1、第五章 復合材料的增強材料與基體,第五章 復合材料的增強材料與基體,碳/碳復合材料,陶瓷基復合材料,金屬基復合材料,聚合物基復合材料,復合材料概述,增強材料,應用舉例：無處不在的復合材料,土房-草增強泥基復合材料,鋼筋混凝土建筑框架,玻璃鋼撐桿,復合材料在航天領域中的應用,主貨艙門- 碳纖維/環(huán)氧樹脂 壓力容器- 凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂 主機隔框和翼梁- 硼/鋁復合材料,“哥倫比亞號” 航天飛機,發(fā)動機的噴管- 碳/碳復合材料 發(fā)動機組傳力架- 鈦基復合材料 機身防熱瓦- 陶瓷基復合材料,國家技術發(fā)明一等獎（2004年）,“高性能炭/炭航空制動材料的制備技術”,飛機剎車片,復合材料在航天領域中的

2、應用,“耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復合材料”,攻克航天飛機隔熱瓦技術難關,國家技術發(fā)明一等獎（2004年）,復合材料在航空領域的應用,復合材料在航空領域的應用,法國 “空中客車” 公司生產(chǎn)的A380雙層四引擎大型客機，最大可載客量650人,復合材料使A380減重15噸,(1) 機翼,(2) 垂直尾翼和水平尾翼,(3) 地板梁和后承壓框,(4) 固定機翼前緣,(5) 機翼后緣處的襟翼,副翼,(6) 機身蒙皮壁板,復合材料在化工領域中的應用,復合材料在日常生活中的應用,復合材料在體育用品中的應用,球拍頸部融合智能壓電纖維,復合材料在網(wǎng)球拍上的應用,滑雪板在雪上滑行時，雪會產(chǎn)生輕微溶化，因水的“粘性”

3、增加摩擦力。采用疏水性強的復合材料制成的滑雪板，可提高滑行性能。理想的材料是超高分子聚乙烯。,復合材料在滑雪板上的應用,輕質(zhì)、高強、高彈性、較低成本、低密度及屈服強度,Pole-vaulting,復合材料在撐桿上的應用,5.1 復合材料概述,5.1.1 復合材料的定義 由兩種以上不同的原材料組成，使原材料的性能得到充分發(fā)揮，并通過復合化而得到單一材料所不具備的性能的材料。,必須由兩種以上化學、物理性質(zhì)不同的材料組合而成,必須是人造的，是人們根據(jù)需要設計制造的材料,通過各組分性能的互補可獲得單一材料不能達到的綜合性能,復合材料三個必要條件,1,2,3,5.1 復合材料概述,5.1.2 性能特點,

4、1,2,3,4,比強度與比模量高,化學穩(wěn)定性優(yōu)良（管道）,減摩、耐磨、自潤滑性好（摻入纖維）,耐熱性高、高韌性、高抗沖擊性,5.1 復合材料概述,5.1.3 復合材料的分類,基體,陶瓷,聚合物,金屬,增強體,顆粒,纖維,按照基體分類,按照增強體分類,5.1 復合材料概述,按基體類型分類,復合材料,金屬基復合材料（如鋁基、銅基、鎂基和鈦基等）,木基復合材料,有機材料基復合材料,無機非金屬基復合材料,聚合物基復合材料,陶瓷基復合材料,混凝土基復合材料,碳基復合材料,熱塑性樹脂基,熱固性樹脂基,5.1 復合材料概述,按增強體類型分類,5.1 復合材料概述,按增強體幾何形狀分類,幾何形狀,纖維,顆粒,

5、板狀,顆粒增強型,非連續(xù)纖維增強型,板狀增強型,連續(xù)纖維增強型,5.1 復合材料概述,SiC 晶粒,Al2O3 纖維,Al2O3板狀,5.1 復合材料概述,5.1 復合材料概述,纖維增強型分類,非連續(xù)型,短纖維增強型,晶須增強型,隨機排列,定向排列,按長度,連續(xù)型,玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維、 氧化鋯纖維、石英纖維等,按種類,5.2 增強材料,在復合材料中，凡是能提高基體材料力學性能的物質(zhì)均稱為增強材料。 纖維在復合材料中起增強作用，是主要的承力組分，還能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度。 復合材料的性能很大程度上取決于增強材料的性能、含量及處理方法。,5.2 增強材料,13

6、.2.1 玻璃纖維,玻璃纖維生產(chǎn)流程圖,將熔化的玻璃以極快的速度抽拉成細微的絲，即成為玻璃纖維。 細度在3.821.6m, 脆性與直徑的四次方成正比。,5.2 增強材料,質(zhì)地柔軟，可以織成玻璃布，玻璃帶。 玻璃纖維增強復合材料的機械強度、物理性 能、電性能及化學性能與玻璃的成分，直徑 細度有直接關系。,玻璃纖維的特點：,5.2 增強材料,5.2.2 硼纖維 航空航天領域中，為獲得高比強度和高比彈性模量，開發(fā)新型增強纖維-硼纖維。 硼的熔點在2000以上，硬度僅次于金剛石。,5.2 增強材料,硼纖維在航空航天領域的應用效益 航天飛機的機身衍架用硼鋁復合材料管材制造，取得減重2066的效果。 航天

7、飛機貨倉間隔支柱，可減重44。 美國P&W公司在JT8D發(fā)動機上用硼鋁復合材料取代鈦合金，可減重10。,5.2 增強材料,5.2.3 無機類晶須 晶須：截面積小于5.210-42，長徑比在101000單晶體。 晶體結構完整、內(nèi)部缺陷較少，其強度和模量均接近完整晶體材料的理論值，是目前發(fā)現(xiàn)的固體的最強形式。 是長在銀、銅等金屬上的象霉菌一樣的東西，可以從溶液、熔液、固體中生成并生長，也可以通過氣相反應來制取。,5.2 增強材料,5.2.4 碳纖維 碳纖維特點： 將有機纖維燒結后得到的一種含碳量在90以上的纖維。其質(zhì)輕而強度高，具有良好的潤滑及耐磨性能，其價格約為硼纖維的十分之一。 制備方法 原料

8、纖維制造、纖維穩(wěn)定處理和高溫碳化及石墨化燒結等工藝過程。,制備方法,浸漬法,混合法,層疊法,5.2 增強材料,復合材料的制備方法,混合法,5.2 增強材料,疊層（層合）法,5.2 增強材料,Reinforcement,Porous Material,浸漬法,Heat, etc,5.2 增強材料,5.3 聚合物基復合材料,纖維增強熱固性塑料 纖維增強熱塑性塑料,熱塑性塑料由于線脹系數(shù)較大、尺寸穩(wěn)定性較差、剛性、耐疲勞性和某些機械強度尚不能滿足結構材料的要求，大多數(shù)只能用作通用材料。 20世紀50年代，出現(xiàn)玻纖增強尼龍。60年代大規(guī)模生產(chǎn)。（玻璃鋼）,5.3 聚合物基復合材料,5.3 聚合物基復合

9、材料,纖維增強塑料（GFRP）用作輸油管道,5.3 聚合物基復合材料,聚酯和環(huán)氧玻璃纖維增強塑料（GFRP）用作儲油設備,5.3 聚合物基復合材料,碳纖維增強樹脂用于汽車彈簧片,5.3 聚合物基復合材料,芳綸纖維增強樹脂用于剎車片,5.3 聚合物基復合材料,纖維增強熱塑性塑料用于電路板,芳綸纖維增強塑料用于建筑材料,5.3 聚合物基復合材料,玻璃纖維增強樹脂用于采光板,5.3 聚合物基復合材料,5.4 金屬基復合材料,鋁基復合材料 鎂基復合材料,為什么會產(chǎn)生金屬基復合材料？ 對材料的強韌性，導電、導熱性，耐高溫性、 耐磨性等性能都提出了越來越高的要求 要求材料具有更高的比強度和比模量(剛度)

10、纖維增強聚合物基復合材料不能在300以上溫度下工作 聚合物基復合材料耐磨性差，不導電，不導熱，在使用期間逐漸老化，變質(zhì)，尺寸不夠穩(wěn)定。,5.4 金屬基復合材料,金屬基復合材料（MMC）是以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強相人工合成的復合材料。其增強材料主要為無機非金屬，如：陶瓷、碳、石墨及硼等。 金屬基復合材料制備過程是在高溫下進行的，有的還在高溫下工作較長時間，因此界面的結合強度起到重要作用。,5.4 金屬基復合材料,13.4.1 鋁基復合材料的性能和應用,纖維增強鋁基復合材料具有比強度、比模量高，尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能 ，目前主要用于航天領域，作為航天飛機、人造衛(wèi)星、

11、空間站等的結構材料。,5.4 金屬基復合材料,硼鋁復合材料 是實際應用最早的金屬基復合材料，美國和原蘇聯(lián)的航天飛機中的機身框架及支柱和起落架拉桿等都用硼鋁復合材料制成。,5.4 金屬基復合材料,石墨鋁復合材料 最成功的應用是美國的哈勃望遠鏡的兩個兼作波導管用的長為3.6m的長方形天線支架，此外還可用于人造衛(wèi)星或天文望遠鏡支架、L頻帶平面天線、人造衛(wèi)星拋物面天線、照相機波導管和鏡筒、紅外反射鏡等。,碳化硅鋁復合材料主要用作飛機、導彈、發(fā)動機的高性能結構件 氧化鋁纖維增強鋁基復合材料最成功的應用是豐田公司用來制造柴油發(fā)動機的活塞 、如活塞鑲圈。,5.4 金屬基復合材料,13.4.2 鎂基復合材料的

12、性能和應用,鎂基復合材料是同類金屬基復合材料中比強度和比模量最高的一種，但由于價格昂貴目前只用于航空航天部門。 含硼纖維4045的硼鎂復合材料的拉伸強度為11001200MPa，彈性模量220GPa，斷裂伸長0.5，泊松比0.25。,5.4 金屬基復合材料,加入少量的SiC或Al2O3顆粒在鎂或鎂合金中，明顯提高其耐磨性 ，可用于制造油泵的泵殼體、止推板、安全閥等零部件 。 石墨纖維增強鎂基復合材料由于具有最高的比強度和比模量、最好的抗熱變形阻力，成為理想的航天結構材料，已被用于制造衛(wèi)星的10m直徑的拋物面天線及其支架 。 具有零膨脹系數(shù)的石墨/鎂復合材料可用于航天飛機的大面積蜂窩結構蒙皮材料

13、 。,5.4 金屬基復合材料,陶瓷復合材料以其具有的高強度、高模量、低密度、耐高溫和良好的韌性等，已在高速切削工具和內(nèi)燃機部件上得到應用。 SiCw增韌的細顆粒Al2O3陶瓷復合材料已成功用于工業(yè)生產(chǎn)制造切削刀具，我國研制生產(chǎn)的SiCw/ Al2O3復合材料刀具切削鎳基合金時，不但刀具使用壽命增加，而且進刀時和切削速度也大大提高。,5.5 陶瓷基復合材料,陶瓷基復合材料用于火箭噴管及燃燒室內(nèi)壁,固體發(fā)動機燃燒室與噴管部件,5.5 陶瓷基復合材料,陶瓷基復合材料用作滑動構件,5.5 陶瓷基復合材料,5.6 碳/碳復合材料,以碳為基體，利用碳纖維進行增強得到的碳復合材料，叫做C/C復合材料（Carbon/Carbon Composite） 它具有良好的機械性能、耐熱性、耐腐蝕性、摩擦減振特性及熱、電傳導特性等特點。 質(zhì)輕、比強度、比彈性模量都很高 ?？捎脕碇谱骰鸺l(fā)動機的噴管、航天飛機的襟翼、飛機的制動盤等。,其彎曲強度介于1501400MPa之間。 因為石墨是熔點極高的材料，所以決定了C/C復合材料具有較高的耐熱性。,5.6 碳/碳復合材料,用于航天飛機軌道飛行器的耐熱材料、火箭發(fā)動機的噴管和導彈等的