復合材料課件

復合材料CompositeMaterial《工程材料》多媒體課件主講人：李安銘

材料科學與工程學院

4/16/20231

一概述（一）、復合材料的概念由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的，各組分間有明顯界面且性能優(yōu)于各組成材料的多相材料。基體相：起粘結(jié)作用,呈連續(xù)分布增強相：起提高強度和韌性作用例如：鋼筋水泥、泥漿中拌稻草、現(xiàn)代的玻璃鋼等材料科學與工程學院4/16/20232AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院（二）復合材料的發(fā)展歷史和意義

1、復合材料的發(fā)展歷史

6000年前人類用稻草加粘土作為建筑復合材料；水泥復合材料廣泛應用于高樓大廈和河堤大壩等；

20世紀40年代，美國用碎布酚醛樹脂代替木材制備槍托，發(fā)展成為玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼），這是現(xiàn)代化復合材料。

4/16/20233AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院2、復合材料的意義：

現(xiàn)代高科技的發(fā)展離不開復合材料。

4/16/20234AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院火箭殼體材料對射程的影響：4/16/20235AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院4/16/20236AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院復合材料在航空中的應用

美國F/A-18殲擊機美UH－60A型直升飛機4/16/20237AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院航空發(fā)動機渦輪葉片材料發(fā)展趨勢4/16/20238AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（二）、復合材料的分類

1．按照基體材料分

（1）非金屬基復合材料

2．按增強材料形態(tài)分

（1）纖維增強復合材料（2）粒子增強復合材料（3）疊層復合材料

玻璃纖維增強高分子復合材料材料科學與工程學院（2）金屬基復合材料陶瓷基復合材料高分子基復合材料4/16/20239AnmingLi,DeptofMSE,hpu纖維復合纖維增強塑料（玻璃鋼）

纖維增強橡膠（橡膠輪胎）粒子復合金屬陶瓷

彌散強化金屬疊層復合：膠合板、雙層金屬3：按復合材料性能分類：結(jié)構(gòu)復合材料：用于結(jié)構(gòu)零件的復合材料功能復合材料：具有某些特殊物理、化學特性氧化鈾基鎢纖維復合材料材料科學與工程學院4/16/202310AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（三）、復合材料的性能

1、性能的可設(shè)計性：一定范圍內(nèi)具有可設(shè)計性

選擇基體、增強體的類型、數(shù)量增強體在基體中的排列方式基體與增強體之間的界面性質(zhì)調(diào)節(jié)性能

2、比強度高σb/d

、比模量大

E/d比強度σb/dcm比模量E/dcm鋼0.13×1060.27×102碳纖維-環(huán)氧1.03×1060.97×102材料科學與工程學院4/16/202311AnmingLi,DeptofMSE,hpu3、抗疲勞和破斷安全性良好

基體與增強纖維的界面能夠有效的阻止疲勞裂紋擴展或改變裂紋的擴展方向。例：一般金屬材料：

σ-1＝0.4～0.5σb碳纖維增強復合材料：σ-1＝0.7-0.8σb破斷安全性好：纖維增強復合材料不可能所有的增強纖維同時斷裂，構(gòu)件不會發(fā)生突然破壞。熱壓SiC纖維補強微晶玻璃拉伸斷口材料科學與工程學院4/16/202312AnmingLi,DeptofMSE,hpu4、高溫性能好：多數(shù)增強纖維高溫下保持高強度，顯著提高耐高溫性能

例：7075－76鋁合金。400℃時，E＝0，σb從500MPa降至30～50MPa；碳纖維增強復合后400℃時，E和σb接近于室溫時的水平。材料科學與工程學院4/16/202313AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院

目前：

聚合物基復合材料：最高耐溫為350C；

金屬基復合材料：使用溫度350－1100C；

陶瓷基復合材料：使用溫度可達1400C；

碳/碳復合材料：使用溫度最高2800C。4/16/202314AnmingLi,DeptofMSE,hpu5、減振性能好i避免自振

ii纖維分基體的界面吸收振動能量。結(jié)構(gòu)自振頻率與材料的比模量成正比，復合材料比模量高，故其自振頻率高，故避免在工作條件下發(fā)生共振。例：同樣尺寸形狀的梁，金屬9S停止振動，纖維復合材料則需2.5S。熱壓SiC纖維增強Si3N4復合材料SEM材料科學與工程學院4/16/202315AnmingLi,DeptofMSE,hpu6:存在的問題：（1）某些性能要進一步改進，例抗沖擊性能；（2）手工操作多，工藝復雜，效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定；（3）價格高，增強纖維價格太高。SiC纖維增強復合材料界面SEM材料科學與工程學院4/16/202316AnmingLi,DeptofMSE,hpu二、增強材料及其增強機制（一）增強材料1、纖維增強材料：增強效果最明顯、應用最廣泛.材料科學與工程學院基體：各種金屬和非金屬材料；增強材料：各種纖維。碳纖維碳纖維增強效果取決于：

纖維的特征；

纖維與基體間的結(jié)合強度；

纖維的體積分數(shù)；

纖維的尺寸和分布。

4/16/202317AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院

纖維增強復合材料的強度和剛性與纖維方向密切相關(guān)

纖維在基體中的不同分布方式無規(guī)排列，基本各向同性；均一方向，明顯的各向異性；正交編織，相互垂直的方向有好的性能；三維編織，各方向力學性能均優(yōu)。4/16/202318AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院纖維的種類：玻璃纖維：用量最大、價格最便宜碳纖維：化學性能與碳相似。硼纖維：耐高溫、強度、彈性模高金屬纖維：成絲容易、彈性模量高。陶瓷纖維：高溫、高強復合材料。玻璃纖維碳纖維SiC纖維4/16/202319AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院聚酰胺纖維:

強度、彈性模量高，耐熱。聚乙烯纖維:

韌性極好，密度非常小。

晶須：極高強度材料。晶須：直徑小于30m，長度只有幾毫米的針狀單晶體，斷面呈多角形。SiC晶須金屬晶須陶瓷晶須分為材料塊狀纖維晶須Al2O3280210021000Si3N414014000陶瓷的截面與強度MPa4/16/202320AnmingLi,DeptofMSE,hpu2、顆粒增強材料①顆粒增強金屬基復合材料：

顆粒增強材料是陶瓷，如Al2O3,SiC,WC,TiC等。②高聚物中的填料：

填料為分散相，聚合物為連續(xù)相,組成復合材料?？梢愿纳屏W性能，提高耐磨性、耐熱性能等。例：塑料中加入陶土、碳酸鈣等，提高硬度、強度。常用的填料有：石墨、MgO、SiO、高嶺土、碳酸鈣等材料科學與工程學院4/16/202321AnmingLi,DeptofMSE,hpu（二）纖維增強的增強機制:

為達到強化目的，必須滿足下列條件：

1)增強纖維的強度、彈性模量應遠遠高于基體；

2)纖維和基體之間應有一定的結(jié)合強度；

3)纖維的排列方向要和構(gòu)件的受力方向一致；

4)纖維和基體之間不發(fā)生使結(jié)合強度降低的化學反應；

5)纖維和基體的熱膨脹系數(shù)應匹配；

6)纖維所占的體積分數(shù)，纖維長度L和直徑d及長徑比

L/d等必需滿足一定要求。

材料科學與工程學院4/16/202322AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1、彌散強化復合材料的增強機制

基體將主要承受載荷，而彌散均勻分布的增強粒子將阻礙導致基體塑性變形的位錯運動或分子鏈運動。

（三）粒子增強型的增強機制:

彌散強化的復合材料：粒子直徑d一般為0.01～0.1μm，粒子體積分數(shù)φv1%～5%；

顆粒增強的復合材料：粒子直徑d為1～50μm，體積分數(shù)φv>20%。

材料科學與工程學院4/16/202323AnmingLi,DeptofMSE,hpu

2、顆粒增強復合材料的增強機制

用金屬或高分子聚合物為粘接劑，把具有耐熱性好、硬度高但不耐沖擊的金屬氧化物、碳化物、氮化物粘結(jié)在一起而形成，既具有陶瓷的高硬度及耐熱性，又具有脆性小、耐沖擊等優(yōu)點。顆粒增強：改善材料的耐磨性或綜合的力學性能。

顆粒周圍的位錯環(huán)

位錯切割粒子的電鏡觀察

材料科學與工程學院4/16/202324AnmingLi,DeptofMSE,hpu三、常用的復合材料

（一）、纖維增強復合材料

1．常用增強纖維

主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、Kevlar有機物纖維等。

玻璃纖維紙玻璃纖維繩玻璃纖維布玻璃纖維繩納米碳管纖維碳纖維繩材料科學與工程學院4/16/202325AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院

（1）玻璃纖維由熔融的玻璃經(jīng)拉絲制成纖維。強度高：抗拉強度可達1000～3000MPa；密度?。?.5～2.7g/cm3；化學穩(wěn)定性好：不燃燒；彈性模量低：（3～5）×104MPa；不吸水，尺寸穩(wěn)定；特點

缺點：脆性較大、耐熱性低，250℃以上開始軟化。

優(yōu)點：價格低廉、制取方便。4/16/202326AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院隨著堿量的增加，玻璃纖維的強度、絕緣性、耐蝕性降低。根據(jù)玻璃纖維中Na2O和K2O的含量無堿纖維：（堿<2%）,中堿纖維：堿（2%～12%）高堿纖維：（堿>12%）分為4/16/202327AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（2）碳纖維

Ⅱ型碳纖維：人造纖維（粘膠纖維、聚丙烯腈纖維等），在200～300℃空氣中加熱并施加一定張力進行預氧化處理，然后在氮氣的保護下于1000～1500℃的高溫中進行碳化處理而制得。其碳含量Wc85%～95%。

材料科學與工程學院

Ⅰ型碳纖維：在2500～3000℃氬氣中進行石墨化處理，獲得含碳量為Wc98%以上的碳纖維，又稱石墨纖維或高模量碳纖維4/16/202328AnmingLi,DeptofMSE,hpu與玻璃纖維相比材料科學與工程學院缺點：脆性大、易氧化

特點：密度?。?.33～2.0g/㎝3；彈性模量高：2.8～4×105MPa；高溫及低溫性能好；導電性好、化學穩(wěn)定性高。摩擦因數(shù)小、自潤濕性好；彈性模量為玻璃纖維的4-6倍；1500℃惰性氣體中強度不變，-180℃低溫脆性不增加。4/16/202329AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院4/16/202330AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院材料玻璃纖維增強熱固性塑料碳纖維增強熱固性塑料鋼鋁鈦密度,g/cm32.01.67.82.84.5拉伸強度,GPa1.21.81.40.481.0比強度6001120180170210拉伸模量,GPa

4213021077110比模量2181272725熱膨脹系數(shù)(10-6/K)80.212239.0聚合物復合材料的力學性能4/16/202331AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（3）硼纖維

它是用化學沉積法將非晶態(tài)的硼涂覆到鎢絲上而制得。具有高熔點（2300℃）、高強度（2450～2750MPa）、高彈性模量（3.8～4.9×105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蝕性。

缺點：密度大、直徑較粗及生產(chǎn)工藝復雜、成本高、價格昂貴。

材料科學與工程學院4/16/202332AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（4）碳化硅纖維

用碳纖維作底絲，通過氣相沉積法而制得。具有高熔點、高強度、高彈性模量。優(yōu)良的高溫強度，1100℃時強度仍高達2100MPa。

（5）Kevlar有機纖維（芳綸、聚芳酰胺纖維）特點：比強度、比模量高；強度達2800～3700MPa；密度小，只有1.45g/㎝3；耐熱性比玻璃纖維好。優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性。

材料科學與工程學院4/16/202333AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院材料種類縱向抗拉強度

MPa縱向彈性模量

GPa環(huán)氧樹脂

696.9環(huán)氧樹脂/E級玻璃纖維102045環(huán)氧樹脂/碳纖維（高彈性）1240145環(huán)氧樹脂/芳綸纖維（49）138076環(huán)氧樹脂/硼纖維（70%Vf

）1400-2100210-280較環(huán)氧樹脂基體性能大幅度提高，比強度高得多。

2．纖維―樹脂復合材料

4/16/202334AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（1）玻璃纖維―樹脂復合材料

亦稱玻璃纖維增強塑料，也稱玻璃鋼。

1）熱塑性玻璃鋼

由20%～40%的玻璃纖維和60%～80%的熱塑性樹脂（如尼龍、ABS等）組成，具有高強度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低熱膨脹系數(shù)。

玻璃鋼汽車保險杠材料科學與工程學院4/16/202335AnmingLi,DeptofMSE,hpu

2)熱固性玻璃鋼

由60%～70%玻璃纖維（或玻璃布）和30%～40%熱固性樹脂（環(huán)氧、聚酯樹脂等）組成。

優(yōu)點：密度小、強度高，耐蝕性、絕緣性、絕熱性好；吸水性、防磁，易加工成型。

缺點：彈性模量低，熱穩(wěn)定性不高，300℃以下工作。

材料科學與工程學院4/16/202336AnmingLi,DeptofMSE,hpu玻璃鋼景觀材料科學與工程學院4/16/202337AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（2）碳纖維―樹脂復合材料

常用的是碳纖維與聚酯、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復合材料。

優(yōu)點：高強度、高彈性模量、高比強度和比模量，還具有優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐蝕性及耐熱性。

缺點：纖維與基體結(jié)合力低。

（3）硼纖維―樹脂復合材料

主要由硼纖維與環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成。優(yōu)點：高的比強度、比模量，良好的耐熱性。缺點：各向異性明顯。

材料科學與工程學院4/16/202338AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（4）碳化硅纖維樹脂復合材料

由碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂組成的復合材料，具有高的比強度、比模量。

（5）Kevlar纖維樹脂復合材料

由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹脂組成。

性能特點：抗拉強度大于玻璃鋼，而與碳纖維―環(huán)氧樹脂復合材料相似；延性好，與金屬相當；其耐沖擊性超過碳纖維增強塑料；其疲勞抗力高于玻璃鋼和鋁合金；減振能力為鋼的8倍。

材料科學與工程學院4/16/202339AnmingLi,DeptofMSE,hpu

3．纖維―金屬（或合金）復合材料增強纖維：高強度、高模量的脆性纖維；碳、硼、碳化硅纖維。金屬基體：高韌性及低屈服強度的金屬；鋁、鈦、銅、鎳、鎂、銀、鉛等合金。材料科學與工程學院高的橫向力學性能和層間剪切強度；沖擊韌性好；高溫強度高、耐熱性、導熱性好；耐磨性好；不吸濕、尺寸穩(wěn)定性好。性能特點：4/16/202340AnmingLi,DeptofMSE,hpu金屬基復合材料的性能

復合材料增強相含量VoL%抗拉強度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3BF/AlCVDSiCF

/AlNicalon

SiCF

/AlCF/AlFPAl2O3F/AlSumicaAl2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVDSiCF/TiBF/Ti505035~4035505018~202035451200~15001300~1500700~900500~800650900500~620400~5101500~17501300~1500200~220210~23095~110100138~100210~2302202.62.85~3.02.62.43.32.92.82.83.93.7材料科學與工程學院4/16/202341AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院纖維增強金屬基復合材料（MMC）用在高溫工作環(huán)境。

作為增強體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、SiC和C纖維；Al2O3纖維通常以短纖維的形式用于MMC中。MMC的SEM照片4/16/202342AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院航天飛機內(nèi)MMC(Al/B纖維)桁架

MMC雖強度和彈性模量（剛度）增加，但塑性和韌性因使用陶瓷纖維而降低，在一定程度上限制了MMC的應用范圍。4/16/202343AnmingLi,DeptofMSE,hpu

4．纖維―陶瓷復合材料

陶瓷材料韌性低、難加工。在陶瓷材料中加入纖維增強，能大幅度提高強度，改善韌性，并提高使用溫度。陶瓷中增韌纖維受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韌性越好。

材料科學與工程學院C/C復合材料Si/Si復合材料4/16/202344AnmingLi,DeptofMSE,hpu

用碳（或石墨）纖維與陶瓷組成的復合材料能大幅度提高陶瓷的沖擊韌性和抗熱振性，降低脆性，而陶瓷又能保護碳（或石墨）纖維在高溫下不被氧化。這類材料具有很高的強度和彈性模量。

材料科學與工程學院ZnO晶須自增韌Si3N4陶瓷4/16/202345AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院陶瓷基復合材料的力–位移曲線

4/16/202346AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學與工程學院4/16/202347AnmingLi,DeptofMSE,hpu（二）疊層復合材料

疊層復合材料是由兩層或兩層以上不同材料結(jié)合而成。

1．雙層金屬復合材料

性能不同的兩種金屬用膠合或鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復合在一起，以滿足某種性能要求的材料。

簡易恒溫器材料科學與工程學院4/16/202348AnmingLi,DeptofMSE,hpu金屬+金屬復合管金屬+陶瓷復合管材料科學與工程學院4/16/202349Anming