复合材料的组成及作用基体

第九章复合材料及加工工艺9.1复合材料的基本特性9.2常用复合材料9.3复合材料的成型工艺9.4复合材料在产品设计中的应用9.1复合材料的基本特性复合材料(Compositematerials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)，通过一定的工艺组合而成的材料。基体材料和增强材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。1什么是复合材料克服单一材料的缺点，产生原来单一材料本身所没有的新性能。复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。复合材料的结构复合材料=基体+增强体硬质颗粒增强体高强纤维纤维编织物金属塑料基体陶瓷在大多数情况下，增强相较基体硬，强度和刚度较基体大。在基体与增强体之间存在着界面。复合材料的组成及作用（基体）连续相（增强体)分散相粘接和固定增强相分配增强体的载荷保护增强体免受环境影响增加强度、改善性能界面相传递作用、阻断作用、诱导效应……＋＋A组成与结构特点（1）具有可设计性（2）组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材料；（3）性能取决于各组分性能及协同效应。B性能特点比强度高抗疲劳性能好耐磨减磨性能高减震能力强高温性能好化学稳定性高成型工艺简单灵活2复合材料的特点复合材料性能不足之处1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。3、制造时产品性能不稳定，分散性大，质检困难。4、抗老化性能不好。5、机械连接困难。6、成本太高。按组成分①金属与金属复合材料②非金属与金属复合材料③非金属与非金属复合材料按结构特点：①纤维复合材料②夹层复合材料③细粒复合材料④混杂复合材料3复合材料分类按基体类型分类①树脂基复合材料②金属基复合材料③陶瓷基复合材料④碳-碳复合材料9.2常用复合材料1纤维增强复合材料基体：强度低、模量低、韧性好增强纤维：强度高、模量高、脆性大增强纤维化学纤维金属纤维陶瓷纤维碳/硼纤维玻璃纤维塑料基体基体金属基体陶瓷基体玻璃纤维增强塑料（FiberReinforcedPlastics），也称树脂基复合材料（ResinMatrixComposite）是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。1）玻璃纤维增强塑料A热塑性玻璃纤维增强塑料构成：热塑性树脂+玻璃纤维性能：强度高、疲劳性能好、冲击韧性高、抗蠕变性好B热固性玻璃纤维增强塑料—玻璃钢构成：热固性树脂+玻璃纤维性能：强度高、质轻、电绝缘、绝热、抗腐蚀、憎水性以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业。2）碳纤维增强复合材料A碳纤维塑料复合材料性能优于玻璃钢B碳纤维金属复合材料强度高、质量轻C碳纤维陶瓷复合材料强度高、质量轻粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。卫星用颗粒增强铝基复合材料零件2粒子增强复合材料陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料。粒子增强SiC陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。硬质合金模具硬质合金轴承刀具是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合3层状复合材料双金属、表面涂层等也是层状复合材料。层状结构材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。有TiN涂层的高尔夫球头铝合金蜂窝夹层板层状复合9.3复合材料的成型工艺复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工业得到迅速发镇，其老的成型工艺日臻完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基复合材料的成型方法已有20多种，并成功地用于工业生产.（1）手糊成型工艺--湿法铺层成型法；（2）喷射成型工艺；（3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）；（4）袋压法（压力袋法）成型；（5）真空袋压成型；（6）热压罐成型技术；（7）液压釜法成型技术；（8）热膨胀模塑法成型技术；（9）夹层结构成型技术；（10）模压料生产工艺；（11）ZMC模压料注射技术；（12）模压成型工艺；（13）层合板生产技术；（14）卷制管成型技术；（15）纤维缠绕制品成型技术；（16）连续制板生产工艺；（17）浇铸成型技术；（18）拉挤成型工艺；（19）连续缠绕制管工艺；（20）编织复合材料制造技术；（21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺；（22）注射成型工艺；（23）挤出成型工艺；（24）离心浇铸制管成型工艺；（25）其它成型技术。9.4复合材料在设计中的应用聚合物基纤维增强复合材料通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。材料种类纵向抗拉强度MPa纵向弹性模量GPa环氧树脂696.9环氧树脂/E级玻璃纤维102045环氧树脂/碳纤维（高弹性）1240145环氧树脂/芳纶纤维（49）138076环氧树脂/硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280聚合物基纤维增强复合材料零件芳纶刹车片高温构件碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。纤维增强陶瓷复合材料陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。ZnO晶须自增韧Si3N4陶瓷玻璃钢增强剂——玻璃纤维（主要是SiO2），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。粘结剂（基体）——热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。性能（与基体相比）——(比)强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。用途——轴承，轴承架，齿轮，车身。碳纤维树脂复合材料增强剂——碳纤维(石墨)，强度和弹性模量高，且2000℃以上保持不变；-180℃不变脆。粘结剂（基体）——环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。性能（与基体相比）——强度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。用途——火箭外壳，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器。硼纤维树脂复合材料增强剂——硼纤维,σb=2750～3140MPa，E=382～392MPa（4倍于玻纤）。基体——环氧树脂等。性能——抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，耐辐射,化学稳定（水,有机溶剂,燃料,润滑剂）,导热性能和导电性能好。用途——航空和宇航材料。硼纤维金属复合材料基体—铝镁及其合金，钛及其合金。性能—如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金，比强度高于钢和钛合金。用途—航空、火箭。