工程材料-过控-13-复合材料.ppt

,工程材料,海洋科学与技术学院 贾 非,Dalian University of Technology,第13章 复合材料,13:51,主 要 内 容,复合增强理论及增强体材料 复合增强理论简介 增强体材料 复合材料的性能特点 常用复合材料 树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料,13:51,复合材料,复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。,复合材料船体,复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。 基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固,结成一体，并起 传递应力的作用。 增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。,纤维增强高分子复合材料,复合材料可以是一个连续相与一个分散相的复合，也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合。 复合后的产物为固体。 产物为液体或气体时，不能称为复合材料。,构成特性,复合材料与传统材料相比，两个主要特点是性能可设计性和材料与构件成型的一致性。 复合材料所期望的复合效果是原材料（组分材料）的性能互补，并产生叠加效果，具备一些原材料所不具备的优异的物化性能。,复合材料的特点,材料设计是指在材料科学的理论知识和已有经验的基础上，按预定性能要求，确定材料的组分和结构，预测达到性能要求应选择的工艺手段和工艺方法。 通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能，是材料性能的可设计性。 复合材料设计：选材、制备工艺、工艺参数控制。,复合材料的性能可设计性,复合材料与复合材料构件是同时成型，在把增强材料掺入基体形成复合材料的同时，形成复合材料构件，称为复合材料与构件制造的一致性。 一次成型：根据构件形状设计模具，使基体材料与增强材料组合、固化后获得复合材料构件。 后加工：构件的连接（螺接、铆接、焊接、粘结等）、机械切削加工及坯件的进一步塑性变形（金属基复合材料的挤压、轧制和滚压）。 净成型：一次成型后，复合材料构件可供直接使用的成型方法。,材料与构件制造的一致性,复合材料的分类 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。 3、按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。,结构复合材料按不同基体分类 -基体材料的种类,结构复合材料按不同增强体形式分类 -增强相的形态,增强相材料形态分类,复合材料系统组合,强调基体时，以基体材料的名称为主。 树脂基、金属基、陶瓷基复合材料等。 强调增强体时，以增强材料的名称为主。 玻璃纤维、碳纤维、陶瓷颗粒增强复合材料。,复合材料的命名,基体材料名称与增强体材料名称并用，表示一种具体的复合材料。 玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，简称玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧。 英文编号，头字母缩写。 MMC (Metal Matrix Composite), FRP (Fiber Reinforced Plastics), GF/Epoxy, G/Ep).,复合材料的特点 1、比强度和比模量高 其中纤维增强复合材料的最高。 2、抗疲劳性能好 碳纤维增强材料-1可达b的7080%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。 3、减振性能良好 复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。 4、高温性能好。,粒子与层状增强复合材料,粒子增强复合材料 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,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(合成木材)等。 陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。,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。,层状复合材料 层状复合材料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。,双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。,纤维增强复合材料,纤维增强复合材料是指以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。 纤维增强复合原则,在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。,碳纤维,1、弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则,当外力垂直于纤维轴向时，则,2、纤维的临界长径比,3、纤维最小体积分数,纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向有关。 纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。,纤维在基体中的不同分布方式,纤维的种类和性能 1、玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。 2、碳纤维：化学性能与碳相似。 3、硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。 4、金属纤维：成丝容易、弹性模量高。 5、陶瓷纤维：用于高温、高强复合材料。,6、芳香族聚酰胺纤维: 强度、弹性模量高，耐热。 7、聚乙烯纤维: 韧性极好，密度非常小 。 8、晶须：是直径小于30m，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形, 是一种高强度材料。 分为金属晶须和陶瓷晶须。金属中, Fe晶须已投入生产。工业生产的陶瓷晶须主要是SiC晶须。,SiC晶须,纤维增强体的强度和模量,典型纤维增强体的性能,聚合物基纤维增强复合材料 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。,纤维增强聚合物基 复合材料零件,在航空中的应用,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。,MMC的SEM照片,MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。,航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁架,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。,1. 比强度、比模量大 玻璃纤维复合材料有较高的比强度和比模量，碳纤维、硼纤维、有机纤维增强的聚合物复合材料的比强度相当于钛合金的35倍，比模量相当于金属的4倍。 2. 耐疲劳性能好 聚合物复合材料纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，疲劳破坏从纤维的薄弱环节开始，扩展到结合面上，破坏前有明显的前兆。碳纤维/聚酯复合材料的疲劳极限可为抗拉强度的70%80%。 3. 减震性能好 比模量高，具有高的自振频率，纤维和界面具有吸震能力，振动阻尼高。,4. 过载时安全性好 纤维复合材料过载、少数纤维断裂时，载荷重新分配到未破坏纤维上。 5. 减摩、耐磨、自润滑性好 热塑性塑料中掺入少量短纤维，提高耐磨性。碳纤维增强塑料摩擦系数降低，具有良好的自润滑性能。 6. 绝缘性好 玻璃钢是一种优良的电气绝缘材料，用于制造仪表、电机与电器的绝缘零件，且不受电磁作用。 7. 有很好的加工工艺性 采用手糊成型、模压成型、缠绕成型、注射成型和拉挤成型等制成各种形状产品。,1. 高比强度、高比模量 金属基体中加入适量的纤维、晶须、颗粒等增强体，明显提高材料的比强度、比模量。 2. 导热、导电性能 金属基复合材料中金属基体占60%以上，保持金属良好导热和导电性。 3. 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等具有很小的热膨胀系数，有很高的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。 4. 良好的高温性能 具有比金属基体更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料。,5. 耐磨性好 陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料不仅提高材料的强度和模量，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。 6. 良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强体与金属基体的界面结合状态，增强体在金属基体中的分布以及金属、增强体本身的特性。 7. 不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比，金属基复合材料性质稳定、组织致密，不老化、分解、吸潮，也不发生性能的自然退化。,1. 陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度小。 2. 陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。 3. 用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，高温强度和韧性大幅度提高。 4. 陶瓷基复合材料的制备工艺复杂、缺少耐高温的纤维，与其它复合材料相比发展较缓慢。,飞机用复合材料重量比的变化,CFRP在飞机上最初应用的实例（F-15战机的减速板）,日本F-2战机的主机翼,复合材料的应用,飞机用复合材料重量比的变化,B-787上复合材料应用的部位,X-35战斗机上应用的复合材料,火箭上应用的三明治型大型构件,复合材料的应用,人造卫星上的CFRP太阳电池基板,喷气发动机推重比及涡轮入口温度的变化,喷气发动机用结构材料重量的变化,MMC的高温强度特性,MMC叶片及活塞,复合材料舰船 复合材料上层建筑 复合材料桅杆 复合材料推进器 机械装置、舵、装备、管道系统,此刻的结点，是更多交集延续的开始。 实验：12学时，6个实验，15-17周，统计上课时间。 考试：13-14周，期望时间，晚上？周末？ 复习：课程结束发习题（电子版），重点？ 辅导：个别问题随时欢迎，有需要可安排习题课。 成绩：平时成绩（出席+作业），结课考试，实验课 课程特点：内容广，知识点杂，概念多，学时少。 教学目标：满足相关工作、研究及