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第四章复合材料加工原理4.1复合材料的种类及特点复合材料是由基体（金属、陶瓷、聚合物）与嵌入的增强体（长纤维、短纤维、晶须、颗粒）经复合而形成的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。复合材料的分类1.按基体材料分为碳/碳复合材料树脂基复合材料（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）金属基复合材料陶瓷基复合材料（包括玻璃、水泥）2.按增强相的尺寸分为连续纤维增强复合材料（玻璃纤维；碳纤维；有机纤维如芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维；金属纤维如钨丝、不锈钢丝等；陶瓷纤维如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等。）短纤维或晶须增强复合材料颗粒增强复合材料编织复合材料复合材料的分类3.按功能分为结构复合材料功能复合材料Chapter10山东大学材料学院李丽编写5由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。功能复合材料一般由功能体和基体组元构成。基体起连接功能体构成整体的作用以及协同和增强功能的作用。未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料、和发展多功能、机敏、天然复合材料等领域。功能复合材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。Chapter10山东大学材料学院李丽编写7FigureScanningelectronmicrographofthefracturesurfaceofasilver-copperalloyreinforcedwithcarbonfibers.Poorbondingcausesmuchofthefracturesurfacetofollowtheinterfacebetweenthemetalmatrixandthecarbontows(3000).(FromMetalsHandbook,AmericanSocietyforMetals,Vol.9,9thEd.,1985.)Chapter10山东大学材料学院李丽编写8GF/CF不同的纤维种类Chapter10山东大学材料学院李丽编写9CompositematerialsconfigurationsMaterials:Glass/carbon/aramidfibreswiththermoset/thermoplasticresinsArchitecture:Unidirectionaltapes,woven,braided,choppedstrandmat,pultruded,filamentwound,RTM,injectionmoulded/山东大学材料学院李丽编写10Chapter10山东大学材料学院李丽编写11Chapter10山东大学材料学院李丽编写122500目CaCO3粒子/PPChapter10山东大学材料学院李丽编写13增强体的性能增强体的特点是高强度、高模量。增强体直径较小，含有缺陷的机率少，所以保持了高强度、高模量的特性。用于航天、航天结构的复合材料的增强体密度一般都低。复合材料的特点1.复合材料的共同特点（1）密度低，比强度高、比模量高、膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨、抗疲劳、抗蠕变、抗冲击、高阻尼；（2）综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种功能；（3）可以根据材料性能要求对材料进行设计；（4）可形成任意形状的制品，实现近终形加工。复合材料的特点2.复合材料的优越性（1）高比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量/密度）（2）热膨胀系数低（3）抗蠕变性好（4）抗疲劳性好（5）减振性能好（6）材料性能的可设计性碳/碳复合材料碳/碳复合材料是以碳纤维、石墨纤维或它们的织物为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料。碳/碳复合材料的分类：碳纤维增强石墨；石墨纤维增强碳；石墨纤维增强石墨碳/碳复合材料碳/碳复合材料的性能特点：（1）耐高温：石墨熔点3652-3697℃。（2）脆性大：延伸率仅有0.12%-0.24%。（3）热导率高。（4）热膨胀系数小：约为金属的1/5-1/6。（5）比热容高：单位质量物质温度升高1℃吸收的热量叫做这种物质的比热容。（6）高比强度、高比模量。（7）抗震性好。（8）耐磨性好。（9）耐烧蚀性好。碳/碳复合材料碳/碳复合材料的应用：1.在航空航天及军事领域的应用碳复合材料具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、高热导率、低热膨胀以及对热冲进击不敏感，航空航天及军事领域主要用做烧蚀材料和热结构材料。如，可用做导弹头部进入大气层烧蚀的防热结构材料，以及载人宇宙飞船或航天飞机的防热材料。烧蚀是指导弹和飞行器进入大气层在热流作用下，由热化学和机械过程引起的固体表面的质量迁移(材料消耗)现象。在现有的材料中，碳/碳复合材料是最好的抗烧蚀材料。此外，在航天工业用于导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭发动机的高温喷管、航天飞机的鼻锥帽和机冀前缘。利用其耐磨性可做飞机、汽车、赛车的刹车片。碳/碳复合材料碳/碳复合材料的应用：2.在民用工业中的应用在民用工业中可用于高温密封材料、高温轴承、涡轮叶片、喷气发动机的高温出口等。3、生物医学上的应用利用碳/碳复合材料的生物相容性好、耐磨、耐疲劳等特性，可用于人工膝关节、髋关节。聚合物复合材料聚合物复合材料是以连续纤维为增强体，与有机聚合物复合而成的材料。基体材料分为：热固性塑料：包括不饱和聚酯树脂；环氧树脂；酚醛树脂热塑性塑料：包括聚丙烯、聚甲醛、聚碳酸脂等。增强材料：包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维等。聚合物复合材料应用最广的为玻璃纤维增强塑料GRP（GlassReforcedPlastics），又称玻璃钢。玻璃钢的硬度高，比钢材轻得多。喷气式飞机上用它作油箱和管道，可减轻飞机的重量。登上月球的宇航员们，他们身上背着的微型氧气瓶，也是用玻璃钢制成的。玻璃钢加工容易，不锈不烂，不需油漆。我国已广泛采用玻璃钢制造各种小型汽艇、救生艇、游艇，以及汽车制造业等，节约了不少钢材。此外，卫生洁具、安全帽、玻璃钢瓦等。聚合物复合材料聚合物复合材料聚合物复合材料的特点：（1）高比强度和比刚度：比钢和铝合金高出几倍以上。如纤维增强热塑性塑料：与钢相比，比重仅为钢的1/5，比强度为钢的8倍，比模量为3.6倍，疲劳强度为2.7倍，抗拉强度为1.4倍。（2）耐腐蚀性优异。全世界每年腐蚀金属约1.2亿吨，我国金属腐蚀损失每年约600亿以上。聚合物复合材料因根本不发生金属的电化学腐蚀，可取代昂贵的不锈钢。聚合物复合材料聚合物复合材料的特点：（3）采用热固性塑料为基体，工作温度较低，可在-40-130℃范围内长期工作；采用热塑性塑料为基体，可在200-259℃范围内长期工作，短时温度可达350-409℃。（4）减震性能好：聚合物复合材料的自振频率为钢的1.9倍。振动阻尼高，同尺寸梁实验：聚合物复合材料梁2.5min停止振动，钢梁需9min。（5）抗疲劳性能好（6）材料性能的可设计性；纤维增强材料的数量与方向可根据受力情况调变；以最大程度提高结构抗力。聚合物复合材料聚合物复合材料的应用：广泛应用于航空航天、海洋、汽车、化工、建筑、体育器材等领域。如：飞机主货舱门、机翼前缘、压力容器、飞机引擎罩、汽车壳体、化工管道、滑雪板等。图片例：美国航天飞机采用了各种先进复合材料：发动机壳体硼纤维/环氧聚合物基复合材料压力容器硼纤维/聚酰亚胺后部机体碳纤维/聚酰亚胺机体中央部分硼纤维/铝金属基复合材料机头及主翼前缘碳/碳复合材料金属基复合材料金属基复合材料是以金属为基体，用各种金属、金属间化合物或非金属的纤维、晶须或颗粒为增强体复合而成的材料。基体材料：任何具有工程应用价值的金属和合金，常见的是有色金属材料，包括：钛合金、铜合金、镁合金、锌合金、铝合金等。增强材料：（1）碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维、合金的晶须等具有超高比强度和比模量的材料；（2）SiC、Al2O3、TiC、TiB、ZrO2等具有高硬度的颗粒；（3）滑石、石墨等具有润滑性能的软质颗粒。金属基复合材料金属基复合材料的特点：（1）高强度（2）高模量（3）冲击韧性好（纤维强化）（4）耐磨性好（颗粒强化）（5）高温性能好金属基复合材料金属基复合材料的分类：（1）根据基体材料分为：钛基、铜基、镁基、锌基、铝基、镍基复合材料铝基、镁基复合材料质量轻、比强度、比模量高，主要用于航天与航空领域的飞机、卫星、火箭等壳体和内部结构等结构材料；铜基、铝基具有高导热、低热膨胀特性，用于电子集成电路的散热元件和基板等功能材料；钛基、镍基具有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温性能，可用作航空航天发动机中的叶片等高温材料；锌基用于模具材料。金属基复合材料金属基复合材料的分类：（2）根据增强体的尺寸分为：纤维增强复合材料；颗粒增强复合材料（3）根据颗粒增强相的加入方式分：外加颗粒增强复合材料;原位自生颗粒增强复合材料金属基复合材料金属基复合材料的应用：陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是在陶瓷中加入连续纤维或离散颗粒制成的材料。陶瓷材料,如氮化物、碳化物、硅化物、氧化物具有很高的熔点、硬度、耐磨性、耐蚀性等性能，因此，陶瓷材料具有优异的性能。但陶瓷材料脆性大，易发生灾难性破坏。提高其韧性对于扩大陶瓷材料的应用范围至关重要。制备陶瓷基复合材料是提高陶瓷韧性的重要方法。常用的陶瓷基体材料有SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2等；常用的增强材料有长、短纤维（碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、玻璃纤维等）、晶须（SiC、Si3N4、Al2O3晶须）和颗粒（SiC、Si3N4等）。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的应用：刀具、航空航天飞行器构件（如导弹头锥、火箭喷管）、发动机构件、涡轮增压器、内燃机部件。如，热机的循环压力和循环气体的温度越高，其热效率也就越高。现在普遍使用的燃气轮机高温部件还是镍基合金或钴基合金，它可使汽轮机的进口温度高达1400C，但这些合金的耐高温极限受到了其熔点的限制，因此，采用陶瓷材料取代替高温合金已成了目前研究的一个重点。