第九章復合材料及加工工藝9.1復合材料的基本特性9.2常用復合材料9.3復合材料的成型工藝9.4復合材料在產(chǎn)品設(shè)計中的應用第九章復合材料及加工工藝9.1復合材料的基本特性9.1復合材料的基本特性復合材料(Compositematerials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)，通過一定的工藝組合而成的材料?；w材料和增強材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。1什么是復合材料克服單一材料的缺點，產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能。9.1復合材料的基本特性復合材料(Compositema復合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，與連續(xù)相相比，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著增強，故常稱為增強體(也稱為增強材料、增強相等)。復合材料的結(jié)構(gòu)復合材料=基體+增強體復合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是以獨3硬質(zhì)顆粒增強體高強纖維纖維編織物金屬塑料基體陶瓷在大多數(shù)情況下，增強相較基體硬，強度和剛度較基體大。在基體與增強體之間存在著界面。硬質(zhì)顆粒增強體高強纖維纖維編織物金屬塑料基體陶瓷在大多數(shù)情況4復合材料的組成及作用（基體）連續(xù)相（增強體)分散相粘接和固定增強相分配增強體的載荷保護增強體免受環(huán)境影響增加強度、改善性能界面相傳遞作用、阻斷作用、誘導效應……＋＋復合材料的組成及作用（基體）連續(xù)相（增強體)分散相粘接和固定5A組成與結(jié)構(gòu)特點（1）具有可設(shè)計性（2）組元間有明顯界面或呈梯度變化的多相材料；（3）性能取決于各組分性能及協(xié)同效應。B性能特點比強度高抗疲勞性能好耐磨減磨性能高減震能力強高溫性能好化學穩(wěn)定性高成型工藝簡單靈活2復合材料的特點A組成與結(jié)構(gòu)特點B性能特點2復合材料的特點6復合材料性能不足之處1、橫向拉伸強度和層間剪切強度低。2、斷裂伸長率低，沖擊韌性有時不好。3、制造時產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，分散性大，質(zhì)檢困難。4、抗老化性能不好。5、機械連接困難。6、成本太高。復合材料性能不足之處1、橫向拉伸強度和層間剪切強度低。7按組成分①金屬與金屬復合材料②非金屬與金屬復合材料③非金屬與非金屬復合材料按結(jié)構(gòu)特點：①纖維復合材料②夾層復合材料③細粒復合材料④混雜復合材料3復合材料分類按組成分3復合材料分類8按基體類型分類①樹脂基復合材料②金屬基復合材料③陶瓷基復合材料④碳-碳復合材料按基體類型分類9.2常用復合材料1纖維增強復合材料基體：強度低、模量低、韌性好增強纖維：強度高、模量高、脆性大增強纖維化學纖維金屬纖維陶瓷纖維碳/硼纖維玻璃纖維塑料基體基體金屬基體陶瓷基體9.2常用復合材料1纖維增強復合材料基體：強度低、模量低玻璃纖維增強塑料（FiberReinforcedPlastics），也稱樹脂基復合材料（ResinMatrixComposite）是目前技術(shù)比較成熟且應用最為廣泛的一類復合材料。用短切的或連續(xù)纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹脂基體，經(jīng)復合而成。1）玻璃纖維增強塑料玻璃纖維增強塑料（FiberReinforcedP11A熱塑性玻璃纖維增強塑料構(gòu)成：熱塑性樹脂+玻璃纖維性能：強度高、疲勞性能好、沖擊韌性高、抗蠕變性好B熱固性玻璃纖維增強塑料—玻璃鋼構(gòu)成：熱固性樹脂+玻璃纖維性能：強度高、質(zhì)輕、電絕緣、絕熱、抗腐蝕、憎水性以玻璃纖維作為增強相的樹脂基復合材料在世界范圍內(nèi)已形成了產(chǎn)業(yè)。A熱塑性玻璃纖維增強塑料B熱固性玻璃纖維增強塑料—玻璃鋼122）碳纖維增強復合材料A碳纖維塑料復合材料性能優(yōu)于玻璃鋼B碳纖維金屬復合材料強度高、質(zhì)量輕C碳纖維陶瓷復合材料強度高、質(zhì)量輕2）碳纖維增強復合材料A碳纖維塑料復合材料B碳纖維金屬復13粒子增強復合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導致塑性變形的位錯運動(金屬基體)和分子鏈運動(聚合物基體)。這種復合材料是各向同性的。

衛(wèi)星用顆粒增強鋁基復合材料零件2粒子增強復合材料粒子增強復合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導致14陶瓷基粒子復合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。

聚合物基粒子復合材料如酚醛樹脂中摻入木粉的電木、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣塑材料。粒子增強SiC陶瓷基復合材料顆粒增強鋁基泡沫復合材料碳黑增強橡膠陶瓷基粒子復合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。粒子增強SiC陶15金屬基粒子復合材料又稱金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等組成的非均質(zhì)材料。碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應用，稱作硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常以Co、Ni作為粘結(jié)劑，WC、TiC等作為強化相。

硬質(zhì)合金組織(Co+WC)硬質(zhì)合金銑刀金屬基粒子復合材料又稱金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳16硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦(YT)兩類。牌號中，YG后的數(shù)字為含Co量，YT后的數(shù)字為碳化鈦含量。硬質(zhì)合金硬度極高，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金軸承刀具硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦(YT)兩類。牌號中，YG17是指在基體中含有多重層片狀高強高模量增強物的復合材料。這種材料是各向異性的(層內(nèi)兩維同性)。如碳化硼片增強鈦、膠合板等。層狀陶瓷復合材料斷口形貌三明治復合3層狀復合材料是指在基體中含有多重層片狀高強高模量增強物的復合材料。這種材18雙金屬、表面涂層等也是層狀復合材料。層狀結(jié)構(gòu)材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機制造、運輸及包裝等。

有TiN涂層的高爾夫球頭鋁合金蜂窩夾層板層狀復合雙金屬、表面涂層等也是層狀復合材料。有TiN涂層的高爾夫球頭199.3復合材料的成型工藝復合材料成型工藝是復合材料工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和條件。隨著復合材料應用領(lǐng)域的拓寬，復合材料工業(yè)得到迅速發(fā)鎮(zhèn)，其老的成型工藝日臻完善，新的成型方法不斷涌現(xiàn)，目前聚合物基復合材料的成型方法已有20多種，并成功地用于工業(yè)生產(chǎn).9.3復合材料的成型工藝復合材料成型工藝是復合材料工（1）手糊成型工藝--濕法鋪層成型法；

（2）噴射成型工藝；

（3）樹脂傳遞模塑成型技術(shù)（RTM技術(shù)）；

（4）袋壓法（壓力袋法）成型；

（5）真空袋壓成型；

（6）熱壓罐成型技術(shù)；

（7）液壓釜法成型技術(shù)；

（8）熱膨脹模塑法成型技術(shù)；

（9）夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)；

（10）模壓料生產(chǎn)工藝；

（11）ZMC模壓料注射技術(shù)；

（12）模壓成型工藝；

（13）層合板生產(chǎn)技術(shù)；（1）手糊成型工藝--濕法鋪層成型法；

（2）噴射成型工藝；（14）卷制管成型技術(shù)；

（15）纖維纏繞制品成型技術(shù)；

（16）連續(xù)制板生產(chǎn)工藝；

（17）澆鑄成型技術(shù)；

（18）拉擠成型工藝；

（19）連續(xù)纏繞制管工藝；

（20）編織復合材料制造技術(shù)；

（21）熱塑性片狀模塑料制造技術(shù)及冷模沖壓成型工藝；

（22）注射成型工藝；

（23）擠出成型工藝；

（24）離心澆鑄制管成型工藝；

（25）其它成型技術(shù)。

（14）卷制管成型技術(shù)；

（15）纖維纏繞制品成型技術(shù)；

（9.4復合材料在設(shè)計中的應用9.4復合材料在設(shè)計中的應用23

聚合物基纖維增強復合材料通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強高分子材料。這類復合材料的性能較環(huán)氧樹脂等基體有大幅度的提高，比強度也高得多。材料種類縱向抗拉強度

MPa縱向彈性模量

GPa環(huán)氧樹脂

696.9環(huán)氧樹脂/E級玻璃纖維102045環(huán)氧樹脂/碳纖維（高彈性）1240145環(huán)氧樹脂/芳綸纖維（49）138076環(huán)氧樹脂/硼纖維（70%Vf）1400-2100210-280聚合物基纖維增強復合材料材料種類縱向抗拉強度

MPa24聚合物基纖維增強復合材料零件芳綸剎車片高溫構(gòu)件碳纖維增強聚酰亞胺復合材料制航空發(fā)動機聚合物基纖維增強復合材料零件芳綸剎車片高溫構(gòu)件碳纖維增強聚酰25

纖維增強金屬基復合材料金屬的熔點高，故高強度纖維增強后的金屬基復合材料（MMC）可以使用在較高溫的工作環(huán)境之下。常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂合金。作為增強體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、SiC和C纖維；Al2O3纖維通常以短纖維的形式用于MMC中。纖維增強金屬基復合材料26

纖維增強陶瓷復合材料陶瓷材料耐熱、耐磨、耐蝕、抗氧化，但韌性低、難加工。在陶瓷材料中加入纖維增強，能大幅度提高強度，改善韌性，并提高使用溫度。陶瓷中增韌纖維受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韌性越好。纖維增強陶瓷復合材料27用晶須作為增強相可以顯著提高復合材料的強度和彈性模量，但因為價格昂貴，目前僅在少數(shù)宇航器件上采用?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，晶須(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韌的作用。ZnO晶須自增韌Si3N4陶瓷用晶須作為增強相可以顯著提高復合材料的強度和彈性模量，但因為28

玻璃鋼

增強劑——玻璃纖維（主要是SiO2），比強度和比模量高，耐蝕，絕緣。粘結(jié)劑（基體）——熱固性的酚醛、環(huán)氧樹脂，熱塑性的聚脂。性能（與基體相比）——(比)強度，疲勞性能，韌性，蠕變抗力高。用途——軸承，軸承架，齒輪，車身。玻璃鋼29

碳纖維樹脂復合材料增強劑——碳纖維(石墨)，強度和彈性模量高，且2000℃以上保持不變；-180℃不變脆。粘結(jié)劑（基體）——環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂，聚四氟乙烯。性能（與基體相比）——強度，疲勞性能，韌性，耐蝕，蠕變抗力高。用途——火箭外殼，齒輪，軸承，活塞，密封圈，化工容器。碳纖維樹脂復合材料30

硼纖維樹脂復合材料增強劑——硼纖維,σb=2750～3140MPa，E=382～392M