～80%的熱塑性樹脂組成。具有高強(qiáng)度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低的熱脹系數(shù)。第25頁/共60頁252021/10/10星期日2、熱固性玻璃鋼由體積分?jǐn)?shù)為60～70%的玻璃纖維與30～40%的熱固性樹脂組成。主要特點(diǎn)：密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度超過一般的高強(qiáng)鋼，耐腐蝕、絕緣、絕熱等。但彈性模量低，在300℃以下使用。主要用于制造自重輕的受力構(gòu)件和要求無磁性、絕緣、耐腐蝕的零件。第26頁/共60頁262021/10/10星期日（二）碳纖維增強(qiáng)塑料

組成由碳纖維與聚脂、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復(fù)合材料。優(yōu)點(diǎn)低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和比模量。優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐腐蝕和耐熱性。第27頁/共60頁272021/10/10星期日

缺點(diǎn)碳纖維和基體結(jié)合強(qiáng)度低，各向異性嚴(yán)重。應(yīng)用性能優(yōu)于玻璃鋼，主要用于航天和航空工業(yè)中制作飛機(jī)機(jī)身，螺旋漿，發(fā)電機(jī)的護(hù)環(huán)材料等。第28頁/共60頁282021/10/10星期日（三）硼纖維增強(qiáng)塑料

組成由硼纖維與環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成的復(fù)合材料。特點(diǎn)高比強(qiáng)度和比模量；良好的耐熱性；缺點(diǎn)是各向異性嚴(yán)重第29頁/共60頁292021/10/10星期日

應(yīng)用

主要用于航天和航空工業(yè)中要求高剛度的構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)身，機(jī)翼等。第30頁/共60頁302021/10/10星期日（四）碳化硅纖維增強(qiáng)塑料

組成由碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料。特點(diǎn)高比強(qiáng)度和比模量；抗拉強(qiáng)度接近碳纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，但抗壓強(qiáng)度是其兩倍；碳化硅—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是一種很具有發(fā)展前途的新型材料。第31頁/共60頁312021/10/10星期日

應(yīng)用

主要用于宇航器上的結(jié)構(gòu)，比金屬輕30%。還可以制作飛機(jī)的門、降落傳動裝置、機(jī)翼等等。第32頁/共60頁322021/10/10星期日（五）Kevlar纖維增強(qiáng)塑料

組成由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等樹脂組成的復(fù)合材料。特點(diǎn)最常用的是Kevlar纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；抗拉強(qiáng)度高于玻璃鋼，與碳纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相近；延性好，與金屬相似；具有優(yōu)良的疲勞抗力和減振性。第33頁/共60頁332021/10/10星期日主要用于制作飛機(jī)機(jī)身、雷達(dá)天線罩、火箭發(fā)動機(jī)外殼、快艇等。

應(yīng)用第34頁/共60頁342021/10/10星期日二、金屬基復(fù)合材料目前是機(jī)械工程中用量最大的一類材料。塑性，韌性，硬度，彈性模量比較高。但仍不能滿足要求，一直在改進(jìn)。第35頁/共60頁352021/10/10星期日主要應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料塑料—金屬多層復(fù)合材料第36頁/共60頁362021/10/10星期日三、橡膠基復(fù)合材料橡膠具有彈性高，減振性好，熱導(dǎo)率低，絕緣等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度和彈性模量低，耐磨性差。為了改善橡膠制品的性能，可以用增強(qiáng)纖維或粒子與其復(fù)合。制備纖維增強(qiáng)橡膠和粒子增強(qiáng)橡膠制品。纖維增強(qiáng)橡膠—主要用于輪胎，皮帶，橡膠管，橡膠布等。粒子增強(qiáng)橡膠—利用補(bǔ)強(qiáng)劑提高橡膠的抗拉強(qiáng)度，撕裂強(qiáng)度，耐磨性等。第37頁/共60頁372021/10/10星期日四、陶瓷基復(fù)合材料陶瓷具有耐高溫，抗氧化，耐腐蝕，彈性摩量高，抗壓強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。但陶瓷脆性大，不能承受劇烈的機(jī)械沖擊和熱沖擊。用纖維或粒子與陶瓷制成復(fù)合材料，其韌性明顯提高，是目前研究的熱點(diǎn)。主要有：纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料粒子增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料第38頁/共60頁382021/10/10星期日復(fù)合材料應(yīng)用實(shí)例雙金屬復(fù)合鋼管陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管第39頁/共60頁392021/10/10星期日20鋼/316L鋼復(fù)合管基管20鋼內(nèi)襯316L鋼第40頁/共60頁402021/10/10星期日20鋼/316L復(fù)合管第41頁/共60頁412021/10/10星期日第42頁/共60頁422021/10/10星期日鋁熱劑：Al+Fe2O3FeAl2O3第43頁/共60頁432021/10/10星期日第六節(jié)增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)機(jī)制復(fù)合材料是一種由基體matrix和增強(qiáng)相reinforcedphase組成的多相材料，通?；w為連續(xù)相，而增強(qiáng)相為分散相。復(fù)合材料基體增強(qiáng)相金屬材料、高分子材料、陶瓷材料顆粒增強(qiáng)材料、纖維增強(qiáng)材料、片狀增強(qiáng)材料第44頁/共60頁442021/10/10星期日一、增強(qiáng)材料增強(qiáng)效果最明顯、應(yīng)用最廣。主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等（一）纖維增強(qiáng)材料第45頁/共60頁452021/10/10星期日密度g/cm3抗拉強(qiáng)度GPa拉伸模量100GPa比強(qiáng)度106N.m/kg比模量106N.m/kg無堿玻璃纖維2.553.400.711.3328高強(qiáng)度碳纖維（II）1.742.422.161.39124高模量碳纖維（I）2.002.233.751.12188Kevlar491.442.801.261.9488硼纖維2.362.753.821.17162SiC纖維（鎢芯）2.693.434.801.28178鋼絲7.744.202.000.5426鎢絲19.404.104.100.2121鉬絲10.202.203.600.2235常用增強(qiáng)纖維與金屬絲性能對比第46頁/共60頁462021/10/10星期日玻璃纖維由熔融玻璃經(jīng)拉絲制成纖維；密度2.4～2.7，與鋁相近，彈性模量低于金屬，但比強(qiáng)度和比模量高；耐熱性好，軟化溫度550～580℃；耐蝕性好，除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對其它溶劑有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；不吸水、不燃燒、尺寸穩(wěn)定、隔熱、吸聲、絕緣、透過電磁波等；制取方便，價(jià)格便宜，是應(yīng)用最廣的增強(qiáng)纖維。第47頁/共60頁472021/10/10星期日碳纖維將有機(jī)纖維（如粘膠纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青纖維等）在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而制成wC>90%以上的纖維；密度低、強(qiáng)度和模量高；高、低溫性能好（1500℃，-180℃）；化學(xué)穩(wěn)定性高，能耐濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；熱脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高，導(dǎo)電性、自潤滑性好；缺點(diǎn)：脆性大，易氧化，與基體結(jié)合力差。第48頁/共60頁482021/10/10星期日硼纖維將元素B用蒸汽沉積的方法沉積到耐熱金屬絲－纖芯（鎢絲）上制得的一種復(fù)合纖維；熔點(diǎn)高（2300℃）；強(qiáng)度、彈性模量高；良好的耐蝕性；缺點(diǎn)：密度較大，直徑較粗，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高；不及玻璃纖維和碳纖維應(yīng)用廣泛。第49頁/共60頁492021/10/10星期日芳綸纖維亦稱Kevlar纖維，是一種將聚合物溶解在溶劑中，再經(jīng)紡絲制成的芳香族聚酰胺類纖維；密度小，比強(qiáng)度、比彈性模量高；抗拉強(qiáng)度比玻璃纖維高45％，韌性好；耐熱性好，能在290℃下長期作用；優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性，且價(jià)格便宜。第50頁/共60頁502021/10/10星期日碳化硅纖維是以鎢絲或碳纖維作纖芯，通過氣相沉積法而制得；或用聚碳硅烷紡紗，經(jīng)燒結(jié)而得；是一種高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高模量的陶瓷纖維，主要用于增強(qiáng)金屬和陶瓷；優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，在1100℃時(shí)強(qiáng)度仍高達(dá)2100MPa。第51頁/共60頁512021/10/10星期日主要增強(qiáng)顆粒為陶瓷顆粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；陶瓷顆粒性能好、成本低，易于批量生產(chǎn)；在聚合物中添加不同的填料，構(gòu)成以填料為分散相、聚合物為連續(xù)相的復(fù)合材料，可改善制品的力學(xué)性能、耐磨性能、耐熱性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)磁性能、耐老化性能等。（二）顆粒增強(qiáng)材料第52頁/共60頁522021/10/10星期日碳黑和白碳黑（Si2C無定形微粉，呈白色，具有類似碳黑的增強(qiáng)作用，故稱之）可明顯提高橡膠的強(qiáng)度、硬度和彈性模量；石墨、銀粉、銅粉等可改善塑料的導(dǎo)電性；Fe2O3磁粉可改善塑料的導(dǎo)磁性；MoS2可提高塑料的自潤滑性；空心玻璃微珠可減小塑料的密度并提高其耐熱性。第53頁/共60頁532021/10/10星期日二、增強(qiáng)機(jī)制纖維是具有強(qiáng)結(jié)