复合材料概论个人整理版(考试专用)

第一章总论1.2复合材料的定义什么是复合材料?(CompositionMaterials,Composite)复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料＝基体(连续相)＋增强材料(分散相)1.3复合材料的命名复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：（1）强调基体时以基体材料的名称为主如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。例如：“玻璃纤维环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃/环氧复合材料”。碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为“碳/金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳/碳复合材料”。国外还常用英文编号来表示，如MMC（MetalMatrixComposite）表示金属基复合材料，FRP（FiberReinforcedPlastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)1.4复合材料的分类按增强材料形态分类：连续纤维复合材料、短纤维复合材料、粒状填料复合材料、编织复合材料、其他:层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体按增强纤维种类分类：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料、混杂复合材料。按基体材料分类：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料按材料作用分类：结构复合材料、基体材料和增强体材料、功能复合材料聚合物基聚合物基复合材料复合材料金属基金属基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料水泥基水泥基复合材料复合材料碳基碳基复合材料复合材料结构复合材料结构复合材料热固热固性树脂基性树脂基热塑热塑性树脂基性树脂基橡胶橡胶基基高温陶瓷高温陶瓷基基玻璃玻璃基基玻璃陶瓷玻璃陶瓷基基轻金属轻金属基基高熔点金属高熔点金属基基金属间化合物金属间化合物基基结构复合材料结构复合材料叠层式叠层式复合材料复合材料片材增强片材增强复合材料复合材料颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料纤维增强纤维增强复合材料复合材料人工人工晶片晶片天然天然片状物片状物微米微米颗粒颗粒纳米纳米颗粒颗粒不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料连续纤维增强连续纤维增强复合材料复合材料晶须晶须增强复合材料增强复合材料短切纤维短切纤维增强复合材料增强复合材料单向纤维单向纤维增强复合材料增强复合材料二维织物二维织物增强复合材料增强复合材料三维织物三维织物增强复合材料增强复合材料复合材料系统组合复合材料系统组合分散相分散相连续相连续相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维金属纤维纤维纤维//金属基复合材料金属基复合材料钢丝钢丝//水泥复合材料水泥复合材料增强橡胶增强橡胶金属晶须金属晶须晶须晶须//金属基复合材料金属基复合材料晶须晶须//陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料金属片材金属片材金属金属//塑料板塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶陶瓷瓷纤维纤维纤维纤维//金属基复合材料金属基复合材料纤维纤维//陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料晶须晶须晶须晶须//金属基复合材料金属基复合材料晶须晶须//陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒颗粒弥散强化合金材料弥散强化合金材料粒子填充塑料粒子填充塑料玻玻璃璃纤维纤维纤维纤维//树脂基复合材料树脂基复合材料颗粒颗粒碳碳纤维纤维碳纤维碳纤维//金属基复合材料金属基复合材料碳纤维碳纤维//陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳纤维碳纤维//树脂基复合材料树脂基复合材料炭黑炭黑颗粒颗粒//橡胶；颗粒橡胶；颗粒//树脂基树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维有机纤维纤维纤维//树脂基复合材料树脂基复合材料塑料塑料金属金属//塑料塑料橡胶橡胶Composites同质复合材料：增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料。异质复合材料：前面提及的复合材料多属此类。1.5复合材料的基本性能复合材料的特点：1.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；2.可按对材料性能的需要进行材料设计和制造；3.可制成所需的任意形状的产品。复合材料性能的影响因素：取决于增强相的性能、含量及分布状况，基体相的性能、含量，以及它们之间的的界面结合、成型工艺、结构设计等。聚合物基复合材料的主要性能（１）比强度大、比模量大；（２）耐疲劳性能好；（３）减震性好；（４）过载时安全性好；（５）具有多种功能性；（６）有很好的加工工艺性。烧蚀是指材料在高温时，表面发生分解，引起气化，与此同时吸收热量，达到冷却的目的，随着材料的逐渐消耗，表面出现很高的吸热率。①耐烧蚀性好；②有良好的耐磨性能；③高度的电绝缘性能；④优良的耐磨蚀性能；⑤有特殊的光学、电学、磁学特性。金属基复合材料的主要性能（１）高比强度、高比模量；（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性能；（７）不吸潮、不老化、气密性好。陶瓷基复合材料的主要性能高温强度和韧性高、耐辐射效率高、抗氧化、抗开裂等。例如：碳纤维增强碳化硅、碳化硅纤维增强碳化硅分别在1700ºC和1200ºC下保持20ºC时的抗拉强度。复合材料的性能是根据使用条件进行设计的。（1）使用温度和材料硬度：树脂基：60～250ºC；金属基：400～600ºC；陶瓷基：1000～1500ºC。硬度：陶瓷基金属基树脂基。（2）力学性能：从强度方面来讲，三类复合材料都可获得较高的强度。（3）耐老化性能：陶瓷基金属基树脂基。（4）导热性能：金属基：50～65W/(m·K)；陶瓷基：0.7～3.5W/(m·K)；树脂基：0.35～0.45W/(m·K)。（5）耐化学腐蚀性能：一般来讲陶瓷基和树脂基复合材料优于金属基复合材料。（6）生产工艺和成本高低：陶瓷基金属基树脂基。1.6复合材料结构设计基础1、复合材料的三个结构层次：一次结构——单层材料——微观力学二次结构——层合体——宏观力学三次结构——产品结构——结构力学（１）一次结构由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何（各相材料的形状、分布、含量）和界面区的性能。微观力学：研究各相材料之间的相互作用。（２）二次结构由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何（各单层的厚度、铺设方向、铺层序列）。宏观力学：将各相材料的影响仅作为复合材料的平均表现性能来考虑。（３）三次结构指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。结构力学：以纤维增强复合材料层压结构为研究对象。2、复合材料设计的三个层次：一次结构——单层材料设计二次结构——铺层设计三次结构——结构设计单层材料设计：正确选择增强材料、基体材料及配比；铺层设计：对铺层材料的铺层方案作出合理安排；结构设计：确定产品及其结构的形状和尺寸。第二章复合材料的基体材料复合材料=基体材料+增强材料。基体材料主要包括三部分：金属基体材料、陶瓷基体材料、聚合物基体材料2.1金属基体材料金属基复合材料学科主要涉及材料表面、界面、相变、凝固、塑性形变、断裂力学等。金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属合金。2.1.1选择基体的原则Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Zn、Pb及其合金，金属间化合物（TiAl、NiAl等）。1、金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。（1）航天航空：高比强度和比模量以及尺寸稳定性选轻金属，Al、Mg及其合金（2）高性能发动机：高比强度和比模量，耐高温性能选Ti、Ni及其合金（3）汽车发动机：耐热、耐磨、导热、成本低廉选Al合金（4）集成电路：高导热、低膨胀选Ag、Cu、Al2、金属基复合材料组成特点（1）连续纤维增强的复合材料基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。选用塑性较好的基体。（2）非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）的复合材料基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。选用高强度合金作为基体。3、基体金属与增强物的相容性化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。抑制界面反应。2.1.2结构复合材料的基体结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。1.用于450℃以下的轻金属基体：铝、镁及其合金2.用于450-700℃的复合材料的金属基体：钛及其合金3.用于1000℃以上的高温复合材料的的金属基体：镍基、铁基耐热合金和金属间化合物2.1.3功能复合材料的基体主要的金属基体是Al及其合金、Cu及其合金、Ag、Pb、Zn等。电子封装：Al和Cu。耐磨零部件：Al、Mg、Zn、Cu、Pb等金属及合金。集电和电触头：Al、Cu、Ag及合金。2.2陶瓷材料用作基体材料用的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体主要包括：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。氧化物陶瓷：A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(3A12O3·2SiO2)等。非氧化物陶瓷：氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。2.3聚合物材料2.3.1聚合物基体的种类、组分和作用1．聚合物基体的种类不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。2．聚合物基体的组分聚合物是聚合物基体的主要组分，除此还包括其他辅助材料，如固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。3．聚合物基体的作用复合材料中的基体有三种主要作用：（1）把纤维粘在一起；（2）分配纤维间的载荷；（3）保护纤维不受环境影响。4.聚合物基体的选择聚合物基体的选择应遵循下列原则：（1）能够满足产品的使用需要；（2）对纤维具有良好的浸润性和粘接力；（3）容易操作；（4）低毒性、低刺激性。（5）价格合理。2.3.2聚合物的结构与性能1．聚合物的结构聚合物结构的主要特点：（1）聚合物的分子链由很大数目（103～105）的结构单元组成，每个结构单元相当于一个小分子。（2）链长有限的聚合物分子含有官能团或端基。（3）聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切关系。2．聚合物的性能（1）聚合物的力学性能热固性树脂：固化后的力学性能不高，决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力。热塑性树脂：1）具有明显的力学松弛现象；2）在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率；3）抗冲击性能较好。（2）聚合物的耐热性能a）聚合物的结构与耐热性为改善材料耐热性能，聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。b）聚合物的热稳定性提高聚合物热稳定性的途径：提高聚合物分子链的键能，避免弱键存在；在聚合物链中引入较大比例的芳环和杂环。（3）聚合物的耐蚀性能复合材料的耐化学腐蚀性能与树脂的类别、性能、含量（尤其是表面）有很大的关系。（4）聚合物的介电性能聚合物具有良好的电绝缘性能。一般而言，树脂大分子的极性越大，则介电常数越大、电阻率越小、击穿电压越小、介质损耗角越大，材料的介电性能越差。（5）聚合物的其他物理性能2.3.3热固性树脂1．不饱和聚酯树脂由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线型预聚体。a.结构特征饱和二元酸结构不饱和二元酸结构b.固化交联剂——乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。引发剂——过氧化物。促进剂——苯胺类和有机钴。c.固化特点固化是一放热反应，其过程可分为三个阶段：（1）胶凝阶段（2）硬化阶段（3）完全固化阶段d.特点（1）粘度低，工艺性好。（2）综合性能好，价廉，用量约占80%（