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1、第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料 本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容 9.1 復(fù)合材料及其類型 9.2 復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則 9.3 復(fù)合材料的性能特點(diǎn) 9.4 常用復(fù)合材料 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料 9.1 9.1 復(fù)合材料及其類型復(fù)合材料及其類型1.含義：由兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng) 人工組合而得到的多項(xiàng)固體材料。 優(yōu)點(diǎn)： n 改善或克服組成材料的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)；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(jìn)行材料的最佳設(shè)計(jì)；n 可創(chuàng)造單一材料不易具備的性能或功能，或在同一時(shí)間里 發(fā)揮不同功能的作用。2. 2.

2、 分類分類n復(fù)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(qiáng)相增強(qiáng)相，起提高強(qiáng)度（或韌性）作用。n常見(jiàn)的分類有三種常見(jiàn)的分類有三種 按基體類型分：按基體類型分：樹(shù)脂類/金屬類 按性能分：按性能分：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料/功能復(fù)合材料 按增強(qiáng)相的性質(zhì)和形態(tài)分：按增強(qiáng)相的性質(zhì)和形態(tài)分： 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 層疊增強(qiáng)復(fù)合材料 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料 9.1 9.1 復(fù)合材料及其類型復(fù)合材料及其類型 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料 9.1 9.1 復(fù)合材料及其類型復(fù)合材料及其類型 （a a）層疊復(fù)合材料）層疊復(fù)合材料 （b b）纖維復(fù)合材料）纖維復(fù)合材料 （c

3、c）顆粒復(fù)合材料）顆粒復(fù)合材料 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖2. 2. 分類分類3.3.復(fù)合材料的制備方法復(fù)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(jī)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(fù)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(fù)合材料復(fù)合材料 9.1 9.1 復(fù)合材料及其類型復(fù)合材料及其類型4.復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.1 復(fù)合材料及其類型復(fù)合材料及其類

4、型 復(fù)合材料在復(fù)合材料在B777B777上的應(yīng)用上的應(yīng)用 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料 9.1 復(fù)合材料及其類型復(fù)合材料及其類型 復(fù)合材料在復(fù)合材料在A380上的應(yīng)用上的應(yīng)用 ARJ21的復(fù)合材料應(yīng)用和研究計(jì)劃的復(fù)合材料應(yīng)用和研究計(jì)劃 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料 9.1 9.1 復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述4.復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用 增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制與復(fù)合原則、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制與復(fù)合原則 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由高強(qiáng)度、高彈性模量的連續(xù)（長(zhǎng)）纖維或不連續(xù)（短）纖維與基體(樹(shù)脂

5、或金屬、陶瓷等)復(fù)合而成。（1）增強(qiáng)纖維的，以保證復(fù)合材 料受力時(shí)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(guò)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(qiáng)作 用。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料 9.2 9.2 復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則1 1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制與復(fù)合原則、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制與復(fù)合原則（4）纖維和基體之間不能發(fā)生使結(jié)合強(qiáng)度降低的。（5）纖維和基體的應(yīng)匹配，不能相差過(guò)大，否 則在熱脹冷縮過(guò)程中會(huì)引起纖維和基體結(jié)合強(qiáng)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(fù)合材料復(fù)合材料 9.2 9.2 復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則2 2、粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制與復(fù)合原則、粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制與復(fù)合原則增強(qiáng)原理：增強(qiáng)原理： 在外力的作用下，復(fù)合材料的將主要，而彌散均勻分布的將阻礙導(dǎo)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(qiáng)的效果與粒子相的有 關(guān)。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料 9.2 9.2 復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)合原則復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制和復(fù)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(duì)缺口和應(yīng)力集中敏感性小，就是有裂紋，其擴(kuò)

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

8、復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料2. 2. 增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料（1 1）玻璃纖維玻璃纖維及其增強(qiáng)的復(fù)合材料及其增強(qiáng)的復(fù)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(qiáng)度高，耐水性好，電絕緣性好 無(wú)堿(1%)玻璃纖維 特種玻璃纖維 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料2. 2. 增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材

9、料（1 1）玻璃纖維及其增強(qiáng)的復(fù)合材料）玻璃纖維及其增強(qiáng)的復(fù)合材料 n抗拉強(qiáng)度很高。纖維越細(xì)，強(qiáng)度越高，纖維直徑一般在10m以下，單絲抗拉強(qiáng)度為13 103MPa ，但彈性模量不高，僅為5104 MPa。n耐熱性低：250以上開(kāi)始軟化n化學(xué)穩(wěn)定性高，除HF和濃堿外，在其它化學(xué)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(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料2. 2. 增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料（1）玻璃纖維及其增強(qiáng)的復(fù)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(shù)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(shù)脂復(fù)合材料，此類玻璃鋼 機(jī)械強(qiáng)度不如熱固性玻璃鋼高。 用途用途n航空領(lǐng)域：可作飛機(jī)螺旋槳、副油箱、雷達(dá)罩等；n交通運(yùn)輸方面：可作車頂、車身、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和船舶零件；n化工方面：可作管道、閥門、貯罐等。n優(yōu)點(diǎn)：比重小強(qiáng)度高，耐腐蝕，絕電抗磁，隔音能力較好。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料碳纖維及其增強(qiáng)的復(fù)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(jī)纖維天然有機(jī)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(guò)程如下：

11、聚丙烯腈纖維預(yù)氧化纖維碳纖維(高強(qiáng)度)石墨纖維(高模量)預(yù)氧化碳化石墨化2502小時(shí)100020001小時(shí)250030001小時(shí) 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料 2. 增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料碳纖維及其增強(qiáng)的復(fù)合材料 預(yù)氧化目的預(yù)氧化目的：提高熱穩(wěn)定性，保證碳化時(shí)得到碳纖維。 碳化碳化：在氮?dú)饣蛘婵罩懈邷丶訜?，使纖維中的氫、氮、氧等元素逸出，形成碳纖維(此時(shí)含7595%)。這種碳纖維叫高強(qiáng)度碳纖維(也稱型碳纖維型碳纖維)，即此時(shí)纖維強(qiáng)度最高； 石墨化：石墨化：是在氬保護(hù)下在更高溫度下加熱，進(jìn)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(diǎn)是強(qiáng)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(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料2. 增強(qiáng)纖維及纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料（2）碳纖維及其增強(qiáng)的復(fù)合材料碳纖維的性能特點(diǎn)： 1) 比重小、彈性模量高。 2) 高低溫性能好。 3) 具有高的化學(xué)腐蝕穩(wěn)定性，導(dǎo)電性和低的摩擦系 數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。 用途： 機(jī)身局部構(gòu)件、機(jī)艙地板、發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片；垂直尾翼、水平尾翼等。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料3.硼纖維及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料（1）硼纖維nB的熔點(diǎn)為2050，硬而脆，不能用常

13、規(guī)方法制造纖維，通常用化學(xué)氣相沉積法來(lái)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(jìn)行化學(xué)氣相沉積WBB向向W絲心部擴(kuò)散絲心部擴(kuò)散后就形成了硼纖后就形成了硼纖維維 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料3.3.硼纖維及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料（2 2）硼纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料n特性：硼纖維環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸、壓縮、剪切強(qiáng)度比Ti合金、Al合金都高，但其各向異性十分明顯。 可做成長(zhǎng)度為可做成長(zhǎng)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(jī)垂尾，機(jī)翼部件和起落架門。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料晶須及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料晶須及其增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)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(zhǎng)大成纖維狀的，即晶須。n直徑：約為0.1325mn長(zhǎng)度：約為幾毫米n特性：不存在晶體缺陷，強(qiáng)度很高，彈性模量也很高，高溫機(jī)械性能比任何纖維都高。（2 2）晶須樹(shù)脂復(fù)合材料）晶須樹(shù)脂復(fù)合材料n晶須價(jià)格昂

15、貴，在樹(shù)脂基復(fù)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(qiáng)。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料5.5.金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)： 其橫向機(jī)械性能和層間剪切強(qiáng)度高，工作溫度高， 尺寸穩(wěn)定，不老化，不吸濕不放氣。缺點(diǎn)： 工藝復(fù)雜，難度大，成本很高。n研究和應(yīng)用水平不如樹(shù)脂基復(fù)合材料。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料5.金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料（1）硼纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料 1）硼纖維增強(qiáng)鋁合金 性能特點(diǎn)： 疲勞性能高； 抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，比硼-環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)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(lái)提高化學(xué)穩(wěn)定性，防止AlB2和B2O3的形成。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料 5. 5.金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料（1 1）B B纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料 1 1）B B纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng)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(kuò)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(shí)

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

18、復(fù)合材料常用復(fù)合材料5.金屬基復(fù)合材料（2）石墨纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 性能特點(diǎn)：石墨纖維強(qiáng)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(diǎn)：如何提高其高溫性能仍是研究的重點(diǎn)。 第九章第九章 復(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料5.金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料氧化鋁晶須增強(qiáng)鎳復(fù)合材料氧化鋁晶須增強(qiáng)鎳復(fù)合材料 性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： Al2O3晶須比重不到4.0，熔點(diǎn)高，有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。用Al2O3增強(qiáng)鎳和鎳基高溫材料，意義很大。 前景：前景： Al2O3 /Ni復(fù)合材料，室溫到1000時(shí)，其實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)度只降低了一半，顯示出很大的性能潛力。 難點(diǎn)：難點(diǎn)： 由于Al2O3晶須與Ni基體間的化學(xué)不相容性，以及膨脹系數(shù)相差較大，制造時(shí)晶須排列困難，價(jià)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(fù)合材料復(fù)合材料9.4 9.4 常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料