復(fù)合材料的分類

1、復(fù)合材料的分類,1121416007,1121416028,復(fù)合材料的分類,第一節(jié)概述 分類 性能特點 第二節(jié)增強材料及其增強機制 增強材料 增強機制 第三節(jié)常用復(fù)合材料,第一節(jié)概述,復(fù)合材料 兩種或者兩種以上的不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的多相材料。,在現(xiàn)代工程中對材料的要求越來越苛刻，特別是在航天、航海及交通運輸領(lǐng)域。 例如，要求飛機結(jié)構(gòu)材料既有低的密度，又具有高的強度、剛度、韌性、耐磨及耐蝕性。 通常高強度材料的密度也高，增大強度或剛度則會降低材料的韌性。,這種材料優(yōu)異性能的組合是單一材料無法滿足的。,復(fù)合材料,玻璃纖維增強風(fēng)機葉片,玻璃纖維增強尼龍車輪,玻璃纖維增強塑料制

2、自行車,復(fù)合材料制小船,復(fù)合材料制防彈衣,特點,復(fù)合材料既保持組成材料各自的最佳特性，又具有組合后的新特性。,例1： 熱固性玻璃鋼熱固性樹脂玻璃纖維,熱固性玻璃鋼：強度高于熱固性樹脂 脆性低于玻璃纖維,泥土稻草 水泥鋼筋,例2：建筑材料（復(fù)合材料的應(yīng)用）,復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。,一、復(fù)合材料的分類,復(fù)合材料種類繁多，目前尚無統(tǒng)一的分類方法。,按基體相的性質(zhì)分,鋁基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料銅基復(fù)合材料,塑料基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料,按增強相的形態(tài)分,纖維增強塑料（玻璃鋼）纖維增強橡膠（輪胎）纖維增強陶

3、瓷纖維增強金屬,金屬陶瓷彌散強化金屬,雙層金屬復(fù)合材料三層復(fù)合材料,纖維增強復(fù)合材料,顆粒增強復(fù)合材料,疊層復(fù)合材料,二、復(fù)合材料的性能特點,比強度和比模量高 纖維增加材料的比強度及比模量遠(yuǎn)高于金屬材料，特別是碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料比強度是鋼的8倍，比模量是鋼的4倍。 抗疲勞和破斷安全性好 纖維增強復(fù)合材料對缺口及應(yīng)力集中的敏感性小，纖維與基體界面能阻止疲勞裂紋的擴展，改變裂紋擴展的方向。,高溫性能優(yōu)良 大多數(shù)增強纖維在高溫下仍保持高的強度，如鋁合金在400時彈性模量已降至近于0，而碳纖維增強后，在此溫度下強度和彈性模量基本未變。 減振性能好 復(fù)合材料的比模量大，故自振頻率也高，可避免構(gòu)件在工

4、作狀態(tài)下產(chǎn)生共振。 纖維與基體界面有吸收振動能量的作用，所以纖維增強復(fù)合材料具有很好的減振性能。,第二節(jié) 增強材料及其增強機制,復(fù)合材料是一種由基體matrix 和增強相reinforced phase 組成的多相材料，通?；w為連續(xù)相，而增強相為分散相。,復(fù)合材料,金屬材料、高分子材料、陶瓷材料,顆粒增強材料、纖維增強材料、片狀增強材料,一、增強材料,增強效果最明顯、應(yīng)用最廣。主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等,（一）纖維增強材料,玻璃纖維 由熔融玻璃經(jīng)拉絲制成纖維； 密度2.42.7，與鋁相近，彈性模量低于金屬，但比強度和比模量高； 耐熱性好，軟化溫度550

5、580； 耐蝕性好，除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對其它溶劑有良好的化學(xué)穩(wěn)定性； 不吸水、不燃燒、尺寸穩(wěn)定、隔熱、吸聲、絕緣、透過電磁波等； 制取方便，價格便宜，是應(yīng)用最廣的增強纖維。,碳纖維 將有機纖維（如粘膠纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青纖維等）在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而制成wC90%以上的纖維； 密度低、強度和模量高； 高、低溫性能好（1500，-180）； 化學(xué)穩(wěn)定性高，能耐濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；熱脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高，導(dǎo)電性、自潤滑性好； 缺點：脆性大，易氧化，與基體結(jié)合力差。,硼纖維 將元素B用蒸汽沉積的方法沉積到耐熱金屬絲纖芯（鎢絲）上制得的一種復(fù)合纖維； 熔點高（2300）； 強度

6、、彈性模量高； 良好的耐蝕性； 缺點：密度較大，直徑較粗，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高； 不及玻璃纖維和碳纖維應(yīng)用廣泛。,芳綸纖維 亦稱Kevlar纖維，是一種將聚合物溶解在溶劑中，再經(jīng)紡絲制成的芳香族聚酰胺類纖維； 密度小，比強度、比彈性模量高； 抗拉強度比玻璃纖維高45，韌性好； 耐熱性好，能在290下長期作用； 優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性，且價格便宜。,碳化硅纖維 是以鎢絲或碳纖維作纖芯，通過氣相沉積法而制得；或用聚碳硅烷紡紗，經(jīng)燒結(jié)而得； 是一種高熔點、高強度、高模量的陶瓷纖維，主要用于增強金屬和陶瓷； 優(yōu)良的高溫強度，在1100時強度仍高達(dá)2100MPa。,主要增強顆粒為陶瓷顆粒

7、，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等； 陶瓷顆粒性能好、成本低，易于批量生產(chǎn)； 在聚合物中添加不同的填料，構(gòu)成以填料為分散相、聚合物為連續(xù)相的復(fù)合材料，可改善制品的力學(xué)性能、耐磨性能、耐熱性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)磁性能、耐老化性能等。,（二）顆粒增強材料,二、增強機制,纖維是具有強結(jié)合鍵的物質(zhì)或硬質(zhì)材料； 纖維處于基體中，表面受到基體的保護(hù)不易損傷，也不易在受載過程中產(chǎn)生裂紋，承載能力增大；,（一）纖維增強,增強機制,當(dāng)材料受到較大應(yīng)力時，一些有裂紋的纖維可能斷裂，但基體能阻礙裂紋擴展并改變裂紋擴展方向。,纖維斷裂,裂紋擴展方向,顆粒增強復(fù)合是將增強顆粒高度彌散地分布在基

8、體中，基體承受載荷，而增強顆粒阻礙導(dǎo)致基體塑性變形的位錯運動（金屬基體）或分子鏈運動（高聚物基體）。 增強顆粒大小會直接影響增強效果： d過大（0.1m）易引起應(yīng)力集中而降低強度； d過小（0.01m）則接近于固溶體結(jié)構(gòu)，不起顆粒增強作用。 一般顆粒直徑為d=0.010.1 m。,（二）顆粒增強,第三節(jié) 常用復(fù)合材料,塑料基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 橡膠基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料,一、塑料基復(fù)合材料,作為機械工程材料，塑料的最大優(yōu)點是密度小、耐腐蝕、可塑性好、易于加工成型。 缺點：強度低、彈性模量低、耐熱性差。 改善的方法：復(fù)合材料，主要是增強。,使用最廣泛的是纖維增強塑料。按纖維的性質(zhì)可以把

9、塑料基復(fù)合材料分為： 玻璃纖維增強塑料 碳纖維增強塑料 硼纖維增強塑料 碳化硅纖維增強塑料 Kevlar 纖維增強塑料 基體材料：熱固性塑料、熱塑性塑料,（一）玻璃纖維增強塑料,俗稱玻璃鋼。按照塑料的性質(zhì)可以分為： 熱塑性玻璃鋼 熱固性玻璃鋼,1、熱塑性玻璃鋼,由體積分?jǐn)?shù)為2040%的玻璃纖維與6080%的熱塑性樹脂組成。 具有高強度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低的熱脹系數(shù)。,2、熱固性玻璃鋼,由體積分?jǐn)?shù)為6070%的玻璃纖維與3040%的熱固性樹脂組成。 主要特點：密度小、強度高、比強度超過一般的高強鋼，耐腐蝕、絕緣、絕熱等。但彈性模量低，在300以下使用。 主要用于制造自重輕的受力構(gòu)件和

10、要求無磁性、絕緣、耐腐蝕的零件。,（二）碳纖維增強塑料,組成 由碳纖維與聚脂、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復(fù)合材料。 優(yōu)點 低密度、高強度、高彈性模量、高比強度和比模量。 優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐腐蝕和耐熱性。,缺點,碳纖維和基體結(jié)合強度低，各向異性嚴(yán)重。 應(yīng)用 性能優(yōu)于玻璃鋼，主要用于航天和航空工業(yè)中制作飛機機身，螺旋漿，發(fā)電機的護(hù)環(huán)材料等。,（三）硼纖維增強塑料,組成 由硼纖維與環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成的復(fù)合材料。 特點 高比強度和比模量； 良好的耐熱性； 缺點是各向異性嚴(yán)重,應(yīng)用,主要用于航天和航空工業(yè)中要求高剛度的構(gòu)件，如飛機機身，機翼等。,（四）碳

11、化硅纖維增強塑料,組成 由碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料。 特點 高比強度和比模量； 抗拉強度接近碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，但抗壓強度是其兩倍； 碳化硅環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是一種很具有發(fā)展前途的新型材料。,應(yīng)用,主要用于宇航器上的結(jié)構(gòu)，比金屬輕30%。還可以制作飛機的門、降落傳動裝置、機翼等等。,（五） Kevlar纖維增強塑料,組成 由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等樹脂組成的復(fù)合材料。 特點 最常用的是Kevlar纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料； 抗拉強度高于玻璃鋼，與碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相近； 延性好，與金屬相似； 具有優(yōu)良的疲勞抗力和減振性。,主要用于制作飛機機身、雷達(dá)天線罩、火箭發(fā)動機外殼、快艇等。,應(yīng)用,復(fù)合材料在波音飛機上的應(yīng)用,二、金屬基復(fù)合材料,目前是機械工程中用量最大的一類材料。 塑性，韌性，硬度，彈性模量比較高。但仍不能滿足要求，一直在改進(jìn)。,主要應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料： 纖維增強金屬基復(fù)合材料 顆粒增強金屬基復(fù)合材料 塑料金屬多層復(fù)合材料,三、橡膠基復(fù)合材料,橡膠具有彈性高，減振性好，熱導(dǎo)率低，絕緣等優(yōu)點，但強度和彈性模量低，耐磨性差。 為了改善橡膠制品的性能，可以用增強纖維或粒子與其復(fù)合。制備纖維增強橡膠和粒子增強橡膠制品。 纖維增強橡膠