11 第11章 复合材料.pptx

第1页：第十一章目录

第十一章 复合材料

• 11.1 复合材料概论：发展概况、命名和分类
• 11.2 复合材料的增强体：增强体的概念、分类及原理
• 11.3 金属基复合材料：种类和性能、制造工艺
• 11.4 陶瓷基复合材料：陶瓷基复合材料的种类
• 11.5 聚合物基复合材料：种类和性能特点、几种常见的纤维增强体

第2页：复合材料的发展概况

11.1 复合材料概论 11.1.1 复合材料的发展概况

20世纪60年代以来，科学技术的发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料的性能要求越来越高，在许多方面传统的单相材料的性能已不能满足实际的需求。这就促进人们研究制备出由多相组成的复合材料，以提高材料的性能。把两种材料结合在一起，发挥各自的长处，又在一定程度上克服了它们固有的弱点，这统称为复合材料。

第3页：复合材料的命名和分类

11.1.2 复合材料的命名和分类

复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种。

按基体材料分类，复合材料包含如下几类：1. 聚合物基复合材料；2. 金属基复合材料；3. 无机非金属基复合材料。

按不同增强体形式分类，复合材料包含如下几类：1. 纤维增强复合材料；2. 颗粒增强复合材料；3. 片材增强复合材料；4. 叠层复合材料。

第4页：增强体的概念

11.2 复合材料的增强体 11.2.1 增强体的概念

增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的组元物质，是复合材料的重要组成部分，它可以起着提高基体的强度、韧性、模量、耐热、耐磨等性能的作用。作为复合材料的增强体应具有以下基本特性：

• ① 增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能
• ② 增强体应具有良好的化学稳定性
• ③ 与基体有良好的润湿性

第5页：纤维类增强体

11.2.2 增强体的分类及原理 1、纤维类增强体

在复合材料中，纤维增强的复合材料占有最重要的位置，以致在一般概念中讲复合材料实际上就是指纤维增强的复合材料。将强的、刚硬的脆性纤维和塑性较好的基体复合在一起，可使材料具有很好的力学性能，如强度、刚度（特别是比刚度、比强度）、疲劳抗力等。

纤维增强的复合材料中，纤维承受了绝大部分外载荷，而基体只是将力传给纤维，并保持一定的塑性和韧性。

第6页：载荷平行于纤维的力学行为

2、连续长纤维增强的复合材料力学行为 1）荷载平行于纤维（等应变情况）

当载荷平行于纤维方向时，纤维与基体应变相同，复合材料的弹性模量可按各组分体积分数加权求得，纤维承担主要载荷。

第7页：载荷垂直于纤维的力学行为

2）载荷垂直于纤维（等应力情况）

当载荷垂直于纤维时，用高弹性模量的纤维并不能有效地起到增强作用，是基体的弹性模量起主要作用，除非纤维体积分数很高，才产生较大的强化效果。

第8页：不连续纤维复合材料的力学性能

3、不连续纤维复合材料的力学性能

不连续（短）纤维复合材料的力学性能与纤维长度、纤维直径、界面结合强度等因素密切相关。

第9页：临界纤维长度

在不连续纤维中，临界纤维长度是一重要的力学参量：

• 1、当纤维长度远小于临界长度时，最大纤维应力总是低于纤维的抗拉强度，纤维不会断裂。复合材料要发生破坏，除非是在纤维和基体的界面上或者是基体损坏，这种短纤维的强度潜力未充分发挥
• 2、当纤维长度略大于临界长度时，只有纤维中间部分的应力达到了纤维的抗拉强度，而纤维两端的承载能力没有充分发挥
• 3、要使纤维增强的效果好，只有纤维长度远大于临界长度
• 4、对给定的纤维直径和纤维强度，尚可改变基体的抗剪强度来控制临界长度，可以加入一些偶联剂使纤维与基体结合更牢固，也就是增加了界面剪切强度，从而减小了临界长度，而不必改变纤维的长度

第10页：短纤维与连续纤维的强度比较

不连续纤维的强度总是低于连续纤维的值，但是只要纤维长度远大于临界长度，就能达到连续纤维强度水平的 90% 以上。

第11页：颗粒类增强体

4、颗粒类增强体

近年来颗粒增强复合材料得到迅速发展，用于金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料的增强颗粒主要是陶瓷颗粒，如 Al₂O₃、SiC、Si₃N₄、TiC、B、C、石墨和 CaCO₃ 等。Al₂O₃、SiC 和 Si₃N₄ 等常用于金属基和陶瓷基复合材料，而石墨和 CaCO₃ 则常用于增强聚合物基复合材料。如 Al₂O₃、SiC、B₄C 和石墨等颗粒已用于增强铝基、镁基复合材料，而 TiC、TiB₂ 等颗粒已用于增强钛基复合材料。

第12页：金属基复合材料的种类

11.3 金属基复合材料 11.3.1 金属基复合材料的种类和性能

1. 按增强体类型分类

1）颗粒增强复合材料；2）层状复合材料；3）纤维增强复合材料

2. 按基体类型分类

1）铝基复合材料；2）镍基复合材料；3）钛基复合材料；4）镁基复合材料

第13页：金属基复合材料的性能特征

金属基复合材料的性能特征

• 1. 高比强度、比模量
• 2. 导热、导电性能好
• 3. 热膨胀系数小、尺寸稳定性好
• 4. 良好的高温性能
• 5. 良好的耐磨性
• 6. 良好的断裂韧性和抗疲劳性能
• 7. 不吸潮、不老化、气密性好

总之，金属基复合材料具有高比强度、比模量，良好的导热导电性、耐磨性、高温性能，较低的热膨胀系数和高的尺寸稳定性等优点，它在航空、航天、电子、汽车、轮船、先进武器等方面均具有广泛的应用前景。

第14页：金属基复合材料的制造工艺

11.3.2 金属基复合材料的制造工艺

金属基复合材料品种繁多，多数制造过程是将复合过程与成型过程合为一体，同时完成复合和成型。由于基体金属的熔点、物理和化学性质不同，增强物的几何形状、化学、物理性质不同，应选用不同的制造工艺。

现有的制造工艺有：粉末冶金法、热压法、热等静压法、挤压铸造法、共喷沉积法、液态金属浸渗法、液态金属搅拌法、反应自生法等。归纳起来可分成以下几大类：固态法、液态法和自生成法及其他制备法。

第15页：陶瓷基复合材料的种类

11.4 陶瓷基复合材料 11.4.1 陶瓷基复合材料的种类

一、按材料作用分类

① 结构陶瓷复合材料，用于制造各种受力构件；② 功能陶瓷复合材料，具有各种特殊性能（如光、电、磁、热、生物、阻尼、屏蔽等）。

二、按增强材料形态分类

① 颗粒增强陶瓷复合材料；② 纤维（晶须）增强陶瓷复合材料；③ 片材增强陶瓷复合材料。

用做陶瓷基复合材料的增强体主要包括颗粒、纤维（晶须）和陶瓷薄片，后者研究还不够成熟。

第16页：聚合物基复合材料的性能特点

11.5 聚合物基复合材料 11.5.1 聚合物基复合材料的种类和性能特点

它具有以下几个特点：

• ① 比强度大、比模量大。例如高模量碳纤维／环氧树脂的比强度是钢的5倍、是铝合金的4倍，其比模量为铝、铜的4倍
• ② 耐疲劳性能好。金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏，而聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能有效阻止裂纹的扩展，破坏是逐渐发展的，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的30%—50%，而聚合物基复合材料的疲劳极限可达其拉伸强度的70%—80%
• ③ 减振性好。复合材料中基体界面有吸震能力，因而振动阻尼高
• ④ 耐烧蚀性能好。因聚合物基复合材料的比热容大，熔化热和汽化热也大，高温下能吸收大量热能，是良好的耐烧蚀材料
• ⑤ 工艺性好。制造工艺简单，过载时安全性好

第17页：几种常见的纤维增强体

11.5.2 几种常见的纤维增强体

• 1、玻璃纤维
• 2、碳纤维
• 3、硼纤维