1、1,第七章 复合材料（）,7.1 复合材料概述 7.2 复合材料的增强机理 7.3 常用复合材料 7.4 复合材料的制备工艺 7.5 复合材料的发展趋势,夏鹏举 教授 材料科学与工程学院,4学时,2,7.1 复合材料概述,3,我们住在复合材料里,燕子窝：泥土-草复合材料,6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。,4,7.1.1 复合材料的发展历史和意义,人类进步的历史与人类应用材料的历史密切相关。在迈向现代文明的进程中，人类经历了石器时代、铜器时代、铁器时代、合成材料时代，现已迈入应用复合材料的新时代。长
2、期以来，人们不断改进原有材料、开发新的材料品种，在实践中积累了丰富的应用材料的经验。但是，任何一种单一的材料（金属、陶瓷、聚合物），虽有许多优点，但都存在着一些明显的不足，改性也往往是有限的。,5,随着现代科学技术的迅猛发展，对材料提出了越来越高、越来越严、越来越多的要求，既要求良好的综合性能，如高强度、高刚度、高韧性、低密度等性能，又希望能够在高温、高压、强腐蚀等恶劣的环境下服役。这些是传统的单一材料所不能满足的。于是人们想到将一些不同性能的材料复合起来，相互取长补短，这样就出现了复合材料。,7.1.1 复合材料的发展历史和意义,美国F-22猛禽战机55%机身采用高强度、低重量的复合材料。,
3、6,早期的复合材料,复合材料并不是人类发明的新材料，在自然界存在许多天然的复合材料，人类使用复合材料有着悠久的历史。天然复合材料：竹子、木材、骨骼、皮肤、贝壳等。自然界的经典组合：竹子是由许多直径不同的管状纤维素分散在木质素基体中形成的复合材料。表皮纤维细而密，可增强抗弯强度；内层纤维粗而疏，可改善韧性。最原始的人工复合材料：6000年前，我国古代劳动人民使用的土坯砖是有粘土和稻草组成的。古代金属基复合材料：越王剑即金属包层复合材料，在潮湿的环境中埋藏了几千年，出土是仍光亮夺目，锋利无比。,7.1.1 复合材料的发展历史和意义,7,近代复合材料,主要指人工特意复合而成的一种新型材料体系，成功制
4、造要从1942年开始算起。第二次世界大战期间，玻璃纤维增强聚脂树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件。复合材料发展第一代：19421960年，玻璃纤维增强塑料时代。复合材料发展第二代：19601980年，先进复合材料发展时代，主要研究增强材料，英国研制碳纤维，美国研制了Kevlar纤维。碳纤维增强环氧树脂、Kevlar纤维增强环氧树脂复合材料用于飞机、火箭的主承力构件。,7.1.1 复合材料的发展历史和意义,8,复合材料发展第三代：19801990年，纤维增强金属基复合材料时代，其中铝基复合材料应用最广泛；同时陶瓷基复合材料也得到研究和发展。复合材料发展第四代：1990至今，主要发展多功能复合
5、材料，梯度功能材料、纳米复合材料、仿生复合材料。,复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。复合材料的发展进一步推动了现代科学技术的不断进步。,7.1.1 复合材料的发展历史和意义,9,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,什么是复合材料？,复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。,定义要点:,多相材料。通常包括基体相和增强相。基体相可以是一个或几个，把改善性能的增强相材料固结成一体，起着粘结和传递应力的作用，又称为连续相。增强相也可
6、以是一个或几个，起着承受应力和显示功能的作用，又称为分散相。 固体材料。若复合产物为液体或气体混合物，就不是复合材料。 人工合成。自然界天然的复合材料不在材料科学研究之列。,1.定义,7.1 复合材料概述,10,FL. Matthews（马修斯）和DRawlings（罗林斯 ）认为，复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件：(1)组元含量大于5；(2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能；(3)通过各种方法混合而成。,在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。,钢铁及其合金不应属于复合材料，如Co-Cr-Mo-Si合金不属于复合材料，因
7、为这种合金经过熔化和凝固过程。,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,11,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,骨胶原质+ 磷灰石 贝壳碳酸钙+基质胶原,复合材料= 增强材料+ 基体,实例：,基体（连续相） 类型：聚合物、金属、陶瓷、碳。 作用：将增强体结合成一个整体，起到均衡应力和传递载荷的作用。,增强体（又称增强材料、增强剂） （分散相） 类型：颗粒、纤维、晶须。 作用：增强体是复合材料的主要承载部分，会使基体材料的性能显著改善和增强。,2. 复合材料的组成,主要包括基本相和增强相。,12, 取决于增强体与基体之间的界面状况。,复合材料的性能取决于以下两方面：, 取决于基体和增强体的
8、性能；, 复合材料性能的优越性,改善或克服组成材料的弱点，充分发挥优点。如玻璃钢强度玻璃和树脂。 各向异性，性能具有可设计性，使构件中纤维与受力方向一致。 可创造出单一材料不具备的性能，或同一时间里发挥不同的功能。,在基体相和增强相之间存在界面,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,13,复合材料复合指导思想：,取长补短 协同作用 产生原来单一材料本身所没有的新性能,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,14,3. 复合材料的命名,增强体名称+基体名称+“复合材料”如：玻璃纤维聚酯树脂复合材料。 增强体名称+“/”+基体名称+“复合材料”如：碳纤维/环氧树脂复合材料。 突出强调（对碳纤维/
9、环氧树脂复合材料）强调增强体；如：碳纤维复合材料。强调基体；如：环氧树脂复合材料。 简写；如：硼纤维和铝合金构成的复合材料，简写为铝 基复合材料；碳纤维和碳构成的复合材料，简写为碳/碳复合材料。,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,15,4. 复合材料的分类,复合材料可以由金属、高聚物和陶瓷中任意两者人工合成，也可以由两种或更多种金属、高聚物和陶瓷来制备，因此复合材料范围很广、种类很多，目前分类也不统一。,按基体材料分类 1聚合物基复合材料 （Polymer Matrix Composites，简写PMC） 2金属基复合材料 （Metal Matrix Composites，简写MMC）
10、3陶瓷基复合材料 （Ceramic Matrix Composites，简写CMC） 4碳碳基复合材料 （Carbon-Carbon Composites，简写C/C）,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,16,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,17,7.1.2 复合材料的定义、命名和分类,18,7.1.3 复合材料的界面,复合材料的界面指基体与增强体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。,1. 定义：,实质：多层结构的过渡区域（称界面层），约几个纳米到几个微米。 结构：结构随增强材料而异并与基体有明显差异的新相。,产生原因：由于增强体和基体接触时在一
11、定条件下可能发生化学反应，或两相元素扩散、溶解而产生新相。即使不发生上述相互作用，也可能由于基体固化而产生内应力，或两相结构间发生诱导效应，使接近增强体的基体部分结构发生不同于基体本体结构而形成的界面相。,7.1 复合材料概述,玻璃纤维增强高分子复合材料,19,2. 复合材料界面机能,1）传递效应：界面传递应力，是基体与增强体之间的桥梁； 2）阻断效应：界面阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中； 3）诱导效应：一种物质（增强体）的表面结构使与之接触的另一种物质（基体）结构由于诱导作用而发生变化，由此产生一个作用类似过渡层的界面层； 4）不连续效应：界面处化学成分和物理性能的不连续性； 5）
12、散射和吸收效应：光波、声波、冲击波等在界面处产生散射和吸收。,7.1.3 复合材料的界面,20,3. 界面结合的类型,机械结合：借助增强增强体表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与增强体之间的摩擦阻力形成。,溶解与浸润结合：液态或是粘流态基体对增强体的侵润，而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。,反应结合：基体与增强体之间形成界面反应层。,混合结合：上述三种形式的混合结合方式。,界面,增强体,基体,7.1.3 复合材料的界面,21,4. 复合材料界面的类型,增强体与基体互不反应、互不溶解的界面。,增强体与基体不反应、但相互溶解的界面。,增强体与基体反应形成界面反应层。,复合材料的界
13、面虽然很小，但它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米，是一个区域或一个带、或一层，它的厚度呈不均匀分布状态。,7.1.3 复合材料的界面,界面区域的结构与性质都不同于两相中的任一相。,22,怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？,改变增强材料表面性质。,向基体内添加特定的元素。,在增强材料的表面施加涂层。,表面改性前,表面改性后,表面改性后,7.1.3 复合材料的界面,表面改性不同相之间的相容性或是改变界面物理结合处粗糙程度。方法有基体改性和增强体改性两种。,23,7.1.4 复合材料的特性,不仅保持原组分部分优点,而且具有原组分不具备的特性。 区别于单一材料，具有可设计性。包括基体，增强体选择
14、，增强体在基体中的分散状态。 界面具有特殊作用，基体和增强体的界面黏结状态影响复合材料性能。 材料与结构的一致性，即复合材料既是材料又可看成结构。,1. 特点,7.1 复合材料概述,24,2. 性能,比强度和比弹性模量高,复合材料的比强度和比模量普遍高于常用的金属材料。,抗疲劳与断裂安全性能,大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用。,7.1.4 复合材料的特性,25,减振能力强,纤维增强复合材料具有较高的自震频率，不易产生共振现象，具有一定的减震作用。,良好的高温性,增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较高的强度。,7.1.4 复合材料的特性,26,其它性能,尺寸稳定性好热膨胀系数都比较小
15、。 化学稳定性好良好的抗腐蚀性。 缘、导电和导热性好 其他优良的减摩性、耐磨性、自润滑性等。良好的工艺性能，适合整体成型。,7.1.4 复合材料的特性,27,复合材料性能的主要影响因素包括三个方面：基体和增强体或功能体的性能；复合材料的结构和成型技术；复合材料中增强体或功能体与基体的结合状态(物理的和化学的)及由此产生的复合效应。,这三个方面都可以成为复合材料的薄弱环节；换言之，复合材料的性能应是以上三个因素综合效果的作用结果。,7.1.4 复合材料的特性,28,目前复合材料存在的不足:,横向拉伸强度和层间剪切强度低。 断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。 制造是产品性能不稳定，分散性大，质检困难
16、。 老化性能不好。 机械连接困难。 成本太高。,7.1.4 复合材料的特性,29,7.2 复合材料的增强机理,复合材料= 增强材料+ 基体,基体的类型,树脂基体,陶瓷基体,1. 基体,将增强体粘结成一个整体，起到均衡应力和传递载荷的作用，使增强材料的性能得充分发挥，从而产生一种复合效应，使复合材料的性能明显优于单一材料的性能。,基体的作用：,7.2.1 复合材料的基体和增强体,30,2. 增强材料,纤维及其织物、晶须、颗粒,具有很低的比重； 组成这些化合物的元素都处在元素周期表中的第二、第三周期； 它们大多数都是以结合力很强的共价键结合； 具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。,复合材料增强剂
17、的特点：,31,(1) 纤维增强体,纤维增强复合材料：由高强度、高弹性模量的脆性纤维做增强体与韧性或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。,常见的纤维增强体： 玻璃纤维 碳纤维 硼纤维 碳化硅纤维 氧化铝纤维 芳纶纤维,碳纤维,7.2.1 复合材料的基体和增强体,Al2O3纤维,连续纤维增强型,非连续纤维增强型,32,（2）晶须增强体,什么是晶须？在受控条件下培植生长的高纯度纤细单晶体，其直径一般为0.12m，长度为几十微米，长径比较大，通常在730范围内，外观是粉末状。晶须的晶体内部几乎不存在位错，所以强度高，接近于理论强度值。,7.2.1 复合材料的基体和增强体,晶须分类（根据化学成分）
18、陶瓷晶须 金属晶须,常见的晶须增强体：氮化硅晶须氧化铝晶须,ZnO晶须微观形貌,33,晶须的性能： 晶须的结晶近乎完整，不含有晶界、位错、空位等晶体缺陷，因而强度接近于完整晶体的理论值。 优良的耐高温、耐热、耐蚀性能。 良好的机械强度、电绝缘性、低密度、高强度、高模量、高硬度等特性。 在铁磁性、介电性、传导性，甚至超导性等方面皆发生显著变化。,SiC晶须,Si3N4晶须,7.2.1 复合材料的基体和增强体,34,（3） 颗粒增强体,颗粒增强复合材料：由高强度、高弹性模量的脆性颗粒做增强体与韧性或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。,颗粒增强复合材料的种类：纳米微细硬颗粒弥散增强微米颗粒增强,
19、弥散颗粒种类：金属氧化物碳化物硼化物,a) 多角状SiC颗粒 b) 等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒 c) 溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒 d) -Al2O3片晶,7.2.1 复合材料的基体和增强体,35,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，加入到基体材料中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。其成本低，易于批量生产。,另外，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起到增韧作用。如Al2O3中加入Al、Ni；WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能有所下降。,7.2.1 复合材料的
20、基体和增强体,36,复合材料系统组合,7.2.1 复合材料的基体和增强体,37,7.2.2 复合材料的增强机理,1.纤维增强,设计纤维增强复合材料的目标：提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。,增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。 纤维的表面受到基体的保护，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。 基体能阻止纤维的裂纹扩展。 基体对纤维的粘结作用、基体与纤维之间的摩擦力，使得材料的强度大大提高。,纤维增强机理：,7.2 复合材料的增强机理,38,陶瓷基复合材料增强相是具有强结合键纤维阻止裂纹的产生，使脆性降低。 高分子基复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子链的运动； 金属基复合材料中纤维增强
21、相有效阻止位错运动而强化基体。,7.2.2 复合材料的增强机理,39,增强纤维起到强化基体作用必要条件：增强纤维的强度和弹性模量高。纤维与基体之间有良好的相容性。纤维应有一定的含量、尺寸和分布。纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。,7.2.2 复合材料的增强机理,40,分单向取向和双向取向,取向的影响,41,2.颗粒增强,弥散分布基体中的硬颗粒可以有效地阻止位错运动，产生显著的强化作用。,颗粒增强复合材料的机理：,SiC particles in magnesium alloy,7.2.2 复合材料的增强机理,42,7.2.3 复合材料的增韧机理,1. 纤维增韧,由于定向、取向或无序排布的纤维加
22、入，使得复合材料的韧性得到显著提高。,纤维吸收裂纹尖端能量是靠纤维断裂及纤维从机体中拔出实现的。,7.2 复合材料的增强机理,43, 单向排布长纤维增韧机理,单向排布长纤维增韧陶瓷基复合材料具有各向异性，沿纤维长度方向的纵向性能大大高于横向性能。,若材料中产生的裂纹平面垂直于纤维时，当裂纹扩展遇到纤维时，裂纹运动受阻，欲使裂纹继续运动，必须提高外加应力。应力继续增大，纤维与基体解离，纤维从基体中拔出、断裂或转向，从而使复合材料的韧性得到提高。,Fractured carbon fibre reinforced composite,Fractured carbon fibre reinforce
23、d composite,7.2.3 复合材料的增韧机理,44,纤维吸收裂纹尖端能量是靠,纤维断裂,纤维从基体中拔出,裂纹转向,硼纤维的表面形貌,硼纤维的断口形貌,45, 多维多向排布长纤维增韧,多维多向排布克服了单向长纤维只在一个方向上性能得到提高的弱点。多向长纤维可实现陶瓷等脆性材料在二维、三维方向上的性能提高。这种多维多向的排列方式有：, 将纤维编织成纤维布； 纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。,多维长纤维增韧的机理与单向一样，主要是通过纤维的断裂、拔出或转向提高韧性。,7.2.3 复合材料的增韧机理,46, 短纤维增韧机理,短纤维增韧复合材料的制备工艺比长纤维的简便。,通常是将长纤维
24、剪断（3mm），再与基体粉体材料混合、热压制得。在热压时，短纤维沿压力方向择优取向，产生性能上的各向异性。,当短纤维的质量分数适当时，复合材料的断裂功显著提高，从而使断裂韧性得到提高。,Short-carbon fiber composite,7.2.3 复合材料的增韧机理,47,2.晶须增韧,晶须的增韧机理与纤维增韧机理基本相同，即主要靠晶须拔出桥连与裂纹转向机制对韧性提高产生贡献。,研究结果表明，晶须与界面的强度直接影响复合材料的韧性。,界面强度过高，晶须与基体同时断裂，限制了晶须的拔出；而结合强度过低，晶须拔出功减小。这两种情况都对韧性的提高不利。,7.2.3 复合材料的增韧机理,48,
25、晶须桥连：晶须的增韧机制晶须桥连增韧是指在基体出现裂纹后，晶须承受外界载荷并在基体裂纹相对的两边之间架桥，桥连晶须对基体产生一个使基体闭合的力，消耗外加载荷做功而使材料韧性增加。,影响晶须韧化行为的因素： 晶须的直径； 晶须的强度； 晶须的化学表面特性； 体系组成； 基体的弹性模量； 晶须表面涂层； 晶须的分散性。,7.2.3 复合材料的增韧机理,49,3. 颗粒增韧,增韧的机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧和分叉增韧。, 相变增韧,通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧的目的。,相变增韧特征： a. 相变前后没有成分变化，具有无热、无扩散、相变激活能
26、小、相变速度快的特点。 b. 相变伴随有体积变化。 c. 相变具有可逆性，因此相变发生在一个温度区间内而非一个特定的温度点上。,7.2.3 复合材料的增韧机理,50,氧化锆增韧陶瓷就是利用ZrO2马氏体相变达到增韧目的的。,当基体对ZrO2颗粒有足够的压应力，而ZrO2的粒度又足够小时，则ZrO2在室温时仍可保持四方相。,当材料受到外应力时，基体对ZrO2的压抑作用得到松弛， ZrO2颗粒即发生四方相到单斜相的转变，并在基体中引起微裂纹，从而吸收了主裂纹扩展的能量，达到增加断裂韧性的效果。,7.2.3 复合材料的增韧机理,51, 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，达到了增韧的目的。由于裂纹转向和分叉不受温度的限制，这种增韧机理适用于高温结构陶瓷。,7.2.3 复合材料的增韧机理,52,再 见,
