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1、第一章 复合材料概述,主要内容 复合材料的概念 复合材料的分类 复合材料的特性 复合材料的用途 复合材料的发展方向,一、复合材料的概念,复合材料：composite materials; composites 广义上讲：由两种或两种以上的物质组成的材料。 狭义上讲：由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合而成的新型材料。 三个要点：（1）材料组元两种或以上不同组元 （2）制备工艺人工复合 （3）新型材料具有原组元所不具备的新性能,1、定义,复合材料的结构通常是一个相为连续相，成为基体；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为增强体。 多数情况下，增强体较
2、基体硬，刚度和强度较基体大。增强相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。 在基体和增强体之间存在着界面。,2、复合材料的结构,因此，复合材料是由两种以上组分以及它们之间的界面构成。 组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相和基体相。增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的“相”，即界面相。,增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。 其中一个组分是纤维（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体（reinforcing ph
3、ase or reinforcement）。 增强相或增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相；,复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相（matrix phase）。 复合材料的各种形态示意于下图中：,复合材料及其增强相的各种形态,纤维状,颗粒状,层状,片状,填充状,复合材料在制造前，基体材料的形状可以是薄片、粉末、块体或无定形的流体，它的状态可以是固态、气态、熔融态或半固半液态。 基体材料在与增强相固结后，基体相在复合材料中就成为包裹增强相的连续体。因此，基体相也叫做连续相。 基体相具有支撑和保护增强相的作用，在复合材料承受外加载荷时，
4、基体相主要以剪切变形的方式起着向增强相分配和传递载荷的作用。,在复合材料中，增强相和基体相之间还存在着明显的结合面。 位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域，称为复合材料的界面（interface）。,复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下，但界面层的总面积在复合材料中很大，且复合材料的界面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很大影响。 所以，人们以极大的注意力开展对复合材料界面的研究-表面和界面工程（surface and interface engineering）。,复合材料的性能取决于组分材料的种类、
5、性能、含量和分布。主要包括：增强体的性能和它的表面物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。,3、复合材料具有可设计性,组分设计：,最佳组合,最差组合,复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零件几何形状和使用环境条件。 复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的性能。 复合材料设计：选择复合材料的组分、增强体分布和复合材料制造工艺、使其具有使用所要求的性能过程。,复合材料设计可分为三个层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计。 单层材料设计包括正确选择增强
6、材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能； 铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理性的安排，该层次决定层合板的性能； 结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。 上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。,因此，复合材料及其结构的设计打破了材料研究和结构研究的传统界限。设计人员必须把材料性能和结构性能统一考虑，换言之，材料设计和结构设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方案中。,与单质材料相比，现代复合材料具有以下一些特点： 复合材料是一种多相材料，其中的组分的类型和相对含量是人们有意识选择与设计的； 复合材料本身是人工制造的，而不是天然的（区别天然材料）； 复合材料中至少有一固
7、相为连续体，称为基体，其它固相可为分散相或连续相，称为增强相（或增强体、增强材料），可为一维、二维、三维或多维状态； 复合材料具有各单个组分所没有的综合的优良性能。,4、复合材料的特点,影响复合材料性能的因素： 主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。 因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值，而只能给出其主要性能。,（）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，而且通过各组分的相互补充和关联可以获得原组分所没有的新的优越性能；,一般材料的简单混合与复合材料的两点本质区别：,（）复合材料
8、的可设计性 如结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要的是还可进行复合结构设计，即增强体的比例、分布、排列和取向等的设计。对于结构复合材料来说，是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体又起传递力作用的基体组元构成。由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。,二、复合材料的分类,三、复合材料特性,复合材料与基体材料相比，具有以下优异的性能： 轻质高强、比强度和比模量高 良好的抗疲劳性能 高韧性和抗热冲击性 减振性能好 耐热性好 特殊的光、电、磁性能 良好的耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热性 ,复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。,1
9、、轻质高强、比强度和比模量高,三、复合材料的特性,复合材料的突出优点是比强度和比模量（即强度与密度、模量与密度之比）高。 比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的刚性愈大。,表1 各种单向连续纤维（60vol）增强聚合物基复合材料的性能 （Gf、 Cf、 Kevlarf、Bf、 Al2O3f、SiCf）,2、良好的抗疲劳性能 疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。,3、高韧性和抗热冲击性 高韧性和抗热冲击性在PMC和CMC中尤为重要。,4、减振性能好,在实际使用过程中，振动问题十分突出。 复合材料的比模量高，
10、所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断； 复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。,5、耐热性好 复合材料在高温下强度和模量基本不变。,选择适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料，能有效地保护火箭、导弹和宇宙飞行器在2000以上承受高温、高速气流的冲刷作用。 金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300 左右。,6、特殊的光、电、磁性能,复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如，玻璃
11、纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能，并且在高频下仍能保持良好的介电性能，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料。,玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性能，被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷达罩。 复合材料通过原材料的选择和适当的成型工艺可以制得导电复合材料。这是一种功能复合材料，在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景。,7、良好的耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热性,Ti3SiC2/M复合材料在高速列车受电弓滑板上的应用,Al/Ti3SiC2和Cu/carbon的磨损,网线材料（铜导线）的磨损,四、典型的复合材料及其应用,聚合物基复合材料(PMC) 玻璃钢（玻璃纤维增强
12、塑料，GFRP) 碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP） 金属基复合材料(MMC) 陶瓷基复合材料（CMC） 碳/碳复合材料（C/C）,GFRP的突出特点是密度低、比强度高。其密度为1.62.0g/cm3，比轻金属铝还低；而比强度要比最高强度的合金钢还高3倍，“玻璃钢”的名称就是由此而来。此外，玻璃钢还具有良好的耐腐蚀性能，在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等介质中都很稳定，耐腐蚀性超过了不锈钢。,玻璃钢（GFRP）：,应用领域： 航空航天工业 在现代汽车工业中 在石油化工工业中 在体育用品方面 ,大口径玻璃钢输水管道,玻璃钢输油、气管道,玻璃钢石化管道,玻璃钢化工管道,玻璃钢天线反射面,玻璃钢建筑
13、材料用于 上海东方明珠电视塔大堂装潢,玻璃钢容器（200m3水箱）,玻璃钢捕鱼船体,玻璃钢雷达罩,各种玻璃钢型材制品,风力发电机玻璃钢叶片,耐烧蚀玻璃纤维复合材料喷管,玻璃钢应用于体育用品,碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP),CFRP密度更低，具有比玻璃钢更高的比强度和比模量，比强度是高强度钢和钛合金的56倍，是玻璃钢的2倍，比模量是这些材料的34倍。,应用领域： 空间和宇航中的应用 航空工业（飞机）应用 在军事领域的应用 在建筑工业的应用 在汽车工业中的应用 ,CFRP在民用飞机中的应用,CFRP在航天飞机中的应用,复合材料在直升飞机部件中的应用,复合材料垂直尾翼（图中黑色部分）,复合材
14、料雷达罩（图中黑色部分）,CFRP在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架中的应用,碳纤维增强复合材料垂直尾翼,复合材料金属蜂窝夹层结构飞机构件,复合材料飞机部件的制作,碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固,金属基复合材料（Metal Matrix Composites）,金属基复合材料主要应用在以下领域： 空间和宇航中的应用 在军事领域应用 航空工业（飞机）应用 在核反应工程中应用 在汽车工业中的应用,金属基复合材料主要由金属基体（Al、Ti、Mg、Superalloy等合金）与增强纤维（如Cf、SiCf、Al2O3f等)、颗粒（如SiCp、Al2O3p、B4Cp等)以及晶须（如SiCw）等
15、复合制备而成。,典型的铝基和钛基复合材料及其性能,哈勃望远镜结构,在空间中的哈勃望远镜,Bf/Al复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱,Al基MMC在飞机尾翼和发动机叶片上的应用,Neutron Absorber,在核反应工程中应用 作为中子吸收材料,BoralTM,Borated Aluminum,DWAs BorTecTM,左图：Al2O3短纤维/Al汽车活塞 （活塞环）（丰田汽车公司） 中图：SiCp/Al连杆，锻件替代钢连杆，减重6Kg（福特、通用汽车公司） 右图：SiCp/Al，Al2O3 p/Al汽车刹车盘，减重60（丰田、福特和通用汽车公司）,金属基复合材料主要应用在以下领域
16、： 在航空航天、军事领域中的应用 在机械加工中刀具的应用 在生物医学中的应用 在功能陶瓷中应用,陶瓷基复合材料主要由陶瓷材料为基体（玻璃、SiC、Si3N4、Al2O3等陶瓷），以纤维（如Cf、SiCf）、晶须（如SiCw）和颗粒（如SiCp、B4Cp）为增强体，通过适当的工艺复合制备而成。,陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites, CMC）,在航空航天、军事领域中的应用 （如张立同院士2004年国家发明一等奖）,Cf/SiC复合材料系列喷管及其试车考核情况,在液体火箭发动机中使用的C/SiC喷管 (a) 法国Ariana5大型运载火箭C/SiC扩张段 (b) 西北
17、工业大学研制的喷管扩张段,(a),(b),SiCw/Al2O3复合材料钻头,颗粒增强氮化硅刀具,在机械加工中刀具的应用,工业泵,冶金,矿山机械,轴承,石化,军工,电力,航空,清华陶瓷刀具,超硬泵多数采用 典型效益：几百万度电,典型效益：4千万/年,典型效益：5千万/年,加工炮钢 典型效益：几百发/天,车缸套，效率提高3-4倍,加工硬镍铸铁磨煤机磨环,加工高温合金，效率提高5-10倍,瓦轴，洛轴，哈轴，以车代磨，效率提高4-5倍,粮食机械,加工粮食磨辊，效率提高4-6倍,汽车,加工刹车盘、连杆、缸体和离合器等,新型陶瓷刀具在十几个行业，上千家企业应用，给用户和国家带来显著经济效益,复合Si3N4
18、陶瓷刀具加工冷硬铸铁轧辊,采用复合氮化硅刀具刨大型高锰钢零件,炮弹加工现场录像,大型水泵加工现场录像,CMC的人工关节和齿根,在生物医学中的应用,人工骨,Mechanisms of biomineralization,Biominaralization of collagen Chemistry of Materials 15, 32213226; 2003,Comment from Nature Materials: “These results should improve the understanding of collagen-mediated mineralization in o
19、ther calcified tissues, and point the way to new functional materials for biomimetic engineering.”,清华的工作：,Porous Structure of the Materials,Nanostructured Artifical Bone,Nanostructured artificial bone, which is the first chinese nano-medicine product, has come into the market. Its effect is close to
20、 autograftiliac bone. More than 2000 cases of bone defect were healed successfully using this product. Now, it is propagandizing in domestic hospitals.,Artificial bone implanted in intervertebral for a men, detected by X-ray.,2 weeks after operation, intervertebral fusion was finished(the arrow),碳/碳
21、复合材料（Carbon/Carbon composites）,碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔的预制体，然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相沉积/渗透（CVD/CVI）的方式将多孔预制体中孔隙填充而获得的。根据实际应用构件的形状和使用要求，设计预制体的构成，可以得到不同结构的碳/碳复合材料。例如二维、三维（三维正交，三维编织）等碳/碳复合材料构件。现在正在将碳/碳复合材料表面形成SiC，可以获得一种梯度“陶瓷碳/碳复合材料”。,碳/碳复合材料主要应用在以下领域： 航天飞机（鼻锥、机翼前沿护翼） 导弹、火箭（发动机、喉衬、喷管、鼻锥） 飞机刹车装置、汽车刹车盘 生物医学工程（人工
22、关节） 高温模具、紧固件,三维正交碳纤维增强的C/C的显微结构,常见纤维的编织方式,在航天飞机中的应用,航天飞机的碳/碳复合材料鼻锥,航天飞机的碳/碳复合材料侧翼,导弹、火箭鼻锥、喷管预制体制编织车间,用于军事领域（导弹、火箭）,导弹、火箭碳/碳 复合材料喉衬,导弹、火箭碳/碳复合材料鼻锥,碳/碳复合材料制成的飞机刹车盘,空中客车A-320碳/碳刹车装置,碳/碳刹车装置原理示意图,碳/碳发动机整体涡轮及叶片,汽车工业应用,一级方程式赛车碳/碳制动盘,一级方程式赛车离合器片,碳/碳/SiC复合材料高级轿车刹车盘,碳/碳/SiC复合材料高级轿车离合器,发动机碳/碳活塞,现代复合材料的研究和开发重点
23、主要集中在： 增强材料的研究与开发，尤其是提高性能、优化工艺、降低成本； 具有特殊性能的新型复合材料的研究与开发，如高技术领域、航空航天、功能复合材料（磁、电、光、及相互转换、摩擦磨损、零膨胀）等； 各种类型的单质材料之间的复合工艺的研究与开发（包括工艺技术、装置、设备）； 复合材料的界面工程与优化的研究，提高复合材料性能稳定性； 复合材料的构件或器件结构设计及加工的研究与开发（包括复合材料力学、复合材料工艺学、MEMS）,五、复合材料的发展方向,本章小结：,复合材料的定义材料组元、制备工艺、特性 复合材料的分类分类方法 复合材料的特性相当于单相材料 复合材料的应用 复合材料的发展方向,本章阅读材料：,阅读材料1：国内外高性能复合材料发展概况 阅读材料2：下世纪复合材料面临的机遇与挑战 阅读材料3：金属基复合材料研究进展 阅读材料4：聚合物无机物纳米复合材料,