复合材料原理09第2讲ppt课件.ppt

复合材料原理 课程学科分类 材料学课程授课人 成来飞殷小玮超高温结构复合材料国防科技重点实验室2009 3 5 第二讲复合材料学基础 1 纤维2 聚合物为甚么要复合 3 金属和金属间化合物为什么要复合 4 陶瓷为什么要复合 5 碳基为什么要复合 1 纤维 增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的组元物质 复合材料的重要组成部分 起着提高基体的强度 韧性 模量 耐热 耐磨等性能的作用 1 1增强体材料的作用和特性 具有能明显提高基体某种所需特性的性能 如高的比强度 比模量 高热导率 耐热性 低热膨胀系数等 具有良好的化学稳定性 在复合材料制备 使用过程中其组织结构 性能不发生明显变化和退化 与基体具有良好的化学相容性 不发生严重的界面化学反应 与基体具有良好润湿性 或通过表面处理能与基体良好润湿 以保证增强体与基体良好地复合和均匀分布 1 纤维 1 1增强体材料的作用和特性 1 2增强体材料的分类 纤维Fibers 晶须Whiskers 颗粒Particles 1 纤维 1 2 1增强体材料 颗粒 颗粒增强体高强度 高模量 耐热 耐磨 耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒 SiC Al2O3 Si3N4 TiN BN等 1 纤维 1 2 2增强体材料 晶须 晶须 人工条件下制造 细小 单晶 棒状 SiC Al2O3 Si3N4等 组织结构细小 直径 0 2 1 m长度 几十 m 缺陷少 复合材料的性能基本上是各向同性 1 纤维 1 2 3纤维类增强体的分类 纤维尺寸连续长纤维 连续长度超过数百米短纤维 几十毫米 喷射 纤维组分无机纤维 C Si3N4 SiC B BN xAl2O3 ySiO2 Glass有机纤维 刚性分子链 柔性分子链 1 纤维 1 2 3纤维类增强体的种类 1 纤维 1 纤维 1 2 3纤维类增强体的种类 E型 很好的电绝缘性能 最常见 产量最大 90 S型 开发较晚 高强度 高刚度力学 热稳定性以及耐腐蚀好成本高 C型 耐酸腐蚀 1 3 1 1玻璃纤维 1 纤维 1 3连续纤维 1 3 1无机纤维 1 3 1 2碳纤维 碳元素组成的一种高性能增强纤维 1 纤维 1 3 1无机纤维 碳纤维外层区的微晶层面沿圆周向排列有一定择优取向内层是无规则排列 外层沿周向排列 而内层和中心区呈径向排列 纤维内外层都是沿周向排列 横截面结构 微晶层的取向分布不同 结构与原料和制备工艺 预氧化 有关 碳纤维的微结构 1 纤维 1 3 1 2碳纤维 1 3 1无机纤维 微晶尺寸 碳纤维性能 热处理 对纤维的牵引 微晶取向 孔洞缺陷 弹性模量 拉伸强度 导电 热性 碳纤维的微结构 1 3 1 2碳纤维 1 3 1无机纤维 1 纤维 碳纤维的拉伸强度 弹性模量 E 材料的固有弹性模量 E0 纤维的轴向取向度 结晶厚度 d 碳化处理的反应速度常数 K 碳纤维的晶粒取向度 碳纤维表面微晶沿纤维轴向的取向度越高 碳纤维的弹性模量越大 E E0 1 1 K 1 1 碳化处理温度提高可提高碳纤维的强度 1 3 1 2碳纤维 1 3 1无机纤维 1 纤维 SiC纤维 高强度高模量高化学稳定性良好高温性能 CVD 先驱体法 单丝直径 95 140 m 单丝直径 10 14 m 1 3 1 3SiC纤维 1 3 1无机纤维 1 纤维 Al2O3纤维 氧化铝含量 70 xAl2O3 ySiO2纤维 70 Al2O3 SiO2 短纤维 熔喷法和离心甩丝法制造可批量生产 成本低 连续纤维 烧结法 先驱体法和熔融仿丝法 1 3 1 3Al2O3纤维 1 3 1无机纤维 1 纤维 芳香族聚酰胺类纤维 AromaticPolyamideFibers 缩写成AramidFibers 的通称国外商品牌号叫凯芙拉 Kevlar 纤维 我国命名为芳伦 纺纶 纤维 有时也称有机纤维 1 3 2 1芳伦纤维 1 3 2有机纤维 1 纤维 1968年美国杜邦公司开始研究芳伦纤维1973年研究成功一类全对位芳香族聚酰胺纤维 开始命名为ARAMID纤维 后改名为凯芙拉纤维共有三个品种 Kevlar Kevlar 29 Kevlar 49 凯芙拉纤维是一种高强度 高模量 耐高温 耐腐蚀 低密度的有机纤维 由于它具有很多优异性能 在很多工业领域获得了广泛的应用 1 3 2 1芳伦纤维 1 3 2有机纤维 1 纤维 拉伸强度高 单丝强度达3773MPa 抗冲击性能好 为石墨纤维的6倍 硼纤维的3倍弹性模量达127 148GPa断裂伸长率为3 接近玻璃纤维 高于其他纤维密度小 约为1 44 1 45g cm3 只有铝的一半 具有很高的比强度和比模量 1 3 2 1芳伦纤维 1 3 2有机纤维 1 纤维 纺纶纤维有良好的热稳定性 耐火而不熔 当温度达487 C时尚不熔化 但开始碳化 所以高温作用下 它直至分解不发生变形 能长期在180 C下使用 1 3 2 1芳伦纤维 1 3 2有机纤维 1 纤维 1 3 3长纤维的性能和特点 1 纤维 1 纤维 1 3 3长纤维的性能和特点 热固性基体复合材料 热固性基体的成型是利用树脂的化学反应 固化等化学结合状态的变化来实现的 其过程是不可逆的热塑性基体复合材料 热塑性基体是利用树脂的融化 流动 冷却 固化的物理状态的变化来实现的 2 1聚合物基体分类 2 聚合物为什么要复合 聚合物基体 热固性基体 热塑性基体 不饱和聚酯 环氧树脂 酚醛树脂 缩水甘油醚 缩水甘油酯 氨钡催化酚醛树脂 改性酚醛树脂 呋喃树脂 缩水甘油胺 线型脂肪族 脂环族 顺丁烯二酸酐 丙烯酯 乙烯基酯 不饱和聚酯 二酚基丙烷 聚酰亚胺 双马来酰亚胺 聚烯烃 聚酰胺 聚碳酸酯 聚甲醛 聚苯醚 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚丁烯 聚醚乙醚酮 聚醚亚胺树脂 2 1聚合物基体分类 2 聚合物为什么要复合 五种链状分子键 1 LinearPolymers2 BranchedPolymers3 CrosslinkedPolymers4 LadderPolymers5 NetworkPolymers 2 2聚合物基的结构和性能 复杂程度塑性强度 使用温度提高 2 聚合物为什么要复合 玻璃化转变 无定形或半结晶聚合物从粘流态或高弹态 橡胶态 向玻璃态转变 或相反的转变 发生玻璃化转变的较窄温度范围的近似中点称玻璃化温度玻璃化温度 高分子链段从冻结到运动 或反之 的一个转变温度 Tg是高分子的特征温度之一可以作为表征高分子的指标 2 聚合物为什么要复合 2 2聚合物基的结构和性能 2 聚合物为什么要复合 2 2聚合物基的结构和性能 2 3聚合物基的特点 2 聚合物为什么要复合 分子链与分子链之间主要是范德华作用力 弱Polymer基体的特点是强度低主要问题是增强 2 聚合物为什么要复合 2 3聚合物基的特点 a 有机玻璃 环氧 b 单向石墨 环氧 a 混杂纤维复合材料 b 硼纤维复合材料 2 4聚合物基复合材料的性能 2 聚合物为什么要复合 BMI 三维编织碳纤维 凯夫拉复合材料的 f和E随着碳纤维用量的增加而增加一定用量的易延展凯夫拉纤维显著提高了材料的剪切强度 冲击能量吸收特性及破坏耐受力 整形外科 牙科 2 4聚合物基复合材料的性能 2 聚合物为什么要复合 双马来酰亚胺 BMI 树脂混编纤维增强 佘平江 张志斌 赵珂 等 高强度耐烧蚀复合材料的RTM成型工艺 J 航天制造技术 2002 8 4 18 21 3D玻璃纤维 氨酚醛树脂复合材料55vol 纤维复合材料力学性能接近于钢拉伸强度为744MPa 拉伸模量为40 6GPa 断裂应变2 07 弯曲强度为456 4MPa 弯曲模量31 8GPa 2 4聚合物基复合材料的性能 2 聚合物为什么要复合 2 4聚合物基复合材料的性能 2 聚合物为什么要复合 2 聚合物为什么要复合 玻璃纤维增强热固性树脂基复合材料的性质与应用范围 2 5聚合物基复合材料的应用 常见玻璃纤维增强热塑性树脂的性能和用途 2 聚合物为什么要复合 2 5聚合物基复合材料的应用 2 聚合物为什么要复合 2 5聚合物基复合材料的应用 金属和金属间化合物基体 有色基体 化合物 铝合金 镁合金 铁基合金 高温合金 黑色基体 TiAl NiAl SiMo 3 1金属和金属间化合物的种类 结构和性能 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 1 1金属间化合物的种类 1 具有超导性质的金属间化合物 如Nb3Ge Nb3Al Nh3Sn V3Si NbN等 2 具有特殊电学性质的金属间化合物 如InTe PbSe GaAs ZnSe等在半导体材料用 3 金属和金属间化合物为什么要复合 4 具有奇特吸释氢本领的金属间化合物 常称为贮氢材料 如LaNi5 FeTi R2Mg17和R2Ni2Mg15 R等仅代表稀土La Ce等或混合稀土 是一种很有前途的储能和换能材料 6 具有形状记忆效应 超弹性和消震性的金属间化合物 如TiNi CuZn CuSi MnCu Cu3Al等已在工业上得到应用 5 具有耐热特性的金属间化合物 如Ni3Al NiAl TiAl Ti3Al FeAl Fe3Al MoSi2 NbBe12 ZrBe12等不仅具有很好的高温强度 并且 在高温下具有比较好的塑性 3 具有强磁性的金属间化合物 如稀土元素 Ce La Pr Y等 和Co的化合物 具有特别优异的永磁性能 3 1 1金属间化合物的种类 三种晶体结构 面心立方体心立方密堆六方 3 1 2金属和金属基化合物的结构 3 金属和金属间化合物为什么要复合 金属间化合物基的晶体结构 2 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 1 2金属和金属基化合物的结构 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 1 3金属和金属基化合物的性能 DonaldR Askelamd chapter10 DispersionstrengtheningandEutecticphasediagrams in thescienceandengineeringofmaterials 4thed 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 1 3金属和金属基化合物的性能 吕祥鸿 杨延清 材料导报 19 3 2005 60 66 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 1 3金属和金属基化合物的性能 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense TheTi3Almaintainsitsstrengthtohighertemperatureslongerthandoesthenickelsuperalloy 1Ksi 7MPa 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 1 3金属和金属基化合物的性能 孙康宁 金属间化合物 陶瓷基复合材料 机械工业出版社 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 1 3金属和金属基化合物的性能 比重大 模量低力学性能温度效应显著塑性好热结构件 3 2金属和金属间化合物基的特点 3 2 1金属的特点 3 金属和金属间化合物为什么要复合 金属键无方向性 纯金属内部位错高度运动 纯金属非常软 韧 阻碍位错运动 强 脆 T 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 2金属和金属间化合物基的特点 3 2 1金属的特点 滑移 有一定韧性 金属键 有一定的强度 主要是增强 降低比重 比强度 提高使用温度位错等热力学缺陷是影响强度的主要因素 增强体不仅承受大部分载荷而且阻止位错的运动 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 2金属和金属间化合物基的特点 3 2 1金属的特点 原子间排列长程有序结合力强兼有金属键和共价键的特征高强度 高弹性模量 抗蠕变性好良好的抗氧化腐蚀性能密度小 熔点高 兼具金属较好的塑性和陶瓷较高的高温强度 3 2金属和金属间化合物基的特点 3 2 2金属间化合物的特点 3 金属和金属间化合物为什么要复合 室温脆性 塑性低 难加工成型高温抗蠕变性差 高温强度不足 增强体 提高室温脆性 塑性进一步提高高温强度 模量 抗蠕变性800 900 C应用 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 2金属和金属间化合物基的特点 3 2 2金属间化合物的特点 3 3金属基复合材料的种类及性能 MagnesiumMatrixComposite SiCparticles particulatecomposites Al2O3 SiCparticlesContinuousfibersofAl2O3 SiC graphiteDiscontinuousfibersofAl2O3 AluminumMatrixComposite 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 3 1金属基复合材料的种类 TitaniumMatrixComposite ContinuousmonofilamentSiCfiber long fiberreinforcedcomposites TiB2andTiCparticles particulatecomposites ContinuousfibersofC SiC W stainlesssteel304 long fiberreinforcedcomposites SiCparticles particulatecomposites CopperMatrixComposite 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 3 1金属基复合材料的种类 SCS 6 美国Textron公司外表面富CSiC非晶态RT拉伸强度 4 5GPaE 400 415GPa Ti基复合材料的微结构 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 3 1金属基复合材料的种类 Ti基复合材料性能 TMC 比强度和比模量分别提高了50 和100 最高T达800 C 600 C抗氧化差Ti 550 600 C 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 3 2金属基复合材料的性能 Mg基复合材料LowdensityHighstiffnessHighwearresistanceGoodstrengthevenatelevatedtemperaturesGoodcreepresistance Al基复合材料HighstrengthevenatelevatedtemperaturesHighstiffnessLowdensityHighthermalconductivityExcellentabrasionresistance 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 3 2金属基复合材料的性能 Ti基复合材料HighstrengthHighstiffnessHighcreepresistanceHighthermalstabilityHighwearresistance Cu基复合材料LowcoefficientofthermalexpansionHighstiffnessGoodelectricalconductivityHighthermalconductivityGoodwearresistance 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 3 2金属基复合材料的性能 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 3 2金属基复合材料的性能 3 4金属间化合物基复合材料及其性能 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 4金属间化合物基复合材料及其性能 3 金属和金属间化合物为什么要复合 用于TiAl基复合材料中的单体纤维主要性能 WangWenshengetal TitaniumIndustryProgress 钛工业进展 J 2003 2 5 纤维与基体的CTE应尽量接近 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 4金属间化合物基复合材料及其性能 CTE 3 金属和金属间化合物为什么要复合 黄旭 etal TiAl基复合材料的研究进展 稀有金属材料 2006 35 11 1845 1848 复合材料性能提高不显著 成本高 3 金属和金属间化合物为什么要复合 automotiveparts pistons pushrods brakecomponents brakerotorsforhighspeedtrains bicycles golfclubs electronicsubstrates coresforhighvoltageelectricalcables Al基复合材料 componentsforracingcars lightweightautomotivebrakesystem aircraftpartsfor gearboxes transmissions compressorsandengine Mg基复合材料 3 5应用 3 金属和金属间化合物为什么要复合 structuralcomponentsoftheF 16jet slandinggear turbineenginecomponents fanblades actuatorpistons synchronizationrings connectinglinks shafts discs automotiveenginecomponents drivetrainparts generalmachinecomponents Ti基复合材料 Cu基复合材料 hybridmodules electronicrelays electricallyconductingsprings 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 5应用 Ti基复合材料的应用 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 5应用 TiAl的应用 复合材料性能提高不显著 成本高 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 5应用 TiAl的应用 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 5应用 TiAl的应用 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 5应用 3 金属和金属间化合物为什么要复合 3 5应用 4 1陶瓷基的种类和性能 4 陶瓷为什么要复合 4 陶瓷为什么要复合 4 1陶瓷基的种类和性能 耐高温 抗腐蚀低密度 低膨胀高模量 抗压不抗拉超高温防热结构 4 陶瓷为什么要复合 4 2陶瓷基的特点和应用 陶瓷基的晶体结构 面心立方 晶格上的原子团体心立方 晶格中溶入阳离子 造成变体密堆立方 经常出现同素异构体SiC Si3N4 4 陶瓷为什么要复合 4 2陶瓷基的特点和应用 陶瓷基的主要问题 共价键和离子键 强度硬度高对制造缺陷敏感使用温度高模量高 裂纹敏感性纤维增韧可以消除缺陷的敏感性 增韧 4 陶瓷为什么要复合 4 2陶瓷基的特点和应用 陶瓷基的主要问题 4 陶瓷为什么要复合 4 2陶瓷基的特点和应用 4 陶瓷为什么要复合 4 3陶瓷基复合材料的性能 陶瓷基复合材料 空气和拉 拉疲劳条件下三代SiC SiC复合材料的寿命 载荷160MPa 频率0 25Hz 第一代 SiC Nicalon SiC第二代 SiC Nicalon self healingmatrix CERASEPA400 第三代 SiC Hi Nicalon self healingmatrix CERASEPA410 4 3陶瓷基复合材料的性能 4 陶瓷为什么要复合 CMC的增韧机理 颗粒增韧 晶须增韧 自增韧陶瓷基复合材料以裂纹偏折或阻碍为主长纤维增韧陶