复合材料概论课件 肖国荣 第三章 复合材料的增强材料.ppt

第三章复合材料的增强材料 定义 复合材料中凡能提高基体材料力学性能的物质 纤维 在复合材料中起增强作用 是主要承力组分 可使复合材料的强度 刚度以及耐热性 韧性得到较大幅度提高 且可减小收缩 例如 PS塑料中加入玻璃纤维后拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa 弹性模量可从3GPa提高到8GPa 热变形温度可从85 提高到105 使 40 下的冲击强度提高10倍 能明显提高基体某种所需的性能 如比强度 比模量 耐热性 耐磨性或低膨胀性等良好的化学稳定性 良好的浸润性 复合材料的增强材料应具备的基本特性 3 1增强体的分类 按纤维形状分类按纤维组成分类 1 按纤维形状分类 纤维类增强体颗粒类增强体晶须类增强体片状物增强体 主要为陶瓷薄片 用于陶瓷薄片叠压成型CMC 纤维类增强体 连续纤维增强体 分单丝 束丝 数百至几万根单丝组成 长度 100m 一般直径在1 20 m 直径越小强度越高 短纤维增强体 长度几十毫米 分单丝 和束丝短纤维增强体 短纤维增强复合材料的强度 刚度低于连续纤维复合材料 颗粒类增强体 作用 以很细的粉状 50 m 加到基体中起到提高强度 模量 增韧 耐磨 耐热等作用 按材料组成分为无机非金属颗粒 如碳化硅 氧化铝 碳化钛 碳化硼 石墨 金刚石 碳酸钙 聚合物颗粒 聚乙烯 氟树脂 聚丙烯 聚酰胺颗粒 金属颗粒 铁 铜 铝颗粒 晶须类增强体 晶须 是人工制造出的细小单晶 一般呈棒状 其直径为0 2 1 m 长度为几十微米 性质 由于细小组织结构 缺陷少 具有很高的强度和模量 类型 SiC Al2O3 Si3N4等陶瓷晶须 2 按纤维组成分类 无机非金属纤维 碳纤维 玻璃纤维 硼纤维 碳化硅纤维 氧化铝纤维 氮化硅纤维 有机纤维 芳纶纤维 Kevlar纤维 超高分子聚乙烯纤维等 金属丝 钨丝 铍丝 钢丝等 3 2碳纤维 概述 碳 石墨 纤维是由C元素组成的高性能纤维 最高强度已达7000MPa 最高模量达900GPa 而其密度约为1 8 2 1 具有低热膨胀 高导热 耐高温等优异的性能 制造 以有机物为原料采用气相法和有机纤维碳化法 主要类型 1 聚丙烯晴 PAN 碳纤维2 黏胶碳纤维3 沥青碳纤维 3 2 1 碳纤维的性能 力学性能物理性能化学性能 1 碳纤维力学性能 2 碳纤维的物理性能 密度小 1 5 2 0之间 石墨化程度越高 密度越大 热膨胀系数 纤维向 1 5 0 5 10 6 K垂直纤维向 5 5 8 4 10 6 K导热率 纤维向16 74W m K 垂直纤维向0 837W m K 导电性好 高模量CF比电阻755 cm高强度CF比电阻1500 cm 3 化学性能 抗氧化性好 除能被强氧化剂氧化外 对一般酸碱是惰性的 在空气中 温度高于400 时出现明显的氧化 生成CO和CO2 耐热性 在不接触空气和氧化气氛时 碳纤维要在1500 强度才开始下降 耐油 抗放射 吸收有毒气体 减速中子等 3 2玻璃纤维 基本特点 使用量最大 成本低 性能好 分类 以原料成分分类无碱GF E玻纤 碱金属含量不大于0 5 强度较高 耐热性和电性能优良 化学稳定性好 不耐酸 中碱GF C玻纤 碱金属含量11 5 12 5 耐酸性好 价格低 但强度不如无碱GF 有碱GF A玻纤 碱金属含量 14 强度低 耐湿热性差 特种GF 高强GF S玻纤 由纯镁铝硅三元组成 抗拉强度2800MPa 高模量GF M玻纤 在低铝的钙镁硅酸盐系统中加入铬 钽 铌等氧化物 其E 120GPa 表3 1典型GF的力学性能 3 2 1物理性能 密度 2 4 2 9 耐磨性和耐折性 都很差 热性能 导热率小0 035W m K 隔热性好 优良的绝热材料 耐热性好 软化点为550 580 热膨胀系数4 8 10 6 K电性能 优良的电绝缘材料 光学性能 优良的透光材料 3 2 2化学性能 C 玻纤 对酸的稳定性好 但对水的稳定性差 E 玻纤 耐酸性较差 但耐水性较好 C 玻纤和E 玻纤耐碱性接近 耐碱性好 S 玻纤和M 玻纤的耐酸性和耐水性好 耐碱性也好于C 玻纤和E 玻纤 3 2 3玻纤商品 纤维纱 单丝 复丝 纤维织物 无捻粗纱布 平纹布 斜纹布 缎纹布 纤维毡 表面毡 短切毡 3 2 3硼纤维 主要性能拉伸强度 3450MPa 弹性模量 400GPa 热膨胀系数 1 5 10 6 K 密度 2 4 2 6 制备 硼纤维是用化学气相法在一根受热的纤芯 钨丝或碳丝 上沉积而成 3 2 4碳化硅纤维 主要性能强度2000 3000MPa 弹性模量180 200GPa 断裂延伸率1 5 密度2 55 热膨胀系数 轴向 3 1 10 6 K 在1000 以下可长期使用 在1000 以下碳化硅纤维与金属几乎不发生反应 但有很好的浸润性 有益于与金属的复合 3 2 5氧化铝纤维 主要性能优异的机械强度和耐热性能 直到1370 其强度仍下降不大 强度 1300 2500MPa 模量 150 460GPa 密度 2 7 4 2 制备 烧结法 先驱体法 熔融法 应用 多用于高温结构材料 3 2 6氮化硅纤维 主要性能拉伸强度 1500 3000MPa 弹性模量 120 260GPa 耐化学腐蚀 绝缘性能优异 应用 制造航空 航天 汽车发动机等高温部件最好的候选材料 3 3金属丝 主要类型 高强钢丝 不锈钢丝 难熔金属丝 钨钍丝 用途 高强钢丝 不锈钢丝可用于增强铝合金 难熔金属丝 钨钍丝 用于增强镍基耐热合金以提高耐热合金的高温性能 钢丝还可用来增强水泥基复合材料 表3 2各种金属丝的性能 3 4有机纤维 芳纶纤维 芳纶纤维 Kevlar纤维 是芳香族聚酰胺类纤维的总称 最常用的为Kevlar 49 主要性能 高强度 3773MPa高模量 127 158GPa抗冲击性好 约为石墨纤维的6倍 硼纤维的3倍 低密度 1 44 1 45 只有铝的一半 热膨胀系数 纤维向 2 10 6 K 横向59 10 6 K 3 5晶须 类型 用作强度材料的主要为陶瓷晶须 主要性能 高强 在纤维中强度最高 原因是它的直径非常小 容纳不下使晶体削弱的空隙 位错和不完整等缺陷 耐高温 Al2O3晶须在2070 下仍能保持7000MPa的拉伸强度 表3 3晶须的基本性能应用 由于价格高 目前主要应用在空间和尖端技术领域 表3 3晶