华科大复合材料课件01复合材料基础

复合材料讲课：李言祥教授陈祥讲师助教：黎振华

课程计划Part1

复合材料的基础知识Part2陶瓷基复合材料Part3金属基复合材料Part4

聚合物基复合材料绪论：§1-1材料概述材料：用于制作工具或器具的物质材料在人类历史进程中的作用石器时代、青铜器时代、铁器时代、19世纪中叶开始的现代材料时代现代工程材料

按组成分按用途分金属材料（Metallicmaterials）无机非金属材料（Ceramicmaterials）有机高分子材料（Polymers）结构材料σbσsδψαk

Ε功能材料电、磁、声、光、热等工艺材料工、模具材料焊接材料造型材料现代工程材料§1-2复合材料概述1什么是复合材料一般说法：由2种或2种以上不同材料组合在一起而形成的新材料。土坯、张飞的丈八长矛、蒙古弓、混凝土木材、人体骨骼、竹子2复合材料的特征至少包括2种以上的独立化学相（组元）是按性能要求人为设计和制造的（有别于一般天然材料）具有各单一组元所没有的综合优良性能（有别于一般混合物）3发展简史40年代玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）出现60年代金属基复合材料出现80年代陶瓷基复合材料出现4复合材料举例玻璃钢（印刷电路板），轮胎（纤维增强橡胶）雷达罩（玻璃纤维增强树脂）火箭鼻锥（碳纤维/树脂）（碳/碳复合材料）人造卫星天线（碳纤维/镁合金）航天飞机框架（硼纤维/铝合金）网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇－休闲汽车活塞、连杆、自行车飞轮等－民用工业面广尖端人类第一架全复合材料飞机复合材料制品§1-3复合材料的分类复合材料的组成基体(Matrix):含量较大，连续分布的组成相增强相(ReinforcementElements):含量较小，分散分布，一般起增强作用

1按基体的性质分金属基复合材料（MetalMatrixCompositeMaterials,MMCs)树脂基复合材料(PolymerMatrixComposites,PMCs)陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposites,CMCs)2按增强相的形状分（示意图见下页）纤维增强复合材料(FiberReinforcedComposites,FRCs)层压复合材料(LaminatedComposites,Laminates)颗粒增强复合材料(ParticulateReinforcedComposites,PRCs)3

按制造方法分人造或合成复合材料(SyntheticComposites)自生复合材料（原位复合材料）(insituComposites)4

按用途分结构复合材料(StructrualComposites)功能复合材料(FunctionalComposites)增强相形状示意图复合材料颗粒增强层压复合材料纤维增强复合材料长纤维增强短纤维增强定向排布混乱排布取向性排布返回上一页5举例碳纤维增强铝基复合材料SiC颗粒增强铝基复合材料梯度复合材料定向凝固共晶复合材料§1-4金属基复合材料1WhyComposites?1.1常见金属材料钢铁、铝合金、铜合金钛合金、镁合金、镍合金锌合金、铅合金、锂合金1.2新合金的开发：TryandError(凑试法）二元合金的开发通常可以借助于相图；但三元合金相图缺乏；四元及以上合金基本上无相图可以参考1.3合金强化的方法冷变形强化、过剩相强化、细化组织强化（晶界强化）、固溶强化、沉淀强化（弥散强化）1.4合金强化的途径阻碍位错的运动位错理论在合金的强度增加时，合金的刚度基本不变1.5在航空、航天中遇到的问题比强度、比刚度（模量）的概念铝合金--强度不足；钛合金--刚度不足1.6纤维增强金属基复合材料

(金属材料强度的限制：1000~2000MPa)以比强度、比模量的提高为主要目的，轻金属为主也有用于特殊目的：如铜/石墨纤维→电刷1.7层压复合材料（性能的组合：）抗磨损、抗冲击、耐腐蚀及电、热等特殊性能要求1.8颗粒增强金属基复合材料耐磨性能、耐热性能（高温强度）、热性能（热胀系数）等；与弥散强化、过剩相强化的区别：后两者第二相的数量、种类、耐高温性能等受限制2金属基复合材料的主要种类2.1纤维增强纤维：碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维、金属丝。。基体：铝合金、钛合金、镁合金、超合金、铜合金常见的纤维增强体与基体材料的应用情况见下页的表中所示。2.2层压复合材料2.3颗粒增强颗粒：SiC,TiC,WC,Al2O3,

石墨基体：铝合金，钢铁，铜合金，镁合金常见纤维增强体与基体材料的应用§1-5复合原则1优势（优良特性）互补原则2求异相容原则3性能（用途）先定原则4制备可能性、成本可行性原则§1-6本章小结1什么是复合材料2怎样发展起来的3哪些种类（分类方法）4金属基复合材料的基本常识5本课程的要求目的：系统性，先进性要求：掌握复合材料的基本增强原理，熟悉复合材料的主要种类，性能特点及其制备方法。第二章增强原理§2-1混合定律(Voigt’sLaw)1混合定律设：复合材料中有N种不同增强相分布在基体中，每一种增强相的剪切弹性模量为Gi，体积分数为Vi(i=1,2,3,…,N)。记基体的剪切弹性模量和体积分数分别为G0和V0，则复合材料的剪切弹性模量Gc可以近似的表示为：(ROM,RuleofMixture)(LOM,LawofMixture)ROM(RuleofMixture)对混合物的密度2推导条件等应变假设：γ0=γ1=γ2=…=γn=γ;τi=Gi

γi=Giγ由式(2.3)和(2.4)，(2.1)τττiAiA3实验规律：(2.1)式给出的是性能上限4推广：对强度：对于基体和一种增强相：σbc=V0σb0+V1σb1

或σbc=Vmσbm+Vfσbf5

适用：单向增强（连续纤维增强金属复合材料），非常适合；衡量尺度：接近程度→设计制造工艺水平。§2-2纤维增强复合材料的力学性能1应力--应变图1.1

纤维增强复合材料的应变过程最多三阶段,如下页图示：I：基体、纤维均弹性变形II：基体塑性变形，纤维仍弹性变形III：基体、纤维均塑性变形例：金属丝增强金属基体，W/Cu，W/Ni，不锈钢/铝返回上一页1.2陶瓷纤维增强金属基复合材料的应力--应变图fcMσbfσsmσbcεym

εbfεbf>εym

fMσbfσsmσbcσ/bc

εbfεymεbf<εym

σbmσyc1.3陶瓷纤维增强金属基复合材料的应力--应变图IIIII+III阶段第一类IIIIII阶段第二类2刚度2.1单向增强复合材料的纵向模量2.1.1纵向模量的理论值如图，设：1）纵向受到外加载荷P;2）载荷传递良好，纤维与基体之间无滑移;3）复合材料处于变形的第I阶段，基体与纤维同应变ε。2.1.2影响因素1）纤维的非直线性；2）排列不整齐(均匀性和平行度）；3）复合材料内有空隙；4）界面结合不良。2.1.3纵向模量实际值：式中k接近1的程度反映工艺水平，k可达0.9以上。2.1.4实例钨丝增强铜基复合材料,见下页图示。2.2单向增强复合材料的横向模量2.2.1两种理论模型1）串联模型

Vf小，纤维之间不结联，纤维与基体等应力(σm=σf=σc)

2）并联模型

Vf大，束状分布在纤维中，横向联结（纤维间基体很薄，只传递载荷，不参与变形或认为变形与基体相同），纤维与基体等应变(εm=εf=εc)

。2.2.2串联模型在PT的作用下（如图示）：

按串联模型,在PT的作用下，横向伸长：Δl=Δlf+Δlm。由Hook’sLaw:按并联模型，容易导出2.2.4单向增强复合材料的横向模量的实际值

代表的是纤维全部独立的情况，是的极小值；代表的是纤维全部联通的情况，是的极大值。实际为线性组合（加权和）：

其中c为分配系数（纤维相邻系数），0≤c≤1。对玻璃纤维增强材料，实验测定的结果是：c=0.4Vf－0.025

下图是硼纤维增强铝基复合材料的情况。2.2.3并联模型2.3.1复合材料中短纤维的排列方式通常短纤维很难定向排列，而是按以下两种方式排列：有取向性完全混乱2.3.2短纤维的分布模型有以下两种模型：余弦分布模型与均匀分布模型，如下所示：2.3非定向排列纤维增强复合材料的弹性模量1）余弦分布,ρ(θ)=ρ0cosθ

非定向排列纤维增强复合材料的弹性模量的两种模型2）均匀分布,ρ(θ)=ρ0/θ/≤β,β=0时纤维完全定向分布;β=π/2时纤维完全混乱分布。非定向模量与单向增强纵向模量的比值与β角的关系2.3.3短纤维的长径比

短纤维的长径比(l/d)及其分布对模量有重要影响。长径比越大，长度越均匀，越接近上面的分析。3.强度纤维增强金属基复合材料的强度受纤维排布方式和受载方向的严重影响，分长纤维（单向增强）和短纤维两种情况。3.1对于长纤维单向增强复合材料：分三种受力方向（如下页图示）讨论。L-纵向，T-横向，θ-偏向，

以上3种情况的应力应变示图分别如下所示fcMσbfσyfσbmσymσLbcσycfcMσbfσbmσ/mσLbcεbffcMσbfσbmσ/mσymσLbc4、σLbc与Vf的关系图σLbfσbmσ/m

0

VfminVfcrit

0.5

Vf

1

3.1.2σTbc

通常，基体与纤维的界面结合强度低于基体的强度，在横向载荷的作用下，纤维可看成空洞--空洞模型。界面的结合状态直接影响σTbc的大小。下面两图是B/Al复合材料σTbc的情况。B/Al复合材料σTbc的理论值与实验值界面结合状态对B/Al复合材料σTbc的影响3.1.3σθbc3.1.3.1三种断裂模式与σθbc复合材料受到与纤维轴成θ角的外加栽荷作用时，可能有三种断裂模式，它们是：对应的有：3.1.3.2复合材料的离轴强度σθbc的提高理论和实验结果表明，复合材料的离轴强度在超过纵向断裂→剪切断裂的临界点（~3。）后会迅速下降。为克服这个缺点，可以通过用±θ角排布的纤维增强复合材料的薄片分层间隔叠合的方法来消除。下图是应用这种方法获得的不锈钢丝增强Al基复合材料的强度值。3.2

短纤维增强复合材料的强度3.2.1短纤维增强复合材料的强度设金属基体中的短纤维是定向排列的，如图示。其中某一根短纤维中的轴向应变如下页图示。l<lc→拔出l>lc→拉断σ/bc/σLbc

0.8

0.60.4

0.2

24681012l/lc

3.2.23.2.3

lc的确定：拔出试验，能拔出的最大长度=lc/2§2-3层压金属复合材料的力学性能1刚度1.1纵向弹性模量ELcELc=E1V1+E2V2+…EiVi+...+EnVnVi:体积分数（厚度分数）1.2纵向弹性模量ETcTTLL2强度用屈服强度不用抗拉强度。在初始阶段同应变，实例：如下图示。实例见下页图示§2-4颗粒增强原理弥散强化：d<0.1um,自生；颗粒增强：d>3um,外加。1弥散强化(OrowanEquation)示意图2颗粒增强颗粒增强复合材料的增强原理与弥散强化时有区别，颗粒也承受载荷并约束基体变形，示意图如下页所示。

存在以下两种情况：此时基体和颗粒共同承担载荷，位错不能越过颗粒，位错堆积：Dpbσσ第三章复合材料中的增强体增强体(相)纤维颗粒金属基体增强纤维有机物基体增强纤维陶瓷基体增强纤维碳化物氮化物硼化物氧化物碳纤维，硼纤维，碳化硅纤维，氧化铝纤维，金属丝玻璃纤维，碳纤维,Kevlar纤维碳纤维，碳化硅纤维，氧化铝及其它陶瓷纤维SiC,HfC,WC,MoC,TiC,ThC2,ErC,CrCBN,Si3N4,AlN,ErN,TiN,TaNTiB2,MoB,WB,CrB2,TaB,HfBZrO2,ThO2,Al2O3.,HfO2,CrO2§3-1碳纤维1分类碳纤维按碳含量分按性能分按制备原材料分按模量分按强度分碳纤维（含C~95%）石墨纤维（含C~99%）中模量型(220~300GPa)高模量型(300~400GPa)超高模量型(>400GPa)高强型(<2.5GPa)超高强型(>2.5GPa)PAN系沥青系粘胶系2制造2.1PAN（聚丙烯腈）系230~250℃1000~1500℃2000~2500℃PAN丝C纤维白丝黑丝高强度丝高模量丝空气中预氧化氮N2气氛碳化~1000℃氩Ar气氛石墨化PAN纤维的结构式：热定型碳化

石墨化C纤维纺丝纺丝热定型碳化

石墨化C纤维各向同性沥青液晶化400~450℃惰性气氛热处理高温牵伸2.2沥青系2.3粘胶(rayon)系粘胶是一种热固性聚合物，将粘胶原丝转变成碳纤维的生产工艺过程与PAN系碳纤维的过程类似，同样分为预氧化、碳化和石黑化三个阶段，其制备的碳纤维力学性能较差而耐烧性和隔热性能好。目前用量较少，美国等国有少量生产。3性能特点1典型性能

δ=0.5~2.5%2、线膨胀系数小，且各向异性。沿纤维方向其值为负值(-0.5~-1.3×10-6K-1)，沿径向为5.5~8.4×10-6K-1

。其制品尺寸随温度变化极小，甚至可制出零膨胀系数的制品。3、耐热性能好，在氮气气氛中加热到1000℃,几乎不发生反应。4、碳纤维的比热容为0.7~0.9KJ/(Kg·K),是很好的耐烧蚀材料。5、具有良好的导电性能，电阻率为15~30×10-4

Ω·cm。6、对X射线有很强的透过率。§3-2硼纤维1制造（CVD法）根据使用的底丝材料的不同，分为钨芯硼纤维和碳芯硼纤维。硼的密度为2.34g/cm3,制造过程的示意图如右所示。反应为：2BCl3+3H2→2B+6HCl。此反应为一可逆反应，温度对这一反应的影响如下页图示。底丝←H2→H2←H2+BCl3→H2+BCl3+HClB纤维1050115012501350T℃钨芯碳芯温度对CVD法制备硼纤维的影响2性能特点1、典型性能2、线膨胀系数4.5×10-8K-1,δ=0.9~1.0%,几乎无塑性。σεσbl3带涂层的硼纤维（相容性问题）SiC涂层（Borsic)涂层厚~1.25um，适于B/Al复合。B4C涂层涂层厚~7um，适于B/Ti复合。4、应用在F14，F15，F16，航天飞机上都有应用。民用方面，一些高尔夫球杆、网球拍、自行车架等亦有应用。1制造1.1化学气相沉积（CVD法）根据使用的底丝材料的不同，分为钨芯碳化硅纤维和碳芯碳化硅纤维。反应过程的示意图如右所示。反应为：CH3SiCl3→SiC+3HCl。此反应为一可逆反应。美国AVCO公司的SCS系列1.2有机硅聚物纺丝法--Nicalon

工艺流程见下页图示。底丝←H2→H2←H2+CH3SiCl3→H2+CH3SiCl3+HClSiC纤维§3-3碳化硅纤维2性能特点2.1典型性能其中，