第4章 纤维复合材料及其制造方法ppt课件

聚合物复合材料,Review,第3章复合材料的增强材料3.1玻璃纤维3.2碳纤维3.3有机高分子纤维3.4陶瓷纤维3.5金属纤维3.6晶须3.7粉体增强材料,Content,第4章纤维复合材料及其制造方法4.1聚合物基复合材料4.2碳基复合材料4.3混杂纤维复合材料4.4其它复合材料,4.1聚合物基复合材料,概述,聚合物基复合材料（PolymerMatrixComposites，PMC）聚合物为基体的复合材料发展最早、研究最多、应用最广、规模最大聚合物基复合材料分为：树脂基复合材料（热固、热塑）橡胶基复合材料,比强度大，比模量大耐疲劳性能好减震性好耐烧蚀性能好工艺性好,聚合物基复合材料性能特点,聚合物基体,热固性树脂不饱和聚酯环氧树脂酚醛树脂聚酰亚胺树脂其他热固性树脂呋喃树脂有机硅树脂,热塑性树脂聚烯烃聚酰胺聚碳酸酯（PC）聚甲醛（POM）聚苯醚（PPO）聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和乙二醇酯（PET）氟树脂聚砜（PSF）聚苯硫醚（PPS）聚醚醚酮（PEEK）,橡胶基体：天然橡胶丁苯橡胶氯丁橡胶丁基胶丁腈胶乙丙橡胶聚丁二烯橡胶聚氨酯橡胶,聚合物基复合材料的制造方法,1）聚合物基复合材料的工艺特点材料的形成与制品的成型同时进行树脂基复合材料的成型比较方便,2）聚合物基复合材料的制造技术预浸料的制造制件的铺层固化制件的后处理与机械加工,按增强体的纺织形式分为预浸带、预浸布、无纺布等按纤维的排布方式分为单向预浸料、织物预浸料按纤维类型分为玻璃纤维预浸料、碳纤维预浸料、有机纤维预浸料,预浸料是将树脂体系浸涂到纤维或纤维织物上，通过一定的处理过程后贮存备用的半成品。,（1）预浸料及其制造方法,a）热固性预浸料的制备按照浸渍设备或制造方式分为转鼓缠绕法和列陈排铺法按照浸渍树脂状态分为湿法（溶液预浸法）和干法（热熔预浸法）,b）热塑性预浸料的制造按照树脂状态分为预浸渍技术溶液预浸熔融预浸后浸渍技术膜层叠粉末浸渍纤维混杂纤维混编,（2）手糊成型工艺（HandLay-up）,最简单，劳动密集型工艺设备投资少生产效率低，制品质量难以控制能生产大型和复杂形状制品,特点：半自动化成型工艺根据使用喷射压力分为高压机和低压机根据树脂和固化剂的混合方式有机树脂和纤维的混合方式分为枪内混合和枪外混合,（3）喷射成型工艺（Spray-up）,低压无气喷射成型,（4）袋压成型工艺（Bag-molding）,预浸料成型工艺中最早及最广泛分类：真空袋，压力袋和热压罐成型特点：构件尺寸稳定、准确可制非等厚层压板周期长，袋材料昂贵（尼龙膜）应用：高性能FRP（热压罐法）,适合尺寸精度要求高，量大的制品生产,（5）模压成型工艺（CompressionMolding）,先将增强体置于模具中形成一定形状，再将树脂注射进入模具，浸渍纤维并固化。,树脂传递模塑（树脂迁移成型）工艺（ResinTransferMolding,RTM）,特点污染小，为闭模操作系统；制品可设计性，综合性能优异树脂各种液态的粘度低于1000CP的热固性树脂,将浸渍树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上，常压在室温或较高温度下固化成型。适用于生产各种尺寸回转体,（6）缠绕成型工艺（FilamentWinding）,特点纤维铺放的高度准确性和重复性纤维含量高（70-75%）原材料浪费少，无废料树脂挥发份，粘度，适用期有要求,缠绕成型示意图,湿法缠绕;干法缠绕;半干法缠绕,环向;纵向;螺旋,特点：连续恒定截面，高效，自动化工艺:纤维输送-纤维浸渍-成型与固化-夹持与拉拔-切割应用:杆，棒，空心管，型材等,（7）拉挤成型工艺（Pultrusion）,拉挤成型示意图,聚合物基复合材料的基本性能,1）力学性能比强度高各向异性弹性模量和层间剪切强度低性能分散性大2）疲劳性能3）冲击性能4）蠕变性能5）物理性能电性能、温度特性、阻燃性能、光学性能、老化性能,4.2碳基复合材料,概述,基体为碳的复合材料，主要为C/C复合材料,1958年碳基体复合材料；20世纪60年代中期-70年代末期火箭发动机喷管喉衬20世纪80年代军用-民用,研究热点：低成本;抗氧化,制备工艺,碳纤维与基体的选择,碳纤维：碱金属等杂质含量尽量低高强度、高模量和较大的断裂伸长表面处理（根据实际情况确定）,浸渍用的基体树脂：残碳率高有粘性流动性好与碳纤维良好的物理相容性,预成形体（坯体）,通过长纤维（或带）缠绕、碳毡、短纤维模压或喷射成型、石墨布叠层的z向石墨纤维针刺增强以及多向织物等方法制得。,1）化学气相沉积工艺（CVD）,最早采用的C/C复合材料致密化工艺原料低分子量的易挥发烃类（甲烷、丙烷、苯等）工艺过程1）反应气体扩散至沉积衬底边界层；2）反应气体被吸附，发生反应；3）气体产物解吸附，扩散；4）产生的气体被排除。,制备工艺,影响因素1）反应温度和压力低温低压下，反应动力学控制；高温高压下，扩散为主。2）气体流量，载气流量，分压影响扩散/沉积的平衡3）扩散速度与沉积速度,2）液态浸渍法,3）化学气相浸渗工艺（CVI）,指气体在增强体坯体的孔隙内发生化学反应和沉积反应物的工艺。CVD只在基质表面发生（表面沉积）,分为等温等压CVI工艺（ICVI）温度-压力梯度CVI工艺（FCVI）,4）快速致密化工艺,采用液态低分子有机物为碳源前躯体，将坯体浸入其中后，加热至液体沸腾，达到碳源的分解温度后，热解碳先在坯体内部沉积，而后逐渐外移，直到坯体内外热梯度消失，致密化过程结束。,碳沉积速率比传统的等温CVI工艺高两个数量级,5）预成纱工艺,6）自烧结性焦烧结法,C/C复合材料的性能,1）力学性能2）热物理性能3）化学稳定性4）抗氧化防护,C/C复合材料抗氧化途径a.873K以下,采用抑制剂法b.大于873K,采用高温抗氧化涂层法1773K以下:SiC和Si3N4硅类陶瓷1773K-2073K的抗氧化防护硅基复合涂层:Si2O3/SiC(外层/内层)c.更高温度，采用复合涂层法,C/C复合材料的应用,1）航天领域2）刹车片3）航空发动机4）其他军事领域5）生物医学,4.3混杂纤维复合材料,混杂纤维复合材料两种或两种以上纤维混杂增强一种基体构成的复合材料,采用混杂纤维复合材料节约成本通过优化，达到较宽范围的物理和机械性能可以得到独特的单项和组合的性质,混杂纤维复合材料的结构形式,层内混杂复合材料A型两种纤维按一定混杂比均匀分散在同一基体中层间混杂复合材料B型两种纤维复合材料层按不同比例及方式交替铺叠在一起夹层结构C型一种纤维复合材料作为芯层，一种纤维复合材料作为表层层内/层间混杂复合材料AB型由A型和B型两种结构形式叠加而成超混杂混杂复合材料D型金属材料、各种单一复合材料组成,混杂纤维复合材料的特性,冲击强度和断裂韧性显著提高混杂纤维增强复合材料的成本明显降低提高疲劳强度改善刚度性能特殊的热膨胀性能,混杂纤维复合材料的应用,在航空、航天工业中的应用在船舶工业中的应用在汽车工业中的应用在建筑设施中的应用在体育和医疗卫生领域中的应用,4.4其它复合材料,功能复合材料,导电复合材料、磁性复合材料压电复合材料、摩擦功能复合材料含能复合材料、隐身复合材料电磁屏蔽复合材料抗声纳复合材料抗X射线辐射复合材料烧蚀复合材料,生体复合材料,人工关节和人工骨齿科材料抗血栓功能材料其他,智能复合材料,能变软变硬的材料能向外部告知状态的材料能产生新陈代谢的材料,Summary&Problem,聚合物基复合材料制备工艺、结构、性能、界面和应用各种成型工艺的特点碳/碳复合材料制备工艺、结构、性能、界面和应用