,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第九章 复合材料,第九章 复合材料,1,第九章 复合材料,本章的主要内容,9.1 复合材料及其类型,9.2 复合材料的增强机制和复合原则,9.3 复合材料的性能特点,9.4 常用复合材料,第九章 复合材料 本章的主要内容,2,第九章 复合材料,9.1 复合材料及其类型,1.含义：,由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经,人工组合而得到的多项固体材料。,优点：,燕窝/钢筋混凝土/竹子,改善或克服组成材料的弱点，充分发挥其优点；,可按照构件的结构和受力要求，给出约定的、分配合理的,配套性能，进行材料的最佳设计；,可创造单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里,发挥不同功能的作用。,第九章 复合材料 9.,3,2.分类,复合材料是多相结构，可分为两类，一类相为,基体,，起连接作用；另一类为,增强相,，起提高强度（或韧性）作用。,常见的分类有三种,按基体类型分：,树脂类/金属类,按性能分：,结构复合材料/功能复合材料,按增强相的性质和形态分：,纤维增强复合材料,颗粒增强复合材料,层叠增强复合材料,第九章 复合材料,9.1 复合材料及其类型,2.分类 第九章,4,第九章 复合材料,9.1 复合材料及其类型,（a）层叠复合材料 （b）纤维复合材料 （c）颗粒复合材料,复合材料结构示意图,2.分类,第九章 复合材料,5,3.复合材料的制备方法,（1）叠层（层合）法,利用胶黏剂的,胶接,层合、,热压,或,挤出,层合以及利用各种方法形成表面层。,（2）混合法,在基体材料中加入,填料,，经机械混合形成溶液、乳液状态，料浆和混合料，甚至微观结合，然后固化、分层、烧结而制成均匀的复合材料。,（3）浸渍法,多孔连续基体相,材料在,增强液体,中,浸渍,获得。,第九章 复合材料,9.1 复合材料及其类型,3.复合材料的制备方法,6,4.复合材料的应用,第九章 复合材料,9.1 复合材料及其类型,复合材料在B777上的应用,4.复合材料的应用 第九章,7,第九章 复合材料,9.1 复合材料及其类型,复合材料在A380上的应用,第九章 复合材料 9.1 复合材料及其类,8,ARJ21的复合材料应用和研究计划,第九章 复合材料,9.1 复合材料概述,4.复合材料的应用,ARJ21的复合材料应用和研究计划,9,增强复合材料,的形态主要有,纤维态,和,粒子态,两种。,1、纤维增强复合材料的增强机制与复合原则,纤维增强复合材料是由高强度、高弹性模量的连续（长）纤维或不连续（短）纤维与基体(树脂或金属、陶瓷等)复合而成。,（1）增强纤维的,强度、弹性模量应远远高于基体,，以保证复合材,料受力时主要由纤维承受外加载荷。,（2）纤维和基体之间应有一定,结合强度,，这样才能保证基体所承,受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂。,（3）纤维的,排列方向,要和构件的,受力方向,一致，才能发挥增强作,用。,第九章 复合材料,9.2 复合材料的增强机制和复合原则,增强复合材料的形态主要有纤维态和粒子态两种。,10,1、纤维增强复合材料的增强机制与复合原则,（4）纤维和基体之间不能发生使结合强度降低的,化学反应,。,（5）纤维和基体的,热膨胀系数,应匹配，不能相差过大，否,则在热胀冷缩过程中会引起纤维和基体结合强度降低。,（6）纤维所占的,体积分数,、纤维,长度L,和,直径d,及,长径比L/d,等必须满足一定要求。,第九章 复合材料,9.2 复合材料的增强机制和复合原则,1、纤维增强复合材料的增强机制与复合原则,11,2、粒子增强型复合材料的增强机制与复合原则,增强原理：,在外力的作用下，复合材料的,基体,将主要,承受载荷,，而弥散均匀分布的,增强粒子,将阻碍导致基体塑性变形的,位错运动,，使,变形抗力,增加，,强度,提高。,原则：,（1）粒子与基体应有一定的,结合强度,。,（2）粒子增强的效果与粒子相的,体积含量、分布和粒子直径,有,关。,第九章 复合材料,9.2 复合材料的增强机制和复合原则,2、粒子增强型复合材料的增强机制与复合原则,12,1、比强度和比模量高,可减轻重量，使构件做的更小，可取代部分,Al,合金构件。,2、良好的抗疲劳性能和破断安全性,对缺口和应力集中敏感性小，就是有裂纹，其扩展方向因纤维/基体界面会变钝，或改变方向。,3、减震性能好,4、优良的高温性能,第九章 复合材料,9.3 复合材料的性能特点,1、比强度和比模量高 第九,13,第九章 复合材料,9.3 复合材料的性能特点,复合材料中疲劳裂纹扩展示意图,三种材料的疲劳强度,第九章 复合材料 9.3,14,1.树脂基复合材料的基本类型,（1）热固性树脂,特点：,硬度、刚度大，受热不软化，其用量比热塑性树脂大。,常用的几种热固性树脂为：环氧、酚醛、聚酯、硅树脂,和聚酰亚胺,（2）热塑性树脂,特点：,受热到,玻璃转化温度,时，会明显产生,软化,，而冷却后又,能恢复其强度。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,1.树脂基复合材料的基本类型,15,第九章复合材料ppt课件,16,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,（1）,玻璃纤维,及其增强的复合材料,玻璃脆性很大,可将熔融液态玻璃以极快的速度控制拉成纤维后，就具有一定的柔软性，可纺制成,纱和玻璃布,。,玻璃纤维的分类,可根据纤维中K、Na的氧化物含量分为：,有碱(10%)玻璃纤维,低碱(26%)玻璃纤维:强度高，耐水性好，电绝缘性好,无碱(1%)玻璃纤维,特种玻璃纤维,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,17,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,（1）玻璃纤维及其增强的复合材料,玻璃纤维的性能特点,抗拉强度很高。纤维越细，强度越高，纤维直径一般在,10,m,以下，单丝抗拉强度为13 10,3,MPa，但弹性模量不高，仅为510,4,MPa。,耐热性低：250以上开始软化,化学稳定性高，除HF和浓碱外，在其它化学介质中都有较好的稳定性。,脆性较大：延伸率具有3%左右。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,18,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,（1）玻璃纤维及其增强的复合材料,分类及性能,热固性玻璃钢：(60,70%)纤维,+,(,30,40%)热固性树脂，用手敷法，,模压结合或注射成型。,热塑性玻璃钢：适量玻璃纤维,+,热塑性树脂复合材料，此类玻璃钢,机械强度不如热固性玻璃钢高。,用途,航空领域：可作,飞机螺旋桨、副油箱、雷达罩,等；,交通运输方面：可作,车顶、车身、发动机罩和船舶零件,；,化工方面：可作,管道、阀门、贮罐,等。,优点：,比重小强度高，耐腐蚀，绝电抗磁，隔音能力较好。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,19,2.,增强纤维及纤维树脂基复合材料,（2）,碳纤维及其增强的复合材料,碳纤维,生产碳纤维的原料有各种,人造纤维,和,天然有机纤维,，如,聚丙烯腈、沥青纤维,等。,1),聚丙烯腈,制造,碳纤维,的过程如下：,聚丙烯腈纤维,预氧化纤维,碳纤维(高强度),石墨纤维(高模量),预氧化,碳化,石墨化,250,2小时,10002000,1小时,25003000,1小时,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料预氧化碳化石墨化250,20,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,（2）,碳纤维及其增强的复合材料,预氧化目的,：提高热稳定性，保证碳化时得到碳纤维。,碳化,：在氮气或真空中高温加热，使纤维中的氢、氮、氧等元素逸出，形成碳纤维(此时含7595%)。这种碳纤维叫高强度碳纤维(也称,型碳纤维,)，即此时纤维强度最高；,石墨化：,是在氩保护下在更高温度下加热，进一步提高碳含量(,98%,以上)，并使碳转变成石墨晶体。,具有石墨晶体结构的纤维叫石墨纤维，又称,型碳纤维,。它的性能特点是强度低于,型碳纤维,，但弹性模量比型高，故称,高模量碳纤维,。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,21,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,（2）碳纤维及其增强的复合材料,碳纤维的性能特点：,1)比重小、弹性模量高。,2)高低温性能好。,3)具有高的化学腐蚀稳定性，导电性和低的摩擦系,数等优点。,用途,：,机身局部构件、机舱地板、发动机的压气机叶片；垂直尾翼、水平尾翼等,。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,2.增强纤维及纤维树脂基复合材料,22,3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料,（1）硼纤维,B,的熔点为,2050,，硬而脆，不能用常规方法制造纤维，通常用化学气相沉积法来制取，方法如下：,0.013mm钨丝,表面纯净的W丝,H,2,气中去除污染与氧化物,1204,1093,2BCl,3,3H,2,2BHCl,在含有BCl,3,和H,2,的气氛中，进行化学气相沉积,W,B,B向W丝心部扩散后就形成了硼纤维,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料H2气中去除污染与氧化物1,23,3.,硼纤维及其增强的树脂基复合材料,（2）,硼纤维环氧树脂复合材料,特性：,硼纤维环氧复合材料,的拉伸、压缩、剪切强度比,Ti合金、Al,合金都高，但其各向异性十分明显。,可做成长度为3076m，宽度为76.2mm的带材，在其宽度上分布着600根硼纤维占体积的4354%。,应用：,主要用于高性能飞机垂尾，机翼部件和起落架门,。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,3.硼纤维及其增强的树脂基复合材料,24,4,晶须及其增强的树脂基复合材料,（1）晶须,用不同处理方法，可使金属、金属的氧化物、金属的氮化物、非金属的碳化物、氮化物自由长大成纤维状的,单晶体,，即晶须。,直径,：约为,0.1325m,长度,：约为,几毫米,特性：,不存在晶体缺陷，强度很高，弹性模量也很高，高温机械性能比任何纤维都高。,（2）晶须树脂复合材料,晶须价格昂贵，在树脂基复合材料中用的不多，即使使用晶须，一般只为百分之几。常用于局部增强。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,4晶须及其增强的树脂基复合材料,25,5.金属基复合材料,优点：,其横向机械性能和层间剪切强度高，工作温度高，,尺寸稳定，不老化，不吸湿不放气。,缺点：,工艺复杂，难度大，成本很高。,研究和应用水平不如树脂基复合材料。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料 第九章,26,5.金属基复合材料,（1）硼纤维增强的金属基复合材料,1）硼纤维增强铝合金,性能特点：,疲劳性能高；,抗压强度和抗剪强度，比硼-环氧树脂基复合材料高；,拉伸模量高于硼-环氧、7075铝合金、Ti6A14V钛合金；,高温性能也优于硼-环氧和7075铝合金。,B纤维的表面，一般涂SiC涂层来提高化学稳定性，防止AlB,2,和B,2,O,3,的形成。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料 第九章,27,5.金属基复合材料,（1）B纤维增强的金属基复合材料,1）B纤维增强Al合金,基体,基体可以是纯Al，变形Al合金(采用热压扩散结合)，铸造Al合金(采用铸造法)。,显微组织,由厚度为0.0760.13mm的,多层铝箔,+,直径为0.1mm的,多根,硼,纤维,在524、700MPa压力下，保持1.5小时制成。,应用,因强度高、耐蚀性好，一般用于发动机风扇叶片、飞机蒙皮等。,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料 第九章,28,硼/铝复合材料的典型制造工艺流程,第九章 复合材料,9.4 常用复合材料,5.金属基复合材料,（1）B纤维增强的金属基复合材料,1）B纤维增强Al合金,硼/铝复合材料的典型制造工艺流程,29,5.金属基复合材料,（1）B纤维增强的金属基复合材料,2）硼纤维增强钛合金,Ti与B之间,相容性差,，易形成,TiB,2,，进而产生,裂纹,。,在B纤维表面涂,SiC,后，基本上可以,解