材料学概论-复合材料复习ppt

热塑性树脂
• 具有线性或者支链性结构，可以反复受热软化，冷却后变 硬，有聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC等，
• 优势：工艺简单、工艺周期短，成本低，相对密度小
聚酰胺（尼龙）--氢键，分子间作用力强，机械强度 和熔点高，次甲基的存在，使分子链柔顺和韧性。随
碳链增加，机械强度下降。
聚碳酸酯，极性基团增加了分子间作用力，空间位阻， 增大了刚性。常常存在残余应力，需要退火。
• 种类：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂及各种热 塑性聚合物
• 组分：还有辅助材料，如固化剂、增韧剂、稀释剂、 催化剂等
• 作用：粘结纤维；分配纤维载荷；保护纤维不受环 境影响
不饱和聚酯
• 工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工 艺装置简单
• 树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚 醛树脂和环氧树脂
聚砜：-SO2-，抗氧化性能高，可以100-150℃下 使用，含有苯环，玻璃化温度高。
聚四氟乙烯，耐摩擦 聚甲基丙烯酸甲酯，制造宇航飞行器以及太阳能 收集器
思考题
• 界面相在复合材料中的作用有哪些？
•复合材料的分类及应用领域？
10.复合材料增强材料
增强材料—分散在基体内以改善其机械性能 的高强度材料
复合材料
1.定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上
的组分（或组元），通过人工复合而成的，具有特殊性
能的多相固体材料。
具有可设计性 ； 特 人工制造而非天然形成的； 点 性能取决于各组分性能及协同效应；
组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材料。
复合材料
2.复合材料的分类
按基体材料性质：
复 金属基复合材料（MMC）
塑料基
合
聚合物基
材
(PMC) 橡胶基
料 非金属基复合材料
碳及碳化物基
陶瓷基
(CMC) 非碳基
按纤维材料种类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材
料、有机纤维复合材料、金属纤维
复合材料、陶瓷纤维复合材料
按增强材料的形态、配置：
颗粒状分散相
复合材料
弥散强化复合材料 颗粒增强复合材料
复
薄片增强复合材料
合
纤维状分散相 连续纤维复合材料
复合材料
4.复合材料的应用领域： 航天航空、军工 ；
汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、 建筑、电子、桥梁、医疗、体育器材；
思考题
• 复合材料性能的决定因素有哪些？ • 大飞机项目和复合材料？ • 复合材料在人类社会进步中起到了怎样
的作用，在本世纪设想有何作为？
复合材料
5.复合材料组成及作用
优良的耐热性 抗氧化性好
密度最大； 主要用于金属基复合材料
碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre,SF）
制备方法：有机合成法和CVD法
高强度、高模量 有良好的耐化学腐蚀、耐高温和耐辐射性能 具有半导体性能 与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复
合材料
芳纶纤维（芳香族聚酰胺类纤维）
高强度碳纤维（HS） 高模量碳纤维（HM）
比强度和比模量高； 耐热性、耐寒性好，化学稳定性高； 具有自润滑性； 热膨胀系数小，热导率高，导电性好……
价格较高； 脆性大； 抗氧化能差……
硼纤维（Boron Fibre,BFor Bf）
在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层 直径100、140、200µ m
晶须：含缺陷很少的单晶纤维材料。 直径 0.1～10μm，长径比 5～1000 金属晶须（Ni、Fe、Cu、Ag、Ti、Cd……）
氧化物晶须（MgO、ZnO、Al2O3、TiO2、Cr2O3……） 陶瓷晶须（SiC、TiC、WC、TiB2、ZrB2……） 无机盐类晶须（K2Ti6O13、Al18B4O33）
•颗粒增强体成本低，易于批量生产
思考题
1、区别复合材料、共混材料，试举一例说明复合 材料的特点，并阐明其结构与性能之间的关系？
2、 碳纤维性能的优缺点及其对策 3、芳纶纤维在使用过程中应该注意什么?
4、试举例说明碳/碳复合材料的特点及其应用， 抗氧化性能如何及改进措施？
11.复合材料的制备工艺
（1）聚合物复合材料的制备工艺
点，可在450-700℃使用，用于航空发动机等零件 • 用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体 —较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物尚
处于研究阶段。
• 航空航天—高比强度、比模量，尺寸稳 定性好
基体：密度小的轻金属合金-镁合金和 铝 合金
增强相：高强度、高模量：石墨纤维、硼 纤维
石墨/镁，石墨/铝，硼/铝
酚醛树脂
• 在加热条件下即能固化，无需添加固化剂。 酸、碱对固化反应起促进作用
• 已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的 耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能（C高）
• 树脂固化过程中有小分子析出，故需在高 压下进行
• 固化时体积收缩大，树脂对纤维的粘附性 不够好，但断裂延伸性低，脆性大
• 用于粉状塑料和短纤维增强，价格最便宜
手糊工艺 模压成型工艺 RTM成型工艺 喷射成型工艺Hale Waihona Puke Baidu连续缠绕成型工艺 拉挤成型工艺 挤出成型工艺 注射成型工艺
（2）陶瓷基复合材料制备工艺
• 泥浆浇铸法（短纤维）：在陶瓷泥浆中把纤维分散， 然后浇铸在石膏模型中。
• 热压烧结法（短纤维择优取向，加热、加压）：把 长纤维切短（<3mm），然后分散并与基体粉末混 合，在进行热压烧结
连续相
（基体）
粘接和固定增强相 分配增强体的载荷 保护增强体免受环
境影响
界面相
传递作用 阻断作用 诱导效应
……
分散相
（增强体)
增加强度 改善性能
复合材料 6.基体和增强材料的分类
基体材料
增强材料
金属 铝与铝合金、铜与铜合金、 锰合金、钛合金、镍合金……
陶瓷 玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷
、非氧化物陶瓷
聚合物
不饱和聚酯、环氧树脂、
酚醛树脂、聚酰亚胺树脂……
纤维 晶须 颗粒
7.结构用金属基复合材料基体
分为轻金属基体和耐热合金基体
• 用于450℃以下的轻金属基体 —研究较成熟：铝、镁基复合材料，用于航天飞机、
人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等 • 用于450-700℃的复合材料的金属基体 —钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特
• 工业集成电路—高导热、低膨胀 基体：银、铜、铝 增强相：超高模量石墨纤维、金刚石纤维、 碳化硅颗粒 —散热元件、基板
8.陶瓷基体
•玻璃：无机材料高温烧结而成。熔体状态后不经结晶而冷却 而成，特征：具有非晶态结构
•玻璃陶瓷：通过加入晶核剂等方法，经过热处理过程在玻璃 中形成晶核，再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多 晶材料。Li2O-Al2O3-SiO2 •热膨胀系数小，导热系数较大，具有一定的机械强度
空气等活化 气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温下
沉积成纤维、晶须或短纤维
炭纤维（Carbon Fibre）
分类
按功能： 受力结构用CF；耐焰用CF；导电用CF；润滑用 CF；耐磨用CF；活性CF
按碳纤维性能： 通用级CF；高性能CF（高强度、高模量，超高强
度、超高模量…）
炭纤维（Carbon Fibre）
• 高性能发动机—高比强度、比模量，耐 高温
基体：钛合金、镍合金、金属间化合物
增强相：碳化硅、钨丝
碳化硅/钛，钨丝/镍基超合金-喷气发动机 叶片、转轴
• 汽车发动机—耐热、耐磨、导热，一定 的高温强度，成本低廉
基体：铝合金
增强相：陶瓷颗粒、短纤维
碳化硅/铝，碳纤维或氧化铝纤维/铝-发动 机活塞、缸套
（ Aromatic Polymide Fibre, Kevlar ） 高强度、高模量，比强度极高； 韧性好； 低的导电性； 自熄性纤维； 化学稳定性好……
具有吸湿性； 与基体结合较差……
芳纶纤维用途
• 轮胎帘子线（43%） • 复合材料（31%） • 绳索、防弹衣（17.5%） • 其它（8.5%）
弹性模量低； 易受机械损伤； 不耐磨……
炭纤维（Carbon Fibre）
有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的 纤维状碳化物，或纤维化学组成中C含量大 于90%以上的纤维
炭纤维（Carbon Fibre）
分类
按原丝类型： 聚丙烯晴基；粘胶基；沥青基；木质素纤维基；其它有机
纤维基 按制造条件和方法： 碳纤维：碳化温度1200-1500℃，C95% 石墨纤维：石墨化温度2000℃C99% 活性碳纤维：碳纤维在600-1200℃用水蒸气、二氧化碳、
• 浸渍法 （长纤维，陶瓷浸渍，焙烧，致密度低）首 先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍， 干燥后进行焙烧。
（3）金属基复合材料制备工 艺
金属基复合材料制备工艺的研究内容以及选择原则： 1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合： 增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学相容性。 另外，如果在复合材料中使用高强度的纤维，就必须寻找具 有高断裂功的基体材料。在这方面，固态法制备方法更好一 些，因铸造合金一般具有较低的断裂韧性。 2）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计； 3）增强剂在基体中的均匀分布： 在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂更均匀、均质排 布（分布）的方法。在这方面，液态法与固态法相比较差。 4）制备工艺方法及参数的选择和优化；
聚乙烯纤维
（ Polyethylene Fibre）
国际上最新超轻、高比强度、高 比模量纤维，成本也较低
耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、 耐紫外线。耐低温、电绝缘
熔点较低（135℃），高温容易蠕变；仅能 在100℃下使用
用于制作武器装甲、防弹背心、航天航空部 件等
晶须
晶须（Whisker）
• 氧化物陶瓷：氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化锆等 特点：高强度高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀，但脆性大 主要增强物：陶瓷颗粒和晶须 • 非氧化物陶瓷：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。
如氮化硼，氮化钛、氮化硅等 特点：共价键结合能高，高的耐火度、高硬度，高耐磨性， 但脆性大，抗氧化能力低。
9.聚合物基体材料
按形态分类：
纤维及其织物 晶须 颗粒 小片状、板状
增强纤维
天然纤维—强度较低 植物纤维—棉花、麻类 动物纤维—丝、毛 矿物纤维—石棉
合成纤维 无机纤维 有机纤维
玻璃纤维（Glass Fibre）
价格低廉，品种多； 冲击性能较好； 低的导电性； 化学稳定性较好……
• 价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略高 一些
• 缺点是固化时体积收缩大、耐热性差
主要用于一般民用工业和生活用品中
环氧树脂
• 力学性能高 • 附着能力强，含有极性基团：环氧基、羟
基、醚基等 • 固化收缩率小1-2%，线膨胀系数也很小。 • 优良的电绝缘性 • 工艺性好 • 稳定性好，抗化学药品性优良 • 耐热性一般，耐候性差，低温固化性能差
延性颗粒增强体（Ductile Particle Reinforcement）
主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧 性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使 材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。
•颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要 求选用不同的颗粒增强体。
材 复合材料
不连续纤维复合材料
料
层板状复合材料
板状复合材料 夹心复合材料
按复合效果：结构复合材料、功能复合材料
复合材料
3. 复合材料的主要优、缺点： 可设计性； 高比强度，比模量； 各向异性； 抗疲劳性能好； 高韧性和高减振性 …… 制备工艺复杂，性能离散性较大； 增强体、基体可供选择种类有限； 成本较高。
很高的弹性模量和强度 耐高温和耐中子辐射性能
工艺复杂，质硬，不易成型，价格昂贵 密度大； 用CF代替钨丝，降低成本和密度 高温下易于金属反应，表面沉积SiC 主要用于聚合物基和金属基复合材料
氧化铝纤维（Alumina Fibre,AF）
多晶连续纤维，除Al2O3外常含有15%SiO2
颗粒增强物
用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强 体（Particle Reinforcement）。
•颗粒增强体也称为刚性颗粒增强体 •（Ragid Particle Reinforcement）或陶瓷颗粒增强体。
•刚性颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐 磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒， •如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细 金刚石等。