复合材料pdf课件

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化工材料学基础IntroductiontoMaterialsforChemicalEngineering第5讲复合材料

有机无机复合材料国家重点实验室E-mail:Tel:2复合材料的例子飞船穿过大气层时，外壳与大气层摩擦产生几千摄氏度的高温，是什么材料经受了这种考验而使飞船安然无恙呢？(烧蚀材料:玻璃纤维+酚醛塑料或环氧树脂）运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富弹性，你知道它是用什么材料制成的吗？（木杆－竹竿－轻质合金撑竿－玻璃钢撑竿－碳纤维撑竿）隐形飞机为什么能隐形？（雷达吸波结构复合材料：纤维增强吸波复合材料和夹层结构吸波复合材料）3Whystudycomposites?金属材料无机非金属材料高分子材料易腐蚀、密度大性脆易破裂材料易老化不耐高温5

复合材料应用例1：飞船宇宙飞行时，外壁温度为零下110℃，返回地面时外表温度可达4000℃，合金钢2000℃即熔化，目前没有任一种单一材料可抵抗此温度 美国航天飞机“哥伦比亚号”外表覆盖了可重复使用的聚合 物基复合材料隔热瓦片30757块，成功解决了此难题例2：宇宙飞行器上的雷达天线，称为“飞行器眼睛”。为降低信号损失，对其尺寸稳定性有严格要求：变形小于万分之一，重量轻、强度高，工作环境却非常恶劣：发射加速度冲击与振动，-200℃~70℃

高模量碳纤维/环氧树脂复合材料几乎为唯一满足要求的 材料例3：美国MX导弹发动机由碳纤维/环氧缠绕壳体取代钛合金，CFWRP的比重仅为合金钢的1/5，导弹射程由1千公里增至4千公里例5:AV-88Harrier—世界上第一种实用型垂直/短距起落飞机例6：商用波音757

视频

67第一节复合材料概述第二节复合材料的复合理论第三节常用复合材料第六节复合材料的发展趋势讲授内容

一、复合材料的涵义二、复合材料的分类三、复合材料的命名四、复合材料的性能特点一、增强机制二、增韧机制一、纤维增强型复合材料二、颗粒增强型复合材料

三、叠层复合材料第四节功能复合材料第五节复合材料应用概况9一、复合材料的涵义.flv由两种或更多种物理和化学性质不同的物质，经人工组合而成的一种多相固体材料复合材料的相组成基体材料或连续相，把改善性能的增强相材料固结成一体并传递应力增强材料、增强剂或分散相，以纤维、颗粒或板片的形式分布于基体相中承受应力，显示功能

10基体相增强相复合材料混凝土玻璃钢

环氧树脂：粘结 作用--基体相或 基体材料

玻璃纤维：承受 载荷--增强相或 增强材料基体相：水泥增强相：沙子、卵石

1113二、复合材料的分类

树脂基按基体材料的种类按增强材料的形态按复合材料的使用性能金属基陶瓷基纤维增强颗粒增强叠层(层状)增强 结构 功能14•如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化钛等

基体材料(1)树脂材料

•以合成树脂为主：较高的力学性能、介电性能、耐热性能、耐老化性 能、良好的工艺性能

•酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂

•最近发展的新型的热固性树脂（如邻二甲酸二丙烯酯树脂、聚二苯 醚树脂、聚酰亚胺树脂）和热塑性树脂（如聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳 酸酯、ABS等）

(2)金属材料

•铝、铜、钛、镁及高温合金等

•铝基材料：研究最多、发展最快、技术较成熟、应用较广

(3)陶瓷材料

•氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷15增强材料•在复合材料中，凡能提高基体力学性能的材料均可称

为增强材料，它是提高结构复合材料的关键组分•按形态可分为纤维状、颗粒状和层状增强材料17四、复合材料的性能特点1．比强度和比模量高2．抗疲劳性能好3．良好的减振性能4．良好的高温性能5．断裂安全性能好减摩性、耐蚀性较好，并且成型工艺简单，可用模具依次成型制成各种构件，材料利用率高181．比强度和比模量高比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标。比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。192．抗疲劳性能好复合材料对缺口、应力集中敏感性小，特别是纤维增强的树脂基复合材料，基体良好的强韧性降低了裂纹扩展速度，大量的增强纤维对裂纹又有阻隔作用，阻止疲劳裂纹扩展并改变裂纹扩展方向，因此具有较高的疲劳极限。213．良好的减振性能

复合材料的比模量高，可以较大程度地避免构件在工作状态下产生共振

纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，阻尼特性好，使振动很快地衰减下来在精密控制和精密检测仪器方面得到广泛应用224．良好的高温性能

复合材料中增强材料的熔点都较高，其中增强纤维的熔点一般都在2000℃以上，而且在高温条件下仍然保持较高的强度，故用它们增强的复合材料具有较高的高温强度和弹性模量。高性能树脂基复合材料：200－300℃金属基复合材料：300－500℃陶瓷基复合材料：1000℃以上。

铝合金在400℃时强度由500MN/m2降到30－50MN/m2，弹性模量几乎为零，当用碳纤维或硼纤维增强后，在此温度强度和弹性模量基本上与室温相同。235．断裂安全性能好纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤维，与塑韧性基体结合成一个整体。当复合材料构件由于过载或其他原因而部分纤维断裂时，载荷会重新分配到未断裂的增强纤维上，避免结构在很短的时间内突然破坏，从而使构件丧失承载能力的过程延长。（藕断丝连）25一、复合材料的增强机制1．纤维增强复合材料的增强机制纤维增强复合材料：由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体（树脂、金属）或脆性基体（陶瓷）经一定工艺复合而成的多相材料。特点：强度和弹性模量主要由纤维的强度、弹性模量和体积分数决定，并随纤维体积分数的增加而呈线性增加。力学性能取决于纤维和基体的性能，纤维的体积分数，纤维与基体界面的结合强度，还与纤维的排列、分布方式、断裂形式有关。26

纤维增强机理1）脆性纤维直径细小，而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。2）纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保护作用，不易遭受损伤，不易在承载过程中产生裂纹，使承载能力增强。3）复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但塑性好和韧性好的基体能阻止裂纹扩张。4）断裂时，断口不可能在一个平面上，若要使整体断裂，必然有许多根纤维从基体中被拨出，必须克服基体对纤维的粘结力以及基体与纤维之间的摩擦力，从而使材料的抗拉强度、断裂韧度大大提高。

钨纤维铜基复合材料 中的裂纹在铜中扩展 受阻碳纤维环氧树脂复合材料断裂时，纤维断口不在一个平面上29纤维增强遵循的原则（3）纤维应有合理的含量、尺寸和排列。

复合材料中纤维含量越高，抗拉强度、弹性模量越大。 纤维直径对其强度有较大影响，纤维越细，则材料缺陷越小，强度越高；同时细纤维的比表面积大，有利于增强与基体的结合力。纤维越长，对增强越有利。连续纤维比短切纤维的增强效果好得多。

纤维的排列方向应符合构件的受力要求。由于纤维的纵向比横向的抗拉强度高几十倍，应尽量使纤维的排列方向平行于应力作用方向。受力比较复杂时，纤维可以采用不同方向交叉层叠排列，以使之沿几个不同方向产生增强效果。30纤维增强遵循的原则（4）纤维与基体的热膨胀系数应匹配，不能相差过大，否则会在热胀冷缩过程中引起纤维和基体结合强度降低。韧性较低的基体，纤维的线膨胀系数>基体的线膨胀系数；韧性较高的基体，纤维的线膨胀系数<基体的线膨胀系数。31纤维增强遵循的原则（5）纤维与基体之间要有良好的相容性。在高温作用下纤维与基体之间不发生化学反应，基体对纤维不产生腐蚀和损伤作用。32

纤维增强必须考虑以下因素①使纤维尽可能多地承担外加载荷，尽量选择强度与弹性模量比基体高的纤维。

原因：在受力情况下，当基体与纤维应变相同时，它们所 承受应力之比等于两者弹性模量之比，弹性模量大，则承 载能力大。②构件所受应力的方向要与纤维平行，才能最大地发挥纤维的增强作用。③纤维与基体的结合强度必须适当，以保证基体中承受的应力能顺利地传递到纤维上面。

◆如果两者结合强度为零，则纤维毫无作用，整个强度反 而降低；

◆如果两者结合太强，在断裂过程中就没有纤维自基体中 拔出这一吸收能量的过程，以致受力增大时出现整个构件的脆性断裂。332．颗粒增强复合材料的增强机制①弥散增强复合材料：粒子直径为10－100nm，体积分数约1％－15％②纯颗粒（真正颗粒）增强复合材料：粒子直径为1－50μm，体积分数大于20％34颗粒增强遵循的原则颗粒应高度均匀弥散分布在基体中。颗粒大小应适当。一般几微米到几十微米，过大易裂，过小起不到强化作用。颗粒的体积含量应在20％以上，否则达不到强化效果。颗粒与基体之间有一定的结合强度。351）弥散增强复合材料的增强机制基体仍是承受载荷的主体增强材料主要是金属氧化物、碳化物和硼化物，如Al2O3、TiC、SiC等在承受载荷时，弥散均匀分布的增强粒子将阻碍导致基体塑性变形的位错运动(金属基)或分子链运动(高聚物基)粒子尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好362）纯颗粒增强复合材料的增强机制

用金属或高分子聚合物把具有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成的材料。具有基体材料脆性小、耐冲击的优点，又具有陶瓷的高硬度及高耐热性。

颗粒借助于限制颗粒邻近基体的运动，约束基体的变形来达到强化基体的目的。复合材料所受载荷并非完全由基体承担，增强颗粒也承受部分载荷。 颗粒与基体间的结合力越大，增强的效果越明显。性能与增强颗粒和基体的比例密切相关。37二、复合材料的增韧机制1．纤维增韧由于定向或无序排布的纤维的加入，陶瓷基复合材料的韧度显著提高。1）单向排布长纤维增韧单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性，沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于横向性能。韧度的提高来自：•纤维拨出•纤维断裂•裂纹转向382）多维多向排布长纤维增韧原因：许多陶瓷构件要求在二维及三维方向上均要求高性能两种排布方式：1)2)1)将纤维编织成纤维布，这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂直于纤维排布面的方向上性能较差。一般应用于要求二维方向上均有较高性能的构件上。2)纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。韧化机理：纤维断裂、纤维拨出与裂纹转向。

3）短纤维增韧

制备工艺简单。只需将长纤维剪短（＜3mm），然后分散并与基体粉料混合均匀，再用热压烧结的方法制得复合材料。 短纤维增强体在与原料混合时，取向是随机的，但在受压成形时，短纤维将沿压力方向转动，在最终制成的复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能上的各向异性。沿加压面方向的性能优于垂直加压面方向上的性能。 韧性提高来自纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向。碳纤维增韧玻璃陶瓷复合 材料中的纤维分布碳纤维增强Pyrex玻璃复合 材料中的纤维定向排列3940

4）晶须增韧

晶须的拔出桥连与裂纹转向机制提高韧性 与纤维增韧陶瓷基复合材料类似，界面结合强度应当适宜晶须拔出桥连的SEM照片裂纹转向的SEM照片412．颗粒增韧相变增韧、裂纹转向与分叉增韧1）相变增韧氧化锆增韧陶瓷氧化锆在一定温度和应力场作用下，亚稳定四方氧化锆（t-ZrO2）颗粒转变为单斜相氧化锆（m-ZrO2）。伴随着这种相变有3％－5％的体积膨胀，因而产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹扩展，达到增韧目的。422）裂纹转向与分叉增韧裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到高强度的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转和分叉，增加了材料的断裂韧度，达到了增韧的目的。43第三节常用复合材料一、纤维增强型复合材料二、颗粒增强型复合材料三、叠层复合材料44一、纤维增强型复合材料1．纤维增强材料2．纤维－树脂复合材料3．纤维－金属(或合金)复合材料4．纤维－陶瓷复合材料45

1.纤维增强材料纤维增强材料按化学特征可分为有机纤维和无机纤维两大类，它决定了复合材料的强度和弹性模量等主要力学性能。A.B.C.D.E.F.G.

玻璃纤维碳纤维硼纤维 陶瓷纤维金属纤维新型合成纤维 新型晶须46(1)玻璃纤维将熔化的玻璃以极快的冷却速度拉成细丝(其直径大多在3--20μm之间)而制得。按玻璃纤维中Na2O和K2O含量的不同，可分为无碱纤维(含碱量＜2％)、中碱纤维(含碱量2％－12％)、高碱纤维(含碱量＞12％)。随含碱量增加，玻璃纤维强度、绝缘性、耐腐蚀性能降低，因此高强度玻璃纤维增强复合材料多用无碱玻璃纤维。47玻璃纤维的特点优点：强度高，抗拉强度可达1000－3000MN/m2；弹性模量为3－5×104MN/m2；密度小，为2.5－2.7×103kg/m3，与铝相近，是钢的1/3；比强度和比模量较高；化学稳定性好；不吸水；不燃烧；尺寸稳定；隔热；吸音；绝缘等。缺点:脆性大；表面光滑；耐热性低，250℃以上开始软化。价格便宜，制作方便，广泛应用玻璃纤维绳无碱玻璃纤维

E-玻璃纤维高强度玻璃纤维

S-玻璃纤维wSiO2=53.5%wAl2O3=15.3%wB2O3=10%wCaO=16.3%wMgO=4.5%wSiO2=64.3%wAl2O3=24.8%wMgO=10.27%wNa2O=0.27%抗拉强度3500MPa弹性模量29MPa

3相对密度2.54g/cm抗拉强度4600MPa弹性模量35MPa

3相对密度2.48g/cm电绝缘性、化学稳定性、耐湿性好，是符合一般应用玻璃钢的增强材料主要用于高性能玻璃钢48(2)碳纤维和石墨纤维视频将人造纤维在200－300℃空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮气的保护下，在1000－1500℃的高温下进行碳化处理而制得。其含碳量可达85％－95％。由于它具有高强度，而称之为高强度碳纤维，也称Ⅱ型碳纤维。将碳纤维在2500－3000℃的高温下进行石墨化处理，这种碳纤维中石墨晶体的层面有规则地沿纤维方向排列，具有高的弹性模量，又称石墨纤维，也称Ⅰ型碳纤维。

碳 纤 维 绳

4950碳纤维和石墨纤维的特点优点：密度小(1.33－2.0×103kg/m3)；弹性模量高(2.8－4×105MN/m2)；高温和低温性能好，在1500℃以上惰性气体中强度不变，在-180℃下脆性增加；导电性好。还具有耐磨，耐化学腐蚀，热膨胀低，比强度和比模量优于其他无机纤维，以及纤维的柔曲性和可编性。缺点：脆性大；易氧化；与基体结合力差。是先进复合材料最常用的，也是最重要的增强材料。抗拉强度

MPa弹性模量

MPa直径 μm相对密度

3

g/cm低模量碳纤维2800

52.0×1061.74高强度碳纤维3500

52.3×1071.76高模量碳纤维2500

53.8×1071.81石墨纤维20000

61.0×100.5— 2.52.2551碳纤维的性能52◆生产碳纤维的主要原料：粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈基纤维等，其中聚丙烯腈基纤维是目前和未来发展高性能纤维的主要品种。现已在各种飞机上得到应用。◆目前工业上广泛采用的碳纤维的生产方法：•是用聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维在隔绝空气和水分的情况下，加热至1300℃使之分解碳化而制得。•若继续加热至2000℃，还可形成石墨纤维。53(3)硼纤维用化学沉积法将非晶态硼涂敷到钨丝或碳丝上而制得优点：具有高熔点(2300℃)、高强度(2450-2750MN/m2)、高弹性模量(3.8-4.9×105MN/m2)；在无氧化条件下1000℃时其模量不变；具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性。缺点：工艺复杂，成本高，且纤维直径较粗。在复合材料中的应用不如玻璃纤维和碳纤维广泛。54(4)陶瓷纤维◆属无机纤维，具有耐高温、抗氧化、高熔点、高强度等特点。◆主要有氧化铝纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维、碳化硅纤维、氧化锆纤维。55碳化硅纤维:具有高熔点、高强度(平均抗拉强度达3090MN/m2)、高弹性模量(1.96×105MN/m2)。优点：具有优良的高温强度，在1100℃时其强度仍高达2100MN/m2。抗氧化性好，还具有耐辐射和吸波性能。主要用于增强金属陶瓷。氧化铝纤维:强度高、弹性模量高、耐热性好，可用于1400℃的高温环境下，因此多用于高温结构材料，特别是航空航天领域。56

(5)Kevlar有机纤维又称芳纶、聚芳酰胺纤维。主要由对苯二胺和对苯甲酰氯缩聚制得。优点：比强度、比模量高；强度为2800－3700MN/m2；密度小，为1.45×103kg/m3；耐热性比玻璃纤维好，能在290℃长期使用；还具有优良的抗疲劳性、耐腐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。主要种类有Kevlar，Kevlar－9，Kevlar－49及我国的芳纶Ⅱ纤维。57

(6)晶须即纤维状晶体，是新型高强度增强材料，直径小于30μm，为针状单晶体，长度约几毫米。基本上是完整的单晶，断面呈多角形，抗拉强度可达1.9－2.8×103MN/m2，弹性模量达3.92－6.86×105MN/m2，为高强度材料。包括金属晶须和陶瓷晶须两类。陶瓷晶须兼备强度高、比重小、弹性模量高、耐热性好等特点主要晶须材料有氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硅等。新型晶须有硼酸铝晶须（强度和弹性模量与碳化硅相当，热膨胀系数小，耐磨性好，而且价格低廉）、钛酸钾晶须、氧化锌晶须等。58(7)金属纤维◆主要有钨、钼、钢、不锈钢、钛、铷、铝、镁等◆钨、钼等高熔点金属纤维、不锈钢及高强度铍纤维引人注目。592．纤维－树脂复合材料热固性树脂：酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、环氧树脂等。热塑性树脂：聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS树脂等。60(1)玻璃纤维－树脂复合材料玻璃纤维增强塑料通常称为玻璃钢，是应用最广泛的复合材料。种类：热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。61(a)热塑性玻璃钢由20％－40％的玻璃纤维和60％－80％的基体材料(如尼龙、ABS等)组成。具有高强度和高冲击韧性、良好的低温性能及低热膨胀系数。

热塑性玻璃钢•通过玻璃纤维的增强作用，可使强度和疲劳强度 提高2—3倍、冲击韧度提高2—4倍、蠕变能力提 高2—5倍。

例如：

◆尼龙66玻璃钢

强度高、减摩性好，常用于轴承、轴承架、齿轮等精密件，汽车仪表、 前后灯等。◆ABS玻璃钢用于化工装置、管道、容器等。◆聚苯乙烯玻璃钢用于汽车内装、空调叶片、收音机机壳等。

6263(b)热固性玻璃钢由60％－70％的玻璃纤维(或玻璃布)和30％－40％的基体材料(如环氧、聚酯等)组成。优点：密度小、强度高，比强度超过一般高强度钢和铝合金、钛合金，耐磨性、绝缘性和绝热性好、吸水性低、防磁、微波穿透性好、易于加工成型。缺点：弹性模量低，只有结构钢的1/5－l/10，刚性差，耐热性比热塑性玻璃钢好但不够高，只能在300℃以下工作。64(2)碳纤维－树脂复合材料组成：碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂。优点：性能优于玻璃钢，具有密度小，强度高，弹性模量高，比强度和比模量高，并具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能，良好的自润滑性、减摩性、耐磨性、耐蚀性和耐热性。缺点：碳纤维与基体的结合力低，各向异性严重。应用：主要用于航空、航天、机械制造、汽车工业及化学工业中。65(3)硼纤维－树脂复合材料组成：由硼纤维和环氧、聚酰亚胺等树脂组成。优点：具有高的比强度和比模量，良好的耐热性。如硼纤维－环氧树脂复合材料其弹性模量分别为铝、钛合金的三倍和两倍，比模量则为铝、钛合金的四倍。缺点：各向异性明显，加工困难，成本太高。用途：主要用于航空、航天工业。66(4)碳化硅纤维－树脂复合材料优点：具有高的比强度和比模量，抗拉强度接近碳纤维－环氧树脂复合材料，而抗压强度为其两倍。用途：主要用于航空、航天工业。固体火箭发动机复合材料喷管67(5)Kevlar有机纤维－树脂复合材料组成：Kevlar有机纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂。最常用的是Kevlar纤维与环氧树脂组成的复合材料优点：抗拉强度较高，与碳纤维－环氧树脂复合材料相似；延展性好，与金属相当；耐冲击性超过碳纤维增强塑料；有优良的疲劳抗力和减震性，其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金，减震能力为钢的8倍，为玻璃钢的4－5倍。用途：飞机机身，雷达天线罩，轻型舰船等。683．纤维－金属(或合金)复合材料由高强度、高模量的脆性纤维和具有较好韧性的低屈服强度的金属或合金组成。常用的纤维有：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维。常用的基体有铝及其合金、钛及其合金、铜及其合金、镍合金及银、铅等。69纤维增强金属基复合材料（FMMCs）金属高性能纤维固结纤维、传递载荷FMMCs

承受载荷含量一般在30%--50%•纤维和基体金属的类型和性能•纤维含量与分布•纤维与金属基体间的界面结构•制造工艺影响FMMCs性能的因素70纤维增强金属基复合材料的性能特点◆比强度和比模量高、刚性好，其中碳/铝、碳/镁复合材料的比强度比铝、钛、钢高出4倍，比模量高出9—10倍。◆良好的高温性能◆低的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性◆良好的疲劳性能和断裂韧性

纤维增强金属基复合材料的应用◆可用于航空航天、军事武器上的零部件。如：碳/铝、碳/镁复合材料已用于人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、红外反射镜等。◆由于良好的导热、导电和低热膨胀性，可用于大功率大规模集成电路基板。如：碳/铝复合材料可用于核潜艇的蓄电池板。◆体育器械、纺织、汽车等民用工业也广泛采用了纤维增强金属基复合材料。如：用氧化铝、硅酸铝短纤维增强铝合金活塞使发动机效率提高5%，寿命提高5倍以上。向阳面与背阳面温差260OC

7172(1)硼纤维－铝(或合金)基复合材料由硼纤维和纯铝、形变铝合金、铸造铝合金组成。为提高硼的化学稳定性在硼纤维表面涂一层SiC，而称之为改性硼纤维或硼矽克。性能优于硼纤维－环氧树脂复合材料，也优于铝合金和钛合金。优点：具有高拉伸模量、高横向模量、高抗压强度、剪切强度和疲劳强度。用途：主要用于制造飞机或航天器蒙皮、大型壁板等。73(2)石墨纤维－铝(或合金)基复合材料组成：由Ⅰ型碳纤维与纯铝、形变铝合金、铸造铝合金组成。优点：具有高的比强度和高温强度，在500℃时其比强度为钛合金的1.5倍。用途：主要用于航空、航天工业。74(3)纤维－钛合金基复合材料组成：由硼纤维、改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金(Ti-6Al-4V)组成。特点：具有低密度、高强度、高弹性模量、高耐热性、低膨胀系数，是理想的航空、航天用结构材料。碳化硅、改性硼纤维和Ti-6Al-4V钛合金组成的复合材料，其密度为3.6×103kg/m3；抗拉强度1.21×103MN/m2；弹性模量2.34×105MN/m2；热膨胀系数1.39－1.75×10-6/℃。75(4)纤维—铜(或合金)基复合材料组成：由石墨纤维和铜或铜镍合金组成。为了增强石墨纤维和基体的结合强度，常在石墨纤维表面镀铜或镀镍后再镀铜。优点：高强度、高导电性、低的摩擦系数和高的耐磨性，以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。用途：高负荷滑动轴承、集成电路、电刷等。764．纤维－陶瓷复合材料

由碳纤维或石墨纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅度地提高冲击韧性和防热、防震性，降低陶瓷的脆性，而陶瓷又能保持碳(或石墨)纤维在高温下不被氧化，因而具有很高的高温强度和弹性模量。 碳纤维－氮化硅复合材料可在1400℃温度下长期使用，用于制造飞机发动机叶片；

碳纤维－石英陶瓷复合材料，冲击韧性比烧结石英陶瓷大40倍，抗弯强度大5－12倍，比强度、比模量成倍提高，能承受1200－1500℃高温气流冲击。77

二、颗粒增强型复合材料增强材料：◆主要是一些陶瓷材料，如SiC、Al2O3、TiC、Si3N4、

BN、石墨等。 这些材料具有高强度和弹性模量、耐高温等特点，是金 属基复合材料的主要增强体。◆加入塑料中的填充剂木粉、石棉粉、云母粉，加入橡 胶中的碳黑、二氧化硅等都有显著的增强作用，也可 看成是增强颗粒。耐磨陶瓷复合材料膨胀节1．弥散增强复合材料(d＝10－100nm，Vp＝1％－15％)由尺寸较小的金属氧化物粒子与金属组成的。典型代表是SAP复合材料、Th－Ni复合材料。SAP复合材料：在铝基体上用Al2O3质点进行弥散强化的材料。由于弥散相金属氧化物熔点高、硬而且稳定，使该材料高温力学性能很好，具有较高的抗蠕变性能，高的高温屈服强度等。Th－Ni复合材料：在镍基中加入1％－2％Th，在压紧烧结时，使氧扩散到金属镍内部，内氧化产生ThO2，细小的ThO2质点弥散分布在镍基体中，使其高温强度显著提高。7879

2．纯颗粒增强复合材料(d＞1μm，Vp＞20％)，金属陶瓷和砂轮。金属陶瓷是由Ti、Cr、Ni、Co、Mo、Fe等金属或合金与氧化物(Al2O3，MgO，BeO)粒子或碳化物粒子(TiC、SiC、WC)为基体构成的一种复合材料。其中硬质合金是以TiC，WC为基体，金属镍、钴为粘结剂形成的复合材料。优点：高硬度、高强度、耐磨损、耐腐蚀和膨胀系数小。用途：制造工具，如硬质合金用来做刀具刃部材料，砂轮做为磨削材料。80三、叠层复合材料两层或两层以上不同材料结合而成。目的：为了将组分层的最佳性能组合起来，以得到更为有用的材料。用叠层增强法可使复合材料强度、刚度、耐磨性、耐蚀性、绝热性、隔音性、减轻自重等若干性能分别得到改善。811．双层金属复合材料将两种不同性能的金属，用胶合或熔合铸造、热压、焊接、喷涂等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。最简单的双层金属复合材料是将两块具有不同热膨胀系数的金属板胶合起来，利用它热胀冷缩的翘曲变形，来测量和控制温度。2．塑料－金属多层复合材科SF型三层复合材料以钢为基体，烧结铜网或铜球为中间层，塑料为表面层的一种自润滑材料。其物理性能和力学性能取决于基体，而摩擦磨损性能取决于塑料表层。中间层系多孔性青铜，其作用是使三层之间有较强的结合力，且一旦塑料磨损露出青铜亦不致磨伤轴。常用于表层的塑料为聚四氟乙烯(如SF－1型)和聚甲醛(SF－2型)。

8283SF型三层复合材料的性能常用作无油润滑轴承，它比单一的塑料提高承载能力20倍，导热系数提高50倍，热膨胀系数降低75％，因而提高了尺寸稳定性和耐磨性。适于制作高应力(140MN/m2)、高温(270℃)及低温(-195℃)和无油润滑条件下的各种滑动轴承。84

3．夹层结构复合材料

由两层薄而强的面板（或称蒙皮），中间夹一层轻而弱的芯子组成

面板由抗拉、抗压强度高，弹性模量大的材料组成，如金属、玻璃钢、增强塑料等

芯子有实心的或蜂窝格子的，芯子材料根据性能要求而定，常用泡沫、塑料、木屑、石棉、金属箔、玻璃钢等 面板与芯子可用胶粘剂粘结（金属材料可用焊接方法连接）85夹层结构复合材料的特点

密度低、减轻了构件自重，有较高的刚度和抗压稳定性，可按需要选择制作面板、芯子的材料，以得到绝热、隔声、绝缘等性能。

夹层结构复合材料的性能与面板厚度、夹芯的高度、蜂窝格子的大小和夹层的性能等有关。对于结构尺寸大，要求强度高，刚度好、耐热性好的受力构件可采用蜂窝夹层结构；受力不太大，但要求结构刚度好，尺寸较小的受力构件可采用泡沫塑料夹层。

用途：已用于飞机上的天线罩隔板、机翼以及火车车厢、运输容器等。86第四节功能复合材料√复合材料中除力学性能以外，具有良好的其他物理特性（电、磁、光、阻尼、热、摩擦、声等）的复合材料称为功能复合材料。√功能复合材料是目前的研究和应用热点87功能复合材料的特点与结构材料相比，具有如下特点：•应用面广•研制周期短•附加值高•小批量、多品种•适用多种用途

功能复合材料的设计功能复合材料的设计原则

功能复合材料主要由一种或多种功能 体和基体组成。

柔韧性磁体：磁粉功能体橡胶和塑料基体黏结和赋形作用，并同时改善材料的物理机械性能

8889在单一功能体的复合材料中，其功能性质虽然由功能体提供，但基体不仅起到粘结和赋形作用，同时也会对复合材料整体的物理性能有影响。90

多元功能体的复合材料可以具有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。因此，多功能复合材料成为功能复合材料的发展方向。91功能复合材料的主要设计原则：（1）首先考虑关键的、主要的性能；（2）兼顾其它性能；（3）选择性能分散性小的原材料;（4）采取的成型工艺尽可能简单、方便；（5）经济性合理。92复合材料设计的目的：提高材料的综合性能,也就是材料的优值。材料的优值：是由几个物理量综合起来对材料的使用性能进行评价的量。复合材料有很多途径以达到高优值，即按照要求调整其特有的参数，经设计来满足材料有关的物理量组元。也可通过复合材料的复合效应设计制造各种功能复合材料。93功能复合材料的设计特点：复合材料的最大特点在于它的可设计性。

因此，在给定的性能要求、使用环境及经济条件限制的前提下，从材料的选择途径和工艺结构途径上进行设计。94

具有提高材料优值的广泛途径和自由度•调整复合度复合度是参与复合各组分的体积（质量）分数。•调整联接方式复合材料中各组分在三维空间中互相连接的 形式可任意调整。•调整对称性对称性是功能复合材料组分在空间几何布局上 的特征。不同功能复合材料的对称性须选用不同的描述方法。 如，0-3型（球形颗粒分散在基体中）复合材料各向同性； 1-3型（针行颗粒按一定方向排列）产生双折射行为；2-2型 （片状颗粒分散在基体中）则出现负光性。•调整尺寸当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米时，原有的宏观物理性质会发生变化。这是由于物体尺寸减小时表面原子数增多引起的。•调整周期性95可利用复合效应创造新型复合功能材料

例如，利用线性效应的混合法则，通过合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数为零或接近于零的构件。

模仿生物体中的纤维和基体的合理分布，通过数据库和计算机辅助设计可望设计出性能优良的仿生功能材料。

又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光的复合材料。96

材料在复合后所得的复合材料，依据其产生复合效应的特征，可分为两大类：一类复合效应为线性效应；另一类则为非线性效应。在这两类复合效应中，又可以显示出不同的特征。功能复合材料的复合效应97下表列出了不同复合效应的类别。

不同复合效应的类别线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应98平均效应是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。它可以表示为：Pc=PmVm+PfVf

式中，Ｐ为材料性能，Ｖ为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体（或功能体）。99

复合材料的某些功能性质，例如电导、热导、密度和弹性模量等服从平均效应这一规律。例如，复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为Ec=EmVm+EfVf100平行效应显示这一效应的复合材料，它的各组分材料在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约，也无补偿。101对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料，所显示的复合效应，可以看作是平行效应。102相补效应组成复合材料的基体与增强体，在性能上相互补充，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。103对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补。104相抵效应基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。105例如，脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。106在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基体组成的复合材料，由于强化了界面的结合，故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的复合材料可高出30--40%，而且湿态强度保留率也明显提高。107但是，这种强结合的界面同时却导致了复合材料冲击性能的降低。因此，在金属基、陶瓷基增强复合材料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。108相补效应和相抵效应常常是共同存在的。显然，相补效应是希望得到的，而相抵效应要尽量能够避免。所有这些，可通过相应复合材料的设计来加以实现。109乘积效应两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生乘积效应。

乘积效应是在复合材料两组分之间产生可用乘积关系表达的协同作用。 例如，把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的材料复合时，将可能产生具有电光效应的复合材料。•

因此，通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z复合起来，可用下列通式来表示，即：式中，Ｘ、Ｙ、Ｚ分别表示各种物理性能。 上式符合乘积表达式，所以称之为乘积效应。

110XYYZXZ=•=111热-形变材料（X/Y）与另一种形变-电导材料（Y/Z）复合，其效果就是即由于两组分的协同作用得到一种新的热-电导功能复合材料。XYXYZZ相乘效应的组合可以非常广泛，已被用于设计功能复合材料。常用的物理乘积效应见下表所示：复合材料的乘积效应Ａ相性质Ｘ／Ｙ

压磁效应 压磁效应 压电效应 磁致伸缩效应 光导效应 闪烁效应 热致变形效应Ｂ相性质Ｙ／Ｚ

磁阻效应 磁电效应 场致发光效应 压阻效应 电致效应 光导效应 压敏电阻效应

复合后的乘积性质（Ｘ／Ｙ）（Ｙ／Ｚ）＝Ｘ／Ｚ

压敏电阻效应 压电效应 压力发光效应 磁阻效应 光致伸缩 辐射诱导导电 热敏电阻效应

112113诱导效应在一定条件下，复合材料中的一个组分材料可以通过诱导作用使另一个组分材料的结构改变，从而改变整体性能或产生新效应。这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。114

例如，结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或晶形基体的晶形取向产生作用。

在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用。115共振效应两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振。

由不同材料组成的复合材料，其固有频率不同于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。116

利用共振效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。

对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调整复合频率，达到吸收外来波的目的。117系统效应这是材料的一种复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实际现象中已经发现这种效应的存在。118例如，交替叠层镀膜的硬度大于原来各单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值，说明组成了复合系统才能出现的现象。彩色胶片是以红、蓝、黄三色感光材料膜组成一个系统，能显示出各种色彩，单独存在即无此作用。这也是系统效应的例子。119平均效应、乘积效应、平行效应、诱导效应、相补效应、共振效应、相抵效应、系统效应等各种复合效应，都是复合材料科学所研究的对象和重要内容，这也是开拓新型复合材料，特别是功能型复合材料的基础理论问题。120功能复合材料分类121功能复合材料制造方法传统的方法与结构复合材料成型方法基本相同，主要取决于基体。新兴的制备技术：（1）以材料合成过程中于基体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重复污染为特色的原位复合技术；（2）以自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特色的自蔓延复合技术；（3）以组分、结构及性能渐变为特点的梯度复合技术；（4）以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分散材料为特点的分子自组装技术；仿生技术、凝胶浇注技术、微波合成与烧成技术122功能特性的可靠性控制可靠性控制的难度和复杂性非常高，原因：（1）组分材料的多重性；（2）材料-结构工艺的同步性。复合材料可靠性目前存在的问题：（1）材料特性知识的缺乏；（2）材料性能的分散性；（3）制备工艺的不稳定性；（4）试验方法的不完善；（5）统计数据不足；（6）对复合材料性能随时间变化的规律和知识掌握不够。123功能复合材料发展方向（1）由单功能向双功能、多功能化发展；（2）由功能向机敏、智能化方向发展；（3）功能-承力一体与轻量化；（4）功能体的高性能化与微细化；（5）使用性能的稳定性与长寿命；（6）高精度的设计技术与设计制造一体化；（7）无余量成型与低成本制造技术。124

第四节复合材料应用概况复合材料除在机械、航空、航天领域应用 之外，在以下方面还有着广泛的应用。1.2.3.4.5.电工、电子行业车辆制造方面造船工业方面建筑行业方面化学工业方面125

1.电工、电子行业◆研究表明，一台600KW的汽轮发电机使用的复合 材料就有几十种，一些发电机的端盖、定子槽楔 也都采用了复合材料。 例如：用碳纤维增强塑料制的汽轮发电机端部线 圈护环，不但强度和弹性模量能满足要求，而且 减轻了重量，杜绝了漏磁现象。◆像熔断器管、绝缘筒、电子计算机、收录机、电 视机的线路板、隔板及键盘触点，也都用上了绝缘性好的玻璃纤维增强树脂基复合材料。1262.车辆制造方面在火车上、汽车上，无论是结构部件还是内部装饰，都大量使用了复合材料。◆火车的机车车身，客车和货车车厢、顶棚及门、窗，卫生 间等构件部分，都应用了大量的泡沫塑料夹层结构以及多 层复合板；◆汽车的悬挂结构、中间减震环及内部构件也都采用了复合材料。资料表明：采用先进复合材料制造的轿车车身仅重7.3kg，而钢制的车身为18.1kg，这既减轻了汽车重量，又大大提高了车速。1273.造船工业方面玻璃纤维增强树脂基复合材料由于密度小、强度高、耐海 水腐蚀、抗微生物附着性好、吸收撞击性强以及成形的 自由度大，应用很广。◆建造扫雷艇、汽艇、气垫船、工作艇、小型舰艇（如巡逻艇、登陆艇、交通艇、消防艇等）方面更具优越性。◆还可用于甲板、风斗、风帽、油箱、方向舵、仪表盘、推进器、导流帽、救生圈、驾驶室、浮鼓、蓄电池箱、汽缸罩、机棚室等。1284.建筑行业方面◆建筑物主要承力结构使用的钢筋混凝土◆非受力结构的屋顶、顶棚、隔墙、地板、门窗以及采光材料◆