复合材料概论个人整理版(考试专用).doc

第一章 总论1.2 复合材料的定义什么是复合材料 ? (Composition Materials , Composite)复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料基体(连续相)增强材料(分散相)1.3 复合材料的命名复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：（1）强调基体时以基体材料的名称为主如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。例如：“玻璃纤维环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃/环氧复合材料”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为“碳/金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳/碳复合材料”。国外还常用英文编号来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep)1.4 复合材料的分类按增强材料形态分类：连续纤维复合材料、短纤维复合材料、粒状填料复合材料、编织复合材料、其他: 层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料、混杂复合材料。按基体材料分类：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料按材料作用分类：结构复合材料、基体材料和增强体材料、功能复合材料同质复合材料：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：前面提及的复合材料多属此类。1.5 复合材料的基本性能复合材料的特点：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，具有天然材料所没有的性能；2.可按对材料性能的需要进行材料设计和制造；3.可制成所需的任意形状的产品。复合材料性能的影响因素：取决于增强相的性能、含量及分布状况，基体相的性能、含量，以及它们之间的的界面结合、成型工艺、结构设计等。聚合物基复合材料的主要性能（）比强度大、比模量大；（）耐疲劳性能好；（）减震性好；（）过载时安全性好；（）具有多种功能性；（）有很好的加工工艺性。烧蚀是指材料在高温时，表面发生分解，引起气化，与此同时吸收热量，达到冷却的目的，随着材料的逐渐消耗，表面出现很高的吸热率。耐烧蚀性好；有良好的耐磨性能；高度的电绝缘性能；优良的耐磨蚀性能；有特殊的光学、电学、磁学特性。金属基复合材料的主要性能（）高比强度、高比模量；（）导热、导电性能；（）热膨胀系数小、尺寸稳定性好；（）良好的高温性能；（）耐磨性好；（）良好的疲劳性能和断裂性能；（）不吸潮、不老化、气密性好。陶瓷基复合材料的主要性能高温强度和韧性高、耐辐射效率高、抗氧化、抗开裂等。例如：碳纤维增强碳化硅、碳化硅纤维增强碳化硅分别在1700C和1200C下保持20C时的抗拉强度。复合材料的性能是根据使用条件进行设计的。（1）使用温度和材料硬度： 树脂基： 60250C； 金属基： 400 600C； 陶瓷基： 10001500C。 硬度：陶瓷基 金属基 树脂基。 （2）力学性能：从强度方面来讲，三类复合材料都可获得较高的强度。（3）耐老化性能：陶瓷基 金属基 树脂基。（4）导热性能： 金属基： 50 65W/(mK)； 陶瓷基： 0.7 3.5W/(mK)； 树脂基： 0.35 0.45W/(mK)。（5）耐化学腐蚀性能：一般来讲陶瓷基和树脂基复合材料优于金属基复合材料。（6）生产工艺和成本高低： 陶瓷基 金属基 树脂基。1.6 复合材料结构设计基础1、复合材料的三个结构层次： 一次结构单层材料微观力学 二次结构层 合 体宏观力学 三次结构产品结构结构力学（）一次结构由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何（各相材料的形状、分布、含量）和界面区的性能。微观力学：研究各相材料之间的相互作用。（）二次结构由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何（各单层的厚度、铺设方向、铺层序列）。宏观力学：将各相材料的影响仅作为复合材料的平均表现性能来考虑。（）三次结构指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。结构力学：以纤维增强复合材料层压结构为研究对象。2、复合材料设计的三个层次：一次结构单层材料设计 二次结构铺层设计三次结构结构设计单层材料设计：正确选择增强材料、基体材料及配比； 铺层设计：对铺层材料的铺层方案作出合理安排；结构设计：确定产品及其结构的形状和尺寸。第二章复合材料的基体材料复合材料 = 基体材料 + 增强材料。基体材料主要包括三部分：金属基体材料、陶瓷基体材料、聚合物基体材料2.1 金属基体材料金属基复合材料学科主要涉及材料表面、界面、相变、凝固、塑性形变、断裂力学等。 金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属合金。2.1.1 选择基体的原则Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Zn、Pb及其合金，金属间化合物（TiAl、NiAl等）。1、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。（1）航天航空： 高比强度和比模量以及尺寸稳定性 选轻金属，Al、Mg及其合金（2）高性能发动机： 高比强度和比模量，耐高温性能 选Ti、Ni及其合金（3）汽车发动机： 耐热、耐磨、导热、成本低廉 选Al合金（4）集成电路： 高导热、低膨胀 选Ag、Cu、Al 2、金属基复合材料组成特点（1）连续纤维增强的复合材料 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。选用塑性较好的基体。（2）非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）的复合材料 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。 选用高强度合金作为基体。3、基体金属与增强物的相容性化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。抑制界面反应。 2.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。1. 用于450以下的轻金属基体：铝、镁及其合金2. 用于450-700的复合材料的金属基体：钛及其合金3. 用于1000以上的高温复合材料的的金属基体：镍基、铁基耐热合金和金属间化合物2.1.3 功能复合材料的基体主要的金属基体是Al及其合金、Cu及其合金、Ag、Pb、Zn等。电子封装：Al和Cu。 耐磨零部件：Al、Mg、Zn、Cu、Pb等金属 及合金。集电和电触头：Al、Cu、Ag及合金。2.2 陶瓷材料用作基体材料用的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。氧化物陶瓷：A1203，MgO，SiO2，ZrO2， 莫来石(3A12O32SiO2)等。非氧化物陶瓷：氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。2.3 聚合物材料2.3.1 聚合物基体的种类、组分和作用1聚合物基体的种类 不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。 2聚合物基体的组分 聚合物是聚合物基体的主要组分，除此还包括其他辅助材料，如固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。3聚合物基体的作用 复合材料中的基体有三种主要作用： （1）把纤维粘在一起；（2）分配纤维间的载荷；（3）保护纤维不受环境影响。4. 聚合物基体的选择聚合物基体的选择应遵循下列原则：（1）能够满足产品的使用需要；（2）对纤维具有良好的浸润性和粘接力；（3）容易操作；（4）低毒性、低刺激性。（5）价格合理。2.3.2 聚合物的结构与性能1聚合物的结构 聚合物结构的主要特点：（1）聚合物的分子链由很大数目（103105）的结构单元组成，每个结构单元相当于一个小分子。（2）链长有限的聚合物分子含有官能团或端基。（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关系。2聚合物的性能（1）聚合物的力学性能热固性树脂：固化后的力学性能不高，决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力。热塑性树脂：1）具有明显的力学松弛现象；2）在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率；3）抗冲击性能较好。（2）聚合物的耐热性能a）聚合物的结构与耐热性 为改善材料耐热性能，聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。b） 聚合物的热稳定性 提高聚合物热稳定性的途径：提高聚合物分子链的键能，避免弱键存在；在聚合物链中引入较大比例的芳环和杂环。（3）聚合物的耐蚀性能复合材料的耐化学腐蚀性能与树脂的类别、性能、含量（尤其是表面）有很大的关系。（4）聚合物的介电性能聚合物具有良好的电绝缘性能。一般而言，树脂大分子的极性越大，则介电常数越大、电阻率越小、击穿电压越小、介质损耗角越大，材料的介电性能越差。（5）聚合物的其他物理性能2.3.3 热固性树脂1不饱和聚酯树脂 由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线型预聚体。a.结构特征饱和二元酸结构不饱和二元酸结构b.固化交联剂 乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。引发剂 过氧化物。促进剂 苯胺类和有机钴。c.固化特点固化是一放热反应，其过程可分为三个阶段：（1） 胶凝阶段（2）硬化阶段（3）完全固化阶段d.特点（1）粘度低，工艺性好。（2）综合性能好，价廉，用量约占80% （3）苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度和模量较低。（4）一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制作次受力件。2环氧树脂a. 双酚型通式：线性预聚体通式：线性预聚体 双酚型环氧含硬性苯环, 链刚性较高, 只能用聚合度低的树脂。耐热性好, 强度高, 韧性差。固化特点：环氧活性基都在链两端，固化交联度不高。b. 非双酚型链内含有环氧基,交联密度高,结合强度及耐热性均提高。三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。c. 胺基环氧 结构中含高极性的酰胺键（-NHCO-），粘结性好，力学性能较高；但耐水性差，电性能有所下降。d. 脂环族环氧 结构中不含苯环，含脂环 ，稳定性更高，热学性能好，耐紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。e. 脂肪族环氧 高韧性环氧 无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。 环氧树脂固化：环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。常用固化剂：二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性会有一定的影响。环氧树脂特点：（1）粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料强度高，尺寸稳定。（2）电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。（3）耐酸碱耐溶剂性强。（4）热稳定性良好。3酚醛树脂 酚/醛 0.9，碱催化可得体型热固性树脂。固化：（1）加热固化（2）加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。 碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。特点：耐热性高，可达315。价格最低。粘附性较差，收缩率大，气孔率高，性脆。改性：（1）引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛（2）降低树脂中 -OH 基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高电性能。（3）硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能均提高。 2.3.4 热塑性树脂与热固性聚合物相比：（1）力学性能、耐热性、抗老化性等较差。（2）工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。 柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。2. 聚酰胺（尼龙） 链中含大量酰胺基，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好，化学稳定性好。使用温度200；S+6处于最高价，抗氧化，耐辐射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达300。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。第三章 复合材料的增强材料在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。3.1 玻璃纤维（ Glass Fibre）3.1.1 概述3.1.2 玻璃纤维的分类以玻璃原料成分分类：有碱玻璃纤维 A Na-Ca-Si系普通玻璃（Na2O15%）中碱玻璃纤维 Na2O (10.512.5%) 用量少无碱玻璃纤维 E Ca-Al-B-Si系 用量大高强玻璃纤维 S Mg-Al-Si系 或B2O3系高弹玻璃纤维 M S系中加入BeO以单丝直径分类：粗纤维 30m 无捻粗纱、无纺布初级纤维 20m 短切纤维、纤维毡中级纤维 1020m 高级纤维 310m 纺织超细纤维 4m以纤维外观分类：无捻粗砂、有捻粗砂、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉、磨细纤维等以纤维特性分类：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维3.1.2 玻璃纤维的性能1. 力学性能a. 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；直径d，强度；长度，强度。b. 弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。因密度低2.5，比模量高。c. 断裂延伸率：低 3%2. 热学性能a. 导热性：导热系数比块玻璃低12个数量级。b. 耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤 KF CF。（3）弹性模量高，CF KF GF。（4）断裂延伸率在3%左右。（5）密度小1.44 1.45，比强度和比模量高。 2. 热学性能：长期使用 200，热膨胀系数纵向为负。3. 化学性能：耐中性化学品腐蚀，吸水率高。3.3.2 应用航天航空：温度不高的高强度结构受力件；军事：防弹器件；民用：如造船业、汽车、体育用品绳索。3.4 其他纤维3.4.1 碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre，SF）v SF的制造主要有化学气相沉积法和烧结法。v 高强度、高模量,耐高温、耐腐蚀、耐辐射。v 可用于要求耐热的高强度结构件，主要与金属基和陶瓷基复合。3.4.2 硼纤维（ Boron Fibre，BF）v 气相法将B沉积在W丝或C纤维表面而得。v 高强度、高模量、密度小，相容性好。v 主要用于金属和树脂增强。3.4.3 氧化铝纤维（Aluminia Fibre，AF）v 熔融垂直拉单晶的方法制备，价贵。v 具有优良的耐热性和抗氧化性。v 不足之处是密度大3.20g/cm3。v 主要用于金属基增强。3.4.4 晶须：陶瓷晶须、金属晶须v 是目前强度最高的品种，接近理论强度，比相应的长纤维高一个数量级。v 复合增强效果不及长纤维，只能作为补强剂使用。v 价贵，用量有限。 纤维的柔韧性及断裂各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服碳纤维和玻璃纤维几乎就是理想的脆性断裂，断裂时不发生截面积的缩小。 比性能比强度和比模量是纤维性能的一个重要指标。 热稳定性纤维的热稳定性与熔点有关。一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性就越好。在没有空气和氧气的条件下，碳纤维具有非常好的耐高温性能。第四章 复合材料的界面4.1 概述复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应。（1）传递效应 （2）阻断效应（3）不连续效应（4）散射和吸收效应（5）诱导效应4.2 典型界面结合4.2.1 物理结合（机械咬合 + 次价键结合）v 液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。v 粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。v 极性树脂如：酚醛、聚酰胺、环氧等，与极性纤维具有良好的润湿性，并可形成次价键结合。v 非极性树脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，结合力弱，复合效果差。v CF表面极性差，经氧化后可提高结合力。总之：v 物理结合是一种比较弱的结合方式。v 树脂基复合材料若不经特殊处理，多为物理结合。v 金属基部分以物理方式结合。v 陶瓷基几乎不以这种方式结合。4.2.2 扩散融合v 两相成分不同，经扩散或熔融形成过渡层，性质介于两相之间，结合力较强。v 金属与陶瓷基复合温度较高，小分子和原子易于扩散，较常见。4.2.3 化学结合v 化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。v 树脂基复合材料：为提高两相的润湿性和结合力，通常采用偶联剂处理纤维表面，或将偶联剂直接加到液态树脂中，以便形成化学键结合。v 金属与陶瓷基复合材料：化学键结合常见。多数情况在界面上形成化合物层，脆性大，对力学性能不利。尤其是高温使用的材料，应防止界面反应。4.3 增强材料的表面处理v 为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤维进行的预处理 表面改性。v 要点：不同的复合体系应采用不同的处理方法。 树脂基 提高化学结合 金属及陶瓷基 抑制界面反应4.3.1 玻璃纤维v GF成分为SiO2，表面吸水后成-OH，可与含-OH、COOH、-Cl的偶联剂反应成醚键结合。v 偶联剂通式： R - M X M 中心离子Cr3+、 Si4+、 Ti3+等高价金属离子。 R 可与聚合物交联的基团。如不饱和双键、氨基、环氧、巯基等。 X 可与玻纤表面醚化的活性基团。如：-Cl、-OH、-COOH、-OCH3、-OC2H5。 v 表面处理剂处理玻璃纤维的方法： 前处理法增强型浸润剂 后处理法国内外普遍采用的处理方法。 迁移法 4.3.2 碳纤维v 氧化法 提高表面粗糙度和极性。v 沉积法 CVD沉积碳晶须。v 电聚合法 接枝高分子支链。4.3.3 芳纶等有机纤维等离子处理，使苯环氧化成 -COOH、 -OH、OOH等；或接枝聚合生成高分子支链。4.3.4 与金属基复合的纤维v 目的： 提高浸润性，抑制界面反应。 CF、BF与金属反应活性高，化学相容性 差；氮化物、碳化物纤维反应活性较低；Al2O3反应活性最低。v 措施： （1）降低复合温度，减少高温停留时间。 （2）涂覆隔离层。如CF、BF表面涂SiC。 （3）镀覆金属层，改善浸润性。如Al2O3纤维镀Cu、Ni等。第五章 聚合物基复合材料聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成。聚合物基复合材料的性能：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.安全性好6.可设计性强、成型工艺简单5.1.1 玻璃纤维增强热固性塑料（GFRP）GFRP俗称玻璃钢。根据基体种类不同，GFRP分成三类：（1）环氧玻璃钢（2）酚醛玻璃钢（3）聚酯玻璃钢GFRP的特点：（1）比重小(1.62.0)、比强度高；（2）良好的耐蚀性；（3）良好的绝缘性；（4）不受电磁作用的影响；（5）保温、隔热、隔音、减震等。 其缺点是刚性差、耐热性差、导热性差、易老化。（1）环氧玻璃钢综合力学性能最好，耐蚀性好；粘度大，加工困难。（2）酚醛玻璃钢耐热性最好，50%；（4）尺寸稳定性提高。5.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料的特点：（1）比重轻、强度高、模量高和低的热膨胀系数；（2）加工工艺简单；（3）价格昂贵。1. 碳纤维增强塑料强度、刚度、耐热性均好；粘结性差，且各向异性，价贵。2. 芳香族聚酰胺纤维增强塑料有压延性、与金属相似；耐冲击、耐疲劳、抗震。3. 硼纤维增强塑料突出优点是刚度好，高强高模纤维增强塑料中性能最好；价贵。4. 碳化硅纤维增强塑料：突出优点是与树脂相容性好。5.2 聚合物基复合材料结构设计5.2.1 概述复合材料结构设计条件：（1）结构性能要求 结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿 命内的安全； 提供装置各种配件、仪器等附件的空间； 隔绝外界的环境状态而保护内部物体。（2）载荷情况静载荷 强度，刚度冲击载荷 抗冲击强度交变载荷 疲劳强度和疲劳寿命（3）环境条件 力学条件：加速度、冲击、振动、声音等； 物理条件：压力、温度、湿度等； 气象条件：风雨、冰雪、日光等； 大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。条件和主要影响结构的强度和刚度，条件和主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等。（4）结构的可靠性与经济性 结构可靠性分析可分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。 总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。5.2.2 材料设计材料设计，指选用几种原材料（基体材料和增强材料）组合制成具有所要求性能的材料的过程。 材料设计包括原料选择、单层设计和层合板设计。1. 原料选择（1）原材料选择原则 比强度、比刚度高； 材料与结构的使用环境相适应； 满足结构特殊性要求； 满足工艺性要求； 成本低、效益高。（2）纤维选择 选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要确定纤维的品种规格。高强度，高刚度 高性能CF、BF高抗冲击 GF、KF 低温性能 CF尺寸稳定 KF、CF透波，吸波 GF、KF、Al2O3（3）树脂选择 目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，另一类为热塑性树脂。树脂的选择按如下要求选取：能在结构使用温度范围内正常工作；具有一定的力学性能；断裂伸长率大于或接近纤维断裂伸长率；具有满足使用要求的物理、化学性能；具有一定的工艺性。受力结构件首选热固性树脂，大量使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）；610%。边缘包层。冲击载荷区以0层承载，45层分散应力均衡负荷。厚度变化区以阶梯过渡。5.2.3 结构设计1. 结构设计原则（1）按使用载荷设计、按设计载荷校核；（2）使用载荷使用许用值，设计载荷设计许用值；（3）复合材料失效准则只适用于单层；（4）无刚度要求，材料弹性常数的数据可采用试验数据和平均值；有刚度要求则需要选取B基准值。2. 结构设计应考虑的工艺性要求 工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。3. 许用值与安全系数的确定 许用值包括使用许用值和设计许用值。 结构设计中，在保证安全的条件下，应尽可能降低安全系数。设计值 = 安全系数使用值 安全系数选取： 玻璃纤维 23 高强度纤维 1.52 民用取上限，军事用途可取低些。 4. 结构设计应考虑的其他因素 复合材料结构设计除要考虑强度和刚度、稳定性、连接接头设计等以外，还需考虑热应力、防腐蚀、防雷击、抗冲击等因素。5.4 聚合物基复合材料的应用5.4.1 GFRP的应用GFPR在石油化工工业、建筑业、造船业、铁路运输、汽车制造业、冶金工业、宇航工业等都有广泛应用。第六章 金属基复合材料6.1 金属基复合材料的种类和基本性能与下列材料相比： 金属及合金 高的比强度，比刚度 聚合物基复合材料 导电、导热、耐热性好 陶瓷材料 高韧性和高冲击强度 6.1.1 金属基复合材料的种类1. 按基体分类 铝基复合材料 = 2.7 f.c.c. Tm = 660，塑性韧性好，易加工；熔点低，可避免与纤维过度反应；强化效果好，价廉。镍基复合材料 = 8.9 f.c.c. Tm = 1453，高温性能好，抗氧化性好。钛基复合材料 = 4.5 h.c.p.(b.c.c.) Tm = 1668，更高的比强度，比模量，耐腐蚀。 (T/= 883)镁基复合材料 = 1.7 h.c.p Tm = 649，具有较好的阻尼性能。2. 按增强体分类 颗粒增强复合材料 体积比20%，粒径、粒间距1m。层状增强复合材料 与大尺寸增强物的性能接近，增强物缺陷成为裂纹核心。纤维增强复合材料 各向异性。基体性能对横向影响大。6.1.2 金属基复合材料中增强体的性质对纤维状增强体性能的要求如下： 高强度； 高模量； 容易制造和价格低廉； 化学稳定性好； 纤维的尺寸和形状； 性能的再现性与一致性； 抗损伤或抗磨损性能。以上各种纤维各有不足：W、Mo丝：密度高 Be丝：价很高 GF：与金属相容性不好Al2O3：提拉子晶，价高，对磨损敏感 C纤维：细纱难浸润，与多数金属反应，抗折性差 B纤维：以W或C丝作底，CVD沉积，价高SiC和B4C：以W或C丝作底，CVD沉积，价高，对表面磨损敏感6.1.3 金属基复合材料的强度1. 纵向强度 复合材料强度同组分性能间的关系可用如下的公式表示：当弱纤维断裂时，引起三种重要的变化： 由于破断纤维失去强度，而使该处截面上的强度降低。 破断纤维裂纹周围的静应力集中会降低材料的有效强度。 破断纤维失去载荷时产生的动应力波会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力。2. 横向强度 在预测横向模量值时，所采用的假设如下： 两组元在达到断裂应力前都是线弹性的； 界面结合是完好的； 纤维排列是规则的。由此可以推导出材料的横向刚度E22和复合材料横向平面泊松比如下：6.1.4 复合材料组分的相容性物理相容性问题一般都和压力变化，或热变化时反映材料伸缩性能的材料常数有关。化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的界面结合、界面化学反应以及环境的化学反应等因素有关。6.3 铝基复合材料6.3.1 铝基复合材料的特点 大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767常用：B/Al、C/Al、SiC/Al6.3.2 硼铝复合材料 1.增强纤维 对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。 由于硼纤维的表面具有高的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意义的特性。 此外，硼纤维还具有良好的高温性能。2.基体 铝合金具有良好的综合性能。 目前普遍使用的铝合金有变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝等。其中最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。6.3.3 机械性能 1.弹性模量硼铝复合材料的纵向弹性模量E11，可用混合定则公式相当精确地计算即E11=EFVF+EMVM式中F和M表示纤维和基体，V表示体积百分比。 横向弹性模量的关系较为复杂，但理论计算与实验值符合。2.强度及应力-应变特性 （1）轴向拉伸 硼-铝复合材料的轴向拉伸特性取决于增强纤维的性能和复合材料的纤维含量。复合材料轴向强度和断裂应变受纤维性能制约。硼铝复合材料具有很高的抗拉强度，这主要是由于增强纤维的抗拉强度高。硼铝复合材料轴向抗拉强度还随温度的变化而变化。（2）横向拉伸 在构件中所用的硼-铝复合材料的横向拉伸性能是重要的考虑因素。复合材料的横向性能对基体和纤维两者的性能都是敏感的。所有硼-铝复合材料的横向拉伸特性可以根据断口的形貌分为三种常见的类型。 基体破裂 基体破裂和纵向纤维劈裂； 基体破裂和纤维-基体界面破裂。3.蠕变及持久强度在500C以下，单向增强硼铝复合材料的轴向蠕变和持久强度超过目前所有的工程合金。这是由于硼纤维特殊的抗蠕变性能所致。硼纤维直到650C测不到蠕变，其815C的蠕变率仍大大低于冷拉钨丝。4.缺口拉伸强度及断裂韧性纤维增强复合材料中的断裂过程比单一材料复杂，它是各向异性和不均匀性复杂作用的结果。 硼铝复合材料的缺口不敏感性和断裂韧性是突出的，研究中观察到两种缺口钝化机理。6.4 镍基复合材料 熔点高，耐氧化性好，使用温度可达1000。 BF、CF耐氧化性差，多选用-Al2O3晶须。 制备方法：热压法、液态渗透法、粉末冶金法。 为提高润湿性，可使晶须表面金属化。如溅射或电镀。 6.5 钛基复合材料钛及其合金是比强度、比刚度最好的基材，耐蚀性和耐高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度） 但钛薄难制，化学活性高，与C纤维和B纤维反应生成TiC和TiB2白亮层。解决办法： 高速工艺 缩短高温停留时间 低温工艺 830热压15分钟 表面包覆 涂SiC 合金化 提高基体稳定性6.6 石墨纤维增强金属基复合材料C纤维具有很好的力学、热学、电学和自润滑性能，价格也较B纤维有优势，应用前景光明。1.存在问题 浸润性差，难渗透。 易曲折，热压难。 相容性差。 电偶腐蚀。2.解决方法 电镀Ta、Ni、Ag包覆。 涂覆SiC、TiC、B4C等。 压渗法。 复合纤维制备。6.7 自增强金属基复合材料原位生长晶须。采用控制熔体冷凝速度，在金属基体内生长出晶须。 如：Al基：Al2O3、AlN；Ti基：TiN、TiC优点： 增强纤维分布均匀 基体与纤维结合力强 热稳定性好 易于加工，直接铸造成型6.8 金属基复合材料的应用1.纤维增强金属基复合材料的应用 n 纤维增强金属基复合材料的主要性能特点是比强度、比模量和高温性能好等。特别适用于航空航天工业中应用，如航天飞机主舱骨架支柱、飞机发动机风扇叶片、尾翼、空间站结构材料。在汽车结构、保险杠、活塞连杆，自行车(赛车)车架以及体育运动其它器械上也得到了应用。n 纤维增强金属基复合材料，如硼纤维增强铝、碳化硅纤维增强钛、钨丝增强高温合金以及高温定向凝固共晶复合材料，常作为航空航天动力结构材料，像发动机叶片等，一般需要在高温下能长时间经受应力作用，因此FRMMc的蠕变与疲劳性能是其重要性能。 2.颗粒、晶须增强金属基复合材料的应用n 颗粒及晶须增强金属基复合材料是目前应用范围最广，开发前景最大的一种金属基复合材料。n 这类复合材料的金属基大多数是采用密度较低的铝、镁和铁合金，以便提高复合材料的比强度和比模量，其中较为成熟、应用较多的是铝基复合材料。n 这类复合材料所采用的增强材料为碳化硅、碳化硼、氧化铝颗粒或晶须，其中以SiC为主。n 颗粒、晶须增强金属基复合材料除了用于军事工业，如制造轻质装甲、导弹飞翼和直升机部件外，主要用于汽车工业，如发动机汽缸活塞、喷油咀部件、制动装置等。第七章 陶瓷基复合材料7.1 陶瓷基复合材料的基体与增强体1陶瓷基复合材料的基体常用的陶瓷基体主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。 目前研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。u 氧化物主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。其结构取决于结合键类型、各种离子的大小以及在极小空间保持电中性的要求。u 陶瓷最重要的氧化物是几种简单类型的氧化物AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等（A，B表示阳离子）。结构特点：氧离子（一般比阳离子大）进行紧密排列、金属阳离子位于一定的间隙中，最重要的是四面体和八面体间隙。u Al2O3（刚玉）典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温和高温强度。u ZrO2使用温度达20002200，主要用作耐火坩锅，反应堆的绝缘材料，金属表面的防护涂层等。有三种晶型：立方结构（C相）、四方结构（t相）和单斜结构（m相）。u 莫来石（3Al2O32SiO22Al2O3SiO2)，一般15501600烧成，纯的莫来石要在1750 左右才能烧成。u 尖晶石（AR2O4，A代表二价元素离子，R代表三价元素），典型的有镁铝尖晶石。u 非氧化物主要由共价键结合而成，也有一定的金属键成分。l Si3N4为共价键化合物。l BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此有白石墨之称。HBN硬度不高，是唯一易于机械加工的陶瓷。高温（15002000)高压（69103MPa ）下可转化为立方BN(CBN）。CBN的硬度接近于金刚石，是极好的耐磨材料。l B4C属于六方晶系。重量轻，硬度高（50GPa，仅次于金刚石），耐磨性好，热稳定性好，耐酸，耐碱性。l TiC结晶为面心立方晶格（NaCl型)。晶格常数为0.4319nm，密度为4.934.9 gcm-3，熔点为31603250，1.15K时TiC呈现超导特性，TiC莫氏硬度910，弹性模量322MPa，可用作耐磨材料。l TiN硬度大、熔点高、化学稳定性好，具有金黄色光泽，是一种很好的耐火耐磨材料及代金装饰材料。另具有导电性，及较高的超导临界温度，是一种优良的超导材料。l MoSi2是介于无机非金属与金属间化合物之间的材料，结合方式为共价键与金属键。熔点2030，800 以上发生氧化反应形成SiO2保护层，能阻止氧化的继续发生。可以作为高温连接材料。2陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。纤维增强体：常用的有碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等。晶须增强体：常用的有SiC、Al2O3及Si3N4等。颗粒增强体：常用的有SiC、Si3N4等。7.2 陶瓷基复合材料的成型加工技术陶瓷基复合材料的制造方法分传统的制备技术和新的制备技术。传统技术包括冷压-烧结法、反应烧结法、热压法等。新技术如渗透、直接氧化、以化学反应为基础的CVD、CVI、溶胶-凝胶、聚合物热解、自蔓延高温合成（SHS）等。7.3 陶瓷基复合材料的界面和界面设计1. 界面的特点 陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。2. 界面的作用 陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。3. 界面性能的改善 为获得最佳的界面结合强度，希望完全避免界面反应或尽量降低界面间的化学反应程度和范围。因此，经常采用涂层的方法限制界面反应的发生，防止界面结合过强和脆性界面层的形成。4. 增韧机理u 颗粒增韧非相变第二相颗粒增韧 假设第二相颗粒与基体不存在化学反应，热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷得到增韧的主要根源之一。l 延性颗粒增韧 在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒能明显提高材料的断裂韧性，其增韧机理包括由于裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥。研究表明当基体与延性颗粒的 、E相等时，利用延性裂纹桥可达最佳增韧效果。但当a和E值相差足够大时，裂纹发生偏转绕过金属颗粒，增韧效果较差。 l 纳米颗粒增强增韧 将纳米颗粒加入到陶瓷中时，材料的强度和韧性大大改善。增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配与残余应力是纳米复合材料中的重要增强、增韧机理。l 相变增韧 当将氧