Chapter 9 Composites

1. Chapter 9 Composites 复合材料 Chapter 9 Composites

2. 本章内容 • 复合材料概述 • 复合材料分类 • 复合材料的基体 • 复合材料的增强相 • 复合材料的复合原理 • 复合材料的成型工艺 Chapter 9 Composites

3. 学习目的 • 掌握复合材料的特点； • 了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求； • 理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机制和界面作用； • 了解复合材料的成型工艺。 Chapter 9 Composites

4. 参考书目 • 王荣国 主编，复合材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999 • 闻荻江主编，复合材料原理，武汉理工大学出版社，1998 • 鲁云，先进复合材料，机械工业出版社，2004 • ASM International, Engineered materials handbook, Composites, Vol.1, Metals, Park, 1987 Chapter 9 Composites

5. 9.1 复合材料概述 金属 材料 • 三大材料： • 金属 • 无机非金属 • 有机高分子 • 复合材料 • 取长补短 • 协同作用 • 产生原来单一材料没有本身所没有的新性能 无机 非金属 材料 有机 高分子 材料 复 合 材 料 Chapter 9 Composites

6. 复合材料的定义 • 国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料 • 《材料大词典》：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。 Chapter 9 Composites

7. 《材料科学技术百科全书》：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。《材料科学技术百科全书》：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。 Chapter 9 Composites

8. 复合材料的特点： • 1） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面； • 2） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能； • 3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。 Chapter 9 Composites

9. 基体和增强材料Matrix and Reinforcement • 基体——连续相 • 增强材料——分散相 • 也称为增强体、增强剂、增强相等 • 显著增强材料的性能 • 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 • 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。 • 在基体和增强体之间存在着界面。 Chapter 9 Composites

10. Schematic illustration of composite constituents Chapter 9 Composites

11. 复合材料历史 • 古代－近代－先进复合材料 • 天然复合材料 • 竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 • 动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 • 古代：使用 、效仿 • 半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今 • 漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 • 敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆 Chapter 9 Composites

12. 近现代： • 第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料 • 第二代：1960年到1980年，先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。 • 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。 • 第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料， 如智能复合材料和梯度功能材料等。 Chapter 9 Composites

13. 9.2 复合材料的分类 按增强材料形态分类 1、纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中； 2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中； 3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 Chapter 9 Composites

14. Classes of composites Chapter 9 Composites

15. 纤维增强复合材料种类 ① 玻璃纤维复合材料； ② 碳纤维复合材料； ③ 有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料； ④ 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； ⑤ 陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。 混杂复合材料： • 两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料 • 可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。 Chapter 9 Composites

16. 按基体材料分类 ① 聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体； ② 金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体； ③ 无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。 Chapter 9 Composites

17. 按材料作用分类 ① 结构复合材料：用于制造受力构件； ② 功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。 • 同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料） • 异质复合材料（复合材料多属此类）。 Chapter 9 Composites

18. 复合材料系统组合 Chapter 9 Composites

19. 各种材料的发展状况 玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛的应用 金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决 Chapter 9 Composites

20. 复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展 • 仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。 • 仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40％。 • 仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。 Chapter 9 Composites

21. 9.3 复合材料的基体材料 复合材料的原材料： • 基体材料 • 金属材料 • 陶瓷材料 • 聚合物材料 • 增强材料 • 纤维 • 晶须 • 颗粒 Chapter 9 Composites

22. 9.3.1 金属基体材料 9.3.1.1 选择基体的原则 • 目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。 • 基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能，满足使用要求十分重要。 Chapter 9 Composites

23. ① 金属基复合材料的使用要求 ——金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。 • 在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。 • 作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金—镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。 Chapter 9 Composites

24. 高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。 如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。 • 在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。 如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。 Chapter 9 Composites

25. 工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。工业集成电路需要高导热、低膨胀的金属基复合材料作为散热元件和基板。 选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。 Chapter 9 Composites

26. ② 金属基复合材料组成特点 • 连续纤维增强金属基复合材料，纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维。 • 连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。 Chapter 9 Composites

27. 如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料基体合金优化过程中，发现铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。如碳纤维增强铝基复合材料中纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。在研究碳铝复合材料基体合金优化过程中，发现铝合金的强度越高，复合材料的性能越低，这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。 Chapter 9 Composites

28. 对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。因此要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体。对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。因此要获得高性能金属基复合材料必须选用高强度铝合金作为基体，这与连续纤维增强金属基复合材料基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061，7075）为基体。 Chapter 9 Composites

29. ③ 基体金属与增强物的相容性 金属基复合材料需要在高温下成型，制备过程中，处于高温热力学非平衡状态下的纤维与金属之间很容易发生化学反应，在界面形成反应层。界面反应层大多是脆性的，当反应层达到一定厚度后，材料受力时将会因界面层的断裂伸长小而产生裂纹，并向周围纤维扩展，容易引起纤维断裂，导致复合材料整体破坏。 Chapter 9 Composites

30. ——因此，选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。——因此，选择基体时应充分注意与增强物的相容性（特别是化学相容性），并尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应。 • 例如，对增强纤维进行表面处理 在金属基体中添加其他成分 选择适宜的成型方法 缩短材料在高温下的停留时间等。 Chapter 9 Composites

31. 9.3.1.2 结构复合材料的基体 分为轻金属基体和耐热合金基体 ① 用于450℃以下的轻金属基体 • 目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等 ② 用于450~700℃的复合材料的金属基体 • 钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450～700℃使用，用于航空发动机等零件。 ③ 用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体 • 基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。 Chapter 9 Composites

32. 9.3.1.3 功能用金属基复合材料的基体 • 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。 • 单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合材料来满足需求。 • 主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。 Chapter 9 Composites

33. 微电子技术的电子封装 • 集成电路：需用热膨胀系数小、导热性好的材料做基板和封装零件，以便将热量迅速传走，避免产生热应力，来提高器件可靠性。 • 用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料，硼/铝基复合材料等 Chapter 9 Composites

34. 耐高温摩擦的耐磨材料 • 碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属及其合金的金属基复合材料。 • 高导热和耐电弧烧蚀的集电材料和触头材料 • 碳（石墨）纤维、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等金属基复合材料。 • 耐腐蚀的电池极板材料等 Chapter 9 Composites

35. 9.3.2 陶瓷基体 • 在陶瓷基体中添加其他成分（如陶瓷粒子、纤维或晶须）可提高陶瓷的韧性。 • 粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。 • 高强度的碳化硅晶须容易掺混在陶瓷基体中，增强陶瓷的作用明显。 • 用作基体材料的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。 Chapter 9 Composites

36. 陶瓷基复合材料（CMC） Chapter 9 Composites

37. CMC的应用 Chapter 9 Composites

38. 碳/碳复合材料（C/C） C/C在航天领域中的应用 C/C作为刹车盘 J Chapter 9 Composites

39. 9.3.3 聚合物基体 9.3.3.1 聚合物基体的种类 • 不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。 • 不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80%以上。 Chapter 9 Composites

40. 聚酯树脂 特点： • 工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。 • 树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。 • 价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。 • 不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等。 主要用于一般民用工业和生活用品中 Chapter 9 Composites

41. 邻苯型不饱和聚酯： 间苯型不饱和聚酯： 双酚Ａ型不饱和聚酯： Chapter 9 Composites

42. 环氧树脂 特点： • 在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用； • 已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能； • 树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行； • 固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。 Chapter 9 Composites

43. 双酚Ａ型环氧树脂： 酚醛环氧树脂： Chapter 9 Composites

44. 酚醛树脂 • 优点：比环氧树脂价格便宜 • 缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。 • 大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料， • 少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。 Chapter 9 Composites

45. 9.3.3.2 聚合物基体的作用 • 把纤维粘在一起； • 分配纤维间的载荷； • 保护纤维不受环境影响。 • 用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。 • 尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。 Chapter 9 Composites

46. 例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的纤维承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪切过程传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度，同时要求基体本身也具有高的剪切强度和模量。例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的纤维承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪切过程传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度，同时要求基体本身也具有高的剪切强度和模量。 • 当载荷主要由纤维承受时，复合材料总的延伸率受到纤维的破坏延伸率的限制，这通常为1%~1.5%。基体的主要性能是在这个应变水平下不应该裂开。 • 在纤维的垂直方向，基体的力学性能和纤维与基体之间的胶接强度控制着复合材料的物理性能。 • 由于基体比纤维弱得多，而柔性却大得多，所以在结构件设计中应尽量避免基体直接横向受载。 Chapter 9 Composites

47. 在高胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率高，但断裂韧性差）与较低胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率不高，但韧性较高）之间需要折衷。在高胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率高，但断裂韧性差）与较低胶接强度体系（纤维间的载荷传递效率不高，但韧性较高）之间需要折衷。 • 在应力水平和方向不确定情况下使用或在纤维排列精度较低情况下制造的复合材料往往要求基体比较软。 • 在明确应力水平情况下使用和在严格控制纤维排列情况下制造的先进复合材料，应通过使用高模量和高胶接强度的基体以更充分地发挥纤维的最大性能。 Chapter 9 Composites

48. 9.4 复合材料的增强相 • 增强材料（增强体、增强剂等）——分散在基体内以改进其机械性能的高强度材料 • 分类 • 纤维及其织物 • 晶须 • 颗粒 • 小片状、板状 Chapter 9 Composites

49. Types of reinforced composites Chapter 9 Composites

50. 9.4.1 纤维增强体 • 天然纤维——植物纤维（棉花、麻类）、动物纤维（丝、毛）和矿物纤维（石棉）。 • 强度较低 • 现代复合材料的增强材料用合成纤维 • 有机纤维 • 无机纤维。 Chapter 9 Composites