复合材料基础ppt课件.ppt
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1、三大材料:金属无机非金属有机高分子复合材料取长补短协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能,9.1 复合材料概述,9.1 复合材料概述,复合材料历史现代:1942年,美国PPG公司发明玻璃钢(树脂板,玻璃纤维增强聚酯树脂);古代:仰韶文化草拌泥作墙体;美索不达米亚人用芦苇、纸莎草加沥青或树胶制造小艇;古埃及木乃伊是将用香料处理过的尸体缠绕亚麻布带后再浸渍天然树脂;,第一代:1940年到1960年,玻璃纤维增强塑料第二代:1960年到1980年,先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉(Kevlar)-49(聚对苯二甲酰对苯二胺)1975年先进复合
2、材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。第三代:1980年到1990年,碳纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代:1990年以后,主要发展多功能复合材料,如智能复合材料和梯度功能材料等。,一、概述,一、复合材料定义(1)种类不同,性质差异很大的几种材料及其界面相(层)所组成(组成上)(2)多相固体材料(结构)(3)经设计复合而成(制备上)(4)通过复合效应获得原组份材料所不具备的性能,或产生性能协同作用,与简单混合有本质的区别(性能上)简言之:复合材料由连续基体相(matrix phase)和分散增强相(disperse phase
3、)及界面相(interface phase)所构成。,复合材料系统组合,二、分类(1)按来源:天然、人工复合材料等;(2)按基体:树脂基、金属基、无机非金属基复合材料等;(3)按增强体形态:颗粒增强(particle-reinforced)短纤或晶须增强(chopped fiber or whiskers reinforced)连续长纤增强(continuous fiber-reinforced)多维编织布增强(braided fabric or filament winding-reinforced)三维编织体增强等;(4)按应用:结构、功能、智能复合材料等;(5)按增强材料品种:玻纤、碳纤
4、、有机纤维复合材料等;(6)按特定含义:通用、先进、现代、近代、混杂、纳米、原位、分子、宏观复合材料等;,三、复合材料的组成与特性聚合物基复合材料(polymer-matrix composites,PMC)金属基复合材料(metal-matrix composites,MMC)陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC),(1)组成(composition)基体(matrix)增强材料(reinforcement)(都是一个庞大的材料体系、品种繁多,结构与性能呈多样化,复合体系的系统组合、排列给复合材料的巨大的发展空间,原则上,基体与增强体结构与性能差异越大,
5、愈具复合价值,但更为重要的是基体与增强体之间的匹配。)A.颗粒增强体:高强、高模、耐高温的陶瓷和石墨等非金属材料 的微细粉末,主要起增强、增韧作用,而不是普通填料的填充体积或降低成本的作用,增强体价格往往比基体还贵。B.短纤维(晶须)(chopped fiber or whisker):长径比51000之间,横截面积小于52105cm2的含缺陷很少的单晶纤维,其模量和强度接近其纯晶体的理论值。主要有金属晶须、氧化物晶须、氮化物晶须、硼化物晶须和无机盐类晶须。C.纤维及其织物(braided fabric or filament winding):植物纤维、动物纤维、碳物纤维、合成纤维等,(2)
6、复合材料的特性 一般特性:a.可设计性 b.构件复合与成型一次性完成,整体性好 c.性能分散性大,性能对工艺工程及工艺参数甚至一些 偶然性因素都十分敏感,难以精确控制结构和性能 d.复合效应(多种复合效应)一般性能特点:a.比强度、比模量大 b.破坏安全性高 c.耐疲劳性好 d.阻尼减震性好 e.耐烧蚀性能好,几种常用材料和纤维增强复合材料比强度、比模量的比较,(1)组分材料密度都较低;(2)由于纤维具有很小的直径,其内部缺陷要比块状形式的材料少得多,所以强度较高。,2、PMC的组成(1)基体 热固性基体(thermosetting matrix):i)熔体或溶液粘度低,易于浸渍与浸润,成型工
7、艺性好 ii)交联固化成网状结构,尺寸稳定性、耐热性好,但性脆 iii)制备过程伴有复杂化学反应 热塑性基体(thermoplastic matrix):i)溶体或溶液粘度大,浸渍与浸润困难,需较高温度和压力 下成型,工艺性差 ii)线性分子结构,抗蠕变和尺寸稳定性差,但韧性好 iii)制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象)(2)增强体主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等 树脂基体与增强体相容性、浸润性较差,多经过表面处理与表面改性,浸润剂、偶联剂、涂复层的使用,使其组成复杂化。,3、MMC(1)基体:Al、Mg、Ti、Ni等轻金属及其它们的合金(比强度、比模量高)(2)增强体
8、:强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金 属材料。主要有:硼纤维、碳纤维、SiC纤维、Al2O3纤维 钨丝、钢丝、不锈钢丝 陶瓷颗粒、晶须等;特点:保持金属材料特性外,与金属基体相比具有高强、高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性好、抗疲劳性 能好等特点,可沿用大部分金属成型加工方法,适合于 用作中、高温结构材料。,4、CMC(1)基体:氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷 陶瓷本身:高模量、耐高温、耐化学腐蚀、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺点:性脆、抗热震性(抗热冲击性)差,抗震性差且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感,易突然失效(2)增强材料:碳纤维、硼纤维、-Al2O3纤维、氧化铝-硼酸盐纤维
9、钨丝、铌丝、不锈钢丝、SiC晶须、SiN4晶须、ZrO2 颗粒等,复合的目的不是提高模量与强度,而是对陶瓷基体增韧 CMC仍以烧结成型为主,适合于作高温结构材料,被称为“材料的梦想”。,5、C/C复合材料 化学组成单一,C元素,但C的形态与结构十分复杂(1)基体碳:i)CVD碳;ii)树脂碳;iii)沥青碳(2)增强体:高性能碳纤维及其织物(3)性能特点:保持碳材料(石墨)的特性,如:密度低、低蠕变、高导热、高抗热震性、高耐温、耐烧蚀等;同时,还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能随温度升高而升高的特点;缺点:高温下易氧化,材料多孔而疏松;高温结构材料和耐烧蚀材料,近年发展很快。,碳纤维的结构模型
10、Polymer Matrix Composites,PMC,四、复合材料的结构,引入相的“连通性”概念,理论上可将复合材料结构划分为 0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等几种典型结构。,三维编织纤维结构 三维正交非织造的纤维结构(a)非线性法平面增强(b)一种开式格状结构(c)一种柔性结构,管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型,各种玻璃夹层结构,单向及准各向同性板的铺层结构,混杂复合材料的混杂类型,一、纤维增强复合材料 1、常用增强纤维 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar有机物纤维等。,玻璃纤维绳,玻璃纤维绳,玻璃纤维纸,纳米碳管纤维,碳纤维绳,五、常见复合材料基体
11、、增强体举例,碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP),CFRP在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用,(1)玻璃纤维 按玻璃纤维中Na2O和K2O的含量不同,可将其分为无碱纤维(碱的质量分数12%)。随着碱量的增加,玻璃纤维的强度、绝缘性、耐蚀性降低。特点:强度高,抗拉强度可达10003000MPa;弹性模量比金属低得多,为(35)104MPa;密度小,为2.52.7g/cm3;化学稳定性好;不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等。缺点:脆性较大、耐热性低,250以上开始软化。优点:价格便宜、制作方便,在25003000高温的氩气中进行石墨化处理,就可获得含碳量为Wc98%以上的碳纤
12、维,又称石墨纤维或高模量碳纤维,也称型碳纤维。特点:与玻璃纤维相比,碳纤维具有密度小(1.332.0g/3),弹性模量高(2.84105MPa);高温及低温性能好,导电性好、化学稳定性高、摩擦因数小、自润湿性好。缺点:脆性大、易氧化,(2)碳纤维 碳纤维是人造纤维(粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等),是在200300空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理,然后在氮气的保护下于10001500的高温中进行碳化处理而制得。其碳含量Wc85%95%。由于其具有高强度,因而称高强度碳纤维,也称型碳纤维。,(3)硼纤维 它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝上而制得的。具有高熔点(2300)、高强度(24502
13、750MPa)、高弹性模量(3.84.9105MPa)。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。缺点:密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵。,(5)Kevlar有机纤维(芳纶、聚芳酰胺纤维)特点:比强度、比模量高;其强度可达28003700MPa;密度小,只有1.45 g/3;耐热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。,(4)碳化硅纤维 它是用碳纤维作底丝,通过气相沉积法而制得。具有高熔点、高强度、高弹性模量。其突出特点是具有优良的高温强度,在1100时其强度仍高达2100MPa。,2、纤维树脂复合材料(1)玻璃纤维树脂复合材料 亦称玻璃纤维增强塑料,也称玻璃钢。1)
14、热塑性玻璃钢 它是由20%40%的玻璃纤维和60%80%的热塑性树脂(如尼龙、ABS等)组成,具有高强度和高冲击韧性,良好的低温性能及低热膨胀系数。,2)热固性玻璃钢 它是由60%70%玻璃纤维(或玻璃布)和30%40%热固性树脂(环氧、聚酯树脂等)组成。主要优点:密度小、强度高,耐蚀性、绝缘性、绝热性好;吸水性、防磁、微波穿透性好,易于加工成型。缺点:弹性模量低,热稳定性不高,只能在300以下工作。,(3)硼纤维树脂复合材料 主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。具有高的比强度、比模量,良好的耐热性。其缺点是各向异性明显。,(2)碳纤维树脂复合材料 最常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四
15、氟乙烯等树脂组成的复合材料,具有高强度、高弹性模量、高比强度和比模量,还具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐蚀性及耐热性。缺点是纤维与基体结合力低。,(4)碳化硅纤维树脂复合材料 由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料,具有高的比强度、比模量。,(5)Kevlar纤维树脂复合材料 由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。主要性能特点是抗拉强度大于玻璃钢,而与碳纤维环氧树脂复合材料相似;延性好,与金属相当;其耐冲击性超过碳纤维增强塑料;其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金;减振能力为钢的8倍。,3、纤维金属(或合金)复合材料 纤维增强金属复合材料是由高强度、高模量
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