第6章 复 合 材 料

1、第第6章复章复 合合 材材 料料6.1复合材料概述6.2增强材料及其界面6.3常用复合材料及其性能6.4复合材料的力学性能预测6.1复合材料概述复合材料概述6.1.1复合材料的定义6.1.2复合材料的命名与分类6.1.1复合材料的定义复合材料的定义(1)复合材料的特性(2)基体的作用(3)增强材料的作用(1)复合材料的特性复合材料的特性1)可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有单一材料所没有的性能。2) 可针对材料性能的需要进行材料的设计和制造。3) 可制成所需的任意形状的产品，省掉材料的多次加工工序。(2)基体的作用基体的作用1)可把分散的增强相(如纤维)粘接在一起。2)可分配纤维间的

2、载荷。3)保护纤维不受环境影响。(3)增强材料的作用增强材料的作用1) 承受载荷。2)纤维材料为复合材料提供刚度、强度和热稳定性。6.1.2复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类1.按增强材料的几何形态分类2.按基体材料的种类分类3.按材料作用分类1.按增强材料的几何形态分类按增强材料的几何形态分类(1) 颗粒增强复合材料颗粒状增强材料分散在基体材料中的复合材料称为颗粒增强复合材料。(2)纤维增强复合材料增强材料的形貌为纤维状的复合材料称为纤维增强复合材料。(3) 编织增强复合材料增强材料为平面二维或立体三维编织物形态的复合材料称为编织增强复合材料。图6-2几种复合材料的结构示意图1.按增强

3、材料的几何形态分类按增强材料的几何形态分类图6-1复合材料按增强材料的几何形态分类2.按基体材料的种类分类按基体材料的种类分类(1)聚合物基复合材料是指以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制成的复合材料，如玻璃纤维/环氧树脂复合材料等。(2)金属基复合材料是指以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料等。(3)陶瓷基复合材料是指以陶瓷材料为基体制成的复合材料。3.按材料作用分类按材料作用分类(1)结构复合材料结构复合材料用来制作承受载荷的结构部件，要求它质量轻，强度和刚度高，且能承受一定温度；有时还要求材料的热膨胀系数小、绝热性能好等其他性能。(2)功能复合材料具有各种特殊

4、性能(如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等)的复合材料称为功能复合材料。6.2增强材料及其界面增强材料及其界面6.2.1复合材料的增强材料6.2.2复合材料的界面6.2.1复合材料的增强材料复合材料的增强材料1.玻璃纤维2.碳纤维3.芳纶纤维4.其他纤维1.玻璃纤维玻璃纤维(1)玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法有很多，一般从原料成分和以单丝直径来分类。(2)玻璃纤维及其制品的生产工艺连续(无碱)玻璃纤维及其制品的制造，一般由制球、拉丝和纺织三个部分组成。(3)玻璃纤维的性能玻璃纤维具有一系列优良性能，如拉伸强度高，防火、防霉、防蛀，耐高温和电绝缘性能好等。图6-3拉制玻璃纤维示意图2.碳纤维

5、碳纤维(1)碳纤维的分类当前国内外已经商品化的碳纤维种类很多，一般根据碳纤维的性能和原丝原料来分类。(2)碳纤维的制造目前，制作碳纤维的主要原材料有三种，即人造丝(粘胶纤维)、聚丙烯腈(PAN)及沥青。(3)碳纤维的性能碳纤维的性能取决于碳纤维的物理及化学结构，由于碳纤维中的碳分子基本平面总是平行于碳纤维轴，因此其性能具有各向异性的特点。表6-1玻璃纤维与玻璃及金属材料的性能对比图6-4石墨的晶体结构图6-5用聚丙烯腈(PAN)制造碳纤维的工艺过程及材料结构的变化a) PANb) 梯形聚合物c) oxyPANd) 碳e) 石墨表6-2碳纤维的主要性能3.芳纶纤维芳纶纤维(1)芳纶纤维的制备将芳

6、纶溶于硫酸溶液，形成纺丝原液。(2)芳纶纤维的性能特点由于在芳纶纤维中分子定向排列，沿纤维方向为强的共价键，而横向为弱的氢键，故其性能有各向异性的特点。图6-6芳纶纤维的结构a) 化学结构式b) 分子排列c) 纤维三维取向表6-3芳纶纤维与其他各种纤维的性能比较4.其他纤维其他纤维(1)碳化硅纤维碳化硅(SiC)纤维是以碳化硅为主要组分的一种陶瓷纤维，这种纤维具有良好的高温性能及高强度、高模量和化学稳定性，主要用于增强金属和陶瓷，制备耐高温的金属或陶瓷基复合材料。(2)硼纤维硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相沉积法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维。(3)氧化铝纤维氧化铝纤维是指以Al2O3

7、为主要成分的陶瓷纤维，一般氧化铝的质量分数大于70。(4)晶须晶须尺寸很小，其直径只有几个微米，长度一般为几厘米，为单晶体。图6-7各类增强纤维的比强度与比模量6.2.2复合材料的界面复合材料的界面1.浸润2.界面结合3.增强材料的表面处理1.浸润浸润图6-8液体在固体表面的平衡2.界面结合界面结合(1)机械铰合增强纤维与基体之间的机械铰合可形成界面结合。(2)静电结合当增强纤维和树脂基体二者表面带不同的电荷时，正电荷-负电荷之间会产生界面静电结合。(3)化学键结合增强纤维表面的化学基团与树脂基体表面的化学基团之间靠化学反应形成化学键结合。(4)分子缠结结合当基体与增强体都是聚合物材料时，增强

8、纤维表面的长链高分子与树脂基体表面的长链高分子相互缠结结合。(5)扩散反应结合扩散反应结合发生在金属基与陶瓷基复合材料中。3.增强材料的表面处理增强材料的表面处理(1)玻璃纤维通常玻璃纤维(主要成分是硅酸盐)与树脂基体的界面粘接性不好，故常采用偶联剂涂层的方法对纤维表面进行处理。(2)碳纤维碳纤维(主要为石墨结构)轴平行于石墨结构的基本平面，因此，用未经表面处理的碳纤维制成的复合材料其层间剪切强度低。(3)芳纶纤维目前主要是基于化学键理论，通过有机化学反应和等离子体处理，在纤维表面引进或产生活性基团，从而改善纤维与基体之间的界面粘接性能。(4)其他纤维对于用于制备金属基复合材料的纤维，表面处理

9、的目的主要是改善纤维的浸润性和抑制纤维与金属基体之间生成界面反应层。6.3常用复合材料及其性能常用复合材料及其性能6.3.1聚合物基复合材料6.3.2金属基复合材料6.3.3陶瓷基复合材料6.3.1聚合物基复合材料聚合物基复合材料1.聚合物基复合材料的基体与增强体2.聚合物基复合材料的成型加工技术3.聚合物基复合材料的性能4.常用聚合物基复合材料5.聚合物基复合材料的应用1.聚合物基复合材料的基体与增强体聚合物基复合材料的基体与增强体(1)基体聚合物基复合材料的基体可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。(2)增强体在聚合物基复合材料中，常用的增强体形状为颗粒状、短纤维和长纤维，其中长纤维应用最多

10、。图6-9用热固性树脂制备预浸料坯带示意图2.聚合物基复合材料的成型加工技术聚合物基复合材料的成型加工技术1)浸渍。2)铺层。3)合并。4)固化。(1)手糊成型手糊成型是早期采用的简单聚合物基复合材料的制备方法，可以用图6-10所示的生产流程图来表示。(2)喷射成型图6-11所示为喷射成型示意图。(3)模压成型模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法，其设备与塑料成型设备类似。(4)树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding，简称RTM)RTM是一种闭模成型方法，其基本过程如图6-12所示。(5)连续缠绕成型连续纤维缠绕成型如图6-14所示。(6)

11、拉挤成型图6-15所示为拉挤成型过程原理图。(7)真空压力成型真空热压成型以预浸料坯带为原材料，经过铺层，将铺层件用真空袋包装，抽真空及加热加压等过程使产品固化成型。图6-10手糊成型生产流程图图6-11喷射成型示意图图6-12树脂传递模塑成型3.聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能(1)具有较高的比强度和比模量纤维聚合物复合材料的强度及模量与常用的金属材料，如钢、铝、钛相当。(2)抗疲劳性能好金属材料的疲劳破坏是由里向外发展的，断裂突然发生，事前没有任何预兆。(3)减振性能好具有较高自振频率的受力部件会避免工作状态下引起的早期破坏。(4)安全可靠性高聚合物基复合材料中有大量的独立纤维

12、，每平方厘米的复合材料上有几千根甚至上万根纤维，在短期内不至于使整个构件失去承载的能力。(5)可设计性强、成型工艺简单通过改变纤维、基体的种类和相对含量，以及纤维集合形式和排列铺层方式等可以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求。表6-4金属与聚合物基复合材料的比强度和比模量对比4.常用聚合物基复合材料常用聚合物基复合材料(1)玻璃纤维增强热固性塑料(代号GFRP)玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维(包括长纤维、布、带、毡等)为增强材料，热固性塑料为基体的纤维增强塑料。(2)玻璃纤维增强热塑性塑料(代号FR-TP) 玻璃纤维增强热塑性塑料是指玻璃纤维(包括长纤维或短切纤维)为增强材料。(3)碳

13、纤维增强塑料碳纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体，以碳纤维为增强材料的塑料。(4)芳纶纤维增强塑料芳纶纤维增强塑料的基体材料主要是环氧树脂，其次是聚乙烯、聚碳酸酯聚酯等。(5)硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料是指硼纤维增强环氧树脂。(6)碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料主要是指碳化硅纤维增强环氧树脂。表6-6玻璃纤维增强热塑性塑料与热塑性塑料的性能对比5.聚合物基复合材料的应用聚合物基复合材料的应用(1)在航空航天方面的应用航空航天工程对材料的首要要求是高的比强度、比模量和耐烧蚀性能。(2)在交通运输方面的应用聚合物基复合材料在交通运输方面的应用已有几十年的历史，主要包括车辆制造及造船工业。

14、(3)在石油化工方面的应用纤维增强聚合物基复合材料具有突出的耐酸、耐碱和耐其他介质腐蚀等特点，因而，在化学防腐工程上和石油化工设备方面获得了广泛应用。(4)在建筑工程方面的应用玻璃纤维增强聚合物基复合材料具有透光、隔热、隔音、耐腐蚀及成本较低等特点，因而在建筑工业上得到了广泛应用。(5)在电气和机械方面的应用聚合物基复合材料具有优异的介电性能，又有耐蚀、耐磨、隔声、隔热等性能，在电工器材制造方面得到了广泛应用。(6)在体育及医疗卫生方面的应用体育器材往往在使用时变形较大，并反复承受无规则的交变振动和冲击力。6.3.2金属基复合材料金属基复合材料1.金属基复合材料的基体2.金属基复合材料的制造技

15、术3.金属基复合材料的基本性能4.常用金属基复合材料及其应用1.金属基复合材料的基体金属基复合材料的基体金属基复合材料可分为结构用金属基复合材料和功能用金属基复合材料。结构用金属基复合材料根据使用的温度范围又可分为低温、中温和高温三类。2.金属基复合材料的制造技术金属基复合材料的制造技术(1)固态法固态法是指由固态颗粒状或薄板状金属基体与固态增强材料复合形成金属基复合材料的方法。(2)液态法液态法是基体为液态下制造金属基复合材料的方法，主要包括液态金属搅拌铸造法和真空压力浸渍法。(3)沉积法沉积法是将基体金属与增强颗粒同时沉积制备金属基复合材料的一种方法。图6-16纤维滚筒缠绕制造初步粘合体示

16、意图3.金属基复合材料的基本性能金属基复合材料的基本性能(1)物理及化学性能物理及化学性能包括导热和导电性能、热膨胀性能和气体吸附性能。(2) 力学性能包括室温与高温力学性能。图6-17真空压力浸渍法示意图a) 纤维预制件放在模具中b) 排出气体c) 高压气体使液态金属渗进纤维预制件4.常用金属基复合材料及其应用常用金属基复合材料及其应用(1)铝基复合材料铝具有良好的塑性和韧性、易加工、可靠性高、价格低廉，所以，铝基复合材料的研究较多。(2)镁基复合材料近年来也加速了镁基复合材料的研制步伐。(3)钛基复合材料钛比其他任何普通的结构材料具有更高的比强度。(4)镍基复合材料研究镍基复合材料的应用目

17、的是将其用做燃气涡轮发动机的叶片，这类零件可在高温和接近现有合金所能承受的最高应力下工作。(5)铜基复合材料近年来，铜基复合材料也受到人们极大的重视。6.3.3陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料1.陶瓷基与碳基复合材料2.碳碳复合材料1.陶瓷基与碳基复合材料陶瓷基与碳基复合材料(1)陶瓷基复合材料的基体与增强体常用陶瓷基复合材料的基体包括氧化物(Al2O3、ZrO2)、氮化物(Si3N4、BN、AlN、TiN)、碳化物(SiC、ZrC、Cr3C2、WC)、硼化物(ZrB2、TiB2、HfB2、LaB6)、硅化物(MoSi2、TaSi2、NbSi2)和玻璃陶瓷。(2)陶瓷基复合材料的成型加工技术长纤维

18、增韧陶瓷基复合材料的性能好，但加工成本高。(3)陶瓷基复合材料的性能陶瓷基复合材料保留了陶瓷基体材料的绝大多数优良性能，如高强度、高模量、耐高温、耐磨损、高硬度等。(4)陶瓷基复合材料的实用化陶瓷基复合材料已经实用化或即将实用的领域包括切削刀具、滑动构件、航空航天构件及发动机制件等。图6-21料浆浸渍-热压烧结工艺流程图6-22直接反应沉积法示意图表6-10SiC(晶须)/ S复合材料的性能表6-11颗粒增强陶瓷基复合材料的力学性能图6-24陶瓷基复合材料的增韧机理a)陶瓷基复合材料的断口形貌b)裂纹扩展示意图2.碳碳复合材料碳碳复合材料(1)碳碳复合材料的制备方法碳碳复合材料的制造工艺主要包括以下几个步骤：制备碳纤维预制件;制备碳基体(致密化处理);石墨化处理和抗氧化处理，这两个步骤可以根据使用需要进行选择。(2)碳碳复合材料的性能 碳碳复合材料的性能与纤维的类型、增强方向、制造条件以及基体碳的微观结构等诸多因素密切相关。(3)碳碳复合材料的应用碳碳