材料化学第15讲-复合材料

1、1 Teacher: Ph. D. Tengyun Zhang(张腾云张腾云) E-mail: 20072008 学年第学年第 2 学期学期 第第 十十 五五 讲讲 材料化学导论材料化学导论-第八章第八章 High Performance Composite Materials 2 主要内容：主要内容： 8.18.1 8. 8.2 2 3 4 复合材料无所不在！ 史上最牛的钉子户 5 我们住在复合材料里我们住在复合材料里 6 树木也是一种复合材料树木也是一种复合材料 木质素木质素 纤维素纤维素 7 海胆：家在喜马拉雅山上海胆：家在喜马拉雅山上 海胆最大的特征是那带有刺的硬壳。 那些硬刺用作保护

2、，可能含有毒液， 引致火烧一般的疼痛。 海胆有五片刀片般的牙齿，海胆有五片刀片般的牙齿， 合在一起像组大钢牙，合在一起像组大钢牙， 正好长在腹部中央。正好长在腹部中央。 它的食物是海藻，大钢牙它的食物是海藻，大钢牙 像除草机般，像除草机般， 将海底藻类刮得干干净净将海底藻类刮得干干净净 8 进化的复合材料进化的复合材料-海胆牙齿海胆牙齿 9 进化的复合材料进化的复合材料-贝壳贝壳 10 燕子窝：泥土燕子窝：泥土-草复合材料草复合材料 11 近代科学技术的迅速发展，对材料提出更加苛近代科学技术的迅速发展，对材料提出更加苛 刻的特殊的要求和效能，使材料研究正逐步摆刻的特殊的要求和效能，使材料研究正

3、逐步摆 脱脱靠经验和摸索靠经验和摸索的方法研究材料的轨道，向着的方法研究材料的轨道，向着 按预定性能设计材料按预定性能设计材料的方向发展。的方向发展。 用用金属、非金属和高分子材料金属、非金属和高分子材料通过一定的工艺通过一定的工艺 方法制成的复合材料，能保留原有组分的优点，方法制成的复合材料，能保留原有组分的优点， 克服某些缺点，并显示一些新性能。这种复合克服某些缺点，并显示一些新性能。这种复合 材料的出现和发展，就是材料设计的一个典型材料的出现和发展，就是材料设计的一个典型 例子。例子。 复合材料复合材料材料可设计性材料可设计性 12 复合材料与单质材料的力学性能比较复合材料与单质材料的力

4、学性能比较 13 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 1. 定义定义 两种或两种以上性能不同的材料组合在一两种或两种以上性能不同的材料组合在一 起而形成的一种具有新性能的材料起而形成的一种具有新性能的材料 复合材料应具有以下几个特征：复合材料应具有以下几个特征： 细观细观上看是上看是非均相材料非均相材料，组分组分间有明显的间有明显的界面界面； 组分材料性能差异较大；组分材料性能差异较大； 各组分混合后，性能有明显变化；各组分混合后，性能有明显变化； 组分的组分的体积含量体积含量10%。 简言之：复合材料由简言之：复合材料由连续基体相

5、连续基体相M(matrix phase)和和分分 散增强相散增强相F(disperse phase)及及界面相界面相I(interface phase)所构成所构成(三相三相) 14 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 增强分散相增强分散相F增强作用，主要的承载者增强作用，主要的承载者 连续相连续相M基体通过界面将应力传递到纤维基体通过界面将应力传递到纤维 界面相界面相I良好的界面粘结使基体发挥作用；适当良好的界面粘结使基体发挥作用；适当 的界面粘结使在一定的应力下，发生界面脱粘、纤的界面粘结使在一定的应力下，发生界面脱粘、纤 维拔

6、出、摩擦功等机理，提高复合材料韧性。维拔出、摩擦功等机理，提高复合材料韧性。 1. 定义定义 15 F F与与M M的复合的实质是产生独立的的复合的实质是产生独立的 新相新相界面层界面层I I vInterface,interphase,界面界面 v界面层的性质优劣成为评价界面层的性质优劣成为评价“复合复合”效果效果 的内在指标的内在指标 v通过对界面层实施设计与控制，获得预期通过对界面层实施设计与控制，获得预期 的的“复合复合”效果效果 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 1. 定义定义 16 复合材料的含义复合材料的含义 v现代

7、材料科学所讨论的复合材料是指现代材料科学所讨论的复合材料是指纤维增强纤维增强、薄薄 片增强片增强、颗粒增强颗粒增强或或自增强自增强的的聚合物基聚合物基、陶瓷基陶瓷基或或 金属基金属基复合材料。复合材料。 v复合材料的本质是采用增强剂增强，纤维增强剂的复合材料的本质是采用增强剂增强，纤维增强剂的 增强效果最好增强效果最好 v工业上，复合材料通常是指高强度、高模量、脆性工业上，复合材料通常是指高强度、高模量、脆性 的增强剂与低强度、低模量、韧性的基体材料经过的增强剂与低强度、低模量、韧性的基体材料经过 一定的成型加工方法而制成综合性能优异的材料。一定的成型加工方法而制成综合性能优异的材料。 8.1

8、 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 1. 定义定义 17 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 2. 分类分类 根据根据基体类型基体类型分类：分类： 金属基金属基CM； 聚合物基聚合物基CM（热固性树脂基复合材料、（热固性树脂基复合材料、 热塑性树脂基复合材料）；热塑性树脂基复合材料）； 无机非金属基无机非金属基CM（陶瓷基复合材料、（陶瓷基复合材料、C/C 复合材料）。复合材料）。 18 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义

9、及分类 2. 分类分类 根根 据基据基 体类体类 型分型分 类类 19 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 2. 分类分类 (2)根据根据增强体类型增强体类型分类分类 玻璃纤维复合材料；玻璃纤维复合材料； 碳纤维复合材料；碳纤维复合材料； 有机纤维复合材料；有机纤维复合材料； 硼纤维复合材料；硼纤维复合材料； 碳化硅纤维复合材料；碳化硅纤维复合材料； 混杂纤维复合材料等。混杂纤维复合材料等。 20 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 2. 分类分类 (2) 根根 据增据增

10、 强体强体 类型类型 分类分类 21 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 2. 分类分类 (3)根据根据分散相形态分散相形态分类分类 l连续纤维增强复合材料；连续纤维增强复合材料； l纤维织物、编织体增强复合材料；纤维织物、编织体增强复合材料； l片状材料增强复合材料；片状材料增强复合材料； l短纤维或晶须增强复合材料；短纤维或晶须增强复合材料； l颗粒增强复合材料等颗粒增强复合材料等 22 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-1复合材料定义及分类复合材料定义及分类 3. 命名命名 复合材料可根据复合材料可根据

11、增强材料增强材料和和基体材料基体材料类型命名。类型命名。 l按基体材料类型命名有按基体材料类型命名有金属基复合材料金属基复合材料、铝基复合材料铝基复合材料、 聚合物基复合材料聚合物基复合材料、环氧树脂基复合材料环氧树脂基复合材料、陶瓷基复合材陶瓷基复合材 料料等。等。 l对于对于聚合物基复合材料聚合物基复合材料，常以纤维类型命名，如，常以纤维类型命名，如玻璃纤维玻璃纤维 复合材料复合材料（俗称玻璃钢）、（俗称玻璃钢）、碳纤维复合材料碳纤维复合材料、混杂纤维复混杂纤维复 合材料合材料；更具体地，按组分材料，增强材料的名称在前，；更具体地，按组分材料，增强材料的名称在前， 基体材料名称在后，再加上

12、基体材料名称在后，再加上“复合材料复合材料”而构成。如而构成。如E-玻玻 璃纤维璃纤维和环氧树脂构成的复合材料，可命名为和环氧树脂构成的复合材料，可命名为“E-玻璃纤玻璃纤 维环氧树脂复合材料维环氧树脂复合材料”，简称（写）为，简称（写）为“E-玻璃玻璃/环氧复环氧复 合材料合材料”（俗称环氧玻璃钢）。（俗称环氧玻璃钢）。 23 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-2复合材料组成复合材料组成 组成组成 F+M+I 24 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-2复合材料组成复合材料组成 l基体即连续相基体即连续相 1.基体基体(matrix) 基体材料不

13、同有：基体材料不同有： 金属基金属基CM、 聚合物基聚合物基CM、 无机非金属基无机非金属基CM 25 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-2复合材料组成复合材料组成 1.基体基体(matrix) 聚合物基体聚合物基体热固性树脂，热塑性树脂；热固性树脂，热塑性树脂； 金属基体金属基体Al，Ni，Ti，Cu等；等； 无机非金属基体无机非金属基体陶瓷基，碳基（陶瓷基，碳基（C/C）等。）等。 强度低、模量低强度低、模量低 主要作用：主要作用： 把纤维粘结成一个整体，使纤维能共同承载；把纤维粘结成一个整体，使纤维能共同承载； 支撑纤维，使复合材料承受压缩载荷；支撑纤维，使复合材

14、料承受压缩载荷； 通过界面传递应力等。通过界面传递应力等。 26 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-2复合材料组成复合材料组成 2.增强材料增强材料(reinforcement) 是一个庞大的材料体系、品种繁多，结构与性能呈多样化，是一个庞大的材料体系、品种繁多，结构与性能呈多样化， 复合体系的系统组合、排列给予复合材料的巨大的发展空间，复合体系的系统组合、排列给予复合材料的巨大的发展空间， 原则上，原则上，基体与增强体结构与性能差异越大，愈具复合价值，基体与增强体结构与性能差异越大，愈具复合价值， 但更为重要的是基体与增强体之间的匹配但更为重要的是基体与增强体之间的匹

15、配。 作用：增强作用，承担力（载荷）作用：增强作用，承担力（载荷） 纤维比基体强度高纤维比基体强度高 27 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-2复合材料组成复合材料组成 2.增强材料增强材料(reinforcement) 28 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-2复合材料组成复合材料组成 3.界面界面(interface) 纤维与基体的粘结面纤维与基体的粘结面 CM存在大量的界面；存在大量的界面； 正是由于界面存在，赋予复合材正是由于界面存在，赋予复合材 料许多特殊性能；料许多特殊性能； 界面的特性直接影响复合材料的界面的特性直接影响复合材料的

16、性能；性能； 界面非常重要，确切讲复合材料界面非常重要，确切讲复合材料 中是个界面层中是个界面层(区、相区、相) 29 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-2复合材料组成复合材料组成 30 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-2复合材料组成复合材料组成 31 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 无规分散无规分散（弥散）增强结构（弥散）增强结构 （含颗粒、晶须、（含颗粒、晶须、 短纤维）短纤维）(randomly oriented) 连续长纤连续长纤单向增强结构（单向板）单向增强结构（单向板）(alig

17、ned) 层合层合(板板)结构结构(二维织布或连续纤维铺层，每层二维织布或连续纤维铺层，每层 不同不同)(laminate) 体增强结构体增强结构 (三维编织三维编织braided fabric or filament winding) 夹层夹层结构（蜂窝夹层等）结构（蜂窝夹层等）(sandwich constructure) 混杂混杂结构结构(hybrid constructure) 1.结构类型结构类型 32 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 引入引入相的相的“连通性连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分为概念，理论上可将复合材料结构划

18、分为 0-3型、型、1-3型型2-2型、型、2-3型、型、3-3型型等几种典型结构等几种典型结构 1.结构类型结构类型 33 三维编织纤维结构 三维正交非织造的纤维结构 (a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构 (c）一种柔性结构 管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型 1.结构类型结构类型 34 单向及准各向同性板的单向及准各向同性板的铺层铺层结构结构 1. 结结 构构 类类 型型 35 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 PCM、MCM、CCM、C/CCM等复合材料体系对界面要求各不相等复合材料体系对界面要求各不相 同，它们的成型加工方法与

19、工艺差别很大，各有特点，使复合材同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材 料界面形成过程十分复杂，理论上可分为料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段三个阶段。 2.界面形成过程界面形成过程 （1）第一阶段第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。：增强体表面预处理或改性阶段。 i) 界面设计与控制的重要手段界面设计与控制的重要手段 ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分改性层成为最终界面层的重要组成部分 iii) 为第二阶段作准备为第二阶段作准备 （2）第二阶段第二阶段：增强体与基体在：增强体与基体在一组份为液态一组份为液态（或粘流态）（或粘流态） 时的接触与浸润过程时的

20、接触与浸润过程 i) 接触接触吸附与浸润吸附与浸润交互扩散交互扩散化学结合或化学结合或 物理结合物理结合。化学结合可。化学结合可 看作是一种特殊的浸润过程看作是一种特殊的浸润过程 ii) 界面形成与发展的关键阶段界面形成与发展的关键阶段 36 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 2.界面形成过程界面形成过程 3）第三阶段第三阶段：液态（或粘流态）组分的：液态（或粘流态）组分的固化固化过程，即凝固或过程，即凝固或 化学反应化学反应 i) 界面的固定（亚稳态、非平衡态）界面的固定（亚稳态、非平衡态） ii) 界面的稳定（稳态、平衡态）界面的稳定（稳

21、态、平衡态） 在复合材料界面形成过程中涉及：在复合材料界面形成过程中涉及： i) 界面间的界面间的相互置换相互置换：如，润湿过程是一个固：如，润湿过程是一个固- 液界面置换固液界面置换固-气表面的过程气表面的过程 i i) 界面间的界面间的相互转化相互转化：如，固化过程是固：如，固化过程是固-液液 界面向固界面向固-固界面转化的过程固界面转化的过程 后处理过程：固后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程固界面自身完善与平衡的过程 37 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 3.界面处理界面处理 （1）玻纤的表面处理玻纤的表面处理 有机硅烷类偶联

22、剂有机硅烷类偶联剂 有机酸氯化铬络合物偶联剂有机酸氯化铬络合物偶联剂 偶联剂偶联剂的作用的作用(functions of coupling agent)： 在两相界面形成在两相界面形成化学键化学键，大幅度提高界面粘接强度，大幅度提高界面粘接强度 改善了界面对改善了界面对应力的传递应力的传递效果效果 提供了一个提供了一个可塑界面层可塑界面层，可部分消除界面残余应力，可部分消除界面残余应力 提供了一个提供了一个防水层防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的生。，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的生。 偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性 Cl R C OO O H C

23、l CrCr Cl Cl 38 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 3.界面处理界面处理 偶联剂的功能偶联剂的功能： （a）有机硅烷水）有机硅烷水 解形成硅醇；解形成硅醇； （b）硅醇的羟基）硅醇的羟基 与玻璃表面之间与玻璃表面之间 的氢键合；的氢键合； （c）结在玻璃表）结在玻璃表 面的聚硅氧烷；面的聚硅氧烷； （d）与聚合物反）与聚合物反 应的官能应的官能R基团基团 39 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 3.界面处理界面处理 （2）碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理 氧化处理氧化处理 氧等

24、离子气体的干法氧化氧等离子气体的干法氧化 化学或电解进行的湿法氧化化学或电解进行的湿法氧化 碳纤维氧化处理后：碳纤维氧化处理后： 能改善碳纤维表面与基体的能改善碳纤维表面与基体的浸润性、相容性浸润性、相容性 能在表面形成许多活性官能团，这些官能团能与能在表面形成许多活性官能团，这些官能团能与 树脂基体形成树脂基体形成化学键合化学键合 40 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 3.界面处理界面处理 （2）碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理 碳纤碳纤 维表维表 面官面官 能团能团 与树与树 脂脂之之 间相间相 互作互作 用示用示 意图意图 41 8.

25、1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 3.界面处理界面处理 （2）碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理 非氧化处理非氧化处理 表面沉积无定型碳表面沉积无定型碳 化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）法加涂）法加涂 碳化硅、碳化硼、碳化铬等碳化硅、碳化硼、碳化铬等 等离子体气体聚合及共聚涂层等离子体气体聚合及共聚涂层 改性改性 高效晶须化高效晶须化 非氧化处理，主要用于非氧化处理，主要用于C/C复合、复合、CCM、 MCM复合体系。复合体系。 42 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-3复合材料结构复合材料结构 3.界面处理界面处理 （

26、3）有机纤维的表面处理有机纤维的表面处理 终极防弹材料终极防弹材料 “凯芙拉凯芙拉” kevlar纤维的结构特征，使对其纤维的结构特征，使对其 进行表面处理的效果不明显。即使能有效改善界面的浸润进行表面处理的效果不明显。即使能有效改善界面的浸润 和粘接强度，但其复合材料的宏观破坏，强度难有大幅度和粘接强度，但其复合材料的宏观破坏，强度难有大幅度 提高，除非改善纤维的内在微结构，以产生更均匀和各向提高，除非改善纤维的内在微结构，以产生更均匀和各向 同性的纤维。同性的纤维。 处理方法：处理方法： 不同气氛下等离子体处理，若在不同气氛下等离子体处理，若在NH3中，中， 可引入可引入-NH2，与环氧树

27、脂发生反应；若用可聚合，与环氧树脂发生反应；若用可聚合 单体气分，可在纤维表面接枝聚合物。单体气分，可在纤维表面接枝聚合物。 纤维金属化纤维金属化(略略) 43 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-4复合材料性能复合材料性能 1、比强度、比模量高、比强度、比模量高 比强度比强度和和比模量比模量是指单位密度材料所具有的强度和模量：是指单位密度材料所具有的强度和模量： */，E/， 量纲：长度，量纲：长度，CM，M *结构材料的减重，用最轻重量获得最大强度或模量结构材料的减重，用最轻重量获得最大强度或模量 强度：强度：指材料失效指材料失效 时的最大应力值。时的最大应力值。 单

28、位：单位：MPa或或GPa。 失效有失效有断裂断裂和和屈服屈服 两种情况。两种情况。 抗拉强度：抗拉强度：指外力指外力 是拉力时的强度极是拉力时的强度极 限。受拉断裂时的限。受拉断裂时的 最大应力值称为抗最大应力值称为抗 拉强度。拉强度。 弹性模量：弹性模量：在弹性范在弹性范 围内外力随变形成比围内外力随变形成比 例增长，即所受应力例增长，即所受应力 与应变成正比，比例与应变成正比，比例 系数称为弹性模量。系数称为弹性模量。 是材料刚度的指标。是材料刚度的指标。 44 45 46 47 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-4复合材料性能复合材料性能 材料材料密度密度 （g

29、/cm3） 拉伸强度拉伸强度 （Gpa） 弹性模量弹性模量 （102Gpa） 比强度比强度 （106） 比模量比模量 （108） 钢钢7.81.032.11.32.7 铝合金铝合金2.80.470.751.72.6 钛合金钛合金4.50.961.142.12.5 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料2.01.060.45.32.0 碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料1.451.501.410.39.7 碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料1.61.072.46.715 有机纤维有机纤维/环氧复合材料环氧复合材料1.41.400.81.05.7 硼纤维硼纤维/环氧复合材料环氧复合材料2.11.382.16.610 硼纤维硼纤维/铝基复合材料铝基复合材料2.651.02.03.87.5 48 8.1 复合材料的组成与结构复合材料的组成与结构 8-1-4复合材料性能复合材料性能 2、耐疲劳性能好，破损安全性高、耐疲劳性能好，破损安全性高 瞬时耐高温性、耐烧蚀性好瞬时耐高温性、耐烧蚀性好 优异的电绝缘性和高频介电性能优异的电绝缘性和高频介电性能 良好的摩擦性能良好的摩擦性能 优良的耐腐蚀性优良的耐腐蚀性 有特殊的光学、电学、磁学特性有特殊的光学、电学、磁学特性 3、阻尼减振性好