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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流复合材料学.精品文档. 复 合 材 料 学潘育松 副教授:15855419937E-mail: yusongpan王 静 教授:13855418833E-mail: jinwang安徽理工大学材料科学与工程学院复合材料与工程教研室2012年9月目 录1、概述2、复合原理与界面 7、陶瓷基复合材料3、增强材料 8、水泥基复合材料4、基体材料 9、先进复合材料5、聚合物基复合材料 10、材料复合新技术 6、金属基复合材料 11、可靠性与无损评价教材与参考书1、复合材料冯小明 重庆大学出版社2、复合材料科学与工程倪礼忠 科学出版社3、复合材料吴人洁
2、 天津大学出版社。4、复合材料大全化学工业出版社5、现代复合材料中国物资出版社6、复合材料及其应用陕西科学技术出版社 第1章 绪 论 1.1 材料科学的发展简史 材料是人类用来制造各种产品的物质,是人类生活和生产的物质基础。人类社会的发展伴随着材料的发明和发展。材料的发展历史石器陶瓷器青铜器铁器高分子材料复合材料1.1.1 中华民族对材料发展的重大贡献 一、石器的制造和使用 在人类的发展史上,最先使用的工具是石器。 中华民族的祖先用坚硬的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。石器 二、陶器与瓷器的发明和使用 新石器时代(公元前6000年公元前5000年),中华民族的先人们用粘土烧制成陶器
3、。 瓷器中国文化的象征 最早生产瓷器的国家。 东汉时期发明了瓷器。 于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家,13世纪传到.日本,15世纪传到欧洲。 瓷器成为中国文化的象征,对世界文明产生了极大的影响。 中国瓷器畅销全球,名誉四海。瓷器 三、我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化 夏朝(公元前2140年始)以前我国青铜的冶炼就开始。 殷、西周时期已发展到很高的水平。制造各种工具、食器、兵器。兵器 从湖北隋县世界上最古老的青铜成分的文字记载 春秋战国时期周礼考工记:六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐(剂);五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金而锡
4、居二,谓之削杀矢之齐;金、锡半,谓之鉴燧之齐。 我们的祖先已经认识到了青铜的成分、性能与应用之间的密切关系。 四、铁器的生产和应用 青秋战国时期(公元前770年公元前221年)开始大量使用铁器。 从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模。 冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸造的高级阶段。 西汉时期炼铁技术提高 采用煤作为炼铁的燃料,比欧洲早1700多年。 在河南巩县汉代冶铁遗址中,发掘出20多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大,结构复杂,并有鼓风装置和铸造坑。生产规模壮观。 铁人 黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸) 我国古代创造了三种炼钢方法从矿石中直接炼出自然钢。用这种钢做的剑在东方各国享有盛誉,东
5、汉时传入了欧洲;西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢;南北朝时期生产的灌钢。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早1600多年。 钢的热处理技术达到相当高的水平 西汉史记天官书:淬火工艺要点 “水与火合为淬” 钢铁生产工具的发展,对社会进步起了巨大的推动作用。 汉书王褒传:制剑技术 “巧冶铸干将之朴,清水淬其锋” 明代科学家宋应星天工开物: 论述钢铁的退火、淬火、渗碳工艺。 五、丝绸天然高分子材料 丝绸是一种天然高分子材料,在我国有着悠久的历史。 我国丝绸质地柔软,色彩鲜艳,美观华丽,光彩夺目。 于十一世纪传到波斯、阿拉伯、埃及,于1470年传到意大利的威尼斯,进入欧洲。 中国丝绸,名
6、扬四海。1.2 新材料新工艺重大成果 一、新材料新工艺迅速发展 在当代,科学技术和生产飞跃发展。 材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱,发展格外迅猛。 高分子材料迅速发展 从20世纪60年代到70年代,高分子材料每年以14的速度增长。到70年代中期,全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等; 陶瓷材料引人注目 陶瓷材料已用于制造机器零件和工程结构。 陶瓷具有许多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作光导纤维、激光晶体等)。 陶瓷脆性和抗热震性正在逐步获得改善,是最有前途的高温结构材料。 耐磨陶瓷 绝缘陶瓷 复合材料前途广阔 技术和工业的发展对材料性能提出越来越高的要求。单一材料不能满
7、足某些使用要求。复合材料越来越得到人们的重视。 玻璃纤维树脂复合材料 碳纤维树脂复合材料 在航空航天工业中用于制造卫星壳体、飞机机身、螺旋桨等; 功能材料发展很快 超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。 光缆 磁浮列车(时速430公里) 二、我国在新材料新工艺的研究和应用 方面取得重大成果 研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢贝氏体钢;研制出零电阻温度为128.7 K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体);材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸轮轴、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到应用。
8、分层实体快速成形减速机箱体原型熔融沉积快速成形叶轮原型 化学气相沉积技术制造高硬度、高耐磨性的金黄色TiN薄膜, 用于耐磨零件和装饰件的表面处理。 我国汽车工业发展迅猛。 汽车材料需求迅速增加。 除金属材料外,高分子材料、陶瓷材料、复合材料在汽车中得到重要应用。 新型轿车 电动汽车 航空、航天事业迅速崛起,带动航空、航天材料的发展。 1966年我国成功发射人造卫星。1999年我国载人航天工程试验飞船“神舟”一号飞行成功。 2003年中国第一艘载人飞船“神舟”五号飞行成功。2005年中国第二艘载人飞船“神舟”六号飞行成功。2008年中国第三艘载人飞船“神舟”七号飞行成功。 研制成功超7隐形战斗机
9、,2003年8月30日首飞成功。 研制成功歼7E、歼10 战斗机。加强了国防力量。 研制潜艇、导弹核潜艇,加强海军力量。 导弹核潜艇 1983年8月加入海军服役。装有12枚两级弹道导弹。导弹核潜艇 新型碳材料的研究方面取得许多新的成果,利用碳纳米管作为衬底, 制备出均匀、致密的金刚石薄膜,并用碳纳米管作为晶须增强复合材料,制作纳米复合材料。 碳纳米管的研究取得新成果碳纳米管碳纳米管的结构 材料科学和材料工程发展很快。 我们需要掌握材料科学的基本理论和基本知识,研究和发明新的材料和新的工艺,合理地使用各种工程材料,为四个现代化建设事业作出贡献。复合材料的应用领域科学中的复合思想复合是自然界的基本
10、规律天然材料是最完美的材料,人的心脏,75*60分*24小时*365天*80年 =3,153,600,000跳/一生 该完美的特性就来源于复合与自修复 生命体是多层次意义上的复合体系:生命体基本单位-细胞,是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体,各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。即使细胞膜也是有磷脂双分子层,蛋白质组成的复合功能体系。 竹子维管束的体积分数从内到外沿径向非线性递增,力学性能与纤维体积分数呈现线性相关关系乌贼骨是一种多孔度达90,由甲壳素及蛋白质等有机分子预制的多层房架式结构2.复合是科学的基本思想 诺贝尔奖 白川英树 导电聚合物 vs导电复合材料 超分子科学:模拟自然,借鉴自
11、然界自组装思想,人工合成新颖、稳定、功能上和技术上重要的复合材料The Materials Science Tetrahedron材料科学四面体结构 固有特性 制作方法 测定性能 使用性能性能价格比Cost(price)performance3. 材料的复合化是材料发展的基本趋势 飞机用材料的发展70年代后以铝、钛、钢硼或碳纤维增强的复合材料已成为飞机的基本结构材料。1903 年12月17日莱特兄弟的第一架飞机,木材、布和钢19101925年开始用钢管代替木材作机身骨架,用铝作蒙皮40-50年代末全金属结构飞机60年代出现3倍音速的SR-71全钛高空高速侦察机和不锈钢占机体结构重量 69的XB
12、-70轰炸机。大飞机制造材料:70年代空客A300,复合材料占整架飞机的比重只有5%;06年面世超大型飞机A380,复合材料的比重已达23%;2010年A350超宽客机,其高性能轻质结构达62%,成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。 飞机的机身前舱部分可整体使用复合材料成型 新材料技术是工业革命和产业发展的先导B-2隐形轰炸机 主体结构是钛复合材料,其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成,不易反射。计划制造的绿色环保飞机,全部由纤维复合材料制成材料的表面温度()1700单晶合金 普通铸件 定向凝固超级合金 共晶合金 弥散强化超级合金隔热涂层 陶瓷复合材料 碳-碳新材料技术是工业革命和产业发展
13、的先导叶片材料在发动机上应用的年份 纤维增强超级合金 纤维混凝土井盖 铸铁井盖 纤维聚合物井盖 1、概 述 一、定义 复合材料由两种或两种以上,物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料,并具有复合效应。 各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的组成相: 增强相 - 纤维、晶须、颗粒。(不连续相) 基体相 - 金属、陶瓷、聚合物。(连续相)增强相:一般具有很高的力学性能(强度、弹性模量),及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。基体相:保持材料的基本特性,如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体,起
14、传递和均衡应力的作用。纤维增强聚合物复合材料实例:天然木材 - 纤维素纤维 + 木质素钢筋混凝土- 砂、石、钢筋 + 水泥玻璃钢 - 玻璃纤维 + 热固性树脂 C/C复合材料 - 石墨碳纤维 + 热解碳或树脂碳 (耐烧蚀)复合材料的命名(1)基体与增强材料并用: 增强材料/基体材料 “复合材料” 如:碳纤维环氧树脂复合材料(2)强调基体材料时以基体为主: 例:树脂基复合材料,金属基复合材料(3)强调增强材料时则以增强材料为主: 如玻璃纤维增强复合材料 碳纤维增强复合材料等1、按基体材料分 树脂基:聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等 60年代 金属基:Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co及其合金 7
15、0年代 陶瓷基:Al2O3、ZrO2及非氧化物 80年代 2、按增强相形状分 颗粒 均布、各向同性 纤维(长、短纤维和晶须) 各向异性或同性 层片 各向异性二、复合材料的分类3.按应用目的分 树脂基 250 金属基 600 陶瓷基 金属基 树脂基、耐热性 树脂基: 60 250 金属基: 400 600 陶瓷基: 1000 1500、耐自然老化 陶瓷基 金属基 树脂基2、取决于基体相的性能、导热导电性 金属基 陶瓷基 树脂基、耐蚀性 陶瓷基和树脂基 金属基、工艺性及生产成本 陶瓷基 金属基 树脂基 1、设计的三个层次: 单层设计 - 微观力学方法 层合体设计 - 宏观力学方法 产品结构设计 -
16、 结构力学方法 单层材料的性能 取决于增强相、基体相和结合界面的力学性能,增强相的含量、分布方向等。 设计内容包括正确选择原料的种类和配比。四、复合材料设计特点层合体设计层合体的性能 取决于单层材料的力学性能和铺层方法(厚度、纤维交叉方式、顺序等)。 设计内容包括:对铺层方案作出合理的安排。产品结构性能 取决于层合体的力学性能、结构几何、组合与连接方式。 设计内容:最终确定产品结构的形状、尺寸、连接方法等。2、特点: 性能可设计性强 (可调因素多) 材料设计与结构设计相关联 性能预测性差 如: 加和法 没有考虑界面结合的影响,预测性很差。五、复合材料的发展趋势1、由宏观复合向微观复合发展微纤增
17、强复合材料 纳米复合材料 分子复合材料2、向多元混杂复合和超混杂复合发展例如两种纤维的复合应用,两种基体的复合应用等3、由结构复合为主向结构复合与功能复合并重的方向发展功能复合材料的开发与应用等4、由被动复合向主动复合材料发展所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种作用或作出某种反应。主动材料就是指具备能自诊断、自适应和自修补作用材料。5、由常规设计向仿生设计方向发展仿生设计就是利用某种生物体的特征,设计材料。仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的功能材料。思考题1、复合材料的定义2、复合材料的组成3、比较结构复合材料和功能复合材料4、复合材料的性能特点5、不同基体复合材料的适用温度
18、范围6、复合材料设计特点7、复合材料设计有哪三个层次?8、复合材料的设计包括哪些内容?2 复合原理与界面复合材料的复合原理,是反映各种因素对复合材料性能的影响规律。影响复合材料性能的因素:工艺因素基体和增强材料的性能增强材料的形状、含量、分布增强材料与基体的界面结合、结构按照复合原理,可以对所需要研究和开发的复合材料的性能,包括力学、物理、化学性能等进行设计、预测和评估。 2.1 复合原理复合材料的增强体主要有三种形式:颗粒、纤维和晶须增强机理可分为颗粒增强原理、纤维增强原理和混杂增强原理1、弥散强化复合材料的增强机制将粒子高度弥散地分布在基体中,使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分
19、子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。其强化效果与粒子直径、体积分数有关,质点尺寸越小体积分数越高,强化效果越好。一、粒子增强型复合材料的增强机制碳黑增强橡胶用金属或高分子聚合物把具有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成的材料。由于强化相颗粒较大,对位错的滑移(金属基)或分子链运动(聚合物基)已没有多大的阻碍作用,强化效果并不显著。主要不是提高强度,而是改善耐磨性或提高综合力学性能。2、颗粒增强复合材料的增强机制 硬质合金组织(Co+WC)硬质合金轴承刀具增强粒子及其效果 弥散强化复合材料,其粒子直径0.10.01m、体积分数约1%15%,增强强度。
20、 颗粒增强复合材料,粒子直径为150m、体积分数大于20%,改善耐磨性或提高综合力学性能。 以各种金属和非金属作为基体,以各种纤维作为增强材料的复合材料。纤维增强复合原则 纤维增强复合材料中,纤维是材料主要承载组分,其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。 二、纤维增强复合材料的增强机制纤维增强遵循原则:1 增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。3 纤维所占体积分数、长度、长度和直径比(L/d)等必须满足一定要求,通常纤维体积分数越高、越长、越细,增强效果越好。4 纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。5 纤维与基体之间有良好的相容性。2 基体与纤维
21、之间要有一定的粘结力,并具有一定的强度。 1)弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时,ec= ef = em (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料),则当外力垂直于纤维轴向时,则3)纤维最小体积分数2.2 复合材料的界面1、什么是界面(interface )? 复合材料中基体与增强材料之间的结合面。此结合面是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。相与相之间的交界面。即两相间的接触表面 2、界面结合的类型I、机械结合:借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。II、溶解与浸润结合:液态金属对增强纤维的侵润,而产生的作用力,作用范围只有若干原子间距
22、大小。III、反应结合:基体与纤维之间形成界面反应层。IV、混合结合:上述三种形式的混合结合方式。3、纤维增强复合材料界面特点I、纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。II、纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。III、纤维与基体反应形成界面反应层。4、怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用?界面特征:界面厚度、残余应力、界面能、结合强度1)改变增强材料表面性质。2)向基体内添加特定的元素。3)在增强材料的表面施加涂层。5、界面组成复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过界面偶合,它起着传递应力,阻断裂纹扩展,散射吸收各种电磁波,电偶腐蚀等作用。复合过程中,液体材料通过润湿、渗透、
23、扩散和化学反应形成一层成分、结构不 同于两相的过渡层微区界面。基体扩散层化合物层 扩散层纤维基体纤维1).物理结合 (机械咬合 + 次价键结合)液态基体渗入纤维表面微孔,固化后形成咬合界面。粗糙界面、低的表面能和低粘度,有利于物理结合。极性树脂如:酚醛、聚酰胺、环氧等,与极性纤维具有良好的润湿性,并可形成次价键结合。非极性树脂如:聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等,结合力弱,复合效果差。CF表面极性差,经氧化后可提高结合力。6、典型界面结合总之:物理结合是一种比较弱的结合方式。树脂基复合材料若不经特殊处理,多为物理结合。金属基部分以物理方式结合。陶瓷基几乎不以这种方式结合。22).扩散融合两相成分不
24、同,经扩散或熔融形成过渡层,性质介于两相之间,结合力较强。金属与陶瓷基复合温度较高,小分子和原子易于扩散,较常见。3).化学结合化学键结合力强。但当两相亲合力过强,可能发生化学反应,界面形成较厚的脆性化合物时,性能反而下降。树脂基复合材料:为提高两相的润湿性和结合力,通常采用偶联剂处理纤维表面,或将偶联剂直接加到液态树脂中,以便形成化学键结合。金属与陶瓷材料:化学键结合常见。多数情况在界面上形成化合物层,脆性大,对力学性能不利。尤其是高温使用的材料,应防止延续反应。7、 增强材料的表面处理为改善纤维表面的浸润性,提高界面结合力,对纤维进行的预处理 表面改性。要点:不同的复合体系应采用不同的处理
25、方法。 树脂基 提高化学结合 金属及陶瓷基 抑制化学反应1)玻璃纤维GF成分为SiO2,表面吸水后成-OH,可与含-OH、 COOH、-Cl的偶联剂反应成醚键结合。偶联剂通式: R - M X M - 中心离子 Cr+3、 Si+4、 Ti+3等高价金属离子。 R - 可与聚合物交联的基团。如不饱和双键、氨基、环氧、 巯基等。 X - 可与玻纤表面醚化的活性基团。如:-Cl、-OH、 -COOH、-OCH3、-OC2H5。 2).碳纤维 氧化法 - 提高表面粗糙度和极性。 沉积法 - CVD沉积碳晶须。 电聚合法 - 接枝高分子支链3)芳纶等有机纤维 等离子处理,使苯环氧化成 -COOH、 -
26、OH ;或接枝聚合生成高分子支链。4). 与金属基复合的纤维目的: 提高浸润性,抑制化学反应。 CF、BF与金属反应活性高,化学相容性差; 氮化物、碳化物纤维反应活性较低; Al2O3反应活性最低。措施: 降低复合温度,减少高温停留时间。 涂覆隔离层。如CF、BF表面涂SiC。 镀覆金属层,改善浸润性。如Al2O3纤维镀Cu、Ni等。 思考题1、影响复合材料性能的因素?2、复合材料的增强机制有哪些?3、什么叫弥散强化?4、纤维增强复合材料的复合原则?5、什么叫做界面?6、界面结合方式有哪些类型?7、界面特征是指什么8、怎样控制界面特征影响复合材料性能?9、不同基体的复合材料怎样选择界面处理方式
27、?10、玻璃纤维表面处理机制3. 基体材料基体的作用: 固结增强相,均衡载荷和传递应力,保持基本性质。选材原则: 强度、刚度等力学性能,只作一般性考虑。 两者相容性,环境适应性,工艺性,重点考虑。 相容性: 化学性质稳定,润湿性好,膨胀系数差要小,以确保两相界面具有足够的结合力。环境适应性: 耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。工艺性: 制备是否方便,成本是否低廉等。一、聚合物基特点: 一般在室温或低温下进行复合成型,工艺性好; 可选择的增强材料范围广泛,成本最低。研究与应用: 发展最早,品种最多,应用最广。可选材料: 几乎所有的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、粘结剂。1、热固性聚合物 (-OH、
28、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-).不饱和聚酯树脂 由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线 型预聚体。a.结构特征: 饱和二元酸结构 不饱和二元酸结构b.固化: 固化剂 - 乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。 引发剂 - 过氧化物(加热固化) 促进剂 - 苯胺类和有机钴。室温固化。3c.特点 粘度低,工艺性好。 综合性能好,价廉,用量约占80% 。 苯乙烯等挥发大有毒,体积收缩大,耐热性、强度 和模量较低。 一般不与高强度的碳纤维复合,与玻璃纤维复合制 作次受力件。双酚型 CH2 - CH - CH2Cl + n(HO - - R - - OH) (2)、环氧树脂环氧氯丙烷二酚
29、基化合物通式:线性预聚体 CH2 - CH - CH2 O - - R - - O n其中R: CH3- C -CH3A 丙基- CH2 - F 亚甲基O- S -OS 砜 双酚型环氧含硬性苯环,链刚性较高,只能用聚合度低的树脂。耐热性好,强度高,韧性差。固化特点: 环氧活性基都在链两端,固化交联点不高。b. 非双酚型 链内含有环氧基,交联密度高,结合强度及耐热性均提高。 三聚氰酸环氧含三氮杂环,有自熄性,耐电弧性好。 c. 胺基环氧 结构中含高极性的酰胺键(-NHCO-),粘结性好,力学性能较高;但耐水性差,电性能有所下降。 d. 脂环族环氧 结构中不含苯环,含脂环 ,稳定性更高,热学性能好
30、,耐紫外线,不易老化。粘度低,工艺性好。 e. 脂肪族环氧 - 高韧性环氧 无六环状硬性结构,冲击韧性好,但与纤维结合力较差。 环氧树脂固化: 环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团,可与多种固化剂交联,形成网状结构。 常用固化剂: 二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑类固化剂,强度及耐热性可进一步提高,但冲击韧性会有一定的影响。 潜伏剂: 单组份产品可加入潜伏剂,如双氰胺,室温下可存放6个月,145 165下,80min可固化。环氧树脂特点: 粘附力好,韧性较好,收缩率低。复合材料 强度高,尺寸稳定。 电性能好。介电强度高,耐电弧优良的绝缘材料。 耐酸碱耐溶剂性强。 热稳定性良好。(3)酚
31、醛树脂 由酚 和醛 缩合而成。 酚/醛 0.9,碱催化可得体型热固性树脂。固化: 加热固化 加固化剂,如六次甲基四胺或有机酸。 碱性固化剂仍需加热,酸性固化剂可室温固化。OH C - HOH15特点: 耐热性高,可达315。价格最低。粘附性较 差,收缩率大,气孔率高,性脆。改性: 引入柔性链。如:聚乙烯醇缩丁醛 降低树脂中 -OH 基的含量。如:以苯胺或二甲 苯取代部分苯酚。提高电性能。 硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能 均提高。 应用:酚醛树脂一般不与碳纤维复合,与玻璃纤维复合后,多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量高78,碳化收率达63,因此可用于制作烧蚀材料,用于导弹、航天器
32、再入大气层的防护层。 2.热塑性聚合物 与热固性聚合物相比: 力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。 工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。 CH3 聚丙烯 CH - CH2 n 柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛,价格低,普通民用。 . 聚酰胺(尼龙)CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH 链中含大量酰胺键,链间以氢键连接。结合力强,强度高,耐磨性好。使用温度 200;S+6处于最高价,抗氧化,耐辐射;抗蠕变,尺寸稳定。成型温度太高,达300。 可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。 此外:耐高温的聚酰亚胺、双马来酰亚胺等杂环结构的聚合物,耐温可
33、达300400,也常作为复合材料的基材。 Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Co、Zn、Pb及其合金,金属间化合物(TiAl、NiAl等) 选材原则: 1使用要求 航天航空:选轻金属 Al、Mg及其合金 高性能发动机: Ti、Ni及其合金 汽车发动机活塞汽缸套: Al合金 工模具: Fe、Co、Ni、Ag、Cu 集成电路散热元件: Ag、Cu、Al 二. 金属基材料高体份(60-70%)碳化硅颗粒/铝基复合材料电子封装件 国产太行战机用涡轮风扇航空发动机高温高性能高铌钛铝合金材料 2.环境温度450 Al、Mg450700 Ti合金 7001000 Ni、Fe、Co耐热合金或金属间化合物3.
34、纤维长度与长纤维复合: 纤维承载,宜选纯金属。与短纤维复合: 基体承载,宜选合金。4.相容性Al、Mg Tm低,化学活性高Cu、Ag、Ni Tm高,化学活性低 Ti Tm高,化学活性高 各种牌号铝、镁合金的成分和性能钛合金的成分和性能高温金属基复合材料的基体合金成分和性能传统陶瓷是指陶器和瓷器,主要由含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质制成。陶瓷基则主要指采用精选的原料制备的新型陶瓷材料 复合目的:增韧 作为基体材料使用的陶瓷,应具有:优良的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等三. 陶瓷材料常用陶瓷基体 微晶玻璃: 氧化物:Al2O3、ZrO2、MgO、SiO2、莫来石
35、碳化物:TiC、SiC 氮化物:Si3N4、Sialon 硼化物:TiB2、Be2B、Be4B 硅化物:MoSi2等1 微晶玻璃微晶玻璃是通过加入晶核剂等方法,经过热处理过程在玻璃中形成晶核,再使晶核长大而形成的玻璃与晶体共存的均匀多晶材料,又称为玻璃陶瓷。微晶玻璃的结构与性能与陶瓷、玻璃均不同,其性质是由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量决定的,集中了玻璃与陶瓷的特点。典型代表:Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数较大等特点,同时还具有一定的机械强度。 为获得力学性能优良的复合材料,加入的纤维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配,化学性能相容,并且
36、用于增强的纤维或晶须应具有良好的惰性不被基体液相腐蚀。 常见的有:碳纤维、碳化硅纤维(晶须)、氧化铝纤维增强微晶玻璃基复合材料。应用较多的有:Al2O3,MgO,SiO2,ZrO2,莫来石(3Al2O3-2SiO2)等。具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能,但脆性大。主要的增强物为:陶瓷颗粒或晶须。2 氧化物陶瓷Al2O3(刚玉)典型的纯氧化物陶瓷。有较高室温和高温强度。ZrO2使用温度达20002200,主要用作耐火坩锅,反应堆的绝缘材料,金属表面的防护涂层等。有三种晶型:立方结构(C相)、四方结构(t相)和单斜结构(m相),加入适量的稳定剂后,t相可以亚稳定状态存在于室温,称部
37、分稳定ZrO2。在压力作用下发生t-m马氏体转变,称应力诱导相变。这种相变将吸收能量,使裂纹尖端的应力场松弛,增加裂纹扩展阻力,从而实现增韧,常用的稳定剂有MgO、Y2O3等。3 非氧化物陶瓷 指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。自然界比较少,需要人工合成,是先进陶瓷特别是金属陶瓷的主要成分和晶相,主要由共价键结合而成,也有一定的金属键成分。 共价键结合能比较高材料有高的耐火度、高的硬度(有的接近金刚石)、高的耐磨性,但脆性大,抗氧化能力低。 氮化硅陶瓷(Si3N4) 共价键化合物的原子自扩散系数非常高,高纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此,常用反应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的方式成形后,在氮气氛中进行氮化合成(约1350)。后者是将加适当的助烧剂 (MgO,Al2O3,16001700) 烧结。氮化硼和氮化钛陶瓷 氮化硼陶瓷 BN有两种晶型:六方BN结构,性能与石墨相似,因此有白石墨之称。HBN硬度不高,是唯一易于机械加工的陶瓷。高温(15002000)高压(69103MPa )下可转化为立方BN(CBN)。CBN的硬度接近于金刚石,是极好的耐磨材料。 氮化钛陶瓷
限制150内