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复合材料（金属基复合材料）张文兴：13072983878ZHANGWX616SOHU.COM参考资料：参考资料：1、复合材料及其应用复合材料及其应用-尹洪峰尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社任耘（陕西科学技术出版社,2003）2、复合材料概论、复合材料概论-王荣国王荣国 武卫莉武卫莉（哈尔滨工业大学出版社（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、金属基复合材料及其制备技术-于化顺（化学工业出版社于化顺（化学工业出版社,2000）4、金属基复合材料、金属基复合材料-张国定张国定(上海交通大学出版社上海交通大学出版社,1996)5、高性能复合材料学、高性能复合材料学-郝元恺郝元恺,肖加余肖加余(化学工业出版社化学工业出版社,2004)6、复合材料大全、复合材料大全-沃丁柱沃丁柱(化学工业出版社化学工业出版社,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）4060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）6080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)坦克履带坦克履带F18战斗机战斗机液压传动缸液压传动缸F16战斗机战斗机腹部稳定翅腹部稳定翅和上机身盖板和上机身盖板波音波音777喷气发动喷气发动机出气导流叶片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)层状功能材料层状功能材料层状功能材料层状功能材料 20年代年代 贵金属包覆电接点材料、铝包钢贵金属包覆电接点材料、铝包钢(2)硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金 1923年年 WC-6%Co(3)氧化物弥散强化合金氧化物弥散强化合金氧化物弥散强化合金氧化物弥散强化合金 1946年年 烧结铝粉（烧结铝粉（Al2O3/Al）d0.1微米微米(4)纤维增强金属纤维增强金属纤维增强金属纤维增强金属 60年代年代 W/Cu,SiCf/Al,Bf/Al。典型实例：。典型实例：1978Bf/Al哥伦比亚航天飞机桁架；哥伦比亚航天飞机桁架；1982年丰田年丰田Al2O3*SiO2/Al活塞活塞(5)颗粒增强金属颗粒增强金属颗粒增强金属颗粒增强金属 SiC,Al2O3,TiC TiB2,B4C/Al,Mg,Cu,Ti(6)原位金属基复合材料原位金属基复合材料原位金属基复合材料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）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概念复合材料的复合材料的ISO定义：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。一种多相固体材料。复合材料的特点：复合材料的特点：1.具有优良的综合性能具有优良的综合性能2.良好的可设计性良好的可设计性3.人工制备人工制备注：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类似或不同于不同于传统工艺的方法制备出的具有特殊结构和性能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）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。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，）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。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其形状可以是纤维状(fiber,wisker)、颗粒、颗粒(particle)3）界面：增强体与基体之间的过渡部分。）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。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，以及耐磨材料料）、电、磁、光学等性能，以及耐磨材料按基体分：按基体分：聚合物基复合材料聚合物基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 水泥基复合材料水泥基复合材料 碳基复合材料碳基复合材料热固性树脂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热塑性树脂基复合材料橡胶基复合材料橡胶基复合材料碳化硅基复合材料碳化硅基复合材料氧化铝基复合材料氧化铝基复合材料按增强体种类分：玻璃纤维按增强体种类分：玻璃纤维Gf，碳化硅颗粒，碳化硅颗粒SiCp按增强体形状分：按增强体形状分：层状增强复合材料层状增强复合材料 片状增强复合材料片状增强复合材料 颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 纤维增强复合材料纤维增强复合材料按增强体引入方式分按增强体引入方式分 原位复合材料（原位复合材料（in-situ）非原位复合材料非原位复合材料人工晶片人工晶片天然片状物天然片状物不连续纤维不连续纤维连续纤维连续纤维晶须晶须短（切）纤维短（切）纤维单向纤维单向纤维二维织物二维织物三维织物三维织物f f:fibre;p p:particulate;w w:whisker复合材料材料典型结构1.2.3 复合材料的命名复合材料的命名强强调调基基体体 以以基基体体材材料料的的名名称称为为主主，如如聚聚合合物物基基复复合合材材料料PMC,MMC,CMC强强调调增增强强体体 以以增增强强体体材材料料的的名名称称为为主主，如如玻玻璃璃纤纤维维增增强强复合材料（复合材料（Gf），），Cf,Bf,芳纶纤维，芳纶纤维，SiCf，SiCp，SiCw并并重重 具具体体的的复复合合材材料料表表示示，如如玻玻璃璃纤纤维维增增强强环环氧氧树树脂脂复复合合材材料料（Gf/Epoxy，G/Ep，G-Ep），碳碳化化硅硅颗颗粒粒增增强强铝铝基复合材料（基复合材料（SiCp/Al），），Cf/Mg1.3.1 聚合物基复合材料聚合物基复合材料(PMC)的性能特点的性能特点优点：优点：1）比强度和比模量高）比强度和比模量高 强度、模量强度、模量/密度，见下表密度，见下表2）耐疲劳性能好）耐疲劳性能好 金属疲劳一般是金属疲劳一般是 没有明显预兆的突发性破坏，没有明显预兆的突发性破坏，PMC破坏前有明显的预兆；破坏前有明显的预兆；疲劳强度前者只有其抗拉强度疲劳强度前者只有其抗拉强度 的的2050%，后者高达，后者高达7080%1.3 复合材料的性能特点复合材料的性能特点15001000500103 104 105 10 6 107 循环次数循环次数图图 三种材料的疲劳强度三种材料的疲劳强度碳纤维复合材料 玻璃钢 铝合金表表 各种材料的比强度和比模量（各种材料的比强度和比模量（Vf=60%）3）减减震震性性好好 基基体体模模量量小小易易变变形形吸吸能能效效果果好好，界界面面具具有有吸吸震震能能力力，总总之之PMC具具有有很很高高的的振振动动阻阻尼尼。如如轻轻合合金金梁梁9s停止振动，而同样大小的振动碳纤维复合材料梁停止振动，而同样大小的振动碳纤维复合材料梁2.5s停止。停止。4）过过载载安安全全性性好好 过过载载时时少少数数纤纤维维断断裂裂，载载荷荷迅迅速速重重新新分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。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）具具有有多多重重功功能能性性 电电绝绝缘缘性性能能、耐耐腐腐蚀蚀性性、摩摩擦擦性性能能（摩阻和减磨）、特殊的光热磁等性能（摩阻和减磨）、特殊的光热磁等性能6）加加工工工工艺艺性性好好 PMC可可手手糊糊、模模压压、缠缠绕绕、注注射射、拉拉挤挤成型等多种方法制成各种产品形状成型等多种方法制成各种产品形状缺点：缺点：耐高温、耐老化性能差，冲击性能差耐高温、耐老化性能差，冲击性能差1.3.2 金属基复合材料金属基复合材料(MMC)的性能特点的性能特点优点：优点：1）高比强度、高比模量）高比强度、高比模量 尤其对尤其对CRMMC而言。而言。Cf：=1.85g/cm3 max=7GPa，Gmax=900GPa2）导热、导电性能）导热、导电性能图图 典型复合材料与其基体金属的性能比较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）热膨胀系数小，尺寸稳定性高表表 部分材料的热物理性能指标部分材料的热物理性能指标 4）良好的高温性能）良好的高温性能 与与PMC相相比比，尤尤其其是是CRMMC，如如Cf/Al，500时时高高温温强强度为度为600MPa，铝合金在，铝合金在300时已降低到时已降低到100MPa5）耐磨性好）耐磨性好6）良好的疲劳性能和断裂韧性）良好的疲劳性能和断裂韧性7）不吸潮、不老化、气密性好）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在空间设备中不会分解出低分子物质污染仪器和环境 以以上上优优点点使使金金属属基基复复合合材材料料在在航航天天、航航空空、电电子子、汽汽车车、先先进进武武器器系系统统中中均均具具有有广广泛泛的的应应用用前前景景，对对装装备备性性能能的的提提高发挥巨大作用。高发挥巨大作用。1.3.3 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(CMC)的性能特点的性能特点优优点点：强强度度高高、硬硬度度大大、耐耐高高温温、抗抗氧氧化化，高高温温下下抗抗磨磨损损性性能能好好、耐耐化化学学腐腐蚀蚀性性优优良良，热热膨膨胀胀系系数数和和相相对对密密度度较较小小。如如欧欧洲洲开开发发Cf/SiC和和SiCf/SiC在在1700和和1200下下保保持持20下的抗拉性能，并有较好的抗压性能和断裂延伸率。下的抗拉性能，并有较好的抗压性能和断裂延伸率。缺缺点点：脆脆性性大大，可可加加工工性性差差，成成本本高高（还还需需新新型型耐耐高高温温纤纤维）维）1.4.1 混合定则混合定则（也称混合法则，不考虑界面效应时）（也称混合法则，不考虑界面效应时）一一般般多多相相材材料料的的性性能能可可用用混混合合定定律律来来预预测测。假假设设P为为复复合材料的性能，合材料的性能，x1,x2表示组成相的性能则表示组成相的性能则 P=f(x1,x2,)用用v1,v2,表示组成相的体积分数，则有以下线性关系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，则可表示为对复合材料而言，则可表示为 Xc=Xm vm+Xrvr 或或 Xc=Xrvr +Xm（1-vr）式中：式中：X：材料的性能，如：材料的性能，如、E、等；等；下标下标 c、m、r 分别代表复合材料、基体和增强体。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混合定则与组成体选择原则图图 SiC/Al的热膨胀系数实测值与不同模型的比较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)2.67(3.7),2.80(7.2)随堂作业：计算Al40SiC、Al70SiC的、和密度密度g/cm3导热系数导热系数W/mK热膨胀系数热膨胀系数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；）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；）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。）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。混混合合定定律律表表达达了了复复合合材材料料的的性性能能与与基基体体和和增增强强材材料料的的性性能能及及分分量量的的关关系系。但但实实际际上上复复合合材材料料的的性性能能除除这这两两个个因因素素外外，还还受受许许多多其其它它因因素素的的影影响响如如基基体体的的微微观观结结构构、增增强强材材料料的的颗颗粒粒大大小小、纤纤维维长长短短、分分布布情情况况以以及及取取向向、界界面面的的结结构构性性能能及及粘粘结结情情况况等等。因因此此在在用用混混合合定定律律计计算算复复合合材材料料的性能时，也应考虑这些因素对性能的影响。的性能时，也应考虑这些因素对性能的影响。1.4.2 复合材料选择原则复合材料选择原则根据工况条件，选择基体、增强体种类根据工况条件，选择基体、增强体种类 工作温度：工作温度：PMC，60250；MMC，400600；CMC，10001500，碳碳复合材料，更高，碳碳复合材料，更高 载荷特点：是否承受冲击载荷载荷特点：是否承受冲击载荷 导电、导热导电、导热 环境：辐射、腐蚀等环境：辐射、腐蚀等根据可加工性、经济成本等因素根据可加工性、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、组成及特点简述复合材料的定义、组成及特点2.简述复合材料简述复合材料/金属基复合材料的发展史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金属基复合材料的主要性能特点5.复合材料的选择原则复合材料的选择原则