【精品课件】复合材料概述

金属基复合材料的发展： (1)产生于60年代，发展于90年代。 (2)最早应用于哥伦比亚号航天飞机的骨架：硼纤维/Al。
由于硼纤维太昂贵，现在基本用碳纤维/Al复合材料来替 代硼纤维/Al。 (3)受制备工艺的限制，基本还处于实验室阶段。
金属基复合材料的应用： 最初，比强度、比模量高，尺寸稳定等优点；而 用于航天、航空等部门； 近年来，随着新制造工艺的出现，廉价增强体 （SiC、陶瓷短纤维等），金属基复合材料开始用于 民用部门。
陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨 制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料 已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件 、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制 造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意 的使用效果。
陶瓷基复合材料的性 能
一、金属基复合材 料
金属基复合材料（Metal Matrix Composite，MMC）一般是 以金属或合金为连续相而颗粒，晶须或纤维形式的第二相组 成的复合材料。目前其制备和加工比较困难，成本相对较高， 常用在航天航空和军事工业上。
金属基复合材料与树脂基复合材料比，优点在于： 工作温度高； 横向机械性能好； 层间剪切强度高； 耐磨损、导电、导热； 不吸湿、不老化； 尺寸稳定，可采用金属加工方法。
热固型树脂基复合材料
定义： 以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树
脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、 芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成 的复合材料。
其中一个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒 状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受 外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。增强相或 增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此 也称作分散相；复合材料中的另一个组分是包围增强相并相 对较软和韧的贯连材料，称为基体相。
因此，基体开裂并不导致突然失效，材料的最终失效应变 大于基体的失效应变。
2、高温力学性能
室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模 量提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700℃保持不变，然 后强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随着温度升 高从室温的137GPa降到850℃的80 GPa。这一变化显然与 材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。
(１)综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能， 具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料， 既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。如，针对方向性 材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。 (3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可 避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。
复合材料概述
复合材料的基本概念
复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上 不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具 有新性能的材料。
复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。
增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在 最终复合材料中的形态来区分的。
1、室温力学性能
对陶瓷基复合材料来说，陶瓷基体的失效应变低于纤维的 失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起 的开裂。 材料的拉伸失效有两种：
第一：突然失效。如纤维强度较低，界面结合强度高，基 体较裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。
第二：如果纤维较强，界面结合较弱，基体裂纹沿着纤维 扩展。纤维失效前纤维/基体界面在基体的裂纹尖端和尾 部脱粘。
纤维状
颗粒状
层状
片状
填充状Biblioteka 复合材料及其增强相的各种形态
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。 金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主 要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有 玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉 纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
复合材料是由多相材料复合而成，共同特点主要有三个：
主要用途： 建筑/基础设施
广告牌 格栅 栅栏 水沟和排水渠 扶手 板材 屋顶承重梁 水处理 平台 楼梯 隔板 格栅 扶手 交通运输 公路防护栏 高速公路防眩板 地铁三轨防护罩 桥梁封闭系统 桥面板弯曲拉挤型材 电子电工 电缆桥架 绝缘部件 梯子部件 灯杆 透频构件 线路系 统 天线罩 电缆保护管 梯子 体育用品 帐篷杆 工具手柄 其它
热塑性树脂基复合材料
20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料(LFP)、 连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合 材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、 PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程 塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维 等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的 不断成熟以及可回收pvd复合材料利用的优势，该品种的复 合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经 占到树脂基复合材料总量的30%以上
二、陶瓷基复合材 料
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材 料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进 陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优 异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产 生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤 维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法 。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶 瓷基复合材料。
三、树脂基复合材 料
定义： 基体材料为树脂，增强材料主要有玻璃纤维、碳
纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等通过不 同的工艺组成的复合材料。 优点：
★ 轻质高强 ★ 突出的防腐性能（通过采用不同的基体树脂） ★ 电绝缘性优良 ★ 隔热蔽音 ★ 安装维护简便 ★ 外观颜色可自由选择
分类： ★ 热塑型树脂基复合材料 ★ 热固型树脂基复合材料