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复合材料课件


Composite Material
主讲人:李安铭
材料科学与工程学院
2014-5-19 1

材料科学与工程学院

一 概



(一)、复合材料的概念
由两种或两种以上不同性质的材料,通过不同的工艺方法人工合成

的,各组分间有明

显界面且性能优于各组成材料的多相材料。

基体相:起粘结作用,呈连续分布 增强相:起提高强度和韧性作用 例如:钢筋水泥、泥浆中拌稻草、
现代的玻璃钢等

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(二)复合材料的发展历史和意义
1、复合材料的发展历史
6000年前人类用稻草加粘土作为建筑复合材料;
水泥复合材料广泛应用于高楼大厦和河堤大坝等; 20世纪40年代,美国用碎布酚醛树脂代替木材制备枪托,发展

成为玻璃纤维增强塑料(玻璃钢),这是现代化复合材料。

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2、复合材料的意义:
现代高科技的发展离不开复合材料。

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火箭壳体材料对射程的影响:

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美UH-60A型直升飞机

复合材料在航空中的应用

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美国Anming F/A-18 歼击机 Li, Dept of MSE,hpu

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航空发动机涡轮叶片材料发展趋势
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(二)、复合材料的分类
1.按照基体材料分
(1)非金属基复合材料
高分子基复合材料 陶瓷基复合材料

(2)金属基复合材料

2.按增强材料形态分
(1)纤维增强复合材料
(2)粒子增强复合材料 (3)叠层复合材料
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玻璃纤维增强高分子复合 材料
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纤维复合

纤维增强塑料(玻璃钢)

纤维增强橡胶(橡胶轮胎)
粒子复合 金属陶瓷 弥散强化金属 叠层复合: 胶合板、双层金属

3:按复合材料性能分类:

氧化铀基钨纤维复合材料

结构复合材料:用于结构零件的复合材料 功能复合材料:具有某些特殊物理、化学特性

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(三)、复合材料的性能
1、性能的可设计性:一定范围内具有可设计性
选择基体、增强体的类型、数量

调节性能

增强体在基体中的排列方式 基体与增强体之间的界面性质

2、比强度高σ b/d 、比模量大 E/d
比强度 σ b/d cm 钢 碳纤维-环氧
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比模量 E/d cm 0.27×102 0.97×102
11

0.13×106 1.03×106
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3、抗疲劳和破断安全性良好
基体与增强纤维的界面能够有效的阻止疲劳裂纹扩展或改变 裂纹的扩展方向。

例:一般金属材料: σ
碳纤维增强复合材料:σ

-1=0.4~0.5
-1=0.7-0.8

σ
b

b

σ

破断安全性好:纤维增强
复合材料不可能所有的增强 纤维同时断裂,构件不会发 生突然破坏。
热压SiC纤维补强微晶玻璃拉伸断口
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 12

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4、高温性能好:
多数增强纤维高温下保持高强度,显著提高耐高温性能
例:7075-76铝合金。
400℃时,E=0,σ b从500MPa降至30~50MPa; 碳纤维增强复合后400℃时,E和σ b接近于室温时的水平。

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目前:

聚合物基复合材料:最高耐温为350?C;

金属基复合材料:使用温度350-1100?C;
陶瓷基复合材料:使用温度可达1400?C; 碳/碳复合材料:使用温度最高2800?C。

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5、减振性能好
i 避免自振

ii 纤维分基体的界面吸收振动能量。
结构自振频率与材料的比模量成正比,复合材料比模量高,故 其自振频率高,故避免在工作

条件下发生共振。
例:同样尺寸形状 的梁,金属9S停止振动,

纤维复合材料则需2.5S。

热压SiC纤维增强Si3N4复合材料SEM
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 15

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6:存在的问题:
(1)某些性能要进一步改进,例抗冲击性能;
(2)手工操作多,工艺复杂,效率低,质量不稳定; (3)价格高,增强纤维价格太高。

SiC纤维增强复

合材料界面SEM

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二、增强材料及其增强机制
(一)增强材料
1、纤维增强材料:增强效果最明显、应用最广泛. 基体:各种金属和非金属材料; 增强材料:各种纤维。
增强效果取决于:
纤维的特征; 碳 纤 维

纤维与基体间的结合强度;
纤维的体积分数; 纤维的尺寸和分布。
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碳纤维
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纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关 无规排列,基本各向同性; 均一方向,明显的各向异性; 正交编织,相互垂直的方向有好的性能; 三维编织,各方向力学性能均优。

纤维在基体中的不同分布方式
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玻璃纤维

纤维的种类:
玻璃纤维:用量最大、价格最便宜 碳纤维:化学性能与碳相似。 硼纤维:耐高温、强度、弹性模高 金属纤维:成丝容易、弹性模量高。 陶瓷纤维:高温、高强复合材料。
SiC纤维
碳纤维

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聚酰胺纤维: 强度、弹性模量高,耐热。 聚乙烯纤维: 韧性极好,密度非常小 。 晶须:极高强度材料。

晶须:直径小于30?m,长度只有几毫米
的针状单晶体,断面呈多角形。

金属晶须

分为
陶瓷晶须
陶瓷的截面与强度 MPa





块状
280 140

纤维
2100

晶须
21000 14000 SiC晶须
20

Al2O3 Si3N4
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2、颗粒增强材料
①颗粒增强金属基复合材料:
颗粒增强材料是陶瓷,如Al2O3,SiC,WC,TiC等。

②高聚物中的填料:
填料为分散相,聚合物为连续相,组成复合材料。可以改善力

学性能,提高耐磨性、耐热性能等。
例:塑料中加入陶土、碳酸钙等,提高硬度、强度。 常用的填料有:石墨、MgO、SiO、高岭土、碳酸钙等

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(二)纤维增强的增强机制:
为达到强化目的,必须满足下列条件: 1)增强纤维的强度、弹性模量应远远高于基体; 2)纤维和基体之间应有一定的结合强度; 3)纤维的排列方向要和构件的受力方向一致;

4)纤维和基体之间不发生使结合强度降低的化学反应;
5)纤维和基体的热膨胀系数应匹配; 6)纤维所占的体积分数,纤维长度L和直径d及长径比 L/d等必需满足一定要求。
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 22

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(三)粒子增强型的增强机制:
弥散强化的复合材料:粒子直径d一般为0.01~0.1μ m,粒
子体积分数φ v1%~5%;

颗粒增强的复合材料:粒子直径d为1~50μ m,体积分数
φ v>20%。

1、弥散强化复合材料的增强机制
基体将主要承受载荷,而弥散均匀分布的增强粒子将阻碍导致 基体塑性变形的位错运动或分子链运动。

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2、颗粒增强复合材料的增强机制
用金属或高分子聚合物为粘接剂,把具有耐热性好、硬度高但 不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成,既具 有陶瓷的高硬度及耐热性,又具有脆性小、耐冲击等优点。 颗粒增强:改善材料的耐磨性或综合的力学性能。

颗粒周围的位错环
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位错切割粒子的电镜观察
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三、常用的复合材料
(一)、纤维增强复合材料
1.常用增强纤维
主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、 碳化硅纤维、Kevlar有机物纤维等。 纳 米 碳 管 纤 维 玻璃纤维布
2014-5-19玻璃纤维纸

玻璃纤维绳
碳 纤 维 绳

玻璃纤维绳
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(1)玻璃纤维

由熔融的玻璃经拉丝制成纤维。

强度高:抗拉强度可达1000~3000MPa; 密度小:2.5~2.7g/cm3;

特点

弹性模量低:(3~5)×104MPa; 化学稳定性好:不燃烧; 不吸水,尺寸稳定;

缺点:脆性较大、耐热性低,250℃以上开始软化。 优点:价格低廉、制取方便。
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 26

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根据玻璃纤维中Na2O和K2O的含量 无碱纤维:(碱<2%),

分为

中碱纤维:碱(2%~12%) 高碱纤维:(碱>12%)

随着碱量的增加,玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降低。

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(2)碳纤维
Ⅱ型碳纤维:人造纤维(粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等),在
200~300℃空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理,然后在氮气 的保护下于1000~1500℃的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量 Wc85%~95%。

Ⅰ型碳纤维:在2500~3000℃氩气中进行石墨化处理,获得
含碳量为Wc98%以上的碳纤维,又称石墨纤维或高模量碳纤维

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与玻璃纤维相比 密度小:1.33~2.0g/㎝3;

弹性模量高:2.8~4×105MPa;

特点:

高温及低温性能好;

摩擦因数小、自润湿性好;
导电性好、化学稳定性高。

缺点:脆性大、易氧化
弹性模量为玻璃纤维的4-6倍; 1500℃惰性气体中强度不变,-180℃低温脆性不增加。
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 29

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聚合物复合材料的力学性能
材 料 玻璃纤维增强 热固性塑料 2.0 1.2 碳纤维增强 热固性塑料 1.6 1.8 钢 7.8 1.4 铝 2.8 0.48 钛 4. 5 1.0

密度, g/cm3
拉伸强度,GPa 比强度 拉伸模量,GPa

600
42 21 8

1120
130 81 0.2

180
210 27 12

170
77 27 23

210
110 25 9.0
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比模量
热膨胀系数(10-6/K)
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(3)硼纤维
它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝上而制
得。具有高熔点(2300℃)、高强度(2450~2750MPa)、 高弹性模量( 3.8 ~ 4.9×105MPa )。具有良好的抗氧化 性、耐蚀性。 缺点:密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、 价格昂贵。

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(4)碳化硅纤维
用碳纤维作底丝,通过气相沉积法而制得。 具有高熔点、高强度、高弹性模量。

优良的高温强度,1100℃时强度仍高达2100MPa。

(5)Kevlar有机纤维(芳纶、聚芳酰胺纤维)
特点:比强度、比模量高;强度达2800~3700MPa;
密度小,只有1.45 g/㎝3; 耐热性比玻璃纤维好。 优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。

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2.纤维―树脂复合材料
较环氧树脂基体性能大幅度提高, 比强度高得多。

材料种类 环氧树脂 环氧树脂 / E级玻璃纤维 环氧树脂 / 碳纤维(高弹性) 环氧树脂 / 芳纶纤维(49)

纵向抗拉强 度 MPa
69 1020 1240 1380

纵向弹性模 量 GPa
6.9 45 145 76

环氧树脂 / 硼纤维(70 % Vf )
2014-5-19

1400-2100

210-280
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材料科学与工程学院

(1)玻璃纤维―树脂复合材料
亦称玻璃纤维增强塑料,也称玻璃钢。

1)热塑性玻璃钢
由20%~40%的玻璃纤维和60%~80%的热塑性树脂(如尼龙、ABS等)
组成,具有高强度和高冲击韧性,良好的低温性能及低热膨胀系数。 玻璃钢汽车保险杠

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材料科学与工程学院

2) 热固性玻璃钢
由60%~70%玻璃纤维(或玻璃布)和30%~40%热固性树脂(环氧、 聚酯树脂等)组成。

优点:密度小、强度高,耐蚀性、绝缘性、绝热性好;吸水性、
防磁,易加工成型。

缺点:弹性模量低,热稳定性不高,300℃以下工作。

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玻璃钢景观

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(2)碳纤维―树脂复合材料
常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成 的复合材料。

优点:高强度、高弹性模量、高比强度和比模量,还具有优良
的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐蚀性及耐 热性。

缺点:纤维与基体结合力低。
(3)硼纤维―树脂复合材料
主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。

优点:高的比强度、比模量,良好的耐热性。 缺点:各向异性明显。
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 38

材料科学与工程学院

(4)碳化硅纤维树脂复合材料
由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料,具有高的比强度、

比模量。

(5)Kevlar纤维树脂复合材料
由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。

性能特点:抗拉强度大于玻璃钢,而与碳纤维―环氧树脂复合
材料相似;延性好,与金属相当;其耐冲击性超过碳纤维增强塑料;
其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金;减振能力为钢的8倍。

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3.纤维―金属(或合金)复合材料 增强纤维:高强度、高模量的脆性纤维;
碳、硼、碳化硅纤维。

金属基体:高韧性及低屈服强度的金属;
铝、钛、铜、镍、镁、银、铅等合金。 高的横向力学性能和层间剪切强度;冲击韧性好;

性能特点: 高温强度高、耐热性、导热性好;
耐磨性好;

不吸湿、尺寸稳定性好。
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 40

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金属基复合材料的性能
复合材料 增强相含量 VoL% 抗拉强度 MPa 拉伸模量 GPa 密度 g/cm3

BF /Al CVD SiCF /Al Nicalon SiCF /Al CF /Al FP Al2O3 F/Al Sumica Al2O3F/Al SiCW/Al SiCP/Al CVD SiCF/Ti BF / Ti

50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45

1200~1500 1300~1500 700~900 500~800 650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500

200~220 210~230 95 ~ 110 100~150 220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220

2.6 2.85~3.0 2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7

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纤维增强金属基复合材料(MMC)用在高温工作环境。

作为增强体的连续纤维

主要有硼纤维、SiC和C纤
维;Al2O3纤维通常以短 纤维的形式用于MMC中。 MMC的SEM照片

2014-5-19

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MMC虽强度和弹性模量(刚度)增加,但塑性和韧性因使用陶瓷 纤维而降低,在一定程度上限制了MMC的应用范围。

航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁



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4.纤维―陶瓷复合材料
陶瓷材料韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强,能大幅度提

高强度,改善韧性,并提高使用温度。
陶瓷中增韧纤维受外力作用,因拔出而消耗能量,耗能越多材料 韧性越好。

C/C复合材 料

Si/Si复合材料

2014-5-19

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材料科学与工程学院

用碳(或石墨)纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅度提高陶瓷的

冲击韧性和抗热振性,降低脆性,而陶瓷又能保护碳(或石墨)
纤维在高温下不被氧化。 这类材料具有很高的强度和弹性模量。

ZnO晶须
2014-5-19

自增韧Si3N4陶瓷
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陶瓷基复合材料的力 – 位移曲线
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 46

材料科学与工程学院

2014-5-19

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(二)叠层复合材料
叠层复合材料是由两层或两层以上不同

材料结合而成。

1.双层金属复合材料
性能不同的两种金属用胶合或铸造、热压、焊接、喷涂等方法复 合在一起,以满足某种性能要求的材料。

简易恒温器
2014-5-19 Anming Li, Dept of MSE,hpu 48

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金属+金属复合管
2014-5-19

金属+陶瓷复合管
49

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2.塑料—金属多层复合材料 典型代表:SF型三层复合材料。

C22+铝 +钢

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3.其它多层复合材料

TiN涂层的高尔夫球头
2014-5-19

铝合金蜂窝夹层板
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(三)粒子增强型复合材料
粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中,使其阻碍导
致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。 这种复合材料是各向同性的。

依据颗粒的大小和体积分数,分为:
颗粒增强复合材料(d>1μ m,体积分数φ v>20%) 弥散强化复合材料(d=0.01~0.1μ m, φ v=1%~15%)

2014-5-19

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聚合物基粒子复合材料:
如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸

钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料(合成
木材)等。

陶瓷基粒子复合材料:
如氧化锆增韧陶瓷等。
粒子增强SiC陶瓷基复合材料

颗粒增强铝基泡沫复合材料
2014-5-19

碳黑增强橡胶
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金属基粒子复合材料:又称金属陶瓷
由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等 组成的非均质材料。 碳化物金属陶瓷,称作硬质合金。通常以Co、Ni作为粘结剂,WC、 TiC等作为强化相。作为工具材料。

硬质合金模具
2014-5-19

硬质合金轴承刀具
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读书消 得人憔悴 衣带渐宽 终不悔
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