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(diǎn) 第二節(jié)增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)機(jī)制 增強(qiáng)材料 增強(qiáng)機(jī)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(duì)材料的要求越來越苛刻，特別是在航天、航海及交通運(yùn)輸領(lǐng)域。 例如，要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料既有低的密度，又具有高的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐磨及耐蝕性。 通常高強(qiáng)度材料的密度也高，增大強(qiáng)度或剛度則會(huì)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(qiáng)風(fēng)機(jī)葉片,玻璃纖維增強(qiáng)尼龍車輪,玻璃纖維增強(qiáng)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(diǎn),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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)相的形態(tài)分,纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）纖維增強(qiáng)橡膠（輪胎）纖維增強(qiáng)陶

3、瓷纖維增強(qiáng)金屬,金屬陶瓷彌散強(qiáng)化金屬,雙層金屬?gòu)?fù)合材料三層復(fù)合材料,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,疊層復(fù)合材料,二、復(fù)合材料的性能特點(diǎn),比強(qiáng)度和比模量高 纖維增加材料的比強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料對(duì)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(kuò)展，改變裂紋擴(kuò)展的方向。,高溫性能優(yōu)良 大多數(shù)增強(qiáng)纖維在高溫下仍保持高的強(qiáng)度，如鋁合金在400時(shí)彈性模量已降至近于0，而碳纖維增強(qiáng)后，在此溫度下強(qiáng)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(dòng)能量的作用，所以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很好的減振性能。,第二節(jié) 增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)機(jī)制,復(fù)合材料是一種由基體matrix 和增強(qiáng)相reinforced phase 組成的多相材料，通?；w為連續(xù)相，而增強(qiáng)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(qiáng)材料、纖維增強(qiáng)材料、片狀增強(qiáng)材料,一、增強(qiáng)材料,增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(jià)格便宜，是應(yīng)用最廣的增強(qiáng)纖維。,碳纖維 將有機(jī)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(qiáng)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(rùn)滑性好； 缺點(diǎn)：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(diǎn)高（2300）； 強(qiáng)度

6、、彈性模量高； 良好的耐蝕性； 缺點(diǎn)：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(qiáng)度、比彈性模量高； 抗拉強(qiáng)度比玻璃纖維高45，韌性好； 耐熱性好，能在290下長(zhǎng)期作用； 優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性，且價(jià)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(diǎn)、高強(qiáng)度、高模量的陶瓷纖維，主要用于增強(qiáng)金屬和陶瓷； 優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，在1100時(shí)強(qiáng)度仍高達(dá)2100MPa。,主要增強(qiáng)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(qiáng)材料,二、增強(qiáng)機(jī)制,纖維是具有強(qiáng)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(qiáng),增強(qiáng)機(jī)制,當(dāng)材料受到較大應(yīng)力時(shí)，一些有裂紋的纖維可能斷裂，但基體能阻礙裂紋擴(kuò)展并改變裂紋擴(kuò)展方向。,纖維斷裂,裂紋擴(kuò)展方向,顆粒增強(qiáng)復(fù)合是將增強(qiáng)顆粒高度彌散地分布在基

8、體中，基體承受載荷，而增強(qiáng)顆粒阻礙導(dǎo)致基體塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（金屬基體）或分子鏈運(yùn)動(dòng)（高聚物基體）。 增強(qiáng)顆粒大小會(huì)直接影響增強(qiáng)效果： d過大（0.1m）易引起應(yīng)力集中而降低強(qiáng)度； d過小（0.01m）則接近于固溶體結(jié)構(gòu)，不起顆粒增強(qiáng)作用。 一般顆粒直徑為d=0.010.1 m。,（二）顆粒增強(qiáng),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(jī)械工程材料，塑料的最大優(yōu)點(diǎn)是密度小、耐腐蝕、可塑性好、易于加工成型。 缺點(diǎn)：強(qiáng)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(qiáng)。,使用最廣泛的是纖維增強(qiáng)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(qiáng)塑料 碳纖維增強(qiáng)塑料 硼纖維增強(qiáng)塑料 碳化硅纖維增強(qiáng)塑料 Kevlar 纖維增強(qiáng)塑料 基體材料：熱固性塑料、熱塑性塑料,（一）玻璃纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)：密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度超過一般的高強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn) 低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和比模量。 優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤(rùn)滑性、減摩耐磨性、耐腐蝕和耐熱性。,缺點(diǎn),碳纖維和基體結(jié)合強(qiáng)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(jī)機(jī)身，螺旋漿，發(fā)電機(jī)的護(hù)環(huán)材料等。,（三）硼纖維增強(qiáng)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(diǎn) 高比強(qiáng)度和比模量； 良好的耐熱性； 缺點(diǎn)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(jī)機(jī)身，機(jī)翼等。,（四）碳

11、化硅纖維增強(qiáng)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(diǎn) 高比強(qiáng)度和比模量； 抗拉強(qiáng)度接近碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，但抗壓強(qiáng)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(jī)的門、降落傳動(dòng)裝置、機(jī)翼等等。,（五） Kevlar纖維增強(qiáng)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(diǎn) 最常用的是Kevlar纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料； 抗拉強(qiáng)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(jī)機(jī)身、雷達(dá)天線罩、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、快艇等。,應(yīng)用,復(fù)合材料在波音飛機(jī)上的應(yīng)用,二、金屬基復(fù)合材料,目前是機(jī)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料 顆粒增強(qiáng)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(diǎn)，但強(qiáng)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(qiáng)纖維或粒子與其復(fù)合。制備纖維增強(qiáng)橡膠和粒子增強(qiáng)橡膠制品。 纖維增強(qiáng)橡膠