1、复合材料,讲课：李言祥教授陈 祥讲师助教：黎振华,课程计划,Part1 复合材料的基础知识 Part3 陶瓷基复合材料 Part2 金属基复合材料 Part4 聚合物基复合材料,绪论：1-1 材料概述,材料：用于制作工具或器具的物质 材料在人类历史进程中的作用 石器时代、青铜器时代、铁器时代、19世纪中叶开始的现代材料时代 现代工程材料按组成分按用途分,金属材料（Metallic materials） 无机非金属材料（Ceramic materials） 有机高分子材料（Polymers）,结构材料 b s k ,功能材料 电、磁、声、光、热等,工艺材料,工、模具材料 焊接材料 造型材料,现代
2、工程材料,1-2 复合材料概述,1 什么是复合材料 一般说法：由2种或2种以上不同材料组合在一起而形成的新材料。 土坯、张飞的丈八长矛、蒙古弓、混凝土 木材、人体骨骼、竹子 2 复合材料的特征 至少包括2种以上的独立化学相（组元） 是按性能要求人为设计和制造的（有别于一般天然材料） 具有各单一组元所没有的综合优良性能（有别于一般混合物）,3 发展简史 40年代 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）出现 60年代 金属基复合材料出现 80年代 陶瓷基复合材料出现 4 复合材料举例 玻璃钢（印刷电路板），轮胎（纤维增强橡胶） 雷达罩（玻璃纤维增强树脂） 火箭鼻锥（碳纤维/树脂）（碳/碳复合材料） 人造卫星天
3、线（碳纤维/镁合金） 航天飞机框架（硼纤维/铝合金） 网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇 休闲 汽车活塞、连杆、自行车飞轮等 民用工业,人类第一架全复合材料飞机,复合材料制品,1-3 复合材料的分类,复合材料的组成 基体(Matrix):含量较大，连续分布的组成相 增强相(Reinforcement Elements):含量较小，分散分布，一般起增强作用 1 按基体的性质分 金属基复合材料（Metal Matrix Composite Materials, MMCs) 树脂基复合材料(Polymer Matrix Composites,PMCs) 陶瓷基复合材料(Ceramic Mat
4、rix Composites,CMCs),2 按增强相的形状分（示意图见下页） 纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Composites, FRCs) 层压复合材料(Laminated Composites, Laminates) 颗粒增强复合材料(Particulate Reinforced Composites, PRCs) 3 按制造方法分 人造或合成复合材料(Synthetic Composites) 自生复合材料（原位复合材料）(in situ Composites) 4 按用途分 结构复合材料(Structrual Composites) 功能复合材料(Functi
5、onal Composites),增强相形状示意图,返回上一页,5 举例 碳纤维增强铝基复合材料 SiC颗粒增强铝基复合材料 梯度复合材料 定向凝固共晶复合材料,1-4 金属基复合材料,1 Why Composites? 1.1 常见金属材料 钢铁、铝合金、铜合金 钛合金、镁合金、镍合金 锌合金、铅合金、锂合金 1.2 新合金的开发：Try and Error(凑试法） 二元合金的开发通常可以借助于相图；但三元合金相图缺乏；四元及以上合金基本上无相图可以参考 1.3 合金强化的方法 冷变形强化、过剩相强化、细化组织强化（晶界强化）、固溶强化、沉淀强化（弥散强化）,1.4 合金强化的途径 阻碍位
6、错的运动 位错理论 在合金的强度增加时，合金的刚度基本不变 1.5 在航空、航天中遇到的问题 比强度、比刚度（模量）的概念 铝合金-强度不足；钛合金-刚度不足,1.6 纤维增强金属基复合材料(金属材料强度的限制：1000 2000 MPa) 以比强度、比模量的提高为主要目的，轻金属为主 也有用于特殊目的：如铜/石墨纤维电刷 1.7 层压复合材料（性能的组合：） 抗磨损、抗冲击、耐腐蚀及电、热等特殊性能要求 1.8 颗粒增强金属基复合材料 耐磨性能、耐热性能（高温强度）、热性能（热胀系数）等； 与弥散强化、过剩相强化的区别：后两者第二相的数量、种类、耐高温性能等受限制,2 金属基复合材料的主要种
7、类 2.1 纤维增强 纤维：碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维、金属丝。 基体：铝合金、钛合金、镁合金、超合金、铜合金 常见的纤维增强体与基体材料的应用情况见下页的表中所示。 2.2 层压复合材料 2.3 颗粒增强 颗粒：SiC, TiC, WC, Al2O3, 石墨 基体：铝合金，钢铁，铜合金，镁合金,常见纤维增强体与基体材料的应用,1-5 复合原则,1 优势（优良特性）互补原则 2 求异相容原则 3 性能（用途）先定原则 4 制备可能性、成本可行性原则,1-6 本章小结,1 什么是复合材料 2 怎样发展起来的 3 哪些种类（分类方法） 4 金属基复合材料的基本常识 5 本课程的要求 目
8、的：系统性，先进性 要求：掌握复合材料的基本增强原理，熟悉复合材料的主要种类，性能特点及其制备方法。,第二章 增强原理,2-1 混合定律(Voigts Law) 1 混合定律 设：复合材料中有N种不同增强相分布在基体中，每一种增强相的剪切弹性模量为Gi，体积分数为Vi( i=1,2,3,N)。记基体的剪切弹性模量和体积分数分别为G0和V0，则复合材料的剪切弹性模量Gc可以近似的表示为：,(ROM, Rule of Mixture)(LOM, Law of Mixture),ROM(Rule of Mixture),对混合物的密度,2 推导条件 等应变假设： 0=1=2=n= ; i=Gi i=
9、 Gi 由式(2.3)和(2.4)， (2.1),3 实验规律：(2.1)式给出的是性能上限 4 推广： 对强度：对于基体和一种增强相： bc=V0b0+V1b1 或 bc=Vmbm+Vfbf 5 适用： 单向增强（连续纤维增强金属复合材料），非常适合； 衡量尺度：接近程度设计制造工艺水平。,2-2 纤维增强复合材料的力学性能 1 应力-应变图 1.1 纤维增强复合材料的应变过程最多三阶段,如下页图示： I：基体、纤维均弹性变形 II：基体塑性变形，纤维仍弹性变形 III：基体、纤维均塑性变形例：金属丝增强金属基体，W/Cu，W/Ni，不锈钢/铝,返回上一页,1.2 陶瓷纤维增强金属基复合材料
10、的应力-应变图,yc,1.3 陶瓷纤维增强金属基复合材料的应力-应变图,2 刚度,2.1 单向增强复合材料的纵向模量 2.1.1 纵向模量的理论值 如图， 设：1）纵向受到外加载荷P; 2）载荷传递良好，纤维与基体之间无滑移; 3）复合材料处于变形的第I阶段，基体与纤维同应变。,2.1.2 影响因素 1）纤维的非直线性； 2）排列不整齐(均匀性和平行度）； 3）复合材料内有空隙； 4）界面结合不良。 2.1.3 纵向模量实际值：式中k 接近1的程度反映工艺水平，k 可达0.9以上。 2.1.4 实例 钨丝增强铜基复合材料, 见下页图示。,2.2 单向增强复合材料的横向模量,2.2.1 两种理论
11、模型 1）串联模型 Vf 小，纤维之间不结联，纤维与基体等应力 (m=f=c) 2）并联模型Vf 大，束状分布在纤维中，横向联结（纤维间基体很薄，只传递载荷，不参与变形或认为变形与基体相同），纤维与基体等应变(m=f =c ) 。 2.2.2 串联模型在PT的作用下（如图示）：,按串联模型,在PT的作用下，横向伸长：l= lf+ lm。由Hooks Law:,按并联模型，容易导出2.2.4 单向增强复合材料的横向模量的实际值代表的是纤维全部独立的情况，是 的极小值；代表的是纤维全部联通的情况，是 的极大值。实际为线性组合（加权和）：其中c为分配系数（纤维相邻系数），0c1。对玻璃纤维增强材料，
12、实验测定的结果是：c=0.4Vf0.025下图是硼纤维增强铝基复合材料的情况。,2.2.3 并联模型,2.3.1 复合材料中短纤维的排列方式通常短纤维很难定向排列，而是按以下两种方式排列：有取向性 完全混乱 2.3.2 短纤维的分布模型有以下两种模型：余弦分布模型与均匀分布模型，如 下所示：,2.3 非定向排列纤维增强复合材料的弹性模量,2）均匀分布,()= 0 /,=0时纤维完全定向分布;=/2时纤维完全混乱分布。,非定向模量与单向增强纵向模量 的比值与角的关系,2.3.3 短纤维的长径比短纤维的长径比(l/d)及其分布对模量有重要影响。长径比越大，长度越均匀，越接近上面的分析。 3.强度纤
13、维增强金属基复合材料的强度受纤维排布方式和受载方向的严重影响，分长纤维（单向增强）和短纤维两种情况。 3. 1 对于长纤维单向增强复合材料：分三种受力方向（如下页图示）讨论。,L-纵向，T-横向，-偏向，,以上3种情况的应力应变示图分别如下所示,4、Lbc与Vf的关系图,3.1.2 Tbc通常，基体与纤维的界面结合强度低于基体的强度，在横向载荷的作用下，纤维可看成空洞-空洞模型。界面的结合状态直接影响Tbc的大小。下面两图是B/Al复合材料Tbc的情况。,B/Al 复 合 材 料 Tbc 的 理 论 值 与 实 验 值,界 面 结 合 状 态 对 B/Al 复 合 材 料 Tbc 的 影 响,
14、3.1.3 bc 3.1.3.1 三种断裂模式与bc 复合材料受到与纤维轴成角的外加栽荷作用时，可能有三种断裂模式，它们是：对应的有：,3.1.3.2 复合材料的离轴强度bc的提高 理论和实验结果表明，复合材料的离轴强度在超过纵向断裂剪切断裂的临界点（3。）后会迅速下降。为克服这个缺点，可以通过用角排布的纤维增强复合材料的薄片分层间隔叠合的方法来消除。 下图是应用这种方法获得的不锈钢丝增强Al基复合材料的强度值。,3. 2 短纤维增强复合材料的强度,3.2.1 短纤维增强复合材料的强度 设金属基体中的短纤维是定向排列的，如图示。其中某一根短纤维中的轴向应变如下页图示。,llc拉断,3.2.3
15、lc的确定：拔出试验，能拔出的最大长度= lc/2,2-3 层压金属复合材料的力学性能,1 刚度 1.1 纵向弹性模量ELc ELc=E1V1+E2V2+EiVi+.+EnVn Vi:体积分数（厚度分数） 1.2 纵向弹性模量ETc,2 强度 用屈服强度不用抗拉强度。 在初始阶段同应变，,实例：如下图示。,实例见下页图示,2-4 颗粒增强原理,弥散强化：d3um,外加。 1 弥散强化(Orowan Equation),示意图,2 颗粒增强 颗粒增强复合材料的增强原理与弥散强化时有区别，颗粒也承受载荷并约束基体变形， 示意图如下页所示。,第三章 复合材料中的增强体,3-1 碳纤维,1 分类,2
16、制造 2.1 PAN（聚丙烯腈）系,2.2 沥青系,2.3 粘胶(rayon)系 粘胶是一种热固性聚合物，将粘胶原丝转变成碳纤维的生产工艺过程与PAN系碳纤维的过程类似，同样分为预氧化、碳化和石黑化三个阶段，其制备的碳纤维力学性能较差而耐烧性和隔热性能好。目前用量较少，美国等国有少量生产。,3 性能特点 1 典型性能 =0.52.5%,2、线膨胀系数小，且各向异性。沿纤维方向其值为负值(-0.5-1.310-6K-1)，沿径向为5.58.4 10-6K-1 。其制品尺寸随温度变化极小，甚至可制出零膨胀系数的制品。 3、耐热性能好，在氮气气氛中加热到1000,几乎 不发生反应。 4、碳纤维的比热
17、容为0.70.9KJ/(Kg K),是很好的耐烧蚀材料。 5、具有良好的导电性能，电阻率为153010-4 cm。 6、对X射线有很强的透过率。,3-2 硼纤维,1 制造（CVD法） 根据使用的底丝材料的不同， 分为钨芯硼纤维和碳芯硼纤维。 硼的密度为2.34g/cm3, 制造过程 的示意图如右所示。反应为： 2BCl3+3H2 2B+6HCl。此反应 为一可逆反应，温度对这一反应的 影响如下页图示。,2 性能特点 1、典型性能2、线膨胀系数4.5 10-8K-1, =0.91.0%,几乎无塑性。,3 带涂层的硼纤维（相容性问题） SiC涂层（Borsic) 涂层厚 1.25um，适于B/Al
18、复合。 B4C涂层 涂层厚 7um，适于B/Ti复合。 4、应用 在F14，F15，F16，航天飞机上都有应用。民用方面，一些高尔夫球杆、网球拍、自行车架等亦有应用。,1 制造 1.1 化学气相沉积（CVD法）根据使用的底丝材料的不同， 分为钨芯碳化硅纤维和碳芯碳化硅纤维。 反应过程的示意图如右所示。反应为： CH3SiCl3 SiC+3HCl。此反应 为一可逆反应。 美国AVCO公司的SCS系列 1.2 有机硅聚物纺丝法-Nicalon工艺流程见下页图示。,3-3 碳化硅纤维,2 性能特点 2.1 典型性能其中，Nicalon可达1.5%，热胀系数12 10-6K-1。,3 SiC晶须(Cr
19、ystal Wisker,一般 d为几个 um ,l为几个mm) 3.1 稻壳法3.2 VLS法,3.3 性能：3.15g/cm3, d=0.11.0um, b=6.8934.5GPa, E=4901035GPa. 4 典型晶须的性能汇总,氧化铝纤维近年来发展较 快，已有美国杜邦、3M公司、日本住友公司和英国的ICI公司等厂家进行批量生产。其中杜邦公司生产的是纯Al2O3纤维， 3M和住友公司生产的是硅酸铝纤维，ICI生产一种-Al2O3短纤维，称为Saffil. 1 Du Pont FP纤维 1.1 生产流程如右图示。,3-4 Al2O3纤维,1.2 性能特点 从室温1000强度下降10%。 2 几种Al2O3的性能比较,3-5 玻璃纤维,1 玻璃纤维的制造生产玻璃纤维的过程是将硅砂、石英石、硼酸和其它成分（粘土，氟石等）干混后，经高温炉熔融，熔化后的玻璃液直接通过漏板形成了玻璃纤维。 2 玻璃纤维的品种 A玻璃：高碱玻璃（钠玻璃），最常用，化学性能稳定； C玻璃：硼硅酸钠玻璃，抗化学作用； D玻璃：低介电性玻璃，用于雷达工业； E玻璃：无碱玻璃，电绝缘性能好； S玻璃：高强度玻璃纤维； R玻璃：粗纤维； M玻璃：高模量玻璃。,3 玻璃纤维的组成与性能,
