复合材料-清华大学-工程材料

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1、“十五”国家级规划教材《工程材料》第3版配套课件第6章第6章复合材料内容提要：介绍纤维复合材料和颗粒复合材料的复合机制与原则。介绍常用金属基和非金属基复合材料的组成、性能及应用。学习目标：了解复合材料复合机制和复合原则。熟悉常用复合材料的性能，了解其应用。●概述复合材料两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经一定方法得到的一种新的多相固体材料。复合材料可以由金属材料、高分子材料和陶瓷材料中任两种或几种制备而成。复合材料的性能比组成材料的性能优越得多，改善或克服了组成材料的弱点，能够按零件的结构和受力情况进行最佳设计。创造单一材料不具备的双

2、重或多重功能。复合材料有着极其广泛的应用。复合材料应用举例：●汽车挡泥板单独使用玻璃太脆，单独使用聚合物材料则强度低而且刚度满足不了要求。复合成玻璃纤维增强树脂得到了高强度、高韧性的新材料，而且质量小。●自动控温开关由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合成双金属片。温度变化时双金属片弯曲，接通或断开电触点。复合材料的分类6.1复合材料的复合原则6.1.1纤维增强复合材料复合原则老师提示：重点内容一、纤维增强复合材料的强化机制纤维增强相是具有强结合键材料或硬质材料（陶瓷、玻璃等），内部含微裂纹，易断裂，因而脆性大；将其制成细纤维可降低裂纹长度和

3、出现裂纹的几率，使脆性降低，极大地发挥增强相的强度。●高分子基复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子链的运动；●金属基复合材料中纤维增强相有效阻止位错运动而强化基体。钨纤维铜基复合材料中的裂纹在铜中扩展受阻碳纤维环氧树脂复合材料断裂时纤维断口电子扫描照片二、纤维增强复合材料的复合原则（1）纤维增强相是主要承载体，应有高的强度和弹性模量，且高于基体材料；（2）基体相起粘接剂作用，应对纤维相有润湿性，基体相应有一定塑性和韧性；（3）纤维增强相和基体相两者之间结合强度应适当。结合力过小，受载时容易沿纤维和基体间产生裂纹；结合力过高，会使复合材料失去

4、韧性而发生危险的脆性断裂；（1）基体与增强相热膨胀系数不能相差过大；（2）纤维相必须有合理的含量、尺寸和分布；（3）两者间不能发生有害的化学反应。6.1.2颗粒复合材料的复合原则一、颗粒复合材料的强化机制颗粒复合材料，基体承受载荷时，颗粒的作用是阻碍分子链或位错的运动。增强的效果与颗粒的体积含量、分布、尺寸等密切相关。二、颗粒复合材料的复合原则（1）颗粒均匀弥散分布在基体中，阻碍分子链或位错的运动。（2）颗粒大小应适当：颗粒过大本身易断裂，同时会引起应力集中，材料强度降低；颗粒过小，位错容易绕过,起不到强化的作用。通常，颗粒直径为几微米到几

5、十微米。（3）颗粒的体积分数应在20％以上，否则达不到最佳强化效果。（4）颗粒与基体之间应有一定的结合强度。6.2复合材料的性能特点6.2.1复合材料的力学性能一、比强度和比模量比强度材料的强度与其密度之比。比模量材料的模量与其密度之比。材料的比强度或比模量越高，构件的自重就越小，或者体积会越小。通常，复合材料的复合结果是密度大大减小，高的比强度和比模量是复合材料的突出性能特点。二、抗疲劳性能和抗断裂性能1.很好的抗疲劳性能●复合材料中纤维的缺陷少，抗疲劳能力高；●基体的塑性和韧性好，能够消除或减少应力集中，不易产生微裂纹；●塑性变形使微裂

6、纹产生钝化而减缓其扩展。例如：碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸强度的70%～80%，一般金属材料却仅为30%～50%。2.抗断裂能力好基体中有大量细小纤维，较大载荷下部分纤维断裂时载荷由韧性好的基体重新分配到未断裂纤维上，构件不会瞬间断裂。复合材料疲劳曲线6.2.3复合材料的其它性能一、高温性能优越的耐高温性能，高温下保持很高的强度。●聚合物基复合材料使用温度100℃～350℃；●金属基复合材料使用温度350℃～1100℃；●SiC纤维、Al2O3纤维陶瓷复合材料在1200℃～1400℃范围内保持很高的强度。●碳纤维复合材料在非氧化气氛下在2

7、400℃～2800℃长期使用。二、减摩、耐磨、减振性能●良好的减摩、耐磨性摩擦系数比高分子材料低；少量短切纤维大大提高耐磨性。●较强的减振能力比弹性模量高，自振频率也高，其构件不易共振；纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，振动会很快衰减。三、其它特殊性能●高韧性和抗热冲击性能（金属基复合材料）。●优良电绝缘性，不受电磁作用，不反射无线电波（玻璃纤维增强塑料）。●耐辐射性、蠕变性能高以及特殊的光、电、磁等性能。6.3非金属基复合材料6.3.1聚合物基复合材料☆老师提示：重点内容一、聚合物基复合材料的发展20世纪40年代出现玻璃纤维增强工程塑料

8、（玻璃钢），制造机器零件；20世纪60年代硼纤维和碳纤维增强塑料改善了玻璃纤维模量低的缺点，大量应用航空航天等领域；70年代初期的聚芳酰胺纤维增强聚合物基复合材料加快了复合材料发