高美珍 材料科学与工程导论-15.ppt

第十六章复合材料16.1 引言飞机发动机越来越多的需求密度低、强、刚、抗磨损、抗冲击、不容易腐蚀的结构材料，这是一种非常苛刻的综合特性，强的材料通常比较致密，而且提高强度和刚度导致冲击强度降低。 主要应用领域有： ①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。 ②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件 。 ③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。 ④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。 据有关资料显示，世界复合材料以年均6%的增速发展，而亚洲则以每年两位数增长，亚洲复合材料占世界比例会从目前的36%增长到2015年的46%。 航空、汽车和陆地运输、建筑设计与能源是当前复合材料重点开发领域，环境保护和人民生活用品也是复合材料企业关心的领域，值得一提的是蜂窝等各类复合材料板材及其应用得到进一步发展，另外泳池（Swimming Pools）、壳体、家具及自行车、CRP假肢等都比较新颖。? 在A400M运输机上，复合材料占结构重量比例达35%～40%，特别是机翼，碳纤维复合材料占机翼结构重量比例高达85%，开创了使用复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。采用碳纤维制造的机翼，重量是同等强度铝合金机翼的75%至80%，并且不会产生金属疲劳。 A400M的机翼除前缘、前后缘支承结构及铰链采用铝合金外，其气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接头的某些部件也均为复合材料。 A400M的尾部货舱门、起落架舱门、整流罩以及螺旋桨也采用高强度复合材料来制造。目前，空客公司正在进行一项更为“大胆”的重要计划——研制全碳纤维复合材料机翼，并已制造出6.2米的翼盒验证件。 复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于组成材料满足不同的要求。 复合材料历史可以追溯到古代。从古至今沿用稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。 70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。 自然界中也有一些天然复合材料，例如木材由很强很柔韧的纤维素支撑，由刚硬的木质素紧固在一起。又比如，骨头是一种复合材料，由强而软的蛋白质骨胶原和硬而脆的矿物磷灰石构成。 复合材料的特性是构成相的特性、增强相的相对含量和增强相的几何的函数。 “增强相几何”指颗粒的形状、大小、分布和取向。这些特性示于图16.1 中。 复合材料的分类有很多种，总的来说，按照基体相可以分为：金属基复合材料；陶瓷基复合材料；聚合物基体复合材料。 按照用途可以分为：功能复合材料；结构复合材料。 按照按其结构特点又分为：纤维复合材料；夹层复合材料；细粒复合材料；混杂复合材料； 按照增强相可以分为：颗粒增强复合材料；纤维增强复合材料；结构复合材料。如图16.2 所示。 图16.1 影响综合特性的增强相颗粒的各种几何和空间特征示意图。(a)浓度；(b)大小；(c)形状；(d)分布；(e)取向。 图16.2 本章讨论的各种复合类型的分类图 颗粒增强复合材料 大-颗粒和弥散-强化复合材料是两类颗粒增强复合材料。“大”用来指颗粒和基体之间的相互作用不能在原子或分子水平处理，而是使用连续介质力学处理。大多数这种复合材料增强颗粒相比基体硬、刚，这些增强颗粒主要限制颗粒周围基体相的运动，实质上，基体将所受得力传递给颗粒，使颗粒承担一定比例的载荷。增强或改善力学行为的程度依赖于基体-颗粒界面的强键合。 弥散-强化复合材料，颗粒直径大约在10~100 nm 之间。导致强化的增强颗粒和基体相相互作用发生在原子或分子水平，强化的机理与11.9 节讨论的金属弥散强化类似。基体相主要承担载荷，