材料导论-复合材料.ppt
2023/6/1,1,复合材料,李珍材料科学与化学工程学院2009-3-18,材料学导论,2023/6/1,2,材料为什么复合？,局限性:成分 结构 性能,2023/6/1,3,问题解决思路：,复合克服单一材料缺点，发挥复合后共同的优点复合的方式研究新材料的捷径 使材料有了很强的可设计性但由于单一材料自身的成分、结构形成的界面特征，目前并不是所有单一材料都能复合,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,2023/6/1,5,网球拍材料发展,60年，木质球拍,70年代，金属球拍,今日，复合材料,如碳、玻璃、克维拉、高张力碳纤维，钛，超刚性碳纤维等材料单独使用或混合使用。、复合材料与木或铝比起来更轻，更硬，更耐用也更能吸收震荡与振动。同时也让制造厂商在球拍的硬度，球感，击球性能的设计上有更大的伸展空间。,2023/6/1,6,飞机用材料的发展,70年代后以铝、钛、钢硼或碳纤维增强的复合材料。已成为飞机的基本结构材料。A38025%重量的部件由CFRP复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP),3%为铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料层状结构的LARE纤维金属板。部件包括：减速板、垂直和水平稳定器、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门等,1903 年12月17日莱特兄弟的第一架飞木材、布和钢,19101925年开始用钢管代替木材作机身骨架，用铝作蒙皮,40-50年代末全金属结构飞机,60年代出现3倍音速的SR-71全钛高空高速侦察机和不锈钢占机体结构重量 69的XB-70轰炸机。,2023/6/1,7,A380，每位乘客的百公里能耗不到3升，比竞争机型的能耗低12%；空中巴士公司的A350超宽客机，复合材料结构将达62%，A350的百公里能耗预计只有2.5升/人，几乎可以跟现在的小汽车媲美。,2023/6/1,8,大飞机制造材料：北京航空材料研究院益小苏,70年代空客A300，复合材料占整架飞机的比重只有5%；06年面世超大型飞机A380，复合材料的比重已达23%；2010年A350超宽客机，其高性能轻质结构将达62%，成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。,飞机的机身前舱部分可整体使用复合材料成型,2023/6/1,9,1950,1960,1970,1980,1990,2000,2010,2020,900,1100,1500,1300,材料的表面温度(),1700,单晶合金,普通铸件,定向凝固超级合金,共晶合金,弥散强化超级合金,隔热涂层,陶瓷复合材料碳-碳,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,在发动机上应用的年份,叶片材料的发展历程,纤维增强超级合金,2023/6/1,10,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,2023/6/1,11,2023/6/1,12,纤维混凝土井盖,铸铁井盖,纤维聚合物井盖,2023/6/1,13,讲授内容：,4.1 概述 一、什么是复合材料 二、复合材料的命名 三、复合材料的分类 四、复合材料的发展历史 五、复合材料的发展趋势,4.3增强材料一、玻璃纤维二、碳纤维三、硼纤维四、碳化硅纤维五、芳纶纤维六、晶 须,4.2 复合材料的增强机制一、粒子增强型复合材料增强机制二、纤维增强复合材料的增强机制三、复合材料的界面四、复合材料的基本性能,4.4金属基复合材料4.5陶瓷基复合材料4.6聚合物基复合材料,2023/6/1,14,一、什么是复合材料？,复合材料(omposite materials)是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。,4.1 概述,复合材料船体,碳纤维密度：1.7g/cm3拉伸强度：35GPa拉伸模量：200700GPa芳纶密度：1.4gcm3拉伸模量：120150GPa,2023/6/1,15,复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。,基体相：一种连续相，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（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。,纤维增强高分子复合材料,2023/6/1,16,（1）基体与增强材料并用：增强材料/基体材料“复合材料”如：碳纤维环氧树脂复合材料（2）强调基体材料时以基体为主：例：树脂基复合材料，金属基复合材料（3）强调增强材料时则以增强材料为主：如玻璃纤维增强复合材料 碳纤维增强复合材料等,二、复合材料的命名,2023/6/1,17,（1）基体材料类型,无机非金属基复合材料,金属基复合材料(石墨纤维增强镁),聚合物基复合材料,（2）增强纤维类型,有机纤维复合材料,玻璃纤维复合材料,碳纤维复合材料,硼纤维复合材料,混杂纤维复合材料,（3）增强物外形,粒子复合材料,纤维复合材料,层状复合材料,三、复合材料分类,2023/6/1,18,（4）材料作用,结构复合材料,功能复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,聚合物基复合材料,水泥基复合材料,导电导磁复合材料,阻尼吸声复合材料,屏蔽功能复合材料,摩擦磨损复合材料,2023/6/1,19,四、复合材料的发展历史远古时代出现。例如：古代草混在泥土中，做壁体的房顶，草混土就是原始的纤维增强复合材料；公元前埃及的金字塔就使用了石灰、火山灰等作粘结剂，并以砂石混合作为混凝土材料，这是原始的粒子分散复合材料。现代复合材料发展是近几十年的事：树脂基复合材料（玻璃钢）70年历史，金属基和无机非金属基复合材料的发展有30多年历史。,2023/6/1,20,国际：1932在美国诞生19401945（二次大战期间）玻璃纤维增强聚 酯军用雷达罩、飞机油箱（美国）1944玻璃钢夹层结构，制造飞机机身（美国）1950直升飞机的螺旋浆（美国）60年代“北极星A”导弹发动机壳体（美国）1965年SMC压制汽车配件，浴盆（美国和日本）60年代热塑性树脂复合材料得到发展，主要用于汽车制造业 树脂基高性能复合材料已用于制造军用飞机的承力结构，近年来又逐步进入其他工业领域。60年代以来，树脂基复合材料得到飞快发展，从原材料、成型工艺、机械设备、产品种类、检验及应用等形成了完整的工业体系。发展途径：美国 军工民用为主 西欧各国：直接发展民用复合材料,（1）树脂基复合材料发展史,2023/6/1,21,我国：玻璃钢始于1958年，最初是军工产品起家，也注意到民用品1958，手糊工艺制造玻璃钢船，层压和卷制工艺研制了玻璃钢板、管和火箭筒；1962，引进不饱和聚酯树脂生产线，研究飞机螺旋桨等；1970，手糊夹层结构板制造了大型玻璃钢雷达罩；1972，武汉工业大学、上海华东化工学院、哈尔滨建筑工筑学院三校设立复合材料专业，此后北京航空学院、西北工业大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等高等院校设立了复合材料专业。1971年以前主要是军工产品、70年代以后开始转向民用。,2023/6/1,22,研制起步较晚，发展迅速。60年代末期，美国首次成功将B/Al复合材料代替铝合金制作航天轨道飞行器中部壳体的衍架支柱以来而深受各国重视。70年代末期用高强度、高模量的耐热纤维与（轻）金属复合，克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性低等不足。金属基复合材料有优良导电和导热性，加上纤维增强体不仅提高了材料的强度和模量，而且降低了密度。此外，这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放气和膨胀系数低等特点，广泛用于航天航空等尖端技术领域，是理想的结构材料。,（2）金属基复合材料发展史,2023/6/1,23,陶瓷基复合材料：80年代开始发展陶瓷基复合材料，采用纤维补强陶瓷基体以提高韧性。主要目的是制造燃气涡轮叶片和其它耐热部件。无机粘接剂基复合材料：自1968年英国研究出抗碱玻纤之后，玻璃纤维增强水泥复合材料得到推广应用，目前已工业化生产。,（3）无机非金属发展史,2023/6/1,24,五、复合材料的发展趋势,1、由宏观复合向微观复合发展,微纤增强复合材料 纳米复合材料 分子复合材料,2、向多元混杂复合和超混杂复合发展,例如两种纤维的复合应用，两种基体的复合应用等,3、由结构复合为主向结构复合与功能复合并重的方向发展,功能复合材料的开发与应用等,2023/6/1,25,复合材料的发展趋势,4、由被动复合向主动复合材料发展,所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种作用或作出某种反应。主动材料就是指具备能自诊断、自适应和自修补作用材料。,5、由常规设计向仿生设计方向发展,仿生设计就是利用某种生物体的特征，设计材料。仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的功能材料。,2023/6/1,26,一、粒子增强型复合材料的增强机制 1、弥散强化复合材料的增强机制将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。其强化效果与粒子直径、体积分数有关，质点尺寸越小体积分数越高，强化效果越好。,4.2 复合材料的增强机制,卫星用颗粒增强铝基复合材料零件,碳黑增强橡胶,2023/6/1,27,用金属或高分子聚合物把具有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成的材料。由于强化相颗粒较大，对位错的滑移（金属基）或分子链运动（聚合物基）已没有多大的阻碍作用，强化效果并不显著。主要不是提高强度，而是改善耐磨性或提高综合力学性能。,（2）颗粒增强复合材料的增强机制,硬质合金组织(Co+WC),硬质合金模具,硬质合金轴承刀具,2023/6/1,28,以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。纤维增强复合原则,纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。,碳纤维,二、纤维增强复合材料的增强机制,2023/6/1,29,1）弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时，c=f=m(f-纤维、m-基体、c-复合材料)，则,当外力垂直于纤维轴向时，则,2）纤维的临界长径比,3）纤维最小体积分数,2023/6/1,30,粒子增强型复合材料增强机制,弥散强化复合材料，其粒子直径0.10.01m、体积分数约1%15%，增强强度。颗粒增强复合材料，粒子直径为150m、体积分数大于20%，改善耐磨性或提高综合力学性能。,纤维增强遵循原则：,1。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。,3。纤维所占体积分数、长度、长度和直径比(L/d)等必须满足一定要求，通常纤维体积分数越高、越长、越细，增强效果越好。,4。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。,5。纤维与基体之间有良好的相容性。,2。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有一定的强度。,纤维在基体中的不同分布方式,2023/6/1,32,三、复合材料的界面,1、什么是界面(interface)？,复合材料中基体与增强材料之间的结合面。此结合面是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。,相与相之间的交界面。即两相间的接触表面,2023/6/1,33,2、界面结合的类型,I、机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。,II、溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。,III、反应结合：基体与纤维之间形成界面反应层。,IV、混合结合：上述三种形式的混合结合方式。,2023/6/1,34,3、纤维增强复合材料界面特点,I、纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。,II、纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。,III、纤维与基体反应形成界面反应层。,2023/6/1,35,4、怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？界面厚度、残余应力、界面能、结合强度,1）改变增强材料表面性质。,2）向基体内添加特定的元素。,3）在增强材料的表面施加涂层。,2023/6/1,36,1、力学性能：比强度和比模量高，抗疲劳性能好。纤维增强复合材料最高,四、复合材料的基本性能,2023/6/1,37,2、热性能：高温性能好增强纤维熔点高。导热性能：金属基复合材料：5065W/（mK）；陶瓷基复合材料：0.73.5W/（mK）；树脂基复合材料：0.350.45W/（mK）。3、耐自然老化性能：陶瓷基复合材料金属基复合材料树脂基复合材料4、减振性能良好 复合材料中大量界面对振动有 反射吸收作用，不易产生共振。5、生产工艺：树脂基复合材料生产工艺成熟，产品成本最低；金属基复合材料次之；陶瓷基复合材料工艺最复杂，产品成本也最高。,2023/6/1,38,4.3增强材料,复合材料中分散相（增强材料）：一提高复合材料的强度、弹性模量和热变形温度；二降低收缩率，并在热、电、磁等方面赋予复合材料新的性能。纤维与晶须的主要特点：密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小西方：玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维 制作高级复合材料三大高级纤维。,氧化铝纤维,2023/6/1,39,一、纤维的种类1、玻璃纤维：2、碳纤维：3、硼纤维：4、金属纤维：5、陶瓷纤维：6、芳纶纤维7、晶须,SiC晶须,玻璃纤维,碳纤维,SiC纤维,2023/6/1,40,2023/6/1,41,二、玻璃纤维 熔融的玻璃经快速拉伸、冷却所形成的纤维。增强纤维中应用最早、用量最大、价格最便宜的一种。类型：按化学成分及使用特性分为：（1）E-玻璃纤维（无碱纤维）金属氧化物0.8%,铝硼硅酸盐玻璃。（2）C-中碱玻璃 含碱量12%左右。（3）A-高碱玻璃纤维，含碱量12%。（4）S硅酸铝镁玻璃纤维:高强度高弹性模量玻璃纤维,玻璃纤维短切丝,各种玻璃纤维纱,玻璃纤维无捻粗纱,2023/6/1,42,玻璃纤维布,玻璃纤维布厂,玻璃纤维毡,中碱玻璃纤维布,2023/6/1,43,三、碳纤维比人发细、比铝轻、比钢强 有机纤维在惰性气氛中高温碳化而成的纤维状碳化合物。主要以聚丙烯腈、人造丝、石油沥青或煤沥青为原料。强度高、刚度高、耐疲劳、重量轻：碳纤维/合成树脂复合材料的比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高34倍，代替金属材料材料。美国AV-8B垂直起降飞机的重量减轻了27。F-18战斗机减轻了10。,碳纤维,碳纤维短纤,2023/6/1,44,导电性很好：具有较高的导电率和磁导率，可用作电磁屏蔽材料。低温处理或某些特殊的处理可使碳纤维具有吸波性，可作为吸波材料，以达到隐身的目的。化学性能稳定：与碳相似，耐一般酸碱。在无氧情况下，碳纤维具有突出的耐热性，高于1500时强度才开始下降。不足之处：抗氧化能力差，怕打结。应用于航空和航天工业。在汽车工业、体育用品和一般民用工业也得到了应用。,碳纤维及其缝编织物,2023/6/1,45,碳纤维制成的车身,碳纤维排气管,碳纤维轮毂 自行车或轮椅的后轮,2023/6/1,46,用于小汽车上碳纤维复合材料构建,2023/6/1,47,四、硼纤维两种类型：硼沉积在细钨丝上，硼沉积在涂碳和涂钨的石英纤维上。硼纤维直径约100m。化学反应式如下：2BCl3+3H2=2B+6HCl硼纤维具有较高的强度、模量，其弹性模量比玻璃纤维高出4倍，强度超过钢的强度。硼纤维还具有耐高温的特点。主要用于航天航空工业。,硼纤维,年产60Kg的带B4C涂层的硼纤维生产线 北京航天材料研究院,2023/6/1,48,五、碳化硅纤维,抗拉强度：25003000MPa，弹性模量：180200GPa；密度：2.55g/cm3，良好化学稳定性；与金属反应程度低；线膨胀系数小（约为3.110-6-1）；具有良好的耐辐射性能和吸波性能，有可能成为高强度、耐高温、耐辐射的多功能隐身材料。,由均匀分散的微晶构成，凝聚力很大，应力能沿着致密的粒子界面分散，具有优异的力学性能：,2023/6/1,49,性能特点：具有芳环链结构，刚性很大，模量为钢丝的5倍，强度可达3.9GPa，高于经过拉伸的钢丝。密度为钢丝1/5，比碳纤维轻15%，比玻璃纤维轻45%。热稳定性好：180温度，仍能保持性能不变。韧性好，-196低温，仍不脆和不失去拉伸强度。热膨胀系数低：0100温度，约为210-6-1。缺点：抗压强度低用于橡胶增强，制造轮胎、三角皮带、同步带等。芳纶-29用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物、防弹背心等。芳纶-49用于航空、宇航、造船工业。,芳纶纤维,六、芳纶纤维（Kevlar、Kevlar29，49）,2023/6/1,50,七、晶须-由高纯度单晶生长而成的短纤维。是目前已知纤维中强度最高的一种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作用力。晶须高强的原因，主要由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。晶须材料的内部结构完整，使它的强度不受表面完整性的严格限制。晶须类型：陶瓷晶须和金属晶须，用作增强材料主要陶瓷晶须。氧化铝晶须在2070高温下，仍能保持7000MPa的拉伸强度。,晶须,
