聚合物基复合材料绪论.ppt

1,聚合物,复合材料,基,复合材料的应用,高分子材料与工程专业,2,二战时期,巧克力被用作美军的应急军粮,但其主要缺点是高温下融化,不能适应北非和东南亚一带的气候条件,怎么解决这一问题?,第一章绪论,3,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本身所没有的新性能取长补短复合材料,1.1引言,4,树木也是一种复合材料,木质素纤维素,5,进化的复合材料-海胆牙齿,6,进化的复合材料-贝壳,7,燕子窝：泥土-草复合材料,8,.2复合材料的定义,什么是复合材料(CompositionMaterials)?复合材料是指将两种或两种以上的不同材料,用适当的方法复合成的一种新材料,其性能比单一材料性能优越。,9,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。,.2复合材料的定义,10,11,复合材料的三种基本物理相：基体相：连续的物理相可以是一个、两个或两个以上，这种连续的物理相在复合材料中又称作基体相；增强相：不连续的物理相分散于连续的物理相中，所以也称为分散相，又因为它们多数能对基体材料起一定的增强作用，所以又成为增强相。界面相：增强相和基体相之间有一交界面称为复合材料界面，称为界面相。,12,脆性断口，基体断裂面平滑，个别纤维拔出后留下空洞。有些碳纤维内部有长条形和圆形空洞缺陷。,13,复合材料各组成的作用,14,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。,1.3.1复合材料的命名,15,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”。,1.3.1复合材料的命名,16,1.3.2复合材料的分类,17,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。,18,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。,19,1.4复合材料的特性,聚合物基复合材料是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料。1.4.1比强度、比模量（刚度）高比强度是材料强度与密度之比值即：比强度=强度/密度MPa/（g/cm3）质量相等的前提下，衡量材料承载能力；比模量是材料模量与密度之比值即：比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。质量相等的前提下，刚度特性指标,20,表1-1一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量,21,疲劳破坏的种类不同：金属突发性破坏疲劳强度极限是其拉伸强度的30%50%碳纤维/聚酯复合材料有预兆破坏疲劳强度极限是其拉伸强度的70%80%原因：复合材料的破坏经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出，断裂等一系列损伤的发展过程。基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失去部分载荷又会通过基体传递而迅速分散到其他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会因此而丧失承载能力。故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高。,1.4.2耐疲劳性能好，破损安全性能高,22,阻尼减振性好的原因：复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；受力结构的自振频率有关因素：结构形状比模量的平方根复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的振动阻尼很高，一旦振起来，在较短的时间内也可以停下来。,1.4.3阻尼减振性好,23,（1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；例如：玻璃纤维增强塑料(glass-fiberreinforcedplastics，GFRP)1942年问世，是应用最广的复合材料，强度可与钢媲美，俗称玻璃钢，是复合材料的鼻祖。具有优异的耐烧蚀性、轻量性和强度特性等，玻璃钢的用途很广，涉及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民生活的许多方面。由于它的导热系数只有金属材料的1%，同时可制成具有高比热容，熔融热和汽化热的材料，被用来制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。,1.4.4具有多种功能性,24,玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，是制造雷达罩的理想材料。由于它显示了其它工业材料无以伦比的许多优异特性，而在材料科学界引起了强烈反响，它启迪人们去寻求新的增强纤维，以开发性能更加优越的新型复合材料。,（2）优异的电绝缘性能和高频介电性能；,25,（3）良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性；有特殊的光学、电学、磁学性能。例如：碳纤维增强塑料(carbon-fiberreinforcedplastics，CFRP)优点碳纤维的强度比钢大四倍，重量只有钢的14，比铝还轻。碳纤维复合材料广泛应用在航空工业中。与玻璃钢相比，强度高0.51倍，弹性模量高24倍，同时还具有多种功能。包括：很高的耐腐蚀性；优良的热特性(绝热性，隔热性和尺寸稳定性等)；一定的电性能(通电发热，防静电干扰，导电性等)；滑动特性(耐磨性，润滑性)；减振性能(减振防噪等)；放射线特性(X射线透过性)等。,26,1.4.5良好的加工工艺性（1）可以根据制品的使用条件、性能要求选择原材料，即材料有可设计性；（2）可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法；（3）可整体成型，减少装配零件的数量，节省工时，节省材料，减轻质量。,27,1.4.6各向异性和可设计性：可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料及铺层设计满足既定的要求。这一特点可以实现制件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。,28,聚合物基复合材料存在的缺点：材料工艺的稳定性差材料性能的分散性差长期耐高温与环境老化性能不好抗冲击性能低横向强度和层间剪切强度不够好这些问题也正是需要研究解决，从而推动复合材料的发展，使之日益成熟。,29,复合材料结构在火箭中的应用,1.5复合材料的应用,30,复合材料结构在人造卫星中的应用,31,人造地球卫星与空间探测器的结构材料大多采用铝合金和镁合金，要求高强度的零部件则采用钛合金和不锈钢。为了提高刚度和减轻重量，已开始采用高模量石墨纤维增强的新型复合材料。卫星体和仪器设备表面常覆有温控涂层，利用热辐射或热吸收特性来调节温度。航天器上的大面积太阳翼初期为铝合金加筋板或夹层板结构，后来改用石墨纤维复合材料作面板的铝蜂窝夹芯结构，更先进的轻型太阳翼则以石墨纤维复合材料作框架，蒙上聚酰胺薄膜。面积更大的柔性太阳翼全部由薄膜材料制成。大型抛物面天线是现代卫星的重要组成部分，原来多采用铝合金或玻璃钢制造，但随着天线指向精度的提高，已改用热膨胀系数极小的轻质材料。石墨和芳纶在一定的温度范围内具有负膨胀系数，可通过材料的铺层设计制造出膨胀系数接近于零的复合材料，从而成为制造天线的基本材料。超大型天线需制成可展开的伞状，其骨架由铝合金或复合材料制成，反射面为涂有特殊涂层的聚酯纤维网或镍-铬金属丝网。卫星体内还使用多层材料、工程塑料、玻璃钢等作为隔热材料，用二硫化钼固体润滑剂等作为运动部件的润滑材料，用硅橡胶等作为舱室的密封材料。,32,300km动车组,动车组车头,司机台内饰,动车组车头,300km/h动车组,动车组卫生间,33,波音-767用复合材料,中国大飞机总装中心挂牌,34,目前，国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性能树脂基碳纤维复合材料，第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的2050，干线客机约为10%50。以波音777为例，在其机体结构中，铝合金占70%、钢11%、钛7%，复合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%，不仅数量激增，而且已用于飞机的主承力构