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1、金属基复合材料金属基复合材料河北工业大学河北工业大学 材料学院材料学院步绍静步绍静E-mail:Tel:022-6020 21841教材及参考书教材及参考书教材：教材：于春田于春田.金属基复合材料金属基复合材料，冶金工业出版社，冶金工业出版社，1994 1994 参考书：参考书：1)1)赵赵玉玉涛涛，戴戴起起勋勋，陈陈刚刚.金金属属基基复复合合材材料料，机机械械工工业业出版社，出版社，200720072)2)王王荣荣国国，武武卫卫莉莉，谷谷万万里里.复复合合材材料料概概论论，哈哈尔尔滨滨工工业大学出版社，业大学出版社，20042004材料学院2教师：孙继兵n引言（1）n第一节应用实例n第二节复
2、合材料的定义与性能n第三节复合材料的发展历史n第四节复合材料分类（1）n第五节复合材料的命名n第六节金属基复合材料的发展史、种类及特性 n本章作业第一章第一章 绪论绪论材料学院3教师：孙继兵引言（引言（1）n金属基复合材料学科是一门相对较新的材料科学，涉及材料表面、界面、相变、凝固、塑性形变、断裂力学等，仅有40余年的发展历史。n金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特别是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。如航天技术和先进武器系统的
3、迅速发展，对轻质高强结构材料的需求十分强烈。n由于航天装置越来越大，结构材料的结构效率变得更为重要。宇航构件的结构强度、刚度随构件线性尺寸的平方增加，而构件的重量随线性尺寸的立方增加。为了保持构件的强度和刚度就必须采用高比强度、高比刚度和轻质高性能结构材料。n又如电子技术的迅速发展，大规模集成电路器件的发展，集成度越来越高，功率也越来越大，器件的散热成为阻碍集成电路迅速发展的关键，需要热膨胀系数小、导热系数高的电子封装材料。材料学院4教师：孙继兵引言（引言（2）n 单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。n为了克服单一材料性能上的局限性，充分发挥各种材料特性，弥补其
4、不足，人们已越来越多地根据零、构件的功能要求和工况条件，设计和选择两种或两种以上化学、物理性能不同的材料，按一定的方式、比例、分布结合成复合材料，充分发挥各组成材料的优良特性，弥补其短处，使复合材料具有单一材料所无法达到的特殊和综合性能，以满足各种特殊和综合性能需求，也可以更经济地使用材料。n如用高强度、高模量的硼纤维、碳(石墨)纤维增强铝基、镁基复合材料，既保留了铝、镁合金的轻质、导热、导电性，又充分发挥增强纤维的高强度、高模量、获得高比强度、高比模量、导热、导电、热膨胀系数小的金属基复合材料，在航天飞机和人造卫星构件上应用，取得了巨大成功。nBAl复合材料管材用于航天飞机主仓框架，节省重量
5、44。Gr（石墨）/Mg复合材料用于人造卫星抛物面天线骨架，使天线效率提高539。n航空、航天、先进武器系统等军事技术的发展对早期金属基复合材料的研究发展起了巨大的推动作用。电子、汽车等民用工业的迅速发展又为金属基复合材料的应用提供了广泛的前景。金属基复合材料将会得到大规模的生产和应用。材料学院5教师：孙继兵第一节应用实例第一节应用实例n一、柴油机活塞n二、汽车驱动轴n三、设备架n四、制动器转盘n五、自行车体n六、发动机缸体n七、宇航望远镜n八、微电子器件的基座n九、飞机发动机部件材料学院6教师：孙继兵一、柴油机活塞n5%Al2O3短纤维短纤维/Al合金，这种材料有合金，这种材料有如下优点：如
6、下优点：n(1)良好的耐磨性；良好的耐磨性；n(2)高温强度；高温强度；n(3)有选择增强体的有选择增强体的余地；余地；n(4)好的热稳定性；好的热稳定性；n(5)良好的导热性。良好的导热性。柴油发动机活塞。显示位于活塞环槽底柴油发动机活塞。显示位于活塞环槽底部（支撑部分）的纤维增强的区域（暗部（支撑部分）的纤维增强的区域（暗的地方）的地方）材料学院7教师：孙继兵柴油机活塞的应用历程n这这一一应应用用是是MMC工工业业性性应应用用成成功功的的早早期期例例子子。在在日日本本这这类类活活塞塞的的生产逐年递增，现年产量已逾千万件。生产逐年递增，现年产量已逾千万件。n为为了了预预防防活活塞塞环环与与上
7、上环环槽槽以以及及孔孔的的胶胶合合，在在活活塞塞环环附附近近是是使使用用一一种种镍镍铸铸铁铁（Ni-resist）的的衬衬套套。遗遗憾憾的的是是，这这样样做做会会妨妨碍碍热热流流、增增加加重重量量和和加加快快磨磨损损。在在1983年年，TOYOTA汽汽车车公公司司把把内内衬衬材材料料换换成成5%Al2O3f 短短纤纤维维/Al合合金金，从从而而使使重重量量减减少少了了5%-10。根根据据标标准准测测试试：相相对对于于未未增增强强的的铝铝合合金金而而言言，磨磨损损减减少少到到原原来来的的1/5、胶滞布力增加了一倍。、胶滞布力增加了一倍。导热系数导热系数4倍于倍于Ni-resist合金内合金内衬。
8、n另另外外一一个个重重要要因因素素是是热热疲疲劳劳寿寿命命，热热疲疲劳劳寿寿命命受受制制于于环环槽槽与与活活塞塞之之间间的的开开裂裂或或尺尺寸寸的的不不稳稳定定性性，Al2O3f衬衬套套的的寿寿命命比比铸铸造造Niresist 合金衬套和基体合金的都长。合金衬套和基体合金的都长。n纤纤维维含含量量的的选选择择要要综综合合考考虑虑提提高高耐耐磨磨性性、抗抗胶胶滞滞性性、相相对对于于Ni-resist的的优优良良机机加加工工能能力力、可可以以容容忍忍的的疲疲劳劳强强度度以以及及相相对对于于未未增增强强合合金金的的导导热热系系数数的的少少量量降降低低等等因因素素。最最后后，应应提提到到的的是是，利利
9、用用均均匀匀增强增强20SiCp/Al的活塞铸件也开发出来。的活塞铸件也开发出来。材料学院8教师：孙继兵A12O3f/Al复合材料性能特点材料学院9教师：孙继兵二、汽车驱动轴n20Al2O3颗粒颗粒Al合金，其优点为：合金，其优点为：n (1)刚度高；刚度高；n (2)密度低，密度低，n (3)韧性满足要求。韧性满足要求。材料学院10教师：孙继兵汽车驱动轴n汽车驱动轴是简单的管材，它将动力传输到汽车驱动轴是简单的管材，它将动力传输到差动器差动器处，然后处，然后分配到轮上。这就要求轴要有极高的动力稳定性和很高的抗分配到轮上。这就要求轴要有极高的动力稳定性和很高的抗扭曲能力。发生扭曲能力。发生动力
10、学不稳定性时的临界速率动力学不稳定性时的临界速率(w)取决于取决于轴长轴长(L)、内径与外径、内径与外径(R1，R0)以及管子材料的刚度与密度。以及管子材料的刚度与密度。材料学院11教师：孙继兵三、设备架n25SiC颗粒 Al合金n(1)刚度高；n(2)密度低；n(3)导电性好。n在Lockheed公司生产的飞机上用以承放电承放电器设备的架子器设备的架子是一个要求比刚度高和导电性也要好的应用例子。这一设备架尺寸非常大，制作架子的是25SiCp/6061A1复合材料，由DWA复合材料专业公司生产。其刚度刚度比所替代的7075Al合金约高高65。当飞机扭转和旋转时引起的重力作用下，7075Al合金
11、会弯曲太多。曾经试过用碳-环氧树脂材料，但由于其铝包覆膜在设备放入和取出时经常剥落使接地出现问题，铝基复合材料的导电性好，也就避免了这一问题。材料学院12教师：孙继兵四、制动器转盘n20%SiC颗粒Al-Si合金，其：n(1)耐磨性好；n(2)密度低；n(3)热传导性高。n 长期以来，制动器转盘都是用铸铁铸铁制造的。铸铁的耐磨性好，热稳定性高。但是，对于此类转动件往往希望能降低其密度能降低其密度，从而使得用铝基MMC作替代非常具有吸引力。显然，还必须要有很高的耐磨性有很高的耐磨性。1991年10月，FORD和TOYOTA公司均作出决定，使用DMralcan铸造20SiC Al-10Si，作制动
12、器转盘。但由于各种各样的试验使实际使用延至1995年以后。20的掺入体是综合考虑良好的耐磨性良好的耐磨性(它随SiC含量增加而增加)和稳定的热及机械稳定的热及机械传递接触层传递接触层相结合而定的。基体要经过“时效处理”以防止使用过程中性能的降低。转盘一般都是铸造的。但是，它的空气冷却通道使得铸造工艺复杂化。需要使用可消耗的衬套，或使用不含石棉的无机纤维作摩擦材料。材料学院13教师：孙继兵五、自行车体n10Al2O3或20SiC颗粒Al基合金，其：n(1)刚度高；n(2)密度低；n(3)抗疲劳性能好。材料学院14教师：孙继兵六、发动机缸体n12Al2O3短纤维+9%C短纤维 Al-Si合金n(1
13、)耐磨性好；n(2)抗热疲劳性好；n(3)密度低；n(4)高温稳定性及强度高；n(5)减振性强；n(6)可铸造薄件。n传统的气缸缸体是用铸铁做成的。铝是一种很有希望的替代材料，但其抗点蚀、擦伤磨损、流蚀磨损及热疲劳的性能等均较欠缺。使用以铸铁作为垫圈的铝基缸体以铸铁作为垫圈的铝基缸体时，可以改改善气缸功率与其重量之比善气缸功率与其重量之比。作为这一方向的逻辑性发展，Honda 公司制造并测试了以铝以铝基基MMC作垫圈的铝缸体作垫圈的铝缸体。Honda“preluda”发动机的16阀门、2升缸体就是用用Al-Si过共过共晶合金晶合金铸造的，在该合金中加入了碳及氧化加入了碳及氧化铝纤维铝纤维的混合
14、坯件。测试表明，这些发动机的效能比使用铸铁垫圈的缸体效能比使用铸铁垫圈的缸体又有显著的提高。各种发动机缸体的最大输出功率与缸体质量关系材料学院15教师：孙继兵七、宇航望远镜n60%C长纤维/Al合金，它：n(1)轴向刚度高；n(2)密度低；n(3)超低轴向热膨胀性；n(4)导电性好。n 用于太空望远镜卫星上，使用时有很大的湿度变化，故要求有极高的尺寸精度及稳定性。C/Al纤维复合材料纤维复合材料满足了所有性能要求的目标，并且比原来使用C树脂/Al和复合材料的设计重量减少了重量减少了30。相对于高分子材料而言，在太空技术中，使用金属材料的优越性是有比较大的环境稳定性使用金属材料的优越性是有比较大
15、的环境稳定性，待别是当有离子放射性作用时更是这样，因为高分子材料在离子放射性作用下容易发生化学降解。材料学院16教师：孙继兵八、微电子器件的基座n20-65SiC颗粒Al合金，其：n(1)热膨胀匹配(810-6K-1)；n(2)导热系数高；n(3)适于钎焊；n(4)密度低；n(5)导电；n(6)尺寸稳定性好。材料学院17教师：孙继兵微电子器件的基座要求材料学院18教师：孙继兵九、飞机发动机部件n40%SiC单片纤维钛基合金，其：(1)高温性能好；(2)强度提高；(3)密度低；(4)部件简化；(5)刚度提高。n1970年代，注意力主要集中于改善转子叶片的抗涌变性能；方法是采用硼纤维增强铝；但是，
16、这种材料对外来杂物损坏的容忍度极低，这是一个极大的障碍。近来，许多注意力集中于轴对称飞机发动机的部件，单向性能极好的材料最理想地适合许多的此类部件；环匝钛基长纤维增强复合材料环匝钛基长纤维增强复合材料可获得极佳的单向性能。很多国家对特定部件的研究与开发都非常活跃。但是公开发表的信息很少。虽然这一领域内仍在发展阶段，但这方面的研究可能对设计有很大影响，可能对发动机的重量和性能有很大改进的潜力。n在传统的发动机当中，重量是来源于机械配合件和间隔件组成的，这些零件的支撑互相独立，并遍布整个机器。应当指出的是，由于这是一种旋转性系统，在周边上重量的减少尤其有用，因为这样可减少所需的径向支撑力。把轮盘和
17、叶片制作成一体时，可减少一些附加的重量。而如果使用环匝结构复合材料的话，这样做可消除对支撑重量所需的结构。因为这种材料的切向比强度和比刚度都很高同时其径向性能也满足要求(重量大约低50)，重量则可大幅度减小，主要的问题在于发展从技术上和经济上都可行的制造方法，同时还要避免出于微观组织退化而导致的强度及韧性的损害。例如，必须有办法对纤维作保护性涂层，从而纤维对在使用中的界面退化有足够的抗力。材料学院19教师：孙继兵材料学院20教师：孙继兵材料学院21教师：孙继兵材料学院22教师：孙继兵材料学院23教师：孙继兵第二节复合材料的定义与性能n一、复合材料的定义n二、金属基复合材料的性能特点材料学院24
18、教师：孙继兵一、复合材料的定义n一般定义的复合材料需满足以下条件：一般定义的复合材料需满足以下条件：n1)复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料非天然性；非天然性；n2)复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在；间有明显的界面存在；n3)复合材料保持各组分材料性能的优点，并增加单一组成材复合材料保持各组分材料性能的优点，并增加单一组成材料所不能达到的综合
19、性能。料所不能达到的综合性能。n4)复合材料的组分相必须有重复的几何形状，这样在相当大复合材料的组分相必须有重复的几何形状，这样在相当大的范围内可以把材料看成是均匀的。的范围内可以把材料看成是均匀的。根据国际标准化组织下的定义：复合材料是由两种或两根据国际标准化组织下的定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料通过复合工艺组合而种以上物理和化学性质不同的材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，其性能明显优于原材料。成的一种多相材料，其性能明显优于原材料。1、定义、定义2、特点、特点材料学院25教师：孙继兵二、金属基复合材料的性能特点二、金属基复合材料的性能特点n金属基复合材料的性
20、能取决于性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等的综合性能。n综合归纳，金属基复合材料有以下性能特点：综合归纳，金属基复合材料有以下性能特点：复合效果表现为“线性的”及“非线性的”两种：材料学院26教师：孙继兵(一一)高比强度、比模量高比强度、比模量n比强度比强度愈高，同一零件的自重愈小；比模量比模量愈高，零件的刚性愈大。一般钢材和铝合金的比强度约为0.13l06cm和0.17106 cm，比模量约为0.27109cm和0.26109cm。n由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶
21、须、颗粒等增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。密度只有1.85 g/cm3的碳纤维碳纤维的最高强度可达到7000 MPa，比铝合金强度高出10倍以上；石墨纤维石墨纤维的最高模量可达9lGPa，硼纤硼纤维维、碳化硅碳化硅纤维密度为2.5-3.4 g/cm3，强度为3000-4500 MPa，模量为350-450 GPa。加入加入30-50的高性能纤维的高性能纤维作为复合材料的主要承载体，复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金的比强度和比模量。图图1所示所示为典型的金属基复合材料与基体合金性能的比较。
22、材料学院27教师：孙继兵图图1 典型的金属基复合材料与基体合金性能的比较典型的金属基复合材料与基体合金性能的比较n 用高比强度、比模量复合材料制成的构件重量轻、刚性用高比强度、比模量复合材料制成的构件重量轻、刚性好、强度高，是航天、航空技术领域中理想的结构材料。好、强度高，是航天、航空技术领域中理想的结构材料。材料学院28教师：孙继兵(二)导热、导电性能n金属基复合材料中金属基体金属基体占有很高的体积百分数，一般在60以上，因此仍保持金属所特有的良好导热和导电性。n良好的导热性良好的导热性可以有效地传热有效地传热，减少构件受热后产生的温度梯度和迅速散热，这对尺寸稳定性要求高的构件和高集成度的电
23、子器件尤为重要。良好的导电性可以防止防止飞行器构件产生静电聚集的问题。n 在金属基复合材料中采用高导热性高导热性的增强物还可以进一步提高金属基复合材料的导热系数，使复合材料的热导率比纯金属基体还高。n为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已研究成功的超超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的导热率比纯铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的可靠性。材料学院29教师：孙继兵(三三)热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系数小、尺寸稳定性好n金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒
24、、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模、超高模量的石墨纤维石墨纤维具有负负的热膨胀系数。n加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数获得不同的热膨胀系数，以满足各种工况要求。n例如石墨纤维增强石墨纤维增强铁基复合材料，当石墨纤维含量达到48时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形，这对人造卫星构件特别重要。n通过选择不同的基体金属和增强物，以一定的比例复合在一起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。材料学院30教
25、师：孙继兵一些典型金属基复合材料和金属材料的尺寸稳定性和比模量尺寸稳定性和比模量n可见石墨石墨镁镁复合材料具有最高的尺寸稳定性和最高的比模量。材料学院31教师：孙继兵(四)良好的高温性能n由于金属基体金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料，在复合材料中纤维起着主要承载作用，纤维强度在高温下基本上不下降。n纤维增强金属基复合材料的高温性能高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。如钨丝增强耐热合金，其1100、100小时高温持久强度为207 MP
26、a，而基体合金的高温持久强度只有48MPa；又如石墨纤维增强铝石墨纤维增强铝基复合材料在500 高温下，仍具有600MPa的高温强度，而铝基体在300 强度已下降到100MPa以下。n因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。n总之金属基复合材料做成的零构件比金属材料、聚合物基复合材料零件能在更高的温度条件下使用。材料学院32教师：孙继兵(五)耐磨性好n金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强物，特别是细小的陶瓷颗粒。陶瓷材料硬度高、耐磨、化学性质稳定，用它们来增强金属不仅提高了
27、材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。n碳化硅碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比铸铁还好，比基体金属高出几倍。nSiCp/Al复合材料的高耐磨性在汽车、机械工业中有重要应用前景，可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和寿命。材料学院33教师：孙继兵(六)良好的疲劳性能和断裂韧性n金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性。特别是界面状态，最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。n据美国宇航公司报道GrAl复合材料的疲劳强度与拉伸
28、强度比为0.7左右。材料学院34教师：孙继兵(七)不吸潮、不老化、气密性好n与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越，在空间使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。n 总之金属基复合材料所具有的高比强度、比模量、良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能、低的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优异的综合性能使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车、先进武器系统中均具有广泛的应用前景，对装备性能的提高将发挥巨大作用。材料学院35教师：孙继兵第三节复合材料的发展历史n1、古代（历史悠久）的复合材料、古代（历史悠久）的
29、复合材料 草增强泥复合材料草增强泥复合材料 漆器漆器 四千多年前的虞夏时代就有了使用漆器的记载，其中制作珍贵用具和佛像的脱胎漆器，是我国古代辉煌工艺成就之一。它就是以固化生漆为基体，麻布为增强材料的一种复合材料。1213世纪成吉思汗的蒙古大军所使用的弓是由由动物的腱、角和木片贴成的复合材料。现在的弓则是地地道道的复合材料，弓身弓身是层合的纤维强化塑料，把手处把手处是树脂含浸塑料。弓弓材料学院36教师：孙继兵2、近代的复合材料、近代的复合材料n层合板 n钢筋混凝土 n纤维增强橡胶轮胎自用于汽车以来，一直支持着汽车工业的发展，它使用过轮胎自用于汽车以来，一直支持着汽车工业的发展，它使用过的的 增强
30、材料增强材料有棉线、钢丝、尼龙丝、聚脂纤维、玻璃纤维、芳有棉线、钢丝、尼龙丝、聚脂纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。纶纤维等。可以说近代复合材料的产生产生是以纤维增强橡胶纤维增强橡胶充气轮胎为最早的，还有纤维增强橡胶膜，又称橡胶布，其中的纤维或织物用于提供强度，承担外力，保持尺寸形状，橡胶用于固定和保持纤维，保证气密性或水密性，可用于制作气球、飞船气囊、潜水服等。材料学院37教师：孙继兵3、现代复合材料及发展现状1 n第一代复合材料：n目的：比铝轻比钢强n材料：玻璃纤维增强不饱和聚醋树脂，即玻璃纤维增强塑料GRP或GFRP（Glass Reinforced Plastic)n用途：美国空军用于制造飞
31、机的构件，导弹武器和航天飞行器 (最早1942年）n我国：于60年代中期开始了在军工和建筑部门的应用 材料学院38教师：孙继兵3、现代复合材料及发展现状2n第二代复合材料第二代复合材料 n特点特点：主要是增强体的发展增强体的发展。强调：强度与韧性。n为了提高复合材料的性能，19601970年间研究和发展了许多新型的纤维与晶须，例如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等。n目的目的：提高比刚度、耐热性、耐候性n用途用途：导弹武器和航天飞行器n基体基体：以环氧树脂为主。碳纤维增强塑料CRP或CFRP是第二代复合材料的代表。n聚合物基聚合物基复合材料目前存在的主
32、要问题主要问题是横向力学性能差，层间剪切强度低，还存在着易吸潮、老化、蠕变、燃烧等缺点。现聚合物基复合材料的最高使用温度可以达到350，争取达到425，再高的温度它就无能为力了。材料学院39教师：孙继兵3、现代复合材料及发展现状3n第三代复合材料第三代复合材料n 特点特点：主要是基体的变化，纤维增强金属或陶瓷，如石墨纤维增强碳、石墨纤维增强石英，温度可提高到1000度以上。n目的目的：进一步提高刚度和使用温度。n强调强调：综合性能。n用途用途：导弹武器和航天飞行器n增强体增强体：碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等n基体基体：金属与陶瓷材料学院40教师：
33、孙继兵3、现代复合材料及发展现状4n第四代复合材料第四代复合材料：n混杂复合材料（HCMHybrid composite materials)n 1）（两种或以上）基体+（一种）增强体；2）（一种）基体+（两种或以上）增强体；3）（两种或以上）基体+（两种或以上）增强体。n基体：基体：Al、Ti、Mg（结构件）；Cu（导电、导热功能件）；Fe（磁功能件）n增强体：增强体：颗粒、晶须、纤维 主要是O、C、N、B、Al、Si等与金属间、或相互间的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物，及其它。n性能可设计：性能可设计：通过组分、含量、形态、分布、尺寸、组合排列方式、界面等的优化改变来设计性能。材料学院41
34、教师：孙继兵材料学院42教师：孙继兵第四节复合材料分类（1）n复合材料是由基体材料基体材料和分散材料分散材料包括增强材料、充填材料、着色剂)等组分所组成,由于分散材料和基体不同,形态不同,复合方式及复合效果不同,可以有很多种分类方法,这里介绍的是常用的几种分类方法.按基体材料基体材料类型分类材料学院43教师：孙继兵 树脂基复合材料n 树脂基复合材料树脂基复合材料：是由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组成的复合材料，研究发展最早，技术上比较成熟，并具有比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、阻尼性好等特点。n目前已广泛应用于广泛应用于航空、航天、建
35、筑、化工、机械、电子通讯、体育等领域。特别是航天领域已广泛地选用碳纤维碳纤维增强树脂基复合材料制作制作运载火箭、导弹、人造卫星构件、卫星天线、仪器仓构件、太阳能电池帆板、导弹级间段等重要构件，能大大减轻构件的重量，提高构件的结构效率、承载能力，有力地促进了航天技术的发展，产生了巨大的能效，现已成为复合材料中主要的品种。材料学院44教师：孙继兵陶瓷基复合材料n陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料：是由碳纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体组成的复合材料。陶瓷材料具有很高的高温性能、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨等特点，但存在严重的脆性。n用纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体复合，目的目的在于改善陶瓷材料的韧
36、性，希望用于用于发动机的耐热构件提高热机效率。目前技术上尚不成熟，处于研究阶段。晶须增韧陶瓷晶须增韧陶瓷在刀具应用上取得了重要进展。陶瓷基复合材料的主要应用方向主要应用方向是制作高性能燃气轮机构件。材料学院45教师：孙继兵复合材料分类（2）n按分散材料增强材料类型分类.1无机非金属增强材料无机非金属增强材料：如碳纤维增强复合材：如碳纤维增强复合材料、硼纤维增强复合材料等。料、硼纤维增强复合材料等。2金属增强材料金属增强材料：如钨丝增强高温合金复合材：如钨丝增强高温合金复合材料、铁丝增强树脂复合材料等。料、铁丝增强树脂复合材料等。3有机纤维增强材料有机纤维增强材料：如芳纶纤维增强环氧树：如芳纶纤
37、维增强环氧树脂复合材料、尼龙丝增强树脂复合材料等。脂复合材料、尼龙丝增强树脂复合材料等。材料学院46教师：孙继兵复合材料分类（3）n按分散材料按分散材料增强材料增强材料的形态与排布方式分类的形态与排布方式分类 分散材料分散材料增强材料增强材料按其形状分有微粒子按其形状分有微粒子零维的零维的)、纤维、纤维一维的一维的、箔或薄片箔或薄片二维的二维的和蜂窝状物和蜂窝状物三维的三维的。纤维按长度分有连续的和不连。纤维按长度分有连续的和不连续的，按分布方式分又有定向排列和随机排列的续的，按分布方式分又有定向排列和随机排列的。材料学院47教师：孙继兵复合材料分类（4）n按复合效果复合效果分类n在一定意义上
38、是指按使用用途分类的,可分为两大类：nl结构材料：力学型复合材料,力学型复合材料一般即指结构用复合材料,主要是各种纤维增强复合材料。n2功能材料：功能型复合材料。功能型复合材料是利用其力学性能以外的所有的其它性能的复合材料,有电气性能、磁性、光学性质、热力学性质、特殊力学性能、化学位能、放射性等多种功能复合材料.材料学院48教师：孙继兵第五节复合材料的命名n复合材料的命名国内外还没有一个统一的规定,共同的趋势是根据增强材料与基体材料的名称来命名复合材料,有三种情况。n1强调基体时则以基体为主,如金属基复合材料、聚合物基复合材料等。n2强调增强材料时则以增强材料为主,如碳纤维增强复合材料、氧化铝
39、纤维增强复合材料等。n3基体与增强材料并用。这种命名法常用以指某种具体的复合材料,一般将增强材料增强材料名称放在前面,基体材料基体材料名称放在后面,最后加“复合材料”而成,如碳纤维增强铝合金复合材料,为简化起见,常写成“C/Al复合材料”,即在增强材料与基体材料两个名称之间加一斜线,而后加复合材料来表示。n有时,人们还习惯使用商业名称,如我国把玻璃纤维增强树脂复合材料通称为玻璃钢 n下角标：p-particle;f-fibre;w-whisker;材料学院49教师：孙继兵第六节金属基复合材料的发展史、种类及特性第六节金属基复合材料的发展史、种类及特性 n一、发展史一、发展史n第一阶段(1923
40、年后）：碳化物（如：WC、TiC、TaC）增强Fe、Co、Ni硬质合金，颗粒较粗（一般1m以上），增强体体积分数较高，可达90%，故叫颗粒增强。n第二阶段（1946年后）：氧化物弥散强化（ODSOxide Dispersion Strengthening）Al、Cu、Co、Pb等，粒径小，一般在0.1m以下，增强体体积比一般在百分之几，故叫弥散强化。前两个阶段均采用粉末冶金方法n第三阶段（1963年后）：纤维增强金属基复合材料，如：W/Cu、B/Al、SiC/Al、C/Mg等。前三个阶段均采用外部掺杂。外部掺杂。材料学院50教师：孙继兵发展史发展史n第四阶段：内部原位自生增强体（In-situ
41、 composites)n定向凝固共晶合金共晶合金DSE=Directionally Solidified Eutectics：主要有Mg、Al、Cu等低熔点材料的共晶合金，Ni、Ti及碳化物系等高熔点材料的共晶合金，自生第二相为薄片状、层状、板状、纤维状、晶须状。n定向凝固共析合金共析合金：共析钢的定向凝固制备Fe-Fe3C层状复合材料。定向凝固一般对材料的要求：两相同时析出。晶须特点：一般为单晶，缺陷（如：位错）极少，故强度接近原子间作用力决定的理论强度。n形变Cu-X合金：高强度、高导电、高耐热性Cu基复合材料。X为与Cu之间无化学反应，在Cu中室温固溶度极小的Fe、Nb、Zr等。高温液
42、态混溶，低温析出变为两种金属单相，最后经变形，X变成纤维状或薄膜状。材料学院51教师：孙继兵二、金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类n一般是按增强相的形态分类：材料学院52教师：孙继兵按增强物类型分n1)连续纤维增强金属基复合材料；n2)非连续增强金属基复合材料(包括颗粒、短纤维、晶须增强金属基复合材料)；n3)自生增强金属基复合材料(包括反应自生和定向自生)；n4)层板金属基复合材料。材料学院53教师：孙继兵按基体类型分n有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。n目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用材
43、料学院54教师：孙继兵三、金属基复合材料的特性三、金属基复合材料的特性n与纤维增强塑料FRP、纤维增强陶瓷FRC相比，纤维增强金属FRM的优点是：n1.和纤维呈直角方向的强度大，模量大；n2.剪切强度和刚度大，压缩和剪切时难产生纵弯曲；n3.使用温度范围大；n4.接合、二次加工容易；n5.对疲劳、蠕变的抗力大；n6.能热处理，冲击韧性大；n7.具有各种优良的功能特性。材料学院55教师：孙继兵FRP与FRM对比材料学院56教师：孙继兵本章作业n什么是复合材料？复合材料有哪些特性（或什么是复合材料？复合材料有哪些特性（或如何理解复合材料的定义）？是否任意两种如何理解复合材料的定义）？是否任意两种材料都能复合，都能制成复合材料？材料都能复合，都能制成复合材料？n按基体材料类型分类，复合材料可以分为（按基体材料类型分类，复合材料可以分为（）、（）和（）三类。）、（）和（）三类。n按分散材料（增强材料）类型分类，复合材按分散材料（增强材料）类型分类，复合材料可以分为（）料可以分为（）、（）和（）。、（）和（）。n按用途分，复合材料可分为（）和（）。按用途分，复合材料可分为（）和（）。n按增强物类型对金属基复合材料进行分类，按增强物类型对金属基复合材料进行分类，可以分为（）、（）、（）和（）。可以分为（）、（）、（）和（）。材料学院57教师：孙继兵