复合材料及其成型技术

加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度， 而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增 强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。
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3.良好的高温性能
目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在3501100C范围
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例如，普通碳钢的密度为7.8 g/cm3。玻璃纤维增强树脂 基复合材料的密度为1.5～2.0 g/cm3，只有普通碳钢的1/4～ 1/5，比铝合金还要轻1/３左右，而机械强度却能超过普通碳 钢的水平。
若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超 过碳钢，而且可超过某些特殊合金纲。
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二、金属基复合材料的基体选择
1.选择的基本原则 （1）根据不同的使用性能要求选择合适的基体材料。
（2）根据增强体的性质和增强机制不同选择不同的基体。
（3）选择的基体要求与增强体具有良好的相容性（浸润 性）。
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在制备金属基复合材料时，液态金属对增强材料的浸润 性，则直接影响到界面粘结强度。
材
料
结构复合材料
用途
功能复合材料
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结构复合材料的分类：
热固性树脂基
聚合物基复合材料 热塑性树脂基
橡胶基 按
基
轻金属基
体
金属基复合材料 高熔点金属基
相
金属间化合物基
的 性 质 分
陶瓷基复合材料
高温陶瓷基 玻璃基 玻璃陶瓷基
水泥基复合材料
碳基复合材料
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叠层式复合材料
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一、金属基复合材料的分类
金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为 增强体而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可按 用途来进行、按基体来进行、也可按增强体来进行。
1.按用途分类 按用途
结构复合材料 功能复合材料
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2.按基体分类 按基体
铝基复合材料 镍基复合树树 钛基复合材料
颗粒增强铝基原位复合材料
铝基复合材料活塞
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（2）用于450～700℃的复合材料的金属基体 钛合金—可在450～650℃使用，增强体为高性能碳 化硅纤维、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒等。
(1)铝基复合材料
这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的 基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之 它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其 在工程上应用创造了有利的条件。
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在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各 种铝合金。
这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。 至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性 能需要来决定。
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第二节 金属基复合材料概述
金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较 高的比强度与比刚度。
而与树脂基复合材料相比，它又具有优良的导电性与 耐热性。
与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。
金属基复合材料的这些优良的性能决定了它已从诞生 之日起就成了新材料家族中的重要一员，它已经在一些领 域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。
复合材料及其成型技术
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曹韩学 chxchx2001@126.com
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第一节 什么是复合材料
一、复合材料定义
从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质 的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指 由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。
复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种 或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、 三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
玻璃纤维增强风机叶片
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玻璃钢材料的汽车前保险杠
玻璃钢游艇
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玻璃钢/复合材料在轨道交通车辆中的应用
1.机车导流罩 2.司机室 3.外顶板 4.上顶板和下层地板 5.内墙板 6.通过台 7.卫生间 8.外部门板 9.设备保护外壳 10.内板家具 和座椅 11.行李箱 12.内板隔板和门板
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钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于 钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。
基体和增强体的热膨胀系数
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3.按增强体分类 按增强体
纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 层状复合材料
(1)纤维增强复合材料
金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤 维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。
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结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行 组元选材设计，更重要的是还可进行复合结构设计，即增 强体的比例、分布、排列和取向等的设计。对于结构复合 材料来说，是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体 又起传递力作用的基体组元构成。由不同的增强体和不同 的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。
碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合 材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。
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复合材料的比模量大，故自振频率也高，可避免构件在工 作状态下产生共振。
纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，所以纤维增强复 合材料具有很好的减振性能。
2.热膨胀系数小，尺寸稳定性好
纤维复合材料平均几千到几 万根纤维/cm2，即使有少数纤 维断裂亦不会影响到其承载能力， 故破断安全性好。
应力
碳纤维复合材料
循环次数
玻璃钢 铝合金
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5.工艺性能优良 纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，能
满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状 复杂、数量少制品的制造。
1.高比强度、高比模量（刚度）
比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3） 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）
Ａ、增强体或者基体是比重小的物 质，或两者的比重都不高，且都不 是完全致密的； Ｂ、增强体多是强度很高的纤维。
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比 强 度 比 较 碳 硼 玻钛 钢 铝 纤纤璃 维维纤 树树维 脂脂树 脂
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(2)镍基复合材料 这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的
高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工 作的零部件。
人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它 来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温 度。
但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还 未能取得满意的结果。
分为外加和内生两种。
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(3)层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料
中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材 料。
层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近， 而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。
因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小， 因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。
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对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料， 达到节约材料、减轻质量的目的。
对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀 性能好的基体树脂和增强材料；
对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等， 都可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求。
复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹 性模量、层间剪切强度低等缺点。
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(3)钛基复合材料 钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。 此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。 因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音
速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。 随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，
采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而 纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。
内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。
不同SiC纤 维复合材料 的使用温度 范围。
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4.良好的疲劳性能和断裂韧度 纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与
基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。
复合材料具有较高的疲劳强 度。实验表明：σr＝70～80％ σb ， 而 钢 的 疲 劳 强 度 只 有 抗 拉 强度的40～50％。
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由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构 复合材料的强度受到了限制。
然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和 模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有 明显的优越性。
二、金属基复合材料特性
复合材料是由多种组分的材料组成， 许多性能优于单一组分的材料。
A380复合材料的使用比例为22%，
A340-600的比例为12%。
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1997年服役，目前 世界性能最佳的制 空战机之一
55%机身采用高 強度、低重量的复 合材料
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美UH－60A型直升飞机
美国F/A-18歼击机
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B-777上用的先进材料
因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性 特征。
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当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服 和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料 弹性模量的增强具有相当大的作用。
(2)颗粒增强复合材料 这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积
超过20％的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的 弥散强化金属。
复合材料无所不在！
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史上最牛的钉子户
我们住在复合材料里
树木也是一种复合材料
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木质素 纤维素
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燕子窝：泥土—草复合材料
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进化的复合材料-贝壳
进化的复合材料-海胆牙齿
复合材料－玻璃钢
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玻璃钢冷Biblioteka Baidu塔
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在发动机、燃气轮机中所需的结构材料，是耐热结构材 料，工作温度为650～1200℃。钛合金基体复合材料可耐 650℃高温，而镍、钴基复合材料可在1200℃下使用。
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（1）用于450℃以下的轻金属基体--铝、镁合金 连续纤维增强金属复合材料—选纯铝或含合金元素 少的单相铝合金为基体。 颗粒、晶须增强金属基复合材料—选择具有高强度 的铝合金作为基体。
浸润性是表示液体在固体表面上铺展的程度。 好的浸润性意味着液体(基体)将在增强材料上铺展开来， 并覆盖整个增强材料表面。
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2.结构件金属基复合材料的基体
用于航空、航天、汽车、先进武器等结构件的复合材料 要求具有高的比强度、比刚度，有高的结构效率，因此大 多选择铝及铝合金和镁及镁合金作为基体金属。
按
增
人工晶片
强
片材增强复合材料
天然片状物
体 的 颗粒增强复合材料 微米颗粒
形
纳米颗粒
态
晶须增强复合材料
分
不连续纤维复合材料
短切纤维增强复合材料
纤维增强复合材料
单向纤维增强复合材料
连续纤维增强复合材料 二维织物增强复合材料
三维织物增强复合材料
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纤维状
颗粒状
层状
片状
填充状
复合材料及其增强相的各种形态
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二、复合材料的特点
复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延展 性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温，独特的 耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制 备的灵活性和易加土性等特点，被大量地应用到航空航天等军 事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想 材料。
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三、复合材料的意义
现代高科技的发展更是离不开复合材料。 例如：火箭壳体材料对射程的影响， 飞行器减轻一公斤所取得的经济效益与飞行速度 航空发动机材料发展预测如下
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四、复合材料的分类
复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。
常用复合材料
性能高低
复
先进复合材料
合
6.耐磨性好 7.不吸潮、不老化、气密性好
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第三节 金属基复合材料的设计
一、复合材料的可设计性
可设计性是指：设计人员可根据所需制品对力学及其它 性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。
复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设 计，具有很好的可设计性。
力学（结构）设计——给制品一定的强度和刚度 功能设计——给制品除力学性能外的其他性能 工艺设计——对复合材料的制备工艺进行设计