材料科学与工程概论 教学课件 作者 杜双明 全书 第7章.pptVIP

　　　　　　7.1 概 述7.1.1 复合材料的提出　 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展，同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。 7.1.2 复合材料的发展历史和意义 　实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料。我们的祖先很早就创造和使用了复合材料。 7.1.3 复合材料的定义、命名及分类　　1．复合材料的定义 　国际标准化组织(ISO)将复合材料定义为：“两种或两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体”。 　　2．复合材料的组成与命名　　1) 复合材料的组成　　复合材料一般有两个相：一相为连续相，称为基体；另一相是以独立的形态分布在整个基体中的分散相，称为增强相(增强体、增强剂)。　　复合材料中基体主要有聚合物、金属和陶瓷三大类，此外还有一类碳基体。 　　2) 复合材料命名　　复合材料可根据增强体与基体的名称来命名。将增强体的名称放在前面，基体的名称放在后面，再加上“复合材料”，如玻璃纤维和聚酯树脂构成的复合材料称为“玻璃纤维聚酯树脂复合材料”。 　　3．复合材料的分类 　　复合材料是由金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料的不同种类和形态相结合，而构成的各种不同的复合材料体系。 7.1.4 复合材料的界面　　1．界面的定义 　复合材料的界面是指基体与增强体之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。 　　2．界面的效应 　按复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应。　 (1) 传递效应　 (2) 阻断效应　 (3) 不连续效应　 (4) 散射和吸收效应　 (5) 诱导效应 7.1.5 复合材料的特性　　1) 比强度和比模量高　　材料的强度与其密度的比值称为比强度，单位为(m/s)2。材料的模量与其密度的比值称为比模量，单位为(m/s)2。在满足相同的设计要求时，材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈大。 　　2) 抗疲劳性能好　　疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而形成的低应力破坏。 图7-1 纤维增强复合材料裂纹变钝转向示意图(a) 初始裂纹；(b) 裂纹扩展受阻 　　3) 断裂韧性好　　韧性是指材料抵抗裂纹萌生于扩展的能力。断裂韧性是衡量韧性较常用的指标，它表示材料阻抗断裂的能力。 　　4) 高温性能好，抗蠕变能力强 　复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基体。 　　5) 减振性能好　　结构的自振频率除与结构本身有关外，还与材料比模量的平方根成正比。高的自振频率避免了工作状况下因共振而引起的早期破坏。 　　6) 尺寸稳定性好　　常用的增强体(包括纤维、颗粒、晶须等)的热膨胀系数都比较小，而且在一定的条件下热膨胀系数可能为零，因而通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。 　　7) 化学稳定性好　　许多复合材料尤其聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性，因此可用来制造耐强酸、强碱、盐、脂和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、搅拌器等设备。 　　8) 绝缘、导电和导热性好　　玻璃纤维增强塑料是一种优良的电气绝缘材料，用于制造仪表、电机与电器中的绝缘材料。 　　9) 其他　　除上述一些特性以外，复合材料还具有优良的减摩性、耐磨性、自润滑性等，而且复合材料制品或构件制造工艺简单，表现出良好的工艺性能，适合整体成型。在制造复合材料的同时，也就获得了制品或构件。 　　从设计和制造的角度来看，复合材料的优点是：　　(1) 材料性能具有很强的可设计性。 　　(2) 材料与制件制造的一致性。 　　　　7.2 复合材料的增强体7.2.1 纤维增强体　　纤维增强体是复合材料中作用最明显、应用最广泛的一类增强材料。纤维大多数是直径为几至几十微米的多晶材料或非晶态材料，主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、芳纶纤维、尼龙纤维和聚烯烃纤维等。 图7-2 增强纤维的排列和编织方式 (a) 单向铺设；(b) 二维二轴编织布； (c) 二维三轴编织布；(d) 三维四向编织布 　　1．玻璃纤维　　在纤维增强体中，玻璃纤维是应用最为广泛的增强体，通常作为复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料、电路基板等，广泛应用于国民经济各个领域。 　　2．碳纤维　　1) 碳纤维的分类 　　(1) 按力学性能可分为超高模量(UHM)碳纤维、高模量(HM)碳纤维、中等模量碳纤维(MM)、超高强度(UHS)碳纤维、高强度