材料工程基礎(chǔ)第十三章第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五《材料工程基礎(chǔ)》

第三篇高分子材料與復(fù)合材料的制備和加工工藝李巖北航材料學(xué)院，2005年12月第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第十三章復(fù)合材料

（COMPOSITE）13.1概念13.2彌散增強復(fù)合材料13.3顆粒增強復(fù)合材料13.4/5纖維增強復(fù)合材料及成形工藝13.6夾層結(jié)構(gòu)13.7功能復(fù)合材料第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五13.1復(fù)合材料的概念

國際標(biāo)準化組織：“由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體。”天然復(fù)合材料：木材＝纖維素（柔）＋木質(zhì)素（剛）骨骼＝膠原蛋白（柔）＋磷灰石（剛）早期人造復(fù)合材料：泥土＋草（建材）第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五近代“復(fù)合材料”是指人造材料！復(fù)合材料＝基體組元＋增強體/功能組元例如：混凝土＝水泥＋砂石性能取決于：兩相的性能、比例、界面及增強體的幾何特征等。按用途分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，功能復(fù)合材料第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按不同增強相分類第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五結(jié)構(gòu)復(fù)合材料按不同基體分類第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五功能復(fù)合材料

除力學(xué)性能以外，還提供其他物理性能并包括部分化學(xué)和生物性能的復(fù)合材料。可實現(xiàn)的功能特性：導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、放熱。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五13.2彌散增強復(fù)合材料

(Dispersionstrengthenedcomposite)金屬或合金中加入一定量的惰性硬質(zhì)粉末，并使之均勻分散，從而提高金屬或合金的強度。

機理：

基體：承受載荷；分散相：阻止位錯運動。與“沉淀硬化”比較：在復(fù)合材料中彌散分布的顆粒不是由相變產(chǎn)生的，而且，兩相之間有明晰的無取向關(guān)系的界面分開.第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

Al2O3particle/Al制備：1）噴霧法制成Al粉表面有一層氧化膜。2）粉末冶金法壓成型。Al2O3就彌散分布在Al的基體中。Al2O3比Al的熔點高得多，基本不溶入Al內(nèi)，彌散分布，可以起到阻礙位錯滑移的作用，使鋁合金強化。特點：熔點高達2040℃，這種復(fù)合材料在較高溫下也能保持足夠的強度。第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五幾種彌散增強復(fù)合材料的典型例子體系用途Al2O3/Al

核反應(yīng)堆

PbO/Pb蓄電池鉛板Cd/Ag電接觸材料ThO2/W燈絲、發(fā)熱體第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五13.2顆粒增強復(fù)合材料

(Particlestrengthenedcomposite)金屬、陶瓷、聚合物中加入增強相顆粒。

機理：

基體：承受載荷；分散相：承擔(dān)部分應(yīng)力，限制基體運動。與“彌散增強復(fù)合材料比較”：強化機制。第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五顆粒增強復(fù)合材料彈性模量的混合法則

（Ruleofmixture）上限：Ec=Emφm+Epφp下限：E和φ分別表示彈性模量和體積分數(shù)；下標(biāo)c，m和p分別表示復(fù)合材料、基體和增強顆粒。第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五幾種顆粒增強復(fù)合材料1、金屬陶瓷（硬質(zhì)合金）

WC－Co硬質(zhì)合金的金相組織。灰黑色顆粒為WC，白色部分為Co。硬質(zhì)合金中WC的含量在75％到90%之間。制備：粉末冶金第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2、混凝土混凝土＝水泥＋水＋砂＋石石子和砂是填充料，用以降低混凝土的成本，它們靠水泥粘結(jié)在一起。石子和砂的體積是總體積的60－75％

混凝土示意圖第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3、炭黑增強橡膠橡膠＋炭黑/SiO2顆粒降低成本，提高強度、韌性、抗撕裂性和耐磨性。汽車輪胎一般含有15％～30％的炭黑第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五13.4/5纖維增強復(fù)合材料及成形工藝1、纖維增強復(fù)合材料纖維：連續(xù)（長）纖維、短纖維和晶須

纖維：玻璃、碳、硼、碳化硅、尼龍、芳綸（Kevlar）

晶須：石墨、碳化硅、氮化硅和氧化鋁基體：聚合物、陶瓷、金屬第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2、纖維的增強效果1）單向增強——各向異性2）無序增強——各向同性第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五單向增強的混合法則連續(xù)纖維增強復(fù)合材料受到軸向作用力時，纖維相與基體相所受載荷之比為：F代表載荷，E和φ分別表示彈性模量和體積分數(shù)；下標(biāo)m和f分別表示基體和纖維第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五幾種纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能對比材料種類縱向抗拉強度/MPa縱向彈性模量/GPa環(huán)氧樹脂696.9E級玻璃纖維/環(huán)氧樹脂102045碳纖維（高彈性）/環(huán)氧樹脂1240

145芳綸纖維（Kevlar49）/環(huán)氧樹脂138076硼纖維（70Vf%）/環(huán)氧樹脂1400-2100210-280第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五纖維在基體中的幾種分布方式第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3、幾種典型的纖維增強復(fù)合材料1）碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料碳纖維的制備：原絲——聚丙烯腈、瀝青工藝步驟：（1）穩(wěn)定化；（2）碳化（3）石墨化第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五碳纖維纖維織物復(fù)合塑料片第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五碳纖維產(chǎn)品第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五先進復(fù)合材料的應(yīng)用SLR-Mclarren超級跑車，最高時速334公里/小時。車身由碳纖維復(fù)合材料制成。第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2）玻璃纖維/不飽和樹脂復(fù)合材料

玻璃纖維增強不飽和樹脂復(fù)合材料——玻璃鋼玻璃纖維的制備：從熔融的玻璃液中快速拉抽而成。第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五玻璃纖維玻璃纖維原絲玻璃纖維布玻璃纖維型材第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五聚酯玻璃鋼產(chǎn)品第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3、芳綸（KEVLAR）纖維芳香族聚酰胺纖維——芳綸（KELVAR）

第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五13.5纖維增強復(fù)合材料的成形工藝1、手糊法2、噴射法3、真空袋熱壓罐4、纖維纏繞5、模壓和注射成形6、片材模塑料（SMC）工藝7、拉擠第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五復(fù)合材料成型的熱壓罐第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五纖維纏繞第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五模壓成形第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五注射成形注射成形機第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五13.6夾層結(jié)構(gòu)a)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖；b）鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)ab第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五瓦楞紙減震第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用在民用飛機（波音727、757）上的應(yīng)用，727的水平尾翼重量減輕了26％，737的水平尾翼重量較之金屬結(jié)構(gòu)減輕了29％。第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五在直升機上的應(yīng)用UH－60A型直升飛機復(fù)合材料總用量達17％第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五在殲擊機上的應(yīng)用美國F/A-18殲擊機包括機翼、水平和垂直尾翼都采用了復(fù)合的蒙皮。復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的10％，表面面積的50％。第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五先進復(fù)合材料的應(yīng)用

2005年4月27日，空中客車公司制造的世界最大寬體客機A380首飛。以復(fù)合材料為主的先進材料占結(jié)構(gòu)總重量的25%！第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五13.7功能復(fù)合材料1、導(dǎo)電復(fù)合材料2、機敏復(fù)合材料3、仿生復(fù)合材料第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1、導(dǎo)電復(fù)合材料聚合物＋導(dǎo)電填料填料種類：1）碳系：碳黑、碳纖維、石墨