常用的復合材料

關于常用的復合材料第1頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）玻璃纖維按玻璃纖維中Na2O和K2O的含量不同，可將其分為無堿纖維（堿的質(zhì)量分數(shù)<2%）、中堿纖維（堿的質(zhì)量分數(shù)為2%～12%）、高堿纖維（堿的質(zhì)量分數(shù)>12%）。隨著堿量的增加，玻璃纖維的強度、絕緣性、耐蝕性降低。特點：強度高，抗拉強度可達1000～3000MPa；彈性模量比金屬低得多，為（3～5）×104MPa；密度小，為2.5～2.7g/cm3；化學穩(wěn)定性好；不吸水、不燃燒、尺寸穩(wěn)定、隔熱、吸聲、絕緣等。缺點：脆性較大、耐熱性低，250℃以上開始軟化。優(yōu)點：價格便宜、制作方便

（2）碳纖維碳纖維是人造纖維（粘膠纖維、聚丙烯腈纖維等），是在200～300℃空氣中加熱并施加一定張力進行預氧化處理，然后在氮氣的保護下于1000～1500℃的高溫中進行碳化處理而制得。其碳含量Wc85%～95%。由于其具有高強度，因而稱高強度碳纖維，也稱Ⅱ型碳纖維。

第2頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

在2500～3000℃高溫的氬氣中進行石墨化處理，就可獲得含碳量為Wc98%以上的碳纖維，又稱石墨纖維或高模量碳纖維，也稱Ⅰ型碳纖維。特點：與玻璃纖維相比，碳纖維具有密度小（1.33～2.0g/㎝3），彈性模量高（2.8～4×105MPa）；高溫及低溫性能好，導電性好、化學穩(wěn)定性高、摩擦因數(shù)小、自潤濕性好。缺點：脆性大、易氧化

（3）硼纖維它是用化學沉積法將非晶態(tài)的硼涂覆到鎢絲上而制得的。具有高熔點（2300℃）、高強度（2450～2750MPa）、高彈性模量（3.8～4.9×105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蝕性。缺點：密度大、直徑較粗及生產(chǎn)工藝復雜、成本高、價格昂貴。

（4）碳化硅纖維它是用碳纖維作底絲，通過氣相沉積法而制得。具有高熔點、高強度、高彈性模量。其突出特點是具有優(yōu)良的高溫強度，在1100℃時其強度仍高達2100MPa。

第3頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）Kevlar有機纖維（芳綸、聚芳酰胺纖維）特點：比強度、比模量高；其強度可達2800～3700MPa；密度小，只有1.45g/㎝3；耐熱性比玻璃纖維好。它還具有優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性。

2．纖維―樹脂復合材料

（1）玻璃纖維―樹脂復合材料亦稱玻璃纖維增強塑料，也稱玻璃鋼。

1）熱塑性玻璃鋼它是由20%～40%的玻璃纖維和60%～80%的熱塑性樹脂（如尼龍、ABS等）組成，具有高強度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低熱膨脹系數(shù)。

第4頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

2)熱固性玻璃鋼它是由60%～70%玻璃纖維（或玻璃布）和30%～40%熱固性樹脂（環(huán)氧、聚酯樹脂等）組成。主要優(yōu)點：密度小、強度高，耐蝕性、絕緣性、絕熱性好；吸水性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。缺點：彈性模量低，熱穩(wěn)定性不高，只能在300℃以下工作。

第5頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）硼纖維―樹脂復合材料主要由硼纖維與環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成。具有高的比強度、比模量，良好的耐熱性。其缺點是各向異性明顯。

（2）碳纖維―樹脂復合材料最常用的是碳纖維與聚酯、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復合材料，具有高強度、高彈性模量、高比強度和比模量，還具有優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐蝕性及耐熱性。缺點是纖維與基體結合力低。

（4）碳化硅纖維樹脂復合材料由碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂組成的復合材料，具有高的比強度、比模量。

（5）Kevlar纖維樹脂復合材料由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹脂組成。主要性能特點是抗拉強度大于玻璃鋼，而與碳纖維―環(huán)氧樹脂復合材料相似；延性好，與金屬相當；其耐沖擊性超過碳纖維增強塑料；其疲勞抗力高于玻璃鋼和鋁合金；減振能力為鋼的8倍。第6頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．纖維―金屬（或合金）復合材料

纖維增強金屬復合材料是由高強度、高模量的脆性纖維（碳、硼、碳化硅纖維）與具有較高韌性及低屈服強度的金屬（鋁及其合金、鈦及其合金、銅及其合金、鎳合金、鎂合金、銀鉛等）組成，具有高的橫向力學性能、高的層間剪切強度；沖擊韌性好、高溫強度高、耐熱性、耐磨性、導電性、導熱性好；不吸濕、尺寸穩(wěn)定性好、不老化等優(yōu)點。

（1）纖維―鋁（或合金）復合材料

1）硼纖維―鋁（或合金）基復合材料。硼和鋁在高溫易形成AlB2，與氧易形成B2O3，故在硼纖維表面要涂一層SiC以提高硼纖維的化學穩(wěn)定性。特點：具有高彈性模量，高抗壓強度、抗剪強度和疲勞強度。應用：主要用于制造飛機和航天器的蒙皮、航空發(fā)動機葉片等。

第7頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）石墨纖維―鋁（或合金）基復合材料。由Ⅰ型碳纖維與純鋁或形變鋁合金、鑄造鋁合金組成。特點：具有高比強度和高溫強度，在500℃時其比強度為鈦合金的1.5倍應用：主要用于制造航天飛機的外殼、飛機蒙皮。

3）碳化硅纖維―鋁（或合金）復合材料它是由碳化硅纖維與純鋁（或鑄造鋁合金、鋁銅合金等）組成的復合材料。特點：具有高的比強度、比模量，硬度高。應用：用于制造飛機機身結構件及汽車發(fā)動機的活塞、連桿等。

（2）纖維―鈦合金復合材料由硼纖維或改性硼纖維、碳化硅纖維與鈦合金（Ti—6Al—4V）組成。它具有低密度、高強度、高彈性模量、高耐熱性、低熱膨脹系數(shù)的特點。

第8頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）纖維―銅（或合金）復合材料由石墨纖維與銅（或銅鎳合金）組成的材料。為了增強石墨纖維和基體的結合強度，常在石墨纖維表面鍍銅或鍍鎳后再鍍銅。石墨纖維增強銅或銅鎳合金復合材料具有高強度、高導電性、低的摩擦因數(shù)和高的耐磨性，以及在一定溫度范圍內(nèi)的尺寸穩(wěn)定性。

4．纖維―陶瓷復合材料

用碳（或石墨）纖維與陶瓷組成的復合材料能大幅度提高陶瓷的沖擊韌性和抗熱振性，降低脆性，而陶瓷又能保護碳（或石墨）纖維在高溫下不被氧化。因而這類材料具有很高的強度和彈性模量。除上述三大類纖維增強復合材料外，近年來研制了多種纖維增強復合材料，例C/C復合材料、混雜纖維復合材料等。

二、疊層復合材料

疊層復合材料是由兩層或兩層以上不同材料結合而成。

第9頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．雙層金屬復合材料

將性能不同的兩種金屬用膠合或熔合鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復合在一起，以滿足某種性能要求的材料。

2．塑料—金屬多層復合材料

典型代表是SF型三層復合材料，如圖6-4所示。

第10頁，課件共12頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、粒子增強型復合材料

1．顆粒增強復合材料（d>1μm，體積分數(shù)φv>20%）

金屬陶瓷是常見的顆粒增強復合材料。硬質(zhì)合金就是以TiC、WC（或TaC）等碳化物為基體，以金屬Ni、Co為粘合劑，將它們用粉末冶金方法經(jīng)燒結所形成的金屬陶瓷。

2．彌散強化復合材料（d=0.01～0.1μm,φv=1%～15%