济南大学复合材料原理第10章ppt课件.ppt

1 用途 结构复合材料 功能复合材料 10功能复合材料 以其力学性能如强度 刚度 形变等特性为工程所应用 主要用于结构承力或维持结构外形 以其声 光 电 热 磁等物理特性为工程所应用 用于如绝热 透波 耐腐蚀 耐磨 减振或热变形等热 声 光 电 磁的功能要求 2 1 功能复合材料组成与特点 组成 基体材料 连续相 功能体 分散相 粘结 保护纤维作用 某些情况下也起功能作用 复合材料的功能特性主要由功能体贡献 加入不同特性的功能体可得到特性各异的功能复合材料 3 单一功能复合材料中其功能性质虽然由功能体提供 但基体不仅起到粘结和赋形作用 同时也会对复合材料整体的物理性能有影响 多元功能体的复合材料可以具有多种功能 同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能 4 1 应用面宽 根据需要可设计与制备出不同功能的复合材料 以满足现代科学技术发展的需求 2 研制周期短 一种结构材料从研究到应用 一般需要10 15年左石 甚至更长 而功能复合材料的研制周期要短得多 3 附加值高 单位质量的价格与利润远远高于结构复合材料 4 小批量 多品种 功能复合材料很少有大批量 但品种需求多 5 适于特殊用途 在不少场合 功能复合材料有着其他材料无法比拟的使用特性 功能复合材料特点 5 2 功能复合材料种类 金属基复合材料 非金属基复合材料 功能复合材料 高聚物基复合材料 无机非金属基复合材料 树脂基复合材料 橡胶基复合材料 热固性树脂基复合材料 热塑性树脂基复合材料 基体不同 6 功能特性 磁功能复合材料 电功能复合材料 光功能复合材料 热功能复合材料 摩擦功能复合材料 阻尼功能复合材料 防弹功能复合材料 辐射功能复合材料 7 功能复合材料的主要类型 减少电磁波对信息系统的干扰 减弱电磁波对人体健康的损害 吸收或衰减入射的电磁波 使其因干涉而消失或将其电磁能转换为其他形式的能量 8 9 10 3 功能复合效应 复合效应 复合材料由两种或两种以上组元构成 组元材料之间的协同作用与交互作用使复合材料表现出的一种特殊物理现象 复合效应不是复合材料的一种特定性能 但是可通过复合材料的性能而反映 换言之 同种复合材料的不同性能表现出来的复合效应是不同的 11 基体 1 复合材料各组元 相 作用 复合材料产生组合力学及其它性能 复合效应产生的根源 将增强材料粘合成整体并使增强材料的位置固定 增强材料间传递载荷 并使载荷均匀 自身承受一定载荷 保护增强体免受各种损伤 很大程度上决定成型工艺方法及工艺参数选择 决定部分性能 增强体 功能体 界面相层 主要承受绝大部分载荷 增强 增韧 赋予一定功能 12 界面区域示意图1 外力场 2 树脂基体 3 基体表面区 4 相互渗透区 5 增强剂表面区 6 增强剂 13 2 复合效应 复合效应表现形式多种多样大致可分为 反映为复合材料的混合定则 RuleofMixture Pc f1p1n f2p2n f3p3n f4p4n 线性效应 加和效应 平均效应 相补效应及相抵效应非线性效应 乘积效应 系统效应 诱导效应及共振效应 加和效应 MeanProperties Pc 复合材料的某一性质 如强度 模量 热导率等 pi 组成复合材料的基体或增强体 或功能体 的某性质fi 体积分数 f1 f2 f3 f4 100 n 常数 由实验确定 范围为 1 n 1 14 如对材料输入X 材料性能输出为Y 而Y又作为另外一种材料的输入 另外一种材料产生输出为Z 两种材料复合得出一种新性能材料 乘积效应对开发新型功能材料指出了方向 可获得很高的性能 还可创造出任何单一材料不可能存在的功能效应 乘积效应 ProductProperties 又称传递特性 交叉耦和效应 如两种功能材料 热 形变材料 X Y表示 形变 电导材料 Y Z 其乘积效果 由于两组分的协同作用得到一种新的热 电导功能复合材料 15 系统效应 机理不清楚 但存在 如彩色胶片由红 黄 兰三种感光层复合 结果是五彩缤纷的画面 复合涂层使材料表面硬度大幅度提高 超过按混合定则的计算值 说明组成了复合系统才能出现的现象 16 两个相邻物体在一定条件下发生共振 诱导效应 共振效应 在一定条件下 复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应 实验发现增强体的晶形会通过界面诱导基体结构改变而形成界面层相 17 功能复合材料的设计思路与结构复合材料基本相同 根据使用要求选用功能体 基体等原材料 通过一定的复合工艺制成所需要求的功能复合材料 设计原则与结构复合材料基本相同 首先考虑关键的 主要的性能 兼顾其他性能 选择性能分散性小的原材料 如功能体 基体等 采取的成型工艺尽可能简单 方便 经济性合理 4 功能复合材料设计 18 原因 功能复合材料的设计要比结构复合材料的设计复杂 结构复合材料设计主要考虑的是力学性能 而力学性能的计算有相当成熟的理论与数学式 功能复合材料的设计则不同 由于功能特性广 材料的功能体现不如力学性质简单 没有统一的 成熟的设计理论 一般只有半经验性的计算公式 给设计带来很大难度 设计的精度也有影响 19 功能复合材料的成型方法与结构复合材料成型方法基本相同 主要取决于基体 树脂基功能复合材料以热压成型为主 5 制造方法 20 原位复合技术 以材料合成过程于基体中产生弥散相且与母体有良好相容性 无重复污染为特色 自蔓延复合技术 以自放热 自洁净和高活性 亚稳结构产物为特征 分子自组装技术 以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度 纳米级均匀分散材料为特点 仿生技术 凝胶浇注技术 微波合成与烧结技术等 新兴技术 21 指材料中的第二相或增强相生成于材料的形成过程之中 它们不是在材料制备之前就有 而是在材料制备过程中原位就地产生 原位生成可以是金属 陶瓷或高分子等物相 它们能以颗粒 晶须 晶板或微纤等微观组织形式存在于基体中 原位复合技术 来源于原位结晶 in situcrystallization 和原位聚合 in situpolymerization 的概念 22 根据材料设计的要求 选择适当的反应剂 气相 液相或固相 在适当的温度下 借助于基体和它们之间的物理化学反应 原位生成分布均匀的第二相或称功能相 原理 1 功能相在基体中通过形核长大生成 具有热力学稳定性 2 工艺上可以利用传统大规模铸造和加工技术的优势 实现连续生产和近净成形工艺 3 由于功能相原位生成 污染小 界面结合状况好 优点 23 分子自组装技术 分子自组装指分子在氢键 静电 疏水亲脂作用 范德华力等非共价键弱力推动下 自发地构筑具有特殊结构和形状的集合体的过程 产生需要的条件 1 自组装的动力 分子间的弱相互作用力的协同作用 它为分子自组装提供能量 2 自组装的导向作用 分子在空间的互补性 即要使分子自组装发生就必须在空间的尺寸和方向上达到分子重排要求 24 按照分子自组装组分不同可将分子自组装分为表面活性剂自组装 纳米及微米颗粒自组装及大分子自组装 大分子自组装指高聚物或低聚物分子自发地构筑成具有特殊结构和形状的集合体的过程 分子自组装体系的分类 25 固态结构可通过有效的X射线晶体衍射的方法 红外光谱和X射线光电子能谱来获得组装体系的分子结构信息 X射线反射可测自组装膜的厚度和粗糙度 用差示扫描量热法 DSC 和X射线衍射及极化光谱来研究自组装体系的热力学性质等 表征手段 26 利用化合物生成时放出的反应热 使合成反应自维持下去直至反应结束 从而在很短时间里合成出所需材料的一种方法 自蔓延复合技术 又称为燃烧合成技术 27 1 在合成过程中 燃烧前沿温度极高 可蒸掉挥发性的杂质 因而产物通常是高纯度的 2 由于升温和冷却速度很快 易于存在高浓度缺陷和非平衡结构 可生成高活性的亚稳态产物 3 反应物一旦引燃 就不需外界再提供能量 加工时间只在秒级 而不是常规生产的小时级甚至天级 因此可显著节约能源和时间 而且设备也比较简单 优点 28 仿生技术 仿生学是以生物为研究对象 研究生物系统的结构性质 能量转换和信息过程 并将所获得的知识用来改善现有的或创造崭新的机械 仪器 建筑结构和工艺过程的科学 使生物科学与工程技术相结合的一门综合的边缘学科 29 分类 结构仿生 功能仿生 材料仿生 力学仿生 通过研究生物肌体的构造 建造类似生物体或其中一部分的机械装置 通过结构相似实现功能相近 是使人造的机械能够部分地实现诸如思维 感知 运动和操作等高级动物功能的仿生技术 功能仿生必须以结构仿生为基础 在智能机器人的研究中具有重大意义 30 分类 结构仿生 功能仿生 材料仿生 力学仿生 指模拟生物的各种特点或特性而进行各种材料开发的仿生技术 它的研究内容以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标 用生物材料的观点来考虑材料的设计与制作 主要研究人体结构与精细结构的静力学性质 以及人体各个组成部分在体内相对运动和人体运动的动力学性质 从生物力学角度为疾病的预防 诊断和治疗及人工器官 医疗康复器械的设计与研制提供科学根据 31 凝胶浇注技术 32 可靠性 系统或部件在给定的使用期间内 在给定的环境条件下 能够顺利完成原设计性能的概率 6 功能特性的可靠性控制 1 组分材料的多重性功能复合材料是由功能体和基体构成 除了功能体与基体的相对含量和结合情况对其性能有影响外 功能体与基体本身的性能对复合材料更有直接影响 复合材料既是一种材料 也是一种结构 要提高其可靠性具有难度 33 2 材料 结构工艺的同步性复合材料可靠性存在的问题 材料特性知识的缺乏 材料性能的分散性 制备工艺的不稳定性 试验方法的不完善 统计数据不足 对复合材料性能随时间变化的规律和知识掌握不够 34 由单功能向双功能 多功能化发展 由功能向机敏 智能化方向发展 功能 承力一体与轻量化 功能体的高性能化与微细化 使用性能的稳定性与长寿命 高精确度的设计技术与设计制造一体化 无余量成型与低成本制造技术 7 功能复合材料发展方向 35 根据应用特性 电磁波特性复合材料 磁光复合材料等 以磁功能为主要应用目的的材料 兼有磁性功能与其他功能特性的的材料 磁性复合材料 10 3磁性复合材料 36 根据基体类型分类 聚合物基磁性复合材料金属基磁性复合材料根据基体相态分类 固体磁性复合材料液态磁性复合材料根据磁性功能体的粒径大小分类 普通磁性复合材料纳米磁性复合材料 磁性复合材料 由带有磁性的功能体与基体经混合 成型 固化而得到 37 10 3 1聚合物基磁性复合材料优点 密度小 材料机械性能优良 具有很好的冲击强度和拉伸强度 加工性能好 既可制备尺寸准确 收缩率低 壁薄的制品 也可生产1kg以上的大型形状复杂制品 并不需二次加工 但若需要也可以方便地进行二次加工 决定复合材料的磁性能 影响复合材料的磁性能 力学性能及成型加工性能 改善材料的成型加工性能 1 组分材料与其作用组成 磁性功能体 磁粉 聚合物基体 粘结剂 和加工助剂三大部分组成 38 主要包括铁氧体和稀土类材料 磁性功能体 以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分 如BaO 6Fe2O3或SrO Fe2O3 的复合氧化物 与稀土类磁粉相比 磁性能较差 其复合材料磁能积仅为0 5 1 4MGOe 但价格低廉 仅为稀土类复合磁粉的1 60 1 30 而且性能稳定 成型比较容易 占整个磁粉总量的90 左右 39 1 SmCo5其复合永磁性能比铁氧体复合永磁优异得多 最大磁能积达到8 8MGOe 兆高 奥 其最大缺点是磁性的热稳定性差 成型中易氧化 其复合永磁长期使用温度低 性能不稳定 主要包括铁氧体和稀土类材料 磁性功能体 稀土类磁粉的发展经历了几个阶段 钐钴磁铁 SmCo 稀土永磁铁之一 目前主要有SmCo5和Sm2Co17两种成分 2 Sm2Co17其磁性能与热稳定性比第一代优异得多 最大磁能积高达17MGOe 最高长期使用温度可达100 耐腐蚀性能优良 但存在价格昂贵的问题 推广应用困难 40 3 稀土类复合永磁不含Sm Co等昂贵稀有金属 以Nd2Fe14B 钕铁硼磁铁 为代表的NdFeB系列 优点 磁性能优异 价格低廉 最大磁能积可高达50MGOe 缺点 热稳定性差 易腐蚀生锈 在制造 贮存 使用期间常常发生磁性裂化现象 防止NdFeB类复合永磁的氧化腐蚀 一是对磁体的表面进行抗氧化腐蚀涂层 二是对NdFeB合金体本身组成改性 通过加入Co Ni等元素来实现 4 复合磁粉磁体中含有两种以上的不同磁粉 41 热固性基体中 常采用环氧树脂 其具有良好的粘结性能 耐腐蚀性能 尺寸稳定性及高强度等特点 目前多采用添加多种硫化物的方法对环氧树脂进行改性 以提高其加工稳定性和磁性能 聚合物基体 粘结剂 橡胶类 热固性树脂类和热塑性树脂类 包括天然橡胶与合成橡胶 主要用于柔磁基体复合材料 特别在耐热 耐寒的条件下用硅橡胶作基体最合适 但与树脂类基体相比 一般橡胶成型加工困难 42 聚合物基体 粘结剂 橡胶类 热固性树脂类和热塑性树脂类 热塑性树脂中绝大多数均可作为磁性材料基体 对磁性复合材料的磁性能影响不大 但对其力学性能 耐热性能 耐化学性能有影响 最常用的热塑性基体 尼龙 其熔体黏度低 力学性能好 要求基体在成型时能提供较好的流动性 所提供的产品有较好的强度 树脂的流动性直接影响到能否得到高功能体含量的复合体系 能否很好的充满模腔 磁粉能否很好的沿外磁场方向定向等问题 43 加工助剂润滑剂 增塑剂与偶联剂改善聚合体系的流动性 提高磁粉的取向度和磁粉含量 44 10 4吸波复合材料 按照电磁波段来分 有雷达隐身技术 红外隐身技术 激光隐身技术 可见光隐身技术 声隐身技术以及复合隐身技术等 按照实现目标隐身的技术手段可分为外形隐身 结构隐身 技术和材料隐身技术 材料隐身技术中的关键是吸波材料 隐身技术 在一定的遥感探测环境中降低目标的可探测性 现代隐身技术分类 45 吸波复合材料 由基体材料 或粘结剂 增强体与损耗介质复合而成 能够通过自身的吸收作用减少目标雷达的散射截面 RCS 与实际目标反射回发射 接收天线的能量相同的理想电磁波反射体的面积 雷达散射截面 46 雷达方程 Pr 接收功率 雷达散射截面Pt 发射功率 波长G 天线增益R 距离 雷达接收到从目标返回的功率与RCS成正比 为使目标对雷达隐身应该尽量减小其RCS 使用吸波复合材料可达到此目的 47 吸波材料能吸收或衰减入射的电磁波 使其因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的能量 其基本原理包括干涉作用和吸收作用 1 干涉作用干涉作用是将入射的电磁波分成两部分 一部分从吸波层表面反射 另一部分透过吸波层后经底层反射后再穿过吸波层射出来 若经底层反射的波与吸波层表面反射的波相位正好相反 两段波便可发生干涉而减弱 吸波基本原理 48 衰减特性 电磁波在材料内产生电损耗或磁损耗 使电磁波的电磁性能转为其他形式的能量散失掉 达到减少反射的目的 2 吸收作用材料对电磁波产生吸收作用有两个条件 1 电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到材料内部 即电磁匹配要好 匹配特性 2 进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉 即电磁损耗要大 衰减特性 49 电损耗机理 依靠电介质的极化机理吸收 衰减电磁波 极化的基本形式包括位移式极化和松弛极化 弹性 瞬时完成 其极化过程不消耗能量 一般发生在物质结构紧密 规则的地方 与热运动有关 非弹性 需一定时间 需消耗一定的能量 电损耗介质的吸波机理主要是松弛极化 松弛极化与电场作用和热运动有关 热运动的作用力图使材料中的质点分布混乱 而电场力图使这些质点按电场规律分布 最终结果是使质点按电场规律分布 然而在质点移动过程中克服了一定的势垒 时间较长 需吸收一定能量 50 抗辐射复合材料 在高剂量辐射 电离辐射 能量照射环境下 能长时间使用的复合材料 10 8抗辐射复合材料 电离辐射 天然辐射 人工辐射 来源于地球外的宇宙线和地球本身的天然放射性核素 来源于各种人为制造或利用的辐射源 包括核工业 辐射加工 医疗照射以及生产过程中产生的辐射源或加工过的天然辐射源 51 抗辐射复合材料的分类与特点 辐射类型 抗紫外线复合材料 抗X射线复合材料 抗 射线复合材料 抗中子射线复合材料 基体材料 聚合物基抗辐射复合材料 陶瓷基抗辐射复合材料 碳基抗辐射复合材料 金属基抗辐射复合材料 52 复合材料的抗辐射能力主要由组分材料决定 如重金属化合物 稀土金属氧化物和陶瓷粉末具有很强的抗辐射能力 将它们添加到基体材料中 可以制成性能优越的抗辐射复合材料 纤维或织物增强的复合材料一般都具有良好的抗辐射能力 目前广泛应用于抗辐射复合材料的纤维种类主要有金属纤维 金属镀层纤维 涂覆金属盐纤维 碳纤维和碳化硅纤维 这些纤维具有良好的抗辐射性能以及优异的力学性能 热性能等 53 紫外线是波长在180 400nm之间的电磁波 益处 适量的紫外线辐射能促进人体维生素D的生成和对钙的吸收以及抑制细菌的生长