第2讲 材料的组成、结构与性能（6）复合材料1.ppt

复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。 复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。 复合材料的分类 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。 3、按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。 复合材料的特点 1、比强度和比模量高：其中纤维增强复合材料的最高。 2、抗疲劳性能好：碳纤维增强材料?-1可达?b的70~80%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。 3、减振性能良好：复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。 4、高温性能好。 （一）粒子与层状增强复合材料 一、粒子增强复合材料 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。 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。 金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、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。 碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。 硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。 硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。 二、层状复合材料 层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。 双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 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。 （二）纤维增强复合材料 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。 一、纤维增强复合原则 1、弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时，?c= ?f = ?m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。 纤维无规排列时，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。纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。 二、纤维的种类和性能 1、玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。 2、碳纤维：化学性能与碳相似。 3、硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。 4、金属纤维：成丝容易、弹性模量高。 5、陶瓷纤维：用于高温、高强复合材料。 6、芳香族聚酰胺纤维: 强度、弹性模量高，耐热。 7、聚乙烯纤维: 韧性极好，密度非常小 。 8、晶须：是直径小于30?m，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形, 是一种高强度材料。 分为金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中, Fe晶须已投入生产。工业生产的陶瓷晶须主要是SiC晶须。 三、聚合物基纤维增强复合材料 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。 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。 聚合物基纤维增强复合材料零件 复合材料在航空中的应用 四、纤维增强金属基复合材料 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。 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有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。 五、纤维增强陶瓷复合材料 陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、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。 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，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须 (如SiC 和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。 Northeastern University 材料概论： 第2讲 材料的组成、结构与性能 Northeastern University 第2讲 材料的组成、结构与性能 ——复合材料 材 料 概 论 李 阳 东北大学 2010 年 3月 各相同性材料(Isotropic Materials) 不同方向上具有相同的宏观力学性能，诸如：弹性常数、强度指标、韧性指标等等。 x y E E x y E E 复合材料 各相异性材料(Anisotropic Materials) 不同方向上具有不同的宏观力学性能，诸如：弹性常数