41复合材料的基本概念和性能新汇总课件

1、第四章 复合材料的制备4.1 复合材料的基本概念和性能4.2 树脂基复合材料的制备方法4.3 金属基复合材料的制备方法4.4 陶瓷基复合材料的制备方法4.5 碳/碳复合材料的制备方法第四章 复合材料的制备重点：复合材料的概念和性质4.1 复合材料的基本概念和性能三大材料：金属无机非金属有机高分子无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料复合材料取长补短协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能复合材料（composite materials)：由两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料，它不仅保留了组成材料各自优点，还具有单一材料所没有的优异性能。4.1.1 复合材料的基本

2、概念组成： 增强体（分散相）： 高强度、高模量和脆性大材料，作为主要承载相，如纤维增强体(玻璃纤维、碳纤维等)；颗粒增强体(SiC 、Al2O3 、碳化物等)。 基 体（连续相）： 低强度、低模量且韧性好，主要起保护及粘结作用。如高聚物和金属。复合材料综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，能够按照需要设计、复合成为综合性能优异的新型材料：复合材料玻璃钢玻 璃 钢 游 艇玻璃钢冷却塔玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用碳纤维复合材料用于制造承载、耐磨等零件，如轴承、密封圈、齿轮等。化学工业、汽车制造业、航空航天和国防

3、工业等。复合材料碳纤维复合材料隐形飞机上的特殊材料美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料4.1.2 复合材料的命名与分类1.命名： 复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”。例如：玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料称为 “玻璃纤维环氧树脂复合材料”或简写成“玻璃/环氧复合材料”有时为了突出增强或基体材料，视强度的组成不同，简称为“玻璃纤维复合材料”或“环氧树脂复合材料”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”或碳/金属基复合材料；碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳/碳复合材料”按增强体材料形态分

4、类： (1) 连续纤维复合材料；(2) 短纤维复合材料； (3) 粒状填料复合材料；(4) 编织复合材料按增强纤维种类分类： (1) 玻璃纤维复合材料；(2) 碳纤维复合材料； (3) 有机纤维复合材料；(4) 金属纤维复合材料 (5) 陶瓷纤维复合材料此外，用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料 (Hybrid composite matetials)。2. 分类：按复合材料作用分类： (1) 结构复合材料；(2) 功能复合材料； (3) 智能复合材料按基体材料分类： (1) 聚合物基复合材料；(2) 金属基复合材料； (3) 无机非金属复合材料此外，还有同质复合材料

5、和异质复合材料。增强材料和基体材料属于同种物质的复合材料，为同质复合材料，如碳/碳复合材料。4.1.3 复合材料的性能复合材料是由多相材料复合而成，共同特点是：(1) 可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的特性。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既有类似钢材的强度，又有塑料的介电性能和耐腐蚀能力。(2) 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等。(3) 可制成所需的任意形状，可避免多次加工程序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。可设计性强是复合材料的最大特点。影响复合材料性能的因素很

6、多，主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，和基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此，无论哪一类复合材料，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值，在此只能给出主要性能。1. 聚合物基复合材料的主要性能(1) 比强度和比模量高复合材料的突出优点是比强度和比模量（即强度、模量与密度之比）高。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的刚性愈大。如碳纤维增强的环氧树脂复合材料的比强度比钢高七倍。这对于高速运动的零件，要求自重轻的运输机械具有重大的意义。(4) 破损安全性好 复合材料中每平方厘米截面

7、上有几千几万根增强纤维，当其中一部分纤维断裂时，应力会重新分布到未破坏的纤维上，致使零件不会造成突然断裂。(3) 减震性好 机器结构的自振频率与材料的比模量的平方成正比。复合材料的比模量高，结构的自振频率高，避免与环境产生共振。(2) 耐疲劳性好 大多数金属材料的疲劳极限是其抗拉强度的4050，而碳纤维增强的复合材料可达7080。(5) 具有多种功能性 聚合物基复合材料可以制成具有较高比热、熔融热和汽化热材料，以吸收高温烧蚀时的大量热能；有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻特性及减摩特性；高度的电绝缘性能；优良的耐腐蚀性能；有特殊的光学、电学和磁学特性。(6) 具有很好的加工工艺性但复合材料还有一

8、些缺点，如耐高温性能，耐老化性能及材料强度一致性等有待于进一步研究提高。2. 金属基复合材料的主要性能(1) 比强度和比模量高 由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量。(2) 导热、导电性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性。(3) 热膨胀系数小，尺寸稳定性好 加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种工况要求。(4) 良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比聚合物好得多，增强纤维

9、、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量，因此，金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料，在复合材料中纤维起着主要的承载作用，纤维强度在高温下基本不下降，复合材料的高温性能可保持到接近熔点，并比金属基体的高温性能高许多。(5) 耐磨性好 金属复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强物，特别是细小的陶瓷颗粒。(6) 良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是界面状态

10、。最佳的界面结合状态，即可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。据美国宇航公司报道，C/Al 复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为 0.7 左右。(7) 不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越，在空间使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。 总之，金属基复合材料所具有的高比强度、比模量，良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能，低的热膨胀系数，高的尺寸稳定性等优异的综合性能，使金属基复合材料在航空、航天、电子、汽车、先进武器系统武器系统中均具有广泛的应用前景，对装

11、备性能的提高将发挥巨大作用。3. 陶瓷基复合材料的主要性能陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小，这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的优异性能。但陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。最近，欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维增强碳化硅基体和用碳化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶瓷基复合材料，可分别在1700C和1200C下保持20C时的抗拉强度，并且有较好的抗压性能，较高的层间剪切强度，而断裂延伸率较一般陶瓷高

12、，耐辐射效率高，可有效地降低表面温度，有极好的抗氧化、抗开裂性能。陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍较缓慢，主要原因是一方面制备工艺复杂，另一反面是缺少耐高温的纤维。4.2 树脂基复合材料的制备方法重点：说明手糊工艺流程图说明模压成型工艺，常见缺陷，原因我国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于 20 世纪 80 年代末期，近十年来取得了快速发展，2000 年产量达到 12 万吨，约占树脂基复合材料总产量的17%，所用的基体材料仍以 PP、PA为主，增强材料以玻璃纤为维主，还包括碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。树脂基复合材料的性能在纤维与树脂体系确定后，主要决定于成型固化工艺。成型工

13、艺主要包括以下两个方面：一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;二是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。生产中采用的成型工艺(1) 手糊成型 (2) 注射成型 (3) 真空袋压法成型(4) 挤出成型(5) 压力袋成型 (6) 纤维缠绕成型(7) 树脂注射和树脂传递成型 (8) 真空辅助树脂注射成型(9) 连续板材成型 (10) 拉挤成型 (11) 离心浇铸成型 (12) 层压或卷制成型 (13) 夹层结构成型 (14) 模压成型(15) 热塑性片状模塑料热冲压成型(16) 喷射成型4.2.

14、1 手糊工艺手糊成型工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。其工艺过程是: 首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，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。 然后，在一定压力作用下加热固化成型（热压成型）或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型（冷压成型），最后脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：模具准备涂脱模剂手糊成型树脂胶液配制增强材料准备固化脱模后处理检验制品手糊成型工艺流程图手糊成型工艺优点不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复

15、杂产品的生产；设备简单、投资少、设备折旧费低。工艺简单；易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料。制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。手糊成型工艺缺点 生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条件差。产品质量不易控制，性能稳定性不高。产品力学性能较低。4.2.2 模压成型工艺1.概述模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世纪初就出现了酚醛塑料模压成型。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。2. 模压成型工艺过程 将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；再经加热使树脂进

16、一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合材料制品。预压成形和预热处理加料闭模加热加压塑化排气和保压硬化脱模取出塑件清理模具和对塑件后期处理。 为了使模压成形顺利进行，关键应控制好成形温度和压力。金属对模准备涂脱模剂膜压成型模塑料、颗粒树脂短纤维固化脱模后处理检验制品加热、加压加热冷却膜压成型工艺流程图模压成型工艺优点模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好，容易实现机械化和自动化等。模压成型工艺缺点模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品。

17、3 模压制品常见缺陷分析（P110）4.2.3 连续缠绕成型工艺1.概述将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。缠绕工艺流程图如下图所示：缠绕工艺流程图纱团集束胶液配制浸胶烘干络纱胶纱纱绽张力控制纵、环向缠绕芯模纵、环向缠绕张力控制加热粘流固化脱模打模喷漆成品湿法缠绕成型工艺干法缠绕成型工艺2. 缠绕工艺过程缠绕工艺过程一般优下列各工序组成：芯模或内衬制造胶液配制纤维烘干和热处理浸胶胶纱烘干缠绕固化检测利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：一是湿法缠绕，即将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯模上

18、；二是干法缠绕，即先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。湿法缠绕是最普通的缠绕方法，其工艺原理如图 ：连续纤维缠绕技术的优点首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维抗张性能优异的特点， 其次，用连续纤维缠绕技术所制得的成品，结构合理，比强度和比模量高，质量比较稳定和生产效率较高等。连续纤维缠绕技术的缺点设备投资费用大，只有大批量生产时才可能降低成本。3. 芯模为了获得一定形状和结构尺寸的纤维缠绕品，必须采用一个外形同制品内腔形状尺寸一致的芯模，在制品固化后能把它脱下来而又不损伤缠好的制品。常用的芯模材料有石膏、钢、铝、低熔