第十一章-复合材料

第十一章复合材料,第一节概述,一、复合材料的概念,所谓复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。,必须是人工合成的，是人们根据需要设计制造的材料；必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成；通过各组分性能的互补可获得单一材料不能达到的综合性能。,1、条件：,它可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们的优点；复合材料具有可设计性。可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；它可造成单一材料不易具备的性能和功能，或在同一时间里发挥不同功能的作用。,2、特点：,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凯芙拉纤维(芳纶、聚芳酰胺纤维)1975年先进复合材料“碳纤维增强、及凯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。,土房-草增强泥基复合材料,钢筋混凝土建筑框架,玻璃钢撑杆,上海东方明珠电视塔大堂装潢玻璃钢建筑材料,复合材料(玻璃钢)制作的渔船,金属基复合材料在直升飞机中的应用,“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”,黄伯云研制的飞机刹车片,国家技术发明一等奖（2004年）,主货舱门-碳纤维/环氧树脂压力容器-凯芙拉纤维/环氧树脂主机隔框和翼梁-硼/铝复合材料,“哥伦比亚号”航天飞机,发动机的喷管-碳/碳复合材料发动机组传力架-钛基复合材料机身防热瓦-陶瓷基复合材料,许多复合材料仅由两相构成的：一种称作基体，它是连续相；另一种作为增强体，是分散相。复合材料的性能决定于组分相的性质，相对含量，分散相的几何形状。,图11-1影响复合材料性能的分散相粒子的几何及空间性质示意图a）浓度b）尺寸c）形状d）分布e）取向,二、复合材料的分类,按基体材料分类：,按增强材料分类：,无机非金属基复合材料如陶瓷基、水泥基复合材料等。,金属基复合材料。如铝基、铜基、镍基、钛基复合材料等。,3）,有机材料基复合材料，如塑料基、橡胶基复合材料。,1）,2）,1）纤维增强复合材料。,如纤维增强塑料、纤维增强橡胶、纤维增强陶瓷、纤维增强金属等。,2）粒子增强复合材料。,如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等。,3）叠层复合材料。,如双层金属复合材料(巴氏合金一钢轴承材料)、三层复合材料(钢-铜-塑料三层复合无油滑动轴承材料)。,表11-1复合材料的分类,三、复合材料的命名,1.强调基体时以基体为主来命名，例如金属基复合材料。2.强调增强材料时则以增强材料为主命名，如碳纤维增强复合材料。3.基体与增强材料并用的命名，常指某一具体复合材料，一般将增强材料名称放在前面，基体材料的名称放在后面，最后加“复合材料”而成。例如，“C/AL复合材料”，即为碳纤维增强铝合金复合材料。4.商业名称命名，如“玻璃钢”即为玻璃纤维增强树脂复合材料。,第二节复合材料的增强机制及性能,一、复合材料的增强机制,1.纤维增强复合材料的增强机制,纤维增强复合材料是由高强度、高弹性模量的连续(长)纤维或不连续(短)纤维与基体(树脂或金属、陶瓷等)复合而成。复合材料受力时，高强度、高模量的增强纤维承受大部分载荷，而基体主要作为媒介，传递和分散载荷。,2.粒子增强型复合材料的增强机制,弥散强化的复合材料的增强机制弥散强化的复合材料就是将一种或几种材料的颗粒(0.1p.m)弥散、均匀分布在基体材料内所形成的材料。其增强机制是：在外力的作用下，复合材料的基体将主要承受载荷，而弥散均匀分布的增强粒子将阻碍导致基体塑性变形的位错运动或分子链运动。,颗粒增强复合材料的增强机制颗粒增强复合材料是用金属或高分子聚合物为粘接剂，把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物，氮化物粘结在一起而形成的材料。这类材料的性能既具有陶瓷的高硬度及耐热的优点，又具有脆性小、耐冲击等方面的优点，显示了突出的复合效果。颗粒增强复合材料主要不是为了提高强度，而是为了改变耐磨性或者综合力学性能。,二、复合材料的性能特点,1、比强度和比模量高,比强度材料的强度与其密度之比。比模量材料的模量与其密度之比。材料的比强度或比模量越高，构件的自重就小，或者体积会越小。通常，复合材料的复合结果是密度大大减小，高的比强度和比模量是复合材料的突出性能特点。,小飞守角制作,气瓶,玻璃钢充气船,质量轻,小飞守角制作,强度大,井盖,头盔,表11-2金属与纤维增强复合材料性能比较,2、良好的抗疲劳性能,复合材料中纤维的缺陷少，抗疲劳能力高；基体的塑性和韧性好，能够消除或减少应力集中，不易产生微裂纹；纤维和基体界面能够阻止疲劳裂纹扩展和改变裂纹扩展方向。例如：碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸强度的70%80%，一般金属材料却仅为40%50%。,复合材料有较高的疲劳极限，主要原因是：,图11-2三种材料的疲劳强度,耐疲劳性能好,3、破断安全性能,纤维复合材料中有大量独立的纤维，平均每平方厘米面积上有几千到几万根。当纤维复合材料构件由于超载或其它原因使少数纤维断裂时，载荷就会重新分配到其它未破断的纤维上，因而构件不致在短期内突然断裂，故破断安全性好。,4.优良的高温性能,大多数增强纤维在高温下仍能保持高的温度，用其增强金属和树脂基体时能显著提高它们的耐高温性能。例如，铝合金的弹性模量在400%时大幅度下降并接近于零，强度也显著降低；而碳纤维、硼纤维增强后，在同样温度下强度和弹性模量仍能保持室温下的水平，明显起到了增强高温性能的作用。,聚合物基复合材料使用温度100350；金属基复合材料使用温度3501100；SiC纤维、Al2O3纤维陶瓷复合材料在12001400范围内保持很高的强度。碳纤维复合材料在非氧化气氛下在24002800长期使用。,耐热性好,火箭,因为结构的自振频率与材料的比模量平方根成正比，而复合材料的比模量高，其自振频率也高。这样可以避免构件在工作状态下产生共振，而且纤维与基体界面能吸收振动能量，即使产生了振动也会很快地衰减下来，所以纤维增强复合材料具有很好的减震性能。例如用尺寸和形状相同而材料不同的梁进行振动试验时，金属材料制作的梁停止振动的时间为9s，而碳纤维增强复合材料制作的梁只需2.5s。,5.减震性能好,小飞守角制作,自行车避震器,减震性好,耐烧蚀性好有良好的摩擦性高度的电绝缘性优良的耐腐蚀性能有特殊的光学、电学、磁学性能,6、具有多种功能性,小飞守角制作,耐化学腐蚀,高分子复合材料水龙头,小飞守角制作,汽车挡风玻璃,防辐照性,第三节常用复合材料,一、纤维增强复合材料,1.常用增强纤维,表11-3常用增强纤维与金属丝性能对比,(1)玻璃纤维,玻璃纤维是将熔化的玻璃以极快的速度拉成细丝而制得。按玻璃纤维中Na20和K20的含量不同，可将其分为无碱纤维、中碱纤维、高碱纤维。随含碱量的增加，玻璃纤维的强度、绝缘性、耐腐蚀性降低，因此高强度复合材料多用无碱玻璃纤维。,玻璃纤维的特点是强度高，弹性模量低，密度小，比强度、比模量高；化学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等。缺点是脆性较大，耐热性低，250以上开始软化。由于价格便宜，制作方便，是目前应用最多的增强纤维。,(2)碳纤维,碳纤维是人造纤维(粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等)在200300空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下，在10001500的高温下进行碳化处理而制得。其含碳量可达85%95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称型碳纤维。如果将碳纤维在20003000高温的氩气中进行石墨化处理，就可获得含碳量为98%以上的碳纤维。这种碳纤维中的石墨晶体的层面有规则地沿纤维方向排列，具有高的弹性模量，又称石墨纤维或高模量碳纤维，也称型碳纤维。,与玻璃纤维相比，碳纤维密度小(1.332.0g/cm3)；弹性模量高(2.84)105MPa)，为玻璃纤维的46倍；高温及低温性能好，在1500以上的惰性气体中强度仍保持不变，在-80下脆性也不增加；导电性好、化学稳定性高、摩擦系数小、自润滑性能好。缺点是脆性大、易氧化、与基体结合力差，必须用硝酸对纤维进行氧化处理以增强结合力。,(3)硼纤维,它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝或碳丝上而制得的。具有高熔点、高强度、高弹性模量。其弹性模量是无碱玻璃纤维的5倍，与碳纤维相当，在无氧条件下1000时其模量值也不变。此外，它还具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性。缺点是密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵，所以它在复合材料中的应用不及玻璃纤维和碳纤维广泛。,(4)碳化硅纤维,它是用碳纤维作底丝，通过气相沉积法而制得。具有高熔点、高强度、高弹性模量。其突出优点是具有优良的高温强度。主要用于增强金属及陶瓷。,目前世界上生产的主要芳纶纤维是以对苯二胺和对苯甲酰为原料，采用“液晶纺丝”和“干湿法纺丝”等新技术制得。其最大特点是比强度、比弹性模量高，密度小，；耐热性好。此外，它还具有优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。主要纤维种类有Kevlar-29、Kevlar-49和我国的芳纶纤维。,(5)Kevlar(凯芙拉)有机纤维(芳纶、聚芳酰胺纤维),2.纤维-树脂复合材料,(1)玻璃纤维-树脂复合材料，亦称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢。,1）热塑性玻璃钢,由20%40%的玻璃纤维和60%80%的热塑性树脂组成。,表11-4几种热塑性玻璃钢的性能,2）热固性玻璃钢,由60%70%玻璃纤维(或玻璃布)和30%40%热固性树脂组成。,表11-5几种热固性玻璃的性能,最常用的是碳纤维和聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。其性能优于玻璃钢，具有高强度、高弹性模量、高比强度和比模量。此外碳纤维一树脂复合材料还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀性及耐热性。缺点是纤维与基体结合力低，材料在垂直于纤维方向上的强度和弹性模量较低。,(2)碳纤维-树脂复合材料，亦称碳纤维增强塑料。,碳纤维增强塑料包,(3)硼纤维-树脂复合材料,主要由硼纤维和环氧、聚酰亚胺等树脂组成。具有高的比强度和比模量，良好的耐热性。缺点是各向异性明显；此外加工困难，成本昂贵。,(4)碳化硅纤维-树脂复合材料，,碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料，具有高的比强度、比模量。,(5)Kevlar(凯芙拉)纤维-树脂复合材料,它是由Kevlar纤维和环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚脂等树脂组成。最常用的是Kevlar纤维与环氧树脂组成的复合材料，其主要性能特点是抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维一环氧树脂复合材料相似；延性好，与金属相当；其耐冲击性超过碳纤维增强塑料，具有优良的疲劳抗力和减震性；其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金，减震能力为钢的8倍，为玻璃钢的45倍。,3.纤维-金属(或合金)复合材料,(1)纤维-铝(或合金)复合材料,硼纤维-铝(或合金)复合材料,硼纤维-铝(或合金)基复合材料是纤维一金属基复合材料中研究最成功、应用最广的一种复合材料。它是由硼纤维和纯铝、形变铝合金、铸造铝合金组成。硼纤维一铝(或铝合金)基复合材料的性能优于硼纤维一环氧树脂复合材料，也优于铝合金、钛合金。它具有高拉伸模量、高横向模量，高抗压强度、剪切强度和疲劳强度。主要用于制造飞机和航天器的蒙皮、大型壁板、长梁、加强肋、航空发动机叶片等。,石墨纤维(高模量碳纤维)一铝(或合金)基复合材料是由I型碳纤维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组成。它具有高比强度和高温强度，在500时其比强度为钛合金的1.5倍。主要用于制造航天飞机的外壳，运载火箭大直径圆锥段、级间段，接合器，油箱，飞机蒙皮，螺旋浆，涡轮发动机的压气机叶片，重返大气层运载工具的防护罩等。,石墨纤维-铝(或铝合金)基复合材料,它是由碳化硅纤维和纯铝(或铸造铝合金、铝铜合金等)组成的复合材料。其性能特点是具有高比强度和比模量、硬度高。用于制造飞机机身结构件及汽车发动机的活塞、连杆等。,碳化硅纤维-铝(或合金)复合材料,(2)纤维一钛合金复合材料,由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金(Ti-6A1-4V)组成。它具有低密度、高强度、高弹性模量、高耐热性、低热膨胀系数的特点，是理想的航天航空用结构材料。,(3)纤维一铜(或合金)复合材料,由石墨纤维和铜(或铜镍合金)组成的材料。石墨纤维增强铜或铜镍合金复合材料具有高强度、高导电性、低的摩擦系数和高的耐磨性，以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。用来制作高负荷的滑动轴承，集成电路的电刷、滑块等。,表11-6几种纤维增强材料的特性,4、纤维-陶瓷复合材料,用碳(或石墨)纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅度提高陶瓷的冲击韧性和抗热震性、降低脆性，而陶瓷又能保护碳(或石墨)纤维，使其在高温下不被氧化。因而这类材料具有很高强度和弹性模量。例如碳纤维-氮化硅复合材料可在1400温度下长期使用，用于制造喷气飞机的涡轮叶片。又如碳纤维一石英陶瓷复合材料，冲击韧性比纯烧结石英陶瓷大40倍，抗弯强度大512倍，比强度、比模量成倍提高，能承受1200-1500的高温气流冲击，是一种很有前途的新型复合材料。,二、叠层复合材料,叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。其目的是为了将组成材料层的最佳性能组合起来以得到更为有用的材料。用叠层增强法可使复合材料强度、刚度、