第一章无机复合材料概述

第一章复合材料概述主要内容复合材料的概念复合材料的分类复合材料的特性复合材料的用途复合材料的发展方向一、复合材料的概念复合材料：compositematerials;composites广义上讲：由两种或两种以上的物质组成的材料。狭义上讲：由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合而成的新型材料。三个要点：（1）材料组元——两种或以上不同组元（2）制备工艺——人工复合（3）新型材料——具有原组元所不具备的新性能1、定义复合材料的结构通常是一个相为连续相，成为基体；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为增强体。多数情况下，增强体较基体硬，刚度和强度较基体大。增强相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。2、复合材料的结构因此，复合材料是由两种以上组分以及它们之间的界面构成。组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相和基体相。增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的“相”，即界面相。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。其中一个组分是纤维（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（reinforcingphaseorreinforcement）。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（matrixphase）。复合材料的各种形态示意于下图中：复合材料及其增强相的各种形态纤维状颗粒状层状片状填充状复合材料在制造前，基体材料的形状可以是薄片、粉末、块体或无定形的流体，它的状态可以是固态、气态、熔融态或半固—半液态。基体材料在与增强相固结后，基体相在复合材料中就成为包裹增强相的连续体。因此，基体相也叫做连续相。基体相具有支撑和保护增强相的作用，在复合材料承受外加载荷时，基体相主要以剪切变形的方式起着向增强相分配和传递载荷的作用。在复合材料中，增强相和基体相之间还存在着明显的结合面。位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域，称为复合材料的界面（interface）。复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下，但界面层的总面积在复合材料中很大，且复合材料的界面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很大影响。所以，人们以极大的注意力开展对复合材料界面的研究--------表面和界面工程（surfaceandinterfaceengineering）。复合材料的性能取决于组分材料的种类、性能、含量和分布。主要包括：增强体的性能和它的表面物理、化学状态；基体的结构和性能；增强体的配置、分布和体积含量。3、复合材料具有可设计性组分设计：材料A材料B优点缺点缺点优点组合I组合II组合III组合IV最佳组合最差组合复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、零件几何形状和使用环境条件。复合材料既能保留原组分材料的主要特色，并通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可以通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的性能。复合材料设计：选择复合材料的组分、增强体分布和复合材料制造工艺、使其具有使用所要求的性能过程。复合材料设计可分为三个层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计。单层材料设计包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能；铺层设计包括对铺层材料的铺层方案做出合理性的安排，该层次决定层合板的性能；结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。因此，复合材料及其结构的设计打破了材料研究和结构研究的传统界限。设计人员必须把材料性能和结构性能统一考虑，换言之，材料设计和结构设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方案中。与单质材料相比，现代复合材料具有以下一些特点：复合材料是一种多相材料，其中的组分的类型和相对含量是人们有意识选择与设计的；复合材料本身是人工制造的，而不是天然的（区别天然材料）；复合材料中至少有一固相为连续体，称为基体，其它固相可为分散相或连续相，称为增强相（或增强体、增强材料），可为一维、二维、三维或多维状态；复合材料具有各单个组分所没有的综合的优良性能。4、复合材料的特点影响复合材料性能的因素：主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值，而只能给出其主要性能。（１）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，而且通过各组分的相互补充和关联可以获得原组分所没有的新的优越性能；一般材料的简单混合与复合材料的两点本质区别：（２）复合材料的可设计性如结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要的是还可进行复合结构设计，即增强体的比例、分布、排列和取向等的设计。对于结构复合材料来说，是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体又起传递力作用的基体组元构成。由不同的增强体和不同的基体即可组成名目繁多的结构复合材料。二、复合材料的分类三、复合材料特性复合材料与基体材料相比，具有以下优异的性能：轻质高强、比强度和比模量高良好的抗疲劳性能高韧性和抗热冲击性减振性能好耐热性好特殊的光、电、磁性能良好的耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热性……复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。1、轻质高强、比强度和比模量高三、复合材料的特性复合材料的突出优点是比强度和比模量（即强度与密度、模量与密度之比）高。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的刚性愈大。表1各种单向连续纤维（60vol％）增强聚合物基复合材料的性能（Gf、Cf、Kevlarf、Bf、Al2O3f、SiCf）材料GFRPCFRPKFRPBFRPAFRPSFRP钢铝钛密度g/cm32.01.61.42.12.42.07.82.84.5拉伸强度GPa1.21.81.51.61.71.51.40.481.0比强度106cm6.011.211.57.57.16.51.81.72.1拉伸模量GPa421308022012013021077110比模量108cm2.18.15.710.45.45.62.72.72.5热导率KJ/mhK2118010238.4272669222CTE10－6/K8.00.21.84.04.02.612239.02、良好的抗疲劳性能疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。3、高韧性和抗热冲击性高韧性和抗热冲击性在PMC和CMC中尤为重要。Si3N4Cf/Si3N4SiCw/Si3N4层状Si3N4/BN0510152025断裂韧性KIC/MPa·m1/24、减振性能好在实际使用过程中，振动问题十分突出。复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。5、耐热性好复合材料在高温下强度和模量基本不变。选择适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料，能有效地保护火箭、导弹和宇宙飞行器在2000℃以上承受高温、高速气流的冲刷作用。金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300℃左右。6、特殊的光、电、磁性能复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如，玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能，并且在高频下仍能保持良好的介电性能，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料。玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性能，被广泛地用于制造机载、舰载和地面雷达罩。复合材料通过原材料的选择和适当的成型工艺可以制得导电复合材料。这是一种功能复合材料，在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景。7、良好的耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热性Ti3SiC2/M复合材料在高速列车受电弓滑板上的应用Al/Ti3SiC2和Cu/carbon的磨损1020304050607002468Cu/CarbonSlidingagainstcopperdiskunder0.8MPaAl/Ti3SiC2Weightlessofblocks(mg)Slidingspeed(m/s)网线材料（铜导线）的磨损四、典型的复合材料及其应用聚合物基复合材料(PMC)•玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP)•碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）金属基复合材料(MMC)陶瓷基复合材料（CMC）碳/碳复合材料（C/C）GFRP的突出特点是密度低、比强度高。其密度为1.6～2.0g/cm3，比轻金属铝还低；而比强度要比最高强度的合金钢还高3倍，“玻璃钢”的名称就是由此而来。此外，玻璃钢还具有良好的耐腐蚀性能，在酸、碱、海水，甚至有机溶剂等介质中都很稳定，耐腐蚀性超过了不锈钢。玻璃钢（GFRP）：应用领域：航空航天工业在现代汽车工业中在石油化工工业中在体育用品方面……大口径玻璃钢输水管道玻璃钢输油、气管道玻璃钢石化管道玻璃钢化工管道玻璃钢天线反射面玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢玻璃钢容器（200m3水箱）玻璃钢捕鱼船体玻璃钢雷达罩各种玻璃钢型材制品风力发电机玻璃钢叶片耐烧蚀玻璃纤维复合材料喷管玻璃钢应用于体育用品碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)CFRP密度更低，具有比玻璃钢更高的比强度和比模量，比强度是高强度钢和钛合金的5～6倍，是玻璃钢的2倍，比模量是这些材料的3～4倍。应用领域：空间和宇航中的应用航空工业（飞机）应用在军事领域的应用在建筑工业的应用在汽车工业中的应用……CFRP在民用飞机中的应用CFRP在航天飞机中的应用复合材料在直升飞机部件中的应用复合材料垂直尾翼（图中黑色部分）复合材料雷达罩（图中黑色部分）CFRP在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架中的应用碳纤维增强复合材料垂直尾翼复合材料金属蜂窝夹层结构飞机构件复合材料飞机部件的制作碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固金属基复合材料（MetalMatrixComposites）金属基复合材料主要应用在以下领域：空间和宇航中的应用在军事领域应用航空工业（飞机）应用在核反应工程中应用在汽车工业中的应用金属基复合材料主要由金属基体（Al、Ti、Mg、Superalloy等合金）与增强纤维（如Cf、SiCf、Al2O3f等)、颗粒（如SiCp、Al2O3p、B4Cp等)以及晶须（如SiCw）等复合制备而成。复合材料纤维含量vol％抗拉强度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3Bf/Al501200～1500200～2202.6CVDSiCf/Al501300～1500210～2302.85～3.0NicalonSiCf/Al35～40700～90095～1102.6Cf/Al35500～800100～1502.4Al2O3f/Al506502203.3Al2O3f/Al509001302.9SiCw/Al18～20500～62096～1382.8SiCp/Al20400～510～1002.8CVDSiCf/Ti351500～1750210～2303.9Bf/Ti451300～15002203.7典型的铝基和钛基复合材料及其性能哈勃望远镜结构在空间中的哈勃望远镜Bf/Al复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱Al基MMC在飞机尾翼和发动机叶片上的应用NeutronAbsorber在核反应工程中应用作为中子吸收材料BoralTMBoratedAluminum