复合材料的分类

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在现代工程中对材料的要求越来越苛刻， 特别是在航天、航海及交通运输领域。
例如，要求飞机结构材料既有低的密度， 又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀 性。
通常高强度材料的密度也高，增大强度 或刚度则会降低材料的韧性。
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这种材料优异性能的组合 是单一材料无法满足的。
复合材料
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增强颗粒大小会直接影响增强效果：
➢ d过大（>0.1μm）易引起应力集中而降低 强度；
➢ d过小（<0.01μm）则接近于固溶体结构 ，不起颗粒增强作用。
的
性
非金属基复合材料
质
塑料基复合材料
分
橡胶基复合材料
精选课件 陶瓷基复合材料 12
纤维增强复合材料
按
纤维增强塑料（玻璃钢）
增
纤维增强橡胶（轮胎）
强
纤维增强陶瓷
相
纤维增强金属
的
颗粒增强复合材料
形
态
金属陶瓷
分
弥散强化金属
叠层复合材料
双层金属复合材料
精三选课层件 复合材料
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纤 维 增 强 复 合 材 料
复合材料的分类
1121416028 1121416007
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复合材料的分类
第一节 概述 ▪ 分类 ▪ 性能特点 第二节 增强材料及其增强机制 ▪ 增强材料 ▪ 增强机制 第三节 常用复合材料
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第一节 概述
复合材料 两种或者两种以上的不同性质的材料，通 过不同的工艺方法人工合成的多相材料。
陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产；
在聚合物中添加不同的填料，构成以填料 为分散相、聚合物为连续相的复合材料， 可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热 性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能 等。
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二、增强机制
（一）纤维增强
增强机制
① 纤维是具有强结合键的物质或硬质 材料；
② 纤维处于基体中，表面受到基体的 保护不易损伤，也不易在受载过程 中产生裂纹，承载能力增大；
缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复 杂，成本高；
不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。
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4. 芳纶纤维
亦称Kevlar纤维，是一种将聚合物溶解在 溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类 纤维；
密度小，比强度、比弹性模量高；
抗拉强度比玻璃纤维高45％，韧性好； 耐热性好，能在290℃下长期作用； 优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工
不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸 声、绝缘、透过电磁波等；
制取方便，价格便宜，是应用最广的增
强纤维。
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2. 碳纤维
将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、 沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而 制成wC>90%以上的纤维；
密度低、强度和模量高；
高、低温性能好（1500℃，-180℃）；
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颗粒增强复合材料
叠层 复合 材料
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二、复合材料的性能特点
1. 比强度和比模量高
纤维增加材料的比强度及比模量远高于 金属材料，特别是碳纤维－环氧树脂复合材 料比强度是钢的8倍，比模量是钢的4倍。
2. 抗疲劳和破断安全性好
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。
化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、 苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导 电性、自润滑性好；
缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。
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3. 硼纤维
将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属 丝－纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维；
熔点高（2300℃）； 强度、弹性模量高；
良好的耐蚀性；
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第二节 增强材料及其增强机制
复合材料是一种由基体matrix 和增强相 reinforced phase 组成的多相材料，通常基体 为连续相，而增强相为分散相。
复
基体
金属材料、高分子材料、
合
陶瓷材料
材
料
增强相 颗粒增强材料、纤维增强材料、
片状增强材料
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一、增强材料
（一）纤维增强材料
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例2：建筑材料（复合材料的应 用）
泥土＋稻草
水泥＋钢筋
复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻 草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复 合而成。
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一、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。
按
金属基复合材料
基
铝基复合材料
体
钛基复合材料
相
铜基复合材料
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3. 高温性能优良
大多数增强纤维在高温下仍保持高的强 度，如铝合金在400℃时弹性模量已降至近于 0，而碳纤维增强后，在此温度下强度和弹性 模量基本未变。
4. 减振性能好
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。
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玻璃纤维增强风机叶片
玻璃纤维增强尼龙车轮
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6
玻璃纤维增强塑料制自行车
复合材料制小船
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7
复合材料制防弹衣 精选课件
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特点
复合材料既保持组成 材料各自的最佳特性， 又具有组合后的新特性。
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例1： 热固性玻璃钢＝热固性树脂＋玻璃纤维
热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂
脆精性选课低件 于玻璃纤维
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③ 当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维 可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂 纹扩展方向。
裂纹扩展方向
纤维断裂
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（二）颗粒增强
颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分 布在基体中，基体承受载荷，而增强颗粒 阻碍导致基体塑性变形的位错运动（金属 基体）或分子链运动（高聚物基体）。
性，且价格便宜。
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5. 碳化硅纤维
是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相 沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱， 经烧结而得；
是一种高熔点、高强度、高模量的陶 瓷纤维，主要用于增强金属和陶瓷；
优良的高温强度，在1100℃时强度仍 高达2100MPa。
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（二）颗粒增强材料
主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如Al2O3、SiC、 Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；
增强效果最明显、应用最广。 主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤 维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝 纤维等
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1. 玻璃纤维
由熔融玻璃经拉丝制成纤维；
密度2.4～2.7，与铝相近，弹性模量低 于金属，但比强度和比模量高；
耐热性好，软化温度550～580℃；
耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外， 对其它溶剂有良好的化学稳定性；