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1、1,复 合 材 料,2,1、概 述,一、定义 由两种或两种以上，物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料。复合材料的组成相：增强相-纤维、晶须、颗粒。（不连续相）基体相-金属、陶瓷、聚合物。（连续相）,3,增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。,4,例如：,天然木材-纤维素纤维+木质素钢筋混凝土-砂、石、钢筋+水泥玻璃钢-玻璃纤维+热固性树脂 C/C复合材料-石墨碳纤维+热解碳或树脂碳（耐烧蚀）,5,1、按基体材料分 树脂
2、基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等 60年代 金属基：Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co及其合金 70年代 陶瓷基：Al2O3、ZrO2及非氧化物 80年代 2、按增强相形状分 颗粒 均布、各向同性 纤维（长、短纤维和晶须）各向异性或同性 层片 各向异性,二、复合材料的分类,6,3.按应用目的分 树脂基 250 金属基 600 陶瓷基 1500 碳/碳 3000 水泥基 换能 热电、光电、声电等 阻尼吸声 导电导磁 屏蔽 摩擦磨耗 烧蚀,功能复合材料（注重物理性能）,结构复合材料（注重力学性能）,7,性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。1、主要取决于增强相
3、的性能.比强度比刚度高.冲击韧性和断裂韧性高.耐疲劳性好.减震性.热膨胀系数小,三.复合材料的性能比较,裂纹扩展示意图,8,各种材料的比强度和比模量,9,、硬度 陶瓷基 金属基 树脂基、耐热性 树脂基:60 250 金属基:400 600 陶瓷基:1000 1500、耐自然老化 陶瓷基 金属基 树脂基,2、取决于基体相的性能,10,、导热导电性 金属基 陶瓷基 树脂基、耐蚀性 陶瓷基和树脂基 金属基、工艺性及生产成本 陶瓷基 金属基 树脂基,11,1、设计的三个层次：单层设计-微观力学方法 层合体设计-宏观力学方法 产品结构设计-结构力学方法 单层材料的性能 取决于增强相、基体相和结合界面的力
4、学性能，增强相的含量、分布方向等。设计内容包括正确选择原料的种类和配比。,四、复合材料设计特点,层合体设计,12,层合体的性能 取决于单层材料的力学性能和铺层方法（厚度、纤维交叉方式、顺序等）。设计内容包括：对铺层方案作出合理的安排。产品结构性能 取决于层合体的力学性能、结构几何、组合与连接方式。设计内容：最终确定产品结构的形状、尺寸、连接方法等。,13,2、特点：性能可设计性强（可调因素多）材料设计与结构设计相关联 性能预测性差 如:加和法 没有考虑界面结合的影响，预测性很差。,14,2.基体材料,基体的作用:固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。选材原则：强度、刚度等力学性能，只作
5、一般性考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。,15,相容性：化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。环境适应性：耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。工艺性：制备是否方便，成本是否廉等。,16,一、聚合物基,特点：一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；可选择的增强材料范围广泛，成本最低。研究与应用：发展最早，品种最多，应用最广。可选材料：几乎所有的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、粘结剂。,17,1、热固性聚合物（-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-）.不饱和聚酯树脂 由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线 型预聚体。+a.结构特
6、征：饱和二元酸结构 不饱和二元酸结构,18,b.固化：固化剂-乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。引发剂-过氧化物（加热固化）促进剂-苯胺类和有机钴。室温固化。,19,c.特点 粘度低，工艺性好。综合性能好，价廉，用量约占80%。苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度 和模量较低。一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制 作次受力件。,20,双酚型 CH2-CH-CH2Cl+n(HO-R-OH),(2)、环氧树脂,环氧氯丙烷,二酚基化合物,通式：线性预聚体 CH2-CH-CH2 O-R-O n,21,其中R:,CH3-C-CH3A 丙基,-CH2-F 亚甲基,O-S-OS 砜,双酚型环氧含硬
7、性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。固化特点：环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。,22,b.非双酚型,链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。,23,c.胺基环氧 结构中含高极性的酰胺键（-NHCO-），粘结性好，力学性能较高；但耐水性差，电性能有所下降。d.脂环族环氧 结构中不含苯环，含脂环，稳定性更高，热学性能好，耐紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。e.脂肪族环氧-高韧性环氧 无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。,24,环氧树脂固化：环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化
8、剂交联，形成网状结构。常用固化剂：二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性会有一定的影响。潜伏剂：单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺，室温下可存放6个月，145 165下，80min可固化。,25,环氧树脂特点：粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料 强度高，尺寸稳定。电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。耐酸碱耐溶剂性强。热稳定性良好。,26,(3)酚醛树脂 由酚 和醛 缩合而成。酚/醛 0.9，碱催化可得体型热固性树脂。固化：加热固化 加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。,OH C-H,OH,1,5
9、,3,27,特点：耐热性高，可达315。价格最低。粘附性较 差，收缩率大,气孔率高，性脆。改性：引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛 降低树脂中-OH 基的含量。如：以苯胺或二甲 苯取代部分苯酚。提高电性能。硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能 均提高。,28,应用：,酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量高78，碳化收率达63，因此可用于制作烧蚀材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。,29,2.热塑性聚合物 与热固性聚合物相比：力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。CH3 聚丙烯 CH-CH2 n 柔性
10、无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。.聚酰胺（尼龙）CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH 链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度100，吸水率高。常用品种：尼龙6、66、1010、610等。,30,(3)聚碳酸酯 由双酚A的钠盐与碳酸双酰氯缩聚而成 刚性苯环，Tm=225 250,Tg=145；变形小，抗蠕变，尺寸稳定。可与玻璃纤维和碳纤维复合。,31,(4)聚砜 以砜和苯环连结成硬性链，可在100150下长期使用，Tg 200；S+6处于最高价，抗氧化，耐辐射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达30
11、0。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。此外：耐高温的聚酰亚胺、双马来酰亚胺等杂环结构的聚合物，耐温可达300400，也常作为复合材料的基材。,32,Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Co、Zn、Pb及其合金，金属间化合物（TiAl、NiAl等）选材原则：1使用要求 航天航空：选轻金属 Al、Mg及其合金 高性能发动机：Ti、Ni及其合金 汽车发动机活塞汽缸套：Al合金 工模具：Fe、Co、Ni、Ag、Cu 集成电路散热元件：Ag、Cu、Al,二.金属基材料,33,2.环境温度450 Al、Mg450700 Ti合金 7001000 Ni、Fe、Co耐热合金或金属间化合物3.纤维长度与长纤维
12、复合：纤维承载，宜选纯金属。与短纤维复合：基体承载，宜选合金。4.相容性Al、Mg Tm低，化学活性高Cu、Ag、Ni Tm高，化学活性低 Ti Tm高，化学活性高,34,目的：增韧 基体材料：新型陶瓷 Al2O3、ZrO2、MgO、SiO2、莫来石 TiC、SiC Si3N4、Sialon TiB2、Be2B、Be4B MoSi2,三.陶瓷材料,35,3.增强材料,玻璃纤维 低档 2040元/Kg 碳纤维 高档 6001000元/Kg 芳纶纤维 中档 200400元/Kg SiC纤维 B纤维 Al2O3纤维 金属丝,金属和陶瓷基,36,1.品种 有碱玻璃纤维 A Na-Ca-Si系普通玻璃（
13、Na2O15%）中碱玻璃纤维 Na2O(10.512.5%)用量少 无碱玻璃纤维 E Ca-Al-B-Si系 用量大 高强玻璃纤维 S Mg-Al-Si系 或B2O3系 高弹玻璃纤维 M S系中加入BeO,一.玻璃纤维GF,37,2.GF的制备制玻璃球铂金坩埚熔融小漏孔拉丝（102、204、408孔）涂浸润剂并股成纱纺织成布、毡或带。,38,粗纱 30m 无捻粗纱、无纺布 初级纱 20m 短切纤维、纤维毡 中级纱 1020m 高级纱 310m 纺织 浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：石蜡乳液 复合前须清除 聚醋酸乙烯酯 不必清除 改性有机硅类 不必清除,39,3.GF的性能(1).力
14、学性能 抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；直径d,强度；长度，强度。弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。因密度低2.5，比模量高。断裂延伸率：低 3%(2).热学性能 导热系数：比块玻璃低12个数量级 耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤 500;耐热玻纤(石英，高硅氧)1200,40,(3).电性能 碱玻璃电绝缘性差，随温度、湿度，绝缘性。无碱玻璃电绝缘性好。(4).耐蚀性 纤维比表面积大，化学稳定性差。加入网络形成体可改善耐蚀性。无碱玻璃耐水性好。中碱玻璃耐酸性好。无碱和中碱玻纤耐碱性相近。,41,二、碳纤维CF,由有机纤维经高温固相反应（脱氢、交联、环化、石墨化）而得，主要成分为碳的无机纤维。
15、具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构件，如航天航空、高档体育器材中。,42,44,1品种 分高强、高模、中模和低性能碳纤维 聚丙烯腈基纤维 高、中性能碳纤维 人造丝基(粘胶)纤维 沥青基纤维 低性能碳纤维 其它(多环结构的天然纤维),原料选择原则：,C链结构，杂链结构只能成碳黑。易于交联、环化，碳收率高。主链内含有环状结构、硬性、结晶度高的纤维。,45,2制备方法,碳化法 生产长纤维拉丝：制有机长纤维牵伸：规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。氧化稳定：低温，400，防止热塑化。碳化：1000
16、2000，保护性气氛下，脱氢、交联、环化，得乱层环状石墨。石墨化：20003000，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成 聚合碳结晶，并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增 高，热膨胀系数下降。但温度过高强度反而下降。气相法 生产短纤维 高温分解小分子有机物，气相沉积纤维结晶。,46,3.CF 性能 力学性能 强度约为GF的2倍 模量约为GF的35倍 密度低1.72，所以比强度、比模量高。断裂延伸率0.52%热学性能 升华温度高达3800，耐高温性好。热膨胀系数小，纵向为负。,47,物理性能 导热、导电、自润滑。化学性能 耐酸碱性强，高温抗氧化性差。C纤维电极电位为正，与金属复合易引起电偶腐蚀。,
17、48,高强度有机纤维，由对苯二酰与对苯二胺缩聚而成。,结构与尼龙相似，含大量的高极性酰胺键，但含苯环硬性链。,型,型,三.芳纶纤维KF,49,50,1性能 力学性能 纵向拉伸强度与CF相当；密度低1.44，比强度大。横向强度低。弹性模量CF KF GF 抗冲击性能很好。热学性能 长期使用 200 热膨胀系数纵向为负 化学性能 耐中性化学品腐蚀，吸水率高。,51,2.应用,航天航空：温度不高的高强度结构受力件军事：防弹器件民用：高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、皮带的加强纤维。,52,四.其它纤维1.SiC纤维采用化学气相沉积法，将SiC沉积在W丝或C纤维表 面而得。强度、模量与C纤维相近，耐高温达
18、1000，耐腐蚀、耐辐射。可用于要求耐热的高强度结构件，主要与金属基和陶瓷基复合。特点：共价键，相容性好，与基体结合强度高。,53,2.B纤维气相法将B沉积在W丝或C纤维表面而得。拉伸强度不高300MPa突出特点：弹性模量高，相容性较好。主要用于金属和陶瓷增强。3.Al2O3纤维熔融垂直拉单晶的方法制备，价贵;高温不存在氧化问题，与金属等复合容易;抗拉强度比GF高3倍，电学性能优良；不足之处是密度高3.20g/cm3,54,4.晶须 陶瓷晶须 金属晶须是目前强度最高的品种，接近理论强度，比相应的长纤维高一个数量级。复合增强效果不及长纤维，只能作为补强剂使用。价贵，用量有限。,55,56,57,
19、E,A,210,47,96,58,59,4.复合界面,复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过界面偶合，它起着传递应力，阻断裂纹扩展，散射吸收各种电磁波，电偶腐蚀等作用。复合过程中，液体材料通过润湿、渗透、扩散和化学反应形成一层成分、结构不 同于两相的过渡层微区界面。基体扩散层化合物层 扩散层纤维,基体,纤维,60,1.物理结合（机械咬合+次价键结合）液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。极性树脂如：酚醛、聚酰胺、环氧等，与极性纤维具有良好的润湿性，并可形成次价键结合。非极性树脂如：聚乙烯、聚丙烯。聚四氟乙烯等，结合力弱，复合
20、效果差。CF表面极性差，经氧化后可提高结合力。,一典型界面结合,61,总之：,物理结合是一种比较弱的结合方式。树脂基复合材料若不经特殊处理，多为物理结合。金属基部分以物理方式结合。陶瓷基几乎不以这种方式结合。,62,2.扩散融合,两相成分不同，经扩散或熔融形成过渡层，性质介于两相之间，结合力较强。金属与陶瓷基复合温度较高，小分子和原子易于扩散，较常见。3.化学结合化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。,63,树脂基复合材料：为提高两相的润湿性和结合力，通常采用偶联剂处理纤维表面，或将偶联剂直接加到液态树脂中，以便形成化学键结合。金属与陶
21、瓷材料：化学键结合常见。多数情况在界面上形成化合物层，脆性大，对力学性能不利。尤其是高温使用的材料，应防止延续反应。,64,二.增强材料的表面处理,为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤维进行的预处理 表面改性。要点：不同的复合体系应采用不同的处理方法。树脂基 提高化学结合 金属及陶瓷基 抑制化学反应,65,1玻璃纤维GF成分为SiO2，表面吸水后成-OH，可与含-OH、COOH、-Cl的偶联剂反应成醚键结合。偶联剂通式：R-M X M-中心离子 Cr+3、Si+4、Ti+3等高价金属离子。R-可与聚合物交联的基团。如不饱和双键、氨基、环氧、巯基等。X-可与玻纤表面醚化的活性基团。如：-
22、Cl、-OH、-COOH、-OCH3、-OC2H5。,66,2.碳纤维 氧化法-提高表面粗造度和极性。沉积法-CVD沉积碳晶须。电聚合法-接枝高分子支链3芳纶等有机纤维 等离子处理，使苯环氧化成-COOH、-OH；或接枝聚合生成高分子支链。,67,4.与金属基复合的纤维目的：提高浸润性，抑制化学反应。CF、BF与金属反应活性高，化学相容性差；氮化物、碳化物纤维反应活性较低；Al2O3反应活性最低。措施：降低复合温度，减少高温停留时间。涂覆隔离层。如CF、BF表面涂SiC。镀覆金属层，改善浸润性。如Al2O3纤维镀Cu、Ni等。,68,5.聚合物基复合材料,一.基本性能 具有较高的比强度和比模量
23、。抗疲劳性能好，安全性高。减振、隔音、保温、隔热。弹性模量不够高、断裂延伸率小、抗冲击强度差、横向强度、层间剪切强度低。手工劳动强度大，质量不稳定。,69,二.品种,1、GF增强热固性塑料（GFRP）-玻璃钢,70,、聚酯玻璃钢 加工性能最好。低粘度，可室温固化；价低，用量占80%。、环氧玻璃钢 综合力学性能最好，耐蚀性好；粘度大，施工困难。酚醛玻璃钢 耐热性最好,350长期使用，短期可达1000；电学性能好，耐电弧。,72,2、GF增强热塑性塑料(FR-TP)特点：、比重最轻1.11.6、抗儒变性等力学性能明显提高、热学性能大大改善50%、尺寸稳定性提高,73,74,3、高强度纤维增强塑料,
24、75,、C纤维增强塑料 比强度，比模量最高的材料；耐腐蚀耐热都很 好。抗冲击性差，价格昂贵。、芳纶纤维增强塑料 与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。抗拉强度与C纤维相当，冲击强度远高于C纤维；振动衰减是玻璃钢的45倍。抗压性能差。,76,、B纤维增强塑料 突出优点是刚度好，价格比C纤维还贵。、SiC纤维增强塑料 突出优点是与树脂相容性好。,77,芳纶纤维增强,C纤维增强,78,包括：材料设计和结构设计。材料设计：根据使用要求，选取原材料；安排合适的工艺路线，将其制成满足性能要求的材料。结构设计：确定构件的最终构型、几何尺寸、组合关系等，使之 满足力学性能，安全寿命，可加工性和经济性要求。设
25、计过程：,三、聚合物基复合材料设计,材料设计,结构设计,79,1设计条件,载荷情况 环境条件：温度，湿度，腐蚀等。可能引起的强度 下降。（如GF、KF耐湿性差）功能性要求：如烧蚀、润滑、导电、导热、防雷电、抗电磁干扰、透光等。构件形状限制：紧凑性、可靠性，施工性和经济性。,静载-强度，刚度。动载-抗冲击强度。交变-疲劳强度。,80,2原料选择,原则：满足性能要求，廉价，易于获得。GFKFCF 特殊要求：高强度，高刚度 高性能CF、BF 高抗冲击 GF、KF 低温性能 CF 尺寸稳定 KF、CF 透波，吸波 GF、KF、Al2O3,81,82,基体材料树脂的选取：,受力结构件首选热固性树脂；大量
26、使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）。150，聚酯或环氧150400，聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）,83,3、单层设计 目的：为层合板设计提供依据-强度、刚度。一般过程：确定复合比 性能预测 实验校核、确定复合比,84,、刚度预测与核定 理论推测，实验核定。、强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。纵向拉伸强度（纤维延伸率小，首先断裂。）,纤维量多，取决于纤维,纤维量少，取决于基体,85,纵向压缩强度,取计算结果小者,最后以实验校核为准,86,4、层合板设计 内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。,0/+45/90/-45,0/90,0,4
27、5,87,铺设技术要点：,对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。均匀铺设：相邻层间角尽可能小，以防内应力过大。最小铺设方向610%。边缘包层冲击载荷区以0层承载，45层分散应力均衡负荷。厚度变化区以阶梯过渡。,88,5、结构设计 一般采用迭代法，适当修改。、平缓过度，防止突变。、合理拆分与合并。、壁厚7.5mm，确保固化充分。,可拆分件,旋翼与旋毂可合并,89,6、实验校核 按拉伸、压缩、剪切，根据国标或行标实验校核，结果与设计值比较。设计值=安全系数 使用值 安全系数选取：玻璃纤维 23 高强度纤维 1.52 民用取上限，军事用途可取低些。,90,1、手糊 工艺过程：模具 涂脱模剂 刷胶衣
28、刷树脂 贴增强剂 固化 脱模 后处理 成品、原料选择 基体：液态热固性预聚体。纤维：纤维布、毡、无捻粗纱。脱模剂：脱模蜡，塑料薄膜，有机硅类，改性甘油三 乙酸酯类。,四.成型加工,91,蜡型脱模剂,92,、胶液配方,93,94,(3)、糊制刷胶衣：纵横各一遍，施胶量300500 g/m2，厚度0.250.5mm。结合层糊制：待胶衣半固化后进行，用柔软的表面毡作过渡层，再贴纤维。铺层尽可能连续，错位对接，严禁达接。,95,(4)、固化 不饱和聚酯：固化剂-苯乙烯 引发剂-过氧化物 促进剂-有机钴 温度-15 湿度-80%时间-24小时脱模，一周使用。,手糊玻璃钢赛舟,96,2.缠绕成型,将浸过树
29、脂胶液的连续纤维或布带，按一定规律缠绕在芯模上，然后固化脱模得成品。成型工艺分湿法和干法缠绕。缠绕设备可自动控制固化可室温或加热固化模芯材料：石膏、石蜡、金属及合金、塑料等，要便于脱模。适用于：中空高压容器。如：火箭发动机壳体、导弹发射筒、大型储罐、管材等。,97,聚脂、环氧树脂,酚醛、热塑性树脂,99,3.树脂传递模塑（模压法）先将纤维布、毡裁剪铺设在密封模具内，再高压注入液态树脂固化。可生产结构复杂、高精度的零件，表面质量好。,100,4.拉挤成型 挤压法 生产横截面相同的线型型材。生产效率高，自动化程度高，纤维含量可高达4080%。,101,102,6.金属基复合材料,一、基本性能与种类
30、 1、性能 与下列材料相比：金属及合金 高的比强度，比刚度。聚合物基复合材料 导电、导热、耐热性好。陶瓷基复合材料 高韧性和高冲击强度。,103,2、种类,(1)、按金属基体分 铝基：d=2.7 f.c.c.Tm=660 塑性韧性好，易加工；熔点低，可避免与纤维过度反应；强化效果好，价廉。镍基：d=8.9 f.c.c.Tm=1453 高温性能好，可加工成薄膜，抗氧化性好。钛基：d=4.51 h.c.p.(b.c.c.)Tm=1668 更高的比强度，比模量，耐腐蚀。(T/=883),104,(2)、按增强剂形态分 颗粒:（体积比20%粒径1m）增强效果较低。层片：二维方向，垂直片方向（裂纹核心）
31、。纤维：单向明显，横向影响不大。3、纤维选择要点 高强度、高模量。（明显高于金属基体）耐热性高（如：KF不宜选用）价格低（比较突出的制约因素）相容性好（膨胀系数相近，高温惰性）,105,106,W、Mo丝：密度高Be丝：价很高GF：与金属相容性不好Al2O3：拉籽晶价高，单晶表面擦伤敏感C纤维：细纱难浸润，与多数金属反应，抗折性差B纤维：以W丝或C纤维作底，CVD沉积，价高SiC和B4C：以W丝或C纤维作底，CVD沉积，价高化学相容性好，与基体结合好，抗高温儒变。,以上纤维强度、弹性模量较高，价高且各有不足：,107,1、制造方法 单层复合+层叠热压 金属薄与纤维粘接或等离子喷涂焊合成单层，裁
32、剪、叠片、热压。粉末冶金法 如：硬质合金 铸造法（比重偏析）汽缸套、活塞 电镀（铸）法 金刚石金属磨头2、技术关键与难点 防止高温氧化。高压纤维易损伤，断裂。,二、制造方法及关键技术,纤维的均匀分布。控制界面反应。,108,三、铝基复合材料,大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767常用：B/Al、C/Al、SiC/AlSiC纤维密度较B高30，强度较低，但相容性好。C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。基体材料可选变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝。它们塑性好制备铝薄易。,109,四、镍基复合材料,熔点高，耐氧化性好，使用温度可达1000。BF、CF耐氧化性差，多选用-Al2
33、O3晶须。制备方法：热压法、液态渗透法、粉末冶金法。为提高润湿性，可使晶须表面金属化。如溅射或电镀,110,五、钛基复合材料,钛及其合金是比强度、比刚度最好的基材，耐蚀性和耐高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度）但钛薄难制，化学活性高，与C纤维和B纤维反应生成TiC和TiB2白亮层。解决办法：高速工艺-缩短高温停留时间 低温工艺-850热压15分钟 表面包覆-涂SiC 合金化-提高基体稳定性,111,112,1、存在问题 浸润性差，难渗透。易曲折，热压难。相容性差。电偶腐蚀。,六、C纤维增强金属基复合材料,2、解决方法 电镀Ta、Ni、Ag包覆 涂覆SiC、TiC、B4C等 压渗法 复合纤
34、维制备,C纤维具有很好的力学、热学、电学和自润滑性能，价格也较B纤维有优势，应用前景光明。,113,C纤维压渗Al,涂Ni碳纤维拉丝复合Al,114,原位生长晶须。采用控制熔体冷凝速度，在金属基体内生长出晶须。如：Al基：Al2O3、AlN；Ti基：TiN、TiC优点：增强纤维分布均匀 基体与纤维结合力强 热稳定性好 易于加工，直接铸造成型,七、自增强金属基复合材料,金属基复合材料实例,116,7.陶瓷基复合材料,一、增韧补强机理负载转移：高弹纤维承受比基体更大的应力，强度、韧性提高。预应力效应：纤维热膨胀系数高于基体时，基体受预压应力而强化。拔出效应：复合材料破断，纤维从基体中拔出要消耗部分
35、能量。裂纹扩展受阻：纤维阻止裂纹扩展，消耗部分能量。裂纹转向：裂纹尖端受阻钝化而转向，要消耗更多的表面能。纤维断裂：高强度纤维断裂，要消耗更大的能量。,117,118,二、各种纤维增强陶瓷基,1金属纤维 W、Mo、Ta、Nb、Cr、Fe、Ni、Co、不锈钢丝。如：Mo、Ta/Al2O3；W/TiC、TaC、HfC、ZrC W、Mo/ZrO2、ThO2；W（涂SiC）/Si3N4 2陶瓷纤维 C、SiC(W)、B4C(W)、BN、Al2O3(W)纤维或晶须。可与Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4陶瓷复合。(1)性能特点 使用温度范围广，高温强度高，耐热冲击，抗儒变。,119,(2)、影响增
36、强效果的因素 尺寸因素 纤维过细反应活性高，过粗相当于裂纹。2030m好。长纤维增强效果好，晶须长/径5为好。排列方向:与主应力平行。纤维（晶须）含量及均匀性 含量：断裂韧性，但密度，强度。均匀性：强度，断裂韧性影响不大。,120,相容性 纤维热膨胀系数应约大于基体。纤维弹性模量应高于基体。两相化学性质要稳定，陶瓷基以共价键化合物为好。如SiC、Si3N4、BN等。界面性质 界面结合力应适中。,121,1瓷浆浇铸法 短纤维混合分散在陶瓷浆体中，浇铸，吸水，干燥，烧结。工艺简单，成本低，增强效果有限。（致密度不够）2热压烧结法 短纤维与陶瓷粉末混合，模压成型，热压烧结。结合力好，但纤维易受损。,
37、三、成型工艺,122,3浸渍法 长纤维编织或缠绕成型，浸渍陶瓷浆，干燥烧结。工艺简单，烧结密度低。,123,发展方向：1高性能陶瓷纤维和晶须的制备技术。2纤维和晶须的表面处理技术。3长纤维陶瓷复合材料的制备技术。4界面结合强度与材料强度韧性的关系。5复合比与材料强度韧性的关系。6重视纤维晶须和颗粒共复合的协同效应。7.玻璃-陶瓷基体的研究。,四应用领域及发展方向,124,8.水泥基复合材料,一、水泥的基本特性与增强方法 刚/柔比高；抗压/抗拉比高；W/C比高。增强（韧）方法：加入高强度集料 混凝土 纤维增韧（要求纤维粗，较长）聚合物改性 浸渍填充、聚合物取代或部分取代水泥基体。,125,1、混
38、凝土 以水泥为基，加入砂、石，钢筋。骨料要求强度高，耐碱性好，与基体有良好的结合，价廉。钢筋与水泥相容性好，耐碱。为提高钢筋强度和结合力，近年来要求冷拉、表面轧槽。,二、水泥基复合材料种类,126,2、纤维增强水泥,可用纤维见下表：为防止Ca(OH)2和水对纤维的不利影响，水泥中需掺入矿渣、火山灰或粉煤灰等活性填料。技术要点：基体强度要高 强度取决于基体，选高标号水泥。膨胀系数要适当 af am，产生预压应力。纤维足量 纤维相互交错搭接，产生叠加效应。弹性模量要匹配 Ef Em,127,128,3、聚合物改性(1)、聚合物浸渍 将已干固的混凝土构件，浸入聚合物单体或预聚体溶液中使其渗入空隙，通
39、过加热聚合、固化形成聚合物填充。提高密度、强度和韧性。(2)、聚合物混凝土（可归入聚合物基复合材料）聚合物完全取代水泥，作为集料的结合剂。常用聚合物：环氧、脲醛、糠醛、聚酯树脂等。性能好，价格较高。应用：如人造石,129,(3)、聚合物水泥混凝土,特点：抗折强度明显，抗压强度。韧性，刚度、脆性。抗渗透性、耐侵蚀性。粘补性好。工艺简单，成本低。,聚合物部分取代水泥。要求聚合物具有亲水性，在水中或能溶解或能分散成乳液。加入状态可以是单体、聚合物乳液、聚合物粉末。,130,132,三、成型工艺,1、混凝土设计与施工设计过程：原料选择 工程计算 实验校核调整初定配方：水:灰:砂:石 0.5:1:1.5
40、:3实验校核：强度实验与和易性实验调整：提高水泥标号或用量，可提高强度。提高水量、降低石料用量，可提高和易性。最终配方中水泥用量、W/C需满足耐久性要求。,133,最终配方满足耐久性要求,134,预应力技术,135,136,2、纤维增强水泥的成型(1)、直接喷射法 砂浆配比：W/C=0.30.4；S/C=0.51 耐碱短切纤维：1250mm；含量约35%。,137,(2)、喷射脱水法 上法经减压，脱去多余水份，提高密度和强度。,138,(3)、预混料浇铸法 纤维与砂浆混合，铸模成型。,139,(4)、压力法 预混料铸模后，加压脱水。(5)、离心成型法 离心成型+脱水。适合于回转体构件，纤维可进
41、行表面集中增强。,140,3聚合物水泥砂浆及混凝土的成型 砂浆配比（一般用于表面工程）P/C=520%W/C=0.30.6 S/C=23 按和易性确定 混凝土配比（主干工程）P/C=515%W/C=0.30.5 S+G/C=57 S/S+G=4050%,141,9.C/C复合材料,一.简述高熔点材料 W：Tm=3500；TaC、HfC：Tm=4000；C石：升华 3800C/C复合材料的研制，起始于火箭发动机喷嘴大型石墨件的改进。由于石墨强度低、脆性大，高速气流冲蚀严重。,142,采用碳纤维编织物浸渍沥青，1000碳化，2800 石墨化后，获得了性能优良的整体C/C复合材料。C/C复合材料是伴
42、随航天工业的发展而成长的，是最理想的烧蚀材料。烧蚀热高，烧蚀率低且均匀。具有极好的生物相容性。应用：再入大气层的航天飞行器热防护材料，飞机、汽车的制动片，高速轴承、人造骨骼、心脏瓣膜等。,143,二.成型加工技术,关键技术：提高致密度和均匀性。纤维织物密度 d=0.2 0.8，复合后要求达1.42.0。提高纤维编织工艺技术。（CF柔顺性差）,144,1、坯体的编织长纤维编织：可分为单向、双向、三向、四向、和七向。纤维毡：可用长纤维编织加强。,三向编织坯体,三向增强毡坯体,145,短纤维：与树脂混合，热压成型，或调浆喷射成型。,喷涂成型工艺,146,2、基体的获得(1)、沥青基 沥青中含大量苯环
43、，含碳高，碳化收率高。沥青液化 浸渍 碳化 石墨化(2)、树脂基 结构特点：分子链含大量苯环和杂环结构，固 化后呈交联网状耐高温树脂。优点：（与沥青比）低粘度（低温、低压、工艺性好）纯度高，结构稳定。含碳量高，碳化收率大。,148,(3)、CVD热解碳 高温热分解小分子碳氢化合物，在纤维坯体上沉积活性碳，然后石墨化。最大问题：表面积碳，内外不均。解决办法：a.热梯度法 b.压差法 c.脉冲法,热梯度法沉积示意图,149,150,热解碳与树脂碳比较：,热解碳工艺简单纤维不受损伤致密均匀、强度较高2500石墨化后，抗热振性提高明显，可有效防止烧蚀过程中的开裂剥落。,151,三、主要性能,1力学性能
44、 密度小，高的抗拉强度和高弹性模量，高温下性能稳定。,碳素材料性能比较,碳素材料强度与温度的关系,152,2热学性能 热膨胀系数小，导热性好，耐热冲击性极好。3烧蚀性能 表面烧蚀温度高，通过辐射和升华带走大量热；烧蚀率低，且均匀。,不同材料的有效烧蚀热,153,4、生物相容性好 可用于人体骨骼，心脏瓣膜等。5、隔热性差 控制材料的密度梯度，或与其它材料复合成梯度材料。6、抗氧化性不好 加入抗氧化性物质，或用SiC涂层。,154,10.混杂纤维复合材料,一、复合思想的延伸二、常用纤维的性能缺陷,155,三、混杂实例,飞机机翼、直升机旋翼，可选价廉的GF制作整体，用CF或KF补强 翼尖、翼缘。快艇船壳用GF，边缘用KF提高刚度。大型板壳体，内用GF外包CF制成夹层。电器外壳，要求表面不带静电，并具有抗干扰屏蔽作用，可在玻 璃钢内加入CF。航天器上要求尺寸稳定的构件，如摄影机支架，太阳能帆板架，卫星接收发射天线等。由于在-160+100之间工作，可采用 CF+GF、KF+GF配合，制成零膨胀系数的混杂复合材料。,157,
