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复合材料概论SurveyofCompositeMaterialsInstituteofMaterialsScienceandEngineeringEmail:rongfengg126材料科学与工程学院：关荣锋教授目录第一章总论第二章复合材料的基体材料第三章复合材料的增强材料第四章复合材料的界面第五章聚合物基复合材料第六章金属基复合材料第七章陶瓷基复合材料第八章水泥基复合材料第九章碳/碳复合材料第十章混杂纤维复合材料第一章总论1.1复合材料的发展概况1.2复合材料的命名和分类1.3复合材料的基本性能1.4复合材料复合原理1.5复合材料结构设计基础1.1复合材料的发展概况近代复合材料的发展从基体上来看，首先发展的是软基体，然后逐渐发展较硬的和硬的基体，即从树脂到金属到陶瓷基体，现在复合材料有树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三个大类。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大。第一章总论例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。复合材料的发展概况树脂基复合材料（ResinMatrixComposite）也称纤维增强塑料（FiberReinforcedPlastics），是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，我国俗称玻璃钢。树脂基复合材料1932年RMC在美国出现1940年开始用于军用飞机上1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升机的螺旋桨60年代规模化、连续化生产70年代后各种成型工艺逐渐成熟，工业迅速发展树脂基复合材料（RMC)发展历史树脂基复合材料生产流程金属基复合材料（MetalMatrixComposite，简称MMC)的性能既优于金属材料也优于树脂基复合材料。它既具有金属的性能，也有树脂基复合材料无法达到的使用温度高、剪切强度高、阻燃、不老化、不吸湿、不放气、耐磨损、导电、导热等金属属性，是外层空间结构及一些工业领域中有广泛应用前景的材料，因而继树脂基复合材料之后，掀起了开发研究金属基复合材料的热潮。金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料的发展概况20世纪60年代在RMC的成型方法基础上初步发展20世纪70年代开发出新的增强材料，得到很大发展20世纪80年代新型高性能增强纤维的出现，如化学气相沉积法SiC纤维、纺丝SiC纤维和表面带TiB、TiC、SiC等涂层的系列石墨纤维，并发展了可以将铝、镍、金属间化合物等性能较高的金属作为基体的成型工艺，从而进一步推动了金属基复合材料的发展。陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposite，简称CMC)，是80年代开始逐渐发展起来的，时间不长但发展十分迅速。陶瓷材料本身强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、有很好的耐磨性和耐化学腐蚀性，热膨胀系小、密度小，这些优异的性能是一般金属材料、高分子材料和它们的复合材料所不具备的。但由于其致命的弱点——脆性，限制了它的应用，如果这一问题能得到很好的解决，它将是极为理想的高温结构材料，因而被称为“材料的梦想”。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料其中，SiC得到比较成功的应用，国防部与宇航局（NASA）开展的陶瓷燃气轮发动机研究课题研制的转子、叶片、燃烧室涡形管等件已通过热试验，法国SEP公司用陶瓷基复合材料制成的SCD-SEP火箭试验发动机已经过点火试车，由于使用了陶瓷基复合材料使结构减轻了50％。复合材料的定义除上述三种主要的复合材料外，还有碳／碳复合材料与无机胶凝材料基复合材料。最后，我们可以给复合材料下一个定义：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。从上述定义中可以得出，复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后中的产物为固体时才称为复合材料。按增强材料形态分：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1.2复合材料的命名和分类按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强型复合材料。按增强原理分玻璃纤维复合材料有机纤维复合材料碳纤维复合材料金属纤维复合材料陶瓷纤维复合材料按增强纤维种类分按增强纤维种类分按基体材料分：树脂基热固性树脂基热塑性树脂基环氧树脂复合材料酚醛树脂复合材料不饱和聚酯基，脲醛基复合材料等聚苯硫酸基复合材料聚丙烯基复合材聚醚酮复合材料金属基铝基复合材料钛基复合材料镁基复合材料银基复合材料铜基复合材料锌基复合材料铅基复合材料无机非金属基陶瓷基复合材料玻璃陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳基复合材料纳米陶瓷基复合材料按基体材料分：按材料作用分：※结构复合材料※功能复合材料此外，还有同质复合材料和异质复合材料。增强材料和基体材料属于同种物质的复合材料为同质复合材料，如碳/碳复合材料。前面提到的复合材料多属于异质复合材料。复合材料的共同特点：※可设计性材料设计是最近20年才提出的概念，复合材料的性能可设计性是材料科学进展的一大成果，复合材料的力学机械及热声光电防腐抗老化等物理化学性能都可以按制件的使用要求和环境条件，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，最大限度的达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。1.3复合材料的基本性能※材料与结构的同一性复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说是材料不如说是结构更为恰当。传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，再加工过程中材料不发生组分和化学变化，而复合材料构件与材料是同时形成的，这样结构的整体性好，可大幅度减少零部件和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠性。复合材料的共同特点：※发挥复合效应的优越性复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，但它并不是几种材料简单的复合，而是按复合效应形成新的性能，这种复合效应是复合材料仅有的。※材料性能对复合工艺的依赖性复合材料结构在形成过程中发生复杂的物理化学变化，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大，同时也由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，所以一般来说复合材料构件的性能分散性也是比较大的。复合材料的共同特点：1.3.1聚合物基复合材料的主要性能※比强度高、比模量大下表给出了聚合物基复合材料与其他几种材料性能的比较，从中可以看出其抗张强度和弹性模量优于其他几种材料。材料密度抗张强度103Mpa弹性模量105Mpa比强度107cm比模量109cm钢7.81.032.10.130.27铝合金2.80.470.750.170.26钛合金4.50.961.140.210.25玻璃纤维复合材料2.01.060.40.530.20碳纤维Ⅱ/环氧复合材料1.451.501.41.030.97碳纤维Ⅰ/环氧复合材料1.61.072.40.671.5有机纤维/环氧复合材料1.41.40.81.00.57硼纤维/环氧复合材料2.11.382.10.661.0硼纤维/铝复合材料2.651.02.00.380.57聚合物基复合材料与其他材料性能的比较※耐磨疲劳性好聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展，因此，疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始逐渐扩展到结合面上，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度的20％－50％，而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其抗张强度的70％－80％。主要性能※减震性好受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外，还与结构材料比模量的平方根成正比。复合材料的比模量高，故具有高的自振频率。同时，复合材料界面具有吸振能力，使材料的振动阻尼很高。主要性能※过载时安全性好复合材料中有大量增强纤维，当材料过载而有少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短时间内不致于失去承载能力。※具有多种功能性（1）耐烧蚀性好（2）有良好的摩擦性（3）高度的电绝缘性（4）优良的耐腐蚀性能（5）有特殊的光学、电学、磁学性能主要性能※有很好的加工工艺性复合材料可以采用手糊成型模压成型缠绕成型注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品。但是，耐高温性能耐老化性能及材料强度的一致性等有待于进一步研究提高。主要性能1.3.2金属基复合材料的主要性能※高比强度高比模量由于基体中加入了适量的高强度高模量低密度的纤维晶须颗粒等增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能的连续纤维——硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。典型金属基复合材料与基体合金性能的比较※导热、导电性能金属基复合材料中金属基体占有很高的百分比，一般在60％以上，因此仍能保持金属所具有的良好的导热和导电性。良好的导热性可以有效的传热，减少构件受热后产生的温度梯度，迅速散热，这对尺寸稳定性要求高的构件和高集成度的电子器件尤为重要。良好的导电性可以防止飞行器构件产生的静电聚集问题。主要性能金属基复合材料中所用的增强物均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量。加入适量的增强物不仅可以提高材料的强度和模量，同时可以使其热膨胀系数明显下降。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到48％时，其CTE为零，在温度变化时这种复合材料不会发生热变形。※热膨胀系数小，尺寸稳定性好主要性能主要性能※良好的高温性能金属基复合材料的增强纤维、晶须、颗粒在高温下都具有很高的高温强度和模量，特别是连续纤维增强金属基复合材料，纤维强度在高温下基本不下降。如石墨纤维增强铝基复合材料在500℃下，仍具有600Mpa的高温强度，而铝基体在300℃强度已下降到100Mpa以下。※耐磨损性好由于金属基复合材料中加入了大量的陶瓷增强物，陶瓷材料具有硬度高、耐磨、化学性能稳定的优点，不仅可以提高材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。SiC/Al复合材料由于优良的高耐磨性在吃车、机械、电子封装中有广泛的应用。主要性能主要性能※良好的疲劳性能和断裂韧性金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态，增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性，特别是界面状态，最佳的界面结合状态既可以有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂性能。据美国宇航公司报道，C/Al复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为0.7左右。※不吸潮、不老化、气密性好由于金属基性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越。主要性能1.3.3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。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。水泥混凝土制品在压缩强度、热能等方面具有优异的性能，但抗拉伸强度低，破坏前的许用应变小，通过用钢筋增强后，一直作为常用的建筑材料。目前，人们一般在水泥中引入高模量、高强度、轻质纤维或晶须增强混凝土，提高混凝土制品的抗拉性能，降低其质量，提高耐腐蚀性能。1.3.4水泥基复合材料的主要性能三种复合材料性能的比较材料金属基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料使用温度(℃)400－6001000－150060－250硬度中高低耐老化性中优差导热性(w/m·k)50－650.7－3.50.35－0.45耐化学腐蚀性差优优生产工艺一般复杂成熟生产成本中等最高最低1.4复合材料复合原理为了提高符合材料的力学性能引入的增强体主要有三种形式：颗粒、晶须和纤维。如何达到预期的性能