第五章复合材料-课件.ppt

1、朱 荣第一节概述第二节金属基复合材料第三节陶瓷基复合材料第四节碳基复合材料第五节聚合物基复合材料第六节纤维增强体材料复合材料复合材料 两种或者两种以上的不同性质的材料，通两种或者两种以上的不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。过不同的工艺方法人工合成的多相材料。在现代工程中对材料的要求越来越苛刻，特别是在航天、航海及交通运输领域。例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。通常高强度材料的密度也高，增大强度或刚度则会降低材料的韧性。这种材料优异性能的组合是单一材料无法满足的。玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强尼龙车轮玻璃纤维增强塑料制自行车复合材

2、料制小船复合材料制防弹衣复合材料在波音飞机上的应用复合材料既保持组成复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性。又具有组合后的新特性。材料断裂能/J玻璃纤维7.510-4常用树脂2.2610-2热固性玻璃钢17.6例1：热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂脆性低于玻璃纤维n泥土稻草n水泥钢筋复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。按基体相的性质分金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料按增强相的形态分纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金

3、属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料纤纤维维增增强强复复合合材材料料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料叠层叠层复合复合材料材料比强度和比模量高比强度和比模量高纤维增加材料的比强度及比模量远高于金属材料，特别是碳纤维环氧树脂复合材料比强度是钢的8倍，比模量是钢的4倍。抗疲劳和破断安全性好抗疲劳和破断安全性好纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。l比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。比强度愈高，同一零件的自重愈小之比。比强度愈高，同

4、一零件的自重愈小;比比模量愈高，零件的刚性愈大。环氧树脂与高强模量愈高，零件的刚性愈大。环氧树脂与高强度的碳纤维复合，比强度可达度的碳纤维复合，比强度可达913kNm/kg，比，比模量为模量为85MNm/kg，与高模量的碳纤维复合，与高模量的碳纤维复合，比模量可达比模量可达116MNm/kg，比强度为，比强度为613kNm/kg,远远超过一般钢材和铝合金（钢的比强度为远远超过一般钢材和铝合金（钢的比强度为126kNm/kg，比模量为，比模量为27MNm/kg）。l钢材一般不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，即钢材一般不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，即使含钼不锈钢在这种介质中，也会很快被腐蚀。使含钼不锈

5、钢在这种介质中，也会很快被腐蚀。但纤维增强塑料如玻纤增强酚醛树脂，在含氯但纤维增强塑料如玻纤增强酚醛树脂，在含氯主子的酸性介质中能长期使用。用玻纤增强塑主子的酸性介质中能长期使用。用玻纤增强塑料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、风机、搅拌器等设备。管道、泵、阀、容器、风机、搅拌器等设备。如用耐碱玻纤或碳纤维与塑料复合，还能在强如用耐碱玻纤或碳纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。耐碱玻纤可用来取代钢筋与水碱介质中使用。耐碱玻纤可用来取代钢筋与水泥复合。泥复合。l在热塑性塑料中掺入少量短切碳纤维可大大提高它的耐在热塑性塑料中掺入少量

6、短切碳纤维可大大提高它的耐磨性，其增加倍数为聚氯乙烯本身磨性，其增加倍数为聚氯乙烯本身3.8倍，聚四氟乙烯倍，聚四氟乙烯本身的本身的3倍，聚丙烯本身的倍，聚丙烯本身的2.5倍，聚酰胺本身的倍，聚酰胺本身的1.2倍，倍，聚酯本身的聚酯本身的2倍。碳纤维增强塑料还可降低塑料的摩擦倍。碳纤维增强塑料还可降低塑料的摩擦系数，提高它的系数，提高它的pv值值1；pv值随碳纤维的增加而有不值随碳纤维的增加而有不同程度地提高。以钢作对磨件时，碳纤维增强的磨损比同程度地提高。以钢作对磨件时，碳纤维增强的磨损比玻纤增强的约小玻纤增强的约小10倍。碳纤维增强塑料具有良好的自润倍。碳纤维增强塑料具有良好的自润性能，因

7、此可用于制造无油润滑活塞环、轴承和齿轮。性能，因此可用于制造无油润滑活塞环、轴承和齿轮。如用石棉之类的材料与塑料复合，则与上述情况相反，如用石棉之类的材料与塑料复合，则与上述情况相反，可 得 到 摩 擦 系 数 大、制 动 效 果 好 的 摩 阻 材 料。可 得 到 摩 擦 系 数 大、制 动 效 果 好 的 摩 阻 材 料。1 p为滑动轴承投影面的压强（为滑动轴承投影面的压强（MPa），），v为滑动线速为滑动线速度（度（m/s），各种塑料及其复合材料均有一个允许最高），各种塑料及其复合材料均有一个允许最高承载能力的承载能力的p值；与允许最高滑动线速度的值；与允许最高滑动线速度的v值。值。l

8、l碳化硅（碳化硅（SiC）纤维、氧化铝纤维）纤维、氧化铝纤维（Al2O3SiO2）与陶瓷复合，在空气）与陶瓷复合，在空气中能耐中能耐12001400高温，要比所有高温，要比所有超高温合金的耐热性高出超高温合金的耐热性高出100以上。以上。用于柴油发动机、可取消原来的散热用于柴油发动机、可取消原来的散热器、水泵等冷却系统，减轻重量约器、水泵等冷却系统，减轻重量约100kg。用于汽车发动机，使用温度可。用于汽车发动机，使用温度可高达高达1370。l金属基复合材料具有高韧性和高抗金属基复合材料具有高韧性和高抗冲击性能，在受到冲击时能通过塑冲击性能，在受到冲击时能通过塑性变形吸收能量。具有良好的导电性

9、变形吸收能量。具有良好的导电和导热性能，可以使集中电荷和局和导热性能，可以使集中电荷和局部的高温热源很快扩散消失，有利部的高温热源很快扩散消失，有利于解决热气流冲击和雷击问题。于解决热气流冲击和雷击问题。循环次数应力碳纤维复合材料玻璃钢铝合金复合材料具有较高的疲劳强度。实验表明：r7080b，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的4050。纤维复合材料平均几千到几万根纤维/cm2，即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能力，故破断安全性好。（6）抗疲劳和破断安全性好）抗疲劳和破断安全性好纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。n塑料基复合材料n金

10、属基复合材料n橡胶基复合材料n陶瓷基复合材料v作为机械工程材料，塑料的最大优点是密度小、耐作为机械工程材料，塑料的最大优点是密度小、耐腐蚀、可塑性好、易于加工成型。腐蚀、可塑性好、易于加工成型。v缺点：强度低、弹性模量低、耐热性差。缺点：强度低、弹性模量低、耐热性差。v改善的方法：复合材料，主要是增强。改善的方法：复合材料，主要是增强。使用最广泛的是纤维增强塑料。按纤维的性质可使用最广泛的是纤维增强塑料。按纤维的性质可以把塑料基复合材料分为：以把塑料基复合材料分为：u玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料u碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料u硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料u碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑

11、料uKevlar 纤维增强塑料纤维增强塑料基体材料：热固性塑料、热塑性塑料基体材料：热固性塑料、热塑性塑料俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为：俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为：热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢热固性玻璃钢热固性玻璃钢由体积分数为由体积分数为2040%的玻璃纤维与的玻璃纤维与6080%的热塑性树脂组成。的热塑性树脂组成。具有高强度和高冲击韧性，良好的低具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低的热胀系数。温性能及低的热胀系数。由体积分数为由体积分数为6070%的玻璃纤维与的玻璃纤维与3040%的热固性树脂组成。的热固性树脂组成。主要特点：密度小、强度高、比强度超主要特点：密度小、强度高

12、、比强度超过一般的高强钢，耐腐蚀、绝缘、绝热等。但过一般的高强钢，耐腐蚀、绝缘、绝热等。但弹性模量低，在弹性模量低，在300以下使用。以下使用。主要用于制造自重轻的受力构件和要求主要用于制造自重轻的受力构件和要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。n 组成组成由碳纤维与聚脂、酚醛、环氧、聚四由碳纤维与聚脂、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。氟乙烯等树脂组成的复合材料。n优点优点v低密度、高强度、高弹性模量、高比低密度、高强度、高弹性模量、高比强度和比模量。强度和比模量。v优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐

13、热性。润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐热性。碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。n应用应用性能优于玻璃钢，主要用于航天和航空工业性能优于玻璃钢，主要用于航天和航空工业中制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。中制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。n 组成组成l由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料。由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料。n 特点特点l高比强度和比模量；高比强度和比模量；l良好的耐热性；良好的耐热性；l缺点是各向异性严重缺点是各向异性严重 主要用于航天和航空工业中要求高刚主要用于航天和航空工业中要求高刚度的构件，如飞机机

14、身，机翼等。度的构件，如飞机机身，机翼等。n 组成组成由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。n特点特点高比强度和比模量；高比强度和比模量；抗拉强度接近碳纤维抗拉强度接近碳纤维环氧树脂复合材料，但抗环氧树脂复合材料，但抗压强度是其两倍；压强度是其两倍；碳化硅碳化硅环氧树脂复合材料是一种很具有发展前环氧树脂复合材料是一种很具有发展前途的新型材料。途的新型材料。主要用于宇航器上的结构，比金属轻主要用于宇航器上的结构，比金属轻30%。还可以制作飞机的门、降落传动装。还可以制作飞机的门、降落传动装置、机翼等等。置、机翼等等。n 组成组成由由Kevlar纤维与环氧、聚

15、乙烯、聚碳酸脂、聚脂等树脂组成的纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等树脂组成的复合材料。复合材料。n特点特点最常用的是最常用的是Kevlar纤维纤维环氧树脂复合材料；环氧树脂复合材料；抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维环氧树脂复合材料相近；环氧树脂复合材料相近；延性好，与金属相似；延性好，与金属相似；具有优良的疲劳抗力和减振性。具有优良的疲劳抗力和减振性。主要用于制作飞机机身、雷达天线罩、主要用于制作飞机机身、雷达天线罩、火箭发动机外壳、快艇等。火箭发动机外壳、快艇等。v目前是机械工程中用量最大的一类材料。目前是机械工程中用量最大的一类材料。v塑性，韧性，硬度，弹性模量比

16、较高。但塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但仍不能满足要求，一直在改进。仍不能满足要求，一直在改进。主要应用的金属基复合材料：主要应用的金属基复合材料：纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料 塑料塑料金属多层复合材料金属多层复合材料v橡胶具有弹性高，减振性好，热导率低，绝缘等优点，但橡胶具有弹性高，减振性好，热导率低，绝缘等优点，但强度和弹性模量低，耐磨性差。强度和弹性模量低，耐磨性差。v为了改善橡胶制品的性能，可以用增强纤维或粒子与其复为了改善橡胶制品的性能，可以用增强纤维或粒子与其复合。制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品。合。制备纤维增强

17、橡胶和粒子增强橡胶制品。v纤维增强橡胶纤维增强橡胶主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡胶布等。主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡胶布等。v粒子增强橡胶粒子增强橡胶利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强度，耐磨性等。度，耐磨性等。v陶瓷具有耐高温，抗氧化，耐腐蚀，弹性陶瓷具有耐高温，抗氧化，耐腐蚀，弹性摩量高，抗压强度大等优点。摩量高，抗压强度大等优点。v但陶瓷脆性大，不能承受剧烈的机械冲击但陶瓷脆性大，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击。和热冲击。用纤维或粒子与陶瓷制成复合材料，其韧性明用纤维或粒子与陶瓷制成复合材料，其韧性明显提高，是目前研究的热点。主要有：显提高，是目前

18、研究的热点。主要有：v 纤维增强陶瓷复合材料纤维增强陶瓷复合材料v 粒子增强陶瓷复合材料粒子增强陶瓷复合材料u双金属复合钢管u陶瓷内衬复合管20钢/316L钢复合管基管20钢内衬316L钢20钢/316L复合管铝热剂：Al+Fe2O323232Al+Fe O2Fe+Al O+863JFeAl2O3复合材料是一种由基体matrix 和增强相reinforced phase 组成的多相材料，通常基体为连续相，而增强相为分散相。复合材料金属材料、高分子材料、陶瓷材料颗粒增强材料、纤维增强材料、片状增强材料增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等（一

19、）纤维增强材料密度g/cm3抗拉强度GPa拉伸模量100GPa比强度106N.m/kg比模量106N.m/kg无碱玻璃纤维2.553.400.711.3328高强度碳纤维（II）1.742.422.161.39124高模量碳纤维（I）2.002.233.751.12188Kevlar491.442.801.261.9488硼纤维2.362.753.821.17162SiC纤维（钨芯）2.693.434.801.28178钢丝7.744.202.000.5426钨丝19.404.104.100.2121钼丝10.202.203.600.2235常用增强纤维与金属丝性能对比n玻璃纤维u由熔融玻璃经

20、拉丝制成纤维；u密度2.42.7，与铝相近，弹性模量低于金属，但比强度和比模量高；u耐热性好，软化温度550580；u耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性；u不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等；u制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。n碳纤维u将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成wC90%以上的纤维；u密度低、强度和模量高；u高、低温性能好（1500，-180）；u化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导电性、自润滑性好；u缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。n硼

21、纤维u将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属丝纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维；u熔点高（2300）；u强度、弹性模量高；u良好的耐蚀性；u缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高；u不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。n芳纶纤维u亦称Kevlar纤维，是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类纤维；u密度小，比强度、比弹性模量高；u抗拉强度比玻璃纤维高45，韧性好；u耐热性好，能在290下长期作用；u优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。n碳化硅纤维u是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，经烧结而得；u是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤

22、维，主要用于增强金属和陶瓷；u优良的高温强度，在1100时强度仍高达2100MPa。n主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；n陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产；n在聚合物中添加不同的填料，构成以填料为分散相、聚合物为连续相的复合材料，可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能等。（二）颗粒增强材料碳黑和白碳黑（Si2C无定形微粉，呈白色，具有类似碳黑的增强作用，故称之）可明显提高橡胶的强度、硬度和弹性模量；石墨、银粉、铜粉等可改善塑料的导电性；Fe2O3磁粉可改善塑料的导磁性；MoS2可提高塑料的自润滑性；空心

23、玻璃微珠可减小塑料的密度并提高其耐热性。n纤维是具有强结合键的物质或硬质材料；n纤维处于基体中，表面受到基体的保护不易损伤，也不易在受载过程中产生裂纹，承载能力增大；n当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。纤维断裂裂纹扩展方向n当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。n 纤维的强度和弹性模量应远高于基体；n 纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂；n 纤维的排列方向要与构件的受力方向一致；n 纤维与基体的热胀系数应匹配；n 纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应；n 纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。u颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分布在基体中，基体承受载荷，而增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动（金属基体）或分子链运动（高聚物基体）。u增强颗粒大小会直接影响增强效果：d过大（0.1m）易引起应力集中而降低强度；d过小（0.01m）则接近于固溶体结构，不起颗粒增强作用。一般颗粒直径为d=0.010.1 m。