纺织结构复合材料第一讲.ppt

纺织结构复合材料,孙宝忠,第一章绪论,1.1复合材料概述定义和分类：国际标准化组织：“由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。”材料科学技术百科全书：“复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。”材料大辞典：“复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相材料范畴。”,1.1复合材料概述,（关于复合材料，有着不同的定义方式。）“由两种以上不同的原材料组成，并使原材料的性能得到充分发挥，通过复合化而得到单一材料所不具备的性能。”（岛村昭治.未来拓先端材料，工业调查会，1982）“把一些个体典型或基本的特性组合，而得到的物质。”（余永宁等译.金属基复合材料导论，北京，冶金工业出版社，1996）“由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料。”（吴人洁，复合材料，天津大学出版社，2000）“经过一定的操作，将复数个原材料合体，或者是由复数个相生成，且具有比原材料优异的性能。”（香川丰，八田博志.基复合材料，承风社，1990）,1.1复合材料概述,尽管定义的细节有所不同，但其要点是共同的。1含两种以上不同的化学相。2具有每个组分所不具备的优良性能。至于天然材料的骨骼、竹子、木材等是否应属于复合材料的范畴，尚有不同的看法。但一般认为它们应属于具有复合材料形态的天然材料。这样，复合材料的含义就还应该包括：人工制造、成分由人们有意识的选择；具有重复的几何形状等。,通过以上对复合材料的多种定义可以发现，复合材料是两个或两个以上的不同化学性质的组元或不同组织相组成的结合体，是不同的材料在宏观尺度上组合而成的一种有用的材料。并应满足以下三个条件：(1)各组元含量都大于5；(2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能，(3)通过各种方法混合而成。对于复合材料，应该强调正面效果，即复合后的整体性能应超过组分材料，同时保留了所期望的性能(例如高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(例如低延性)，复合材料应该是多功能的材料系统，可提供任何单一材料所无法获得的特性。也就是说，并非随意将不同种类的原材料混合在一起都能够得到复合材料。,复合材料应具有以下特点,1复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的，即复合材料具有可设计性；2组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；3复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能，就是说复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能；,复合材料应具有以下特点,4复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料，即组元之间存在着明显的界面。复合材料是非天然形成的，以区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质。优异的物理化学性能：轻质高强、耐化学腐蚀、抗疲劳性能好、减振性能好、耐热性好等。,复合材料的命名,复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的某些性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)；在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料，在基体与增强体之间存在着界面；复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：,复合材料的命名,（1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）基体材料名称与增强体材料并用。这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。,复合材料的分类,（1）按使用性能分类：结构复合材料、功能复合材料等。（2）按基体材料分类，树脂基复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料等。（3）按增强材料形态分类，颗粒增强复合材料、薄片增强复合材料、纤维增强复合材料（连续纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料或晶须增强复合材料等。（4）按增强纤维类型分类，碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、陶瓷复合材料等。,（1）结构复合材料主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。结构复合材料的特点：可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材和增强体排布设计，从而充分发挥各组元的效能。,2）功能复合材料指具备各种特殊物理与化学性能的材料。例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元，它分布于基体组元中。功能复合材料中的基体不仅起到构成整体的作用，而且能够产生协同或加强功能的作用。,复合材料的历史,从广义上讲，复合材料已有很久的历史。远古时代人们用稻草掺入黏土做土坯。古代人们用钢铁层压法制成刀剑等。近代的复合材料是以1942年制出的玻璃纤维强化塑料为起点。随后为了提高纤维的弹性率，开发了硼纤维、碳纤维、耐热氧化铝纤维等。另一方面，为了改善树脂的耐热性，对金属基复合材料也开展了研究。FRM的耐热温度已达450，强度在1500MPa以上。同时，对陶瓷等无机材料作为复合材料的基体也有了重新的认识，在研究开发的基础上有了广泛的应用。如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料，则CFRP、BFRP可以称为第二代复合材料。进一步，以金属或陶瓷为基体的先端复合材料则可以称为第三代复合材料。,第一代,第二代,第三代,氧化铝纤维,玻璃纤维,硼纤维,碳纤维,芳族聚酰胺,晶须,+,高韧性,高弹性,轻量,耐热性,工程塑料,环境扩大,碳化硅纤维,金属,陶瓷,石墨,泡沫材料,混凝土,石膏,功能复合材料,延伸与韧性,氮化铝纤维,石墨纤维,功能化,定向凝固共晶,自增强塑料,扩散接合表面处理CVD(化学气相沉积)CVI(化学气相渗透)CIP,HIP,-SiC-Al2O3Si3N4石墨,聚脂,金属纤维,聚酰亚硝胺,复合材料的作用,1、对信息技术提供服务；2、对提高人类生活质量做出贡献；3、解决资源短缺与能源危机；4、治理环境等；5、国防安全等。,1)对信息技术提供服务,复合材料,信息获得敏感器件换能材料,信息存储磁记录光记录,信息处理芯片封装电路板,信息传播光导纤维导波管,信息执行机械动作高强高刚,人类已经进入了高度信息化的社会,信息技术的每一步发展都与材料息息相关,2)对提高人类生活质量做出贡献,复合材料,衣纺织机械,食蔬菜大棚,住建筑材料,行交通工具,改善舒适性轻质高强、隔音隔热墙体门窗、整体洁具飞机车辆、大小船舰高速列车的车体结构,提高安全性抗冲韧性、吸收能量汽车保险杠轿车底板自诊断机敏复合材料高层建筑抗地政灾害,提高健康水平修复植入人造器官成分设计、调整应力生物相容性人工关节、夹骨板,3)在解决资源短缺与能源危机方面的贡献,复合材料,开发新能源与节约能源,挖掘尚未被利用的能源,开发海洋与空间,使基础设施延长寿命,提高太阳能的转换率（光电池、框架）风力发电装置（大型化的叶片、支柱）核燃料（铀分离转子）；潮汐发电,基础设施建设的重要性高性能纤维增强混凝土，取代钢筋,镁（轻量、阻尼性能好，力学性能差）颗粒增强或晶须增强，扩大应用范围野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰,耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置（碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m）海上石油平台、空间站、航天器等,能源领域,轻量化是汽车节能的重要手段,采用轻质高强材料,是实现汽车轻量化重要途径。高性能复合材料的应用使汽车“轻量化”上升到一个新水平。在火车车厢制造领域早已应用复合材料,如双层玻璃钢车厢。随着火车的提速,特别是实现高速列车后,复合材料正成为越来越重要的一类材料。风力发电是新能源中开发较早、应用广、技术最成熟的可再生清洁能源。目前大型风力发动机的叶片基本上由各种复合材料制成,同时复合材料还用在机舱罩、轮毅、塔架等部位。复合材料用于海洋能源的产品有冷水吸水管、发电机叶片、浮筒、阀体、挡波板、喷嘴等。这些产品均利用复合材料的比强度高、耐海水腐蚀、耐盐雾侵蚀、抗海水微生物增长、耐冲击、耐磨损等优点。,能源领域,地热能源利用一是采暖,二是发电。复合材料在地热能的应用主要是管道,冷却塔,变电设备中绝缘,消声器,隔热、保温设备上,这主要利用复合材料的耐热防腐、比强度高、隔热性好,而且容易制造、安装、修补等优点。储能是合理利用能量的一种方法,它可将剩余能量储存起来供需要时使用。复合材料飞轮是一种很好的储能设备,这就是利用复合材料缠绕制品有很大的环向强度,同时材料密度又很小。复合材料在太阳能利用方面的应用也是多方面,从航天器、卫星上的太阳能帆板、太阳能电池、到太阳能采暖设备、发电设备、空调制冷设备中处处可见复合材料制品,特别是太空太阳能发电站,大部分构件是用碳纤维复合材料制成。由于复合材料的非磁性、隔热和特别适用于低温等优点,可以制成超导线圈支架、超低温容器等。用复合材料制造的离心机转筒,转速高、效率大,是最理想的材料。,4）在治理环境中可起的作用,复合材料,降低污染整体近净成形降低原材料用量节约加工能耗延长设施寿命功能膜支撑网格碳纤维缠绕气瓶废水治理厂管道,利用废弃物材料互补矿渣木屑废塑料麦杆稻草野生植物,“绿色”材料自然降解提高性能利用天然纤维透明农膜一此性餐具降解后变为肥料或饲料,“绿色复合材料”,完全源于生物质,并能完全生物降解的复合物被定义为“绿色复合材料”。它们可由各种天然/生物纤维和生物高聚物基体，在纳米尺寸上进行调控,复合制成。这类材料的主要优点是环境友好，完全降解，源于可持续性资源，在废弃后不伤害环境，同时能够容易地处置或堆肥。,航空航天电子信息建筑汽车农业生物材料体育运动,应用举例,1.2增强纤维和基体基本知识,复合材料中用到的纤维一般为高性能纤维，它是指具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维，一般指强度大于17.6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex以上或使用温度可在200以上的纤维。纺织纤维强度和弹性模量多用cN/dtex作单位，1cN/dtex=98(密度克每立方厘米)MPa(密度克每立方厘米)102MPa。高性能纤维常作为复合材料的增强材料，是复合材料承受载荷主要部分。常见高性能纤维种类如图：,常见的高性能纤维,玻璃纤维（GlassFibre,GF或Gt）由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。由于质地柔软，因此可以纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。价格便宜，品种多，适于编织各种玻璃布，作为增强材料广泛用于航空航天、建筑领域及日常用品。缺点是不耐磨，易折断，易受机械损伤，长期放置强度下降。,种类：按用途高强度纤维、低介电纤维、耐化学药品纤维、耐电腐蚀纤维、耐碱纤维；按化学成分碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维；按单丝直径可分为：粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维。,7.4.1聚合物基,玻璃钢天线反射面,玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢,(1)GFRP,玻璃钢应用于体育用品,AromaticPolymideFibre,Kevlar,KF特点：高强度、高模量和韧性好等密度较低，而比强度极高，超过玻璃纤维、碳纤维和硼纤维比模量与碳纤维相近，超过玻璃、钢、铝等。由于韧性好，它不象碳纤维、硼纤维那样脆，因而便于纺织。常和碳纤维混杂，提高纤维复合材料的耐冲击性。Kevlar纤维属于自熄性材料。,芳纶纤维,KEVLAR纤维,碳纤维（CarbonFibre,CF或Cf）纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。生产碳纤维的原料主要为人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯烃和沥青三种，其中以聚丙烯烃最为主要。按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。,碳纤维的结构模型PolymerMatrixComposites，PMC,普通型高强度型高弹性模量型,碳纤维片材（复合材料）用于建筑物补强加固,Pyrolysis（热解）ofpolyacrylonitrile(聚丙烯腈，PAN)toformcarbonfibers,(2)CFRP,碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）,CFRP在民用飞机中的应用,CFRP在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用,碳纤维的特点：强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900以上才呈现出永久塑性变形。摩擦系数小、润滑性好、导电性高。碳纤维的缺点：价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。,硼纤维（BoronFibre，BF或Bf）通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100m、140m、200m几种。硼纤维的特点硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.42.65g/cm3，拉伸强度为3.25.2GPa，弹性模量为350400GPa。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。,硼纤维的缺点工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。,硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱,氧化铝纤维AluminiaFibre，AF多晶连续纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。优点：具有优良的耐热性和抗氧化性，直到370强度仍下降不大。缺点：在所有纤维中密度最大。用途：主要用于金属基复合材料。,碳化硅纤维SiliconCarbideFibre，SF目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。特点：高强度高模量有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。,-碳化硅,高强聚乙烯醇纤维,聚乙烯醇(PVA)纤维，严格说是聚乙烯醇缩甲醛纤维，我国商品名为维纶。由于聚乙烯醇结晶大分子链具有平面齿形结构，理论强度和模量都比较高，适宜开发高性能纤维。高强度聚乙烯醇纤维成型方法主要有湿法加硼纺丝、干湿法纺丝、凝胶纺丝、相分离纺丝、交联纺丝及PVAc醇解直接纺丝法。常用的聚乙烯醇溶剂如二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙二醇、丙三醇、水或混合溶剂等，凝固剂有甲醇、乙醇、丙醇、十氢化萘等3。高强PVA纤维结晶度高、取向度高、截面规整致密。高强聚乙烯醇纤维由于大分子极性羟基的存在具有良好亲水性，作为复合材料的增强纤维与基体界面性能较好，作为增强材料在水泥、石棉板材、陶瓷建材及聚合物基复合材料等方面已有很多应用。,玄武岩纤维,玄武岩纤维是玄武岩石料在13501700熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成连续纤维。当快速冷却时，玄武岩纤维凝固成非晶相，而慢速冷却时，纤维凝固成部分晶相。玄武岩纤维可分为为普通玄武岩棉、超细玄武岩纤维和连续玄武岩纤维。生产连续玄武岩纤维设备主要有坩埚和池窑，与生产玻璃纤维设备基本相同。,玄武岩纤维,玄武岩纤维拉伸强度与E玻璃纤维相当，模量高于E玻纤，比E玻纤有更强理化性能。玄武岩纤维还具有自己独特优点：(1)耐高温性能，连续玄武岩纤维使用温度范围在-260700，最高使用温度可以达到900。(2)电绝缘性能好，连续玄武岩纤维体积电阻率比E玻纤高出一个数量级。(3)岩石融化过程中无有害气体产生，纤维在土壤中能自动降解，绿色环保。(4)连续玄武岩纤维与树脂粘合强度高，比玻璃纤维、碳纤维有更强亲和力。连续玄武岩纤维优良特性使其作为复合材料增强体应用更加广泛。,高强聚乙烯纤维,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是一种由柔性高分子制成的高强高模纤维。它由二三百万超高相对分子质量的聚乙烯溶液凝胶状纺丝，经高倍拉伸而成。UHMWPE纤维玻璃化转化温度较低，韧性好，塑性变形过程能吸收能量，纤维受冲击时应变波传递速度高。它制成复合材料的抗冲击性能比碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维复合材料都高。UHMWPE纤维密度仅为0.97gcm-3，因此纤维具有较高的比强度和比模量。另外相对与其他纤维，UHMWPE纤维耐光性最好。,各种主要纤维材料基本性能,0,1,2,3,4,0,1,2,3,4,聚丙烯纤维,聚酰胺纤维,聚酯纤维,钢丝,陶瓷纤维,硼纤维,碳纤维,芳族聚酰胺纤维,HPPE纤维,基于体积的强度/GPa,基于质量的强度/(N/tex),锦纶,碳纤维,HPPE,芳族聚酰胺纤维,玻璃纤维,钢丝,PES,伸长/%,比应力/(N/tex),复合材料的基体材料,复合材料的原材料：基体材料金属材料陶瓷材料聚合物材料,金属基体材料,目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综合性能，满足使用要求十分重要。,结构复合材料的基体,分为轻金属基体和耐热合金基体用于450以下的轻金属基体目前最广泛、最成熟的是铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等用于450700的复合材料的金属基体钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450700使用，用于航空发动机等零件。用于1000以上的高温复合材料的金属基体基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。,功能用金属基复合材料的基体,要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合材料来满足需求。主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。,陶瓷基体,在陶瓷基体中添加其他成分（如陶瓷粒子、纤维或晶须）可提高陶瓷的韧性。粒子增强虽能使陶瓷的韧性有所提高，但效果并不显著。高强度的碳化硅晶须容易掺混在陶瓷基体中，增强陶瓷的作用明显。用作基体材料的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、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。,陶瓷基复合材料（CMC）,CMC的应用,C/C在航天领域中的应用,C/C作为刹车盘,碳/碳复合材料（C/C）,聚合物基体,聚合物基体的种类不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80%以上。,聚酯树脂特点：工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等。主要用于一般民用工业和生活用品中,邻苯型不饱和聚酯：,间苯型不饱和聚酯：,双酚型不饱和聚酯：,环氧树脂特点：在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。,双酚型环氧树脂：,酚醛环氧树脂：,酚醛树脂优点：比环氧树脂价格便宜缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。,聚合物基体的作用把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。,例如，在没有基体的纤维束中大部分载荷由最直的纤维承受，基体使得应力较均匀地分配给所有纤维，这是由于基体使所有纤维经受同样的应变，应力通过剪切过程传递，这要求纤维和基体之间有高的胶接强度，同