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nullnull第九章 复合材料 Compositenull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。null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null玻璃纤维增强风机叶片null玻璃纤维增强塑料制自行车复合材料制小船null复合材料制防弹衣null复合材料在波音飞机上的应用本章内容本章内容第一节　概述 分类 性能特点 第二节　增强材料及其增强机制 增强材料 增强机制 第三节　常用复合材料 复合材料应用实例（2）第一节　概述第一节　概述复合材料 两种或者两种以上的不同性质的材料，通过不同的工艺人工合成的多相材料。特点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。null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 　　　　　　　脆性低于玻璃纤维例2：建筑材料（复合材料的应用）例2：建筑材料（复合材料的应用）泥土＋稻草 水泥＋钢筋一、复合材料的分类一、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null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　　　　　　弥散强化金属双层金属复合材料　　　　　　三层复合材料null纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料二、复合材料的性能特点二、复合材料的性能特点比强度和比模量高 　纤维增加材料的比强度及比模量远高于金属材料，特别是碳纤维－环氧树脂复合材料比强度是钢的8倍，比模量是钢的4倍。 抗疲劳和破断安全性好 　纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。null复合材料具有较高的疲劳强度。实验明：σr＝70～80％σb，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的40～50％。 纤维复合材料平均几千到几万根纤维/cm2，即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能力，故破断安全性好。null高温性能优良 　大多数增强纤维在高温下仍保持高的强度，如铝合金在400℃时弹性模量已降至近于0，而碳纤维增强后，在此温度下强度和弹性模量基本未变。 减振性能好 　复合材料的比模量大，故自振频率也高，可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，所以纤维增强复合材料具有很好的减振性能。第二节 增强材料及其增强机制第二节 增强材料及其增强机制复合材料是一种由基体matrix 和增强相reinforced phase 组成的多相材料，通常基体为连续相，而增强相为分散相。复合材料金属材料、高分子材料、陶瓷材料颗粒增强材料、纤维增强材料、片状增强材料一、增强材料一、增强材料增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等（一）纤维增强材料null常用增强纤维与金属丝性能对比null玻璃纤维 由熔融玻璃经拉丝制成纤维； 密度2.4～2.7，与铝相近，弹性模量低于金属，但比强度和比模量高； 耐热性好，软化温度550～580℃； 耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性； 不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等； 制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。null碳纤维 将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成wC>90%以上的纤维； 密度低、强度和模量高； 高、低温性能好（1500℃，-180℃）； 化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导电性、自润滑性好； 缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。null硼纤维 将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属丝－纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维； 熔点高（2300℃）； 强度、弹性模量高； 良好的耐蚀性； 缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高； 不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。null芳纶纤维 亦称Kevlar纤维，是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类纤维； 密度小，比强度、比弹性模量高； 抗拉强度比玻璃纤维高45％，韧性好； 耐热性好，能在290℃下长期作用； 优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。null碳化硅纤维 是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，经烧结而得； 是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤维，主要用于增强金属和陶瓷； 优良的高温强度，在1100℃时强度仍高达2100MPa。null主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等； 陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产； 在聚合物中添加不同的填料，构成以填料为分散相、聚合物为连续相的复合材料，可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能等。（二）颗粒增强材料null碳黑和白碳黑（Si2C无定形微粉，呈白色，具有类似碳黑的增强作用，故称之）可明显提高橡胶的强度、硬度和弹性模量； 石墨、银粉、铜粉等可改善塑料的导电性； Fe2O3磁粉可改善塑料的导磁性； MoS2可提高塑料的自润滑性； 空心玻璃微珠可减小塑料的密度并提高其耐热性。二、增强机制二、增强机制纤维是具有强结合键的物质或硬质材料； 纤维处于基体中，表面受到基体的保护不易损伤，也不易在受载过程中产生裂纹，承载能力增大；（一）纤维增强 增强机制null当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。纤维断裂裂纹扩展方向null当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。null纤维的强度和弹性模量应远高于基体； 纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以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； 纤维的排列方向要与构件的受力方向一致； 纤维与基体的热胀系数应匹配； 纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应； 纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。纤维增强复合条件null颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分布在基体中，基体承受载荷，而增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动（金属基体）或分子链运动（高聚物基体）。 增强颗粒大小会直接影响增强效果： d过大（>0.1μm）易引起应力集中而降低强度； d过小（<0.01μm）则接近于固溶体结构，不起颗粒增强作用。 一般颗粒直径为d=0.01~0.1 μm。（二）颗粒增强第三节 常用复合材料第三节 常用复合材料塑料基复合材料 金属基复合材料 橡胶基复合材料 陶瓷基复合材料一、塑料基复合材料一、塑料基复合材料作为机械工程材料，塑料的最大优点是密度小、耐腐蚀、可塑性好、易于加工成型。 缺点：强度低、弹性模量低、耐热性差。 改善的方法：复合材料，主要是增强。null使用最广泛的是纤维增强塑料。按纤维的性质可以把塑料基复合材料分为： 玻璃纤维增强塑料 碳纤维增强塑料 硼纤维增强塑料 碳化硅纤维增强塑料 Kevlar 纤维增强塑料 基体材料：热固性塑料、热塑性塑料（一）玻璃纤维增强塑料（一）玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为： 热塑性玻璃钢 热固性玻璃钢1、热塑性玻璃钢1、热塑性玻璃钢由体积分数为20～40%的玻璃纤维与60～80%的热塑性树脂组成。 具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低的热胀系数。2、热固性玻璃钢2、热固性玻璃钢由体积分数为60～70%的玻璃纤维与30～40%的热固性树脂组成。 主要特点：密度小、强度高、比强度超过一般的高强钢，耐腐蚀、绝缘、绝热等。但弹性模量低，在300℃以下使用。 主要用于制造自重轻的受力构件和要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。（二）碳纤维增强塑料（二）碳纤维增强塑料 组成 由碳纤维与聚脂、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。 特点 特点低密度、高强度、高弹性模量、高比强度和比模量。 优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐热性。 缺点 缺点碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。 应用 性能优于玻璃钢，主要用于航天和航空工业中制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。（三）硼纤维增强塑料（三）硼纤维增强塑料 组成 由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料。 特点 特点高比强度和比模量； 良好的耐热性； 缺点是各向异性严重。 应用 应用 主要用于航天和航空工业中要求高刚度的构件，如飞机机身，机翼等。 （四）碳化硅纤维增强塑料（四）碳化硅纤维增强塑料 组成 由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。 特点 特点高比强度和比模量； 抗拉强度接近碳纤维—环氧树脂复合材料，但抗压强度是其两倍； 碳化硅—环氧树脂复合材料是一种很具有发展前途的新型材料。 应用 应用 主要用于宇航器上的结构，比金属轻30%。还可以制作飞机的门、降落传动装置、机翼等等。 （五） Kevlar纤维增强塑料（五） Kevlar纤维增强塑料 组成 由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等树脂组成的复合材料。 特点 特点最常用的是Kevlar纤维—环氧树脂复合材料； 抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维—环氧树脂复合材料相近； 延性好，与金属相似； 具有优良的疲劳抗力和减振性。 应用主要用于制作飞机机身、雷达天线罩、火箭发动机外壳、快艇等。 应用二、金属基复合材料二、金属基复合材料目前是机械工程中用量最大的一类材料。 塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但仍不能满足要求，一直在改进。null主要应用的金属基复合材料： 纤维增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料 塑料—金属多层复合材料三、橡胶基复合材料三、橡胶基复合材料橡胶具有弹性高，减振性好，热导率低，绝缘等优点，但强度和弹性模量低，耐磨性差。 为了改善橡胶制品的性能，可以用增强纤维或粒子与其复合。制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品。null纤维增强橡胶—主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡胶布等。 粒子增强橡胶—利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强度，耐磨性等。四、陶瓷基复合材料四、陶瓷基复合材料陶瓷具有耐高温，抗氧化，耐腐蚀，弹性摩量高，抗压强度大等优点。 但陶瓷脆性大，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击。 null 用纤维或粒子与陶瓷制成复合材料，其韧性明显提高，是目前研究的热点。主要有： 纤维增强陶瓷复合材料 粒子增强陶瓷复合材料复合材料应用实例复合材料应用实例双金属复合钢管 陶瓷内衬复合管null20钢/316L钢复合管基管20钢内衬316L钢null20钢/316L复合管nullnull铝热剂：Al+Fe2O3null掌握：复合材料的结构及性能特点。 了解：增强材料及其增强机制；常用复合材料。本章要求作业作业习题与思考题 １～８