第五章复合材料

第五章复合材料朱荣本章内容第一节概述第二节金属基复合材料第三节陶瓷基复合材料第四节碳基复合材料第五节聚合物基复合材料第六节纤维增强体材料第一节概述复合材料两种或者两种以上的不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。在现代工程中对材料的要求越来越苛刻，特别是在航天、航海及交通运输领域。例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。通常高强度材料的密度也高，增大强度或刚度则会降低材料的韧性。这种材料优异性能的组合是单一材料无法满足的。复合材料玻璃纤维增强风机叶片玻璃纤维增强尼龙车轮玻璃纤维增强塑料制自行车复合材料制小船复合材料制防弹衣复合材料在波音飞机上的应用特点复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性。材料断裂能/J玻璃纤维7.5×10-4常用树脂2.26×10-2热固性玻璃钢17.6例1：热固性玻璃钢＝热固性树脂＋玻璃纤维热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂脆性低于玻璃纤维泥土＋稻草水泥＋钢筋例2：建筑材料（复合材料的应用）一、复合材料的分类复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。按基体相的性质分金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料按增强相的形态分纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料二、结复合尝材料乌的性棚能特姨点比强于度和企比模才量高纤维痒增加贞材料绳的比川强度芒及比凝模量孩远高软于金菊属材秘料，树特别绝是碳毛纤维粪－环燃氧树凳脂复亲合材友料比塘强度瓜是钢茅的8倍，截比模贯量是惠钢的4倍。抗疲坟劳和白破断套安全捐性好纤维直增强艇复合惜材料座对缺竞口及炕应力傅集中葡的敏凯感性饱小，折纤维屋与基弱体界畅面能裂阻止卵疲劳膜裂纹锯的扩苹展，乞改变胞裂纹壁扩展扎的方祖向。（1）比枪强度压与比潮模量狮高比强长度、照比模专量是结指材双料的骨强度绍或模腔量与吸密度鼻之比践。比旁强度杰愈高称，同找一零佳件的揉自重断愈小;比模笛量愈螺高，烈零件优的刚布性愈碍大。延环氧罩树脂日与高栋强度催的碳长纤维原复合素，比躁强度缴可达91皂3k鸽Nm抛/k板g，比模呜量为85帅MN烦m/城kg，与高础模量亮的碳残纤维殖复合辽，比挨模量命可达11守6M单Nm日/k愤g，比强殊度为61珠3k但Nm扇/k群g,远远拌超过辞一般棒钢材虽和铝迹合金形（钢才的比迹强度摘为12请6k讽Nm帐/k挑g，比模灾量为27既MN塌m/塘kg）。（2）化牙学稳崭定性悔优良钢材投一般也不耐羊酸，泰尤其肯是含藏有氯格离子蔽的酸脾，即察使含钟钼不腔锈钢环在这搁种介纪质中哨，也恋会很本快被戚腐蚀丛。但签纤维首增强书塑料歪如玻绒纤增接强酚润醛树喜脂，占在含倘氯主陶子的司酸性届介质始中能揭长期钻使用隔。用吃玻纤纳增强鲁塑料丸，可薄制造锯耐强炼酸、斜盐、嫁酯和朵某些煎溶剂苦的化引工管恳道、院泵、舒阀、趣容器疾、风菌机、题搅拌停器等小设备案。如若用耐策碱玻愧纤或巡寿碳纤岔维与质塑料炕复合愁，还下能在桌强碱窑介质钥中使颈用。鄙耐碱号玻纤摔可用旁来取洗代钢盗筋与涛水泥哀复合蛋。（3）减故摩、允耐磨省、自语润滑仿性好在热弄塑性稳塑料穷中掺叙入少佣量短伏切碳东纤维灭可大宅大提冻高它以的耐丝式磨性愿，其哄增加恰倍数霜为聚牵氯乙站烯本盟身3.涛8倍，申聚四腐氟乙野烯本沿身的3倍，远聚丙愿烯本台身的2.杰5倍，若聚酰馋胺本响身的1.唤2倍，糕聚酯呈本身晓的2倍。械碳纤认维增恨强塑只料还宰可降季低塑凑料的眠摩擦畅系数译，提适高它秤的pv值[1乘]；pv值随兼碳纤荷维的锡增加絮而有肌不同锅程度柄地提崖高。阵以钢嚷作对享磨件持时，列碳纤献维增吊强的柏磨损芽比玻寨纤增奴强的巷约小10倍。现碳纤宝维增浩强塑雨料具腔有良呼好的酒自润镰性能需，因勉此可复用于特制造坚无油衰润滑幕活塞慢环、出轴承奔和齿遗轮。恭如用辩石棉呜之类皇的材泼料与誉塑料钳复合岭，则廉与上薯述情思况相伯反，班可得营到摩祸擦系吨数大得、制跑动效霜果好糊的摩雀阻材蔽料。[1老]p为滑亩动轴叉承投蜡影面漠的压水强（MP习a），v为滑校动线签速度管（m/批s），各种艘塑料报及其要复合萌材料野均有钉一个疾允许引最高树承载炎能力形的p值；库与允岗许最箭高滑领动线筒速度哪的v值。（4）耐烦热性锻高碳化银硅（Si喷C）纤维箩、氧邀化铝窃纤维坑（α–挽Al2O3·S仿iO2）与陶净瓷复锯合，疤在空叨气中撇能耐12亭00～14业00娘℃高温摸，要能比所吧有超个高温骗合金爹的耐副热性亦高出10随0℃以上行。用归于柴既油发扩动机亩、可乓取消宰原来迈的散堡热器可、水旨泵等闪冷却静系统驾，减炸轻重近量约10涂0k同g。用于屿汽车侵发动笛机，效使用极温度况可高傅达13哨70源℃。（5）高票韧性肺和高克抗冲景击性经、导鼓电和添导热共性金属脊基复贷合材弹料具帅有高让韧性剪和高钱抗冲御击性狱能，满在受瓶到冲倦击时便能通堤过塑夕性变邀形吸疤收能话量。榨具有钟良好恒的导孙电和防导热引性能富，可更以使承集中停电荷答和局浆部的乘高温屈热源讲很快福扩散喷消失忠，有霜利于月解决触热气营流冲叶击和童雷击石问题葱。循环次数应力碳纤维复合材料玻璃钢铝合金复合孙材料秒具有酷较高僚的疲盘劳强伍度。毛实验乳表明狡：σr＝70～80％σb，而忽钢的瞒疲劳厨强度羽只有寇抗拉傻强度蓬的40～50％。纤维紧复合悲材料道平均险几千蝴到几互万根眨纤维/c芒m2，即饲使有盟少数古纤维妄断裂机亦不索会影靠响到病其承亮载能缝力，仇故破鞋断安纠全性侮好。（6）抗呀疲劳磨和破盘断安至全性瓶好纤维属增强订复合礼材料跟对缺晶口及饼应力使集中泻的敏码感性塔小，姿纤维裕与基格体界尾面能雀阻止析疲劳阔裂纹为的扩捕展，挡改变久裂纹备扩展开的方累向。第三郊节闭常用截复合昨材料塑料速基复创合材婚料金属弦基复凤合材尖料橡胶晶基复娱合材蹦料陶瓷油基复滋合材炉料一、答塑料倒基复焰合材量料作为评机械睬工程秘材料风，塑艇料的校最大解优点惑是密光度小财、耐脉腐蚀怠、可答塑性扣好、珍易于妹加工矮成型拦。缺点茎：强注度低晶、弹启性模河量低予、耐吗热性含差。改善串的方俯法：英复合兴材料邀，主诊要是揪增强。使用删最广骑泛的霜是纤北维增曾强塑呆料。优按纤城维的傲性质申可以束把塑滤料基瓣复合屡材料粉分为钥：玻璃扶纤维擦增强益塑料碳纤镜维增脊强塑尤料硼纤庆维增乓强塑模料碳化爆硅纤民维增撇强塑闭料Ke贵vl筛ar纤维六增强垂塑料基体碑材料独：热他固性菌塑料响、热妻塑性刮塑料（一糟）玻辫璃纤俭维增冈强塑稀料俗称害玻璃剃钢。兽按照恨塑料炸的性声质可达以分拐为：热塑艺性玻云璃钢热固慰性玻剩璃钢1、热节塑性徐玻璃睁钢由体告积分亡数为20～40盛%的玻吐璃纤速维与60～80满%的热岗塑性盖树脂杨组成脉。具有湖高强坑度和乱高冲贺击韧山性，猫良好核的低景温性烘能及怪低的丹热胀盛系数。2、热畏固性嗓玻璃等钢由体永积分膛数为60～70政%的玻讨璃纤欠维与30～40堡%的热驶固性想树脂代组成趴。主要致特点涂：密帆度小柄、强于度高筝、比蚊强度部超过迎一般示的高吨强钢猎，耐望腐蚀泳、绝云缘、所绝热妄等。补但弹漂性模膝量低纯，在30备0℃以下端使用密。主要债用于知制造董自重梯轻的所受力想构件腥和要虾求无畏磁性绢、绝溉缘、列耐腐析蚀的沾零件细。（二为）碳民纤维寸增强威塑料组成由碳熟纤维肆与聚勒脂、偶酚醛泄、环矛氧、特聚四测氟乙误烯等琴树脂崭组成悉的复找合材汽料。优点低密赖度、料高强亩度、你高弹战性模转量、悬高比威强度申和比什模量幻玉。优良双的抗第疲劳除性能只、耐济冲击锯性能咽、自献润滑蜘性、就减摩斥耐磨凉性、姻耐腐纷蚀和丹耐热辆性。缺点碳纤饿维和奏基体跨结合手强度垄低，腔各向棚异性王严重距。应用性能料优于闲玻璃会钢，冲主要岩用于愈航天袖和航傍空工李业中情制作雷飞机浸机身较，螺狱旋浆前，发印电机写的护忽环材紧料等纯。（三盘）硼屯纤维束增强狐塑料组成由硼悔纤维母与环箱氧、绒聚酰吓亚胺抓等树胸脂组羊成的气复合似材料雀。特点高比菜强度忌和比乡丰模量睛；良好辽的耐醒热性估；缺点连是各括向异毁性严睡重应用主要罢用于孤航天定和航携空工倘业中专要求村高刚晌度的溉构件恒，如季飞机浮机身贝，机热翼等勤。（四意）碳矿化硅斩纤维越增强偷塑料组成由碳图化硅垃纤维俊与环顺氧树粗脂组变成的炮复合腥材料柔。特点高比微强度庭和比遇模量匀；抗拉反强度逗接近扁碳纤着维—环氧疑树脂但复合内材料多，但皂抗压突强度舰是其湖两倍清；碳化打硅—环氧才树脂对复合桐材料创是一吧种很刘具有抄发展血前途谋的新达型材妨料。应用主要屑用于伍宇航否器上鼻的结颤构，贝比金拼属轻30栏%。还喝可以甲制作兽飞机患的门努、降腥落传该动装坛置、笔机翼棵等等玩。（五级）Ke菌vl础ar纤维趣增强皮塑料组成由Ke稻vl欢ar纤维兼与环海氧、拿聚乙付烯、谱聚碳到酸脂却、聚令脂等沿树脂钓组成者的复诱合材屯料。特点最常辟用的浸是Ke该vl佛ar纤维—环氧忘树脂玩复合链材料原；抗拉柿强度组高于瞧玻璃跨钢，压与碳倡纤维—环氧孝树脂期复合桌材料勉相近去；延性由好，草与金辨属相侄似；具有冷优良健的疲除劳抗嫂力和迁减振叙性。主要忧用于昆制作钞飞机毫机身刘、雷遍达天届线罩危、火魔箭发页动机借外壳彻、快浴艇等四。应用二、苹金属宾基复蹄合材忽料目前粥是机匆械工位程中东用量立最大横的一判类材列料。塑性糖，韧英性，含硬度喂，弹昌性模顽量比钳较高诵。但与仍不吓能满词足要霜求，广一直克在改唯进。主要荣应用这的金弦属基即复合郊材料隆：纤维目增强伐金属灾基复尿合材须料颗粒岭增强慰金属拿基复益合材寇料塑料—金属笋多层照复合秘材料三、死橡胶救基复翅合材深料橡胶颈具有帜弹性魄高，酒减振昂性好睡，热庸导率欣低，纳绝缘弊等优缺点，夏但强占度和己弹性犯模量拳低，栗耐磨笔性差广。为了践改善殖橡胶逆制品渡的性作能，蝇可以据用增纱强纤垄维或活粒子算与其提复合况。制合备纤删维增窑强橡非胶和态粒子冈增强赞橡胶执制品煌。纤维降增强枪橡胶—主要润用于低轮胎晒，皮悄带，芽橡胶犬管，贫橡胶匀布等畏。粒子境增强臭橡胶—利用货补强蓄剂提搜高橡续胶的先抗拉喘强度付，撕麦裂强鬼度，奇耐磨毙性等鸭。四、赵陶瓷堵基复孟合材更料陶瓷西具有煤耐高摘温，魂抗氧对化，趟耐腐之蚀，卖弹性两摩量盏高，迟抗压鸭强度石大等堵优点爱。但陶毫瓷脆沸性大腾，不惭能承蜂受剧点烈的弄机械浆冲击挠和热涨冲击定。用纤黄维或俘粒子灰与陶集瓷制济成复朴合材纠料，减其韧衬性明托显提权高，感是目群前研截究的哲热点构。主扎要有哈：纤维搁增强扁陶瓷主复合旨材料粒子著增强绪陶瓷盾复合哲材料复合抽材料宝应用董实例双金渔属复少合钢想管陶瓷即内衬和复合野管20钢/3稿16鼻L钢复狂合管基管20钢内衬31姥6L钢20钢/3陵16弟L复合云管铝热迟剂：Al帖+F臣e2O3FeAl2O3第六抚节搂增强鸣材料逝及其队增强婶机制复合顺材料荷是一裂种由型基体ma潮tr持ix和增味强相re庆in育fo造rc桑ed恐p铜ha那se组成微的多剪相材等料，橡通常闸基体贪为连拳续相榴，而花增强柿相为巴分散俊相。复合办材料基体增强相金属甲材料浅、高火分子绝材料折、陶漠瓷材帽料颗粒宵增强湖材料厌、纤雅维增步强材咐料、乔片状孩增强歪材料一、炊增强躺材料增强饲效果幕最明拜显、刮应用纯最广里。主年要有洞玻璃稻纤维叙、碳越纤维忌、芳拌纶纤慨维、油硼纤除维、弱碳化徐硅纤模维和站氧化哥铝纤惨维等（一颗）纤亭维增唐强材角料密度g/cm3抗拉强度GPa拉伸模量100GPa比强度106N.m/kg比模量106N.m/kg无碱玻璃纤维2.553.400.711.3328高强度碳纤维（II）1.742.422.161.39124高模量碳纤维（I）2.002.233.751.12188Kevlar491.442.801.261.9488硼纤维2.362.753.821.17162SiC纤维（钨芯）2.693.434.801.28178钢丝7.744.202.000.5426钨丝19.404.104.100.2121钼丝10.202.203.600.2235常用裹增强罪纤维降与金汪属丝阳性能软对比玻璃宅纤维由熔舟融玻拘璃经嫌拉丝色制成贝纤维福；密度2.忆4～2.锣7，与款铝相仔近，让弹性乡丰模量跟低于丙金属考，但咸比强伴度和消比模振量高钳；耐热绝性好马，软馅化温播度55哨0～58色0℃；耐蚀袜性好昏，除缎氢氟认酸、竖浓碱糖、浓蹄磷酸办外，涌对其辣它溶沾剂有择良好忠的化锻学稳到定性崭；不吸委水、夺不燃井烧、点尺寸镰稳定另、隔瓦热、钉吸声悄、绝受缘、欠透过固电磁屡波等夫；制取返方便失，价之格便鄙宜，淡是应险用最锅广的笋增强晒纤维图。碳纤简维将有悔机纤海维（缓如粘惧胶纤尘维、破聚丙皆烯腈誓纤维蔑、沥镜青纤肾维等希）在束惰性央气氛缘瑞中经邮高温技碳化谁而制累成wC>9戒0%以上奔的纤捆维；密度夹低、随强度涨和模嚷量高飘；高、饶低温底性能克好（15勇00前℃，-1恢80全℃）；化学辛稳定织性高五，能忠耐浓挺盐酸壁、硫石酸、省磷酸核、苯耻、丙析酮等丙；热归胀系躲数小守，热桶导率炮高，耻导电腾性、令自润晃滑性仙好；缺点避：脆谜性大论，易刺氧化缴，与蛾基体建结合猴力差途。硼纤炸维将元澡素B用蒸此汽沉凉积的唯方法惩沉积灾到耐腊热金福属丝某－纤茶芯（巩钨丝货）上腰制得疏的一源种复另合纤裕维；熔点索高（23都00堡℃）；强度摇、弹念性模青量高您；良好佛的耐片蚀性谱；缺点长：密返度较盈大，普直径用较粗填，生穴产工炎艺复闷杂，沙成本勇高；不及绒玻璃街纤维招和碳骗纤维摊应用荷广泛粮。芳纶结纤维亦称Ke娇vl脚ar纤维灭，是页一种期将聚拢合物立溶解帆在溶恨剂中瞎，再辅经纺堪丝制黄成的内芳香宰族聚鉴酰胺剩类纤休维；密度币小，势比强助度、树比弹瓶性模腥量高摆；抗拉次强度深比玻鸽璃纤鸽维高45％，井韧性丘好；耐热钞性好贤，能喊在29御0℃下长鸦期作辩用；优良灿的抗略疲劳减性、高耐蚀含性、索绝缘记性和刚加工掩性，播且价高格便丑宜。碳化滤硅纤鸭维是以图钨丝雨或碳衡纤维站作纤串芯，齐通过减气相格沉积杀法而况制得当；或葬用聚况碳硅亭烷纺敬纱，铜经烧椅结而疑得；是一忙种高偿熔点嘉、高秧强度悉、高烫模量摸的陶吗瓷纤品维，针主要匹用于穷增强郑金属粱和陶拘瓷；优良教的高秆温强肢度，瞎在11叠00妥℃时强承度仍帆高达21册00蜻MP嘉a。主要畏增强喉颗粒即为陶客瓷颗失粒，骡如Al2O3、Si个C、Si3N4、WC、Ti翠C、B4C及石均墨等亚；陶瓷斤颗粒旬性能丈好、疮成本晓低，衔易于部批量抛生产殖；在聚闻合物牢中添绕加不纺同的派填料筑，构爷成以裳填料虎为分锻散相奶、聚撇合物载为连复续相素的复始合材萝料，篇可改逼善制叼品的董力学既性能厚、耐挪磨性柜能、馋耐热麦性能堆、导乒电性混能、抵导磁你性能谦、耐顾老化托性能箩等。（二饺）颗未粒增桶强材凡料碳黑炭和白谨碳黑耀（Si2C无定恨形微目粉，录呈白信色，御具有炼类似枯碳黑议的增腰强作棚用，言故称捐之）孙可明史显提玻高橡遍胶的住强度拥、硬栽度和过弹性妈模量拳；石墨哨、银五粉、解铜粉爸等可雕改善笋塑料鹿的导宝电性渐；Fe2O3磁粉秃可改晴善塑副料的爬导磁浪性；Mo粪S2可提膊高塑垂料的谋自润违滑性饱；空心吵玻璃慌微珠看可减榆小塑睛料的韵密度隐并提罢高其蜘耐热抬性。二、醒增强姜机制纤维搅是具核有强努结合断键的缩慧物质他或硬分质材鹊料；纤维观处于饮基体像中，持表面带受到择基体胶的保阀护不用易损迅伤，笼也不疑易在父受载看过