复合材料重点.ppt
《复合材料重点.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《复合材料重点.ppt(99页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、1-3 1-3 复合材料的定义复合材料的定义复复合合材材料料(composite materials):由由两两种种或或两两种种以以上上不不同同性性能能、不不同同形形态态的的组组分分通通过过复复合合工工艺艺组组合合而而成成的的一一种种多多相相材材料料,它它既既保保持持了了原原组组分分材材料料的的主主要要特特点点又又显显示示了了原原组分材料所没有的新性能。组分材料所没有的新性能。复合材料的基本结构模式复合材料的基本结构模式复合材料基体复合材料基体+增强剂增强剂(由基体和增强剂两个组分构成)(由基体和增强剂两个组分构成)基体:基体:构成复合材料的连续相;构成复合材料的连续相;增强剂增强剂(增强相、
2、增强体):复合材料中独立的形态分布在(增强相、增强体):复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相,这种分散相的性能优越,会使材料的整个基体中的分散相,这种分散相的性能优越,会使材料的性能显著改善和增强。性能显著改善和增强。增强剂(相)增强剂(相)一般较基体硬,强度、模量较基体大,一般较基体硬,强度、模量较基体大,或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂(相)增强剂(相)与基体之间存在着明显界面。与基体之间存在着明显界面。增强相:一般具有很高的力学性能(强增强相:一般具有很高的力学性能(强度、弹性模量),及特殊的功能性。其度、弹性模量
3、),及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。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、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耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体,起传递和均衡应力的固结成一个整体,起传递和均衡应力的作用。作用。复合材料的特征:复合材料的特征:可设计性可设计性。即通过对原材料的选择、各组分分。即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等,使原组分材料优布设计和工艺条件的保证等,使原组分材料优点互补,因而呈现了出色的综合性能;点互补,因而呈现了出色的综合性能;由由基体组元与增强体或功能组元基体组元
4、与增强体或功能组元所组成;所组成;非均相材料非均相材料。组分材料间有明显的界面;。组分材料间有明显的界面;有有三种基本的物理相三种基本的物理相(基体相、增强相和界面(基体相、增强相和界面相);相);组分材料组分材料性能差异很大性能差异很大组成复合材料后的组成复合材料后的性能不仅改进很大,而且还性能不仅改进很大,而且还出现新性能出现新性能.1-4 1-4 复合材料的命名与分类复合材料的命名与分类命名命名:复合材料复合材料可根据增强材料和基体材可根据增强材料和基体材料的名称来命名,通常将料的名称来命名,通常将增强材料增强材料放在前面放在前面,基体材料放在后面基体材料放在后面,再,再加上加上“复合材
5、料复合材料”而构成。而构成。玻璃纤维玻璃纤维/环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料玻璃玻璃/环氧复合材料环氧复合材料环氧玻璃钢(俗称)环氧玻璃钢(俗称)玻璃纤维复合材料(强调增强玻璃纤维复合材料(强调增强材料)材料)环氧树脂复合材料(强调基体环氧树脂复合材料(强调基体材料)材料)C/C复合材料复合材料复合材料的分类:复合材料的分类:按按性能高低性能高低分类分类 常用复合材料常用复合材料 先进复合材料先进复合材料复合材料的分类:复合材料的分类:按按基体材料基体材料分类分类 聚合物基聚合物基复合材料复合材料:以有机聚合物(热固性树以有机聚合物(热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等)为基体;脂、热塑性树脂及橡
6、胶等)为基体;金属基金属基复合材料:以金属(铝、镁、钛等)为复合材料:以金属(铝、镁、钛等)为基体;基体;无机非金属无机非金属基复合材料:包括陶瓷基、碳基和基复合材料:包括陶瓷基、碳基和水泥基复合材料。水泥基复合材料。按按增强材料形态增强材料形态分类:分类:1.纤维增强复合材料纤维增强复合材料:a.连连续续纤纤维维复复合合材材料料:作作为为分分散散相相的的长长纤纤维维的的两两个个端点都位于复合材料的边界处;端点都位于复合材料的边界处;b.非非连连续续纤纤维维复复合合材材料料:短短纤纤维维无无规规则则地地分分散散在在基基体材料中;体材料中;2.晶须晶须增强复合材料增强复合材料3.颗颗粒粒增增强强
7、复复合合材材料料:微微小小颗颗粒粒状状增增强强材材料料分分散散在在基体中;基体中;4。板材增强体。板材增强体复合材料复合材料按按用途用途分类分类 结构复合材料结构复合材料:用于制造受力构件;:用于制造受力构件;功能复合材料功能复合材料:具备各种特殊性能:具备各种特殊性能(如阻尼、光、电、磁、摩擦、屏蔽(如阻尼、光、电、磁、摩擦、屏蔽等)等)智能复合材料智能复合材料混杂复合材料混杂复合材料 设计的三个层次:设计的三个层次:一次结构:单层设计一次结构:单层设计 -微观力学方法微观力学方法 二次结构:层合体设计二次结构:层合体设计 -宏观力学方法宏观力学方法 三次结构:产品结构设计三次结构:产品结构
8、设计 -结构力学方法结构力学方法 单层材料的性能单层材料的性能 取取决决于于增增强强相相、基基体体相相和和结结合合界界面面的的力力学学性性能能,增增强相的含量、分布方向等。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。设计内容包括正确选择原料的种类和配比。层合体设计层合体设计1-5 复合材料的结构设计基础复合材料的结构设计基础 层合体的性能:层合体的性能:取取决决于于单单层层材材料料的的力力学学性性能能和和铺铺层层方方法法(厚厚度、纤维交叉方式、顺序等)。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。设计内容包括:对铺层方案作出合理的安排。产品结构性能:产
9、品结构性能:取取决决于于层层合合体体的的力力学学性性能能、结结构构几几何何、组组合合与连接方式。与连接方式。设设计计内内容容:最最终终确确定定产产品品结结构构的的形形状状、尺尺寸寸、连接方法等。连接方法等。特点:特点:性能可设计性强性能可设计性强 (可调因素多)(可调因素多)材料设计与结构设计相关联材料设计与结构设计相关联 性能预测性差性能预测性差 如如:加和法加和法 没有考虑界面结合的影响,预测性很差。没有考虑界面结合的影响,预测性很差。2-1 2-1 增强体的概念和分类增强体的概念和分类 定义:增强体是结构复合材料中能提高材料定义:增强体是结构复合材料中能提高材料力学性能的组分,在复合材料
10、中起着力学性能的组分,在复合材料中起着增加强度、增加强度、改善性能的作用。改善性能的作用。增强体的增强体的基本特征:基本特征:v能明显提高材料的一种或几种性能能明显提高材料的一种或几种性能v具有良好的化学稳定性具有良好的化学稳定性v具有良好的润湿性具有良好的润湿性增强体的分类增强体的分类颗粒状颗粒状 (零维)(零维)纤维、晶须状(一维)纤维、晶须状(一维)片状片状 (二维)(二维)立体编织物立体编织物 (三维)(三维)无机非金属类无机非金属类(共价键共价键)有机聚合物类有机聚合物类(共价键、高分子链共价键、高分子链)金属类金属类(金属键金属键)。按形态分类:按形态分类:按化学特征分类:按化学特
11、征分类:2-2 2-2 无机非金属纤维无机非金属纤维一、玻璃纤维一、玻璃纤维(Glass Fibers)一种性能优异的无机非金属材料一种性能优异的无机非金属材料具有不燃、耐高温、电绝然、拉伸强度高、具有不燃、耐高温、电绝然、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能化学稳定性好等优良性能是将熔融的玻璃液,以极快的速度拉成细丝是将熔融的玻璃液,以极快的速度拉成细丝而成而成无普通玻璃的脆性,质地柔软而有弹性,可无普通玻璃的脆性,质地柔软而有弹性,可并股、加捻、纺织成各种玻璃布、玻璃带等并股、加捻、纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。织物。玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强玻璃纤维是复合材料中使用量最大的
12、一种增强材料。材料。瞄准新材料之王碳纤维瞄准新材料之王碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电,具有许多宝贵的电学、热温、又能像铜那样导电,具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用。维增强塑料这种复合材料来应用。二、碳纤维二、碳纤维 Carbon Fibers(CF)碳纤维的性能碳纤维的性能最最 突突 出出 的的 特特 点点 是是 强
13、强 度度 和和 模模 量量 高高、密密 度度 小小(1.52.0g/cm3),因而比强度、比模量高。因而比强度、比模量高。耐耐高高低低温温性性能能好好,在在惰惰性性气气体体保保护护下下,2000任任保保持持良良好好的力学性能。液氮下不脆断。的力学性能。液氮下不脆断。良好的良好的导电导热性能导电导热性能,且有方向性。,且有方向性。耐耐腐腐蚀蚀性性,除除了了强强氧氧化化剂剂如如浓浓硝硝酸酸、次次氯氯酸酸外外,一一般般的的酸酸碱对它的作用小,较碱对它的作用小,较GF具有更好的耐腐蚀性。具有更好的耐腐蚀性。热热膨膨胀胀系系数数小小,甚甚至至为为负负值值;摩摩擦擦系系数数小小,耐耐水水性性比比GF好好。
14、断裂伸长率低。断裂伸长率低。碳碳纤纤维维的的不不足足之之处处是是价价格格昂昂贵贵,比比玻玻璃璃纤纤维维贵贵25倍倍以以上上,因因此此大大大大限限制制了了它它的的推推广广应应用用。此此外外碳碳纤纤维维的的抗抗氧氧化化能能力力较差较差,在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。,在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。19581958年年C.P.TalleyC.P.Talley首先用化学气相沉积首先用化学气相沉积(Chemical vapour depositionChemical vapour deposition,简称,简称CVDCVD)方)方法研制成功高模量的硼纤维。法研制成功高模量的硼纤维。现在硼纤维通
15、用的制备方法现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝、是在加热的钨丝、碳芯或铝丝表面通过化学反应沉积硼层碳芯或铝丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤。硼纤维的直径有维的直径有100m100m、140m140m、200m200m几种。几种。三、硼纤维(三、硼纤维(Boron Fibre,BF或或Bf)硼纤维具有硼纤维具有很高的弹性模量和强度很高的弹性模量和强度,但其性,但其性能受沉积条件和纤维直径的影响,硼纤维的能受沉积条件和纤维直径的影响,硼纤维的密度为密度为2.42.65g/cm2.42.65g/cm3 3,拉伸强度为,拉伸强度为3.25.2GPa3.25.2GPa,弹性模量为,弹性模量为3504
16、00GPa350400GPa。主要。主要用于金属基复合材料。用于金属基复合材料。纵向压缩强度纵向压缩强度高于任何纤维复合材料高于任何纤维复合材料硼纤维具有硼纤维具有耐高温和耐中子辐射耐高温和耐中子辐射性能。性能。硼纤维性能硼纤维性能v目前目前SiC纤维的生产有先驱体转化法和纤维的生产有先驱体转化法和CVD法两种。法两种。vSiC纤纤维维是是高高强强度度高高模模量量的的陶陶瓷瓷纤纤维维,有有良良好好的的耐耐化化学学腐腐蚀蚀性性、耐耐高高温温和和耐耐辐辐射射性性能能。最最高高使使用用温温度度为为1250,在在1200其其拉拉伸伸强强度度和和弹弹性性模模量量均均无无明明显显下下降降,因因此此比比碳纤
17、维和硼纤维具有更好的碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性高温稳定性。v此此外外SiC纤纤维维还还具具有有半半导导体体性性能能。与与金金属属相相容容性性好好,常常用用于金属基和陶瓷基复合材料。于金属基和陶瓷基复合材料。四、碳化硅纤维(四、碳化硅纤维(Silicon Carbide Fibre,SF或或SiCf)碳化硅纤维的性能碳化硅纤维的性能力学性能力学性能:优异力学性能,高强度,高模量优异力学性能,高强度,高模量(均匀分散的微晶均匀分散的微晶凝聚力大凝聚力大)。)。物理化学性能物理化学性能耐氧化性耐氧化性:优优异异的的耐耐高高温温性性能能,在在10001000度度以以下下力力学学性性能能基基本本
18、没没有有变变化,化,13001300度以上由于度以上由于 SiCSiC微晶长大而力学性能下降。微晶长大而力学性能下降。耐腐蚀性耐腐蚀性:具有良好的耐化学腐蚀性具有良好的耐化学腐蚀性。与与金金属属相相容容性性好好:10001000度度以以下下与与金金属属几几乎乎不不反反应应,但但有有良好的浸润性,有益于与金属复合。良好的浸润性,有益于与金属复合。o氧化铝纤维是多晶连续陶瓷纤维,除氧化铝纤维是多晶连续陶瓷纤维,除Al2O3外常含有约外常含有约15%的的SiO2。o具有优良的具有优良的耐热性和抗氧化性耐热性和抗氧化性,直到,直到1370强度仍下降不大。强度仍下降不大。o缺点是在所有纤维中缺点是在所有
19、纤维中密度最大密度最大,3-4g/cm3。o主要用于金属基复合材料。主要用于金属基复合材料。五、五、氧化铝纤维(氧化铝纤维(Aluminia FibreAluminia Fibre,AFAF或或(AlAl2 2O O3 3)f f)制制备备方方法法:先先获获得得具具有有纺纺丝丝功功能能的的聚聚氮氮硅硅烷烷,再再经经过过不不熔熔化化处处理理、12001200度度左左右右的的高高温温热热处处理理,从从而而获获得得直直径径为为10151015微米、性能优异的氮化硅纤维。微米、性能优异的氮化硅纤维。性性能能特特点点:力力学学性性能能类类似似于于碳碳化化硅硅,拉拉伸伸强强度度约约为为1.53.0GPa1
20、.53.0GPa,弹弹性性模模量量约约为为120260GPa120260GPa,耐耐化化学学腐腐蚀蚀,电绝缘性能优异。电绝缘性能优异。应用领域应用领域:航空航天领域制造高温部件最好的侯选材料:航空航天领域制造高温部件最好的侯选材料六、氮化硅纤维六、氮化硅纤维 用作复合材料增强体的金属丝有用作复合材料增强体的金属丝有高强钢丝高强钢丝、不锈钢丝不锈钢丝 和和难熔金属丝(如钨、钼等)难熔金属丝(如钨、钼等)。高强钢丝和不锈钢丝主要用。高强钢丝和不锈钢丝主要用来增强铝基复合材料,也可用来增强水泥基复合材料。来增强铝基复合材料,也可用来增强水泥基复合材料。钨丝增强镍基耐热合金钨丝增强镍基耐热合金是比较成
21、功的金属基复合材料。是比较成功的金属基复合材料。用钨丝增强镍基合金可以使高温持久强度提高一倍以上,高用钨丝增强镍基合金可以使高温持久强度提高一倍以上,高温蠕变性能也明显提高温蠕变性能也明显提高。2-3金属丝(纤维)金属丝(纤维)2-4 2-4 有机纤维:有机纤维:Kevlar纤维、聚乙烯纤维纤维、聚乙烯纤维 芳香族酰胺纤维(芳香族酰胺纤维(Aromatic Polymide Fibre,Aramid,Kevlar(Dupont),KF)Kevlar化化学学结结构构:长长链链状状聚聚酰酰胺胺,其其中中至至少少85%85%的的酰酰胺胺直直接接键键合合在在芳芳香香环环上上。刚刚硬硬的的直直线线状状分
22、分子子链链在在纤纤维维轴轴向向上上高高度度定定向向,由由氢氢键键作作横横向向连连接接(在在沿沿纤纤维维方方向向的的强强共共价价键键和和横横向向弱弱的的氢氢键键是是纤纤维维性性能能各各向向异异性性的的原原因因),使使它它具具有有轴轴向向强强度度及及刚刚度度高高而而横横向向强强度低的特点。度低的特点。各种纤维性能比较各种纤维性能比较200-300,空气中空气中预氧化预氧化1500 惰性气惰性气体保护体保护PAN基碳纤维的制备过程1)刚性颗粒增强体刚性颗粒增强体(Ragid Particle Reinforcement)。颗粒增强体主要是指具有颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、高强度
23、、高模量、耐热、耐磨、耐高温耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒,如碳化硅、氧化钛、的陶瓷和石墨等非金属颗粒,如碳化硅、氧化钛、氮化硅、石墨、细金刚石等。氮化硅、石墨、细金刚石等。v颗颗粒粒增增强强体体以以很很细细的的粉粉末末(一一般般在在10m以以下下)加加入入到到基基体中起提高体中起提高耐磨、耐热、强度、模量等耐磨、耐热、强度、模量等作用。作用。v如如在在Al合合金金中中加加入入体体积积为为30%,粒粒径径为为0.3m的的Al2O3颗颗粒粒,材材料料在在300时时的的拉拉伸伸强强度度仍仍可可达达220MPa,并并且且所所加加入的入的颗粒越细颗粒越细,复合材料的硬度和强度越高。,复合材料的硬度和强
24、度越高。2-6 2-6 颗粒增强体颗粒增强体用以改善基体材料性能的颗粒状材料,称为颗粒增强体用以改善基体材料性能的颗粒状材料,称为颗粒增强体(Particle Reinforcement)主要为金属颗粒,加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体主要为金属颗粒,加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其中增强其韧性韧性,如,如Al2O3中加入中加入Al,WC中加入中加入Co等。等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高,但高温力学性金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高,但高温力学性能会有所下降。能会有所下降。v颗粒增强体的特点是颗粒增强体的特点是选材方便选材方便,可根据不同的性能要,可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增
25、强体。求选用不同的颗粒增强体。v颗粒增强体颗粒增强体成本低成本低,易于批量生产。,易于批量生产。2)延性颗粒增强体)延性颗粒增强体(Ductile Particle Reinforcement)3-2 聚合物基复合材料的分类及性能聚合物基复合材料的分类及性能聚合物基复合材料聚合物基复合材料(PMC)通常按两种方通常按两种方式分类。一种以式分类。一种以基体性质基体性质不同分为热固性树脂基复不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料;合材料;一、分一、分 类类另一种按另一种按增强剂类型及在增强剂类型及在复合材料中分布状态复合材料中分布状态分类分类(如右图)。(如右图)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 复合材料 重点
限制150内