復(fù)合材料課件

6.3復(fù)合材料

CompositeMaterials固體火箭發(fā)動機(jī)復(fù)合材料噴管玻璃鋼罐6.3復(fù)合材料

Compositematerials6.3.1概述6.3.2復(fù)合材料的性能6.3.3復(fù)合材料的分類6.3.4樹脂基復(fù)合材料6.3.5陶瓷基復(fù)合材料6.3.6金屬基復(fù)合材料6.3.7塑料－金屬多層復(fù)合材料6.3.1概述

Introductionofcomposites1.何謂復(fù)合材料？

復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展而涌現(xiàn)出的一大類具有極大生命力的新材料。復(fù)合材料系由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料。更確切地說，利用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒?，將兩種或幾種在物理性能和化學(xué)性能不同的物質(zhì)組合而制成的多相固體材料，它們既能保留原組成材料的主要特色，又能通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的優(yōu)良性能，即此材料的性能比組成材料的性能好，具有復(fù)合效果，具有組成材料相互取長補短的良好綜合性能。例如，由一黃銅片和鐵片組成的雙金屬片復(fù)合材料，就具有可控制溫度開關(guān)的功能（如左圖所示）。由兩層塑料和中間夾一層銅片組成的復(fù)合材料，能在同一時間里在不同方向上具有導(dǎo)電和隔熱的雙重功能（如右圖所示），而這些功能是單一材料所無法實現(xiàn)的。雙金屬開關(guān)復(fù)合材料多功能2.復(fù)合材料的組成與各組元的基本作用

通常可將結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基本組元劃分為基體材料、增強材料和基體與增強體之間的界面等三部分。因此，復(fù)合材料既可說是多相材料，也可稱謂由增強體與基體材料經(jīng)人工復(fù)合而成具有特殊性能的新型材料體系?；w、增強體及界面的各自性質(zhì)及相互作用，決定著復(fù)合材料的性能特征。（1）基體的作用

基體材料大部分為連續(xù)相，主要起黏結(jié)或連接作用，其作用是將復(fù)合材料所承受的載荷傳遞并分布到增強體上。載荷的傳遞機(jī)制及方式與增強體的類型與性質(zhì)密切相關(guān)，在纖維增強的復(fù)合材料中，復(fù)合材料所承受的載荷大部分由纖維承擔(dān)?；w的另一作用是保護(hù)增強體在加工和使用過程中，免受環(huán)境因素的化學(xué)作用和物理損傷，防止誘發(fā)造成復(fù)合材料破壞的裂紋。同時基體還會起到類似隔膜的作用，將增強體相互分開，這樣即使個別增強體發(fā)生破壞斷裂，裂紋也不易從一個增強體擴(kuò)展到另一個增強體。因此基體對復(fù)合材料的耐損傷和抗破壞作用、使用溫度極限以及耐環(huán)境性能均起著十分重要的作用。正是由于基體與增強體的這種協(xié)同作用，才賦予復(fù)合材料良好的強度、剛度和韌性等。（2）增強材料的作用

增強材料多為分散相，主要用來承受載荷，亦稱增強體。在設(shè)計復(fù)合材料時，通常所選擇增強體的彈性模量應(yīng)比基體高。仍以纖維增強的復(fù)合材料為例，在外加載荷的作用下，當(dāng)基體與增強體應(yīng)變量相同時，基體與增強體所受載荷比等于兩者的模量比，彈性模量高的纖維就可承受高的應(yīng)力。此外，增強體的大小、表面狀態(tài)、體積分?jǐn)?shù)及其在基體中的分布等，對復(fù)合材料的性能同樣具有很大的影響。上述各因素的作用又與增強體的類型、基體的性質(zhì)緊密相關(guān)，在不同類型的復(fù)合材料中表現(xiàn)各不相同，不能一概而論。

3.界面的特性

基體與增強體之間的界面特性，決定著基體與復(fù)合材料之間結(jié)合力的大小。普遍認(rèn)為，基體與增強體之間結(jié)合力的大小應(yīng)適度，其強度只要足以傳遞應(yīng)力即可。結(jié)合力過小，增強體和基體間的界面在外載作用下易發(fā)生開裂；結(jié)合力過大，又易使復(fù)合材料失去韌性。因此需根據(jù)基體和增強體的性質(zhì)，來控制界面的形態(tài)，以獲得適宜的基體與增強體之間的界面結(jié)合力。另外，基體與增強體之間還應(yīng)具有一定的相容性，即相互之間不發(fā)生反應(yīng)。6.3.2復(fù)合材料的性能

Thepropertiesofcomposites

1.比強度、比模量高

復(fù)合材料的比強度(強度極限/比重)與比模量(彈性模量/比重)比其它材料高得多。這表明復(fù)合材料具有較高承載能力。它不僅強度高，而且重量輕。例如碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的比強度為鋼的8倍，比模量為鋼的3．5倍，詳見下表所示。因此，將此類材料用于動力設(shè)備，可大大提高動力設(shè)備的效率。常用金屬材料與復(fù)合材料的性能對比表→3.破損安全性好

纖維增強復(fù)合材料是由大量單根纖維合成，受載后即使有少量纖維斷裂，載荷會迅速重新分布，由未斷裂的纖維承擔(dān)，這樣可使構(gòu)件喪失承載能力的過程延長，表明斷裂安全性能較好。4.減振性能好

工程結(jié)構(gòu)、機(jī)械及設(shè)備的自振頻率除本身的質(zhì)量和形狀有關(guān)外，還與材料的比模量的平方根呈正比。復(fù)合材料具有高比模量，因此也具有高自振頻率，這樣可以有效地防止在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振及由此引起的早期破壞。同時，復(fù)合材料中纖維和基體間的界面有較強的吸振能力，表明它有較高的振動阻尼，故振動衰減比其它材料快，如下圖所示。兩種材料振動衰減特性比較表

各種纖維材料的融點表

樹脂基復(fù)合材料耐熱性要比相應(yīng)的塑料明顯提高。金屬基復(fù)合材料的耐熱性更顯出其優(yōu)異性。例如，鋁合金在400℃時強度僅為室溫時的0.06～0.1倍，而彈性模量幾乎降為零。而用碳或硼纖維增強鋁，400℃時強度和彈性模量幾乎與室溫下保持同一水平。上表為各種纖維的融點（軟化點），一般都在2000℃以上，用這些纖維與金屬基體組成的復(fù)合材料，高溫下強度和彈性模量均有提高，因此復(fù)合材料具有更高高溫強度、彈性模量以及良好的抗蠕變性能。（5）耐熱性能好（6）減摩耐磨和自潤滑性好

塑料和鋼的復(fù)合材料可用作軸承。（7）化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良

具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品侵蝕的能力。例如，纖維增強塑料制品可以在含Cl-離子的酸性介質(zhì)中長期使用。（8）其它特殊性能

不少復(fù)合材料具有高韌性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、以及耐燒蝕、抗輻射等性能中的某些優(yōu)異性能，使它們得到了廣泛的應(yīng)用。6.3.3復(fù)合材料的分類

1.按基體材料分類

有金屬基（主要有鋁、鎂、鈦、銅等及其合金）復(fù)合材料、聚合物基（主要有合成樹脂、橡膠等）復(fù)合材料及無機(jī)非金屬材料(主要有陶瓷、水泥、碳、石墨等)基復(fù)合材料等。

2.按增強體的種類和形態(tài)分類

可分為細(xì)顆粒增強復(fù)合材料、長纖維或連續(xù)纖維增強復(fù)合材料、短纖維或晶須增強復(fù)合材料、層狀或?qū)盈B增強復(fù)合材料以及填充骨架增強型復(fù)合材料等。主要的復(fù)合結(jié)構(gòu)如下圖所示。Classificationofcomposites復(fù)合材料分類表4.復(fù)合材料的命名i.強調(diào)基體時，以基體為主來命名。如金屬基復(fù)合材料。ii.強調(diào)增強材料時，以增強材料為主命名。如碳纖維增強復(fù)合材料。iii.基體與增強材料并用的命名，常指某一具體復(fù)合材料。如“C/Al復(fù)合材料”即為碳纖維增強鋁合金復(fù)合材料。iv.以商業(yè)名稱來命名。如“玻璃鋼”即為玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料。6.3.4樹脂基復(fù)合材料

Resin-matrixcomposites1.塑料基復(fù)合材料

塑料的基體材料有熱固性塑料(如不飽和聚脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂等)和熱塑性塑料(如尼龍、聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯等)。（１）碳纖維增強塑料

碳纖維增強塑料主要使用環(huán)氧樹脂。碳纖維增強塑料具有基體和碳纖維的復(fù)合特性。例如，強度(抗拉強度和疲勞強度)高，密度低，耐磨性好，耐蝕性好，膨脹系數(shù)小，能導(dǎo)電，延伸率小，抗沖擊性差?，F(xiàn)已用于制造齒輪、軸承、止動裝置、凸輪、葉片等。典型的碳纖維增強塑料-尼龍66。（2）玻璃纖維增強塑料

玻璃纖維與熱塑性塑料組成的復(fù)合材料比普通塑料有更高的強度和沖擊韌度，其中以尼龍的增強效果最為顯著。因此用來制造軸承架、齒輪、儀表盤及汽車前后燈罩等。玻璃纖維與熱固體塑料組成的復(fù)合材料通常稱玻璃鋼。其性能隨樹脂種類而異。例如，酚醛樹脂玻璃鋼耐高溫，并有良好的綜合性能，但成型工藝差(即需高溫、高壓才能成型);環(huán)氧樹脂玻璃鋼的強度高，粘著牢固，收縮小;聚脂玻璃鋼成型性好。玻璃鋼的性能特點是強度高，彈性模量低，耐熱性差，易老化。目前玻璃鋼已大量應(yīng)用于建筑、造船等工業(yè)。6.3.5陶瓷基復(fù)合材料

Ceramic-matrixcomposites陶瓷基復(fù)合材料是一類基體為陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷，以某種結(jié)構(gòu)形式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等增強體，通過適當(dāng)復(fù)合工藝，從而改善或調(diào)整原基體材料的性能而獲得的復(fù)合材料。碳/碳（C/C）復(fù)合材料指以碳或石墨纖維為增強體、碳或石墨為基體組成的一種新型陶瓷基復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合材料系指用碳纖維或石墨纖維或是它們的織物作為碳基體骨架，埋入碳基質(zhì)中增強基質(zhì)所制成的復(fù)合材料。碳基質(zhì)是用熱固性樹脂或瀝青燒成的裂解碳，或是有烴類化合物氣體在高溫下分解出的沉積碳，即所謂化學(xué)氣相沉積（CVD）碳制成。

碳/碳復(fù)合材料按所用增強的碳基體骨架和碳基質(zhì)材料的不同，一般可分為下列三類：碳纖維增強碳（C-C），石墨纖維增強碳（Gr-C）以及石墨纖維增強石墨（Gr-Gr）。

碳/碳復(fù)合材料完全是由碳元素構(gòu)成的。碳是化學(xué)性能較穩(wěn)定的元素，碳原子相互間的強親和力和碳的高升華溫度（3649℃）使這種材料在極高溫度下仍保持固態(tài)。碳基質(zhì)通過高強碳纖維或高模量石墨纖維的定向增強，可制成硬度高、剛性好的復(fù)合材料。在1300℃以上，許多高溫合金和無機(jī)耐高溫材料都失去強度，惟獨碳/碳復(fù)合材料的強度還梢有升高。1.碳/碳復(fù)合材料的性能特點碳/碳復(fù)合材料的性能隨所用碳基體骨架用碳纖維性質(zhì)、骨架的類型和結(jié)構(gòu)、碳基質(zhì)所用原料及制造工藝、碳的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)、碳/碳復(fù)合材料制成工藝中各種物理和化學(xué)變化、界面變化等因素的影響而有很大差別。又由于使用目的，對材料加工處理等不盡相同，測出的性能數(shù)據(jù)常不一致。以下僅對碳/碳復(fù)合材料的性能作一概述。（1）化學(xué)成分其成分全是碳，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占90%以上，有的可達(dá)98%～99%。（2）化學(xué)穩(wěn)定性其在很寬溫度范圍內(nèi)對常遇到的化學(xué)腐蝕物具有化學(xué)穩(wěn)定性。但碳元素在較高溫度下能與氧、硫、鹵素起反應(yīng)，其中與空氣氧反應(yīng)的溫度并不很高，碳在590℃以上即能燃著，故其在有空氣氧化條件下的高溫使用易氧化，須在其表面覆蓋一層抗氧化膜。通常將其埋入極微細(xì)粒碳化硅流化床，在氬氣氛中經(jīng)1650℃高溫處理，碳化硅滲入復(fù)合材料表面形成一薄層抗氧化膜，也可用CVD法在復(fù)合材料表面形成一層碳化硅膜。（3）多孔性其在制造中有氣體滲入或致密化不夠，常具有多孔性，空隙率10%～35%，如在制造過程中反復(fù)致密化，空隙率可降至4%～8%。（4）吸水性由于其多孔性，故常在表面或孔隙間吸附水或其它液體，吸水率5%～15%。（5）力學(xué)性能取決于所用碳基體骨架的纖維及結(jié)構(gòu)和所形成碳基質(zhì)的質(zhì)量及結(jié)構(gòu)，如用高模量碳纖維制成復(fù)合材料的力學(xué)性能較用高強度碳纖維制成的要高。其在1300℃以上力學(xué)強度不僅不下降反而升高，據(jù)測1600℃時其強度增高40%，力學(xué)強度可保持到2000℃。（6）熱物理性能其具有優(yōu)異的耐熱性能。熱函和比熱容的變化是隨溫度升高而增加。（7）燒蝕性能其燒蝕性能好即燒蝕熱量高，它成功地用在航空工業(yè)作為返回大氣層的運載器的頭錐和熱屏。比早期用酚醛樹脂制成的復(fù)合材料在燒蝕性能方面高0.4～5倍。經(jīng)石墨化的碳/碳復(fù)合材料較未經(jīng)石墨化的在燒蝕性能方面要高些。2.

碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用

碳/碳復(fù)合材料最初用于航天工業(yè)，作為戰(zhàn)略導(dǎo)彈和航天飛機(jī)的防熱部件，如導(dǎo)彈頭錐和航天飛機(jī)機(jī)翼前緣，能承受返回大氣層時高達(dá)數(shù)千度的溫度和嚴(yán)重的空氣動力載荷。它還適用于火箭和噴氣飛機(jī)發(fā)動機(jī)后燃燒室的噴管用高溫材料。

碳/碳復(fù)合材料可用來制造高速飛機(jī)用剎車盤耐磨材料，使用中抗磨損性高、熱膨脹性小、飛機(jī)的維修期長，而且每架飛機(jī)較金屬耐磨材料輕900kg。

碳/碳復(fù)合材料還可用于制造超塑性成形工藝中的熱鍛壓模具，粉末冶金中的熱壓模具等。另外，由于其具有極好的生物相容性，即與血液、軟組織和骨骼能相容且有很高的比強度和可撓曲性，可供制成許多生物體整形植入材料，如人工齒、人工骨及關(guān)節(jié)等。

長期以來，炭／炭復(fù)合材料航空剎車副只有美、英、法三國能生產(chǎn)，壟斷了國際市場，并實行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，我國每年需進(jìn)口數(shù)億元炭／炭剎車副。與國外同類產(chǎn)品相比，我國科學(xué)家不僅依靠獨特技術(shù)路徑制備生產(chǎn)出了炭／炭復(fù)合材料航空剎車副，而且性能指標(biāo)“一路攀高”：使用強度提高３０％，耐磨性提高２０％，壽命提高９％，價格降低２１％，生產(chǎn)效率提高１００％，高能制動性能超過２５％。即１００米能剎住的飛機(jī)，用我們的７５米就能剎住。中國民航總局頒發(fā)的第一個大型飛機(jī)炭／炭剎車副零部件制造人批準(zhǔn)書的獲得，標(biāo)志著我國實現(xiàn)了高性能航空制動材料國產(chǎn)化，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。第一，解決了我國高性能航空制動裝置用材問題，確保了國家航空戰(zhàn)略安全；第二，其產(chǎn)品已應(yīng)用于國內(nèi)航線的大型飛機(jī)等，并已和俄羅斯簽訂合同為新型俄制圖－２０４、圖－２１４大型飛機(jī)提供炭／炭剎車副；第三，利用該技術(shù)平臺研制生產(chǎn)的復(fù)合材料，已成功應(yīng)用于航天火箭，獲得了航天產(chǎn)品工藝定型書。飛機(jī)減重是以克來計算的，越重越耗油。全部采用我國炭／炭復(fù)合材料剎車副的中型飛機(jī)，要比使用金屬剎車副時輕３００公斤以上，使用壽命更是４倍，飛機(jī)降落時剎車距離可以大幅縮短?？蒲谐晒呀?jīng)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。中南大學(xué)粉末冶金研究院為此組建了湖南博云新材料有限公司，２００４年年產(chǎn)炭／炭剎車副１５００多盤，包括其他剎車材料在內(nèi)的總產(chǎn)值達(dá)５０００萬。目前，年產(chǎn)值可達(dá)２億元的示范基地也已建成。6.3.6金屬基復(fù)合材料

Metal-matrixcomposites金屬基復(fù)合材料的基體大多采用鋁、銅、鋁合金、銅合金、鎂合金和鎳合金;金屬基復(fù)合材料的增強材料要求高強度和彈性模量(抵抗變形及斷裂)、高抗磨性(防止表面損傷)與高化學(xué)穩(wěn)定性(防止與空氣和基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng))。1.纖維增強金屬基復(fù)合材料纖維增強金屬基復(fù)合材料通常是由低強度、高韌性的基體與高強度、高彈性模量的纖維組成。常用的纖維有硼纖維、SiC纖維、碳纖維、B４Ｃ纖維、碳纖維、高強度、高模量石墨纖維、Al2O3、Ｓ-玻璃纖維、鈹纖維、鎢纖維、鋼絲等。（1）碳纖維增強金屬基復(fù)合材料碳纖維／鋁復(fù)合材料具有高比強度比模量，較高耐磨性，較好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，較小熱膨脹和尺寸變化。在宇航和軍事方面得到應(yīng)用。（2）氧化鋁纖維增強金屬基復(fù)合材料氧化鋁纖維／鋁復(fù)合材料具有高比強度和比模量，高疲勞強度及高耐蝕性，因此，在飛機(jī)、汽車工業(yè)上得到應(yīng)用。（3）碳化硅纖維增強金屬基復(fù)合材料碳化硅纖維是一高熔點、高強度、高彈性模量陶瓷纖維。它以碳纖維作底絲，用二甲基二氯硅烷反應(yīng)生成聚硅烷，經(jīng)聚合生成聚碳硅烷紡絲，再燒結(jié)產(chǎn)生碳化硅纖維尼可綸。碳化硅纖維尼可綸／鋁復(fù)合材料是由于尼可綸的密度(2．55)與鋁(2．71)十分相近，因此能容易地制造非常穩(wěn)定的復(fù)合材料，且強度較高，在400℃以下隨溫度的升高強度降低也不大，故可作為飛機(jī)材料。2.顆粒增強金屬基復(fù)合材料（1）金屬陶瓷

由陶瓷顆粒與金屬基體結(jié)合的顆粒增強金屬稱金屬陶瓷。其特點是耐熱性好，硬度高。但脆性大的陶瓷(金屬氧化物、碳化物、氮化物)顆粒與韌性好的基體燒結(jié)粘合在一起后，產(chǎn)生既有陶瓷的高硬度和耐熱性，又有金屬的耐沖擊性等復(fù)合效果。工業(yè)上應(yīng)用的金屬陶瓷有K增強金屬即所謂超硬合金。例如，WC-Co已用作耐磨、耐沖擊的工具或合金刀頭。金屬陶瓷實質(zhì)上是由金屬和陶瓷組成的復(fù)合材料。金屬的抗熱震性、韌性好，但易氧化和高溫強度不高;而陶瓷的硬度高，耐熱性好，耐蝕性強，但抗熱震性低、脆性大。通過一定的工藝方法將它們結(jié)合起來制成金屬陶瓷，則可兼有二者的優(yōu)點。金屬陶瓷中，陶瓷相是氧化物(如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等)、K(如TiC、WC、SiC等)，硼化物(如TiB、ZrB2、CrB2等)和氮化物(如TiN、BN、Si3N4等)，它們是金屬陶瓷的基體或“骨架”。金屬相主要是鈦、鉻、鎳、鈷及其合金，它們起粘結(jié)作用，也稱粘結(jié)劑。陶瓷相和金屬相的類型和相對數(shù)量將直接影響金屬陶瓷的性能，以陶瓷相為主的多為工具材料，金屬相含量較高時多為結(jié)構(gòu)材料。目前已經(jīng)取得較大應(yīng)用的是氧化物基和K基金屬陶瓷。（1）金屬陶瓷②碳化物基金屬陶瓷（硬質(zhì)合金）碳化物基金屬陶瓷中，粘結(jié)劑主要是鐵族元素。它們對碳化物都有一定溶解度，將碳化物較好地粘結(jié)起來，例如WC-Co和TiC-Ni等。碳化物基金屬陶瓷可用作工具材料，也可用作耐熱結(jié)構(gòu)材料。硬質(zhì)合金是將某些難熔的碳化物粉末(如WC，TiC等)和粘結(jié)劑(如Co、Ni等)混合，加壓成型，再經(jīng)燒結(jié)而制成的金屬陶瓷。它的硬度很高(HRA86~93，相當(dāng)于H