复合材料概论教案.doc

中原工学院教案专用纸 第 1 页授课题目：第一章 总论教学目的与要求：熟悉复合材料的概念，了解材料的分类，掌握不同复合材料的性能比较以及复合材料结构设计的基础。教学重点及难点：重点：不同复合材料的性能比较。难点：复合材料结构设计的基础。教学基本内容：1. 复合材料的发展概况2. 复合材料的命名和分类3. 复合材料的基本性能4. 复合材料的设计教学方法及手段：用多媒体课件演示教学内容，使学生有一个具体、清晰的认知。小结： 了解复合材料是独立于其他三大固体材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料）的第四种材料。1.1复合材料（composite material）的发展概况信息、生命和材料是新技术革命的三大分支。材料学分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料三大基本类型尖端科学的迅速发展，对材料性能提出了越来 越高的要求，传统的单一材料已不能满足实际需要，复合材料可以结合不同单一类型材料的性能优点从而达到新的使用性能，对复合材料的需求越来越大，相应的研究也越来越多。1.1.1复合材料的概念复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组成的一种多相固体材料。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体; 另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态存在于连续相中，两相之间存在相界面，分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒或弥散的填料。1.1.2复合材料的意义复合材料中各组分之间取长补短的协同作用，极大地弥补了单一材料的缺点，产生了组成它的单一相所不具有的新性能。复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种单一材料的优点，按需要设计、复合成为综合性能优异的新型材料。未来一方面新的单一材料不断涌现，另一方面，各种复合材料将会越来越多，以满足不断发展的社会需要。1.1.3复合材料的发展历史常用复合材料先进复合材料：低性能树脂基复合材料高性能树脂基复合材料金属基和陶瓷基复合材料1940年代：玻璃纤维复合材料出现，1960年代，纤维复合材料技术趋于成熟，取代了很多金属材料1970年代，耐热纤维与金属、特别是轻金属的复合：金属基复合材料1980年代，陶瓷基复合材料金属间化合物与合金的差别。1.2复合材料的命名和分类1.2.1 命名根据增强材料和基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面，基体本材料的名称放在后面中，再加上“复合材料”如：玻璃纤维环氧树脂复合材料也可以在两者之间加隔线：碳/金属复合材料1.2.2 分类1）按增强材料形态分类（1）连续纤维复合材料（2）短纤维复合材料：（3）粒状填料复合材料：（4）编织复合材料；中原工学院教案专用纸 第2 页2）按增强纤维种类分类（1）玻璃纤维复合材料（2）碳纤维复合材料：（3）有机纤维复合材料：（4）金属纤维复合材料（5）陶瓷纤维复合材料混杂复合材料：用两种或两种以上的纤维增强同一基体制成的复合材料（Hybrid composite materials）3) 按基体材料分类（1）聚合物基复合材料（2）金属基复合材料（3）无机非金属基复合材料4）按材料作用分类（1）结构复合材料（2）功能复合材料还有同质和异质复合材料：增强与基体材料属于同一种物质的为同质，复合材料大多为异质。1.3 复合材料的基本性能复合材料的共同特点是：（1） 可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能玻璃纤维增强环氧基复合材料：钢材的强度，塑料的绝缘性和耐腐蚀性（2） 可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。（3） 可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序其中性能的可设计性是复合材料最大的优点。1.3.1聚合物基复合材料的主要性能1）比强度、比模量大（见表1.1）：因比重小2）耐疲劳性能好：内部相界面可阻止裂纹扩展3）减震性好：因比模量大，自振频率高，内相界面吸波，使振动阻尼高4）过载安全性好5）具有多种功能性（P4）6)有很好的加工工艺性1.3.2 金属基复合材料的主要性能1）高比强度，高比模量构件重量轻、刚性好、强度高，是航天、航空领域理想的结构材料。2）导热导电性能好3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好：因加入了低或负热膨胀系数纤维以抵消金属的热膨胀性。碳，硼纤维等的低热膨性。4）良好的高温性能：添加的纤维或陶瓷粒是耐温很好的材料。整体与高分子比高温性能好得多。5）耐磨性好6）良好的疲劳性能和断裂韧性7）不吸潮、不老化、气密性好中原工学院教案专用纸 第3 页1.3.3 陶瓷基复合材料的主要性能强度高，硬度大，耐高温、抗氧化、 高温下抗磨性好、耐化学腐蚀性能优良，热膨胀系数和相对密度都较小。用高强度，高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大大提高。1.3.4 水泥基复合材料的主要性能高压缩强度、耐热性好，但抗拉伸强度低1.3.5不同复合材料的性能比较在使用温度和材料硬度方面，三类复合材料有着明显的区别是：树脂基：60-250，金属基：400-600，陶瓷基：1000-1500，硬度也依次递增，耐老化性亦然。导热性顺序则是：金属基（50-65W/(mK)）陶瓷基（0.7-3.5W/(mK)）树脂基（0.35-0.45W/(mK)）耐化学腐蚀性：陶瓷基树脂基金属基制造工艺复杂性：陶瓷基金属基树脂基1.4 复合材料的结构设计基础1.4.1复合材料的结构对于纤维增强的复合结构，从固体力学角度，其结构分为三个结构层次：一次结构：基体和增强材料组成的单层结构；二次结构：由单层结构层合而成的层合体，其力学性能决定于单层体材料的力学性能和铺层几何三次结构：指工程结构或产品结构将单层材料作为结构来分析，必须研究材料的多相性其各相材料的相互关系。这种研究方法叫微观力学方法，以预示材料的宏观力学性能。它解释机理，发掘材料本质。宏观力学方法：假定单层材料是均匀的，将各相材料的表现当作复合材料的平均表现性来考虑，相应的材料参数称为表观参数。1.4.2复合材料的设计复合材料的设计分为三个层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计。材料设计和结构设计必须同时进行。复合材料的结构设计是以复合材料的结构分析理论和力学分析理论为基础，三者有机统一，不可分割。中原工学院教案专用纸 第4 页第二章 复合材料的基体材料2.1 金属材料1）航空、航天、电子、汽车及先进武器系统的迅速发展，对金属基复合材料提出了要求如航天技术对轻质高强结构材料的要求非常强烈。大规模集成电路对电子封装材料要求低热膨胀而高热传导。单一的金属、陶瓷及高分子材料都难以满足相关要求。高强度、高模量的硼、碳纤维增强铝基、镁基复合材料，既保留了铝、镁合金的轻质、导热、导电性，又充分发挥了增强纤维的高强度、高模量，获得高比强度、高比模量、导热、导电、热膨胀系数小的金属基复合材料。2）金属基复合材料中基体的成分多大于增强材料，故基体的选择对复合材料的性能有决定性的作用。金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、耐热性、抗腐蚀性等均影响复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能2.1.1 基体的选择原则1）金属基复合材料的使用要求（1）航空航天材料要求轻质高强，尺寸稳定。故而选取轻质的镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成复合材料，可用于航天飞行器和卫星的构件。（2）高性能发动机则要求在高温下保持化学稳定及好的力学性能，常选择碳化硅/钛、钨丝镍基超合金复合材料用于喷气发动机的叶片转轴等重要部件。（3）汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热，而且要成本低廉，故选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维复合（4）集成电路封装材料要求高散热、低膨胀的金属基复合材料，则选高散热的银铜铝为基体，选低膨胀高强度的石墨纤维、金刚石纤维等作为增强材料经综合二者的性能。2）金属基复合材料组成特点由于增强物的性质及增强机理的不同，在基体的选择原则上有很大差别。对连续纤维增强的复合材料，纤维本身有很大的强度，是力的承载体，而金属基的强度远低于纤维，故而要求与纤维有很好的相容性的基体，这时选取强度大的金属基体得到的复合材料强度可能反而不行。如碳纤维增强铝基复合材料就是实例。对于非连续增强（颗粒、晶须和短纤维等）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的强度具有决定性的影响。所以要获得高强复合材料就得选取高强的基体。如颗粒增强铝基复合材料。3）基体金属与增强物的相容性高温复合时界面层的问题。基体中合金元素与增强物的浸润性问题。关键：选择基体时要充分注意与增强物的相容性，尽量抑制界面反应，如对增强物进行表面处理，或在基体中加入某些其它组分，还可选择适当的成型方法缩短材料在高温下的停留时间。2.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料-高比强度，高比刚度，高的结构效率，故选取镁、铝等轻合金作基体金属。铝、镁复合材料使用温度450钛合金复合材料-650镍钴基合金复合材料-1200中原工学院教案专用纸 第5 页用于450以下的轻金属基体铝基和镁基复合材料：广泛用于航天器、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，已形成工业规模生产。用于450-700的复合材料的金属基体-钛合金。钛合金相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高，在航空发动机上使用。与高性能碳化硅纤维，碳硼化钛等增强合金，可获得更高的高温性能。用于1000以上的高温复合材料的金属基体镍基、钛基高温合金材料及金属间化合物用钨丝，钍钨丝增强基合金可以大幅度提高了基高温性能-高温持久性能和高温蠕变性能2.1.3 功能用金属基复合材料的基体电子封装材料举例。还有电池极板材料，高温摩擦材料。2.2 无机胶凝材料2.2.1 概述无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。无机胶凝材料作为基体的复合材料中，研究最多的是纤维增强水泥基复合材料2.2.2 水泥基体材料与相应的树脂基复合材料相比纤维增强水泥基复合材料有下列特点：（1） 水泥基体为多孔体系，孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，也影响纤维与基体的界面粘结。（2） 纤维与水泥的弹性模量比不大，应力传递不好。（3） 水泥基材的断裂延伸率较低，在纤维未拨出断裂前，水泥基材即行开裂。（4） 由于水泥与纤维呈点接触，故纤维与水泥的结合性有限，纤维的掺入量不能太大。（5） 水泥基材呈碱性，对金属纤维起保护作用，但对大多数矿物纤维则有腐蚀作用。2.2.3氯氧镁水泥也称镁水泥，至今有120年的历史。它是MgO-MgCl2-H2O三元体系。氯氧镁复合材料从轻型屋面材料到复合地板，玻璃瓦、浴缸和风管等多种制品。菱镁矿MgCO3于800-850煅烧得到菱苦土（MgO）是主要的成分。相应的增强材料为玻璃纤维、石棉纤维和本质纤维等。2.3 陶瓷材料1)陶瓷的性质:比金属更高的硬度和熔点，化学性质稳定，耐热性和抗老化性好，通常为绝缘体。最大的弱点是脆性强，可加工性差。2）加入纤维和晶须增强，能提高陶瓷的韧性。3）作为基体使用的陶瓷应有耐高温性，和纤维或晶须之间有良好的界面相容性及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体有玻璃，玻璃陶瓷，氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。2.3.1 玻璃玻璃为非晶质结构。玻璃化温度Tg软化温度Tf2.3.2 玻璃陶瓷即微晶玻璃。具有热膨胀系数小，力学性能好和导热性好的特点。中原工学院教案专用纸 第6 页2.3.3 氧化物陶瓷主要有Al2O3, MgO, SiO2, ZrO2等。2.3.4 非氧化物陶瓷氮化物，硼化物，碳化物，硅化物等：耐热，耐磨，硬度高，但脆性也大。2.4 聚合物材料2.4.1 聚合物基体的种类、组分和作用1）聚合物基体的种类常用的有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂，酚醛树脂及各种热塑性聚合物聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂的80%以上。因其工艺性良好，室温下固化，常压下成型，即制备工艺简单，而制得的复合材料综合性能好，成本低。缺点是固化时收缩大，耐热性差。力学性能不如醛酸和环氧树脂。碳纤维增强环氧树脂是力学性能很好的结构材料。酚醛树脂的延伸率低，脆性大。还有热塑性工程树脂。热塑性材料除了用玻璃纤维复合外，也开始用于碳纤维复合材料2）聚合物基体的组分除树脂外，通常还有辅助材料：固化剂、增韧剂，稀释剂、催化剂等。3) 聚合物基体的作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响（P21）。2.4.2 聚合物的结构与性能1）聚合物的结构特点（1）聚合物的分子都很大（103-105数量级的分子量），每个结构单元是一个分子，各个结构单元相同时叫均聚物，不同时叫共聚物，分子的结构可以是线型的，支链的或网状的。（2）端基的反应性对聚合物的性能影响很重要，聚合物间很小程度的交联，对其物理、力学性能的影响也很大。（3）聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切的关系。聚合物分子的链结构，包括单个聚合物分子的化学结构和立体化学结构，包括重复单元的本性、端基的本性、可能的支化与结构顺序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形态等。聚合物分子聚集态结构包括聚合物材料本体内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向结构和织态结构等。2）聚合的性能（1）聚合物的力学性能要同时考虑：时间、温度、环境、载荷等因素才能反映材料的性能指标。决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力，聚合物材料的破坏，无非是化学键或分子链间相互作用力的破坏，所以可以从分子间力及化学键的强度可以估算聚合物材料的论强度。一般而言，复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高。热固性树脂是体形网状结构，而热塑性树脂是线型结构。热塑性树脂性能上的特点：A具有明显的力学松驰现象，B在外力作用下，形变较大。C抗冲击性能好。基体的粘度和模量是支配基体传递应力性能的两个最重要的因素。足够的粘结力和模量使复合材料中的纤维表现为一个整体，从而使强度比较高。中原工学院教案专用纸 第 7 页（2）聚合物的耐热性能聚合物的结构与耐热性：聚合物的分子键强度结晶性和交联结构影响热性能。提高交联度，增加双三键能提高键能，刚性和耐热性提高聚合物的热稳定性的途径：A提高分子量，避免弱键存在C-H键被C-F键取代可大大提高聚合物的热稳定性B引入芳环和杂环（3）聚合物的耐腐蚀性（4）聚合物的介电性能极性越强，介电常数就越大，电阻率也越小，更易击穿，损耗角越大。2.4.3热固性树脂主要有不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂。2.4.3.1不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂概念：具有重复酯键和双键的一类聚合物不饱和聚酯树脂特点 优点：A工艺性能良好，如室温下粘度低，可以室温固化，在常压下成型，颜色浅，可制成各种颜色，有多种措施来调节其工艺性能; B固化后树脂综合性能良好，并有多种专用树脂适应不同用途的需要；C价格低廉，缺点：固化时体积收缩率较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形。交联剂、引发剂和促进剂交联剂引发剂:多为过氧化物，引发交联反应促进剂：把引发剂的分解温度降到室温以下。4）不饱和聚酯树脂的固化特点胶凝硬化完全固化5）增粘剂：碱土金属氧化物和氢氧化物可使不饱和聚酯树脂很快稠化，形成凝胶状物，这种使不饱和聚酯树脂粘度增加的物质叫增粘剂。2.4.3.2 环氧树脂1）概念：凡是含有两个以上环氧基的高聚物统称为环氧树脂。2）特点：品种多，用途广泛，可做涂料，粘结剂和各种软硬塑料3）环氧树脂的固化剂：凡能与环氧树脂中的环氧基发生反应使其从线型分子变成体型网状结构分子的物质统称为固化剂。2.4.3.3酚醛树脂酚醛树脂系酚醛缩合物，主要用作胶粘剂、涂料及布、纸、玻璃布的层压复合材料。其优点是便宜，但吸附性不好，收缩率高，成型压力高、制品空隙含量高等缺点，故很少用它来碳纤维复合材料。酚醛树脂的含碳量高，用来制造烧蚀材料，成为航天飞行器的防护层，用作碳/碳复合材料的基体的原料，用来制造耐高温的玻璃纤维复合材料。2.4.4 热塑性树脂特点：加热熔化，冷却变硬。主要有：聚乙烯，聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、聚苯硫等。有些已用于玻璃纤维增强材料，但用于碳纤维增强材料的不多（P32-33）。中原工学院教案专用纸 第 8 页第三章 复合材料的增强材料在复合材料中，凡是能提高材料力学性能的物质，称为增强材料。纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。它不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高了热变形温度和低温冲击强度等。复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。3.1 玻璃纤维及其制品3.1.1 概述玻璃纤维是随玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）工业的的发展而发展起来的。我国在1950年代开始有自己的玻璃纤维工业，现已接近世界先进水平。玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。3.1.2 玻璃纤维的分类1）以玻璃原料成分分类，一般用不同的含碱量来区分：（1） 无碱玻璃纤维（E玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，其碱金属氧化物含量不大于0.5%。是复合材料用玻璃纤维的主流类型。特点：强度较高，耐热性和电性能优良，能抗击大气侵蚀，化学稳定性也好（但不耐酸）。也称电气玻璃， （2） 中碱玻璃纤维：碱金属含量在11.5-12.5%之间。主要特点是耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。主要用于耐腐蚀性领域，价格较便宜。（3） 有碱玻璃（A玻璃）纤维：类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃。此种玻璃由于含碱量高，强度低，易潮蚀，很少用作增强材料。（4） 特种玻璃纤维：如由纯镁硅三元组成的高强度玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维，含铅玻璃纤维，高硅氧纤维，石英纤维等。2）以单丝直径分类粗纤维（30um）；初级纤维(20um); 中级纤维; 10-20um; 高级纤维：3-10um; 超细纤维（95%）耐热性与前者相似，强度稍低，便宜。（3）铝硅酸盐玻璃纤维（Al2O350%）:耐高温，用作绝缘和隔热材料。3）空心玻璃纤维质轻，刚性好，电性能好，导热系数低3.2碳纤维3.2.1概述1）历史1959年联合碳化公司以粘胶纤维为原丝制得1970年日本的沥青基碳纤维实现工业化生产2）特性重量轻，比强度大，模量高，耐热性高，耐化学稳定性好。阻止中子透过，X射线良好透过性，可导电导热其复合材料比钢强比铝轻，用于航空航天，军事，工业，体育器材等方面应用广。3.2.2碳纤维的分类1）性能分类分高性能碳纤维和低性能碳纤维2）据原丝分类聚丙烯腈基纤维粘胶基碳纤维沥青基碳纤维木质素纤维基碳纤维其它有机纤维基（各种天然纤维，再生纤维，缩合多环芳香族合成纤维）碳纤维3）根据碳纤维功能分类受力结构用碳纤维耐焰碳纤维活性碳纤维导电用碳纤维润滑用碳纤维耐磨用碳纤维3.2.3碳纤维的制造气相法和有机纤维碳化法1）气相法是在惰性气氛中小分子有机物在高温下沉积成纤维。用这种方法只能制造晶须和短纤维，不能制造连续长丝。2）有机纤维碳化法是先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成份的纤维状物。制作碳纤维的原料主要有三种：人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈纤维和沥青。其中聚丙烯腈纤维用来制造高强度高模量碳纤维。有机纤维碳化法制取碳纤维的五个阶段：中原工学院教案专用纸 第 12 页（1） 拉丝： （2） 牵伸：100-300间进行，拉伸效应（3） 稳定：400加热氧化（4） 碳化：1000-2000（5） 石墨化：2000-30003.2.4 碳纤维的结构与性能3.2.4.1结构与力学性能1）结构包括化学结构与物理结构（1） 碳纤维形成过程中，随原丝不同，重量损失10-90%，同时形成各种缺陷（2） 高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。（3） 若干层组成微晶，微晶为乱层石墨结构。层间距大于标准石墨。（4） 碳纤维的实际强度和模量远小于单晶石墨的理论强度和模量，这是由于纤维中的缺陷造成的。（5） 碳纤维轴向伸长小，断裂在瞬间发生，不发生屈服。（6） 碳纤维轴向分子间的结合力大于石墨，所以其轴向抗张强度和模量都明显高于石墨，而径向作用力弱，抗压性差2）碳纤维的物理性能（1） 比重：1.5-2.0.与原丝结构及碳化处理温度有关（2） 碳纤维的热膨胀系数各向异性，平行于纤维方向是负值，垂直于纤维方向是正值（3） 导热率 也有方向性比电阻 与纤维类型有关。正电动势的C可氧化负电动势的Al而发生电化学腐蚀。3）碳纤维的化学性能（1） 对一般的酸碱是惰性的（2） 温度高于400时在空气中氧化（3） 在惰性气氛中耐热性好 碳纤维强度在1500才开始下降。（4） 耐低温性好，在液氮中不脆化（5） 其它性能 耐油、抗放射线、抗辐射、吸收有毒气体，减速中子3.3芳纶纤维指聚芳酰胺纤维，也叫有机纤维1968年杜邦公司研制1972年 B纤维产品1973年正式称为芳纶进入市场用于橡胶增强，制造轮胎，三角皮带，同步带，绳索，电缆，涂漆织物，带和带状物及防弹背心，航空，航天及造船工业用复合材料。3.3.1 芳纶纤维的性能特点1）力学性能芳纶纤维最大的特点是拉伸强度高，抗冲击性能好，弹性模量高，密度小2）芳纶的热稳定性芳纶的热稳定性良好，耐火而不熔。低温也不脆化热膨胀系数也具有各向异性中原工学院教案专用纸 第 13 页3）芳纶纤维的化学稳定性良好的耐介质性能，对中性化学药品的抵抗力一般是很强的，但易受酸碱侵蚀，尤其是强酸，耐水性不好，因为极性酰胺基亲水3.3.2芳纶纤维的结构1)基本结构 芳纶是对苯二甲酰对苯二胺的聚合体，经溶解转化为液晶纺丝而成。其基本结构是长链状聚酰胺，后者结合在芳香环上，这种刚硬的直线状分子键在纤维轴向上的高度定向的，各聚合物链由氢键横向连结。故而纵向强度高，横向强度低（P55）。2）芳环使芳纶具有高的模量和刚性，线性结构使分子能密排而得到高密度，从而有高强度3）规整的结构使具有良好的化学稳定性和热稳定性。3.3.3用途43%用于轮胎帘子线，31%用于复合材料。17.5%用于绳索与防弹衣以芳纶作为增强材料，树脂作为基体的增强塑料，简称为KFRT,在航空航天上的应用仅次于碳纤维（P57）3.4 其它纤维3.4.1碳化硅纤维具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性。主要用于增强金属和陶瓷，制成耐高温的金属和陶瓷基复合材料。制造方法：化学气相沉积法和烧结法 美日两国是主要生产国性能：高强度，耐热性1000以上，耐化学腐蚀（80强酸），和金属有很好的浸润性，耐辐射及吸波性能。用途：其耐高温，耐腐蚀，耐辐射的三耐性能，是理想的耐热材料。用于高温传送带，过滤材料，喷气发动机涡轮叶片，飞机螺旋桨等受力部件及透平主动轴。军用大口径步枪套管，M-1作战坦克履带火箭发动机外壳等。3.4.2硼纤维具有很高的比强度和比模量，密度小（2.5-2.65）作为航天飞机主舱框架强度高、刚性好，代替铝合金节省重量44%。与树脂相容性好。3.4.3 晶须1）晶须是目前已知纤维中强度最高的一种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作用力。原因：晶须直径非常小，结构无缺陷。2）晶须直径为几个微米，断面呈多角状，长度一般为几厘米。3）晶须兼具玻璃纤维和硼纤维的优良性能，它有玻璃纤维的延伸率（3-4%）和硼纤维的弹性模量（4.2-7.0105MPa），其增强性能很好。4）晶须无疲劳效应5）价格昂贵，尚难以民用3.4.3 氧化铝纤维1）以氧化铝为主要纤维组分（70%）的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维2）特性：（1）耐热性好 （2）极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性 （3）表面活性好，与金属其树脂都能很好复合. （4）做成复合材料抗压强度高，电绝缘性好。3）缺点：密度大：3.2g/cm3中原工学院教案专用纸 第 14 页第四章 复合材料的界面4.1概述1）复合材料的界面指基体与增强物之间化学成分显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。约为几个纳米到几微米，是一个带或一区域，厚度不均匀，它包含了基体和增强物的部分原始接触面、基本与增强物相互作用生成的反应产物、此产物与基体和增强物的接触面，基体和增强物的相互扩散层，增强物上的表面涂层、基体与增强物上的氧化物及其它的反应产物。2）界面的机能归纳为以下几种效应：（1） 传递效应：传递力（2） 阻断效应：阻止裂纹扩展（3） 不连续效应（4） 散射和吸收效应（5） 诱导效应 一种结构对另一种结构的诱导3）界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与界面两侧组分材料的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。4）基体和增强体通过界面结合在一起，构成复合材料整体，界面结合的状态和强度对复合材料的性能有重要影响，所以各种复合材料都要求有合适的界面结合强度5）层间剪切强度是研究界面结合强度的良好方法，结合断面形貌分析可有效研究界面粘结强度。6）尚无有效方法可直接准确定量分析界面。4.2复合材料的界面4.2.1聚合物基复合材料的界面（1） 聚合物基复合材料的界面形成可以分成两个阶段：一是基体与增强材料的接触与浸润过程；第二阶段是聚合物的固化阶段（2） 界面屋的结构大致包括：界面的结合力、界面区域的厚度和界面的微观结构。通常对纤维进行表面处理以增强界面结合力（3） 界面作用机理A.界面浸润理论浸润角的概论。完全浸润将使基体与填充剂间的粘结强度将大于基体的内聚强度B.化学键理论：偶联剂作用机理4.2.2金属基复合材料的界面1）界面的类型（1） 类型：纤维与基体互不反应亦不溶解：物理结合（2） 类型：纤维与基体不反应但相互溶解：溶解和浸润结合（3） 类型：纤维与基体互相反应形成界面反应层：反应结合实际的界面结合方式往往不是单一的，可能是好几种类型的复合。2）影响界面稳定性的因素（1） 金属基复合物需耐比聚合物基复合物更高的温度，所以界面在高温下稳定很重要（2） 高温下增强材料的部分熔融是影响因素之一，但有时熔融新生成的合金强度更高，反而起到增强作用。（3） 另一种影响是界面反应，亦影响界面结合强度中原工学院教案专用纸 第 15 页（4） 界面结合强度越大，则沿纤维方向的剪切强度越大。界面结合强度过高或过低都不利。就改善复合材料的疲劳性而言，为避免纤维与基体之间摩擦生热，界面强度稍强有利。结合力拨出功，但不能差别太大。表4-2 碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌界面结合状态 抗张强度，MPa 断口形貌结合不良 206 纤维大量拨出，长度很长，呈刷子状结合适中 612 有的纤维拨出，有一定长度，铝基体发生缩颈，可观察到劈裂状结合稍强 470 出现不规则断面，可观察到很短的拨出纤维结合过强 224 典型的脆性断裂，平断口3）残余应力材料中出现裂纹或位错移动时基体上产生的局部应力不在增强纤维上集中形成高应力，这就要求纤维和基体热膨胀系数相匹配。基体通常热膨系数通常高于纤维，但为了避免过高的残余应力，要求增强纤纤与基体的热膨胀系数基本匹配，不要相差太大。4.2.3陶瓷基复合材料的界面1）陶瓷基复合材料的纤维与基体间形成反应层，对基体和纤维都能很好地结合，但它是脆性的，当反应层厚度达到某一尺度时，复合材料的抗张强度开始下降。厚度继续增大到另一值时不再降低，这两个厚度分别对应着第一临界厚度和第二临界厚度（画图）2）不同复合材料制备工艺可得到不同结合强度的界面从才使材料性能不同。（P69）4.3增强材料的表面处理1）为了改进增强纤维与基体之间的界面结构，改善两者间的结合性能，需要对增强纤维进行适当的表面处理2）表面处理的方法是在增强纤维表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质，包括浸润剂、偶联剂等其它助剂，以制造与基体间好的粘结界面。4.3增强材料的表面处理4.3.1改善玻璃纤维表面的偶联剂沃兰和有机硅烷1）沃兰：为有机铬合物类表面处理剂，水解使配合物中的氯原子被 羟基取代，并与吸水的玻璃纤维表面的硅羟基形成氢键，干燥脱水后变成化学键与纤维连接，沃兰的碳氢链则与树脂基体反应而联接。2）用表面处理剂处理玻璃纤维的方法：（1） 前处理法：在玻璃纤维抽丝过程中涂覆表面处理剂（2） 后处理法：对玻璃纤维进行后处理（3） 迁移法：将化学处理剂加入到树脂中在复合时同时处理表面。4.3.2碳纤维的表面处理1）碳纤维的表面处理办法方法较多，有氧化、沉积、电聚合与电沉积、等离子处理等4.3.3芳纶纤维的表面处理基于化学键理论，通过有机化学反应和等离子处理在纤维表面形成活性基团4.3.3超高分子量聚乙烯纤维等离子处理，聚乙烯被热蚀，交联很少，引入氧后形成羰基和羧基使与环氧树脂很好结合4.3.4金属纤维为改善界面性能须控制界面层的厚度，可改进工艺减少反应时间，或表面涂层减少活性。利用CVD技术在硼纤维表面形成碳化硅或碳化硼涂层可抑制界面反应。中原工学院教案专用纸 第 16 页第五章 聚合物基复合材料5.1 聚合物基复合材料的种类和性能（1）具有较高的比强度和比模量（2）抗疲劳性能好（3）减震性能好（4）高温性能好（5）安全性能好（6）可设计性强、成型工艺简单。5.2聚合物基复合材料的结构设计5.2.1概述1.复合材料结构设计过程1）结构设计需考虑的因素有：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工艺模具的通用性及设计经验等2）结构设计的综合过程见图5-1（P87）(1) 明确设计要求：性能要求，载荷要求、环境条件，形状限制等(2) 材料设计：原材料选择，铺层性能确定，复合材料层合板的设计(3) 结构设计:典型结构件的设计等3）特点：材料结构一次成型2.复合材料结构设计条件（要求）1）结构性能要求，包括:(1) 结构所能承受的各种载荷，确保使用期内的安全(2) 对结构形状和尺寸的限制(3) 隔绝外界的环境状态而保护内部物体2）载荷情况：静载荷和动载荷（瞬时作用载荷、冲击载荷和交变载荷）3）环境条件：包括（1） 力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；（2） 物理条件：压力、温度、湿度等（3） 气象条件：风雨、冰雹、日光等（4） 大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等4）结构的可靠性和经济性：不同应用对此两性的要求不同，而此两性本身又是相互关联的。5.2.2材料设计1.原料选择与复合材料性能1）原材料选择原则（1） 比强度、比刚度的原则（2） 材料与结构的使用环境相适应的原则（3） 满足结构的特殊性能要求的原则（4） 满足工艺性要求的原则（5） 性价比高的原则2）纤维选择：根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维(P91,表5-7）3）树脂选择要求：中原工学院教案专用纸 第 17 页要求基体材料能在结构使用温度范围内工作要求基体材料具有一定的力学性能要求基体的断裂伸长率大于或接近纤维的断裂伸长率要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能。要求具有一定的工艺性2.单层性能的确定：通常需要实验来测定1）单层树脂含量的确定:据单层的功能来确定（表5-9）2）刚度的预测可依公式而定（表5-10）3）强度的预测公式3.复合材料层合板设计即按照单层的性能确定层合板中各铺层的取向，铺设顺序，各定向层相对于总层数的百分比和总层数5.2.3 结构设计1）基本原则满足强度和刚度，稳定性，连接接头设计等2）结构设计除应考虑强度和刚度等主要因素外，还有其它因素：热应力，防腐蚀，防雷击，抗冲击等5.3聚合物基复合材料成型加工技术1）成型固化工艺包括成型和固化两部分。2）有十六种成型方法5.3.1手糊工艺手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是先在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子压辊刮刀压挤使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂和铺贴每二层纤维织物，反复上述过程到达到所需厚度为止。然后在一定的压力作用下加热固化成型，或自放热固化成型。其优点是不受产品尺寸和形状限制，适于少批量生产，设备简单，投资低，缺点是劳动条件差，效率低，质量难控制且不稳定，产品力学性能低5.3.2模压成型工艺1）概念：将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。2）优点：较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，制品外观和尺寸稳定性好，容易实现机械化生产和自动化控制。3）缺点：模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，只适合制造批量大的中小型产品。只适用于短切纤维。5.3.3树脂传递模塑（RTM）成型工艺1) 一种闭模成型工艺方法，其过程：将液态热固性树脂及固化剂由计量设备分别从储桶内抽出，经静态混合器混合均匀，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化、脱模、后加工而成制品。2）特点：（1） 固定设备投资少，（2） 产品光滑，尺寸稳定容易组合中原工学院教案专用纸 第 18 页（3） 设计灵活，制模时间短（4） 对树脂和填料的适应性广泛（5） 安全环保（密闭无污染），低劳动强度低5.3.4 喷射成型工艺1）分别将混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧或喷枪内混合喷出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉积到模具上。待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成制品（P115图5-12）2）特点：成型比较复杂和大型的产品，施工现场污染大，机械和手机相结合,物料组成不精确，物料物性条件受限。5.3.5连续缠绕成型工艺1）将浸过树脂胶液的连续纤维或布带按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程2）优点（1） 纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量可实现结构设计，能较好地发挥增强材料抗张性能优异的特点，制品结构合理，比强度和比模量都高（2） 质量比较稳定，生产效率较高3）缺点：设备投入大，只有规模生产才能节省成本4）特点：适于制备承受内压的中空型容器5.3.6拉挤成型工艺1）将浸渍过树脂的连续纤维束或带状织物在索引装置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料型材。2）优点：生产效率高，便于自动化生产；能充分发挥增强材料的作用，制品性能稳定可靠；树脂损耗少；各向强度可调，长度可据需要定5.3.7挤出成型工艺 FRTP(热塑性玻璃钢)，玻纤增