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1、第十一章 复合材料 l复合材料是由两复合材料是由两种或两种以上化种或两种以上化学性质或组织结学性质或组织结构不同的材料组构不同的材料组合而成的材料。合而成的材料。复复合合材材料料船船体体l复合材料是多相材料，主要包括复合材料是多相材料，主要包括基体相基体相和和增强相增强相。l基体相基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固l结成一体，并起结成一体，并起传递应力的作用。传递应力的作用。l增强相增强相起承受应起承受应力（力（结构复合材结构复合材料）料）和显示功能和显示功能(功能复合材料功能复合材料)的作用。的作用。纤维增强高分子复合材料纤维增强高分子复合
2、材料纤维增强高分子复合材料纤维增强高分子复合材料第一节第一节 概述概述 l一、复合材料的分类一、复合材料的分类l1、按基体材料分类、按基体材料分类，可分为聚合，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。物基、陶瓷基和金属基复合材料。l 2、按增强相形状分类、按增强相形状分类，可分为纤可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。料和层状复合材料。l 3、按复合材料的性能分类、按复合材料的性能分类，可分，可分为结构复合材料和功能复合材料。为结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒颗粒Al2O3片片Al2O3纤维纤维增增强强相相三三种种类类型型l二、复合材料的特
3、点二、复合材料的特点l1、比强度和比模量高、比强度和比模量高 其中纤其中纤维增强复合材料的最高。维增强复合材料的最高。l2、抗疲劳性能好、抗疲劳性能好 碳纤维增强碳纤维增强材料材料-1可达可达 b的的7080%。因纤因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。l3、减振性能良好、减振性能良好 复合材料中复合材料中的大量界面对振动有反射吸收的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。作用，不易产生共振。l4、高温性能好。、高温性能好。比比强强度度比比较较碳碳纤纤维维 树树脂脂硼硼纤纤维维 树树脂脂玻玻璃璃纤纤维维 树树脂脂钛钛钢钢 铝铝第二节第二节 粒子与层状增强复合材料粒子与层
4、状增强复合材料 l一、粒子增强复合材料一、粒子增强复合材料l粒子增强复合材料是将粒子粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位使其阻碍导致塑性变形的位错运动错运动(金属基体金属基体)和分子链和分子链运动运动(聚合物基体聚合物基体)。l这种复合材料是各向同性的。这种复合材料是各向同性的。卫星用颗粒增强铝卫星用颗粒增强铝基复合材料零件基复合材料零件l聚合物基粒子复合材料如酚聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料的钙塑材料(合成木材合成木材)等。等。l陶瓷
5、基粒子复合材料如氧化陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。锆增韧陶瓷等。粒子增强粒子增强SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶碳黑增强橡胶l金属基粒子复合材料又称金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。等组成的非均质材料。l碳化物金属陶瓷作为工具碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常硬质合金。硬质合金通常以以Co、Ni作为粘结剂，作为粘结剂，WC、TiC等作
6、为强化相。等作为强化相。硬质合金组织硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀l硬质合金主要有钨钴硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛和钨钴钛(YT)两两类。牌号中，类。牌号中，YG后后的数字为含的数字为含Co量，量，YT后的数字为碳化后的数字为碳化钛含量。钛含量。l硬质合金硬度极高，硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在一般做成刀片，镶在刀体上使用。刀体上使用。硬质合金模具硬质合金模具硬质合金轴承刀具硬质合金轴承刀具l二、层状复合材料二、层状复合材料l层状复合材料是指在层状复合材料是指在基体中含有多重层片基体中含有多重层片状
7、高强高模量增强物状高强高模量增强物的复合材料。的复合材料。l这种材料是各向这种材料是各向异性的异性的(层内两维层内两维同性同性)。如碳化硼。如碳化硼片增强钛、胶合片增强钛、胶合板等。板等。层状陶瓷复合材料断口形貌层状陶瓷复合材料断口形貌三明治复合三明治复合l双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。l结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。运输及包装等。有有TiN涂层的涂层的高尔夫球头高尔夫球头层层状状复复合合铝铝合合金金蜂蜂窝窝夹夹层层板板第三节第三节 纤维增强复合材料纤维增强复合材料 l纤维增强复合
8、材料是指以各种金属和非金属作为基纤维增强复合材料是指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体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。l一、纤维增强复合原则一、纤维增强复合原则l在纤维增强复合材料中，纤维是材料在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。强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。碳碳纤纤维维l1、弹性模量及强度、弹性模量及强度l外力方向与纤维轴向相同时，外力方向与纤维轴向相同时，c=f=m(f-纤维、纤维、m-基体、基体、
9、c-复合材料复合材料)，则，则当外力垂直于纤维轴向时，则当外力垂直于纤维轴向时，则2、纤维的临界长径比、纤维的临界长径比3、纤维最小体积分数纤维最小体积分数l纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。l纤维无规排列时，纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采。纤维采用正交编织用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维纤维采用三维编织采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。，可获得各
10、方向力学性能均优的材料。纤维在基体中的不同分布方式纤维在基体中的不同分布方式l二、纤维的种类和性能二、纤维的种类和性能l1、玻璃纤维：、玻璃纤维：用量最大、用量最大、价格最便宜。价格最便宜。l2、碳纤维：、碳纤维：化学性能与碳化学性能与碳相似。相似。l3、硼纤维：、硼纤维：耐高温、强度、耐高温、强度、弹性模高。弹性模高。l4、金属纤维：、金属纤维：成丝容易、成丝容易、弹性模量高。弹性模量高。l5、陶瓷纤维：、陶瓷纤维：用于高温、用于高温、高强复合材料。高强复合材料。玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维SiC纤维纤维l6、芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酰胺纤维:强度、弹强度、弹性模量高，耐热。性模量高，耐热
11、。l7、聚乙烯纤维、聚乙烯纤维:韧性极好，密度韧性极好，密度非常小非常小。l8、晶须：、晶须：是直径小于是直径小于30 m，长，长度只有几毫米的针状单晶体，断度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形面呈多角形,是一种高强度材料。是一种高强度材料。l分为金属晶须和陶瓷晶须。金属分为金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中晶须中,Fe晶须已投入生产晶须已投入生产。工业工业生产的陶瓷晶须主要是生产的陶瓷晶须主要是SiC晶须。晶须。SiC晶须晶须l三、聚合物基纤维增强复合材料三、聚合物基纤维增强复合材料l通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。l这类复合材料
12、的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。高，比强度也高得多。材料种类材料种类纵向抗拉强度纵向抗拉强度MPa纵向弹性模量纵向弹性模量GPa环氧树脂环氧树脂696.9环氧树脂环氧树脂/E级玻璃纤维级玻璃纤维102045环氧树脂环氧树脂/碳纤维（高弹性）碳纤维（高弹性）1240145环氧树脂环氧树脂/芳纶纤维芳纶纤维（49）138076环氧树脂环氧树脂/硼纤维硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280聚合物基纤维增强复合材料零件聚合物基纤维增强复合材料零件芳纶刹车片芳纶刹车片碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空碳纤维增强聚酰亚胺复合材
13、料制航空发动机高温构件发动机高温构件复合材料在航空中复合材料在航空中的应用的应用 美国美国F/A-18歼击机歼击机美美UH60A型直升飞机型直升飞机l四、纤维增强金属基复合材料四、纤维增强金属基复合材料l金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。l常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。l作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、SiC和和C纤维；纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的纤维通常以
14、短纤维的形式用于形式用于MMC中。中。MMCMMC的的的的SEMSEM照片照片照片照片lMMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了制了MMC的应用范围。的应用范围。航天飞机内航天飞机内MMC(Al/B纤维纤维)桁架桁架l五、纤维增强陶瓷复合五、纤维增强陶瓷复合材料材料l陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧能大幅度提高强
15、度，改善韧性，并提高使用温度。性，并提高使用温度。l陶瓷中增韧纤维受外力作用，陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。多材料韧性越好。C/C复合材料复合材料Si/SiSi/Si复合材料复合材料复合材料复合材料l用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须航器件上采用。现在发现，晶须(如如SiC 和和Si3N4)能能起到陶瓷材料增韧的作用。起到陶瓷材料增韧的作用。ZnO晶须晶须自增韧自增韧Si3N4陶瓷陶瓷