复合材料汇报

1、复合材料总结 2012年5月7日 一、复合材料的定义和命名： 1、复合材料的定义：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。 2.复合材料的命名：复合材料可根据增强材料和集体材料的名称来命名。按基体材料命名的有金属基复合材料、聚合物基复合材料、环氧树脂基复合材料等。聚合物基复合材料通常以增强纤维的类型来命名，如玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料等。 二、复合材料的分类二、复合材料的分类 n1、按基体材料分类，、按基体材料分类，可分为聚合物基、可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。陶瓷基和金属基复合材料。n 2、按增强相形状分类，、按增强相形状分类，可分为纤维增强可分为纤

2、维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。合材料。n 3、按复合材料的性能分类、按复合材料的性能分类，可分为结构，可分为结构复合材料和功能复合材料。复合材料和功能复合材料。SiC颗粒颗粒Al2O3片片Al2O3纤维纤维增强相三种类型增强相三种类型复合材料基本性能n可综合发挥出各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料没有的性能。n性能的可设计性，可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。例如针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计n可制成任意形状的产品，可避免多次加工工序 纤维增强复合材料的复合原理（一）外载荷与纤维方向一致理

3、想情况：复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和直径都是均匀的，并且连续排列，同时纤维与基体间为理想结合，在界面上不发生滑移。纤维与基体处于等应变状态：mfc纤维与基体处于等应变状态：mfc作用在复合材料上的总力：mfcFFF纤维受到的应力：基体受到的应力：fffEmmmEFcFcAc纤维所承受的载荷：基体所承受的载荷：ffffffAEAFmmmmmmAEAF总载荷作用在整个横截面上：mmffcccAAAFmmffcmmcffcAAAAFcFcAcmmffc复合材料的混合定律：纤维与基体处于等应变状态：mfcmmmfffccmmffcEEE复合材料弹性模量的混合定律：纤维增强复合材料的复合

4、原理（二）外载荷与纤维方向垂直FcFc复合材料的应变量等于各组元应变量与体积分数乘积之和：复合材料、纤维和基体处于等应力状态：mfcmmffcmmmfffccEEEmmffcEEE1纤维增强复合材料的复合原理（三）混合原理在物理性能的应用复合材料的密度：mmffc复合材料沿纤维排列方向的热导率：复合材料沿纤维排列方向的磁导率：mmffcKKKmmffckkk颗粒增强复合材料的复合原理复合材料的密度的混合原理：mmppc刚性纯颗粒增强的复合材料，上限值：下限值：mmppcEEEpmmpmpcEEEEE复合材料的增强机理（一）纤维增强n设计目标：纤维增强树脂基复合材料、纤维增强金属基复合材料提高室

5、温和高温下的强度和弹性模量纤维增强陶瓷基复合材料提高基体材料的韧性，即增韧复合材料的增强机理（一）纤维增强机理n增强纤维脆性较大。细纤维使产生裂纹的几率降低，有利于纤维脆性的改善和强度的提高n纤维处于基体当中，彼此隔离，表面受到基体的保护作用，不易受到损伤，使承载能力增强n复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，基体能阻止裂纹扩展n纤维受载断裂时，纤维从基体中被拔出必须克服基体对纤维的粘结力以及它们之间的摩擦力，使材料的抗拉强度大大提高复合材料的增强机理（一）纤维增强应注意的问题n增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料高n基体和纤维之间要有一定黏结作用，具有适当的结合强度n纤维应有合理

6、的含量、尺寸和分布n纤维应与基体的线膨胀系数相匹配n纤维与基体之间要有良好的相容性复合材料的增强机理（二）颗粒增强机理n根据增强颗粒的大小，分弥散增强复合材料（纳米级的细颗粒）纯颗粒增强复合材料（微米级的颗粒）n弥散增强复合材料增强材料：金属氧化物、碳化物、硼化物等机理：弥散分布的硬颗粒阻碍位错的运动n纯颗粒增强复合材料增强材料：尺寸较小、分布均匀的颗粒机理：借助于限制颗粒临近基体的运动，约束基体的变形复合材料的增韧机理（一）纤维增韧n纤维增韧：由于定向、取向或无序排布的纤维的加入，陶瓷基复合材料韧度显著提高n单相排布长纤维增韧各向异性，使用纵向性能增韧机理：纤维拔出、纤维断裂、裂纹转向n多维

7、多向排布纤维增韧纤维排布方式：将纤维制成纤维布、纤维分层单向排布增韧机理：纤维拨出、纤维断裂、裂纹转向复合材料的增韧机理（一）纤维增韧n短纤维增韧陶瓷基复合材料要求：短纤维择优取向或定向排列机理：纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向n晶须增韧陶瓷基复合材料要求：优化界面强度机理：晶须的拔出桥连、裂纹转向机制复合材料的增韧机理（二）颗粒增韧n相变增韧n裂纹转向和分叉增韧机理：裂纹前沿遇到高强度的硬颗粒的阻碍，使扩展方向片转和分叉单斜ZrO21200C1000C四方ZrO2复合材料的增强材料n在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。n增强材料共分为三类：n 纤维及其织物：纤维增

8、强体有碳纤维、硼纤维、碳化硅等无机纤维，还有芳纶、超高分子量聚乙烯等有机纤维。纤维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。 复合材料的增强材料n 晶须：是在人工控制条件下，以单晶形式生长成的一种纤维。晶须的直径一般为几微米，长几十微米，是一种无缺陷的理想完整晶体。从大的方面来看，晶须分为陶瓷晶须和金属晶须两类，用作增强材料的主要是陶瓷晶须。近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。n 颗粒增强体：用以改善复合材料力学性能、提高断裂性、耐磨性和硬度、增进耐腐蚀性能的颗粒状材料。n颗粒增强体

9、的平均尺寸为3.510um，最细的为纳米级(1-100nm)，最粗的颗粒粒径大于30um。目前使用的颗粒增强体有SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、Si3N4、TiB2、BN、C(石墨) 纤维增强复合材料 n纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在l0m以下，缺陷较少又小，断裂应变不大于百分之三，是脆性材料，容易损伤、断裂和受到腐蚀。 基体相对于纤维来说，强度和模量要低得多，但可经受较大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料。 纤维增强复合材料n 纤维增强复合材料的性能体现在以下方面：比强度高比刚度大、成型工艺好、材料性能可以设计、抗疲劳性能好、破损安全

10、性能好。多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小、叠层复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度很低。影响复合材料性能的因素很多，会引起复合材料性能的较大变化。 聚合物复合材料的设计结构设计结构设计铺层设计铺层设计单层材料设计单层材料设计正确选择增强材料、基体材料及其配比，决定单层板的性能对铺层材料的铺层方案做出合理安排，决定层合板性能确定产品结构的形状和尺寸复合材料结构设计过程n复合材料结构设计是选用不同材料综合各种设计（如层合板设计、典型结构设计、连接设计等）的反复过程。n需考虑的一些主要因素：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通用性、设计经验复合材料结构设计过程性能要求载荷情

11、况环境要求形状限制源材料选择铺层性能确定应力与变形分析失效分析层合板设计典型构件分析结构设计图1：复合材料结构设计综合过程图n（1）明确设计条件。如性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等n（2）材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定、复合材料层合板的设计等n（3）结构设计。包括复合材料典型结构件（如杆、梁、板、壳等）的设计，以及复合材料结构（如刚架、硬壳式结构等）的设计。复合材料结构设计条件n结构性能要求n载荷情况n环境条件n结构的可靠性与经济性复合材料结构设计条件n结构性能要求n载荷情况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。对结构形状和尺寸有一

12、定限制隔绝外界的环境状态而保护内部物体静载荷：指缓慢的由零增加到某一数值后就保持不变或变动的不显著的载荷。动载荷：指能使构件产生较大的加速度，并且不能忽略由此而产生的惯性力的载荷。复合材料结构设计条件n环境条件n结构的可靠性与经济性力学条件：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、风沙等图2：结构成本与可靠性的关系材料设计n材料设计，通常是指用几种原材料组合成具有所要求性能的材料的过程。n材料设计包括原材料选择、单层性能的确定和复合材料层合板设计n在此以聚合物基的复合材料的设计为例1.原材料选择与复合材料性能（1）原材料选

13、择原则n比强度、比刚度高的原则n材料与结构的使用环境相适应的原则n满足结构特殊性要求的原则n满足工艺性要求的原则n成本低、效益高的原则nA.若结构要求有良好的透波、吸波性能，则可选取玻璃纤维、开芙拉、氧化铝纤维等作为增强材料。nB.若结构要求有高的刚度，可选用高模量碳纤维或硼纤维。nC.若结构要求有高的抗冲击性能，则可选用玻璃纤维、开芙拉纤维。nD.若结构要求有很好的低温工作性能，则可选用低温下不脆化的碳纤维。2.纤维选择n要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作。n要求基体材料具有一定的力学性能。n要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用n要求基体材料

14、具有满足使用要求的物理、化学性能n要求具有一定的工艺性3.树脂的选择结构设计n(1)复合材料结构一般采用按使用载荷设计、按设计载荷校核的方法。n(2) 复合材料失效准则只适用于复合材料的单层。在未规定使用某一失效准则时，一般采用蔡-胡失效准则，且正则化相互作用系数未规定时也采用-0.5。n(3)有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数据和平均值，而有刚度要求的重要部位需要选取B 基准值。 聚合物基复合材料的制造大体包括如下：聚合物基复合材料的制造大体包括如下： 预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工。处理与机械加工。1、预浸料

15、制备：、预浸料制备：预浸料是指定向排列的预浸料是指定向排列的连续纤连续纤维维（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的的薄片状薄片状半成品。半成品。 聚合物复合材料制造及成型原理聚合物复合材料制造及成型原理预浸料制备：预浸料制备：2、制件成型固化工艺一是一是，即将，即将按产品的要求，按产品的要求，铺置成一铺置成一定的形状定的形状，一般就是产品的形状，一般就是产品的形状; ;二是二是，即把已，即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的，在在温度、时间和压力等因素影响下温度、时间和压力等因素影响下使使下来，并能达到预期的性能要求。下来，并能达到预期的性能要求。在

16、模具上涂刷在模具上涂刷，再在其上铺贴一，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的层按要求剪裁好的，用刷子、压辊或刮刀压挤织，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其物，使其并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。 （1 1）手糊成型）手糊成型 将分别将分别混有促进剂和引发剂的混有促进剂和引发剂的从喷枪两侧（或从喷枪两侧（或在喷枪内混合在喷枪内混合）喷出，同时将）喷出，同时将用切割机切断用切割机切断并并由喷枪中心由喷枪中心喷出，喷出，与树脂一起与树脂一起。 喷射成型原理图喷射成型原理图 （3） 缠绕成型：缠绕成型：缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种