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1、第六章第六章 复合材料复合材料第一节 概述 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组成结构不复合材料是由两种或两种以上化学性质或组成结构不同的材料组合而成同的材料组合而成.复合材料是多相材料复合材料是多相材料,主要包括基体相和主要包括基体相和增强相增强相,基体相是连续相材料基体相是连续相材料,它把改善性能的增强相材料固它把改善性能的增强相材料固结成一体结成一体;增强相起承受应力和显示功能的作用。增强相起承受应力和显示功能的作用。一一.复合材料的分类复合材料的分类(1).按基体材料分类按基体材料分类,有金属基复合材料有金属基复合材料.陶瓷基复合材料等等陶瓷基复合材料等等(2).按增强剂形状分为粒子
2、按增强剂形状分为粒子.纤维及层状复合材料纤维及层状复合材料(3).按复合材料的性能分为结构复合材料和功能复合材料按复合材料的性能分为结构复合材料和功能复合材料复合材料的三要素有基体材料，增强材料状态以及复合方式。复合材料的三要素有基体材料，增强材料状态以及复合方式。二二二二.复合材料的特点复合材料的特点复合材料的特点复合材料的特点1.1.比强度和比模量高；比强度和比模量高；比强度是抗拉强度与密度之比比强度是抗拉强度与密度之比,若值高表明材料能承受高的应力。若值高表明材料能承受高的应力。比模量是弹性模量与密度之比比模量是弹性模量与密度之比,若值高表明材料轻且刚性大。若值高表明材料轻且刚性大。2.
3、2.抗疲劳性能好；抗疲劳性能好；疲劳是材料在循环应力作用下的性能。疲劳是材料在循环应力作用下的性能。3.3.减振性能好；减振性能好；4.4.高温性能好；高温性能好；第二节第二节 粒子改性复合材料粒子改性复合材料一一.复合原理复合原理粒子增强复合材料的性质粒子增强复合材料的性质,仅与有关的量及各成分的性质有关仅与有关的量及各成分的性质有关,可可用混合规律来预测复合材料的某些性质用混合规律来预测复合材料的某些性质,比如密度等比如密度等,但是对于硬但是对于硬度度.强度则不能用混合法来计算强度则不能用混合法来计算.二二.增强粒子的种类增强粒子的种类1.碳酸钙碳酸钙 钙塑料钙塑料提高冲击强度提高冲击强度
4、2.碳黑碳黑 补强作用补强作用 橡胶轮胎橡胶轮胎3.SiO2 白碳黑白碳黑三三三三.聚合基粒子复合材料聚合基粒子复合材料聚合基粒子复合材料聚合基粒子复合材料1.粒子增强聚合物粒子增强聚合物(1).电绝缘材料电绝缘材料(2).钙塑材料钙塑材料 聚氯乙烯塑料聚氯乙烯塑料.聚乙烯钙塑料和聚丙烯钙塑料聚乙烯钙塑料和聚丙烯钙塑料(3).耐磨材料耐磨材料(4).粒子增强橡胶粒子增强橡胶 主要的补强剂是炭黑主要的补强剂是炭黑2.粒子分散质增强机理粒子分散质增强机理粒子分散质增强机理认为粒子分散质增强机理认为.填料粒子的活性表面能与若干高分子链填料粒子的活性表面能与若干高分子链相结合形成一种交联结构相结合形成
5、一种交联结构.为了提高增强效果为了提高增强效果,可对填料粒子进行可对填料粒子进行化化学处理学处理,以增进与大分子的结合力以增进与大分子的结合力.egeg:生产银复合材料，首先制备多孔钨，然后侵入纯银。已知未浸生产银复合材料，首先制备多孔钨，然后侵入纯银。已知未浸入银的银钨复合材料为入银的银钨复合材料为14.5g/cm14.5g/cm3 3,试计算该复合材料孔隙的体积分试计算该复合材料孔隙的体积分数及浸入银的质量分数。数及浸入银的质量分数。d d钨钨=19.3g/cm=19.3g/cm3,3,d d银银=10.49g/cm=10.49g/cm3.3.复合原理复合原理 c c=f=fi i i i
6、解：解：空气质量忽略不计空气质量忽略不计 14.5=19.3（1-X)X=24.87%银的质量分数银的质量分数 M%=10.49X/19.3(1-X)+10.49X =15.25%第三节第三节 纤维增强复合材料纤维增强复合材料一一.概述概述纤维增强复合材料是指以各种金属育肥金属材料作基体纤维增强复合材料是指以各种金属育肥金属材料作基体,以各种以各种纤纤维作分散质的复合材料维作分散质的复合材料.其中纤维是主要承载部分其中纤维是主要承载部分,起骨架作用起骨架作用,基基体起粘结纤维和传递力的作用体起粘结纤维和传递力的作用.二.复合原则1.纤维复合材料的强度纤维复合材料的强度(1).外力沿纤维轴方向外
7、力沿纤维轴方向 c=f=m Fc=Ff=Fm 复合材料纤维，基体所受外力一致复合材料纤维，基体所受外力一致 若纤维与基体呈弹性变形，则应力若纤维与基体呈弹性变形，则应力 f=Ef*f m=Em*m因此 Ff=fAf=EffAf Af纤维受到应力的面积 Fm=mAm=EmmAm Am基体受到应力的面积 Fc=cAc=fAf+mAm 总体所受外力=总应力*总面积 Ac=Af+Am c=f*Af/Ac+m*Am/Ac c=f*Vf+mVm c/c=f*Vf/f+m*Vm/m Ec=EfVf+EmVm例例.40%.40%体积硼纤维增强铝是耐高温体积硼纤维增强铝是耐高温.重量轻的复合材料重量轻的复合材料
8、.试求其试求其密密度度,弹性模量及平行于纤维轴的强度弹性模量及平行于纤维轴的强度,并计算垂直于纤维轴的弹性并计算垂直于纤维轴的弹性模量模量解解.该复合材料各成分的性质如下该复合材料各成分的性质如下:根据混合定律知密度根据混合定律知密度c=0.6*2.7+0.4*2.36=2.56Mg.m-3弹性模量弹性模量(平行于纤维轴平行于纤维轴)Ec=0.6*69+0.4*379=193GPa强度强度c=0.6*35+0.4*2760=1125MPa试验测得的强度仅为试验测得的强度仅为897MPa,可知计算的强度高于试验强度可知计算的强度高于试验强度,弹弹性模量相当性模量相当.垂直于纤维方向的弹性模量为垂
9、直于纤维方向的弹性模量为1/Ec=(Vm/Em)+(Vf/Ef)=0.6/69+0.4/379 Ec=102.6GPa材料材料 (Mg.m-3)E(Gpa)c(Mpa)硼纤维硼纤维 2.36 379 2760铝铝 2.70 69 352.2.复合材料设计的影响因素复合材料设计的影响因素(1).纤维的长径比纤维的长径比 长径比大增强效果好长径比大增强效果好(2).纤维的含量和方向纤维的含量和方向三.纤维的种类和性能 1.玻璃纤维玻璃纤维 SiO2+Al2O3 无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维 E 纤维纤维 中碱性玻璃纤维中碱性玻璃纤维 高碱性玻璃纤维高碱性玻璃纤维 A纤维纤维 高强度玻璃纤维高强度玻璃纤
10、维 S纤维纤维 高模量玻璃纤维高模量玻璃纤维 M纤维纤维 增强机理增强机理纤维增强纤维增强纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的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。工艺复合而成的多相材料。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。设计纤维增强金属基复合材料的目标：设计纤维增强金属基复合材料的目标：增强纤维起到强化基体作用必要条件：增强纤维起到强化基体作用必要条件：1。增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。增强纤维的强度和弹性模量应比
11、基体材料的高。2。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有一定的强度。基体与纤维之间要有一定的粘结力，并具有一定的强度。3。纤维应有一定的含量、尺寸和分布。纤维应有一定的含量、尺寸和分布。4。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。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。纤维与基体之间有良好的相容性。增韧机理增韧机理纤维增韧纤维增韧由于定向、取向或无序排布的纤维加入，使得由于定向、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。复合材料的韧性得到显著提高。多维多向排布长纤维增韧多维多向排布长纤维增韧克服了单向长纤维只在一个方向上性能得到提克服了单向长纤维只在一个方
12、向上性能得到提高的弱点。多向长纤维可实现陶瓷等脆性材料高的弱点。多向长纤维可实现陶瓷等脆性材料在二维、三维方向上的性能提高。这种多维多在二维、三维方向上的性能提高。这种多维多向的排列方式有：向的排列方式有：1。将纤维编织成纤维布；。将纤维编织成纤维布；2。纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。多维长纤维增韧的机理与单向一样，主要是通多维长纤维增韧的机理与单向一样，主要是通过纤维的断裂、拔出或转向提高韧性过纤维的断裂、拔出或转向提高韧性。短纤维增韧机理短纤维增韧机理短纤维增韧复合材料的制备工艺比长纤维的简短纤维增韧复合材料的制备工艺比长纤维的简便。通常是将长
13、纤维剪断，再与基体粉体材料便。通常是将长纤维剪断，再与基体粉体材料混合、热压制得。在热压时，短纤维沿压力方混合、热压制得。在热压时，短纤维沿压力方向择优取向，产生性能上的各向异性。当短纤向择优取向，产生性能上的各向异性。当短纤维的质量分数适当时，复合材料的断裂功显著维的质量分数适当时，复合材料的断裂功显著提高，从而使断裂韧性得到提高提高，从而使断裂韧性得到提高。晶须增韧机理晶须增韧机理晶须的增韧机理与纤维增韧机理基本相同，即晶须的增韧机理与纤维增韧机理基本相同，即主要靠晶须拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提主要靠晶须拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提高产生贡献。研究结果表明，晶须与界面的强高产生贡献。
14、研究结果表明，晶须与界面的强度直接影响复合材料的韧性。界面强度过高，度直接影响复合材料的韧性。界面强度过高，晶须与基体同时断裂，限制了晶须的拔出；而晶须与基体同时断裂，限制了晶须的拔出；而结合强度过低，晶须拔出功减小。这两种情况结合强度过低，晶须拔出功减小。这两种情况都对韧性的提高不利。都对韧性的提高不利。纤维复合材料的特点比强度和比模量高比强度和比模量高抗疲劳性好抗疲劳性好减振能力好减振能力好高温性能好高温性能好破损安全性好破损安全性好性能的各向异性及可设计性强性能的各向异性及可设计性强纤维复合材料的缺点 纤维与基体组成的复合材料，微观结构不均匀，易在薄弱处发生破坏；层间剪切强度和横向强度低
15、，这一点已成为复合材料的致命弱点；抗冲击性差；长期耐高温及耐老化性能差；工艺质量不够稳定，材料性能的分散性大。下面介绍几类复合材料的界面类型下面介绍几类复合材料的界面类型纤维增强金属基复合材料界面的类型纤维增强金属基复合材料界面的类型I。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。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。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。纤维与基体反应形成界面反应层。界面结合的类型界面结合的类型I。机械结合：。机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的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
16、与纤维之间的摩擦阻力形成。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：。溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而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。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：。反应结合：基体与纤维之间形成界面反应层。基体与纤维之间形成界面反应层。IV。混合结合：。混合结合：上述三种形式的混合结合方式。上述三种形式的混合结合方式。陶瓷基复合材料的界面陶瓷基复合材料的界面在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的结合同样以机械结合、溶解与侵润结合、反应结合同样以机械结
17、合、溶解与侵润结合、反应结合和混合结合的方式进行。界面的特性对复结合和混合结合的方式进行。界面的特性对复合材料的性能起到举足轻重的作用。合材料的性能起到举足轻重的作用。第四节第四节 聚合物基纤维增强复合材料聚合物基纤维增强复合材料一一.聚合物基体聚合物基体1.热固性聚合物热固性聚合物(1).不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂由不饱和二元酸由不饱和二元酸.饱和二元酸饱和二元酸.二元醇经缩聚反应而合成的二元醇经缩聚反应而合成的.具有具有良好的介电性良好的介电性.抗电弧性和耐腐蚀性抗电弧性和耐腐蚀性(2).环氧树脂环氧树脂环氧树脂分子中含有活泼的环氧基团环氧树脂分子中含有活泼的环氧基团,可与多种类型的固化
18、剂交可与多种类型的固化剂交联联,形成网状结构的体型高聚物形成网状结构的体型高聚物.(3)酚醛树脂酚醛树脂酚醛树脂是酚酚醛树脂是酚.醛缩合物醛缩合物,耐热性高耐热性高,价格较环氧树脂便宜价格较环氧树脂便宜.2.2.热塑性聚合物热塑性聚合物热塑性聚合物作为纤维增强塑料的基体热塑性聚合物作为纤维增强塑料的基体,应用很广应用很广.复合后可明显复合后可明显改善热塑性树脂的强度改善热塑性树脂的强度(1).聚丙烯聚丙烯(2).尼龙尼龙 (3).聚醚醚酮树脂聚醚醚酮树脂 结晶性耐高温工程塑料结晶性耐高温工程塑料(4).聚酰亚胺聚酰亚胺 有优异的耐热性有优异的耐热性三三三三.高性能纤维增强塑料高性能纤维增强塑料
19、高性能纤维增强塑料高性能纤维增强塑料用各种高强度用各种高强度.高模量纤维来增强高强聚合物高模量纤维来增强高强聚合物,可得到比强度高可得到比强度高,刚刚性好性好,抗蠕变的高性能复合材料抗蠕变的高性能复合材料.1.碳纤维增强聚合物复合材料碳纤维增强聚合物复合材料 碳纤维增强环氧是强度碳纤维增强环氧是强度,刚度刚度,耐热性均好的复合材料耐热性均好的复合材料.质轻而且质轻而且耐腐蚀耐腐蚀,缺点是造价高缺点是造价高2.芳香族聚酰胺纤维增强塑料芳香族聚酰胺纤维增强塑料 即芳纶纤维即芳纶纤维,与树脂基体相容性好与树脂基体相容性好,具有优异的性能且价格低于碳具有优异的性能且价格低于碳纤维复合材料纤维复合材料,
20、具有发展前途具有发展前途四四四四.聚合物分子复合材料聚合物分子复合材料聚合物分子复合材料聚合物分子复合材料分子复合材料是增强剂在基体中分散程度接近分子水平的复合材料分子复合材料是增强剂在基体中分散程度接近分子水平的复合材料获得分子复合材料的方法主要有以下几种获得分子复合材料的方法主要有以下几种1.原位复合法原位复合法2.原位聚合法原位聚合法3.溶液共混溶液共混.共沉淀法共沉淀法第五节第五节 纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料一.概述金属基复合材料具有金属的弹性金属基复合材料具有金属的弹性,高强度和硬度高强度和硬度,缺点是纤维与金缺点是纤维与金属属的相容性较聚合物差的相容性较聚合物差,
21、制备较困难制备较困难二.金属基复合材料的制备方法三.纤维增强铝基复合材料铝基复合材料有高的比刚度和比强度铝基复合材料有高的比刚度和比强度1.硼纤维增强铝基复合材料硼纤维增强铝基复合材料(B/Al)2.SiC纤维增强铝基复合材料纤维增强铝基复合材料(SiC/Al)3.石墨纤维增强铝基复合材料石墨纤维增强铝基复合材料(Gr/Al)制造方法制造方法有点有点 缺点缺点适合的复合体系适合的复合体系熔体浸渗法熔体浸渗法不损伤纤维不损伤纤维,浸润性浸润性好好,适合多种基体和适合多种基体和各种复杂形状各种复杂形状温度高温度高,纤维和纤维和金属界面反应严金属界面反应严重重B-Mg,W-Cu,W-Ag,B-Al,
22、Al-SiO2粉末冶金法粉末冶金法温度低温度低,适合多种基适合多种基体与短纤维复合体与短纤维复合纤维损伤达纤维损伤达,聚聚向性差向性差,体积含体积含量低量低W-Ni,W-Ag,Mo-Ti,C-Al等离子喷涂等离子喷涂纤维取向规则纤维取向规则,适合适合于长纤维增强体系于长纤维增强体系容易产生气泡容易产生气泡B-Al,SiC-Al,C-Al,W-Al,电沉积电沉积温度低温度低,纤维损伤小纤维损伤小基体有限制基体有限制,容容易产生气泡易产生气泡,效效率低率低W-Ni,W-Cu,B-Al,化学气相沉化学气相沉积积不损伤纤维不损伤纤维容易产生气泡容易产生气泡,效率低效率低Be-Al,B-Al,C-Al扩
23、散法扩散法纤维取向规则纤维取向规则,浸润浸润好好,温度较低温度较低,界面反界面反应不严重应不严重时间较长时间较长B-Al,C-Al,B-Ti挤压挤压.轧制轧制界面反应小界面反应小对材料有限制对材料有限制B-Al,Cu合金合金 高能加工高能加工B-Al,W-Al四四四四.纤维增强钛基复合材料纤维增强钛基复合材料纤维增强钛基复合材料纤维增强钛基复合材料钛的主要特点是比强度高钛的主要特点是比强度高,这是理想的涡轮发动机的材料这是理想的涡轮发动机的材料五.自增强金属复合材料用控制熔体凝固的方法用控制熔体凝固的方法,使熔体合金在一个有规则的温度梯度场使熔体合金在一个有规则的温度梯度场中中冷却凝固冷却凝固
24、,在金属基体内自身生长晶须在金属基体内自身生长晶须,而制造出自增强金属复合而制造出自增强金属复合材料材料,即原位型复合材料即原位型复合材料.六.-Al2O3纤维增强镍基合金复合材料制法有液态渗透法和粉末冶金法制法有液态渗透法和粉末冶金法.第六节第六节第六节第六节 纤维增强陶瓷复合材料纤维增强陶瓷复合材料纤维增强陶瓷复合材料纤维增强陶瓷复合材料一.概述 陶瓷材料具有耐热陶瓷材料具有耐热,抗氧化抗氧化,耐磨耗耐磨耗,耐腐蚀等突出优点耐腐蚀等突出优点,但韧性但韧性差差,难于加工难于加工,在陶瓷中加入纤维增强在陶瓷中加入纤维增强,能大幅度提高强度能大幅度提高强度,改善脆性改善脆性,并并提高使用温度提高
25、使用温度二.SiC纤维增强陶瓷三.纤维-陶瓷复合材料的制备1.浆液渗透与混合浆液渗透与混合2.溶胶溶胶-凝胶法凝胶法3.CVI和和CVD法法 化学气相渗透技术化学气相渗透技术4.其他方法其他方法 直接氧化法直接氧化法 液相化学反应法液相化学反应法四四四四.碳碳碳碳/碳复合材料碳复合材料碳复合材料碳复合材料1.碳碳/碳复合材料的特征碳复合材料的特征碳纤维增强碳素的复合材料称为碳纤维增强碳素的复合材料称为C/C复合材料复合材料.强度和刚度都非常强度和刚度都非常好好,且能承受极高的温度和极高的加热速度且能承受极高的温度和极高的加热速度.承受载荷时呈假塑形承受载荷时呈假塑形变变形形,非脆性断裂非脆性断
26、裂,因此有极好的耐热抗冲击能力因此有极好的耐热抗冲击能力.但是造价较高但是造价较高2.碳与碳复合材料的制备碳与碳复合材料的制备碳纤维用聚合物浸渍碳纤维用聚合物浸渍,固化成型后进行热裂解固化成型后进行热裂解,形成多孔的预成型形成多孔的预成型制制品品,再经过多次的液体浸渍或化学气相沉积工艺再经过多次的液体浸渍或化学气相沉积工艺,达到所需的质量达到所需的质量在制备过程中在制备过程中,热分解过程是关键热分解过程是关键五.陶瓷增强复合材料第七节第七节第七节第七节 层状复合材料层状复合材料层状复合材料层状复合材料一一.概述概述 层状复合材料包括层压材料层状复合材料包括层压材料,涂层涂层,表面镀层表面镀层,
27、包层材料等等包层材料等等二二.混合定律在层状复合材料中的应用混合定律在层状复合材料中的应用1.水平方向水平方向 密度密度c=fii 电导电导c=fii fi体积系数体积系数 导热系数导热系数 Kc=fiKi 弹性模量弹性模量 Ec=fiEi 2.垂直方向 电导 1/c=(fi/i)导热系数 1/Kc=(fi/Ki)弹性模量 1/Ec=(fi/Ei)例例 贮存电荷的电容器是由导电层与绝缘层交替组成的贮存电荷的电容器是由导电层与绝缘层交替组成的.导电层是导电层是 1111层层0.0006cm0.0006cm铝箔铝箔;绝缘层是绝缘层是1010层层0.01cm0.01cm的云母的云母.铝和云母的导电铝
28、和云母的导电率分别为率分别为3.8*103.8*107 7-1-1mm-1-1 m m和和1010-11-11-1-1mm-1-1.确定电容器水平垂直方确定电容器水平垂直方向电导向电导解解:假设此电容板为假设此电容板为1cm2,求各材料的体积求各材料的体积V铝铝=11*0.0006=0.0066cm3V云目云目=10*0.01=0.1cm3各成分所占体积分数为各成分所占体积分数为f铝铝=0.0066/(0.0066+0.1)=0.062f云母云母=0.1/(0.0066+0.1)=0.938水平方向的电导为水平方向的电导为=0.062*3.8*107+0.938*10-11=0.24*107-
29、1m-1 垂直方向的电导垂直方向的电导1/=0.062/3.8*107+0.938/10-11=0.938*1011 =1.07*10-11-1m-1 例题：某热学材料是由绝热层和导热层组成，绝例题：某热学材料是由绝热层和导热层组成，绝热层的导热系数是热层的导热系数是2.3*10-10(瓦瓦/米米*K），导热），导热层的导热系数是层的导热系数是6*102(瓦瓦/米米*K），其中绝热层），其中绝热层是是8层，绝热层厚层，绝热层厚0.3Cm，密度为，密度为6.9g/cm3,导导热层热层10层，厚为层，厚为0.06cm，密度为，密度为0.9g/cm3，求该复合材料在垂直方向的导热系数及复合材求该复合材料在垂直方向的导热系数及复合材料的密度。料的密度。