复合材料-1

复合材料成型工艺与复合材料界面
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1.3.4碳/碳复合材料 C/C
化学组成单一， 元素， 化学组成单一，C 元素，但 C 的形态与结构十分复杂 (1) 基体碳：i) CVD碳；ii) 树脂碳；iii) 沥青碳 基体碳： 树脂碳； 碳 (2) 增强体：高性能碳纤维及其织物 增强体： (3) 性能特点：保持碳材料（石墨）的特性，如：密度低、低 密度低、 性能特点：保持碳材料（石墨）的特性， 蠕变、高导热、 蠕变、高导热、低 CTE、高抗热震性、高耐温、耐烧蚀等的 同 、高抗热震性、高耐温、 时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能随温度升高而升高的 还具有高强、高模、抗疲劳、 特点。 特点。 缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松。 缺点：高温下易氧化，材料多孔而疏松。 高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展很快。 高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展很快。
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§1.1 复合材料定义及分类 定义： 定义：由两种或两种以上材料组成的一种有用的多 相材料， 相材料，它的各组分材料在化学性能或物理性能方面 是不同的，且各组分之间有明显的界面。（ 。（两种或两 是不同的，且各组分之间有明显的界面。（两种或两 种以上不同化学性质、 种以上不同化学性质、不同组织物体以微观或宏观形 式组合而成的材料）。 式组合而成的材料）。 简言之： 简言之：复合材料由连续基体相 (Matrix Phase) 和 分散增强相 (Disperse Phase) 及界面相 (Interface Phase) 所构 成。 构成： 构成： （1）树脂基体：热固性树脂；热塑性树脂； ）树脂基体：热固性树脂；热塑性树脂； （2）增强体：主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼 ）增强体：主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、 纤维等。 纤维等。
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§1.3 各类复合材料
1.3.1 聚合物基复合材料 聚合物基复合材料PMC
(1) 基体 热固性基体(Thermosetting Matrix)： 热固性基体 ： i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润， ii) 交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性脆 交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好， iii) 制备过程伴有复杂化学反应 热塑性基体(Thermoplastic Matrix)： 热塑性基体 ： i) 溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下 溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难， 成型， 成型，工艺性差 ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差， iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、 (2) 增强体 主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、 主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等 树脂基体与增强体相容性、浸润性较差， 树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理与 表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复杂化。 表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复杂化。
树脂基复合材料： 金属基复合材料： 树脂基复合材料：60~250℃;金属基复合材料：400~600℃; ℃ 金属基复合材料 ℃ 陶瓷基复合材料： 陶瓷基复合材料：1000~1500℃. ℃
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（4）破损安全性好：复合材料具有大量独立的增强 ）破损安全性好： 纤维结构，材料构件承载时，即使有少量纤维断裂， 纤维结构，材料构件承载时，即使有少量纤维断裂， 但其所承受的载荷会重新分配到未破坏的纤维上， 但其所承受的载荷会重新分配到未破坏的纤维上，这 样在短期内不会使整个构件失去承载能力。 样在短期内不会使整个构件失去承载能力。 （5）减震性好：复合材料的纤维与基体的界面具有 ）减震性好： 吸收振动能量的能力，所以复合材料的振动阻尼很高。 吸收振动能量的能力，所以复合材料的振动阻尼很高。 根据对相同形状和尺寸的梁进行实验得知： 根据对相同形状和尺寸的梁进行实验得知：轻合金需 要九秒钟才能停止振动， 要九秒钟才能停止振动，碳纤维复合材料梁两秒半钟 就停止了。 就停止了。 （6）工艺性好：复合材料制件的制造工艺简单，适 ）工艺性好：复合材料制件的制造工艺简单， 合整体成型。采用模具制造的复合材料制件， 合整体成型。采用模具制造的复合材料制件，可一次 成型，从而减少了零部件、紧固件及接头的数目， 成型，从而减少了零部件、紧固件及接头的数目，提 高了产品的质量和缩短了生产周期。 高了产品的质量和缩短了生产周期。
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1.3.3 陶瓷基复合材料CMC
(1) 基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷 基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、 陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、 陶瓷本身：高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等 陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性） 陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性（抗热冲击性）差，抗震性差 且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效。 且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效。 (2) 增强材料：碳纤维、硼纤维、α-Al2O3纤维、氧化铝 硼酸盐纤 增强材料：碳纤维、硼纤维、 纤维、氧化铝-硼酸盐纤 钨丝、 晶须、 晶须、 颗粒等， 维\钨丝、铌丝、不锈钢丝、SiC晶须、SiN4晶须、ZrO 颗粒等， 钨丝 铌丝、不锈钢丝、 晶须 复合的目的不是提高模量与强度， 复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧 CMC仍以烧结成型为主，由于基体与增强体都具有高模量、高 仍以烧结成型为主，由于基体与增强体都具有高模量、 仍以烧结成型为主 耐温特点，残余应力很大，会导致微裂纹， 耐温特点，残余应力很大 ， 会导致微裂纹， CMC适合于作高温结 适合于作高温结 构材料，被称为“材料的梦想” 构材料，被称为“材料的梦想”。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1.3 .2 金属基复合材料 MMC
(1) 基体： 基体： Al、Mg、Ti、Ni等轻金属及其它们的合金（比强度、 比模量高） 、 、 、 等轻金属及其它们的合金 比强度、 比模量高） 等轻金属及其它们的合金（ (2) 增强体： 增强体： 强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金属材料。 强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金属材料。 主要有：硼纤维、碳纤维、 主要有：硼纤维、碳纤维、 SiC纤维、 Al2O3纤维 纤维、 纤维 钨丝、钢丝、 钨丝、钢丝、不锈钢丝 陶瓷颗粒、 陶瓷颗粒、晶须等 特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、高模、 特点 ： 保持金属材料特性外 ， 与金属基体相比具有高强 、 高模 、 高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性能好等特点， 高韧性 、 高抗冲 、 尺寸稳定性好 、抗疲劳性能好等特点 ，可沿 用大部分金属成型加工方法，适合于用作中、高温结构材料。 用大部分金属成型加工方法，适合于用作中、高温结构材料。
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1.3.5 无机胶凝复合材料
气硬性胶凝材料：只能在空气中不能在水中硬化。 气硬性胶凝材料：只能在空气中不能在水中硬化。 如石灰、 石膏、 如石灰、 石膏、镁质胶凝材料等 水硬性胶凝材料：既能在空气中， 水硬性胶凝材料：既能在空气中，又能在水中硬化 （常称为水泥）。如：硅酸盐水泥、锂酸盐水泥、硫酸铝水泥、 常称为水泥）。如 硅酸盐水泥、锂酸盐水泥、硫酸铝水泥、 ）。 磷酸盐水泥等。 磷酸盐水泥等。 水泥的凝结硬化过程是一个复杂的物理和化学过程， 水泥的凝结硬化过程是一个复杂的物理和化学过程，硬化后的 水泥是由晶体、凝胶体、未水化颗粒、游离水、 水泥是由晶体、凝胶体、未水化颗粒、游离水、气孔等组成的多 相不均质结构体，这一结构特征 材料抗拉强度低， 相不均质结构体，这一结构特征—— 材料抗拉强度低，冲击韧性 差（性脆），易突然失效，不能作结构材料。 性脆） 易突然失效，不能作结构材料。 增强纤维：金属纤维、无机纤维、合成纤维、 增强纤维：金属纤维、无机纤维、合成纤维、植物纤维等 复合的目的，是增强、增韧，用作结构材料。 复合的目的，是增强、增韧，用作结构材料。
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世界各发达国家都把其列为关键技术的重要组 成部分。 成部分。先进材料及其制备技术已列为国家科技发 展纲要中优先支持发展的战略方向。 展纲要中优先支持发展的战略方向。 复合材料的研究一直是当代高新技术的主要 内容之一，它的应用领域已经深入到国民经济和国 内容之一， 防建设的各个领域， 防建设的各个领域，并且是国家高新技术领域优先 支持和发展的9个学科之一， 支持和发展的 个学科之一，因此具有十分重要的 个学科之一 作用。 作用。
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材
钢 铝合金 钛合金 玻璃钢
料
σb E σb/ρ 3 3 7 × × × (g/cm3) (×10 MPa) (×10 MPa) (×10 cm)
ρ
E/ρ 9 (×10 cm) ×
7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 2.6
1.03 0.47 0.96 1.06 1.50 1.07 1.0
2.1 0.75 1.14 0.4 1.4 2.4 2.0
0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 0.67 0.38
0.27 0.26 0.25 0.21 0.21 1.5 0.75
高强度碳 纤维/环氧 纤维 环氧 石墨纤维/ 环氧 硼/铝 铝
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复合材料具有以下几个特点 （2）耐疲劳性好：金属材料的疲劳破坏是没有明显征 ）耐疲劳性好： 兆的突发性破坏。而聚合物复合材料中纤维与基体的结 兆的突发性破坏。 合面有减缓裂纹发展的作用，因此耐疲劳性能好。其疲 合面有减缓裂纹发展的作用，因此耐疲劳性能好。 劳破坏过程是从材料的薄弱环节开始，逐渐扩展到结合 劳破坏过程是从材料的薄弱环节开始， 面上，破坏前形成预兆（如变色、声响等效应）。 面上，破坏前形成预兆（如变色、声响等效应）。 （3）耐高温烧蚀性好：聚合物基复合材料的组分是具 ）耐高温烧蚀性好： 有较高的比热、烧蚀热、绝热指数，以及较低的热导率， 有较高的比热、烧蚀热、绝热指数，以及较低的热导率， 因此在高温下能吸收大量的热， 因此在高温下能吸收大量的热，而在其内部保持较低的 温度。 温度。所以经常用聚合物基复合材料作再入大气层的飞 行器的耐烧蚀材料。 行器的耐烧蚀材料。