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复合材料（金属基复合材料）张文兴：[e-mail]参考资料：1、复合材料及其应用—--尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社,2003）2、复合材料概论------王荣国武卫莉（哈尔滨工业大学出版社,1999）3、金属基复合材料及其制备技术--------于化顺（化学工业出版社,2000）4、金属基复合材料-------张国定(上海交通大学出版社,1996)5、高性能复合材料学------郝元恺,肖加余(化学工业出版社,2004)6、复合材料大全------沃丁柱(化学工业出版社,2001)主要内容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金属基复合材料第六章陶瓷基复合材料一总论•前10万年石器时代•前3000年青铜器时代•前1000年铁器时代•1800年钢时代•1950年硅时代•1990年新材料时代1.1复合材料的发展概况（复合材料）交通运输工具：独轮车与手推车鲁班时代交通运输工具：自行车交通运输工具：汽车交通运输工具：民用与军用飞机交通运输工具：航天器1.1.1复合材料的历史及现状自然界中的复合材料：骨骼和牙齿自然界中的复合材料：蜂窝和树木复合材料的历史1：草增强泥复合材料的历史1：草增强泥复合材料的历史1：漆器麻布增强固化生漆千层底鞋底复合材料的历史2：层合板复合材料的历史2：钢筋混凝土复合材料的历史2：纤维增强橡胶现代复合材料：第一代玻璃纤维增强塑料（GRP/GFRP）40～60年代（二战期间）现代复合材料：第二代：高性能（碳）纤维增强塑料（CRP/CFRP）60～80年代，Bf、SiCf、芳纶纤维第三代：金属基复合材料(MMC)陶瓷基复合材料(CMC)坦克履带F18战斗机液压传动缸F16战斗机腹部稳定翅和上机身盖板波音777喷气发动机出气导流叶片铝蜂窝板波音787机体结构材料质量分数穿甲弹弹托体分离高速摄影照片(1)层状功能材料20年代贵金属包覆电接点材料、铝包钢(2)硬质合金1923年WC-6%Co(3)氧化物弥散强化合金1946年烧结铝粉（Al2O3/Al）d＜0.1微米(4)纤维增强金属60年代W/Cu,SiCf/Al,Bf/Al。典型实例：1978Bf/Al哥伦比亚航天飞机桁架；1982年丰田Al2O3*SiO2/Al活塞(5)颗粒增强金属SiC,Al2O3,TiCTiB2,B4C/Al,Mg,Cu,Ti(6)原位金属基复合材料非连续，连续增强体（定向凝固共晶合金）1.1.2金属基复合材料的发展史注意复合材料与传统金属的区别典型共析钢组织定向凝固共析钢组织1.2复合材料概念、分类及命名1.2.1复合材料的概念复合材料的ISO定义：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。复合材料的特点：1.具有优良的综合性能2.良好的可设计性3.人工制备注：相是体系中具有相同物理、化学性质，且与其他部分以界面分开的均匀部分图典型复合材料与其基体金属的性能比较通过类似或不同于传统工艺的方法制备出的具有特殊结构和性能的材料复合材料的基本结构（组成部分）：复合材料由基体、增强体和界面三部分组成1）基体：将增强体联接成整体的部分，并起到传递外界作用力和保护增强体的作用，一般是构成复合材料的连续相。2）增强体（增强相、增强剂）：提高基体某种性能的部分，一般以独立的形态分散分布在整个基体中，或称分散相。其形状可以是纤维状(fiber,wisker)、颗粒(particle)3）界面：增强体与基体之间的过渡部分。1.2.2复合材料的分类按功能分：结构复合材料和功能复合材料构复合材料：以承受外力为主要目的，强调力学性能。功能复合材料：强调力学性能以外的性能，如热（电子封装材料）、电、磁、光学等性能，以及耐磨材料按基体分：聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料橡胶基复合材料碳化硅基复合材料氧化铝基复合材料按增强体种类分：玻璃纤维Gf，碳化硅颗粒SiCp按增强体形状分：层状增强复合材料片状增强复合材料颗粒增强复合材料纤维增强复合材料按增强体引入方式分原位复合材料（in-situ）非原位复合材料人工晶片天然片状物不连续纤维连续纤维晶须短（切）纤维单向纤维二维织物三维织物f:fibre;p:particulate;w:whisker复合材料典型结构1.2.3复合材料的命名强调基体以基体材料的名称为主，如聚合物基复合材料PMC,MMC,CMC强调增强体以增强体材料的名称为主，如玻璃纤维增强复合材料（Gf），Cf,Bf,芳纶纤维，SiCf，SiCp，SiCw并重具体的复合材料表示，如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料（Gf/Epoxy，G/Ep，G-Ep），碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al），Cf/Mg1.3.1聚合物基复合材料(PMC)的性能特点优点：1）比强度和比模量高强度、模量/密度，见下表2）耐疲劳性能好金属疲劳一般是没有明显预兆的突发性破坏，PMC破坏前有明显的预兆；疲劳强度前者只有其抗拉强度的20～50%，后者高达70～80%1.3复合材料的性能特点15001000500103104105106107循环次数图三种材料的疲劳强度碳纤维复合材料玻璃钢铝合金表各种材料的比强度和比模量（Vf=60%）3）减震性好基体模量小易变形吸能效果好，界面具有吸震能力，总之PMC具有很高的振动阻尼。如轻合金梁9s停止振动，而同样大小的振动碳纤维复合材料梁2.5s停止。4）过载安全性好过载时少数纤维断裂，载荷迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构建短时间不失去承载能力。5）具有多重功能性电绝缘性能、耐腐蚀性、摩擦性能（摩阻和减磨）、特殊的光热磁等性能6）加工工艺性好PMC可手糊、模压、缠绕、注射、拉挤成型等多种方法制成各种产品形状缺点：耐高温、耐老化性能差，冲击性能差1.3.2金属基复合材料(MMC)的性能特点优点：1）高比强度、高比模量尤其对CRMMC而言。Cf：ρ=1.85g/cm3σmax=7GPa，Gmax=900GPa2）导热、导电性能图典型复合材料与其基体金属的性能比较3）热膨胀系数小，尺寸稳定性高表部分材料的热物理性能指标4）良好的高温性能与PMC相比，尤其是CRMMC，如Cf/Al，500℃时高温强度为600MPa，铝合金在300℃时已降低到100MPa5）耐磨性好6）良好的疲劳性能和断裂韧性7）不吸潮、不老化、气密性好在空间设备中不会分解出低分子物质污染仪器和环境以上优点使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车、先进武器系统中均具有广泛的应用前景，对装备性能的提高发挥巨大作用。1.3.3陶瓷基复合材料(CMC)的性能特点优点：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性能好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小。如欧洲开发Cf/SiC和SiCf/SiC在1700和1200℃下保持20℃下的抗拉性能，并有较好的抗压性能和断裂延伸率。缺点：脆性大，可加工性差，成本高（还需新型耐高温纤维）1.4.1混合定则（也称混合法则，不考虑界面效应时）一般多相材料的性能可用混合定律来预测。假设P为复合材料的性能，x1,x2…表示组成相的性能则P=f(x1,x2,…)用v1,v2,…表示组成相的体积分数，则有以下线性关系P=x1v1+x2v2+….对复合材料而言，则可表示为Xc=Xmvm+Xrvr或Xc=Xrvr+Xm（1-vr）式中：X：材料的性能，如σ、E、ρ、α等；下标c、m、r分别代表复合材料、基体和增强体。1.4混合定则与组成体选择原则图SiC/Al的热膨胀系数实测值与不同模型的比较实例与随堂作业•ZL101：Al7Si，2.68(Al:2.7；Si:2.33；Cu:8.96)•ZL201：Al5Cu，2.78(2.67(3.7‰),2.80(7.2‰))随堂作业：计算Al40SiC、Al70SiC的ρ、α和λ密度g/cm3导热系数W/m•K热膨胀系数×106Al2.723823.6SiC3.2703.8Al2O33.9206.5使用混合定律时，复合材料满足以下条件:（1）复合材料内部是均匀的，且不存在内应力；（2）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料；（3）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。混合定律表达了复合材料的性能与基体和增强材料的性能及分量的关系。但实际上复合材料的性能除这两个因素外，还受许多其它因素的影响如基体的微观结构、增强材料的颗粒大小、纤维长短、分布情况以及取向、界面的结构性能及粘结情况等。因此在用混合定律计算复合材料的性能时，也应考虑这些因素对性能的影响。1.4.2复合材料选择原则根据工况条件，选择基体、增强体种类工作温度：PMC，60～250℃；MMC，400～600℃；CMC，1000～1500℃，碳碳复合材料，更高载荷特点：是否承受冲击载荷导电、导热环境：辐射、腐蚀等根据可加工性、经济成本等因素制备、二次加工性，设备、成本、生产效率等复习题1.简述复合材料的定义、组成及特点2.简述复合材料/金属基复合材料的发展史3.聚合物基复合材料的主要性能特点4.金属基复合材料的主要性能特点5.复合材料的选择原则