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1、第九章第九章 復合材料復合材料第九章第九章 復合材料復合材料 本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容 9.1 復合材料及其類型 9.2 復合材料的增強機制和復合原則 9.3 復合材料的性能特點 9.4 常用復合材料 第九章第九章 復合材料復合材料 9.1 9.1 復合材料及其類型復合材料及其類型1.含義：由兩種或兩種以上物理、化學性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng) 人工組合而得到的多項固體材料。 優(yōu)點： n 改善或克服組成材料的弱點，充分發(fā)揮其優(yōu)點；n 可按照構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和受力要求，給出約定的、分配合理的 配套性能，進行材料的最佳設(shè)計；n 可創(chuàng)造單一材料不易具備的性能或功能，或在同一時間里 發(fā)揮不同功能的作用。2. 2.

2、 分類分類n復合材料是多相結(jié)構(gòu)，可分為兩類，一類相為基體基體，起連接作用；另一類為增強相增強相，起提高強度（或韌性）作用。n常見的分類有三種常見的分類有三種 按基體類型分：按基體類型分：樹脂類/金屬類 按性能分：按性能分：結(jié)構(gòu)復合材料/功能復合材料 按增強相的性質(zhì)和形態(tài)分：按增強相的性質(zhì)和形態(tài)分： 纖維增強復合材料 顆粒增強復合材料 層疊增強復合材料 第九章第九章 復合材料復合材料 9.1 9.1 復合材料及其類型復合材料及其類型 第九章第九章 復合材料復合材料 9.1 9.1 復合材料及其類型復合材料及其類型 （a a）層疊復合材料）層疊復合材料 （b b）纖維復合材料）纖維復合材料 （c

3、c）顆粒復合材料）顆粒復合材料 復合材料結(jié)構(gòu)示意圖復合材料結(jié)構(gòu)示意圖2. 2. 分類分類3.3.復合材料的制備方法復合材料的制備方法n（1 1）疊層（層合）法）疊層（層合）法 利用膠黏劑的層合、或?qū)雍弦约袄酶鞣N方法形成表面層。n（2 2）混合法）混合法 在基體材料中加入，經(jīng)機械混合形成溶液、乳液狀態(tài)，料漿和混合料，甚至微觀結(jié)合，然后固化、分層、燒結(jié)而制成均勻的復合材料。n（3 3）浸漬法）浸漬法 材料在中獲得。 第九章第九章 復合材料復合材料 9.1 9.1 復合材料及其類型復合材料及其類型4.復合材料的應(yīng)用復合材料的應(yīng)用 第九章第九章 復合材料復合材料9.1 復合材料及其類型復合材料及其類

4、型 復合材料在復合材料在B777B777上的應(yīng)用上的應(yīng)用 第九章第九章 復合材料復合材料 9.1 復合材料及其類型復合材料及其類型 復合材料在復合材料在A380上的應(yīng)用上的應(yīng)用 ARJ21的復合材料應(yīng)用和研究計劃的復合材料應(yīng)用和研究計劃 第九章第九章 復合材料復合材料 9.1 9.1 復合材料概述復合材料概述4.復合材料的應(yīng)用復合材料的應(yīng)用 增強復合材料增強復合材料的形態(tài)主要有的形態(tài)主要有纖維態(tài)纖維態(tài)和和粒子態(tài)粒子態(tài)兩種。兩種。1 1、纖維增強復合材料的增強機制與復合原則、纖維增強復合材料的增強機制與復合原則 纖維增強復合材料是由高強度、高彈性模量的連續(xù)（長）纖維或不連續(xù)（短）纖維與基體(樹脂

5、或金屬、陶瓷等)復合而成。（1）增強纖維的，以保證復合材 料受力時主要由纖維承受外加載荷。 （2）纖維和基體之間應(yīng)有一定，這樣才能保證基體所承 受的載荷能通過界面?zhèn)鬟f給纖維，并防止脆性斷裂。 （3）纖維的要和構(gòu)件的一致，才能發(fā)揮增強作 用。 第九章第九章 復合材料復合材料 9.2 9.2 復合材料的增強機制和復合原則復合材料的增強機制和復合原則1 1、纖維增強復合材料的增強機制與復合原則、纖維增強復合材料的增強機制與復合原則（4）纖維和基體之間不能發(fā)生使結(jié)合強度降低的。（5）纖維和基體的應(yīng)匹配，不能相差過大，否 則在熱脹冷縮過程中會引起纖維和基體結(jié)合強度降低。 （6）纖維所占的、纖維和及等必須

6、滿足一定要求。 第九章第九章 復合材料復合材料 9.2 9.2 復合材料的增強機制和復合原則復合材料的增強機制和復合原則2 2、粒子增強型復合材料的增強機制與復合原則、粒子增強型復合材料的增強機制與復合原則增強原理：增強原理： 在外力的作用下，復合材料的將主要，而彌散均勻分布的將阻礙導致基體塑性變形的，使增加，提高。原則：原則：（1）粒子與基體應(yīng)有一定的。（2）粒子增強的效果與粒子相的有 關(guān)。 第九章第九章 復合材料復合材料 9.2 9.2 復合材料的增強機制和復合原則復合材料的增強機制和復合原則 可減輕重量，使構(gòu)件做的更小，可取代部分Al合金構(gòu)件。 對缺口和應(yīng)力集中敏感性小，就是有裂紋，其擴

7、展方向因纖維/基體界面會變鈍，或改變方向。 第九章第九章 復合材料復合材料 9.3 9.3 復合材料的性能特點復合材料的性能特點 第九章第九章 復合材料復合材料 9.3 9.3 復合材料的性能特點復合材料的性能特點復合材料中疲勞裂紋擴展示意圖復合材料中疲勞裂紋擴展示意圖 三種材料的疲勞強度三種材料的疲勞強度 1.1.樹脂基復合材料的基本類型樹脂基復合材料的基本類型n特點：特點：硬度、剛度大，受熱不軟化，其用量比熱塑性樹脂大。 常用的幾種熱固性樹脂為：環(huán)氧、酚醛、聚酯、硅樹脂 和聚酰亞胺n特點：特點：受熱到玻璃轉(zhuǎn)化溫度玻璃轉(zhuǎn)化溫度時，會明顯產(chǎn)生軟化軟化，而冷卻后又 能恢復其強度。 第九章第九章

8、復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料2. 2. 增強纖維及纖維樹脂基復合材料增強纖維及纖維樹脂基復合材料（1 1）玻璃纖維玻璃纖維及其增強的復合材料及其增強的復合材料n玻璃脆性很大n可將熔融液態(tài)玻璃以極快的速度控制拉成纖維后，就具有一定的柔軟性，可紡制成。 玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類 可根據(jù)纖維中K、Na的氧化物含量分為： 有堿(10%)玻璃纖維 低堿(26%)玻璃纖維: 強度高，耐水性好，電絕緣性好 無堿(1%)玻璃纖維 特種玻璃纖維 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料2. 2. 增強纖維及纖維樹脂基復合材料增強纖維及纖維樹脂基復合材

9、料（1 1）玻璃纖維及其增強的復合材料）玻璃纖維及其增強的復合材料 n抗拉強度很高。纖維越細，強度越高，纖維直徑一般在10m以下，單絲抗拉強度為13 103MPa ，但彈性模量不高，僅為5104 MPa。n耐熱性低：250以上開始軟化n化學穩(wěn)定性高，除HF和濃堿外，在其它化學介質(zhì)中都有較好的穩(wěn)定性。n脆性較大：延伸率具有3%左右。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料2. 2. 增強纖維及纖維樹脂基復合材料增強纖維及纖維樹脂基復合材料（1）玻璃纖維及其增強的復合材料 分類及性能分類及性能 熱固性玻璃鋼：(6070%)纖維+ +( (3040%)熱固性樹脂，用手

10、敷法， 模壓結(jié)合或注射成型。 熱塑性玻璃鋼：適量玻璃纖維+ +熱塑性樹脂復合材料，此類玻璃鋼 機械強度不如熱固性玻璃鋼高。 用途用途n航空領(lǐng)域：可作飛機螺旋槳、副油箱、雷達罩等；n交通運輸方面：可作車頂、車身、發(fā)動機罩和船舶零件；n化工方面：可作管道、閥門、貯罐等。n優(yōu)點：比重小強度高，耐腐蝕，絕電抗磁，隔音能力較好。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料增強纖維及纖維樹脂基復合材料碳纖維及其增強的復合材料 碳纖維 生產(chǎn)碳纖維的原料有各種人造纖維人造纖維和天然有機纖維天然有機纖維，如聚丙聚丙烯腈、瀝青纖維烯腈、瀝青纖維等。 1)聚丙烯腈聚丙烯腈制造的過程如下：

11、聚丙烯腈纖維預氧化纖維碳纖維(高強度)石墨纖維(高模量)預氧化碳化石墨化2502小時100020001小時250030001小時 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料 2. 增強纖維及纖維樹脂基復合材料碳纖維及其增強的復合材料 預氧化目的預氧化目的：提高熱穩(wěn)定性，保證碳化時得到碳纖維。 碳化碳化：在氮氣或真空中高溫加熱，使纖維中的氫、氮、氧等元素逸出，形成碳纖維(此時含7595%)。這種碳纖維叫高強度碳纖維(也稱型碳纖維型碳纖維)，即此時纖維強度最高； 石墨化：石墨化：是在氬保護下在更高溫度下加熱，進一步提高碳含量(98%以上)，并使碳轉(zhuǎn)變成石墨晶體。 具有石

12、墨晶體結(jié)構(gòu)的纖維叫石墨纖維，又稱。它的性能特點是強度低于型碳纖維，但彈性模量比型高，故稱高模量碳纖維。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料2. 增強纖維及纖維樹脂基復合材料（2）碳纖維及其增強的復合材料碳纖維的性能特點： 1) 比重小、彈性模量高。 2) 高低溫性能好。 3) 具有高的化學腐蝕穩(wěn)定性，導電性和低的摩擦系 數(shù)等優(yōu)點。 用途： 機身局部構(gòu)件、機艙地板、發(fā)動機的壓氣機葉片；垂直尾翼、水平尾翼等。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料3.硼纖維及其增強的樹脂基復合材料（1）硼纖維nB的熔點為2050，硬而脆，不能用常

13、規(guī)方法制造纖維，通常用化學氣相沉積法來制取，方法如下：0.013mm鎢絲鎢絲表面純表面純凈的凈的W絲絲H2氣中去除污染與氧化物12041204109310932BCl2BCl33H3H22B2BHClHCl在含有BCl3和H2的氣氛中，進行化學氣相沉積WBB向向W絲心部擴散絲心部擴散后就形成了硼纖后就形成了硼纖維維 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料3.3.硼纖維及其增強的樹脂基復合材料（2 2）硼纖維環(huán)氧樹脂復合材料n特性：硼纖維環(huán)氧復合材料的拉伸、壓縮、剪切強度比Ti合金、Al合金都高，但其各向異性十分明顯。 可做成長度為可做成長度為3076m，寬度為，

14、寬度為76.2mm的帶材，在的帶材，在其寬度上分布著其寬度上分布著600根硼纖維占體積的根硼纖維占體積的4354%。n應(yīng)用：主要用于高性能飛機垂尾，機翼部件和起落架門。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料晶須及其增強的樹脂基復合材料晶須及其增強的樹脂基復合材料（1 1）晶須）晶須n用不同處理方法，可使金屬、金屬的氧化物、金屬的氮化物、非金屬的碳化物、氮化物自由長大成纖維狀的，即晶須。n直徑：約為0.1325mn長度：約為幾毫米n特性：不存在晶體缺陷，強度很高，彈性模量也很高，高溫機械性能比任何纖維都高。（2 2）晶須樹脂復合材料）晶須樹脂復合材料n晶須價格昂

15、貴，在樹脂基復合材料中用的不多，即使使用晶須，一般只為百分之幾。常用于局部增強。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料5.5.金屬基復合材料金屬基復合材料優(yōu)點： 其橫向機械性能和層間剪切強度高，工作溫度高， 尺寸穩(wěn)定，不老化，不吸濕不放氣。缺點： 工藝復雜，難度大，成本很高。n研究和應(yīng)用水平不如樹脂基復合材料。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料5.金屬基復合材料金屬基復合材料（1）硼纖維增強的金屬基復合材料 1）硼纖維增強鋁合金 性能特點： 疲勞性能高； 抗壓強度和抗剪強度，比硼-環(huán)氧樹脂基復合材料高； 拉伸模量高于硼-環(huán)

16、氧、7075鋁合金、Ti6A14V鈦合金； 高溫性能也優(yōu)于硼-環(huán)氧和7075鋁合金。 B纖維的表面，一般涂SiC涂層來提高化學穩(wěn)定性，防止AlB2和B2O3的形成。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料 5. 5.金屬基復合材料金屬基復合材料（1 1）B B纖維增強的金屬基復合材料纖維增強的金屬基復合材料 1 1）B B纖維增強纖維增強AlAl合金合金 基體基體 基體可以是純Al，變形Al合金(采用熱壓擴散結(jié)合)，鑄造Al合金(采用鑄造法)。 顯微組織顯微組織 由厚度為0.0760.13mm的+ +直徑為0.1mm的在524、700MPa壓力下，保持1.5小時

17、制成。 應(yīng)用應(yīng)用 因強度高、耐蝕性好，一般用于發(fā)動機風扇葉片、飛機蒙皮等。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料硼/鋁復合材料的典型制造工藝流程 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料 5.金屬基復合材料金屬基復合材料（1）B纖維增強的金屬基復合材料纖維增強的金屬基復合材料 1）B纖維增強纖維增強Al合金合金 5.金屬基復合材料（1）B纖維增強的金屬基復合材料 2）硼纖維增強鈦合金nTi與B之間，易形成，進而產(chǎn)生。n在B纖維表面涂后，基本上可以問題。n目前還處于研究和使用階段。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用

18、復合材料常用復合材料5.金屬基復合材料（2）石墨纖維增強金屬基復合材料 性能特點：石墨纖維強度高、剛度高、密度小，大規(guī)模生產(chǎn)容易，與Al、Ni、Cu、Mg等金屬有一定相容性；但石墨在高溫下易產(chǎn)生氧化，制造困難，因此限制了其應(yīng)用； 用途： ； 難點：如何提高其高溫性能仍是研究的重點。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料5.金屬基復合材料金屬基復合材料氧化鋁晶須增強鎳復合材料氧化鋁晶須增強鎳復合材料 性能特點：性能特點： Al2O3晶須比重不到4.0，熔點高，有優(yōu)異的高溫強度。用Al2O3增強鎳和鎳基高溫材料，意義很大。 前景：前景： Al2O3 /Ni復合材料，室溫到1000時，其實驗室的強度只降低了一半，顯示出很大的性能潛力。 難點：難點： 由于Al2O3晶須與Ni基體間的化學不相容性，以及膨脹系數(shù)相差較大，制造時晶須排列困難，價格太高等原因，其發(fā)展緩慢，應(yīng)用受到了限制。 第九章第九章 復合材料復合材料9.4 9.4 常用復合材料常用復合材料