第十一章 复合材料.docx

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第十一章复合材料

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机械工程材料精品课程网   |   发布时间：

2009-04-22   |   点击次数：

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第十一章复合材料

本章提要

复合材料是20世纪40年代形成的一门独立学科，由于航空、航天、电子、机械、化工等工业的发展，对材料提出了更高的要求，而复合材料能够克服单一材料的局限性，满足不同的要求。

本章在阐述复合材料的基本概念、性能特点的基础知识之上，重点介绍树脂基、金属基两类工程结构复合材料的性能特点及应用。

同时对夹层复合材料、碳／碳复合材料也作了简单介绍。

§11.1概述

凡是两种或更多种的物理或化学性质不同的材料，以宏观或微观的形式，由人工制成的一种多相固体材料，即所谓复合材料。

在工程上，复合材料主要为克服金属、高聚物及陶瓷等传统的单一材料的某些不足，实现全面满足对材料强度、韧性、重量及稳定性等方面的综合性能要求。

自然界实际上就存在着天然复合材料，如木材就是纤维素和木质素的复合物。

而钢筋混凝土则是钢筋和水泥、砂、石的人工复合材料。

复合材料的优越性在于它的性能比其组成材料要好得多。

例如玻璃纤维的断裂能为7．5J／m2，常用树脂的断裂能为226J／m’左右，而两者复合成玻璃钢后的断裂能可达176X103J／m2之多，此外，可以按照构件的结构和受力要求，对复合材料进行最佳设计，以获得合理的性能，最大地发挥材料的潜力，这是它的又一突出的优越性。

随着近代科学技术的发展，特别是航天、核工业等尖端技术的突飞猛进，复合材料越来越引起人们的重视，新型复合材料的研制和应用也越来越多。

有人预言，21世纪将是复合材料的时代。

复合材料为多相体系。

全部相可分为两类：

1.基体相，起粘结作用；

2.增强相，起提高强度或韧性的作用。

复合材料的种类很多，但总的可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。

前者研究较少；而后者，特别是以高聚物为基的结构复合材料，开发的品种较多。

按复合形式的不同，复合材料又可以分为以下三类：

1.纤维增强复合材料，如玻璃钢、纤维增强陶瓷、橡胶轮胎等；

2.层叠增强复合材料，如钢—铜—塑料三层复合无油润滑轴承材料等；

3.颗粒增强复合材料，如金属陶瓷等。

§11.2复合材料的性能特点

复合材料是各向异性的高强度非均质材料。

由于增强相和基体是形状和性能完全不同的两种材料。

它‘‘们之间的界面又具有分割的作用，因此它不是连续的和均质的，其力学性能是各向异性的。

特别是纤维增强复合材料更为突出。

它们的主要性能特点简述如下。

一.比强度和比模量

宇航、交通运输及机械工程中高速运转的零件都要求减轻自重而保持高的强度及高的刚度，即具有高比强度（强度与密度之比）和高比模量（模量与密度之比）。

例如分离铀用离心机转筒，线速度超过400m／s，所用碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度比钢高七倍，比模量比钢高三倍。

而复合材料中所用增强剂多为比重较小、强度极高的纤维（如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等），而基体也多为比重较小的材料（如高聚物）。

基体和增强剂比重都大的情况不多。

所以复合材料的比强度和比模量都很高，在各类材料中是最高的，见表11．1。

二.抗疲劳性能

在纤维增强复合材料中，增强纤维由于缺陷较少，本身的抗疲劳能力就很高，而塑性较好的基体，又能减少或消除应力集中，使疲劳源（纤维和基体的缺陷处、界面上的薄弱点）难以萌生微裂纹。

即使微裂纹形成，裂纹的扩展过程也与金属材料完全不同。

这类材料基体中存在着大量的纤维，因而裂纹的扩展常要经历非常曲折、复杂的路径，或者说这种结构类型的材料在一定程度上阻止了裂纹的扩展，促使复合材料疲劳强度的提高。

碳纤维增强树脂的疲劳强度为其拉伸强度的70％一80％，而一般金属材料仅为其拉伸强度的40％一50％。

1L2．3减振性能

结构的自振频率与结构本身的形状有关，并且与材料的比模量的平方根成正比，复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，在一般的加载速度或频率的情况下，不易发生共振而快速脆断。

此外，复合材料是一种非均质的多相材料体系，大量存在的纤维与基体间的界面吸振能力强，阻尼特性好，即使复合材料中有振

动存在也会很快衰减。

三.高温性能

各种增强纤维大多具有较高的弹性模量，因而，多有较高的熔点和较高的高温强度。

金属材料与各种增强纤维组成复合材料后，其弹性模量和高温强度均有改善。

如铝合金在400C时，弹性模量接近于零，此时的强度从500MPa降至30～50MPa。

而采用连续硼纤维或氧化硅纤维增强制成复合材料后，在这样的温度下，其弹性模量及强度仍保持室温下的水平，从而明显地改善了单一材料的耐高温性能。

同样，用钨纤维增强镍、钴及其合金时，可将它们的使用温度提高到1000‘C以上。

四.断裂安全性

纤维增强复合材料每平方厘米截面上，有几千甚至几万根纤维，在其受力时将处于力学上的静不定状态。

当受力、过载使——部分纤维断裂时，其应力将迅速重新分配在未断纤维上，不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而破坏，所以断裂的安全性高。

复合材料除上述几种特性外，其减摩性、耐蚀性及工艺性能也均良好。

但是复合材料也存在一些问题，如断裂伸长小；冲击韧性较差；因是各向异性材料，其横向拉伸强度和层间剪切强度不高，特别是制造成本较高等，使复合材料的应用受到一定的限制，尚需进一步研究解决，以便逐步推广使用。

§11.3树脂基复合材料

树脂基复合材料（亦称聚合物基础复合材料）是目前应用最广泛、消耗量最大的一类复合材料。

该类材料主要以纤维增强的树脂为主，最早开发的树脂基复合材料是20世纪40年代开发的，以玻璃纤维增强的塑料（俗称玻璃钢）问世以来，工程界才明确提出“复合材料”这一术语。

其后，由于碳纤维、硼纤维、芳酰胺（芳纶）纤维、碳化硅纤维等高性能增强体和一些耐高温树脂基体的相继问世，发展了大量高性能树脂基复合材料，成为先进复合材料的重要组成部分。

根据增强体的种类，树脂基复合材料可分为玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅纤维增强树脂基复合材料、芳纶纤维增强树脂基复合材料及晶须增强树脂基复合材料等类型；又可根据树脂基体的性质，则分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料两种基本类型。

一.热固性树脂基复合材料

1.材料组成

热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体，加入各种增强纤维复合而成的复合材料。

复合材料的强度和刚度主要由增强纤维来提供，树脂则起到将纤维粘接成一整体，在增强纤维之间传递载荷的作用。

此外，复合材料的韧性、层间剪切强度、压缩强度、热稳定性、抗氧化性能、吸湿性能、成形加工性能也主要取决于树脂基体。

热固性树脂是一类由相对分子质量不很大的线型分子经注塑成形和固化处理而形成的网状或体型高分子化合物，在加热、辐射、催化等作用下不再发生软化和熔融，具有硬度高、刚度大、耐热温度高、不易变形等特点。

可用于制备复合材料的热固性树脂种类很多，早期使用的主要为热固性酚醛树脂、糖醇树脂、聚酯树脂等；先进复合材料所用的热固性树脂主要为环氧树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂等。

热固性树脂基复合材料所选用的增强材料主要为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维及碳化硅纤维等，根据使用需求，这些增强材料的形状可以为连续长纤维或短纤维，也可以编织成带、布、毡等多种形状的织物。

2.典型材料

目前，由不同增强体及基体构成的热固性树脂基复合材料种类繁多，首先介绍热固性玻璃钢，然后介绍三种典型热固性树脂基体的先进复合材料，即环氧树脂复合材料、聚酰亚胺树脂复合材料、双马来酰亚胺树脂复合材料。

1）热固性玻璃钢

玻璃纤维增强热固性树脂的俗称为玻璃钢，是最早发展的一种热固性树脂基复合材料，它是由60％～70％的玻璃纤维或玻璃制品与30％～40％的热固性树脂（通常为环氧、酚醛、聚酯及有机硅胶）复合而成。

该种复合材料具有成形工艺简单、强度高、密度低、耐腐蚀、介电性高、电波穿透性好、耐热性好等优点。

此外，其强度还具有各向异性等特点，主要表现在沿纤维方向的强度高，层间强度低，纤维平面内的径向强度高，纬向强度低。

热固性玻璃钢的弹性模量仅为结构钢的10％～20％，其工作温度一般不超过250℃，在高温下长期受力时易发生蠕变及老化现象。

表11．2给出了三种常用热固性玻璃钢的性能。

热固性玻璃钢是现代工业理想的轻质结构材料、耐蚀材料及绝缘抗磁材料。

表11．2三种典型热固性玻璃钢的性能

材料

密度（8／cm3）

抗拉强度（MPa）

抗压强度（MPa）

抗弯强度（MPa）

环氧基玻璃钢│

1．73

341

311

520

聚酯基玻璃钢

1．75

290

93

237

酚醛基玻璃钢

1．80

100

110

2）环氧树脂复合材

环氧树脂复合材料是由增强纤维与环氧树脂或改性环氧树脂复合而成的一类材料。

环氧树脂是应用最早、最广的复合材料基体，占先进复合材料所用树脂基体总量的90％以上。

除环氧树脂基热固性玻璃钢外，该类材料中应用较多的是碳纤维增强的环氧树脂。

碳纤维增强环氧树脂具有弹性模量高（比玻璃钢高3～6倍）、比强度及比模量高（高于玻璃钢、铝合金及钢）、导热性及耐磨性好等特点，且成形工艺简单，但也存在耐热性及耐湿性能不高、塑性低等问题。

为此，通过对基体的改性，发展了与高性能碳纤维相适应的高应变、高耐湿热型树脂，以满足提高复合材料构件寿命和损伤极限的设计要求。

受基体化学结构的限制，环氧树脂复合材料的使用温度一般不超过200℃。

图11．1为树脂基复合材料和金属材料的力学性能对比。

3）聚酰亚胺树脂复合材料

聚酰亚胺树脂复合材料是一类综合性能优异的耐高温芳杂环高聚物基复合材料，具有优异的高温物理性能和力学性能，可在高于200℃的环境下长期工作，300℃时的强度保持率在50％以上。

其缺点为成形固化温度高、粘接性能低。

4）双马来酰亚胺树脂复合材料

以双马来酰亚胺树脂（BMl）为基体的复合材料，是当代先进树脂基复合材料的最新发展。

该类材料结合了环氧树脂与聚酰亚胺复合材料的优点，具有优异的综合性能，如强度高、弹性模量高、耐湿热性好、冲击韧性高、耐燃、低毒等，而且还具有良好的成形工艺性能，借助于基体与同类树脂及异类树脂的共混改性，可提供满足不同应用需求的高性能复合材料。

二.热塑性树脂基复合材料

1.材料组成

热塑性树脂基复合材料是以各种热塑性树脂为基体的复合材料，常用的增强体主要为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或由它们制成的混杂纤维。

热塑性树脂是一类线型高分子化合物，受热时发生软化乃至熔融，而冷却后又会硬化，这种现象可重复出现，因此，热塑性树脂易于成形加工，并可再生使用。

同热固性树脂比，热塑性树脂具有密度低、韧性高、加工成形性好、制造周期短、成本低，特别是可恢复、可二次加工和长期贮存等特点，但具有对增强纤维的浸润性差、复杂形状复合材料制品缠绕成形困难及抗蠕变能力低等缺点。

可用于纤维增强的热塑性树脂基体品种很多，主要有尼龙（聚酰胺）类树脂，如尼龙66、尼龙1010；聚烯烃类树脂，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTPE）；聚乙烯树脂，如聚苯乙烯（PS）；热塑性聚酯类树脂，聚对苯二甲酸乙二醇（PET）、聚对苯二甲酸丁醇脂（PBT）；聚醚酮类树脂，如聚醚醚酮（PEEK）；聚碳酸脂（PC）、聚甲醛（POM）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）和热塑性聚酰亚胺（P1）等。

2.典型材料

目前，热塑性树脂基复合材料正处于不断发展之中，所开发的复合材料种类很多，现仅介绍热塑性玻璃钢、尼龙基复合材料、高温型热塑性树脂基复合材料。

1）热塑性玻璃钢

热塑性玻璃钢即玻璃纤维增强的热塑性树脂基复合材料，常用基体有尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸脂等。

对于不同的热塑性树脂基体，玻璃纤维所用的数量及其增强效果各有所不同，例如，尼龙类树脂常用30％的玻璃纤维增强。

一般来说，相对于基体本身，热塑性玻璃钢的拉伸强度和弯曲强度可提高二三倍，同时其物理、化学性能也均有一定程度的改善。

热塑性玻璃钢的机械强度通常较热固性玻璃钢的低，因此前者的应用范围和使用数量均不如后者，但由于热塑性玻璃钢密度低，生产效率高，成本低，其用量正逐年增加。

2）尼龙基复合材料

尼龙基复合材料主要是由各种短纤维增强的尼龙类树脂，除玻璃纤维外，常用的增强纤维由碳纤维、芳纶纤维或由这几种纤维制成的混杂纤维。

在该类复合材料中由碳纤维增强的尼龙比玻璃纤维增强的尼龙具有更高的强度和弹性模量及较小的热膨胀系数；而由碳纤维与玻璃纤维混杂增强尼龙的抗摩耐磨性要优于单一纤维增强的复合材料。

表11．3列出了几种纤维增强尼龙的性能。

尼龙基复合材料目前主要用于制造汽车轴承凸轮、联轴器及纺织机械零件等。

3）高温型热塑性树脂基复合材料

高温型热塑性树脂基复合材料一般是由高性能碳纤维增强的半结晶性耐高温热塑性树脂。

该类材料所用基体的玻璃化转变温度通常较高，在高温下（2000℃甚至更高）具有良好的强度保持率，且尺寸稳定性好，抗蠕变能力强。

根据基体的种类和性质，目前主要由碳纤维增强的聚四氟乙烯、聚碳酸脂、热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚酮类热塑性树脂以及热塑性树脂与热固性树脂的共?

昆复合物（称为半互穿网络高聚物）。

其中，由高性能连续碳纤维增强的聚醚醚酮（PEEK）近年来引起工程界的普遍关注，已被列为航空航天用高性能热塑性树脂基复合材料的候选材料。

§11.4金属基复合材料

一.金属基复合材料的特点

金属基复合材料的迅速发展始于20世纪80年代，其推动力源自高新技术对材料耐热性和其他性能要求的日益提高。

金属基复合材料除与树脂基复合材料同样具有强度高、模量高和热膨胀系数低的特性外，其工作温度可达300～500℃或者更高，同时具有不易燃烧、不吸潮、导热导电、屏蔽电磁干扰；热稳定性及抗辐射性能好、可机械加工和常规连接等特点，而且在较高温度的情况下不会放出气体污染环境，这是树脂基复合材料所不能比的。

但金属基复合材料也存在着密度较大、成本较高、一些种类复合材料制备工艺复杂以及某些复合材料中增强体与基体界面易发生化学反应等缺点。

通过对上述不利因素的不断改进与完善，金属基复合材料在过去的10余年里取得了长足进步，一些西方发达国家已达到了特定领域规模应用的水平。

目前倍受研究者和工程界关注的金属基复合材料有长纤维增强型、短纤维或晶须增强型、颗粒增强型以及共晶定向凝固型复合材料，所选用的基体主要有铝、镁、钛及其合金、镍基高温合金以及金属间化合物。

二.长纤维增强金属基复合材料

1.材料组成

长纤维增强金属基复合材料是由高性能长纤维和金属合金组成的一类先进复合材料。

与纤维增强树脂基复合材料类似，复合材料中高强度、高模量增强纤维是主要的承载组元，而基体金属则起到固结高性能纤维和传递载荷的作用。

该类复合材料的性能受到多种因素的影响，一般认为，主要与所用增强纤维和基体金属的类型和性能、纤维的含量及分布、纤维与基体金属间的界面结构及性能，以及制备工艺过程密切相关。

此外，长纤维增强金属基复合材料还具有各向异性的特点，其各向异性的程度取决于纤维在基体中的分布和排列方向。

长纤维增强金属基复合材料常用的增强纤维有硼纤维、碳（石墨）纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维（单丝、束丝）等。

基体金属主要有铝及其合金、镁及其合金、钛及其合金、铜合金、铅合金、高温合金以及新近发展的金属间化合物。

LC4）及铝锂合金等多种铝合金作为基体。

SiCp／Al复合材料具有良好的综合性能，如比强度、比模量高，热膨胀系数低等特点，在200～300℃下，其抗拉强度还能保持基体合金在室温下的强度水平。

此外，SiC-／Al复合材料可采用热挤压、热轧制、热旋压等工艺方法进行二次加工。

目前，各种基体的SiCp／Al复合材料普遍存在着成本高（受晶须成本高的影响）、塑性及韧性低等缺点。

§11.4颗粒增强金属基复合材料

一.材料组成

颗粒增强金属基复合材料是由一种或多种陶瓷颗粒或金属基颗粒增强体与金属基组成的先进复合材料。

该种材料一般选择具有高模量、高强度、耐磨及良好高温性能，并在物理、化学上与基体相匹配的颗粒作为增强体，通常为碳化硅、氧化铝、碳化钛、硼化钛等陶瓷颗粒，有时也用金属颗粒作为增强体。

相对于基体而言，这些增强颗粒可以是外加的，也可以是经过一定的化学反应而内生的，其形状可能是球状、多面体状、片状或不规则状。

颗粒增强金属基复合材料可用的金属基体合金种类很多，目前常用的有铝、镁、钛及其合金以及金属间化合物颗粒增强金属基复合材料具有良好的力学性能、物理性能和优异的工艺性能，可采用传统的成形工艺进行制备和二次加工，并且具有各向同性的特点。

颗粒增强金属基复合材料的性能一般取决于增强颗粒的种类、形状、尺寸及其数量，基体金属的种类和性质以及材料的复合工艺等。

二.典型材料

颗粒增强金属基复合材料中研究较多、技术比较成熟、应用最广的是碳化硅颗粒增强铝基（SiCp／A1），最近引起普遍关注的是颗粒增强钛基或金属间化合物基的高温型金属基复合材料。

1.碳化硅颗粒增强铝基复合材料

碳化硅颗粒增强铝基复合材料是目前金属基复合材料中最早实现大规模产业化的品种。

此种复合材料的密度仅为钢的1／3、钛合金的2／3而与铝合金相近，其比强度较中碳钢高，与钛合金相近而比铝合金高，弹性模量略高于钛合金而比铝合金高得多。

此外，SiCp／Al复合材料还具有良好的耐磨性能（与钢相似，比铝合金高一倍），使用温度最高可达300—350℃。

表11．5给出几种典型SiCp／A1复合材料的拉伸性能。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料目前已批量用于汽车工业和机械工业中，用于制备大功率汽车发动机、柴油发动机的活塞、活塞环、连杆、刹车片等。

同时，还可用于制造火箭、导弹构件、红外及激光制导系统构件。

此外，以超细碳化硅颗粒增强的铝基复合材料还是一种理想的精密仪表用高尺寸稳定性材料和精密电子器件的封装材料。

2.颗粒增强型高温金属基复合材料

颗粒增强型高温金属基复合材料是一种以高强、高模量陶瓷颗粒增强的钛基或金属间化合物基复合材料。

典型材料是TiC颗粒增强的Ti-6Al—4V（TC4）钛合金，这种材料一般采用粉末冶金法，由10％一25％（体积分数）超硬TiC颗粒与钛合金粉末复合而成。

与基体合金相比，Ti—6Al—4V复合材料的强度、弹性模量及抗蠕变性能均明显提高，使用温度最高可达500℃，可用于制造导弹壳体、导弹尾翼和发动机零部件。

另一种典型材料是正处于发展之中的采用自蔓延高温合成工艺（简称SHS法）制备的颗粒增强金属间化合物基复合材料，如TiB2／NiAl、TiB2／TiAl，它们的使用温度更高，可达800℃以上。

§11.5其他类型的复合材料

一.夹层复合材料

夹层复合材料是一种由上下二块薄面板和芯材构成的夹心结构复合材料，面板可以是金属薄板，如铝合金板、钛合金板、不锈钢板、高温合金板，也可以是树脂基复合材料板。

芯材则采用泡沫塑料、波纹m或㈤窝芯.。

设计和使用夹层复合材料的目的：

一方面是为减轻结构的质量；另一方面是为提高构件的刚度和强度。

典型的例子是目前在航天和航空结构件中普遍应用的蜂窝夹层结构复合材料，其基本结构形式是在两块面板之间夹一层蜂窝夹层，蜂窝芯与面板之间采用钎焊或粘结剂连接在一起，如图11．2所示。

蜂窝夹层复合苎构所用的材料通常根据所需的力学性能和使用温度而确定，用作涡轮喷气发动机热端的结构件，须选用高温合金面板和高温合金蜂窝芯经高温钎焊制成；若服役温度为300～400℃，可用钛合金面板与钛合金或高温合金蜂窝芯钎焊而成；若使用温度为200一300℃，可由钛合金面板与高温铝合金蜂窝芯胶接而成；若在常温或低于120℃的环境温度下使用，可用作面板的材料有玻璃纤维增强树脂、碳纤维增强树脂及铝合金；而可供选作蜂窝芯材的有纯铝蜂窝、铝合金蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝及芳纶纤维增强树脂蜂窝等。

二.碳／碳复合材料

碳纤维增强碳基复合材料简称碳／碳复合材料（或C／C复合材料），是一种新型特种工程材料。

碳／碳复合材料是指用碳纤维或石墨纤维或是它们的织物作为碳基体骨架，埋入碳基质中增强机制所制成的复合材料。

碳／碳复合材料的性能随所用碳基体骨架用碳纤维性质、骨架的类型和结构、碳基质所用原料及制备工艺、碳的质量和结构、碳／碳复合材料制成工艺中各种物理和化学变化、界面变化等因素的影响而有很大差别。

碳／碳复合材料最初用于航天工业，作为战略导弹和航天飞机的防热部件，如导弹头锥和航天、机机翼前缘，能承受返回大气层时高达数千度的温度和严重的空气动力载荷。

碳／碳复合材料还适用T火箭和喷气飞机发动机后燃烧室的喷管用高温材料。

高速飞机用刹车盘是碳／碳复合材料用量最大的耐磨材料，例如波音747—400客机的刹车系统，每架飞机用复合材料较金属耐磨材料轻900kg，使用中抗磨损性高，热膨胀性小，飞机的维修期长。

碳／碳复合材料可以用于制造超塑性成形工艺中的热锻压模具，还可用于制造粉末冶金中的热压模具。

在核工业部门碳／碳复合材料用于原子反应堆作为氦冷却反应器的热交换器；在浓缩铀工程中用以制造耐六氟化铀的部件；在涡轮压气机中可用以制造涡轮叶片和涡轮盘的热密封件，

碳／碳复合材料具有极好的生物相容性，即与血液、软组织和骨骼能相容而且有高的比较强度和可挠曲性，可供制成许多生物体整形植入材料，如人工牙齿、人工骨关节等。