材料学导论

复合材料李珍zhenli@http://材料与化学学院2013-3-18

讲授内容：4.1 概述 一、什么是复合材料 二、复合材料的命名 三、复合材料的分类 四、复合材料结构 五、复合材料的发展历史 六、复合材料的发展趋势 4.2 复合材料的增强机制 一、粒子增强型复合材料增强机制 二、纤维增强复合材料的增强机制 三、复合材料的界面界面结合的类型、界面特征

4.3增强材料 一、玻璃纤维 二、碳纤维 三、硼纤维 四、碳化硅纤维 五、芳纶纤维 六、晶 须

4.4聚合物基复合材料 4.5金属基复合材料 4.6陶瓷基复合材料 4.7其他复合材料

四、复合材料的基本性能

纤 维Kevlar-29Kevlar-49碳纤维(普通) 碳纤维(高强) 碳纤维(高模)

密度 (g/cm3)

软化点 抗拉强度 比强度 (MPa) (106cm) (℃)

弹性模量 比模量 (GPa) (107cm)

1.541.54 1.70 1.75 1.90 2.62 2.54

—— 3650 3650 3650 2300 700

36003900 2000 3000 2500 2800 3450

2425 11.8 17.1 13.1 11.0 13.7

74127 200 220 450 390 72

4.88.3 11.3 12.5 23.6 15 29

硼纤维(钨芯)

E玻璃纤维

S玻璃纤维石英玻璃 ZrO2纤维

2.502.10 4.81

8401660 3650

48206000 2100

19.720 4.3

8574 350

353.3 7.1

Al2O3纤维Al2O3晶须 SiC晶须 Si3N4晶须

3.153.96 3.18 3.18

20402040 2690 1960

210021000 21000 14000

6.653 66 44

180430 490 380

3.511 19 12

4.4 聚合物基复合材料一、基体类型 (1)不饱和聚酯树脂(UPE) (2)环氧树脂 (3)酚醛树脂 (4)热塑性树脂

二、聚合物基复合材料成型方法(1)手糊成型法： (2)喷射成型： (3)树脂传递(树脂压注)模塑法 (4)缠绕成型法 (5)模压成型工艺

三、聚合物基复合材料基本性能(1)比强度高材料 钢 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料碳纤维Ⅱ/环氧复合材料 碳纤维Ⅰ/环氧复合材料 有机纤维/环氧复合材料 硼纤维/环氧复合材料

金属材料和聚合物基复合材料的性能密度 (g/cm3) 拉伸强度 (103MPa) 弹性模量 (105MPa) 比强度 (105cm) 比模量 (105cm)

7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65

1.03 0.47 0.96 1.06 1.5 1.07 1.4 1.38 1.0

2.1 0.75 1.14 0.4 1.4 2.4 0.8 2.1 2.0

0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 0.67 1.0 0.66 0.38

0.27 0.26 0.25 0.20 0.97 1.5 0.57 1.0 0.57

硼纤维/铝复合材料

(2)耐疲劳性能好；(3)减震性好； (4)FRP的电性能；(5)FRP的热性能； (6)FRP老化性能差；(7)有很好的加工工艺性；

4.5金属基复合材料

一、概述

以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料增强物：硼、碳(石墨)、碳化硅、氧化铝纤维以及钨丝、钼丝、不锈钢丝等金属丝， 晶须主要有碳化硅、氧化铝，增强颗粒主要有碳化硅和氧化铝颗粒。

(1)高比强度、高比模量 (2)导热、导电性能好： 性

(3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好： (4)耐高温： 能 (5)耐磨性好： (6)良好的疲劳性能和断裂韧性 (7)不吸潮、不老化、气密性好

存在密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反应等缺点

二、金属基复合材料种类：Al、Ni、Ti、Mg1、长纤维增强金属基复合材料1)硼/铝复合材料 2)石墨/铝复合材料 3)石墨/镁复合材料 4)碳化硅/钛复合材料 5)氧化铝/铝复合材料 3、颗粒增强金属基复合材料 1)碳化硅/铝复合材料 2)碳化钛/钛复合材料 3)颗粒增强金属间化 合物复合材料MMC的SEM照片

2、短纤维增强金属基复合材料1)氧化铝/铝复合材料 2)碳化硅/铝复合材料 3)氧化铝/镍复合材料

4.6陶瓷基复合材料一、基本性能 二、纤维增强陶瓷复合材料的制备(1)溶胶-凝胶和聚合物裂解法(先驱体转化法 (2)化学气相渗透(CVI)、沉积( CVD)法 (3)直接熔融氧化法(Lanxide法)

三、陶瓷基复合材料种类 (一)长纤维增强陶瓷基复合材料1、碳/陶瓷基复合材料 2、碳化硅/陶瓷基复合材料 3、碳/碳复合材料

(二)短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料1、碳/玻璃陶瓷基复合材料 2、晶须/陶瓷基复合材料

(三)颗粒增强陶瓷基复合材料1、氧化锆/陶瓷基复合材料 2、氧化钇/陶瓷基复合材料

功能复合材料

除机械性能以外而提供其他物理 性能的复合材料

导电功能复合材料： C/金属/镀金玻纤+树脂 压电功能复合材料：PZT(ZrTiO3)+C/Ce/Si+树脂 磁性复合材料：铁氧体/稀土+ 树脂 吸波功能复合材料： Pd/Fe+ 树脂 减磨阻功能复合材料：C/石墨纤维+ 树脂(PA\氟塑料 化学腐蚀功能复合材料：无机粉体+树脂 光功能复合材料：聚甲基丙烯酸甲酯+氟化物 生体功能复合材料：金属Co/Ti/Ni→陶瓷Al→高分子 纳米复合材料：蒙脱土/PA6复合材料 ，纳米氮化钨-铜复合粉体 梯度功能复合材料：固化剂+环氧类树脂(一定方向上,耐热性Tg,粘接强度,拉伸强度,冲击强度,伸长率等依次连续或阶梯缓缓变化)

后续相关课程 复合材料及成型加工，48学时 复合材料结构设计， 32学时

参观实习安排 时间：4月9日，周二，8:00,1-2节课材化楼门前集合 参观内容：材料制备与性能表征1、粉体工程实验室 2、高温制备实验室 3、高分子与复合材料制备实验室 4、材料显微结构实验室、材料科学基础实验室 5、材料性能表征实验室(力、热、光、电、磁性能)

安排：分四小组，每班分两组

考试时间与安排 考试形式：闭卷——名词、填空、问答、论述题。 考试时间：4月15日(星期一),晚上7:00—9:00

考试地点：上网查询(033111班？)(033112班？)

“神六”回家——返回舱怎样“退烧”? 飞船返回再入大气层进入距地面80公里至40公里的稠密大 气层时,是气动加热量最严重的一段,返回舱表面温度将高 达上千摄氏度,像一个大火球。如果不采取防热措施,整个 返回舱将被烧为灰烬。为飞船“退烧”的措施主要有3种: “冰块式退烧”——吸热。吸热是采用导热性能好、熔点高 和热容量大的钛合金等金属材料,吸收大量气动热量。用这 类材料做飞船返回舱的蒙皮,气动加热传给飞船的热量为蒙 皮所吸收、储存。这种方法防热能力有限,只适用于加热量 很小的部分。 “酒精式退烧”——用辐射散热的方法将热量散去。这种 方法只适用于最大热流不超过每平方米100卡的情况。 “釜底抽薪式退烧”——烧蚀。用一些高分子材料做飞船 的蒙皮,有意识地让它在高温加热时烧掉,将热量带走,从而 达到保存主要结构的目的。如玻璃钢。烧蚀防热是广泛用 于载人飞船再入大气层时降温的一种方法,目前,随着技术 的发展,烧蚀材料的种类很多。