復合材料及其成型技術

1、復合材料及其成型技術,曹韓學 ,一、復合材料定義,第一節(jié) 什么是復合材料,從廣義上講，復合材料是由兩種或兩種以上不同化學性質(zhì)的組分組合而成的材料。但在現(xiàn)代材料學界中，復合材料專指由兩種或兩種以上不同相態(tài)的組分所組成的材料。 復合材料可定義為：用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或稱組元），通過人工復合、組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明顯界面的、具有特殊性能的材料。,史上最牛的釘子戶,我們住在復合材料里,復合材料無所不在！,木質(zhì)素 纖維素,樹木也是一種復合材料,燕子窩：泥土草復合材料,進化的復合材料-海膽牙齒,進化的復合材料-貝殼,玻璃鋼冷卻塔,復合材料玻璃鋼,玻璃纖維增強風機葉片

2、,玻璃鋼材料的汽車前保險杠,玻璃鋼游艇,玻璃鋼/復合材料在軌道交通車輛中的應用,A380復合材料的使用比例為22%，A340-600的比例為12%。,1997年服役，目前世界性能最佳的制空戰(zhàn)機之一 55%機身采用高強度、低重量的復合材料,B-777上用的先進材料,復合材料具有質(zhì)量輕，較高的比張度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高(低)溫，獨特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設計性、制備的靈活性和易加土性等特點，被大量地應用到航空航天等軍事領域中，是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。,二、復合材料的特點,三、復合材料的意義 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更

3、是離不開復合材料。 例如：火箭殼體材料對射程的影響， 飛行器減輕一公斤所取得的經(jīng)濟效益與飛行速度 航空發(fā)動機材料發(fā)展預測如下,四、復合材料的分類,復合材料種類繁多，目前尚無統(tǒng)一的分類方法。,結(jié)構(gòu)復合材料的分類：,復合材料及其增強相的各種形態(tài),纖維狀,顆粒狀,層狀,片狀,填充狀,第二節(jié) 金屬基復合材料概述,金屬基復合材料相對于傳統(tǒng)的金屬材料來說，具有較高的比強度與比剛度。 而與樹脂基復合材料相比，它又具有優(yōu)良的導電性與耐熱性。 與陶瓷基材料相比，它又具有高韌性和高沖擊性能。,金屬基復合材料的這些優(yōu)良的性能決定了它已從誕生之日起就成了新材料家族中的重要一員，它已經(jīng)在一些領域里得到應用并且其應用領域

4、正在逐步擴大。,一、金屬基復合材料的分類,金屬基復合材料是以金屬為基體，以高強度的第二相為增強體而制得的復合材料。因此，對這種材料的分類既可按用途來進行、按基體來進行、也可按增強體來進行。,1.按用途分類,2.按基體分類,(1)鋁基復合材料 這是在金屬基復合材料中應用得最廣的一種。由于鋁的基體為面心立方結(jié)構(gòu)，因此具有良好的塑性和韌性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價格低廉等優(yōu)點，為其在工程上應用創(chuàng)造了有利的條件。,在制造鋁基復合材料時，通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金。 這主要是由于與純鋁相比，鋁合金具有更好的綜合性能。至于選擇何種鋁合金做基體，則根據(jù)實際中對復合材料的性能需要來決定

5、。,(2)鎳基復合材料 這種復合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優(yōu)良，因此這種復合材料主要是用于制造高溫下工作的零部件。,人們研制鎳基復合材料的一個重要目的，即是希望用它來制造燃汽輪機的葉片，從而進一步提高燃汽輪機的工作溫度。 但目前由于制造工藝及可靠性等問題尚未解決，所以還未能取得滿意的結(jié)果。,(3)鈦基復合材料 鈦比任何其它的結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強度。 此外，鈦在中溫時比鋁合金能更好地保持其強度。,因此，對飛機結(jié)構(gòu)來說，當速度從亞音速提高到超音速時，鈦比鋁合金顯示出了更大的優(yōu)越性。,隨著速度的進一步加快，還需要改變飛機的結(jié)構(gòu)設計，采用更細長的機冀和其它冀型，為此需要高剛度的

6、材料，而纖維增強鈦恰可滿足這種對材料剛度的要求。,基體和增強體的熱膨脹系數(shù),鈦基復合材料中最常用的增強體是硼纖維，這是由于鈦與硼的熱膨脹系數(shù)比較接近，如下表所示。,3.按增強體分類,(1)纖維增強復合材料 金屬基復合材料中的纖維根據(jù)其長度的不同可分為長纖維、短纖維和晶須，它們均屬于一維增強體。 因此，由纖維增強的復合材料均表現(xiàn)出明顯的各向異性特征。,當韌性金屬基體用高強度脆性纖維增強時，基體的屈服和塑性流動是復合材料性能的主要特征，但纖維對復合材料彈性模量的增強具有相當大的作用。,(2)顆粒增強復合材料 這里的顆粒增強復合材料是指彌散的硬質(zhì)增強相的體積超過20的復合材料，而不包括那種彌散質(zhì)點體

7、積比很低的彌散強化金屬。,分為外加和內(nèi)生兩種。,(3)層狀復合材料 這種復合材料是指在韌性和成型性較好的金屬基體材料中，含有重復排列的高強度、高模量片層狀增強物的復合材料。,層狀復合材料的強度和大尺寸增強物的性能比較接近，而與晶須或纖維類小尺寸增強物的性能差別較大。 因為增強薄片在二維方向上的尺寸相當于結(jié)構(gòu)件的大小，因此增強物中的缺陷可以成為長度和構(gòu)件相同的裂紋的核心。,由于薄片增強的強度不如纖維增強相高，因此層狀結(jié)構(gòu)復合材料的強度受到了限制。 然而，在增強平面的各個方向上，薄片增強物對強度和模量都有增強效果，這與纖維單向增強的復合材料相比具有明顯的優(yōu)越性。,二、金屬基復合材料特性,復合材料是

8、由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。,1.高比強度、高比模量（剛度）,比強度 = 強度/密度 MPa /（g/cm3） 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）,、增強體或者基體是比重小的物質(zhì)，或兩者的比重都不高，且都不是完全致密的； 、增強體多是強度很高的纖維。,例如，普通碳鋼的密度為7.8 g/cm3。玻璃纖維增強樹脂基復合材料的密度為1.52.0 g/cm3，只有普通碳鋼的1/41/5，比鋁合金還要輕1/左右，而機械強度卻能超過普通碳鋼的水平。,若按比強度計算，玻璃纖維增強的樹脂基復合材料不僅超過碳鋼，而且可超過某些特殊合金綱。 碳纖維復合材料、有機纖維復合材料具有

9、比玻璃纖維復合材料更低的密度和更高的強度，因此具有更高的比強度。,復合材料的比模量大，故自振頻率也高，可避免構(gòu)件在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振。 纖維與基體界面有吸收振動能量的作用，所以纖維增強復合材料具有很好的減振性能。,2.熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好,加入增強體到基體材料中不僅可以提高材料的強度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復合材料中增強體的含量，可以調(diào)整復合材料的熱膨脹系數(shù)。,3.良好的高溫性能,目前：聚合物基復合材料的最高耐溫上限為350 C； 金屬基復合材料按不同的基體性能，其使用溫度在3501100C范圍內(nèi)變動； 陶瓷基復合材料的使用溫度可達1400C； 碳/碳復合材料的使

10、用溫度最高可達2800C。,不同SiC纖維復合材料的使用溫度范圍。,4.良好的疲勞性能和斷裂韌度,纖維增強復合材料對缺口及應力集中的敏感性小，纖維與基體界面能阻止疲勞裂紋的擴展，改變裂紋擴展的方向。,復合材料具有較高的疲勞強度。實驗表明：r7080b，而鋼的疲勞強度只有抗拉強度的4050。 纖維復合材料平均幾千到幾萬根纖維/cm2，即使有少數(shù)纖維斷裂亦不會影響到其承載能力，故破斷安全性好。,5.工藝性能優(yōu)良 纖維增強的聚合物基復合材料具有優(yōu)良的工藝性能，能滿足各種類型制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復雜、數(shù)量少制品的制造。,6.耐磨性好,7.不吸潮、不老化、氣密性好,第三節(jié) 金屬基復合

11、材料的設計,一、復合材料的可設計性,復合材料可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進行產(chǎn)品設計，具有很好的可設計性。,可設計性是指：設計人員可根據(jù)所需制品對力學及其它性能的要求，對結(jié)構(gòu)設計的同時對材料本身進行設計。,力學（結(jié)構(gòu)）設計給制品一定的強度和剛度 功能設計給制品除力學性能外的其他性能 工藝設計對復合材料的制備工藝進行設計,結(jié)構(gòu)復合材料不僅可根據(jù)材料在使用中受力的要求進行組元選材設計，更重要的是還可進行復合結(jié)構(gòu)設計，即增強體的比例、分布、排列和取向等的設計。對于結(jié)構(gòu)復合材料來說，是由能承受載荷的增強體組元與能連接增強體又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。由不同的增強體和不同的基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)

12、復合材料。,對于結(jié)構(gòu)件來說，可以根據(jù)受力情況合理布置增強材料，達到節(jié)約材料、減輕質(zhì)量的目的。,對于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設計時可以選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強材料； 對于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可以方便地通過選擇合適的原材料來滿足要求。 復合材料良好的可設計性還可以最大限度地克服其彈性模量、層間剪切強度低等缺點。,二、金屬基復合材料的基體選擇,1.選擇的基本原則,（1）根據(jù)不同的使用性能要求選擇合適的基體材料。,（2）根據(jù)增強體的性質(zhì)和增強機制不同選擇不同的基體。,（3）選擇的基體要求與增強體具有良好的相容性（浸潤性）。,在制備金屬基復合材料時，液態(tài)金屬對增強材料的浸

13、潤性，則直接影響到界面粘結(jié)強度。,浸潤性是表示液體在固體表面上鋪展的程度。,好的浸潤性意味著液體(基體)將在增強材料上鋪展開來，并覆蓋整個增強材料表面。,2.結(jié)構(gòu)件金屬基復合材料的基體,用于航空、航天、汽車、先進武器等結(jié)構(gòu)件的復合材料要求具有高的比強度、比剛度，有高的結(jié)構(gòu)效率，因此大多選擇鋁及鋁合金和鎂及鎂合金作為基體金屬。 在發(fā)動機、燃氣輪機中所需的結(jié)構(gòu)材料，是耐熱結(jié)構(gòu)材料，工作溫度為6501200。鈦合金基體復合材料可耐650高溫，而鎳、鈷基復合材料可在1200下使用。,（1）用于450以下的輕金屬基體-鋁、鎂合金,連續(xù)纖維增強金屬復合材料選純鋁或含合金元素少的單相鋁合金為基體。 顆粒、晶

14、須增強金屬基復合材料選擇具有高強度的鋁合金作為基體。,鋁基復合材料活塞,顆粒增強鋁基原位復合材料,（2）用于450700的復合材料的金屬基體,鈦合金可在450650使用，增強體為高性能碳化硅纖維、碳化鈦顆粒、硼化鈦顆粒等。,SiC纖維,（3）用于1000以上的高溫復合材料的金屬基體,鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金。,3.功能件金屬基復合材料的基體,用于電子封裝的金屬基復合材料-高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復合材料，高模量、超高模量石墨纖維增強鋁基、銅基復合材料，金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維增強鋁、銅基復合材料，硼/鋁復合材料等。 用于耐磨零部件的金屬基復合材料 用于

15、集電和電觸頭的金屬基復合材料,三、金屬基復合材料的增強體選擇,增強體應具有高比強度、高模量、高溫強度、高硬度、低熱膨脹等。 增強體應具有良好的化學穩(wěn)定性。 增強體與基體金屬應具有良好的浸潤性和相容性。,（1）連續(xù)纖維,（2）晶須,（3）顆粒,ZnO晶須,Al2O3纖維,SiC顆粒,四、金屬基復合材料的界面設計,1.界面的特征與設計,復合材料的界面：指基體與增強物之間化學成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。,復合材料的界面雖然很小，但它是有尺寸的，約幾個納米到幾個微米，是一個區(qū)域或一個帶、或一層，它的厚度呈不均勻分布狀態(tài)。,界面通常包含以下幾個部分： 基體和增強物的部分

16、原始接觸面； 基體與增強物相互作用生成的反應產(chǎn)物，此產(chǎn)物與基體及增強物的接觸面；,基體和增強物的互擴散層； 增強物上的表面涂層； 基體和增強物上的氧化物及它們的反應產(chǎn)物之間的接觸面等。,界面是復合材料的特征，可將界面的機能歸納為以下幾種效應。 (1)傳遞效應 界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強物，起到基體和增強物之間的橋梁作用。 (2)阻斷效應 結(jié)合適當?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴展、中斷材料破壞、減緩應力集中的作用。,(3)不連續(xù)效應 在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應性、磁性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等。,(4)散射和吸收效應 光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和

17、吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機械沖擊及耐熱沖擊性等。,(5)誘導效應 一種物質(zhì)(通常是增強物)的表面結(jié)構(gòu)使另一種(通常是聚合物基體)與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強的彈性、低的膨脹性、耐沖擊性和耐熱性等。,復合材料中的界面并不是一個單純的幾何面，而是一個多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，界面區(qū)是從與增強體內(nèi)部性質(zhì)不同的某一點開始，直到與基體內(nèi)整體性質(zhì)相一致的點間的區(qū)域。,界面上產(chǎn)生的這些效應，是任何一種單體材料所沒有的特性，它對復合材料具有重要作用。,界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的任一相。 從結(jié)構(gòu)上來分，這一界面區(qū)由五個亞層組成(見下圖所示)：,界面區(qū)域示意圖

18、1一外力場； 2-基體； 3-基體表面區(qū)；4-相互滲透區(qū)； 5一增強體表面；6-增強體,實驗表明，金屬基復合材料由于容易發(fā)生界面反應，生成脆性大的界面反應層，在低應力條件下，界面就會破壞，從而降低復合材料的整體性能。若基體為合金，則還易出現(xiàn)某元素在界面上富集的現(xiàn)象。,有關金屬基復合材料的界面控制研究主要有以下兩方面： （1）對增強材料進行表面處理 在增強材料組元上預先涂層以改善增強材料與基體的浸潤性，同時涂層還應起到防止發(fā)生反應的阻擋層作用。,鍍鎳碳纖維,（2）選擇金屬元素 改變基體的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻擋層來控制界面反應。,在碳纖維增強A1復合材料中，在碳纖維上涂Ti-B

19、涂層；在碳纖維增強Mg復合材料中采用SiO2作涂層；在硼纖維增強A1復合材料中用SiC涂層等都是在增強材料表面預先涂層的例子。,另外，在C/A1復合材料中，常用含Ti的Al合金，由于Ti的富集形成一層松散的鈦化物阻擋層，可大大提高復合材料的拉伸強度和抗沖擊性。,五、金屬基復合材料的力學性能設計,1.連續(xù)纖維增強復合材料的力學性能設計,（1）單向復合材料及其結(jié)構(gòu)模型,定義：連續(xù)纖維在基體中呈同向平行排列的復合材料，叫做單向連續(xù)纖維增強復合材料。 結(jié)構(gòu)模型（圖） 并聯(lián)模型 纖維與基體有相同的應變； 串聯(lián)模型 纖維與基體有相同的應力。,四個特征彈性常數(shù)：縱向彈性模量，橫向彈性模量，主泊松比，切變模量