《機械工程材料(第4版)》教學課件-第8章陶瓷1

1、第九章 復合材料COMPOSITE MATERIALS第一節(jié) 概述復合材料 用多種不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的多相材料一、復合材料的分類復合材料結(jié)構(gòu)示意圖a) 疊層復合材料b) 、d) 纖維增強復合材料c) 顆粒增強復合材料按基體相性質(zhì)金屬基復合材料非金屬基復合材料按增強相形態(tài)纖維增強復合材料顆粒增強復合材料疊層復合材料二、復合材料的性能特點1. 比強度和比模量高THE ENDTHE END2. 抗疲勞和破斷安全性好三種材料的疲勞強度比較 對缺口和應(yīng)力集中的敏感性小 阻止疲勞裂紋擴展或改變裂紋擴展路徑3. 高溫性能優(yōu)良如，用碳纖維增強鋁合金后，400時強度和彈性模量基本不變4.

2、 減振性能好 結(jié)構(gòu)自振頻率材料比模量的平方根， 避免構(gòu)件共振 纖維與基體界面吸收振動能量，使振動很快衰減第二節(jié) 增強材料及其增強機制一、纖維增強高強度碳纖維高強度碳纖維(型型) )高模量碳纖維高模量碳纖維( (型型) )1. 纖維增強材料1. 玻璃纖維 高抗拉強度比塊狀玻璃高幾十倍，比 塊狀高強度合金鋼還高 彈性模量較高比其他人造纖維高58 倍，但比一般金屬低很多 耐熱性較高軟化點為550580，在 550580以下受熱時強度不變 良好的耐蝕性除氫氟酸、濃堿、濃磷 酸外，對其他溶劑有良好的化學穩(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 制取方便，價格便宜2. 碳纖維 高、

3、低溫性能好1500以上惰性氣體 中強度不變，在180 脆性也不增加 化學穩(wěn)定性高耐濃鹽酸、硫酸、苯、 磷酸、丙酮 熱膨脹系數(shù)小，導電，自潤滑性好 脆性大，易氧化 密度低1.332.0g/cm3 彈性模量高2.61054105MPa3. 硼纖維 高強度與玻璃纖維相近 良好的抗氧化性和耐腐蝕性 比重大，直徑較粗，生產(chǎn)工藝復雜，成 本高，價格昂貴 高熔點2300 彈性模量高3.81054.9105MPa將元素硼用蒸汽沉積的方法沉積到鎢絲纖芯上4. 芳綸纖維（Kevlar纖維） 高韌性好于玻璃纖維和碳纖維 耐熱性好好于玻璃纖維，能在290 下長期使用 價格便宜 高比模量是玻璃纖維的3倍 優(yōu)良的抗疲勞性

4、、耐腐蝕性、絕緣性和 加工性 高比強度小比重( )，高強 度( )2.83.7GPa1.45g/cm35. 碳化硅纖維 高熔點，高模量 優(yōu)良的高溫強度1100, 2100MPa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)而制得金屬基復合材料中的增強顆粒：Al2O3 SiC Si3N4 WC TiC B4C 石墨2. 顆粒增強材料聚合物基復合材料中的增強顆粒：石墨、碳黑、白碳黑(二氧化硅無定形微粉)、云母、高嶺土、膨潤土、碳酸鈣、滑石粉、空心玻璃微珠MgO、SiO2、MoS2、Fe2O3、二、增強機制簡介1. 纖維增強1) 纖維增強機制() 纖維斷裂時，基體能阻止裂紋擴展

5、并改 變擴展方向() 纖維與基體間適當?shù)慕缑娼Y(jié)合強度，使 纖維斷裂而從基體中難以拔出() 被基體保護的纖維，不易受損傷，受載 時不易產(chǎn)生裂紋，使材料承載能力增大() 與塊狀材料相比，纖維具有更高的強度 和韌性 THE END纖維斷裂后裂紋沿纖維與基體界面擴展斷裂的纖維被從基體中拔出2) 纖維增強復合條件() 纖維的排列方向應(yīng)與構(gòu)件受力方向一致() 纖維與基體的熱膨脹系數(shù)應(yīng)匹配() 纖維與基體間應(yīng)有適當?shù)慕缑娼Y(jié)合強度() 纖維的強度和彈性模量應(yīng)遠高于基體() 纖維與基體之間不應(yīng)發(fā)生使結(jié)合強度降 低的化學反應(yīng)() 纖維所占體積分數(shù)、纖維長度 L 和直徑 d 及長徑比 L/d 等應(yīng)滿足一定要求2.

6、顆粒增強 高度彌散分布于基體中的增強顆粒使主要 承受載荷的基體的強度得到提高 對于金屬基體，增強顆粒阻礙基體中位錯 的運動 對于高聚物基體，增強顆粒阻礙基體中分 子鏈的運動 增強顆粒直徑一般在范圍時 增強效果最好0.010.1m第三節(jié) 常用復合材料一、塑料基復合材料1. 玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）1) 熱塑性玻璃鋼 體積分數(shù)為 20%40% 的玻璃纖維與 60% 80% 的熱塑性樹脂復合 高強度和沖擊韌性，良好的低溫性能和 低熱膨脹系數(shù)體體2) 熱固性玻璃鋼 體積分數(shù)為 60%70% 的玻璃纖維與 30% 40% 的熱固性樹脂復合 高強度、小密度，耐腐蝕，絕緣、絕熱 性好，吸水性低，防磁，微波

7、穿透性 好，易加工成型體體 彈性模量及耐熱性仍不如鋼3) 玻璃鋼的應(yīng)用用于制造：要求自重輕的受力構(gòu)件要求無磁性、絕緣、耐腐蝕的零件如，航天航空工業(yè)：雷達罩，直升機機身， 飛機螺旋槳，發(fā)動機葉輪，火箭導彈發(fā) 動機殼體和燃料箱 船舶工業(yè)：輕型船、艇、艦，掃雷艇車輛工業(yè)：汽車、機車、拖拉機車身， 發(fā)動機機罩 電機電器工業(yè)：重型發(fā)電機護環(huán)，大型 變壓器線圈絕緣桶，各種絕緣零件 石油化工工業(yè)：代替不銹鋼制作耐酸、耐堿、耐油的容器、管道、反應(yīng)釜2. 碳纖維增強塑料 性能優(yōu)于玻璃鋼 低密度，高強度，高彈性模量，高比強 度，高比模量，優(yōu)良的抗疲勞性能、耐 沖擊性能、自潤滑性、減磨耐磨性、耐 腐蝕性、耐熱性 碳

8、纖維與基體結(jié)合力低，各向異性嚴重 航天航空工業(yè)：飛機機身，螺旋槳，尾 翼，發(fā)動機風扇葉片，衛(wèi)星殼體，航天 飛行器外表面防熱層 機器制造工業(yè)：軸承，齒輪，磨床磨 頭，齒輪旋轉(zhuǎn)刀具 電機工業(yè)：大功率發(fā)電機護環(huán) 化學工業(yè)：管道，容器3. 硼纖維增強塑料 高比強度、比模量，良好的耐熱性 各向異性明顯，加工困難，成本高 主要用于航天航空工業(yè)中要求高剛度的 結(jié)構(gòu)件，如飛機機身機翼軌道飛行器隔 離裝置結(jié)合器4. 碳化硅纖維增強塑料 高比強度、比模量 主要用于宇航器上的結(jié)構(gòu)件，飛機的門、 降落傳動裝置箱、機翼4. 碳化硅纖維增強塑料 高比強度、比模量 主要用于宇航器上的結(jié)構(gòu)件，飛機的門、 降落傳動裝置箱、機翼

9、5. Kevlar 纖維增強塑料 抗拉強度高于玻璃鋼，與碳纖維還氧 樹脂復合材料相近 延性好，與金屬相近 抗耐沖擊性超過碳纖維增強塑料 優(yōu)良的疲勞抗力和減振性 主要用于：飛機機身，雷達天線罩，火 箭發(fā)動機外殼，輕型船艦，快艇二、金屬基復合材料1. 纖維增強金屬基復合材料1) 硼纖維增強鋁基復合材料 高抗拉、壓、剪切、疲勞強度 主要用于：飛機或航天器蒙皮、大型壁 板、長梁、加強肋，航空發(fā)動機葉片2) 碳纖維增強鋁基復合材料 高比強度、比模量，高溫強度好，減摩 性和導電性好 主要用于：航天飛機外殼運載火箭的大 直徑圓錐段級間段接合器油箱，飛機蒙 皮、螺旋槳渦輪發(fā)動機的壓氣機葉片， 重返大氣層運載工

10、具的防護罩，汽車發(fā) 動機零件（如活塞，汽缸頭等），滑動 軸承3) 碳化硅纖維增強鋁基復合材料 高比強度、比模量，高硬度 主要用于：飛機機身結(jié)構(gòu)件，汽車發(fā)動機活塞、連桿等2. 顆粒增強金屬基復合材料1) 金屬陶瓷（前已講過）2) 彌散強化合金將少量的（體積分數(shù)通常小于20%）顆粒尺寸極細的增強微粒高度彌散地均勻分布在金屬基體中常用的增強相是高抗拉、壓、剪切、疲勞強度 常用的增強相： Al2O3 ThO2 MgO BeO 常用基體金屬： Al Cu Ti Cr Ni(1) 彌散強化鋁（燒結(jié)鋁） 主要制作：飛機的結(jié)構(gòu)件（如機翼，機 身），飛機發(fā)動機壓氣機葉輪、高溫活 塞，大功率柴油機活塞，冷卻反應(yīng)堆

11、中 核燃料元件的包套材料 先將片狀鋁粉的表面氧化成薄膜， 再經(jīng)壓制、燒結(jié)、擠壓Al2O3 高溫強度好(2) 彌散強化銅 主要制作：高溫下的導熱、導電體，如 電焊機的電極，高功率電子管的電極Cu-Al2O3 先制成 合金粉，再熱擠或鍛造 既有良好導電性，又有良好的高溫強度3. 塑料金屬多層復合材料塑料-金屬三層復合材料1塑料層0.050.3mm 2多孔性青銅中間層0.20.3mm 3鋼基體 主要用作：高應(yīng)力（140MPa）、高溫 （270）及低溫（195 ）下的無油 潤滑滑動軸承 塑料層：聚四氟乙烯或聚甲醛，自潤滑 三、橡膠基復合材料1. 纖維增強橡膠汽車輪胎的結(jié)構(gòu)示意圖1胎面層 2緩沖層 3胎體簾布層 常用纖維：天然纖維, 合成纖維（如尼 龍,