材料导论第十四章复合材料ppt课件.pptx

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1、复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的新型多相固体材料。,复合材料的定义,材料A 材料B （ ） 材料M,复合的目的,获得新组成的材料；获得新结构形态的材料；获得单一组分不具备的性质和功能， （获得复合效应；）获得某种特定的性能或效益。,复合材料的组成,木头木质素+纤维素骨头胶原质+磷灰石玻璃钢树脂+玻璃纤维混凝土水泥+砂+石,基体Matrix,增强体Reinforce-ment,主要组分粘结、保护增强相并把外加载荷造成的应力传递到增强相上去,次级组分主要承载相，并起着提高强度(或韧性)的作用,不同材料（包括金属、无机非金属和有机高分子材料）可互为基体或增强

2、材料,复合材料的种类,复合材料,按基体相分,按增强相的形态分,金属基,陶瓷基,聚合物基,水泥基,颗粒增强,纤维增强,晶须增强,按用途分,结构复合材料,功能复合材料,承受载荷，作为承力结构使用,电、磁、光、热、声、摩擦、阻尼、化学分离性能,碳纤维,玻璃纤维,有机纤维,复合纤维,编织物增强,复合材料的特点,多相: 至少两相复合效应：不仅保留了原组成材料的特色，而且通过复合效应(各组分性能的互相补充和关联)可以获得原组分所没有的新的优越性能；可设计性：可根据材料的使用和性能要求进行组元选材设计、复合结构设计，并进行适当的制备和加工。,聚合物基体 热塑性、热固性树脂；金属基体 铝合金、钛合金、镁合金、

3、铜等；陶瓷基体 氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、C等；水泥基体,复合材料的基体,复合材料的增强体,玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、尼龙、碳化硅纤维(晶须)、氧化铝纤维(晶须) 、石棉、各种棉、麻等。,主要特点：密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小.,纤维增强体：,颗粒增强体：,二维、三维增强体：,天然增强体：如云母,二维纺织布、三维纺织物等(初期可赋形、强度大、价格高),复合材料的性能特点,比强度高,抗疲劳与断裂安全性能好,良好的减震性能,良好的高温性能,大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用，纤维拔出消耗巨大能量.,纤维增强复合材料具有较高的自振频率，不易产生共振现象，具有一定的减震作用.

4、,增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较高的强度.,比弹性模量高,刚性强,自重小,高抗热冲击性和耐腐蚀性，绝缘，耐辐射特殊的光、电、磁等性能。,复合材料的复合理论,纤维增强复合材料的机理：,1、增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。,2、纤维表面受到基体的保护，不易在承载中 产生裂纹，增大承载力。,3、有裂纹的纤维断裂时，塑性好和韧性好的基体能阻止裂纹扩展。,4、纤维从基体中拔出时需克服基体对纤维的粘结作用、基体与纤维之间的摩擦力，使材料的强度大大提高。,纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。,提高基体在室温下和高温下

5、的强度和弹性模量。,设计纤维增强复合材料的目标：,复合材料的复合理论,增强纤维起到强化基体作用必要条件：(增强纤维的选择原则),1、增强纤维的强度和弹性模量高。,4、纤维应有合理的含量、尺寸和分布。,5、纤维与基体的线膨胀系数相匹配。,2、纤维与基体之间有良好的相容性。,3、纤维与基体之间有适当的结合强度。,复合材料的复合理论,纳米微细硬颗粒弥散增强,弥散分布于基体中的硬颗粒可有效地阻止位错运动，产生显著的强化作用。,机理：,颗粒增强复合材料的机理,微米级颗粒增强,通过限制颗粒邻近基体的运动，约束基体的变形来提高弹性模量。,机理：,弥散颗粒种类,金属氧化物,碳化物,硼化物,氮化物,由高强度、高

6、弹性模量的脆性颗粒作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。,复合材料的复合理论,增韧机理,纤维增韧,由于定向、取向或无序排布的纤维加入，使得复合材料的韧性得到显著提高。,增韧机理,颗粒增韧,相变增韧,裂纹转向和分叉增韧,通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧的目的。,裂纹在扩展过程中，前沿遇到高强度颗粒的阻碍，扩展方向发生偏转和分叉，从而减小了裂纹尖端的应力强度因子，增加了材料的断裂韧性。,纤维吸收裂纹尖端能量是靠,纤维断裂,纤维从基体中拔出,裂纹转向,复合材料的界面,界面基体与增强材料之间的结合面。 由基体和增强相之间发生相互作用和

7、相互扩散而形成。,复合材料极为重要的微结构,其结构与性能直接影响复合材料的性能,复合材料的界面,增强纤维与基体的相互作用,1、纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。,2、纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。,3、纤维与基体反应形成界面反应层。,复合材料的界面,界面结合的类型,1、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。,2、溶解与浸润结合：液态或粘流态基体对增强纤维的浸润而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。,3、反应结合：基体与纤维之间形成界面反应层。,4、混合结合：上述三种形式混合的结合方式。,复合材料的界面,怎样通过控制界面特征对材

8、料性能产生作用？,1、改变增强材料表面性质(表面改性)。,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。,聚合物(树脂)基复合材料,玻璃钢(玻璃纤维增强塑料，GFRP),聚合物(树脂)基复合材料,碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）,航天工业：如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等；空间站大型结构桁架及太阳能电池支架。汽车工业：F1方程式赛车车身体育用品：网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆。,密度更低 更高的比强度和比模量化学稳定性高高、低温力学性能好,突出特点,应 用,比玻璃钢的性能普遍优越,金属基复合材料,特点具有与树脂基复合材料相同的高强度、高弹性 模量

9、和低线膨胀系数， 工作温度高、高韧性、导电、导热、不易燃烧、 抗电磁干扰、抗辐射 可进行热处理和其它加工来进一步提高性能。,缺点密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间 易发生化学反应等。,长纤维增强,原位复合增强,颗粒增强,短纤维或晶须增强,金属基复合材料,长纤维增强金属基复合材料,1、硼/铝复合材料,硼纤维高温强度高，1500时蠕变速率低。但高温氧化后强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或B4C，防止纤维表面氧化。,2 、石墨/铝复合材料,具有导电性高、摩擦系数小和耐腐蚀等特点。利用石墨纤维表面沉积Ti/Bi涂层技术，可改善石墨纤维与液态铝的湿润性，有效控制铝与纤维的表面反应，

10、提高复合材料的性能。,3、石墨/镁复合材料,这种材料密度低、线膨胀系数为零，尺寸的稳定性好，是金属基复合材料中具有最高比强度和比弹性模量的复合材料。可在石墨纤维表面沉积TiB2，提高石墨纤维的润湿性。,金属基复合材料,4、碳化硅/钛复合材料,碳化硅纤维比强度高、比模量高，高温强度高，耐热、耐氧化，与金属的反应小，润湿性好。 主要应用于飞机发动机部件和涡轮叶片以及火箭发动机箱体材料。,长纤维增强金属基复合材料,5、氧化铝/铝复合材料,氧化铝纤维在氧化气氛中稳定，能在高温下保持其强度、刚度，且硬度高，耐磨性好。这种复合材料具有高强度和高刚度，可用于汽车发动机活塞和其他发动机零件。,金属基复合材料,

11、短纤维/晶须增强金属基复合材料,颗粒增强金属基复合材料,原位复合材料,采用定向凝固方法，使液态金属和合金在有规则的温度梯度场中进行冷却凝固，金属基体自身析出晶须或颗粒而得到的复合材料。,陶瓷基复合材料,在陶瓷基体中添加碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须、氧化铝晶须、碳化硅颗粒和碳化钛颗粒等所形成的复合材料。大大提高陶瓷材料的强度和韧性。,陶瓷基复合材料,长纤维增强陶瓷基复合材料,1.碳/陶瓷基复合材料,具有很高的高温强度、弹性模量和较高的韧性。碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在1400度以上的高温下长期工作； 碳纤维增强的石英陶瓷复合材料，冲击韧性比烧结石英陶瓷高40倍、抗弯强度大512倍。可

12、承受12001500度高温气流的冲击。,2.碳/碳复合材料(Cf/C),由碳纤维及其制品(碳毡、碳布等)增强的碳基复合材料。,由碳纤维及其制品作为预制体，通过化学气相沉积法(CVD)或液态树脂、沥青浸渍碳化法获得Cf/C的基体碳来制备。,耐烧蚀性,导弹弹头和固体火箭发动机喷管航天飞机的鼻锥、机翼前缘,摩擦磨损性能,与人体的生物相容性,生物医学领域：人工心脏瓣膜、骨骼、牙根、髋关节等,飞机的刹车盘；赛车、高速列车的刹车制动材料,耐高温和低密度,航空发动机理想轻质材料,长纤维增强陶瓷基复合材料,3.碳化硅/陶瓷基复合材料,碳化硅纤维可与多种陶瓷，如碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等复合。 碳化硅

13、纤维通常采用CVD制备。利用碳化硅纤维强化的碳化硅陶瓷，其断裂韧性提高56倍，抗弯强度提高50以上，且基体与纤维之间的结合性能良好。,长纤维增强陶瓷基复合材料,SiC晶须增强氧化铝钻头,颗粒增强氮化硅刀具,采用颗粒增强氮化硅刀具加工高硬度的高铬铸铁件,短纤维、晶须、颗粒增强陶瓷基复合材料,CMC人工关节,功能复合材料,基 体,主要起粘结作用，某些情况下也起功能作用,复合材料的功能特性不同特性的功能体特性各异的功能复合材料。,功能体,特 点,磁功能、电功能、光功能、热功能、摩擦功能、阻尼功能、防弹功能、辐射功能等。,按功能特性分类,应用面宽,研制周期短,附加值高,小批量，多品种,适于特殊用途,复

14、合材料的加工工艺,原则上可以采用与基体材料相类似的生产方法。,树脂基复合材料,树脂基复合材料产品的生产流程图,用手工工具将布或纤维毡浸上树脂胶液，铺糊在敞开模具上，经室温固化和脱模获得制品的工艺方法。,手糊成型工艺,(1)利用高压空气将树脂系统（固化剂、引发剂、促进剂等和短纤维从喷枪上不同喷嘴同时喷出并均匀沉积到模具上。(2)待沉积到一定厚度，用手辊滚压，使纤维浸透树脂，压实并除去气泡，室温固化成型得到产品。,喷射成型工艺,原料：粒状或粉状的纤维树脂混合料,注射成型工艺,将浸过树脂胶液的连续玻璃纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强材料制品的工艺过程。三大过程：预浸、缠绕、

15、固化脱模。,缠绕成型工艺,指用手工铺叠方式，将预浸材料（无纬布、无纬带、编织物等）按预定方向和顺序在模具内逐层铺贴直至所需的厚度，经加温加压固化、脱模、修整而获得制品的过程。,铺层工艺,将一定量的模压料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，使模塑料在模腔内受热塑化、受压流动并充满模腔成型固化而获得制品的一种方法。,模压成型工艺,恒定截面形状(口模所限定) 的线性复合材料（棒、管、角材等）,挤拉成型工艺,复合材料的加工工艺,粉末冶金法,热压扩散法,热压烧结法,化学气相渗透法,料浆浸渍热压成型,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,复合材料的发展趋势,宏观复合 微观复合,微纤增强复合材料、纳米复合材料、分子复合材料,多元混杂复合、超混杂复合,两种纤维的复合应用，两种基体的复合应用,结构复合 结构复合与功能复合并重,被动复合 主动复合,被动复合：在外界作用下，材料被动承受某种作用或作出某种反应。主动复合：具备能自诊断、自适应和自修补作用材料。,常规设计 仿生设计,利用某种生物体的功能机制设计出新的功能材料。,