1、第六章 复合材料,概述复合材料的复合理论复合材料的界面树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料层叠复合材料,第一节 概 述,复合材料的涵义复合材料的用途及重要性复合材料过去、现在和未来复合材料的分类复合材料的增强材料复合材料的性能特点,一、复合材料的涵义,复合材料：由两种或两种以上性能不同的材料组合为一个整体，从而表现出某些优于其中任何一种材料性能的材料。含两种以上的不同的化学相具有每个组分所不具备的优良性能 复合材料的基本组分可划分为基体相(基体材料)和增强相(增强材料)两种。,图6.1 两种或两种以上材料所组成的复合材料,复合材料的命名,复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。 例
2、如，玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料称为“玻璃纤维环氧树脂复合材料”。为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线隔开，后面再加“复合材料“。如“玻璃环氧复合材料”。有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同，也可简称为“玻璃纤维复合材料”或“环氧树脂复合材料”。,二、复合材料的用途及重要性,应用领域机械工业汽车工业及交通运输化学工业航空宇航领域建筑领域,图6.2 碳纤维增强聚合物 制作的导波天线,图6.3 碳纤维和Kevlar 纤维混杂 复合材料制造的赛车,三、复合材料过去、现在和未来,20世纪40年代 纤维复合材料发展成为具有工程意义的创举，60年代，在技术上臻于成熟
3、，在许多领域开始取代金属材料。60年代末 树脂基高性能复合材料用于制造军用飞机的承力结构。70年代末 发展用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合。 80年代 开始逐渐发展陶瓷基复合材料,第一代复合材料：玻璃强化树脂第二代复合材料：碳纤维强化塑料 硼纤维强化塑料第三代复合材料：金属基和陶瓷基复合材料,图6.4 复合材料的发展简图,复合材料的发展趋势,1. 由宏观复合向微观复合发展 宏观复合材料包括以纤维、晶须和颗粒等尺寸较大的增强材料与基体材料复合而成。 微观复合材料包括微纤增强复合材料、纳米复合材料和分子复合材料。2. 向多元混杂复合和超混杂复合方向发展 混杂复合是获得高性能复合材料有效而经济的
4、方法。,3由结构复合材料为主，向结构复合材料与功 能复合材料并重的方向发展 功能复合材料的最大特点是设计的自由度比一般均质功能材料大得多，功能复合材料可以任意改变复合度、连接类型和对称性，使其性能达到最佳优化值。4由被动复合材料向主动复合材料发展5由常规设计向仿生设计方向发展,四、复合材料的分类,按基体材料分类 分为树脂基、金属基、陶瓷基等复合材料，目前使用最多的是树脂基复合材料。按增强材料的种类和形态分类 分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层叠增强复合材料等，其中纤维增强复合材料应用最广泛。按复合材料的使用性能分类 分为结构复合材料和功能复合材料两大类，目前应用最广的是结构复合材料。,
5、图6.5 复合材料的分类,五、复合材料的增强材料,粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料，称为增强树料，也称为增强体、增强相、增强剂等。 复合材料所用的增强材料主要有三类，即纤维及其织物、晶须和颗粒。其中碳纤维、凯芙拉(Kevlar)纤维和玻璃纤维应用最为广泛。,1. 纤 维,纤维包括天然纤维和合成纤维。合成纤维分为有机纤维和无机纤维两大类。有机纤维有Kevlar纤维、尼龙纤维及聚乙烯纤维等。无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。,Kevlar纤维,图6.6 Kevlar纤维的三维取向结构,表6.1 Kevlar纤维的物理、机械性能,碳 纤 维,图6.7 碳纤维的三维结构示意图
6、,表6.2 某些品牌碳纤维的性能,2. 晶 须,晶须是指具有一定长径比(一般大于10)和截面积小于52l0-5cm2的单晶纤维材料。 晶须的直径可由0.1至几个微米，长度一般为数十至数千微米，但具有实用价值的晶须直径约为110m，长度与直径比在51000之间。 晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。,3. 颗 粒,颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。 这些颗粒增强体也称为刚性颗粒增强体或陶瓷颗粒增强体。颗粒增强体以很细的粉状(一般在l0m以下)加入到金属基和陶瓷基
7、中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。 还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体，主要为金属颗粒，一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强材料的韧性。,六、复合材料的性能特点,1比强度和比模量高,图6.8 材料的比强度随年代的变化,2 抗疲劳与断裂安全性能好,复合材料对缺口、应力集中的敏感性小，特别是纤维增强的树脂基复合材料，基体良好的强韧性降低了裂纹扩展速度，大量的增强纤维对裂纹又有阻隔作用，使裂纹尖端变钝或改变方向，所以具有较高的疲劳强度。 纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤维，借助塑韧性基体结合成一个整体，当复合材料构件由于过载或其他原因而部分纤维断裂时，载荷会重新分配到未断裂的增
8、强纤维上，避免结构在很短的时间内突然破坏，从而使构件丧失承载能力的过程延长，故具有良好的断裂安全性。,3. 良好的减振性能,纤维增强的复合材料的自振频率高，工作中不易发生共振现象。大量的纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，阻尼特性好，振动会很快衰减。,4. 良好的高温性能,图6.9 各类材料的耐热温度,第二节 复合材料的复合理论,1. 复合原理 纤维增强复合材料的复合原理 颗粒增强复合材料的复合原理2. 增强机理 纤维增强 颗粒增强3. 增韧 纤维增韧 颗粒增韧,一、复合原理,1. 纤维增强复合材料的复合原理 纤维增强复合材料的性能不但取决于基体和增强体的性能和相对数量，也取决于两者的结合状态
9、，同时还与纤维在基体中的排列方式有关。 外载荷与纤维方向一致 假设： 复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和直径都是均匀的，并且平行连续排列，同时纤维与基体间为理想结合，在界面上不发生滑移。,则在外载荷作用下纤维与基体处于等应变状态，即角标c、f、m分别代表复合材料、增强纤维和基体作用在复合树料上的总力是纤维和基体受力的总和,=,+,如果复合材料在外载荷作用下处于弹性变形状态，复合材料的载荷与变形符合虎克定律，则纤维和基体承受的应力分别为 应力f和m分别作用在纤维的整个横截面Af和基体整个横截面Am上。因而纤维和基体所承受的载荷Ff和Fm分别为,总载荷作用于复合材料整个横截面A c上，因
10、而纤维和基体的体积分数(f、 m)可用面积分数表示,图6.10 硼纤维增强铝复合材料的抗拉强度 和弹性模量与纤维体积分数的关系,外载荷很大、基体材料发生塑性变形时，复合材料不再遵循虎克定律，此时基体对复合材料刚度的贡献较小，弹性模量可近似表示为,图6.11 单向连续纤维增强复合材料的 应力一应变曲线, 外载荷与纤维方向垂直,如果外载荷垂直于单相连续纤维增强复合材料的纤维方向，则复合材料、纤维和基体处于等应力状态，即 复合材料中应变量等于各组元应变量与体积分数乘积之和，即,混合定律在纤维增强复合材料物理性能方面的应用,利用混合定律可以对纤维增强复合材料的某些物理量进行计算。 例如复合材料的密度存
11、在下列关系式：描述沿复合材料纤维排列方向的热导率(K)和磁导率(k),2. 颗粒增强复合材料的复合原理,颗粒增强复合材料的密度可以用混合定律表达为：角标p代表颗粒增强材料对刚性纯颗粒(尺寸为微米量级)增强的复合材料，其弹性模量随纯颗粒体积分数的增加而提高，也可由混合定律来预测，已推导出的这种复合材料弹性模量的上限数值和下限数值的关系表达式分别为上限值：下限值：,二、增强机理,l. 纤维增强 纤维增强复合材料：指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体(树脂、金属)或脆性基体(陶瓷)经一定工艺复合而成的多相材料。目标： 提高基体在室温和高温下的强度和弹性模量是纤维增强树脂基复合材料和纤维
12、增强金属基复合材料的主要设计目标； 而纤维增强陶瓷基复合材料的主要目的是提高基体材料的韧性，即增韧。,纤维增强的复合材料的增强机理, 增强纤维脆性较大，内部往往存在一些微裂纹，容易断裂，材料的强度不能被充分利用。但是如果能将脆性材料制成细纤维，因直径细小，而使产生裂纹的几率降低，有利于纤维脆件的改善和强度的提高。 纤维处于基体之中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保护作用，不易遭受损伤，不易在承裁过程中产生裂纹，使承载能力增强。, 复合材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但塑性好和韧性好的基体能阻止裂纹扩展。,图6.12 钨纤维铜基复合材料的裂纹 在铜中扩展受阻, 纤维受载断裂时，断口不
13、可能都在一个平面上，若要 使整体断裂，必然有许多根纤维从基体中被拔出，因而必须克服基体对纤维的黏结力以及基体与纤维之间的摩擦力，从而使材料的抗拉强度大大提高，与此同时断裂韧度也增加。,图6.13 碳纤维环氧树脂复合材料断时， 纤维 断口不在一个平面上,增强纤维与基体复合时应注意的几个问题,增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。因为增强纤维的弹性模量E愈高，在同样应变量的条件下，所受应力越大，这样才能充分发挥纤维的增强作用，保证复合材料中承受载荷的材料是增强纤维。基体和纤维之间要有一定黏结作用，而且应具当适当的结合强度，以保证基体所受的应力通过界面传递给纤维。结合强度小，界面很难传递载荷，纤
14、维无法发挥主要承受载荷的作用；结合强度也不宜过大，因为复合材料受力破坏时，纤维从基体中拔出将消耗一部分能量，过大的结合强度将使纤维拔出消耗能量过程消失，降低强度并导致危险的脆性断裂。, 纤维应有合理的含量、尺寸和分布。 纤维的直径对其强度有较大影响，纤维越细则缺陷越小，材料强度越高；同时细纤维的比表面积大，有利于增强与基体的结合力。 纤维的长度t对增强有利，连续纤维比短纤纤维的增强效果好得多。对于短切纤维，只有当长度超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。 纤维的排列方向应符合构件的受力要求。由于纤维的纵向比横向的抗拉强度高几十倍，应尽量使纤维的排列方向平行于应力作用方向。受力比较复杂时，纤
15、维可以采用不同方向交叉层叠排列，以使之沿几个不同方向产生增强效果。, 纤维应与基体的线膨胀系数相匹配。通常要求两者 的线膨胀系数相近。对于韧性较低的基体(例如陶瓷 和热固性树脂)，纤维的线膨胀系数应略高于基体的 线膨胀系数，以便在受热后冷却时，由于纤维收缩 大使基体处于受压状态而获得一定程度的保护。对 于韧性较好的基体，纤维的线膨胀系数应略低于基 体的线膨胀系数，以便使纤维处于压应力状态而增 加韧度。 纤维与基体之间要有良好的相容性。以便在高温作用下纤维与基体之间不发生化学反应，基体对纤维 不产生腐蚀和损伤作用。,2颗粒增强机理,根据增强颗粒的尺寸大小，颗粒增强复合材料可分为弥散增强复合材料和
16、真正颗粒(或纯颗粒)增强复合材料两类。 弥散增强复合材料通常是指尺寸为1002500的微细硬颗粒弥散分布在金属和合金中而形成的复合材料。 纯颗粒增强复合材料是指以微米量级的颗粒增强的金属基、树脂基或陶瓷基复合材料。,弥散强化复合材料中的增强材料主要是金属氧化物、碳化物和硼化物。这些弥散分布于金属或合金基体中的硬颗粒可以有效地阻碍位错运动，产生显著的强化作用。 弥散强化复合材料的复合强化机理与合金的析出强化机理相似，基体仍是承受载荷的主体。不同的是这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的硬颗粒，它们在温度升高时仍可保持其原有尺寸，因而增强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性能明显优于
17、基体金属或合金。 为使弥散增强的复合材料性能达到最佳效果，除要求颗粒坚硬、稳定，与基体不发生化学反应外，颗粒的尺寸、形状、体积分数以及与基体的结合能力均是必须加以考虑的因素。,纯颗粒增强复合材料的性能受颗粒大小的影响，颗粒太大而不规则，往往引起应力集中现象而成为裂纹源，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能使之均匀分布在基体之中。 在纯颗粒增强复合材料中，颗粒不是通过阻碍位错运动而使材料强化，而是借助于限制颗粒邻近基体的运动，约束基体的变形来达到强化基体的目的。因此，一般认为复合材料所受载荷并非完全由基体承担。增强颗粒也承受部分载荷。颗粒与基体间的结合力越大，增强的效果越明显，颗粒增强复合材料的性
18、能与增强颗粒和基体的比例密切相关。,三、增 韧,1. 纤维增韧 纤维增韧：为了克服陶瓷脆性大的弱点，可以在陶瓷基体中加入纤维而制成陶瓷基复合材料，由于定向、取向或无序排布的纤维的加入，使陶瓷基复合材料韧度显著提高。 单向排布长纤维增韧 单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性，沿纤维长度方向上的纵向性能大大高于横向性能。这种纤维的定向排布是根据实际工件的使用要求确定的，主要使用其纵向性能。 单向排布长纤维陶瓷基复合材料中韧度的提高来自3个方面的贡献，即纤维拔出、纤维断裂及裂纹转向。,图6.14 Cf/Si3N4复合材料平行 于纤维方向的组织,图6.15 Cf/Si3N4复合材料中裂纹垂直 于
19、纤维方向扩展示意图,图6.16 Cf/Si3N4复合材料断口 形貌的SEM照片,图6.17 Cf/Si3N4复合材料 断口的侧面形貌, 多维多向排布长纤维增韧,多维多向排布长纤维增韧复合材料中纤维排布的方式有两种。一种是将纤维编织成纤维布；另一种是纤维分层单向排布。,图6.18 纤维布层压复合 材料示意图,图6.19 多层纤维按不同角度层压 (或缠绕)复合材料示意固, 短纤维、晶须增韧,制备短纤维增韧陶瓷基复合材料时将长纤维剪(切)短(3mm)，然后分散并与基体粉料混合均匀，再用热压烧结的方法制得高性能复合材料。 这种短纤维增强体在与原料粉料混合时，取向是随机的，但在受压成形时，短纤维将沿压力
20、方向转动，在最终制成的复合材料中，短纤维沿加压面择优取向，因而产生性能上的各向异性，沿加压而方向的性能优于垂直加压面方向上的性能。,图6.20 碳纤维增韧玻璃陶瓷复合 材料中的纤维分布情况,图6.21 碳纤维增强Pyrex玻璃纤维 中纤维定向排列情况,图6.22 碳纤维含量对碳纤维增韧玻璃 陶瓷复合材料断裂功的影响,晶须增韧陶瓷基复合材料的增韧机理大体与纤维增韧陶瓷基复合材料的相同，即主要靠晶须的拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提高产生突出贡献。,图6. 23 晶须拔出桥连及裂纹转向的SEM照片,2颗粒增韧,颗粒增韧陶瓷基复合材料的韧化机理主要有相变增韧、裂纹转向与分叉增韧等。 相变增韧 相变增韧
21、是发展最早的一种增韧机理。氧化锆增韧陶瓷就是利用氧化锆马氏体相变达到增韧目的的。氧化锆在一定温度和应力场作用下，亚稳定四方氧化锆颗粒转变为单斜相氧化锆。伴随着这种相变有35的体积膨胀，因而产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹扩展、达到增韧目的。, 裂纹转向与分叉增韧 裂纹在陶瓷材料中不断扩展，裂纹前沿遇到高强度的颗粒的阻碍，使扩展方向发生偏转和分叉，从而减小了裂纹尖端的应力强度因子，增加了材料的断裂韧度，达到增韧目的。 裂纹转向与分叉增韧不像相变增韧那样受温度的限制，因而是适合高温结构陶瓷增韧的方法。,第三节 复合材料的界面,复合材料界面的基本概念树脂基复合材料的界面金属基复合材料的界面陶
22、瓷基复合材料的界面,复合材料界面的基本概念,复合材料的界面：指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。界面是复合材料的特征界面上的化学成分和相结构是很复杂的,图6.24 复合材料的界面,界面效应,传递效应 阻断效应不连续效应散射和吸收效应诱导效应,一、树脂基复合材料的界面,1界面的形成 树脂基复合材料界面的形成可分为两个阶段： 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程； 第二阶段是树脂的同化过程，在此过程中树脂通过物理或化学的变化而固化，形成固定的界面层。 界面层的性质大致包括结合力、区域(或厚度)和微观结构等方向。 界向结合力存在于两相之间，并由此产
23、生复合效果和界面强度。界面结合力可分为宏观结合力和微观结合力两种前者主要指材料的几何因素，如表面凸凹不平、表面裂纹和孔隙等所产生的机械铰合力；后者包括化学键和次价键，化学键结合是最强的结合，通过化学反应产生。,界面及其附近区域的性能、结构都不同于组分本身。界面层是由纤维与基体之间的界面以及纤维和基体的表面薄层构成的，基体表面薄层的厚度约为增强纤维的数十倍，它在界面层中所占的比例对复合材料的力学性能有很大影响。 界面层使纤维与基体形成一个整体，并通过它传递应力，若纤维与基体的相容性不好，界面不完整，则应力的传递面只是纤维总面积的一部分。因此，为使复合材料内部能够均匀地传递应力以显示其优异性能，要
24、求复合材料在制造过程中形成完整的界面层。,2. 界面作用机理,界面对复合材料特别是对其力学性能起着极为重要的作用。 界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理，目前这方面已有许多理论，但都末达到完善程度。 界面浸润理论 化学键理论 物理吸附理论 变形层理论 减弱界面局部应力作用理论, 界面浸润理论,1963年Zisman首先提出了这个理论，主要论点是增强纤维被液体树脂良好浸润是极其重要的，浸润不良会在界面上产生间隙，易产生应力集中而使复合材料发生开裂，完全浸润可使基体与增强纤维的结合强度大于基体的强度，复合材料才能显示其优越的性能。, 化学键理论,化学键理论的主要论点是处理增强纤维表面的偶联剂既含
25、有能与增强纤维起化学作用的官能团，又含有能与树脂基体起化学作用的官能团，由此在界面上形成共价键结合，如能满足这一要求则在理论上可获最大的界面结合能。 无偶联剂存在时，如果基体与纤维表面可以发生化学反应，两相之间也能形成牢固界面。这种理论的实质强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键。 但是化学键理论不能解释为什么有的处理剂官能团不能与树脂反应却仍有较好的处理效果。, 物理吸附理论,物理吸附理论可作为化学键理论的一种补充。 物理吸附理论认为，增强纤维与树脂基体之间的结合属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。 物理吸附理论对上述化学键理论不能解释的问题给予了较好的解释。, 变形层理论,变形
26、层理论：如果纤维与基体的线膨胀系数相差较大，复合材料固化成形后在界面上会产生残余应力，这将损伤界面和影响复合材料性能。 另外，在载荷作用下，界面上会出现应力集中，若界面化学键破坏，产生微裂纹，将导致复合材料性能变差。将增强纤维表面进行处理，在界面上形成一层塑性层，就可以起到松弛和减小界面应力的作用。, 减弱界面局部应力作用理论,减弱界面局部应力作用理论认为，基体和增强纤维之间的处理剂提供了一种具有“自愈能力”的化学键。在载荷作用下，它处于不断形成与断裂的动态平衡状态。 低分子物质（主要是水)的应力浸蚀会使界面化学键断裂，而在应力作用下处理剂能沿增强纤维表面滑移，使已断裂的化学键重新结合，与此同
27、时，应力得以松弛减缓了界面的应力集中。,二、金属基复合材料的界面,1界面的类型,表6.4 纤维增强金属基复合材料界面的类型,2界面的结合,纤维增强复合材料的界面结合有以下几种形式。 机械结合 机械结合是指借助增强纤维表面凸凹不平的形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应力裹紧纤维产生的摩擦阻力结合。这种结合与扩散和化学作用无关，纯属机械作用，结合强度的大小与纤维表面的粗糙程度有很大关系。 溶解和浸润结合 纤维与基体的相互作用力是短程的，作用范围只有若干原子间距大小。由于纤维表面常存在氧化膜，阻碍液态金属的浸润，这就需要对纤维表面进行处理，液态金属对纤维的浸润性也与温度有关。, 反应结合,反应结
28、合其特征是在纤维和基体之间形成新的化合物层，即界面反应层。界面反应层往往不是单一的化合物，一般情况下，随反应程度增加，界面结合强度亦增加，但由于界面反应产物多为脆性物质，所以当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应力可使界面破坏，反而降低界面结合强度。 此外某些纤维表面吸附空气发生氧化也能形成某种形式的反应结合。 但有时氧化作用也会降低纤维强度而无益于界面结合，这时就应当尽量避免发生氧化反应。, 混合结合,混合结合是最重要最普遍的结合形式，因为在实际复合材料中经常同时存在几种结合形式，尤其在类界面的复合材料中比较普遍。 例如硼纤维增强铝材时，如果制造温度低，硼纤维表而氧化膜不被破坏，则形成机械结
29、合，材料若在500进行热处理，可以发现在机械结合的界面上出现了AlB2，表面热处理过程中界面上发生化学反应形成了反应结合。,三、陶瓷基复台材料的界面,在陶瓷基复合材料中，增强材料与基体之间的结合也是采取机械结合、溶解和浸润结合、反应结合和混合结合的方式。 陶瓷基复合材料中界面的特性同样对材料的性能起着举足轻重的作用。 界面控制 改变增强材料表面的性质 改变增强材料表面性质是用化学手段控制界面的方法。 改变增强材料表面性质的目的都是防止强化材料与基体间的反应，从而获得最佳界面力学待性。另一个目的是改变纤维与基体间的结合力。, 向基体内添加特定的元素 在用烧结法制造陶瓷基复合材料的过程中，为了有助
30、于烧结，往往在基体中添加一些特定元素。为了使纤维与基体之间发生适度反应以控制界面，也可添加一些元素。 在增强材料表面施以涂层 涂层技术是实施界面控制的有效方法之一，可分为CVD法、PVD法、喷镀和喷射等。 涂层技术是采用不同方法，在增强材料表面形成覆盖层，以保护增强材料不受化学侵蚀，阻碍增强材料与基体间的化学扩散和界面的化学反应，提高界面的剪切强度。,第四节 树脂基复合材料,概述纤维增强树脂基复合材料颗粒增强树脂基复合材料树脂基功能复合材料,一、概 述,树脂基复合材料亦称聚合物基复合材料，是目前应用最广、消耗量最大的一类复合材料。 根据增强体的种类，树脂基复合材料可分为玻璃纤维增强树脂基复合材
31、料、碳纤维增强树脂基复合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅纤维增强树脂基复合材料、芳纶纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料和颗粒(粉体)增强树脂基复合材料等； 根据树脂的性质，可分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料两种基本类型。,二、纤维增强树脂基复合材料,1. 玻璃纤维及其增强的树脂基复合材料 玻璃纤维 玻璃脆性很大，但是将融熔态玻璃以极快的速度拉制成纤维，就具有一定的柔韧性，可纺织成纱或各种形式的玻璃布。玻璃纤维的性能特点：A 抗拉强度很高 B 耐热性低C 化学稳定性高D 脆性较大, 玻璃纤维增强的树脂基复合材料,玻璃纤维增强的树脂基复合材料，即玻璃钢。这种材料的发
32、展十分迅速，年增长率达2530，已成为重要的工程材料。 玻璃钢分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢两类。A 热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强材料和以热固性树脂为基体的复合材料。 热固性玻璃钢具有成形工艺简单、强度高、密度低、耐腐蚀、介电性高等特点，与热塑性玻璃钢相比，耐热性较高。 热固性玻璃钢的主要缺点是弹性模量低(为结构钢的1020)，刚性差。此外工作温度不能超过250，长期受力易发生蠕变，材质易老化。 热固性玻璃钢应用极广，从各种机器的护罩到形状复杂的构件，从各种车辆的车身到不同用途的配件，以及石油化工中的耐蚀、耐压容器及管道等。,表6.5 几种热固性玻璃钢的性能特点,B 热塑性玻璃钢,热塑性玻璃
33、钢是以玻璃纤维为增强材料和以热塑性树脂为基体的复合材料。 热塑性玻璃钢与热塑性塑料相比，强度和疲劳性能可提高23倍以上，冲击韧度提高24倍，抗蠕变能力提高25倍。 玻璃纤维增强尼龙的刚度、强度和减摩性好，它可代替非铁金属制造轴承、轴承架和齿轮等精密零件，还可制造电工部件和汽车上的仪表盘、前后车灯。玻璃纤维增强苯乙烯类树脂广泛用于汽车内装饰品、磁带录音机底盘、空气调节器叶片等部件。玻璃纤维增强聚丙烯的强度、耐热性和抗蠕变性能好，耐水性优良，可用于制作转矩变换器、干燥器壳体等。,2碳纤维及其增强的树脂基复合材料, 碳纤维 碳纤维由有机纤维经高温碳化而成，目前工业广泛应用聚烯腈纤维、黏胶纤维和沥青纤
34、维制造的碳纤维。 碳纤维有如下特点： A 密度低，弹性模量和强度高。 B 高温、低温力学性能好。 C 具有高的耐蚀性、导电性以及低的摩擦系数。 碳纤维主要缺点是脆性大，表面光滑，与树脂结合力比玻璃纤维的还差，常需要用表面氧化处理来改善与基体的结合力。, 碳纤维增强的树脂基复合材料,碳纤维增强的树脂基复合材料中，作为基体的树脂，应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。 碳纤维增强的树脂基复合材料的密度比铝的低，强度比钢的高，弹性模量比铝合金和钢的大，疲劳强度高，冲击韧性高，化学稳定性高，摩擦系数小，导热性好，总之比玻璃钢的性能优越。 可用作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体和天
35、线构架。还可用作机器的齿轮、轴承等受载、磨损件。,3. 硼纤维及其增强的树脂基复合材料,硼纤维 硼纤维外表为硼，心部为硼化钨。硼纤维直径约为0.1mm。 硼纤维的比强度与玻璃纤维相近，模量是玻璃纤维的5倍，耐热性高。 硼纤维的缺点是密度高、纤维直径大。, 硼纤维增强的树脂基复合材料,硼纤维增强树脂基复合材料中作为基体的树脂主要是环氧树脂、聚酰亚胺树脂和聚苯并咪唑。 硼纤维增强树脂基复合材料抗压强度和抗剪切强度很高，抗蠕变能力强，硬度和弹性模量高，具有很高的疲劳强度和耐辐射性能。对水、有机溶剂很稳定，导热性和导电性很好。 硼纤维增强树脂基复合材料主要应用于航空和宇航工业，制造翼面、仪表盘、转子、
36、压气机叶片、直升飞机螺旋桨叶的传动轴等。,4. 聚芳酰胺纤维及其增强的树脂基复合材料, 聚芳酰胺纤维 聚芳酰胺纤维在商业上称为芳纶。 聚芳酰胺纤维的抗拉强度不及碳纤维的抗拉强度，约为铝合金的5倍，密度低，比强度超过了玻璃纤维、碳纤维和硼纤维，韧性好，具有突出的抗蠕变性能，此外，还具有耐疲劳性能好、易加工、耐腐蚀和电绝缘性能好的特点。, 聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料,聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料的界面结合力强，抗拉强度大于玻璃纤维增强的环氧树脂增强的抗拉强度，类似碳纤维增强的环氧树脂。聚芳酰胺纤维增强的树脂基复合材料的塑性与金属的相似，耐冲击性超过碳纤维增强的环氧树脂的冲击性，减振性好，
37、是玻璃钢的45倍。 聚芳酰胺纤维增强树脂基复合材料的抗压强度较低。 聚芳酰胺纤维增强树脂基复合材料主要用于航天、航空、造船和汽车工业。,5. 高性能天然纤维及其增强的树脂基复合材料, 高性能天然纤维 麻和竹类天然纤维的比强度与玻璃纤维的接近。 麻和竹是价廉、可降解的有机纤维，具有可再生性。 高性能天然纤维增强的树脂基复合材料 复合材料的基体材料主要是环氧树脂、脲醛树脂 产品可用于轿车的内饰件、吸噪声板和轮罩等，也可用于建筑装饰、家具面板、游艇和器皿等。,6. 晶须及其增强的树脂基复合材料, 晶须 晶须是直径小于30m、长度只有几毫米的针状单晶体，晶体内部几乎不存在位错，强度高，接近于理论值。
38、晶须有金属晶须、陶瓷晶须和高分子晶须。 晶须增强的树脂基复合材料 由于晶须价格昂贵，主要用于金属基复合材料，在树脂基复合材料中应用不多。,三、颗粒增强树脂基复合材料,树脂中加入非纤维状颗粒的复合材料，强度、弹性模量等力学性能比用纤维增强稍差，但仍然可使增强的树脂具有各种独特的性能，这些颗粒还具有改性作用。 树脂中加入增强颗粒材料时，其力学性能不存在各向异性问题，性能只取决于增强颗粒的数量、形状及其与树脂的结合程度等因素。 一般说来作为增强的颗粒，以无机系为主。这类材料增强的树脂基复合材料，按用途分为合成木材、耐磨材料和功能材料。,1合成木材,合成木材分两类：一类是以无机颗粒增强，即钙塑材料，另
39、一类是以有机颗粒增强，即新型合成木材。 钙塑材料 钙塑材料是以热塑性树脂为基体，加入碳酸钙等分散介质制得的复合材料。该材料不仅能够代替木材使用，还具有超过木材的优良性能。钙塑材料主要有3种，即聚乙烯钙塑材料、聚丙烯钙塑树料、聚氯乙烯钙塑材料。, 新型合成木材,新型合成木材以热固性或热塑性树脂为基体，以有机填料木粉、木屑、稻壳粉、稻草屑为分散介质的颗粒增强(改性)塑料。 新型合成木材的共同特点是填料量大，树脂量少，密度低，价格便宜，保温性能好有防火、防蛀、防腐蚀等性能。 新型合成木材目前广泛用于制作门芯板、天花板、家具和车、船的隔板。,四、树脂基功能复合材料,1具有电波透过功能的复合材料 这种材
40、料以玻璃纤维或玻璃布作为增强材料，以环氧树脂或不饱和聚脂作为基体而制成，该材料电波透过性好而且具有一定强度，良好的耐天候性、耐腐蚀性，常用于制造雷达天线罩，广泛用于飞机雷达、船舶雷达、地面固定雷达，以及抛物面天线的保护罩。,2具有隐身功能的复合材料 利用热塑性树脂的介电特性，用碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料具有吸收电磁被的隐身功能，可避过雷达的跟踪，是高性能结构材料，是制造先进战斗机、侦察机的理想隐身材料。 3具有导电功能的复合材料 以环氧树脂作为基体，与碳纤维或碳粉并加入一定量石棉纤维制成的复合材料，具有优异的耐蚀性、良好的耐热性、良好的集尘效果，常用于使用温度较高的电集尘器的电极板。,4
41、具有形状记忆功能的复合材料,形状记忆功能是指具有一定形状的制品变形后，通过加热等手段处理后又回复到初始形状的功能。 目前，树脂基形状记忆功能复合材料，因其优异的综合性能已成为热门材料。 这种材料的特点是成本低，化学稳定性高，可无限期地存放，损伤容限大，自适应能力强。已用于医疗、建筑、玩具、传感元件和汽车的缓冲器。,5具有磁性功能的复合材料,这类复合材料作为基体的合成树脂有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、聚酰胺(尼龙)等热塑性树脂和环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺等热固性树脂，添加剂是铁氧体磁粉或稀土类磁粉。 这类材料广泛用于录音带、录像带、家用电器、电子仪器仪表、磁疗设备、精密电机、微型电机
42、、通信设备的传感器。,6具有压电功能的复合材料 这类复合材料是将具有高极化强度的压电陶瓷(BaTiO3)混入树脂基体中，极化后得到压电性较强的可挠树脂基压电材料，该材料已用于制造柔性机电换能器。7具有自控发热功能的复合材料 这种材料是将一种导电粉末(如碳粉)分散在高分子树脂中，并使导电粉末构成导电通道，用这种复合材料制成扁形电缆即可缠在管道外而通电加热。它的特点在于通电后材料发热使高分子膨胀，拉断一些导电粉末通道，从而使材料电阻值增大而降低发热量，温度降低后高分子收缩又使通道复原，从而产生恒温控制的效果，这种功能材料已广泛用于石油、化工工业。,8具有电绝缘功能的复合材料,这种材料是以酚醛树脂为
43、基体，以各种颗粒状填料为分散质的改性塑料，为克服基体的弱点，分别加入不同的填料。为克服酚醛树脂的脆性，提高力学性能，加入一定量的木粉；为提高电绝缘性和耐热性，再加入一定量的云母粉、石棉粉和石英粉；此外还需加入其他助剂，这些混合材料经加热成形制成的各种电工绝缘零件，广泛应用于低压电器、电讯工业以及蓄电池的绝缘结构件。,第五节 金属基复合材料,概述纤维增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料金属基功能复合材料,一、概 述,金属基复合材料具有高强度、高弹性模量和线膨胀系数小，工作温度高，不易燃烧，导热、导电、热稳定性好以及抗电磁干扰、抗辐射性能好等特点，可进行机械加工和采用常规方法连接，而且在较高温度下也不会放出有味、有害气体污染环境，这是树脂基复合材料所无法比拟的。 但金属基复合材料存在着密度高、成本较高、某些复合材料制备工艺复杂、增强材料与基体界面易发生化学反应等缺点。 金属基复合材料可分为长纤维增强型、短纤维或晶须增强型、颗粒增强型以及原位复合材料。,
