《复合材料概述》PPT课件.ppt

复合材料概述,复合材料的基本概念,复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。,增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。其中一个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体。增强相或增强体在复合材料中呈分散形式，被基体相隔离包围，因此也称作分散相；复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。,3,复合材料及其增强相的各种形态,纤维状,颗粒状,层状,片状,填充状,复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。,5,复合材料是由多相材料复合而成，共同特点主要有三个：()综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。(2)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。(3)可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。,一、金属基复合材料,金属基复合材料（Metal Matrix Composite，MMC）一般是以金属或合金为连续相而颗粒，晶须或纤维形式的第二相组成的复合材料。目前其制备和加工比较困难，成本相对较高，常用在航天航空和军事工业上。,金属基复合材料与树脂基复合材料比，优点在于：工作温度高；横向机械性能好；层间剪切强度高；耐磨损、导电、导热；不吸湿、不老化；尺寸稳定，可采用金属加工方法。,金属基复合材料的发展：(1)产生于60年代，发展于90年代。(2)最早应用于哥伦比亚号航天飞机的骨架：硼纤维/Al。由于硼纤维太昂贵，现在基本用碳纤维/Al复合材料来替 代硼纤维/Al。(3)受制备工艺的限制，基本还处于实验室阶段。金属基复合材料的应用：最初，比强度、比模量高，尺寸稳定等优点；而用于航天、航空等部门；近年来，随着新制造工艺的出现，廉价增强体（SiC、陶瓷短纤维等），金属基复合材料开始用于民用部门。,二、陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。,陶瓷基复合材料的性能,1、室温力学性能对陶瓷基复合材料来说，陶瓷基体的失效应变低于纤维的失效应变，因此最初的失效往往是基体中晶体缺陷引起的开裂。材料的拉伸失效有两种：第一：突然失效。如纤维强度较低，界面结合强度高，基体较裂纹穿过纤维扩展，导致突然失效。第二：如果纤维较强，界面结合较弱，基体裂纹沿着纤维扩展。纤维失效前纤维/基体界面在基体的裂纹尖端和尾部脱粘。因此，基体开裂并不导致突然失效，材料的最终失效应变大于基体的失效应变。,2、高温力学性能室温下，复合材料的抗弯强度比基体材料高约10倍，弹性模量提高约2倍。复合材料的抗弯强度至700保持不变，然后强度随温度升高而急剧增加；但弹性模量却随着温度升高从室温的137GPa降到850的80 GPa。这一变化显然与材料中残余玻璃相随温度升高的变化相关。,三、树脂基复合材料,定义：基体材料为树脂，增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等通过不同的工艺组成的复合材料。优点：轻质高强 突出的防腐性能（通过采用不同的基体树脂）电绝缘性优良 隔热蔽音 安装维护简便 外观颜色可自由选择,主要用途：建筑/基础设施 广告牌 格栅 栅栏 水沟和排水渠 扶手 板材 屋顶承重梁水处理 平台 楼梯 隔板 格栅 扶手 交通运输 公路防护栏 高速公路防眩板 地铁三轨防护罩 桥梁封闭系统 桥面板弯曲拉挤型材电子电工 电缆桥架 绝缘部件 梯子部件 灯杆 透频构件 线路系统天线罩 电缆保护管梯子 体育用品 帐篷杆 工具手柄 其它,分类：热塑型树脂基复合材料 热固型树脂基复合材料,20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收pvd复合材料利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上,热塑性树脂基复合材料,定义：以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。,热固型树脂基复合材料,主要原材料不饱和树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂以及其它新型树脂增强材料玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维毡及其它增强材料如芯材等,15,(1)在航空、航天方面的应用 由于复合材料的轻质高强持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。,复合材料的应用,16,(2)在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的14，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄等。随着列车速度的不断提高，火车部件用复合材料来制造是最好的选择。复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳、内装饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。,17,(3)在化学工业方面的应用在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。,18,(4)在电气工业方面的应用聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。,19,(5)在建筑工业方面的应用玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。在建筑上，玻璃钢被用作承力结构、围护结构、冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。,20,(6)在机械工业方面的应用 复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。用复合材料制造叫片具力制造容易、质量轻、耐腐蚀等优点，各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的。,21,(1)降低成本由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。,复合材料今后的发展方向,22,(2)高性能复合材料的研制 高性能复合材料是指具有高强度、高模量、耐高温等特性的复合材料。随着人类向太空发展，航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大，而且也会提出更高的性能要求，如更高的强度要求、更高的耐温要求等。,23,(3)功能性复合材料 功能复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、阻尼、烧蚀等功能的复合材料。,24,(4)智能复合材料 智能复合材料是指具有感知、识别及处理能力的复合材料。在技术上是通过传感器、驱动器、控制器来实现复合材料的上述能力。例如，当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时，可由埋入的传感器在线检测到该损伤，通过控制器决策后，控制埋入的形状记忆合金动作，在损伤周围产生压应力，从而防止损伤的继续发展，大大提高了飞机的安全性能。,25,(5)仿生复合材料复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展。仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型梯度复合材料。,仿照鲍鱼壳的结构，由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40。,26,(6)环保型复合材料 从环境保护的角度看，目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，是复合材料今后的发展方向之。,END,