工程材料 第九章 复合材料

第九章

复合材料第九章复合材料

主要内容

9.1复合材料及其类型

9.2复合材料的增强机制和复合原则

9.3复合材料的性能特点

9.4常用复合材料

9.1复合材料及其类型1.含义：由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工组合而得到的多项固体材料。

第九章复合材料☀改善或克服组成材料的弱点，充分发挥其优点；☀可按照构件的结构和受力要求，给出约定的、分配合理的配套性能，进行材料的最佳设计；☀可创造单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里发挥不同功能的作用。优点9.1复合材料及其类型2.分类复合材料是多相结构，可分为两类，一类相为基体，起连接作用；另一类为增强相，起提高强度（或韧性）作用。常见的分类有三种

①按基体类型分：树脂类/金属类②按性能分：结构复合材料/功能复合材料③按增强相的性质和形态分：

→纤维增强复合材料

→颗粒增强复合材料

→层叠增强复合材料

第九章复合材料9.1复合材料及其类型第九章复合材料

（a）层叠复合材料（b）纤维复合材料（c）颗粒复合材料复合材料结构示意图2.分类9.1复合材料及其类型3.复合材料的制备方法（1）叠层（层合）法

利用胶黏剂的胶接层合、热压或挤出层合以及利用各种方法形成表面层。（2）混合法在基体材料中加入填料，经机械混合形成溶液、乳液状态，料浆和混合料，甚至微观结合，然后固化、分层、烧结而制成均匀的复合材料。（3）浸渍法

多孔连续基体相材料在增强液体中浸渍获得。第九章复合材料第九章复合材料

波音787：复合材料-50%铝-20%；钛-15%钢-10%；其他-5%波音747-8飞机在襟翼、扰流板、短舱和方向舵中采用石墨复合材料。747-8的重量将减轻907公斤。9.2复合材料的增强机制和复合原则

增强复合材料的形态主要有纤维态和粒子态两种。1、纤维增强复合材料的增强机制与复合原则纤维增强复合材料是由高强度、高弹性模量的连续（长）纤维或不连续（短）纤维与基体(树脂或金属、陶瓷等)复合而成。（1）增强纤维的强度、弹性模量应远远高于基体，以保证复合材料受力时主要由纤维承受外加载荷。（2）纤维和基体之间应有一定结合强度，这样才能保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂。钨纤维铜基复合材料中的裂纹在铜中扩展受阻第九章复合材料9.2复合材料的增强机制和复合原则1、纤维增强复合材料的增强机制与复合原则（3）纤维的排列方向要和构件的受力方向一致，才能发挥增强作用。（4）纤维和基体之间不能发生使结合强度降低的化学反应。（5）纤维和基体的热膨胀系数应匹配，不能相差过大，否则在热胀冷缩过程中会引起纤维和基体结合强度降低。（6）纤维所占的体积分数、纤维长度L和直径d及长径比L/d

等必须满足一定要求。第九章复合材料9.2复合材料的增强机制和复合原则2、粒子增强型复合材料的增强机制与复合原则增强原理：在外力的作用下，复合材料的基体将主要承受载荷，而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，使变形抗力增加，强度提高。原则：

(1）粒子与基体应有一定的结合强度。（2）粒子增强的效果与粒子相的体积含量、分布和粒子直径有关。第九章复合材料9.3复合材料的性能特点

1、比强度和比模量高可减轻重量，使构件做的更小，可取代部分Al合金构件。

2、良好的抗疲劳性能和破断安全性对缺口和应力集中敏感性小，就是有裂纹，其扩展方向因纤维/基体界面会变钝，或改变方向。

3、减震性能好

4、优良的高温性能

第九章复合材料9.3复合材料的性能特点复合材料中疲劳裂纹扩展示意图

第九章复合材料第九章复合材料1.树脂基复合材料的基本类型9.4常用复合材料热固性树脂热塑性树脂特点：硬度、刚度大，受热不软化，其用量比热塑性树脂大。常用的几种热固性树脂为：环氧、酚醛、聚酯、硅树脂和聚酰亚胺特点：受热到玻璃转化温度时，会明显产生软化，而冷却后又能恢复其强度。第九章复合材料2.纤维增强及纤维树脂基复合材料（1）玻璃纤维及其增强的复合材料玻璃脆性很大可将熔融液态玻璃以极快的速度控制拉成纤维后，就具有一定的柔软性，可纺制成纱和玻璃布。①玻璃纤维的分类

可根据纤维中K、Na的氧化物含量分为：→有碱(>10%)玻璃纤维

→低碱(2～6%)玻璃纤维:强度高，耐水性好，电绝缘性好

→无碱(<1%)玻璃纤维

→特种玻璃纤维9.4常用复合材料随着含碱量增加，强度、绝缘性、耐蚀性下降第九章复合材料2.增强纤维及纤维树脂基复合材料（1）玻璃纤维及其增强的复合材料

②玻璃纤维的性能特点抗拉强度很高。纤维越细，强度越高，纤维直径一般在10μm以下，单丝抗拉强度为1～3×103MPa，但弹性模量不高，仅为5×104MPa。耐热性低：250℃以上开始软化化学稳定性高，除HF和浓碱外，在其它化学介质中都有较好的稳定性。脆性较大：延伸率具有3%左右。9.4常用复合材料2.增强纤维及纤维树脂基复合材料（1）玻璃纤维及其增强的复合材料③分类及性能→热固性玻璃钢：(60~70%)纤维+(30~40%)热固性树脂，用手敷法，模压结合或注射成型。→热塑性玻璃钢：适量玻璃纤维+热塑性树脂复合材料，此类玻璃钢机械强度不如热固性玻璃钢高。④用途航空领域：可作飞机螺旋桨、副油箱、雷达罩等；交通运输方面：可作车顶、车身、发动机罩和船舶零件；化工方面：可作管道、阀门、贮罐等。优点：比重小强度高，耐腐蚀，绝电抗磁，隔音能力较好。环氧树脂玻璃钢显微组织(表面及截面）第九章复合材料2.增强纤维及纤维树脂基复合材料（2）碳纤维及其增强的复合材料①碳纤维生产碳纤维的原料有各种人造纤维和天然有机纤维，如聚丙烯腈、沥青纤维等。

1)聚丙烯腈制造碳纤维的过程如下：聚丙烯腈纤维预氧化纤维碳纤维(高强度)石墨纤维(高模量)预氧化碳化石墨化~250℃～2小时1000~2000℃～1小时2500~3000℃～1小时第九章复合材料第九章复合材料

2.增强纤维及纤维树脂基复合材料（2）碳纤维及其增强的复合材料

→预氧化目的：提高热稳定性，保证碳化时得到碳纤维。

→碳化：在氮气或真空中高温加热，使纤维中的氢、氮、氧等元素逸出，形成碳纤维(此时含75～95%)。这种碳纤维叫高强度碳纤维(也称Ⅱ型碳纤维)，即此时纤维强度最高；

→石墨化：是在氩保护下在更高温度下加热，进一步提高碳含量(98%以上)，并使碳转变成石墨晶体。具有石墨晶体结构的纤维叫石墨纤维，又称Ⅰ型碳纤维。它的性能特点是强度低于Ⅱ型碳纤维，但弹性模量比Ⅱ型高，故称高模量碳纤维。第九章复合材料2.增强纤维及纤维树脂基复合材料（2）碳纤维及其增强的复合材料碳纤维的性能特点：

1)比重小、弹性模量高。

2)高低温性能好。

3)具有高的化学腐蚀稳定性，导电性和低的摩擦系数等优点。用途：机身局部构件、机舱地板、发动机的压气机叶片；垂直尾翼、水平尾翼等。1K碳纤制作的管

第九章复合材料3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料（1）硼纤维B的熔点为2050℃，硬而脆，不能用常规方法制造纤维，通常用化学气相沉积法来制取，方法如下：0.013mm钨丝表面纯净的W丝H2气中去除污染与氧化物1204℃1093℃2BCl3＋3H2→2B＋HCl在含有BCl3和H2的气氛中，进行化学气相沉积WBB向W丝心部扩散后就形成了硼纤维第九章复合材料3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料（2）硼纤维环氧树脂复合材料特性：硼纤维环氧复合材料的拉伸、压缩、剪切强度比Ti合金、Al合金都高，但其各向异性十分明显。可做成长度为30~76m，宽度为76.2mm的带材，在其宽度上分布着600根硼纤维占体积的43~54%。应用：主要用于高性能飞机垂尾，机翼部件和起落架门。第九章复合材料4．晶须及其增强的树脂基复合材料（1）晶须用不同处理方法，可使金属、金属的氧化物、金属的氮化物、非金属的碳化物、氮化物自由长大成纤维状的单晶体，即晶须。直径：约为0.13～25μm长度：约为几毫米特性：不存在晶体缺陷，强度很高，弹性模量也很高，高温机械性能比任何纤维都高。（2）晶须树脂复合材料晶须价格昂贵，在树脂基复合材料中用的不多，即使使用晶须，一般只为百分之几。常用于局部增强。第九章复合材料5.金属基复合材料优点：其横向机械性能和层间剪切强度高，工作温度高，尺寸稳定，不老化，不吸湿不放气。缺点：工艺复杂，难度大，成本很高。研究和应用水平不如树脂基复合材料。

第九章复合材料（1）硼纤维增强的金属基复合材料

1）硼纤维增强铝合金①性能特点：★疲劳性能高；★抗压强度和抗剪强度，比硼-环氧树脂基复合材料高；★拉伸模量高于硼-环氧、7075铝合金、Ti6A14V钛合金；★高温性能也优于硼-环氧和7075铝合金。★B纤维的表面，一般涂SiC涂层来提高化学稳定性，防止AlB2和B2O3的形成。第九章复合材料（1）B纤维增强的金属基复合材料

1）B纤维增强Al合金②基体纯Al，变形Al合金(采用热压扩散结合)，铸造Al合金(采用铸造法)。③显微组织由厚度为0.076~0.13mm的多层铝箔+直径为0.1mm的多根硼纤维在524℃、700MPa压力下，保持1.5小时制成。④应用因强度高、耐蚀性好，一般用于发动机风扇叶片、飞机蒙皮等。硼/铝复合材料的典型制造工艺流程（1）B纤维增强的金属基复合材料

1）B纤维增强Al合金第九章复合材料第九章复合材料5.金属基复合材料（1）B纤维增强的金属基复合材料

2）硼纤维增强钛合金Ti与B之间相容性差，易形成TiB2，进而产生裂纹。在B纤维表面涂SiC后，基本上可以解决相容性问题。目前还处于研究和使用阶段。第九章复合材料5.金属基复合材料（2）石墨纤维增强金属基复合材料

性能特点：石墨纤维强度高、刚度高、密度小，大规模生产容易，与Al、Ni、Cu、Mg等金属有一定相容性；但石墨在高温下易产生氧化，制造困难，因此限制了其应用；

用途：可作飞机蒙皮、直升机旋翼桨叶及压气机叶片等；