复合材料学之一

1、金属基复合材料学 许光明自我介绍n籍贯：浙江省浦江县n1984，9-1988，7 东北大学材料成型与控制1988，91991，3 东北大学研究生院n1991，41993，8 沈阳薄板厂工作n1993，91998，3 东北大学研究生院n1998，3至今 在东北大学工作n2000 副教授n2005 教授n2009 博导完成项目n1) 国家863：先进层状复合材料及其制备技术n2) 国家支撑项目：变形镁合金的铸轧技术开发n3) 国家973项目：静磁场铸轧镁合金板材n4)电磁铸轧镁合金板材n正在研究项目n1) 电磁振荡铸轧5000系铝合金板材n2) 镁合金板材铸轧与轧制技术开发主要研究方向n1) 轻金

2、属特种铸轧技术n2) 镁合金基复合材料制备技术上课要求和考试n1 学习目的：了解金属基复合材料的基础知识n2要求：记一些笔记（重要知识点）n3 考试：开卷（30%）+最后一个大题30%n4 平时：40 目 录n1 1 复合材料概论复合材料概论n2 2 复合理论复合理论n3 3 复合材料的界面复合材料的界面n4 4 复合材料的增强材料复合材料的增强材料 n5 5 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺1 1 复合材料概论复合材料概论材料分类：材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋各有千秋扬长避短扬长避短 克服单一材料的缺点 产生原来单一材料没有本身所没

3、有的新性能复合材料复合材料 复合材料的定义复合材料的定义 国际标准化组织国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料物质组合起来而得到的一种多相固体材料 材料科学技术百科全书材料科学技术百科全书 ：复合材料是由有机高分：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计

4、使各组分的性能互相补充并彼此关联，以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。质区别。 材料大词典材料大词典 复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。使其性能互补，从而制成的一类新型材料。 复合材料的特点之一复合材料的特点之一：是不仅保持原组分的部分优点，：是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性

5、能；而且产生原组分所不具备的新性能； 特点之二特点之二：是它的可设计性，通过对原材料的选择、：是它的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使料的优点互相补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。之出现新的性能，最大限度地发挥优势。 对各种定义解释总结对各种定义解释总结， 复合材料应包括复合材料应包括： 组元是人们根据材料设计的基本原则组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择有意识地选择，至少包括两种至少包括两种物理和力学性能不同的物理和

6、力学性能不同的独立组元独立组元，其中，其中一组元的体积分数一般不低于一组元的体积分数一般不低于20，第二组元通常为，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；纤维、晶须或颗粒； 复合材料是复合材料是人工制造人工制造的，而非天然形成的。的，而非天然形成的。 复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优优于独立组元的性质于独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。性能。 复合材料应具备以下三个特点复合材料应具备以下三个特点： 1） 复合材料是由复合材料是由两种或两种两种或两种以上不同性能的材料组以上不同性能的材料组元通过宏观

7、或微观复合形成的一种新型材料，组元之元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的间存在着明显的界面界面； 2） 复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性，而，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一单一材料组元所不具备的优良特殊性能材料组元所不具备的优良特殊性能； 3）复合材料具有）复合材料具有可设计性可设计性。可以根据使用条件要求进。可以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。高工程结构的效能。 复合材料

8、的复合材料的结构结构 通常是一个相为连续相，成为通常是一个相为连续相，成为基体基体；而另外一相是以；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为强材料的性能，故常称为增强材料增强材料（增强体、增强剂、（增强体、增强剂、增强相等）。增强相等）。 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。散的填料。 在基体和增强体之间存在着界面。在基体和增强体之间存在着界面。典

9、型复合材料纤维增强复合材料典型复合材料纤维增强复合材料n1） 比强度、比模量高：n强度和弹性模量与密度的比值，它们是衡量材料承载能力的一个重要指标。材料比强度cm比模量cm钢0.13E60.27E9铝合金0.17E60.26E9高强碳纤维/环氧树脂1.03E60.21E9高模量碳纤维/环氧树脂1.05E60.67E9n2 抗疲劳性能好：疲劳破坏是材料在交变载荷作用下由裂纹的产生和扩展而形成的低应力破坏。大多数金属材料的疲劳极限是抗拉强度的4050，而纤维增强复合材料的疲劳极限是抗拉强度的7080。n3 破损安全性好：纤维增强复合材料内有大量的独立纤维，当这种材料的构件超载并有少量纤维断裂时，其

10、载荷会重新分配在未断裂的纤维上。这样，不会在短期内丧失承载能力。n4 能组成各种功能材料：如铜包钢线、钢丝铝绞线等2 复合材料的分类复合材料的分类按按增强材料形态增强材料形态分类分类1、纤维纤维增强复合材料：增强复合材料： a.连续连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；都位于复合材料的边界处； b.非连续非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；基体材料中；2、颗粒颗粒增强复合材料：增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体微小颗粒状增强材料分散在基体中；中；3、板

11、状板状增强体、增强体、编织复合材料：编织复合材料：以平面二维或立体三维以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。物为增强材料与基体复合而成。其它增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体其它增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 图图2 复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)层叠复合层叠复合 b)连续纤维复合连续纤维复合 c)细粒复合细粒复合 d)短切纤维复合短切纤维复合纤维增强复合材料分类纤维增强复合材料分类 玻璃玻璃纤维复合材料；纤维复合材料； 碳纤维碳纤维复合材料；复合材料； 有机纤维有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维

12、等）复合材料；烯烃纤维等）复合材料； 金属纤维金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； 陶瓷纤维陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。复合材料。混杂混杂复合材料：复合材料：两种或两种以上增强体两种或两种以上增强体同一基体制成的复合材料称为，同一基体制成的复合材料称为，可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料复合材料”。n按按基体材料基体材料分类分类n 聚合物基聚合物基复合材料复合材料:以有机聚合物（热固以有

13、机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；n 金属基金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；为基体；n 无机非金属无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。包括玻璃和水泥）为基体。n按按材料作用材料作用分类分类 结构结构复合材料：用于制造受力构件；复合材料：用于制造受力构件； 功能功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。同质同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物复合材料（增强

14、材料和基体材料属于同种物质，如碳质，如碳/碳复合材料）碳复合材料）异质异质复合材料（复合材料多属此类）。复合材料（复合材料多属此类）。表表1 复合材料系统组合复合材料系统组合金属基体金属基体选择基体的原则选择基体的原则 目前用作金属基复合材料的金属有目前用作金属基复合材料的金属有铝铝及铝合金、及铝合金、镁镁合金、合金、钛钛合金、合金、镍镍合金、合金、铜铜与铜合金、与铜合金、锌锌合金、合金、铅、钛铝、镍铝铅、钛铝、镍铝金属间化合物金属间化合物等。等。1) 基体材料成分的选择对能否基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点体金属和增强物性能特点，获得预期的，获得

15、预期的优异综合性优异综合性能能，满足使用要求十分重要。，满足使用要求十分重要。 n 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求n金属基复合材料构件的金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据材料最重要的依据。n在在航天、航空技术航天、航空技术中中高比强度和比模量高比强度和比模量以及以及尺寸稳定尺寸稳定性性是最重要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜是最重要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金选用密度小的轻金属合金镁合金和铝合金作为基体，镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨与高强度、高模量的

16、石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、镁、石墨石墨/铝、硼铝、硼/铝复合材料。铝复合材料。n高性能发动机高性能发动机则要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具则要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的有优良的耐高温耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。间化合物作为基体材料。n如碳化硅如碳化硅/钛、钨丝钛、钨丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。

17、转轴等重要零件。n在在汽车发动机汽车发动机中要求其零件中要求其零件耐热、耐磨、导热耐热、耐磨、导热、一定的高温强度、一定的高温强度等，同时又要求等，同时又要求成本低廉成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。铝基复合材料。n如碳化硅如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。发动机活塞、缸套等零件。n工业工业集成电路集成电路需要需要高导热、低膨胀高导热、低膨胀的金属基复合材料

18、的金属基复合材料作为散热元件和基板。作为散热元件和基板。n选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。为解决高集成电子器件的关键材料。n 金属基复合材料组成特点金属基复合材料组成特点n连续连续纤维增强金属基复合材料，纤维增强金属基复合材料，纤维

19、是主要承载物体纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维。和模量远远低于纤维。n连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维，基体本身应与纤维有有良好的相容性和塑性良好的相容性和塑性，而，而并不要求并不要求基体本身有很高基体本身有很高的强度。的强度。 n1.3 复合材料的发展历史n发展过程：古代近代现代复合材料发展过程：古代近代现代复合材料历史悠久的复合材料历史悠久的复合材料 草梗合泥筑

20、墙，且延用至今草梗合泥筑墙，且延用至今 漆器：麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年漆器：麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年近代复合材料近代复合材料 层合板：木材薄板粘合剂层合板：木材薄板粘合剂 钢筋混凝土钢筋混凝土 纤维增强橡胶：钢丝、尼龙丝、玻璃纤维增强，做轮胎、防水布、纤维增强橡胶：钢丝、尼龙丝、玻璃纤维增强，做轮胎、防水布、潜水服等潜水服等现代复合材料现代复合材料1） 第一代复合材料第一代复合材料复合材料的发展始于复合材料的发展始于20世纪世纪40年代，第二次世界大战中，玻璃纤维增强年代，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。聚酯树脂复合材料

21、被美国空军用于制造飞机构件开始算起。50年代得到年代得到了迅速发展。了迅速发展。我国我国从从1958年开始发展复合材料年开始发展复合材料 2）第二代复合材料）第二代复合材料为了提高第一代复合材料的性能，研究和发展了新型的纤维和晶须，如碳纤为了提高第一代复合材料的性能，研究和发展了新型的纤维和晶须，如碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝晶须和纤维等，用这些纤维或晶须作维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝晶须和纤维等，用这些纤维或晶须作增强材料制成的复合材料当时被称为先进复合材料。碳纤维增强塑料是增强材料制成的复合材料当时被称为先进复合材料。碳纤维增强塑料是第二代复合材料的代表。长期使用温度第二代复合材料

22、的代表。长期使用温度260300 首先在航空航天技术和军事上应用如导弹、火箭、人造卫星等尖端工业首先在航空航天技术和军事上应用如导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，同时，复合材料也成为发展高技术的关键材料。中，同时，复合材料也成为发展高技术的关键材料。 另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、建筑、另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、建筑、电子、桥梁、医疗、建筑、体育运动器材等领域。作为领域的关键新材电子、桥梁、医疗、建筑、体育运动器材等领域。作为领域的关键新材料，被列位国家高技术研究发展计划纲要重要内容。料，被列位国家高技术研究发展计划纲要重要内容。例：例：

23、 波音波音757757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升飞机中能量吸收结构部的机翼和机身复合材料整流包皮、直升飞机中能量吸收结构部件等。件等。 F117F117隐性飞机全复合材料隐性飞机全复合材料各国在发展高技术计划中对先进复合材料都给予优先考虑各国在发展高技术计划中对先进复合材料都给予优先考虑为增强我国综合国力，我国已把先进复合材料作为为增强我国综合国力，我国已把先进复合材料作为发展高技术发展高技术 1965年英国科学家研制出碳纤维年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环

24、氧树脂复合碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。用于飞机、火箭的主承力件上。n第三代：第三代：1980年到年到1990年，碳纤维增强金属或陶瓷基复合材料年，碳纤维增强金属或陶瓷基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。如碳纤维增强铝基复合材以铝基复合材料的应用最为广泛。如碳纤维增强铝基复合材料，用于制备网球拍，碳纤维增强碳或石英复合材料。料，用于制备网球拍，碳纤维增强碳或石英复合材料。n第四代：第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，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。如智能复合材料和梯度功能材料等。1.4 金属基复合材料n1） 金属基复合材料的发展史n1920年贵金属包覆的电接点材料n二次大战：出现了Al/Fe/Al代替Ni作真空管阳极， 后出现了Al/Fe/Cu, Al/Fe/Cu/Al等层压板。n50年代：出现了黄铜/钢/黄铜的硬币、铜包钢线、铝包钢线n70年代：铜包铝线n1923年用粉末冶