工程材料第六章 复合材料 (2).ppt

第六章 复合材料 一、复合材料的概念 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。 复合材料船体 第一节 概述 二、复合材料的分类 1、按基体材料分 (1)非金属基复合材料 (2)金属基复合材料。 2、按增强材料分 (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。 SiC颗粒 Al2O3片 Al2O3纤维 增强相三种类型 三、复合材料的命名 （1）以基体为主来命名 例如金属基复合材料。 （2）以增强材料来命名 如碳纤维增强复合材料。 （3）基体与增强相并用 如“C/Al复合材料”即为碳纤维增强铝基复合材料。 （4）商业名称命名 如“玻璃钢”即为玻璃纤维增强树脂基复合材料。 第二节 复合材料的增强机制及性能 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、复合材料的增强机制 1. 纤维增强复合材料的增强机制 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。 碳纤维 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 当外力垂直于纤维轴向时，则 纤维的临界长径比 纤维最小体积分数 2. 粒子增强型复合材料的增强机制 粒子增强型复合材料按照颗粒尺寸大小和数量多少可分为：弥散强化的复合材料；颗粒增强的复合材料。 （1）弥散强化的复合材料的增强机制 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)。 （2）颗粒增强的复合材料的增强机制 用金属或高分子聚合物为粘结剂，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行成的材料。 二、复合材料的性能特点 1、比强度和比模量高 其中纤维增强复合材料的最高。 2、良好的抗疲劳性能 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、破短安全性好 4、优良的高温性能。 5、减震性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。 比强度比较 碳纤维\树脂 硼纤维\树脂 玻璃纤维\树脂 钛 钢 铝 第三节 常用的复合材料 一、纤维增强复合材料 1. 常用增强纤维 (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)碳化硅纤维：高熔点、高硬度。 (5)Kevlar有机纤维：用于高温、高强复合材料。 玻璃纤维 碳纤维 SiC纤维 三、纤维—树脂复合材料 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。 材料种类 纵向抗拉强度? MPa 纵向弹性模量? GPa 环氧树脂? 69 6.9 环氧树脂 / E级玻璃纤维 1020 45 环氧树脂 / 碳纤维（高弹性） 1240 145 环氧树脂 / 芳纶纤维（49） 1380 76 环氧树脂 / 硼纤维（70 % Vf ） 1400-2100 210-280 聚合物基纤维增强复合材料零件 芳纶刹车片 碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件 3. 纤维--金属(或合金)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。 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 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。 航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁架 4. 纤维--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。 C/C复合材料 Si/Si复合材料 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。 ZnO晶须 自增韧Si3N4陶瓷 二、叠层复合材料 叠层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。 层状陶瓷复合材料断口形貌 三明治复合