材料化学第9章复合材料课件.ppt

1、2022-4-18第第9章章 复合材料复合材料Chapter 9 Composites2022-4-18本章内容本章内容1. 复合材料概述复合材料概述2. 复合材料分类复合材料分类3. 复合材料的基体复合材料的基体4. 复合材料的增强相复合材料的增强相5. 复合材料的复合原理复合材料的复合原理6. 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺2022-4-18学习目的学习目的v掌握复合材料的特点；掌握复合材料的特点；v了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求；了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求；v理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机制和

2、界面作用；制和界面作用；v了解复合材料的成型工艺。了解复合材料的成型工艺。2022-4-18参考书目参考书目v王荣国王荣国 主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学出版社，出版社，1999v闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出版社，版社，1998v鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，2004vASM International, Engineered materials handbook, Composites, Vol.1, Metals, Park, 19872022-4-189.1

3、 复合材料概述复合材料概述v三大材料：三大材料：金属金属无机非金属无机非金属有机高分子有机高分子v复合材料复合材料取长补短取长补短协同作用协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机无机非金属非金属材料材料有机有机高分子高分子材料材料金属金属材料材料复复合合材材料料2022-4-18复合材料的定义复合材料的定义v国际标准化组织国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。 v材料大词典材料大词典 ：复合材料是根据应用进行设计，：复合材料是根据应

4、用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。成的一类新型材料。2022-4-18v材料科学技术百科全书材料科学技术百科全书 ：复合材料是由有机：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各

5、组分的性不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。与一般材料的简单混合有本质区别。 2022-4-18v复合材料的特点：复合材料的特点： v1) 复合材料是由复合材料是由两种或两种两种或两种以上不同性能的材料组元通过以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的的界面界面；v2) 复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性，而且可最，而且可最大限度发挥各种材

6、料组元的特性，并赋予大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不单一材料组元所不具备的优良特殊性能具备的优良特殊性能；v3) 复合材料具有复合材料具有可设计性可设计性。可以根据使用条件要求进行设。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。的效能。 2022-4-18基体和增强材料基体和增强材料Matrix and Reinforcementv基体基体连续相连续相v增强材料增强材料分散相分散相也称为增强体、增强剂、增强相等也称为增强体、增强剂、增强相等显著增强材料的性能显著增强材料的性能多数情

7、况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。在基体和增强体之间存在着界面。2022-4-18Schematic illustration of composite constituents2022-4-18复合材料历史复合材料历史v古代近代先进复合材料古代近代先进复合材料v天然复合材料天然复合材料竹、贝壳，树木和竹子竹、贝壳，树木和竹子: 纤维素和木质素的复合体纤维素和木质素的复合体 动物骨骼动物骨骼: 无机磷酸盐和蛋白

8、质胶原复合而成无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 v古代：使用古代：使用 、效仿、效仿 半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆 2022-4-18近现代近现代:v第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纤维增强塑料年，玻璃纤维增强塑料v第二代：第二代：1960年到年到1980年，先进复合材料年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出年美国杜邦公司开发

9、出凯夫拉凯夫拉-49(Kevlar, p-phenyleneterephthalamide, 相对密相对密度度1.431.45, 无熔融温度无熔融温度, 500570时分解时分解 )1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、碳纤维增强、凯夫拉凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料纤维增强环氧树脂复合材料” 用于飞用于飞机、火箭的主承力件上。机、火箭的主承力件上。v第三代：第三代：1980年到年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料年，碳纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。以铝基复合材料的应用最为广泛。v第四代：第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，年以后，主要发展多

10、功能复合材料， 如智能复合材料和梯度功能材料等。如智能复合材料和梯度功能材料等。2022-4-189.2 复合材料的分类复合材料的分类1. 按按增强材料形态增强材料形态分类分类(1) 纤维纤维增强复合材料：增强复合材料： 连续连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；复合材料的边界处； 非连续非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；材料中；(2) 颗粒颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；(3) 板状

11、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。强材料与基体复合而成。其它增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体其它增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 2022-4-18Classes of composites2022-4-182.纤维增强复合材料种类纤维增强复合材料种类(1) 玻璃玻璃纤维复合材料；纤维复合材料；(2) 碳纤维碳纤维复合材料；复合材料；(3) 有机纤维有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；维等）复合材料；(4) 金属

12、纤维金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；(5) 陶瓷纤维陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。料。混杂复合材料混杂复合材料两种或两种以上增强体两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料与同一基体制成的复合材料可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的即复合材料的“复合材料复合材料”。2022-4-183. 按按基体材料基体材料分类分类(1) 聚合物基聚合物基复合材料复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性以有机聚合物

13、（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；树脂及橡胶等）为基体；(2) 金属基金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；(3) 无机非金属基无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。泥）为基体。2022-4-184. 按按材料作用材料作用分类分类(1) 结构结构复合材料：用于制造受力构件；复合材料：用于制造受力构件；(2) 功能功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。导磁、摩擦、屏蔽等）。同质同质复合材料（增强材料和基体材料属于

14、同种物复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳质，如碳/碳复合材料）碳复合材料）异质异质复合材料（复合材料多属此类）。复合材料（复合材料多属此类）。2022-4-18复复合合材材料料分分类类按按性性能能高高低低普普通通复复合合材材料料先先进进复复合合材材料料按按基基体体材材料料种种类类分分聚聚合合物物基基复复合合材材料料金金属属基基复复合合材材料料陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料水水泥泥基基复复合合材材料料热热固固性性热热塑塑性性橡橡胶胶按按用用途途分分结结构构复复合合材材料料功功能能复复合合材材料料智智能能复复合合材材料料按按增增强强材材料料种种类类分分颗颗粒粒增增强强随随机机分分布布择择

15、优优分分布布晶晶须须增增强强纤纤维维增增强强单单层层复复合合长长纤纤短短纤纤多多层层复复合合层层板板复复合合混混杂杂复复合合按按增增强强材材料料形形状状分分零零维维( (颗颗粒粒状状) )一一维维( (纤纤状状) )二二维维（片片状状或或平平面面织织物物）三三维维( (三三向向编编制制体体) )2022-4-18复合材料系统组合复合材料系统组合分散相分散相连续相连续相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维金属纤维纤维纤维/金属基复合材料金属基复合材料钢丝钢丝/水泥复合材料水泥复合材料增强橡胶增强橡胶金属晶须金属晶须晶须晶须/金属基复合材

16、料金属基复合材料晶须晶须/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料金属片材金属片材金属金属/塑料板塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶陶瓷瓷纤维纤维纤维纤维/金属基复合材料金属基复合材料纤维纤维/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料晶须晶须晶须晶须/金属基复合材料金属基复合材料晶须晶须/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒颗粒弥散强化合金材料弥散强化合金材料粒子填充塑料粒子填充塑料玻玻璃璃纤维纤维纤维纤维/树脂基复合材料树脂基复合材料颗粒颗粒碳碳纤维纤维碳纤维碳纤维/金属基复合材料金属基复合材料碳纤维碳纤维/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳纤维碳纤维/树脂基复合材料树脂基复合材料炭黑炭黑颗粒颗粒/橡胶；颗粒橡胶；颗粒/

17、树脂基树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维有机纤维纤维纤维/树脂基复合材料树脂基复合材料塑料塑料金属金属/塑料塑料橡胶橡胶2022-4-18v各种材料的发展状况各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用 金属基复合材料金属基复合材料 开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决2022-4-18复合材料的设计复合材料的设计从常规设计向从常规设计向仿生仿生设计发展设计发展仿

18、照仿照竹子竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。材料。仿照仿照鲍鱼壳鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固层状复合材料比其原材料坚固40。仿照仿照骨骼骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机

19、的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。2022-4-189.3 复合材料的基体材料复合材料的基体材料 复合材料的原材料：复合材料的原材料：v基体材料基体材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料聚合物材料聚合物材料v增强材料增强材料纤维纤维晶须晶须颗粒颗粒2022-4-189.3.1 金属基体材料金属基体材料 金属基复合材料中的金属基体起着固着增强物、传递和金属基复合材料中的金属基体起着固着增强物、传递和承受各种载荷承受各种载荷(力、热、电力、热、电)

20、的作用的作用。 基体在复合材料中占有很大的体积百分数。在连续纤维连续纤维增强金属基复合材料增强金属基复合材料中基体占50%70%的体积；须晶、短纤须晶、短纤维增强金属基复合材料维增强金属基复合材料中基体含量在70%以上；颗粒增强金属颗粒增强金属基复合材料基复合材料中根据不同的性能要求，基体含量在25%90%范围内变化，多数颗粒增强金属基复合材料的基体约占80%90%。 金属基体的选择对复合材料的性能起决定性作用，金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、耐热性、抗腐蚀性等均将影响复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能。因此，在设计和制备复合材料时，需充分了解和考虑金属基体的化学、物

21、理特性以及与增强物的相容性等，以便于正确合理地选择基体材料和制备方法。2022-4-189.3.1.1 选择基体的原则选择基体的原则目前用作金属基复合材料的金属有目前用作金属基复合材料的金属有铝铝及铝合金、及铝合金、镁镁合金、合金、钛钛合金、合金、镍镍合金、合金、铜铜与铜合金、与铜合金、锌锌合金、铅、合金、铅、钛铝、镍铝钛铝、镍铝金属间化合物金属间化合物等。等。基体材料成分的选择对能否基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基体金充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点属和增强物性能特点，获得预期的，获得预期的优异综合性能优异综合性能、满足使用要求十分重要。满足使用要求十分重要。 2022-4-1

22、81. 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构件的金属基复合材料构件的使用性能要求使用性能要求是选择金属是选择金属基体材料最重要的依据基体材料最重要的依据。在在航天、航空技术航天、航空技术中中高比强度和比模量高比强度和比模量以及以及尺寸稳定性尺寸稳定性是最是最重要的性能要求。重要的性能要求。 作为航天飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合作为航天飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金金镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨维、硼纤维等组成石墨/ /镁、石墨镁、石墨/ /铝、硼铝、硼/

23、/铝复合材料。铝复合材料。2022-4-18高性能发动机高性能发动机：要求复合材料：要求复合材料不仅有高比强度和比模量不仅有高比强度和比模量，还，还要具有优良的要具有优良的耐高温耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅如碳化硅/ /钛、钨丝钛、钨丝/ /镍基超合金复合材料可用于喷气发动机镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。叶片、转轴等重要零件。在在汽车发动机汽车发

24、动机中要求其零件中要求其零件耐热、耐磨、导热耐热、耐磨、导热、一定的高温、一定的高温强度等，同时又要求强度等，同时又要求成本低廉成本低廉，适合于批量生产，因此选用，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。铝基复合材料。如碳化硅如碳化硅/ /铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/ /铝复合材料可铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。制作发动机活塞、缸套等零件。2022-4-18工业工业集成电路集成电路需要需要高导热、低膨胀高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散的金属基复

25、合材料作为散热元件和基板。热元件和基板。选用具有高热导率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、选用具有高热导率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高热导率、高比强度、高比模量等合成具有低热膨胀系数和高热导率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。键材料。2022-4-182. 金属基复合材料组成特点金属基复合材料组成特点 增强物的性质和增强机理对基体材料的选择也有影响。增强物的性

26、质和增强机理对基体材料的选择也有影响。连续连续纤维增强金属基复合材料，纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体纤维是主要承载物体，纤维，纤维本身具有很高的强度和模量，如高强度碳纤维最高强度已达本身具有很高的强度和模量，如高强度碳纤维最高强度已达7000MPa，超高模量石墨纤维的弹性模量可高达，超高模量石墨纤维的弹性模量可高达900GPa,而而金属基体的强度和模量远远低于纤维。金属基体的强度和模量远远低于纤维。连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分以充分发挥增强纤维的性能为主发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有，基体本身应与纤维

27、有良好的相容良好的相容性和塑性性和塑性，而，而并不要求并不要求基体本身有很高的强度。基体本身有很高的强度。 2022-4-18如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝或含有少量合金元素的铝如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料基体合金优化过合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料基体合金优化过程中，发现铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，程中，发现铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，这与这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有基体和

28、纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关关。2022-4-18对于对于非连续非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。料具有决定性的影响。因此要获得高性能金属基复因此要获得高性能金属基复合材料合材料必须选用高强度铝合金作为基体必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。如如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如A3

29、65，6061，7075）为基体。）为基体。2022-4-183. 基体金属与增强物的基体金属与增强物的相容性相容性 金属基复合材料需要在金属基复合材料需要在高温高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应化学反应，在界面形成反应层。界面，在界面形成反应层。界面反应层反应层大多是大多是脆性脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复的断裂伸长小而产生裂纹，并向

30、周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。合材料整体破坏。 另外，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些合金元素与另外，由于基体金属中往往含有不同类型的合金元素，这些合金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，需在选用基体合金增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面的合金元素。如成合适稳定的界面的合金元素。如 碳纤维碳纤维(CF)增强铝基复合材料中在纯铝中增强铝基复合材料中在纯铝中加入少

31、量的加入少量的Ti、Zr等元素明显改善了复合材料的界面结构和性质，大大提高等元素明显改善了复合材料的界面结构和性质，大大提高了复合材料的性能。了复合材料的性能。2022-4-18 铁、镍等元素是促进碳石墨化的元素，用铁、镍作为基铁、镍等元素是促进碳石墨化的元素，用铁、镍作为基体，碳体，碳(石墨石墨)纤维作为增强物是不可取的。因为铁、镍元素纤维作为增强物是不可取的。因为铁、镍元素在高温时能有效地促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维结构，在高温时能有效地促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维结构，使其丧失了原有的强度，制成的复合材料不可能具备高的性使其丧失了原有的强度，制成的复合材料不可能具备高的性能。因此，选

32、择基体时应充分注意基体与增强物的相容性能。因此，选择基体时应充分注意基体与增强物的相容性(特特别是化学相容性别是化学相容性)，并，并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应反应。如。如:对增强对增强纤维纤维进行表面处理进行表面处理在金属在金属基体基体中添加其他成分中添加其他成分选择适宜的选择适宜的成型成型方法或条件方法或条件缩短材料在高温下的停留缩短材料在高温下的停留时间时间等。等。 2022-4-189.3.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体分为分为轻金属轻金属基体和基体和耐热耐热合金基体合金基体1. 用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体目

33、前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等2. 用于用于450700的复合材料的金属基体的复合材料的金属基体钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在在450450700700使用，用于航空发动机等零件。使用，用于航空发动机等零件。 3. 用于用于1000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟基体主要是镍基、铁基耐热合

34、金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。于研究阶段。 2022-4-189.3.1.3 功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料的基体v要求材料和器件具有优良的要求材料和器件具有优良的综合物理性能综合物理性能，如同时如同时具有具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。v单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠要靠优化设计和先进

35、制造技术优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成将金属与增强物做成复合材料来满足需求。复合材料来满足需求。v主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。银、铅、锌等金属。2022-4-18v微电子技术的电子封装微电子技术的电子封装集成电路集成电路：需用：需用热膨胀系数小、导热性好的热膨胀系数小、导热性好的材料材料做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，避免做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，来提高器件可靠性。产生热应力，来提高器件可靠性。用于电子封装的金属基复合材料有用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗：高碳化

36、硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石粒含量的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或墨纤维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料，硼多晶金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/ /铝铝基复合材料等基复合材料等2022-4-18v耐高温摩擦的耐磨材料耐高温摩擦的耐磨材料碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属及其合金的金属基复铝、镁、铜、锌、铅等金属及其合金的金属基复合材料。合材料。v高导热和耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料高导热和耐电弧烧蚀的集电材料和

37、触头材料碳（石墨）纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、碳（石墨）纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等金属基复合材料。银及合金等金属基复合材料。v耐腐蚀的电池极板材料等耐腐蚀的电池极板材料等2022-4-189.3.2 无机非金属材料无机非金属材料-陶瓷基体陶瓷基体 陶瓷是金属与非金属元素的固体化合物，其键合为共价键或离子键，与金属不同，陶瓷不含有大量电子。一般而言，陶瓷比金属具有更高的熔点和硬度，化学性质稳定，耐热性和抗老化性皆佳。陶瓷通常是绝缘体，虽然在高温下导电，但导电性比金属差得多。虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点，即脆性大、韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细

38、微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。2022-4-18 近年来的研究结果表明，在陶瓷基体中添加其他成分近年来的研究结果表明，在陶瓷基体中添加其他成分（如陶瓷粒子、纤维或晶须）可提高陶瓷的韧性。（如陶瓷粒子、纤维或晶须）可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。高强度的碳化硅晶须容易掺混在陶瓷基体中，增强陶瓷的作用明显。用作基体材料的陶瓷基体材料的陶瓷一般应具有优异的耐高温耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性界面相容性以及较好的工艺性能较好的工艺性能等。 常用的陶瓷基体主要包括:玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物

39、陶瓷等。 作为基体材料的氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2、莫来石(3Al2O32SiO2)等。它们的熔点在2000C以上。氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，除晶相外，可能还有少量气相(气孔)。2022-4-18 微晶氧化物的强度较高，粗晶结构的晶界面残余应力较微晶氧化物的强度较高，粗晶结构的晶界面残余应力较大，对强度不利大，对强度不利。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000C以下降低较小。由于Al2O3和ZrO2的抗热振性较差， SiO2在高温下容易发生蠕变和相变，所以这类陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用。 陶瓷基复合材料中的非氧化物陶瓷陶瓷基复合材料

40、中的非氧化物陶瓷是指不含氧的氮化物、碳化物、硼化物、硅化物。它们的特点是耐火性和耐磨性好、硬度高，但脆性大。碳化物和硼化物碳化物和硼化物的抗热氧化温度约9001000C,氮化物氮化物略低些，硅化物硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达13001700C。氮化硼氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温(1360C)和高压作用下可转变成立方结构的-氮化硼，耐热温度高达2000C,硬度极高，可作为金刚石的代用品。2022-4-18陶瓷基复合材料（陶瓷基复合材料（CMC） 2022-4-18CMC的应用的应用2022-4-18C/C在航天领域中的应用在航天领域中的应用C/C作为刹车盘作为刹车盘碳碳

41、/碳复合材料（碳复合材料（C/C） 2022-4-189.3.3 聚合物基体聚合物基体 9.3.3.1 聚合物基体的种类聚合物基体的种类 聚合物基复合材料应用很广泛，作为复合材料基体的聚合物种类很多，大体上包括热固性树脂和热塑性树脂热固性树脂和热塑性树脂。 热固性聚合物常为分子量较小的液态或固态预聚物热固性聚合物常为分子量较小的液态或固态预聚物，经加热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状分子。主要包括: 环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。各种热固性树脂的固化反应机理不同，由于使用要求的差异，采用的固化条件也有很大差异。一般的固化条件有室温固化、中温固化室

42、温固化、中温固化(120C左右左右)和高温固和高温固化化(170C以上以上)。这类分子通常为无定形结构，具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性能和尺寸稳定性好等优点。2022-4-18 热塑性聚合物热塑性聚合物是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工而不发生化学变化，包括各种通用塑料通用塑料(聚丙烯、聚氯乙烯)、工程塑料工程塑料(尼龙、聚碳酸酯等)和特种耐高温聚特种耐高温聚合物合物(聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等)。这类高分子分非晶(或无定形)和结晶两类，通常结晶度在20%85%之间。具有质轻、比强度高、电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生产效率高等优点。与热固性聚合物相比，具有明显的力

43、学松弛现象；在外力作用下形变大；具有相当大的断裂延伸率；抗冲击性能较好。2022-4-181. 热固性树脂热固性树脂(1) 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂 不饱和聚酯树脂是指有线形结构的、主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。不饱和聚酯的种类很多，按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型聚酯树脂，其中，顺酐型最为经典，一般由顺酐、丙二醇、苯酐聚合而成。下式为比较常见的几种不饱和聚酯结构。2022-4-18 HOCHCH2CH3OCOCHCHCOOCHCH2CH3OCOCOOHnHOCHCH2CH3O COCHCHCOOCHCH2CH3OCOCOOHnCCH3CH3OCH2OCH

44、CH2CH3CHOOCH3CCCHOCHCCHOOOCHCHOOn邻苯型不饱和聚酯邻苯型不饱和聚酯间苯型不饱和聚酯间苯型不饱和聚酯双酚型不饱和聚酯双酚型不饱和聚酯2022-4-18 除此之外，还有许多通过植物干性油、烯丙醇、三羟甲基丙烷而烯丙基醚等单体改性或聚合而得的不饱和聚酯。 不饱和聚酯树脂在热固性树脂中工业化较早，是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂，在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80%以上。由于树脂的收缩率高且力学性能较低，因此很少用它与碳纤维制造复合材料。但由于性价比合适，近年来随汽车工业的快速发展，已开始大规模用玻璃纤维部分取代碳纤维与不饱和聚酯复合，如汽车多处部件

45、制造采用的BMC(块状模塑复合物)材料即属此类。2022-4-18 不饱和聚酯的主要优点不饱和聚酯的主要优点:工艺性良好工艺性良好，如室温下粘度低，可在室温下固化，常压下成型，颜色浅，可以制作彩色制品，工艺装置简单，可采用多种措施来调节其工艺性能等；树脂固化后综合性能良好综合性能良好，并有多种专用树脂适用于不同的用途，但其力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂；价格价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。主要缺点主要缺点:固化时体积收缩率较大体积收缩率较大；成型时气味和毒性较大气味和毒性较大；耐热性、强度和模量都较低，易变耐热性、强度和模量都较低，易变形，很少用于受力较强的制品。 主要用于一般主要

46、用于一般民用工业和生活用品民用工业和生活用品中。中。2022-4-18 不饱和聚酯分子链中含有不饱和双键，在热作用下，可以将这些不饱和键聚合或共聚起来，形成链间交联交联。如，与苯乙烯配合，经热共聚交联，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。所用苯乙烯既是稀释剂，又是交联剂。相似作用的单体还有多元丙烯酸酯、多烯丙基醚(三羟甲基丙烷二烯丙基醚等)、邻苯二甲酸二烯丙基酯、甲基苯乙烯、异氰脲酸三烯丙酯等。 所形成的固化树脂性能不仅与聚酯树脂本身的化学结构有关，而且与所选用的交联剂结构及用量有关。同时，交联剂的选择和用量还直接影响着树脂的工艺性能。不饱和聚酯复合材料在经历经历热交联固化时，为提高其固化效

47、率、增强性能，一般都使用少量合适的自由基引发剂，常用的包括过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化环己酮等。2022-4-18(2) 环氧树脂环氧树脂 环氧树脂是聚合物复合材料中最为重要的一类基体材料，尽管目前可以获得的环氧树脂种类很多，但作为复合材料基体的环氧树脂以双酚A环氧为主，属由双酚A与环氧氯丙烷缩合而得，分子量可以从几百到数千，常温下为粘稠液体或脆性固体。双酚A环氧树脂的典型结构如下表示: 其它可以采用的环氧基体树脂还包括: 双酚F环氧树脂-分子量小，结构简单，粘度较低，只有双酚A环氧树脂的1/3左右，所用固化剂与固化性能与双酚A环氧相似。CH2OCHCH2OCCH3CH3OCH2CHC

48、H2OOHCCH3CH3OCH2HCOCH2nn=0192022-4-18 酚醛环氧是另一类环氧树脂，其固化复合产物具有较高热变形温度与出色耐热性，结构可表示为: 另外还有三聚氰胺环氧树脂、有机硅环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂、脂环类环氧、线性脂肪族环氧及环氧化干性油等。CH2CH2OCH2HCOCH2OCH2HCOCH2OCH2HCOCH2n2022-4-18 环氧树脂可用于制备玻璃纤维、碳纤维复合材料，并得到广泛应用。作为复合材料的基体，环氧树脂具有许多突出的优点，已固化的树脂有良好的压缩性能良好的压缩性能，良好的耐水、耐良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能化学介质和耐烧蚀性能；热变形温度高热

49、变形温度高。不足之处是，固化不足之处是，固化后断裂伸长率低、脆性大后断裂伸长率低、脆性大。 用环氧树脂制备复合材料时，必须设法使树脂上的环氧基团发生开环交联固化，获得具有高强度、高耐热性等综合性能的复合材料。这一过程需要专门的固化剂协同进行，常用的环氧固化剂包括多胺类、聚酰胺类、咪唑类、酸酐类等。有时，固化反应伴有小分子逸出，有时需要高压进行。 通常环氧基复合材料具有较高硬度和高耐热性的同时，由于较大的刚性和交联密度，其脆性也较大，抗冲击性能不高。一般可通过拼用部分低分子量的液态端羧基丁腈橡胶(CTBN)增韧。增韧机理为，CTBN端羧基与环氧基开环酯化，在刚性的环氧交联网中引入弹性的丁腈链段。

50、2022-4-18 (3) 酚醛树脂酚醛树脂 酚醛树脂的制备可用下式表示:OHHCHOCH2nOH+2022-4-18 酚醛树脂系酚醛缩合物，是最早实现工业化生产的一种树脂，多作为胶粘剂、涂料及布、纸、玻璃布的层压复合材料，酚醛树脂大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、烧蚀材料。 依酚醛配比和使用催化剂的差别，所合成的酚醛树脂分依酚醛配比和使用催化剂的差别，所合成的酚醛树脂分为热固性和热塑性酚醛树脂两大类为热固性和热塑性酚醛树脂两大类。国内作为纤维增强塑料基体用的酚醛树脂大多采用热固性酚醛树脂。 酚醛树脂的主要优点包括，比环氧树脂价格便宜；但也存在吸附性不好、收缩率高、