教学材料《材料》-项目十七

17.1基本概念现代科学技术的发展，尤其是航天、航空尖端技术的发展，对材料提出了三高一低(即高强度、高模量、耐高温、低密度)、耐腐蚀等多种性能要求，而原有的金属、陶瓷及高聚物材料，没有哪一种可单独表现出多方面的优异性能。这种对材料高性能的多方面要求促进了将三者联合起来彼此扬长避短的复合材料的发展。利用适当的工艺方法，将两种或两种以上物理、化学性质或是组织结构不同的材料组合起来而制成的一种多相固体材料称为复合材料。复合材料是多相材料，它的组成主要包括基体相和增强相。下一页返回17.1基本概念基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体并起传递应力的作用。增强相起承受应力和显示功能的作用。如玻璃钢含有两种相:环氧树脂，主要起茹结作用，称为基体相或基体材料;玻璃纤维，主要用来承受载荷，称为增强相或增强材料。因此，复合材料也可以说成是增强材料与基体材料经复合而成的新材料。复合材料最大的优点是其性能比组成材料好。例如，玻璃纤维和树脂的韧性及强度都不高，玻璃纤维的断裂能是7.5J/m3，树脂的断裂能为226J/m3，可是由它们组成的玻璃钢却有很高的强度和韧性，而且密度很小。玻璃钢的断裂能达176x103J/m3。这说明复合材料可以改善组成材料的弱点，充分发挥它们的优点。上一页下一页返回17.1基本概念此外，复合材料还可按照构件的结构和受力要求，设计出所需的最佳性能。例如，若使构件的纤维与所受外力一致时，便可使构件在此方向上的强度大大提高。有些复合材料还可以获得单一材料无法具备的电、声、磁等特殊的功能。上一页返回17.2复合材料的性能17.2.1复合材料的分类通常根据复合材料的三要素(基体材料、增强材料的形态、复合方式)及其用途可归纳为以下几种:(1)按基体类型分类:可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。(2)按增强剂的性质和形状分类。可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料、层叠复合材料。(3)按材料的用途分类:可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料则是利用其力学性能特点如强度、硬度、韧性等，来制作各种结构构件或机械零件。下一页返回17.2复合材料的性能功能复合材料则是利用其物理性能如光、电、磁、热等，来制作各种结构件。如双金属片，就是利用不同膨胀系数的金属复合在一起而成的具有热功能性质的材料。上一页下一页返回17.2复合材料的性能17.2.2复合材料的性能特点1.比强度和比模量高在复合材料中，一般作为增强剂的物质都采用了强度很高的纤维，而复合后材料密度较小，所以比强度和比模量高。比强度和比模量是指材料的强度、弹性模量与相对密度之比。比强度越大，零件自重减小;比模量越大，零件的刚性越好。2.破损安全性好在纤维增强复合材料中，每平方厘米面积上有成千上万根纤维，当构件一旦过载会使其中部分纤维断裂，但随即迅速进行应力重新分配，由未断裂的纤维来承不致造成构件在短时间内失去承载能力而断裂，从而提高使用的安全性。上一页下一页返回17.2复合材料的性能3.较高的疲劳强度复合材料的基体中密布着大量的纤维，且基体的塑性一般较好，可消除或减少应力集中，同时纤维和基体的界面处能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，所以一般复合材料的疲劳强度较高。4.良好的高温性能大多数的增强纤维都有较高的熔点或软化温度，如玻璃纤维的软化点仅为700℃~900℃，但Al2O3,BN,SiC等纤维的软化点均在2000℃以上，所以用这些纤维与金属组成的复合材料其高温强度和弹性模量均有所提高。例如一般铝合金在400℃以上时弹性模量接近于零，强度也大幅度下降，仅为室温时的1/10，而用碳纤维或硼纤维强化的铝合金。上一页下一页返回17.2复合材料的性能在400℃时强度和弹性模量几乎与室温一样。用钨纤维增强钻、镍及其合金时，可使这些合金的使用温度提高到1000℃以上。5.减振性良好构件的自振频率除了与本身的质量、形状有关外，还与材料比模量的平方根成正比。由于复合材料的比模量大，自振频率很高，可防止工作状态下产生共振而引起破坏。同时纤维与基体的界面间吸振能力强，故振动阻尼高。此外复合材料一般都具有良好的化学稳定性，减摩性、耐蚀性以及工艺性能也较好，这些优点使它得到广泛的应用，是近代重要的工程材料，现已用于飞机的尾翼和螺旋桨、发动机油嘴以及汽车、轮船、管道、传动零件等。上一页返回17.3常用的复合材料17.3.1纤维增强复合材料1.玻璃纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维为增强剂、树脂为茹结剂(基体)而制成的，俗称玻璃钢。以聚酞胺、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸醋等热塑性树脂为基体制成的热塑性玻璃钢，具有较高的强度、硬度、弹性模量、耐热和抗老化性能，工艺性能也比较好，但韧性有所下降。可用来制造轴承、齿轮、仪表盘、壳体等零件。以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、不饱和聚醋等热固性树脂为基体制成的热固性玻璃钢，具有密度小、强度高、下一页返回17.3常用的复合材料耐蚀性和成形工艺性好的优点，其中抗拉强度和抗压强度超过一般的钢和硬铝。可用来制造车身、船体、化工容器、管道等。2.碳纤维增强复合材料碳纤维可以和树脂、金属以及陶瓷等组成复合材料。与玻璃钢相比，碳纤维增强复合材料密度小、强度和弹性模量高，具有较高的冲击韧性和疲劳极限，优良的耐磨、减摩、耐热和自润滑性。可用来制造齿轮、轴瓦、活塞、火箭喷嘴、喷气发动机叶片、化工设备的耐蚀零件及运动器材。上一页下一页返回17.3常用的复合材料17.3.2层叠复合材料工业上用的层叠复合材料是用几种性能不同的板材经热压胶合而成。广泛用于要求材料具有高的强度、耐蚀、耐磨的场合，有装饰及安全防护等用途。层叠复合材料有夹层结构的复合材料、双层金属复合材料、塑料一金属多层复合材料。如夹层复合材料已广泛用于航空、船舶、火车车厢、运输容器等。上一页下一页返回17.3常用的复合材料17.3.3粒子增强复合材料粒子增强复合材料是由一种或多种颗粒均匀地分布在基体中所组成的材料。粒子起增强作用，一般粒子直径在0.01μm~0.10μm内，以获得最佳增强效果。根据需要不同，加入金属粉末可增强导电性;加入FP3`l4粉末可改善导磁性;加入MoS2可提高减摩性;而用陶瓷颗粒增强的金属基复合材料具有高的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和小的膨胀系数，可用来制作刀具、重载轴承及高温材料等。常用的复合材料种类、特性及应用见表17-1。上一页返回本篇小结本篇主要介绍粉末冶金材料性能、制造工艺过程，高分子材料的概念、性能、用途，陶瓷材料的组成、性能、特点等内容。学习本篇内容，学生能够熟悉粉末冶金材料、高分子材料、陶瓷材料、复