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材料工艺学纤维复合材料与工艺2第六章纤维复合材料与工艺第六章纤维复合材料与工艺•6－1复合材料概述•6－2纤维增强复合材料•6－3其他复合材料•6－4复合材料的成型加工3第六章纤维复合材料与工艺•6－1复合材料概述•6.1.1复合材料的概念•近代科学技术的发展，对材料性能的要求越来越高。有的除要求材料具有高强度、高模量、耐高温、低密度以外，还对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀、电性能提出了种种特殊要求。更特殊的是有些产品要求材料具有多重性能，如导电而绝热，强度比钢好，弹性比橡胶好，又能焊接等。这对单一的金属、工程塑料和工业陶瓷来说是无能为力的。4第六章纤维复合材料与工艺•为了适应原子能，航空、宇航、电子工业、通讯技术以及机械和化工等工业日益发展的要求，目前，材料向两个方面发展：•一是不断地发现新原料，探索制造新材料。•二是利用现有材料，采用一系列技术处理（复合技术），把一些不同性能的材料组合起来，创造出性能优异的“复合材料”。•复合材料是将一种或几种材料用人工的方法均匀地与另一种材料结合而成的一种新型工程材料。•复合材料主要是为了克服单一材料的某些弱点，而采用合成材料的方式，从而充分发挥材料的综合性能，取长补短，达到最好的使用要求。5第六章纤维复合材料与工艺传统复合材料漆器钢筋混凝土新型复合材料金属陶瓷6第六章纤维复合材料与工艺•6.1.2复合材料的分类•复合材料按使用性可分为功能复合材料和结构复合材料两类。•复合材料按基体可分为三大类：即聚合物复合材料、金属复合材料和陶瓷复合材料。•复合材料按照复合形式可分为纤维增强复合材料、层合复合材料和颗粒复合材料三类，发展最快，应用最广的是纤维增强复合材料。7第六章纤维复合材料与工艺•6.1.3复合材料的特点•由于复合材料能集中和发扬组成材料的优点，并能实行最佳结构设计，所以具有许多优越的特性。•l.比强度和比模量高•比强度（δb／γ）和比模量（E／γ）是度量材料承载能力的一个重要指标。•宇航、航空、交通运输工具以及机械工程中高速运转的结构零件需要尽量减轻自重而仍保持高的比强度和比模量。•纤维增强复合材料的比强度、比模量都比较大，例如，碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的7倍，比模量是钢的4倍。据计算，当用复合材料制成与高强度钢具有相等强度和刚度的零件时，其重量可减轻70％左右。8第六章纤维复合材料与工艺2.抗疲劳性能好•疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而形成的低应力破坏。•一般金属材料的疲劳极限达抗拉强度的40％－50%，而碳纤维增强的复合材料则可达70％－80％。•金属材料的疲劳一般是沿拉应力方向由里向外迅速发展而造成突然断裂（裂纹的扩展方向不变），通常事先没有预兆。然而纤维增强复合材料在应力状态下，裂纹扩展方向要改变，裂纹尖端的应力状态也发生变化，在一定程度上阻止了裂纹的扩展。此外，由于纤维对基体的分割作用，使裂纹扩展路程更为曲折，对疲劳强度的提高也有显著的影响，且破坏前有明显预兆。9第六章纤维复合材料与工艺3.减振能力强复合材料构成的自振频率与结构本身形状有关，还与材料的比模量（E／γ）的平方根成正比。复合材料的比模最高，所以它的自振频率很高，在一般加载速度或频率的情况下，不容易发生共振而快速脆断。另外，复合材料是一种非均质多相体系材料，其中有大量界面。界面对振动有反射和吸收作用，一般基体的阻尼也较大，因此在复合材料中振动衰减都很快，例如，用同样尺寸和形状的梁进行试验，金属材料的梁9s才停止振动，而碳纤维复合材料则只要2.5s，可见阻尼之高。10第六章纤维复合材料与工艺•4.破损安全性好•纤维复合材料基体中有大量独立的纤维，平均每平方厘米面积上的纤维少至几千根，多至几万根，当用此类材料制的构件超载并有少量纤维断裂时其载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，所以工作的安全性高。•5.耐热性能好•一般铝合金在400℃时，弹性模量大幅度降低，并接近于零，强度也显著下降，然而碳（或硼）纤维增强的铝在此温度下强度和模量基本不变。•树脂基复合材料的耐热一般都比它相应的塑料有明显的提高。11第六章纤维复合材料与工艺•6.成型工艺简单灵活及材料、结构的可设计性•复合材料可用模具采用一次成型来制造各种构件，从而减少了零件的数目及接头等紧固件，外观更简洁，并可节省原材料及工时。•更为突出的是复合材料可以通过纤维种类和各种不同方向铺设的设计，使增强材料可有效发挥作用，把潜在的性能集中到必要的方向。•通过调整复合材料各组份的成分，结构及分配方式，既能使构件在不同方向承受不同作用力，而且还可制得兼有刚性和韧性、弹性和塑性等矛盾性能的复合材料及多功能制品。12第六章纤维复合材料与工艺•6－2纤维增强复合材料•6.2.1玻璃纤维增强塑料•玻璃纤维增强塑料即玻璃钢，一种重要的工业造型材料，分热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢两种。13第六章纤维复合材料与工艺•l.热塑性玻璃钢•热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料。•制作玻璃纤维的玻璃主要是二氧化硅和其他氧化物的熔体，含Na2O和K2O的量很少（低于1％）。玻璃纤维的比强度和比模量高，耐高温、化学稳定性好，电绝缘性能也较好。•用作粘结材料的热塑性树脂有尼龙、聚碳酸酯、聚烯烃类、聚苯乙烯类、热塑性聚脂等，其中以尼龙的增强效果最为显著。•热塑性玻璃钢同热塑性塑料相比，强度和疲劳性能提高2－3倍以上，冲击韧性提高2－4倍（与脆性塑料比），蠕变抗力提高2－5倍，达到或超过了某些金属的强度。例如，40％玻璃纤维增强尼龙的强度超过了铝合金而接近于镁合金的强度。因此，可以用来取代这些金属。14第六章纤维复合材料与工艺•玻璃纤维增强尼龙的刚度、强度和减磨性好，可代替有色金属制造轴承、轴承架、齿轮等精密机械零件，还常用于一些大型制品，如洗衣机的皮带轮、电器罩壳以及耐热容器等。也应用在制造电工部件和汽车上的仪表盘、前后灯等。•玻璃纤维增强苯乙烯类树脂，广泛应用于汽车内装制品、收音机壳体、磁带录音机底盘、照相机壳、空气调节器叶片等部件。玻璃纤维增强聚丙烯的强度、耐热性和抗蠕变性能好，耐水性优良，可以作转矩变换器、干燥器壳体、电风扇、空调设备、洗衣机、台灯、音箱等制品。•玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料尺寸稳定、热膨胀系数小并耐冲击，主要应用于电器开关、冷却器等。15第六章纤维复合材料与工艺•2.热固性玻璃钢•通常将热固性玻璃钢简称玻璃钢。热固性树脂常用的为酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂和有机硅树脂等四种。酚醛树脂出现最早，环氧树脂性能较好，应用较普遍。•热固性玻璃钢主要有以下特点：•（1）有高的比强度。•（2）具有良好的电绝缘性和绝热性。•（3）对于腐蚀性化学介质都具有稳定性。•（4）根据需要可制成半透明或特别的保护色和辨别色。•（5）能承受超高温的短时作用。•（6）方便制成任意曲面形状、不同厚度和非常复杂的形状。•（7）具有防磁、透过微波等特殊性能。16第六章纤维复合材料与工艺•玻璃钢在产品设计中主要应用于以下几方面：•（1）在宇航和航空方面，我国生产的歼8、轰6等飞机雷达罩也是用玻璃钢制成。如美BV－360型全复合材料机身直升飞机，其中多数为玻璃钢。•（2）在造船方面，1942年美国用玻璃纤增强不饱和聚酯树脂制成了世界上第一艘快艇。玻璃钢还可用于舰艇上层建筑、配件或各种船装件。•（3）在车辆制造方面，玻璃钢可代替钢材制造汽车、机车、客车、拖拉机车身，以及其他配件。如车顶、车门、窗框、发动机罩、通风窗、仪表盘。挡泥板、电瓶箱、油箱等17第六章纤维复合材料与工艺•（4）在电机电器方面，用玻璃钢可以制造重型发电机的护环，要求刚性好、耐热性好的电热器、电风扇、空调设备、洗衣机、音箱等制品。•（5）在石油、化工方面，代替不锈钢、铜、铝等金属。玻璃钢还可广泛用于各种贮罐、容器、管道、运输槽车、洗涤器、排气烟道、冷却塔、酸洗槽、风机叶片等。•（6）在其他方面，玻璃钢在工业造型方面的应用也非常广泛。•玻璃钢在医学上可用于制造假肢，体育上可制造撑杆跳高的撑杆，音乐上可用于制造风琴外壳、定音鼓，美术上可用于雕塑、壁画、工艺品，家庭生活用品上可用于制造家具、门窗、卫生间成套设备以及收录机、电视机、洗衣机的壳体、电风扇、空调设备等。18巴加(Baja)轻巧型汽车车底盘和顶部结构由玻璃纤维、乙烯树脂、balsa(美洲热带一种轻质木材)的中心部分制成19陆地运输工具（主要为汽车）：31.86％建筑市场：20.81％化工防腐制品：11.59％船舶游艇：10.05％电气电子：10.03％消费品（包括休闲运动）：6.26％家电/办公设备：5.50％航空航天：0.06％其它：3.20％玻璃钢/复合材料的应用模式世界三个主要玻璃钢/复合材料生产地区的复合材料应用模式不尽相同。以美国1999年的玻璃钢/复合材料市场为例，这一年美国共生产1703522吨玻璃钢复合材料（包括热固性及热塑性玻璃钢），它在各个市场的应用比例如下:20欧洲玻璃钢/复合材料市场情况如下：交通运输（汽车、火车）：33％建筑与公共设施：31％工农业设备（包括防腐等）：14％消费品（体育、休闲）：10％电子、电气：8％其它：4％21亚太地区（不包括中国），复合材料各市场比例如下：电子/电力：32％建筑与公共设施：30％交通运输：17％体育林闲设施：11％工农业设备：8％其它：2％22第六章纤维复合材料与工艺•6.2.2碳纤维复合材料•碳纤维复合料材料是60年代迅速发展起来的。碳纤维是一种强度比钢大、比重比铝小的新颖材料，与玻璃纤维相比，碳纤维具有高强度、高模量的特点。碳纤维是比较理想的增强材料，可用来增强塑料、金属和陶瓷。23第六章纤维复合材料与工艺•l.碳纤维树脂复合材料•作基体的树脂目前应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氯乙烯。这类复合材料的比重比铝轻。强度比钢高、弹性模比铝合金和钢大，疲劳强度高，冲击韧性好，同时耐水和湿气，化学稳定性高，摩擦系数小，导热性好，受X线辐射时强度和模量不变化等。•可以用作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体、天线构架，作各种机器中的齿轮、轴承等受载磨损零件，活塞、密封圈等受磨擦件。也用作化工零件和容器等。•这类材料的主要问题是，碳纤维与树脂的粘结力不够大，各向异性强度较高，耐高温性能差等。24第六章纤维复合材料与工艺•相机碳纤维前面罩：采用碳纤维编织布成型。25第六章纤维复合材料与工艺•三幅条式空心碳纤维轮毂：用于自行车或轮椅的后轮。重量轻，强度高，韧性好，耐腐蚀，寿命长。26第六章纤维复合材料与工艺•2.碳纤维金属复合材料•碳不易被金属润湿，在高温下容易生成金属碳化物，所以这种材料的制作比较困难。现在主要用于熔点较低的金属或合金。•在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维铝基复合材料。这种材料直到接近于金属熔点时，仍有很好的强度和弹性模量。用碳纤维和铝锡合金制成的复合材料，是一种减摩性能比铝锡合金更优越，强度很高的高级轴承材料。27第六章纤维复合材料与工艺碳纤维引擎盖：A级表面精度，重量轻。28第六章纤维复合材料与工艺•汽车防撞梁：重量轻，强度高，韧性好。29第六章纤维复合材料与工艺•3.碳纤维陶瓷复合材料•我国研制一种碳纤维石英玻璃复合材料。同石英玻璃相比，它的抗弯强度提高了约12倍，冲击韧性提高约40倍，热稳定性也非常好，它克服了玻璃最大的缺点：脆性，从而变成了比某些金属还坚固的不碎玻璃，是有前途的新型陶瓷材料。如果在普通玻璃中混以60％的碳纤维细粉，强度也要提高许多倍。30第六章纤维复合材料与工艺•6.2.3其他纤维复合材料•1.硼纤维复合材料•硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。硼纤维的抗拉强度与玻璃纤维差不多，但弹性模量为玻璃纤维的5倍。基体主要为环氧树脂、聚酰亚胺树脂。•特点是，抗压强度（为碳纤维树脂复合材料的2－2.5倍）和抗剪强度很高，蠕变小，硬度和弹性模量高，有很高的疲劳强度，耐辐射，对水、有机溶剂和燃料、润滑剂都很稳定。31第六章纤维复合材料与工艺•由于硼纤维是半导体，所以它的复合材料