复合材料的概念、分类与发展历程.ppt

复合材料 主要参考资料 1 现代复合材料 陈华辉邓海金李明 中国物质出版社 1998 2 复合材料概论 王荣国武卫莉 哈尔滨工业大学出版社 1999 3 复合材料 吴人洁 天津大学出版社 2000 5 复合材料及其应用 尹洪峰 任耘 陕西科学技术出版社 2003 6 高性能复合材料学 郝元恺 肖加余 化学工业出版社 2004 7 先进复合材料 鲁云朱世杰马鸣图 机械工业已出版社 2004 8 复合材料 周曦亚 化学工业出版社 2005 第一章复合材料的概念 分类及其发展历程第二章复合材料基本特性 应用及其研究现状第三章复合材料的基体材料第四章复合材料的增强材料第五章复合材料的成型工艺第六章功能复合材料第七章复合材料的复合原则及界面第八章陶瓷基复合材料第九章金属基复合材料 目录 第一章复合材料的概念 分类及其发展历程 材料分类 金属 无机非金属 有机高分子材料各有千秋扬长避短克服单一材料的缺点产生原来单一材料没有本身所没有的新性能复合材料 10000BC 各种材料在各个历史时期相对重要性 3 复合材料的定义 什么是复合材料 CompositionMaterials Composite 要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的 概括前人的观点 有关复合材料的定义或偏重于考虑复合后材料的性能 或偏重于考虑复合材料的结构 诸如 复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起 复合后的整体性能应超过组分材料 保留了所期望的性能 高强度 刚度 轻的重量 抑制了所不期望的特性 低延性 偏重于考虑复合后材料的性能 复合材料是多功能的材料系统 它们可提供任何单一材料所无法获得的特性 它们是由两种或多种成分不同 性质不同 有时形状也不同的相容性材料 以物理形式结合而成的 F L Matthews和 D Rawlings认为 复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物 并应满足下面三个条件 1 组元含量大于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 按这Matthews和Rawlings给出的定义 钢铁及其合金不应属于复合材料 如Co Cr Mo Si合金不属于复合材料 因为这种合金经过熔化和凝固过程 而仅有像SiC颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合材料 因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料和狭义复合材料 从广义上讲 复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料 但在现代材料学界中 复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料 复合材料可定义为 用经过选择的 含一定数量比的两种或两种以上的组分 或称组元 通过人工复合 组成多相 三维结合且各相之间有明显界面的 具有特殊性能的材料 上述复合材料的定义较易被普遍接受 它不仅明确指出复合材料是 通过人工复合的 和 有特殊性能的 材料 而且还指明了复合材料的组分 结构特点及与其他种材料 如简单混合物 化合物 合金 的特征区别 根据上述复合材料的定义 复合材料应不包括自然形成的具有某些复合材料形态的物质 化合物 单相合金和多相合金 以下面五点概括了复合材料的特点 1 复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的 2 复合材料是以人工制造而非天然形成的 区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质 3 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 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 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 中关于复合材料的定义如下 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 中关于复合材料的定义为 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 根据 材料大辞典 中关于复合材料的定义可以看出 复合材料具有两个鲜明的特点 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 复合材料具有可设计性 由于各种原材料都具有各自的优点和缺点 所以在组合时可能出现如下图所示的结果 因此复合材料必须通过对原材料的选择 各组分分布的设计和工艺条件的保证等 以使原组分材料的优点互相补充 同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能 最大限度地发挥优势 综上所述 复合材料应具有以下三个特点 1 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料 组元之间存在着明显的界面 2 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 3 复合材料具有可设计性 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 通过对各种定义 解释加以总结 复合材料应包括 组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择 至少包括两种物理和力学性能不同的独立组元 其中一组元的体积分数一般不低于20 第二组元通常为纤维 晶须或颗粒 复合材料是人工制造的 而非天然形成的 复合材料的性质取决于组元性质的优化组合 它应优于独立组元的性质 特别是强度 刚度 韧性和高温性能 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 2 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 例如 玻璃纤维增强环氧树脂复合材料 或简称为 玻璃纤维 环氧树脂复合材料或玻璃纤维 环氧 而我国则常把这类复合材料通称为 玻璃钢 碳纤维和金属基体构成的复合材料叫 金属基复合材料 也可写为 碳 金属复合材料 碳纤维和碳构成的复合材料叫 碳 碳复合材料 国外还常用英文编号来表示 如MMC MetalMatrixComposite 表示金属基复合材料 FRP FiberReinforcedPlastics 表示纤维增强塑料 而玻璃纤维 环氧则表示为GF Epoxy 或G Ep G Ep 复合材料的分类 随着材料品种不断增加 人们为了更好地研究和使用材料 需要对材料进行分类 材料的分类 历史上有许多方法 按材料的化学性质分类 有金属材料 非金属材料之分 按物理性质分类 有绝缘材料 磁性材料 远光材料 半导体材料 导电材料等 按用途分类 有航空材料 电工材料 建筑材料 包装材料等 材料的分类 复合材料的分类方法也很多 常见的分类方法有以下几种 一 按增强材料形态分为以下三类1 纤维增强复合材料 a 连续纤维复合材料 作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处 b 非连续纤维复合材料 短纤维 晶须无规则地分散在基体材料中 2 颗粒增强复合材料 微小颗粒状增强材料分散在基体中 3 板状增强体 编织复合材料 以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成 其他增强体 层叠 骨架 涂层 片状 天然增强体 复合材料结构示意图a 层叠复合b 连续纤维复合c 细粒复合d 短切纤维复合 纤维增强复合材料纤维增强复合材料分为以下五种 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 有机纤维 芳香族聚酰胺纤维 芳香族聚酯纤维 聚烯烃纤维等 复合材料 金属纤维 如钨丝 不锈钢丝等 复合材料 陶瓷纤维 如氧化铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维等 复合材料 混杂复合材料 两种或两种以上增强体同一种基体制成的复合材料 可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合 即复合材料的 复合材料 玻璃纤维复合材料用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料 即玻璃钢 玻璃钢分为两种 即热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢 热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料 热固性玻璃钢热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料 碳纤维复合材料 碳纤维复合材料 作基体的树脂 目前应用最多的是环氧树脂 酚醛树脂和聚四氟乙烯 碳纤维碳复合材料 用有机基体浸渍纤维坯块 固化后再进行热解 或纤维坯型经化学气相沉积 直接填入碳 碳纤维金属复合材料 主要用于熔点较低的金属或合金 如在碳纤维表面镀金属 制成了碳纤维金属复合材料 碳纤维陶瓷复合材料 我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料 硼纤维复合材料硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的 硼纤维树脂复合材料 基体主要为环氧树脂 聚苯并咪唑和聚酰亚胺树脂等 硼纤维金属复合材料 常用的基体为铝 镁及其合金 还有钛及其合金等 金属纤维复合材料作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨 钼 钢 不锈钢 钛 铍等 它们能被基体金属润湿 也能增强陶瓷 金属纤维金属复合材料 研究较多的增强剂为钨钼丝 基体为镍合金和钛合金 金属纤维陶瓷复合材料 利用金属纤维的韧性和抗拉能力改善陶瓷的脆性 二 按材料作用分两类 结构复合材料 功能复合材料 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 结构复合材料又可按基体材料类型和增强体材料类型来分类见下图所示 按基体类型分类 B 按增强体类型分类 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 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 除了上面的各种各样的复合材料以外 还有同质复合材料和异质复合材料 同质复合材料 增强材料和基体材料属于同种物质 如碳 碳复合材料 异质复合材料 前面提及的复合材料多属此类 复合材料目前状况 玻璃钢和树脂基复合材料非常成熟广泛的应用 金属基复合材料开发阶段某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决 复合材料发展概况复合材料发展简史 学术界开始使用 复合材料 compositematerials 一词大约是在20世纪40年代 当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯 开辟了现代复合材料的新纪元 从20世纪60年代开始 开发出多种高性能纤维 20世纪80年代以后 由于人们丰富了设计 制造和测试等方面的知识和经验 加上各类作为复合材料基体的材料的使用和改进 使现代复合材料的发展达到了更高的水平 即进入高性能复合材料的发展阶段 复合材料的整个发展过程可表示为 古代 近代 先进复合材料 天然复合材料自然界中存在许许多多的天然复合材料 例如 树木和竹子是纤维素和木质素的复合体 动物的骨骼则由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 人类很早就接触和使用各种天然复合材料 并仿效自然界制作各种各样的复合材料 例如陕西半坡人 草梗合泥筑墙 且延用至今 漆器 麻纤维和土漆复合而成 至今已四千多年 敦煌壁画 泥胎 宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆 近代 复合材料的发展始于20世纪40年代 第二次世界大战中 玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起 50年代得到了迅速发展 我国从1958年开始发展复合材料 现代复合材料的制作成功则要从1942年 第二次世界大战中 玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起 材料科学家们认为 就世界范围而论 从1940年到1960年这20年间 是玻璃纤维增强塑料时代 可以称为复合材料发展的第一代 第一代 1940年到1960年 玻璃纤维增强塑料 1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出Kevler 49 开芙拉 49 1975年先进复合材料 碳纤维增强 及Kevler纤维增强环氧树脂复合材料 已用于飞机 火箭的主承力件上 这一时期被称为复合材料发展的第二代 第二代 1960年到1980年 先进复合材料的发展时期 198