1、復合材料概述,復合材料的基本概念,復合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。 復合材料由連續(xù)相的基體和被基體包容的相增強體組成。,增強相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學性質(zhì)和在最終復合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。 其中一個組分是細絲（連續(xù)的或短切的）、薄片或顆粒狀，具有較高的強度、模量、硬度和脆性，在復合材料承受外加載荷時是主要承載相，稱為增強相或增強體。增強相或增強體在復合材料中呈分散形式，被基體相隔離包圍，因此也稱作分散相；復合材料中的另一個組分是包圍增強相并相對較軟和韌的貫連材料，稱為基體相。,3

2、,復合材料及其增強相的各種形態(tài),纖維狀,顆粒狀,層狀,片狀,填充狀,復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。 金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。,5,復合材料是由多相材料復合而成，共同特點主要有三個： ()綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的性能。例如，玻璃纖維增強環(huán)氧基復合材料，既具有類似鋼材的強度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。 (2)可按對材料性能的需要進行材料的設計和制造。如，針對方向性材料強

3、度的設計，針對某種介質(zhì)耐腐蝕性能的設計等。 (3)可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工工序。例如，可避免金屬產(chǎn)品的鑄模、切削、磨光等工序。,一、金屬基復合材料,金屬基復合材料（Metal Matrix Composite，MMC）一般是以金屬或合金為連續(xù)相而顆粒，晶須或纖維形式的第二相組成的復合材料。目前其制備和加工比較困難，成本相對較高，常用在航天航空和軍事工業(yè)上。,金屬基復合材料與樹脂基復合材料比，優(yōu)點在于： 工作溫度高； 橫向機械性能好； 層間剪切強度高； 耐磨損、導電、導熱； 不吸濕、不老化； 尺寸穩(wěn)定，可采用金屬加工方法。,金屬基復合材料的發(fā)展： (1)產(chǎn)生于60年代，發(fā)展于9

4、0年代。 (2)最早應用于哥倫比亞號航天飛機的骨架：硼纖維/Al。 由于硼纖維太昂貴，現(xiàn)在基本用碳纖維/Al復合材料來替 代硼纖維/Al。 (3)受制備工藝的限制，基本還處于實驗室階段。 金屬基復合材料的應用： 最初，比強度、比模量高，尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點；而 用于航天、航空等部門； 近年來，隨著新制造工藝的出現(xiàn)，廉價增強體 （SiC、陶瓷短纖維等），金屬基復合材料開始用于 民用部門。,二、陶瓷基復合材料,陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點是具有脆性，

5、處于應力狀態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。 陶瓷基復合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域有刀具、滑動構(gòu)件、發(fā)動機制件、能源構(gòu)件等。法國已將長纖維增強碳化硅復合材料應用于制造高速列車的制動件，顯示出優(yōu)異的摩擦磨損特性，取得滿意的使用效果。,陶瓷基復合材料的性能,1、室溫力學性能 對陶瓷基復合材料來說，陶瓷基體的失效應變低于纖維的失效應變，因此最初的失效往往

6、是基體中晶體缺陷引起的開裂。 材料的拉伸失效有兩種： 第一：突然失效。如纖維強度較低，界面結(jié)合強度高，基體較裂紋穿過纖維擴展，導致突然失效。 第二：如果纖維較強，界面結(jié)合較弱，基體裂紋沿著纖維擴展。纖維失效前纖維/基體界面在基體的裂紋尖端和尾部脫粘。 因此，基體開裂并不導致突然失效，材料的最終失效應變大于基體的失效應變。,2、高溫力學性能 室溫下，復合材料的抗彎強度比基體材料高約10倍，彈性模量提高約2倍。復合材料的抗彎強度至700保持不變，然后強度隨溫度升高而急劇增加；但彈性模量卻隨著溫度升高從室溫的137GPa降到850的80 GPa。這一變化顯然與材料中殘余玻璃相隨溫度升高的變化相關。,

7、三、樹脂基復合材料,定義： 基體材料為樹脂，增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等通過不同的工藝組成的復合材料。 優(yōu)點： 輕質(zhì)高強 突出的防腐性能（通過采用不同的基體樹脂） 電絕緣性優(yōu)良 隔熱蔽音 安裝維護簡便 外觀顏色可自由選擇,主要用途： 建筑/基礎設施 廣告牌 格柵 柵欄 水溝和排水渠 扶手 板材 屋頂承重梁 水處理 平臺 樓梯 隔板 格柵 扶手 交通運輸 公路防護欄 高速公路防眩板 地鐵三軌防護罩 橋梁封閉系統(tǒng) 橋面板彎曲拉擠型材 電子電工 電纜橋架 絕緣部件 梯子部件 燈桿 透頻構(gòu)件 線路系統(tǒng) 天線罩 電纜保護管 梯子 體育用品 帳篷桿 工具手柄 其它,分類

8、： 熱塑型樹脂基復合材料 熱固型樹脂基復合材料,20世紀80年代發(fā)展起來的，主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續(xù)纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據(jù)使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。隨著熱塑性樹脂基復合材料技術的不斷成熟以及可回收pvd復合材料利用的優(yōu)勢，該品種的復合材料發(fā)展較快，歐美發(fā)達國家熱塑性樹脂基復合材料已經(jīng)占到樹脂基復合材料總量的30%以上,熱塑性樹脂基復合材料,定義： 以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂

9、、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。,熱固型樹脂基復合材料,主要原材料 不飽和樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基樹脂以及其它新型樹脂 增強材料 玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玻璃纖維氈及其它增強材料如芯材等,15,(1)在航空、航天方面的應用 由于復合材料的輕質(zhì)高強持性，使其在航空航天領域得到廣泛的應用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機的機冀蒙皮、機身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強筋等主承力構(gòu)件。,復合材料的應用,16,(2)在交通運輸方面的應用 由復合材料制成的汽車質(zhì)量

10、減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的14，而且在受到撞擊時復合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護人員的安全。用復合材料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保險杠、引擎罩、儀表盤、驅(qū)動軸、板黃等。 隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復合材料來制造是最好的選擇。復合材料常被用于制造高速列車的車箱外殼、內(nèi)裝飾材料、整體衛(wèi)生間、車門窗、水箱等。,17,(3)在化學工業(yè)方面的應用 在化學工業(yè)方面，復合材料主要被用于制造防腐蝕制品。聚合物基復合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。,18,(4)在電氣工業(yè)方面的應用 聚合物基復合材料是一種優(yōu)異的

11、電絕緣材料，被廣泛地用于電機、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機護環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。,19,(5)在建筑工業(yè)方面的應用 玻璃纖維增強的聚合物基復合材料(玻璃鋼)具有力學性能優(yōu)異，隔熱、隔聲性能良好，吸水率低，耐腐蝕性能好和裝飾性能好的特點，因此，它是一種理想的建筑材料。 在建筑上，玻璃鋼被用作承力結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)、冷卻塔、水箱、衛(wèi)生潔具、門窗等。,20,(6)在機械工業(yè)方面的應用 復合材料在機械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風機、各種機械部件如齒輪、皮帶輪和防護罩等。 用復合材料制造叫片具力制造容易、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點，各種風力發(fā)電機葉片都是由復合材料制造的

12、。,21,(1)降低成本 由于復合材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，如能降低復合材料的成本，其應用前景將是非常廣闊的。,復合材料今后的發(fā)展方向,22,(2)高性能復合材料的研制 高性能復合材料是指具有高強度、高模量、耐高溫等特性的復合材料。 隨著人類向太空發(fā)展，航空航天工業(yè)對高性能復合材料的需求量越來越大，而且也會提出更高的性能要求，如更高的強度要求、更高的耐溫要求等。,23,(3)功能性復合材料 功能復合材料是指具有導電、超導、微波、摩擦、吸聲、阻尼、燒蝕等功能的復合材料。,24,(4)智能復合材料 智能復合材料是指具有感知、識別及處理能力的復合材料。在技術上是通過傳感器、驅(qū)動器、控制器來實現(xiàn)復合材料的上述能力。 例如，當用智能復合材料制造的飛機部件發(fā)生損傷時，可由埋入的傳感器在線檢測到該損傷，通過控制器決策后，控制埋入的形狀記憶合金動作，在損傷周圍產(chǎn)生壓應力，從而防止損傷的繼續(xù)發(fā)展，大大提高了飛機的安全性能。,25,(5)仿生復合材料 復合材料的設計從常規(guī)設計向仿生設計發(fā)展。 仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏