復(fù)合材料學(xué)之一.ppt

1、金屬基復(fù)合材料學(xué),許光明,自我介紹,籍貫：浙江省浦江縣 1984，9-1988，7 東北大學(xué)材料成型與控制1988，91991，3 東北大學(xué)研究生院 1991，41993，8 沈陽薄板廠工作 1993，91998，3 東北大學(xué)研究生院 1998，3至今 在東北大學(xué)工作 2000 副教授 2005 教授 2009 博導(dǎo),完成項(xiàng)目,1) 國家863：先進(jìn)層狀復(fù)合材料及其制備技術(shù) 2) 國家支撐項(xiàng)目：變形鎂合金的鑄軋技術(shù)開發(fā) 3) 國家973項(xiàng)目：靜磁場鑄軋鎂合金板材 4)電磁鑄軋鎂合金板材,正在研究項(xiàng)目 1) 電磁振蕩鑄軋5000系鋁合金板材 2) 鎂合金板材鑄軋與軋制技術(shù)開發(fā),主要研究方向,1)

2、 輕金屬特種鑄軋技術(shù) 2) 鎂合金基復(fù)合材料制備技術(shù),上課要求和考試,1 學(xué)習(xí)目的：了解金屬基復(fù)合材料的基礎(chǔ)知識(shí) 2要求：記一些筆記（重要知識(shí)點(diǎn)） 3 考試：開卷（30%）+最后一個(gè)大題30% 4 平時(shí)：40,目 錄,1 復(fù)合材料概論 2 復(fù)合理論 3 復(fù)合材料的界面 4 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料 5 復(fù)合材料的成型工藝,1 復(fù)合材料概論 材料分類：金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子材料 各有千秋 揚(yáng)長避短 克服單一材料的缺點(diǎn) 產(chǎn)生原來單一材料沒有本身所沒有的新性能 復(fù)合材料,復(fù)合材料的定義 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料 材料科學(xué)技術(shù)百科全書 ：復(fù)合材

3、料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)區(qū)別。,材料大詞典 復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無機(jī)非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制成的一類新型材料。 復(fù)合材料的特點(diǎn)之一：是不僅保持原組分的部分優(yōu)點(diǎn)，而且產(chǎn)生原組分所不具備的新性能； 特點(diǎn)之二：是它的可設(shè)計(jì)性，通過對原材料的選擇、各組分分布的設(shè)計(jì)和工藝條件的保證等，使原組分材料的優(yōu)點(diǎn)互相補(bǔ)充，同時(shí)利用

4、復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)使之出現(xiàn)新的性能，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢。,對各種定義解釋總結(jié)， 復(fù)合材料應(yīng)包括： 組元是人們根據(jù)材料設(shè)計(jì)的基本原則有意識(shí)地選擇，至少包括兩種物理和力學(xué)性能不同的獨(dú)立組元，其中一組元的體積分?jǐn)?shù)一般不低于20，第二組元通常為纖維、晶須或顆粒； 復(fù)合材料是人工制造的，而非天然形成的。 復(fù)合材料的性質(zhì)取決于組元性質(zhì)的優(yōu)化組合，它應(yīng)優(yōu)于獨(dú)立組元的性質(zhì)，特別是強(qiáng)度、剛度、韌性和高溫性能。,復(fù)合材料應(yīng)具備以下三個(gè)特點(diǎn)： 1） 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面； 2） 復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性，而且可最大限

5、度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能； 3）復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。可以根據(jù)使用條件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。,復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 通常是一個(gè)相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，它顯著增強(qiáng)材料的性能，故常稱為增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑、增強(qiáng)相等）。 多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大。分散相可以是纖維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。 在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。,典型復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,1） 比強(qiáng)度、比模量高： 強(qiáng)度和彈性模量與密度的比值，它們是衡量材料承載能力的

6、一個(gè)重要指標(biāo)。,2 抗疲勞性能好：疲勞破壞是材料在交變載荷作用下由裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展而形成的低應(yīng)力破壞。大多數(shù)金屬材料的疲勞極限是抗拉強(qiáng)度的4050，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞極限是抗拉強(qiáng)度的7080。 3 破損安全性好：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)有大量的獨(dú)立纖維，當(dāng)這種材料的構(gòu)件超載并有少量纖維斷裂時(shí)，其載荷會(huì)重新分配在未斷裂的纖維上。這樣，不會(huì)在短期內(nèi)喪失承載能力。 4 能組成各種功能材料：如銅包鋼線、鋼絲鋁絞線等,2 復(fù)合材料的分類 按增強(qiáng)材料形態(tài)分類 1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料： a.連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的長纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都位于復(fù)合材料的邊界處； b.非連續(xù)纖維復(fù)合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散

7、在基體材料中； 2、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中； 3、板狀增強(qiáng)體、編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成。 其它增強(qiáng)體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強(qiáng)體,圖2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖a)層疊復(fù)合 b)連續(xù)纖維復(fù)合 c)細(xì)粒復(fù)合 d)短切纖維復(fù)合,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分類 玻璃纖維復(fù)合材料； 碳纖維復(fù)合材料； 有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料； 金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料； 陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維、硼纖維等）復(fù)合材料。 混雜復(fù)合材料： 兩種或兩種以上增強(qiáng)體同一基體制成的復(fù)合材料稱為，可以看成是兩種或多

8、種單一纖維或顆粒復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料”。,按基體材料分類 聚合物基復(fù)合材料:以有機(jī)聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體； 金屬基復(fù)合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體； 無機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體。,按材料作用分類 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用于制造受力構(gòu)件； 功能復(fù)合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、摩擦、屏蔽等）。 同質(zhì)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料和基體材料屬于同種物質(zhì)，如碳/碳復(fù)合材料） 異質(zhì)復(fù)合材料（復(fù)合材料多屬此類）。,表1 復(fù)合材料系統(tǒng)組合,金屬基體 選擇基體的原則 目前用作金屬基復(fù)合材料的金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金

9、、銅與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間化合物等。 基體材料成分的選擇對能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強(qiáng)物性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能，滿足使用要求十分重要。, 金屬基復(fù)合材料的使用要求 金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。 在航天、航空技術(shù)中高比強(qiáng)度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。作為飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合金鎂合金和鋁合金作為基體，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復(fù)合材料。,高性能發(fā)動(dòng)機(jī)則要求復(fù)合材料不僅有高比強(qiáng)度和比模量，還要具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時(shí)不宜選用一般

10、的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。 如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。 在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、一定的高溫強(qiáng)度等，同時(shí)又要求成本低廉，適合于批量生產(chǎn)，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基復(fù)合材料。 如碳化硅/鋁復(fù)合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸套等零件。,工業(yè)集成電路需要高導(dǎo)熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料作為散熱元件和基板。 選用具有高導(dǎo)熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和高

11、導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、高比模量等性能的金屬基復(fù)合材料，可能成為解決高集成電子器件的關(guān)鍵材料。, 金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn) 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承載物體，纖維本身具有很高的強(qiáng)度和模量，而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維。 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度。,1.3 復(fù)合材料的發(fā)展歷史 發(fā)展過程：古代近代現(xiàn)代復(fù)合材料 歷史悠久的復(fù)合材料 草梗合泥筑墻，且延用至今 漆器：麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年 近代復(fù)合材料 層合板：木材薄板粘合劑 鋼筋混凝土 纖維增強(qiáng)橡膠：鋼絲、

12、尼龍絲、玻璃纖維增強(qiáng)，做輪胎、防水布、潛水服等,現(xiàn)代復(fù)合材料 1） 第一代復(fù)合材料 復(fù)合材料的發(fā)展始于20世紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開始算起。50年代得到了迅速發(fā)展。 我國從1958年開始發(fā)展復(fù)合材料 2）第二代復(fù)合材料 為了提高第一代復(fù)合材料的性能，研究和發(fā)展了新型的纖維和晶須，如碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁晶須和纖維等，用這些纖維或晶須作增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料當(dāng)時(shí)被稱為先進(jìn)復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)塑料是第二代復(fù)合材料的代表。長期使用溫度260300 首先在航空航天技術(shù)和軍事上應(yīng)用如導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等尖端工業(yè)中，同時(shí)，復(fù)合材料

13、也成為發(fā)展高技術(shù)的關(guān)鍵材料。 另外，還廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、化工、紡織、精密儀器、造船、建筑、電子、橋梁、醫(yī)療、建筑、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。作為領(lǐng)域的關(guān)鍵新材料，被列位國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃綱要重要內(nèi)容。,例： 波音757的機(jī)翼和機(jī)身復(fù)合材料整流包皮、直升飛機(jī)中能量吸收結(jié)構(gòu)部件等。 F117隱性飛機(jī)全復(fù)合材料 各國在發(fā)展高技術(shù)計(jì)劃中對先進(jìn)復(fù)合材料都給予優(yōu)先考慮 為增強(qiáng)我國綜合國力，我國已把先進(jìn)復(fù)合材料作為發(fā)展高技術(shù) 1965年英國科學(xué)家研制出碳纖維 1971年美國杜邦公司開發(fā)出開芙拉-49 1975年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及開芙拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料” 用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。 第三代

14、：1980年到1990年，碳纖維增強(qiáng)金屬或陶瓷基復(fù)合材料 以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，用于制備網(wǎng)球拍，碳纖維增強(qiáng)碳或石英復(fù)合材料。 第四代：1990年以后，主要發(fā)展多功能復(fù)合材料， 如智能復(fù)合材料和梯度功能材料等。,1.4 金屬基復(fù)合材料,1） 金屬基復(fù)合材料的發(fā)展史 1920年貴金屬包覆的電接點(diǎn)材料 二次大戰(zhàn)：出現(xiàn)了Al/Fe/Al代替Ni作真空管陽極， 后出現(xiàn)了Al/Fe/Cu, Al/Fe/Cu/Al等層壓板。 50年代：出現(xiàn)了黃銅/鋼/黃銅的硬幣、銅包鋼線、鋁包鋼線 70年代：銅包鋁線 1923年用粉末冶金燒結(jié)出WC-6Co的硬質(zhì)合金：由于WC、TiC等顆粒

15、硬度高，顆粒平均直徑在1微米以上，容積比高（可達(dá)90），主要利用顆粒本身的硬度和強(qiáng)度，基體是起把顆粒結(jié)合在一起的作用，因此稱為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。 1946年發(fā)明了：氧化鋁等增強(qiáng)的復(fù)合材料，強(qiáng)化相的平均直徑小于0.1微米，體積比僅占百分之幾，由于強(qiáng)化相組織基體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化基體，因此稱為分散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料。,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,1948年認(rèn)識(shí)到晶須的強(qiáng)度接近物質(zhì)的理論強(qiáng)度，從而開始了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究。 1963年：McDanel進(jìn)行了W纖維增強(qiáng)銅復(fù)合材料研究，SiC/Al復(fù)合材料和 Al2O3/Ni復(fù)合材料。 1978年美國B/Al復(fù)合材料應(yīng)用到哥倫比亞航天飛機(jī)上 1982年日本豐田汽車在活塞上使用Al2O3.SiO2/Al復(fù)合材料。 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造方法： 1） 將纖維摻入基體中的人工合成法 2） 纖維直接在基體中生長出來自生法，如定向凝固,金屬基復(fù)合材料的分類,按復(fù)合材料的定義可分為 1） 宏觀組合型： 其組成組分可用肉眼識(shí)別出來的兼?zhèn)鋬煞N組分性能的材料，有包覆材料、涂鍍材料、雙金屬及層壓材料。 2）微觀強(qiáng)化型金屬基復(fù)合材料 其組分只有通過顯微鏡才能分辨出來，是以通過材料強(qiáng)度為主要目的的復(fù)合材料。,金屬基復(fù)合材料,分散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料,顆粒增強(qiáng)金