第四章复合材料的制备-2015分析
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• 1.颗粒应高度均匀弥散分布在基体中。 • 2. 颗粒大小应适当。一般几微米到几十 微米，过大易裂，过小起不到强化作用。
• 3. 颗粒的体积含量应在20％以上，否则 达不到强化效果。 • 4. 颗粒与基体之间有一定的结合强度。
14
结构复合材料主要作为承力结构
使用的材料
由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、 陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、 织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结 增强体成为整体材料同时又起传力作用 的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻 璃、碳和水泥等）构成。
Matrix
增强体
Reinforcement
界面
Interface
3
复合材料分类
1.复合材料按用途分为： 结构复合材料：通过复合，显著改善材料 的机械性能，主要用于结构零件。 功能复合材料：通过复合，显著改善材料 的其他性能，形成多功能材料。 2.按基体类型分为 树脂基复合材料RMC（如玻璃钢，Resin Matrix Composite）,也称纤维增强塑料 （Fiber Reinforced Plastics） ；橡胶基复 4 合材料（如轮胎）
b
是未加相容剂的玻纤增强体系。
20
Figure Microstructure of an aluminum casting alloy reinforced with silicon carbide particles. In this case, the reinforcing particles have segregated to interdendritic regions of the casting ( 125). (Courtesy of David Kennedy, Lester B. Knight Cost Metals Inc.)
21
2500目CaCO3粒子/PP 1250目CaCO3粒子/PP
试样的冲击试样的断口扫描电镜的背散射电子图像
22
GF/CF不同的纤维种类
23
Composite materials configurations Materials: Glass/carbon/aramid fibres with thermoset/thermoplastic resins Architecture: Unidirectional tapes, woven, braided, chopped strand mat, pultruded, filament wound, RTM, injection moulded/www.merl-ltd.co.uk/.../ 24 composites01.shtml
•
叠层复合材料：如双金属板， 夹层玻璃，多层板等。 • 夹层结构复合材料：如多孔 性铁基和青铜基自润滑衬套。
7
复合材料特点
• (l)可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，例如，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、 8 切削、磨光等工序。
第四章 复合材料的制备
四川大学材料科学与工程学院
周大利
• 复合材料(Composite)
复合材料是由两种或多种性质不同的 材料通过物理和化学复合，组成具有两个 或两个以上相态结构的材料。该类材料不 仅性能优于组成中的任意一个单独的材料， 而且还可具有组分单独不具有的独特性能。
2
复合材料的组成
基体
15
结构材料通常按基体的不同分 为聚合物基复合材料、金属基复合 材料、陶瓷基复合材料、碳基复合 材料和水泥基复合材料等。
16
功能材料
是指除力学性能以外还提供其它物理、化 学、生物等性能的复合材料。
• 包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致 变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁 多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未 来的功能复合材料比重将超过结构复合材 料，成为复合材料发展的主流。
1.纤维增强相是承载体，要求高的强度、弹 性模量、热稳定性。
2. 基体起粘结剂作用，要求润湿性(对纤维)、 塑性和韧性及保护不损伤表面性。 3. 纤维和基体之间高而适合的结合强度。过 低的结合强度易裂，过高易脆断。 4. 纤维增强相有合理的含量、尺寸和分布。 5. 纤维和基体间不能有化学反应。
13
• ※ 细粒增强复合原则
金属基复合材料的主要性能
• (1)高比强度、比模量
• (2)导热、导电性能
• (3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好
• (4)良好的高温性能
• (5)耐磨性好
• (6)良好的疲劳性能和断裂韧性
• (7)不吸潮、不老化、气密性好
9
陶瓷基复合材料的主要性能
• 陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、 抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐 蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小， 这些优异的性能是一般常用金属材料、 高分子材料及其复合材料所不具备的优 异性能，但陶瓷材料抗弯强度不高，断 裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。 当用高强度、高模量的纤维或晶须增强 后，其高温强度和韧性可大幅度提高。
金属基复合材料MMC （如纤维增强金属， Metal Matrix Composite）
陶瓷基复合材料CMC （如钢筋混凝土、 纤维增强陶瓷，Ceramic Matrix Composite）
5
• 按增强材料分类： • 纤维增强复合材料（连续纤维增强 复合材料、短纤维或晶须增强纤维）： • 纤维增强橡胶（轮胎）、纤维增强塑料 （玻璃钢、碳纤维增强塑料）、纤维增 强陶瓷、纤维增强金属（碳纤维/铝锡合 金）等。 • 颗粒增强复合材料：陶瓷颗粒---金属基（硬质合金），金属颗粒----塑 料基等。 • 6
10
复合材料的复合原则与性能
基体材料和增强相的类型和性质及两 者之间的结合力，决定其性能，增强相 的形状、数量、分布及制备过程等也影 响其性能。
11
一、增强机制
• (1)颗粒增强复合材料 • • (2)纤维增强复合材料 • • (3)晶须增强复合材料
12
二、复合原则
• ※ 纤维增强复合原则
•
• • • •
17
•
未来复合材料的研究方向主 要集中在纳米复合材料、仿生复 合材料和发展多功能、机敏、天 然复合材料等领域。
18
（a）是加入MPP相 容剂的玻纤增强体 系，( a）中玻璃 纤维与基体的结合 较好，纤维拔出较 少.
Байду номын сангаас
a、是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片
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从中可以看出，而 （ b ）中有大量的玻 纤从基体中拔出，证 明与基体的粘接性较 差，因而体系的力学 性能不高。
• 3. 颗粒的体积含量应在20％以上，否则 达不到强化效果。 • 4. 颗粒与基体之间有一定的结合强度。
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结构复合材料主要作为承力结构
使用的材料
由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、 陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、 织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结 增强体成为整体材料同时又起传力作用 的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻 璃、碳和水泥等）构成。
Matrix
增强体
Reinforcement
界面
Interface
3
复合材料分类
1.复合材料按用途分为： 结构复合材料：通过复合，显著改善材料 的机械性能，主要用于结构零件。 功能复合材料：通过复合，显著改善材料 的其他性能，形成多功能材料。 2.按基体类型分为 树脂基复合材料RMC（如玻璃钢，Resin Matrix Composite）,也称纤维增强塑料 （Fiber Reinforced Plastics） ；橡胶基复 4 合材料（如轮胎）
b
是未加相容剂的玻纤增强体系。
20
Figure Microstructure of an aluminum casting alloy reinforced with silicon carbide particles. In this case, the reinforcing particles have segregated to interdendritic regions of the casting ( 125). (Courtesy of David Kennedy, Lester B. Knight Cost Metals Inc.)
21
2500目CaCO3粒子/PP 1250目CaCO3粒子/PP
试样的冲击试样的断口扫描电镜的背散射电子图像
22
GF/CF不同的纤维种类
23
Composite materials configurations Materials: Glass/carbon/aramid fibres with thermoset/thermoplastic resins Architecture: Unidirectional tapes, woven, braided, chopped strand mat, pultruded, filament wound, RTM, injection moulded/www.merl-ltd.co.uk/.../ 24 composites01.shtml
•
叠层复合材料：如双金属板， 夹层玻璃，多层板等。 • 夹层结构复合材料：如多孔 性铁基和青铜基自润滑衬套。
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复合材料特点
• (l)可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，例如，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、 8 切削、磨光等工序。
第四章 复合材料的制备
四川大学材料科学与工程学院
周大利
• 复合材料(Composite)
复合材料是由两种或多种性质不同的 材料通过物理和化学复合，组成具有两个 或两个以上相态结构的材料。该类材料不 仅性能优于组成中的任意一个单独的材料， 而且还可具有组分单独不具有的独特性能。
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复合材料的组成
基体
15
结构材料通常按基体的不同分 为聚合物基复合材料、金属基复合 材料、陶瓷基复合材料、碳基复合 材料和水泥基复合材料等。
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功能材料
是指除力学性能以外还提供其它物理、化 学、生物等性能的复合材料。
• 包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致 变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁 多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未 来的功能复合材料比重将超过结构复合材 料，成为复合材料发展的主流。
1.纤维增强相是承载体，要求高的强度、弹 性模量、热稳定性。
2. 基体起粘结剂作用，要求润湿性(对纤维)、 塑性和韧性及保护不损伤表面性。 3. 纤维和基体之间高而适合的结合强度。过 低的结合强度易裂，过高易脆断。 4. 纤维增强相有合理的含量、尺寸和分布。 5. 纤维和基体间不能有化学反应。
13
• ※ 细粒增强复合原则
金属基复合材料的主要性能
• (1)高比强度、比模量
• (2)导热、导电性能
• (3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好
• (4)良好的高温性能
• (5)耐磨性好
• (6)良好的疲劳性能和断裂韧性
• (7)不吸潮、不老化、气密性好
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陶瓷基复合材料的主要性能
• 陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、 抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐 蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小， 这些优异的性能是一般常用金属材料、 高分子材料及其复合材料所不具备的优 异性能，但陶瓷材料抗弯强度不高，断 裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。 当用高强度、高模量的纤维或晶须增强 后，其高温强度和韧性可大幅度提高。
金属基复合材料MMC （如纤维增强金属， Metal Matrix Composite）
陶瓷基复合材料CMC （如钢筋混凝土、 纤维增强陶瓷，Ceramic Matrix Composite）
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• 按增强材料分类： • 纤维增强复合材料（连续纤维增强 复合材料、短纤维或晶须增强纤维）： • 纤维增强橡胶（轮胎）、纤维增强塑料 （玻璃钢、碳纤维增强塑料）、纤维增 强陶瓷、纤维增强金属（碳纤维/铝锡合 金）等。 • 颗粒增强复合材料：陶瓷颗粒---金属基（硬质合金），金属颗粒----塑 料基等。 • 6
10
复合材料的复合原则与性能
基体材料和增强相的类型和性质及两 者之间的结合力，决定其性能，增强相 的形状、数量、分布及制备过程等也影 响其性能。
11
一、增强机制
• (1)颗粒增强复合材料 • • (2)纤维增强复合材料 • • (3)晶须增强复合材料
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二、复合原则
• ※ 纤维增强复合原则
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• • • •
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•
未来复合材料的研究方向主 要集中在纳米复合材料、仿生复 合材料和发展多功能、机敏、天 然复合材料等领域。
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（a）是加入MPP相 容剂的玻纤增强体 系，( a）中玻璃 纤维与基体的结合 较好，纤维拔出较 少.
Байду номын сангаас
a、是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片
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从中可以看出，而 （ b ）中有大量的玻 纤从基体中拔出，证 明与基体的粘接性较 差，因而体系的力学 性能不高。