63、复合伙料

1、6.3复合材料l6.3.1 概述 l6.3.2 复合材料的性能 l6.3.3 复合材料的分类 l6.3.4 树脂基复合材料l6.3.5陶瓷基复合材料l6.3.6金属基复合材料l6.3.7碳/碳复合材料l6.3.8塑料金属多层复合材料6.3.1 概述l1. 何谓复合材料？ l复合材料是应现代科学技术开展而涌现出的一大类具有极大生命力的新材料。复合材料系由两种或两种以上物理和化学性质不同物质组合起来而得到的一种多相固体材料。l更确切地说，利用适当的工艺方法，将两种或几种在物理性能和化学性能不同的物质组合而制成的多相固体材料，它们既能保存原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的优良

2、性能，即此材料的性能比组成材料的性能好，具有复合效果，具有组成材料相互取长补短的良好综合性能。 1. 何谓复合材料？ l例如，由一黄铜片和铁片组成的双金属片复合材料，就具有可控制温度开关的功能如图6.3.1所示。由两层塑料和中间夹一层铜片组成的复合材料，能在同一时间里在不同方向上具有导电和隔热的双重功能如图6.3.2所示，而这些功能是单一材料所无法实现的。l双金属片控制温度开关l复合材料多功能示意图 l复合材料直到20世纪40年代初才成为一门独立的学科，特别是50年代以来伴随着科学技术和现代工业的快速开展而获得迅猛开展。科学家们将复合材料划分为三个时代。1. 何谓复合材料？l第一代复合材料的代

3、表是玻璃钢，即玻璃纤维增强塑料；第二代复合材料的代表是碳纤维强化树脂CFRP以及硼纤维强化树脂BFRP；现在又进入第三代，即深入研制金属基、陶瓷基、碳/碳基复合材料。 6.3.2 复合材料的性能l1. 比强度、比模量高 l复合材料的比强度(强度极限/比重)与比模量(弹性模量/比重)比其它材料高得多。这说明复合材料具有较高的承载能力。l它不仅强度高，而且重量轻。例如碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度为钢的8倍，比模量为钢的35倍，详见下页表、图6.3.3所示。因此，将此类材料用于动力设备，可大大提高动力设备的效率。 常用金属材料与复合材料的性能比照表l 图6.3.3 复合材料与其它材料的比强度、

4、比模量比照 2. 抗疲劳性能好 l复合材料有高疲劳强度。例如，碳纤维增强聚脂树脂的疲劳强度为其抗拉强度的70%80%，而大多数金属材料只有其抗拉强度的40%50%。图6.3.4示出几种材料的疲劳曲线，可见复合材料抗疲劳性能较好。 l首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能消除或减少应力集中区的大小和数量，使疲劳源纤维和基体中的缺陷处，界面上的薄弱点难以萌生出微裂纹；即使微裂纹形成，如图6.3.5a所示，塑性变形也能使裂纹尖端钝化，减缓其扩展。 l在裂纹缓慢扩展过程中，基体的纵向拉压会引起其横向的缩涨，而在裂纹尖端的前缘造成基体与纤维的别离见图6.3.5b示，所以经过一定的应力循

5、环之后，裂纹由横向改沿纤维-基体界面纵向扩展见图6.3.5c所示。 l由于基体中密布着大量纤维，疲劳断裂时，裂纹的扩展常要经历非常曲折和复杂的路径，因此复合材料的疲劳强度都很高. l 图6.3.4 几种材料的疲劳曲线 1-碳纤维复合材料；2-玻璃钢；3-铝合金l图6.3.5 复合材料中疲劳裂纹扩展示意图 3. 破损平安性好l纤维增强复合材料是由大量单根纤维合成，受载后即使有少量纤维断裂，载荷会迅速重新分布，由未断裂的纤维承担，这样可使构件丧失承载能力的过程延长，说明断裂平安性能较好。l4. 减振性能好 l工程结构、机械及设备的自振频率除本身的质量和形状有关外，还与材料的比模量的平方根呈正比。复

6、合材料具有高比模量，因此也具有高自振频率，这样可以有效地防止在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。l 同时，复合材料中纤维和基体间的界面有较强的吸振能力，说明它有较高的振动阻尼，故振动衰减比其它材料快，如图6.3.6所示。 l 图6.3.6 两种材料振动衰减特性比较 5. 耐热性能好 l树脂基复合材料耐热性要比相应的塑料有明显的提高。金属基复合材料的耐热性更显出其优异性。例如，铝合金在400时，其强度大幅度下降，仅为室温时的00601倍，而弹性模量几乎降为零。 l而用碳纤维或硼纤维增强铝，400时强度和弹性模量几乎与室温下保持同一水平。表13-3所示为各种纤维的融点软化点，一般都在2000

7、以上，用这些纤维与金属基体组成的复合材料，高温下强度和弹性模量均有提高，因此复合材料具有更高的高温强度、高温弹性模量以及良好的抗蠕变性能。 表6.3.1 各种纤维材料的融点 l6. 减摩耐磨和自润滑性好 l塑料和钢的复合材料可用作轴承。石棉和塑料复合，摩擦系数大，是制动效果好的摩阻材料。l 7. 化学稳定性优良 l复合材料具有优良的耐化学药品侵蚀的能力。例如，纤维增强塑料制品可以在含Cl-离子的酸性介质中长期使用。 l8. 其它特殊性能 l不少复合材料具有高韧性、导电、导热、以及耐烧蚀、抗辐射等性能中的某些优异性能，使它们得到了广泛的应用。 6.3.3 复合材料的分类l复合材料的种类繁多，目前

8、还无统一分类方法，以下依据构成复合材料的三要素(即基体、增强材料状态与复合方式)来进行分类: l1. 按基体材料分类 l有金属基复合材料、聚合物基复合材料(包括塑料基复合材料、橡胶基复合材料)及无机非金属材料(即陶瓷)基复合材料(包括陶瓷基、水泥基、混凝土基、玻璃基、炭素基复合材料)等。 2. 按增强体的种类和形态分类l复合材料按照增强相的性质和形态，可分为细颗粒增强复合材料、长纤维或连续纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强复合材料、层状或层叠增强复合材料以及填充骨架增强型复合材料等。主要的复合结构如图6.3.7所示 l图6.3.7 复合材料的形态示意图3. 按复合材料的使用性能分类 l它又可分

9、为结构复合材料和功能复合材料。l所谓功能复合材料系指具有某种特殊物理或化学特性的复合材料，根据其功能可分为导电、磁性、阻尼等复合材料等;l所谓结构复合材料系指作为承力结构使用的复合材料，我们所介绍的即为此类复合材料。 4. 复合材料的命名li. 强调基体时，以基体为主来命名。如金属基复合材料。 lii. 强调增强材料时，以增强材料为主命名。如碳纤维增强复合材料。liii. 基体与增强材料并用的命名，常指某一具体复合材料。如“C/Al复合材料即为碳纤维增强铝合金复合材料。 liv. 以商业名称来命名。如“玻璃钢即为玻璃纤维增强树脂基复合材料。 6.3.4 、 树脂基复合材料l1. 塑料基复合材料

10、 l塑料的基体材料有热固性塑料(如不饱和聚脂、酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂，有机硅树脂等)和热塑性塑料(如尼龙、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯等)。l 碳纤维增强塑料 l复合特性。例如，强度(抗拉强度和疲劳强度)高，密度低，耐磨性好，耐蚀性好，膨胀系数小，能导电，延伸率小，抗冲击性差。现已用于制造齿轮、轴承、止动装置、凸轮、叶片等。典型的碳纤维增强塑料-尼龙66。 1. 塑料基复合材料l 2玻璃纤维增强塑料 玻璃纤维与热塑性塑料组成的复合材料比普通塑料有更高的强度和冲击韧度，其中以尼龙的增强效果最为显著。例如，玻璃纤维增强尼龙的强度(包括抗拉、抗弯、抗压)显著提高，热膨胀系数减小，尺寸稳定性增加，因此

11、用来制造轴承架、齿轮、仪表盘及汽车前后灯罩等。 l玻璃纤维与热固体塑料组成的复合材料通常称玻璃钢。其性能随树脂种类而异。例如，酚醛树脂玻璃钢耐高温，并有良好的综合性能，但成型工艺差(即需高温、高压才能成型);环氧树脂玻璃钢的强度高，粘着牢固，收缩小;聚脂玻璃钢成型性好。玻璃钢的性能特点是强度高，弹性模量低，耐热性差，易老化。目前玻璃钢已大量应用于建筑、造船等工业。 2. 橡胶基复合材料 l橡胶在结构与性能上与塑料、金属有很大的区别，所以橡胶基复合材料也具有独特的性能。橡胶基复合材料有纤维增强橡胶和颗粒增强橡胶两种。 l纤维增强橡胶 纤维起骨架和承力作用，而橡胶起保护和造型作用。纤维作为橡胶制品

12、(轮胎、胶带、橡胶管等)的增强材料要求高强度、低延伸率、耐挠曲、低蠕变以及与橡胶有良好粘接性能。 l2颗粒增强橡胶 橡胶工业中往往要使用大量辅助剂来改善其性能。这些辅助剂与橡胶形成多相体系，使橡胶性能有很大提高，故构成颗粒增强橡胶。 6.3.5 陶瓷基复合材料l陶瓷具有耐高温、抗氧化、高弹性模量和高抗压强度等优点。但由于其脆性大、经不起冲击和热冲击，因而限制了陶瓷的使用。目前利用纤维增强做成复合材料，以改善冲击韧性。 l1. 石墨纤维增强硅酸盐复合材料 l利用氧化锂、氧化铝和石英组成的硅酸盐制成泥浆，将其附着在石墨纤维毡上，毡片叠层经高温(13751425)加压(7MPa)制得的复合材料，冲击

13、韧性随石墨纤维的增加而提高。 l2. 碳纤维增强碳化硅(或氮化硅)复合材料 l这种复合材料比碳化硅(或氮化硅)有较高的冲击韧性。 l3. 碳化硅纤维氮化硅复合材料 l这种复合材料的冲击韧性不低于铸铁。 6.3.6 金属基复合材料l金属基复合材料的基体大多采用铝、铜、铝合金、铜合金、镁合金和镍合金;金属基复合材料的增强材料要求高强度和弹性模量(抵抗变形及断裂)、高抗磨性(防止外表损伤)与高化学稳定性(防止与空气和基体发生化学反响)。l1. 纤维增强金属基复合材料 l纤维增强金属基复合材料通常是由低强度、高韧性的基体与高强度、高弹性模量的纤维组成。常用的纤维有硼纤维、复硼SiC纤维、碳纤维、B纤维

14、、复硼碳纤维、高强度石墨纤维、高模量石墨纤维、Al2O3、-玻璃纤维、铍纤维、钨纤维、钢丝等。 1. 纤维增强金属基复合材料l1碳纤维增强金属基复合材料 碳纤维铝复合材料具有高比强度和比模量，较高的耐磨性，较好的导热性和导电性，较小的热膨胀和尺寸变化。因此，在宇航和军事方面得到应用。2氧化铝纤维增强金属基复合材料 氧化铝纤维铝复合材料具有高比强度和比模量，高疲劳强度及高耐蚀性，因此，在飞机、汽车工业上得到应用。 l3碳化硅纤维增强金属基复合材料 碳化硅纤维是一种高熔点、高强度、高弹性模量的陶瓷纤维。它以碳纤维作底丝，用二甲基二氯硅烷反响生成聚硅烷，经聚合生成聚碳硅烷纺丝，再烧结产生碳化硅纤维尼

15、可纶。 l碳化硅纤维尼可纶铝复合材料是由于尼可纶的密度(255)与铝(271)十分相近，因此能容易地制造非常稳定的复合材料，并且强度较高，在400以下随着温度的升高强度降低也不大，故可作为飞机材料。 2. 颗粒增强金属基复合材料 l1金属陶瓷 l由陶瓷颗粒与金属基体结合的颗粒增强金属称金属陶瓷。其特点是耐热性好，硬度高。但脆性大的陶瓷(金属氧化物、碳化物、氮化物)颗粒与韧性好的基体烧结粘合在一起后，产生既有陶瓷的高硬度和耐热性，又有金属的耐冲击性等复合效果。工业上应用的金属陶瓷有K增强金属即所谓超硬合金。例如，WC-Co已用作耐磨、耐冲击的工具或合金刀头。详见前述。 2弥散强化金属l将金属或氧

16、化物颗粒均匀地分散到基体金属中去，使金属晶格固定，增加位错运动的阻力。金属经弥散强化后可使室温及高温强度提高。氧化铝弥散增强铝复合材料就是工业中应用的一例。l碳/碳复合材料系指用碳纤维或石墨纤维或是它们的织物作为碳基体骨架，埋入碳基质中增强基质所制成的复合材料。碳基质是用热固性树脂或沥青烧成的裂解碳，或是有烃类化合物气体在高温下分解出的沉积碳，即所谓化学气相沉积CVD碳制成。 6.3.7 碳/碳复合材料l碳/碳复合材料按所用增强的碳基体骨架和碳基质材料的不同，一般可分为以下三类：l 碳纤维增强碳C-C，l 石墨纤维增强碳Gr-Cl 石墨纤维增强石墨Gr-G。 l碳/碳复合材料完全是由碳元素构成

17、的。 l碳是化学性能较稳定的元素，碳原子相互间的强亲和力和碳的高升华温度3649使这种材料在极高温度下仍保持固态。碳基质通过高强碳纤维或高模量石墨纤维的定向增强，可制成硬度高、刚性好的复合材料。在1300以上，许多高温合金和无机耐高温材料都失去强度，惟独碳/碳复合材料的强度还梢有升高。 1. 碳/碳复合材料的性能 l碳/碳复合材料的性能随所用碳基体骨架用碳纤维性质、骨架的类型和结构、碳基质所用原料及制造工艺、碳的质量和结构、碳/碳复合材料制成工艺中各种物理和化学变化、界面变化等因素的影响而有很大差异。又由于使用目的，对材料的加工处理等不尽相同，测出的性能数据常常不一致。 l以下，仅对碳/碳复合

18、材料的性能作一概述。 l1化学成分 其成分全部是碳元素，碳的质量分数常占90%以上，有的可达98%99%。 1. 碳/碳复合材料的性能l2化学稳定性 其在很宽的温度范围内对常遇到的化学腐蚀物具有化学稳定性。但碳元素在较高温度下能与氧、硫、卤素起反响，其中与空气氧反响的温度并不很高，碳在590以上即能燃着，故碳/碳复合材料在有空气氧化条件下的高温使用容易氧化，必须在其外表覆盖一层抗氧化膜。 l通常将碳/碳复合材料埋入极微细粒碳化硅流化床，在氩气氛中经1650高温处理，碳化硅渗入复合材料外表形成一薄层抗氧化膜，也可用化学气相渗入法在复合材料外表形成一层碳化硅膜。l3多孔性 其在制造过程中有气体渗入

19、或致密化过程不够，常具有多孔性，空隙率常为10%35%，如在制造过程中反复致密化，空隙率可降至4%8%。 1. 碳/碳复合材料的性能l4吸水性 由于其多孔性，故常在外表或孔隙间吸附水或其它液体，吸水率约5%15%。l5力学性能 其力学性能取决于所用碳基体骨架的纤维及结构和所形成碳基质的质量及结构，例如用高模量碳纤维制成碳/碳复合材料的力学性能较用高强度碳纤维制成的要高。碳/碳复合材料的高温力学性能是其特有的优点，其在1300以上时力学强度不仅没有下降反而升高，据测在1600时其强度增高40%，力学强度可保持到2000。 l6热物理性能 其具有优异的耐热性能。热函和比热容的变化是随温度升高而增加。l7烧蚀性能 其烧蚀性能好即烧蚀热量高，它成功地用在航空工业作为返回大气层的运载器的头锥和热屏。它比早期用酚醛树脂制成的复合材料在烧蚀性能方面要高0.45倍。经石墨化的碳/碳复合材料较未经石墨化的在烧蚀性能方面要高些。 2. 碳/碳复合材料的应用 l碳/碳复合材料最初用于航天工业，作为战略导弹和航天飞机的防热部件，