纤维增强复合材料

复合材料Chapter9Composites1Chapter9Composites本章内容1.复合材料概述2.复合材料分类3.复合材料的基体4.复合材料的增强相5.复合材料的复合原理6.复合材料的成型工艺Chapter9Composites2学习目的•掌握复合材料的特点；•了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求；•理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机制和界面作用；•了解复合材料的成型工艺。Chapter9Composites3参考书目•王荣国主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999•闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出版社，1998•鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，2004•ASMInternational,Engineeredmaterialshandbook,Composites,Vol.1,Metals,Park,1987Chapter9Composites49.1复合材料概述•三大材料：–金属–无机非金属–有机高分子•复合材料–取长补短–协同作用–产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料5Chapter9Composites复合材料的定义•国际标准化组织：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•《材料大词典》：复合材料是根据应用进行设计，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。6Chapter9Composites•《材料科学技术百科全书》：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，与一般材料的简单混合有本质区别。7Chapter9Composites•复合材料的特点：•1）复合材料是由两种或两种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的界面；•2）复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最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具备的优良特殊性能；•3）复合材料具有可设计性。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的效能。8Chapter9Composites基体和增强材料MatrixandReinforcement•基体——连续相•增强材料——分散相–也称为增强体、增强剂、增强相等–显著增强材料的性能–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。•在基体和增强体之间存在着界面。9Chapter9CompositesSchematicillustrationofcompositeconstituentsChapter9Composites10复合材料历史•古代－近代－先进复合材料•天然复合材料–竹、贝壳，树木和竹子：纤维素和木质素的复合体–动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成•古代：使用、效仿–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–敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆11Chapter9Composites近现代：•第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料•第二代：1960年到1980年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-491975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。•第三代：1980年到1990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。•第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。12Chapter9Composites9.2复合材料的分类按增强材料形态分类1、纤维增强复合材料：a.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复合材料的边界处；b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3、板状增强体、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。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体13Chapter9CompositesClassesofcomposites14Chapter9Composites纤维增强复合材料种类①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（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；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。混杂复合材料：•两种或两种以上增强体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，即复合材料的“复合材料”。15Chapter9Composites按基体材料分类①聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；②金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；③无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。16Chapter9Composites按材料作用分类①结构复合材料：用于制造受力构件；②功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。•同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）•异质复合材料（复合材料多属此类）。17Chapter9Composites复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶18Chapter9Composites•各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料非常成熟广泛的应用金属基复合材料开发阶段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尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决19Chapter9Composites复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展•仿照竹子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材料。•仿照鲍鱼壳的结构，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10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40％。•仿照骨骼的组织特点，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。20Chapter9Composites9.3复合材料的基体材料复合材料的原材料：•基体材料–金属材料–陶瓷材料–聚合物材料•增强材料–纤维–晶须–颗粒21Chapter9Composites9.3.1金属基体材料9.3.1.1选择基体的原则•目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。•基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能，满足使用要求十分重要。22Chapter9Composites①金属基复合材料的使用要求——金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。•在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。•作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金—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/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。23Chapter9Composites•高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，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、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨丝/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。•在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，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）/铝基复合材料。如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。24Chapter9Composites•工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。选用具有高导热率的银、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、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、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键材料。25Chapter9Composites②金属基复合材料组成特点•连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而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以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。26Chapter9Composites•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，这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。27Chapter9Composites•对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，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。因此要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体。28Chapter9Composites③基体金属与增强物的相容性金属基复合材料需要在高温下成型，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化学反应，在界面形成反应层。界面反应层大多是脆性的，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，导致复合材料整体破坏。29Chapter9Composites——因此，选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。•例如，对增强纤维进行表面处理在金属基体中添加其他成分选择适宜的成型方法缩短材料在高温下的停留时间等。30Chapter9Composites9.3.1.2结构复合材料的基体分为轻金属基体和耐热合金基体①用于450℃以下的轻金属基体–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②用于450~700℃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，可在450～700℃使用，用于航空发动机等零件。③用于1000℃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。31Chapter9Composites9.3.1.3功能用金属基复合材料的基体•要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有高力学性能、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。•单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先