第五章复合材料课件

中南大学5复合材料、5.1复合材料概述1、概念是由两种以上物理、化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料。 (1)其成分材料虽然保持着相对独立性，但性能不仅仅是成分材料的单纯加成，还有重要的改善。 (2)一个相为连续相，称为矩阵。 另一相为分散相，称为增强材料，以独立的形式分布于整个连续相，是增强纤维、颗粒或分散的填料。 两者之间有界面。 (3)n个连续物理相和多个分散相可以复合。 (4)40年代玻璃纤维和合成树脂商品化后，开始生产具有工程意义的树脂基复合材料，碳纤维和环氧树脂复合，耐热从120250用于军用机承重构件的70年代，金属基复合材料克服了树脂材料的导电、导热性不足的缺陷的80年代，陶瓷基复合材料。 2命名和分类，(1)命名强化材料为前，基质为后，如“玻璃纤维环氧树脂复合材料”，简称玻璃纤维/环氧复合材料。 加强材料和基材，例如玻璃复合材料和环氧树脂复合材料也突出。 (2)分类按加强材料形态分类： a .连续纤维复合材料：各纤维的两端位于复合材料的边界的b .短纤维被复材料：纤维不规则地分散在基体中的c .粒状填料被复材料：微粒分散在基体中； d .编织复合材料：二维或三维纤维针织物。 增强纤维种类a .玻璃纤维b .碳纤维c .金属纤维(钨丝、不锈钢丝) d .有机纤维e .陶瓷纤维(氧化铝、碳化硅纤维等)、基材类a .聚合物基：基材b .金属基：基材例如铝系， 钛系c .无机非金属基：以陶瓷材料(包括玻璃、水泥)为基材材料不同作用成分a .结构：受力部件b .功能：特殊性能(阻尼、导电、交换、屏蔽)、中南大学、5.2复合材料的基材5.2.1聚合物基材5.2.1.1基材的种类、成分和作用1、聚合物基材的种类(1)不饱和聚合物特点：工艺性好，可在室温下固化，常压成形，设备简单，固化后亲合性好。 缺点：固化后体积收缩率大，耐热性能差，力学性能差，不是碳纤维复合材料的基质，主要用于民生和生活。 (2)环氧树脂： 30年代初、40年代工业化，性能好，用于碳纤维复合材料。 (3)酚醛树脂：首先实现工业化，加热后固化，无需加入固化剂，树脂固化中会析出小分子，因此树脂固化需要在高压下进行，固化时的体积收缩率大，固化后有良好的压接性能，耐水、耐化学药品性、脆性大。 主要用于玻璃纤维材料，很少用于碳纤维材料。 (4)热塑性聚合物：开始用于碳纤维复合材料。 价格：酚醛树脂环氧树脂。 聚合物基质组分聚合物是聚合物基质复合树脂的主要组分，基质组分的作用与组分之间的关系复杂。 基体中的主要成分是聚合物，辅助成分有固化剂、强韧剂、稀释剂、催化剂，辅助材料是必不可少的，提高性能，改善工艺性，降低成本，3基体的作用有三：保护纤维在粘结纤维之间的分配负荷，保护纤维不受环境影响。 (1)基材的原始状态为低粘度液体，迅速变成结实的固体，能够粘合强化纤维。 (2)增强纤维的作用是承受复合材料的载荷，但基质的力学性能对纤维的作用和效益有很大影响。 在无：基体的纤维束中，最直的纤维承受载荷，有基体时，应力均匀分配给所有纤维。 (3)基材保护增强材料不受外部条件的影响。5.2.1.2了解聚合物的结构与性能聚合物的结构，了解结构与性能的关系，确定成型工艺条件，改变结构改进性能，合成具有特定性能的聚合物。 (1)聚合物分子链由多个(103-105 )结构单元构成，各个结构单元相当于小的分子，结构单元可以是相同的(均聚物)也可以是不同的(共聚物)，通过共价键连接成线状、支链、网状结构。 (2)聚合物分子含有官能团和末端基团，末端基团不是重复结构单元的一部分，与其他反应性基团的反应和反应后的性能很重要。 (3)分子间力严重影响聚合物的凝聚态结构和复合材料的物理力学性能。 聚合物主链具有一定的内旋自由度，使大分子拥有无数的构象，具有柔软性。 化学键不能内转或单元之间存在强相互作用时，高分子链具有一定的构象和配置，具有刚性。 2聚合物性能(1)力学性能基质树脂与复合材料的力学性能的关系不能一概而论。 基体在材料中主要起着在纤维间传递应力的作用。 基体的粘结力和弹性模量是支配基体应力传递的最重要因素，弹性模量低，纤维拉伸时单独受力，其平均强度低，粘结力和弹性模量大，受力时纤维成为一体，强度高。 一般热固性树脂的力学性能不高，主要影响因素是化学键和分子间力的强弱，热塑性树脂的力学性能稍好一些。 (2)耐热性聚合物的结构和耐热性为了改善材料的耐热性，聚合物必须具有刚性分子链、结晶性或交联结构。 a .选择环氧树脂、酚醛树脂等产生交联结构的聚合物。 b .提高分子链的刚性，即减少单键，导入共价键、三键或环状结构。 c .结构规律的聚合物与分子间相互作用强的聚合物结晶能力大，结晶性聚合物的熔融温度高于对应的非结晶性聚合物。 热稳定性也是测量耐热性的指标。 在高温下加热聚合物，会发生两种反应、分解和交联。 分解是指聚合物主链的破坏，破坏相对分子质量、下降、物理力学性能，交联是指聚合物过度交联使聚合物发生变化，破坏脆弱、力学性能。 提高热稳定性的方法： a .提高分子链的键能，为了不存在弱键，例如用氟取代C-H键中的氢，形成C-F键。 b .芳环和杂环的导入，(3)耐腐蚀性的具体材料耐腐蚀性不同，一般耐弱酸弱碱，不耐强酸强碱和有机溶剂。 5.2.1.3包括热固性树脂、不饱和聚酯树脂线性结构、在主链上具有重复酯键和不饱和双键的聚合物、丙烯酸型、丙烯酸环氧型和丙烯酸型聚酯树脂. 工艺性良好，室温下粘度低，室温下可固化，常压成形； 固化后树脂的融合性良好价格低廉。 缺点：硬化时体积收缩率大，成形时有气，味毒，耐热性、强度和弹性模量低，易变性，可用于强力制品。 2 .环氧树脂含有2个以上环氧基的高分子化合物。 种类：双酚a型环氧树脂(以双酚化合物为原料)非双酚型环氧树脂(表氯醇与多元醇、酸、酯、胺缩合而成)； 有机硅环氧树脂； 胺系环氧树脂(胺化合物与表氯醇的缩合)。 各树脂性能不同，整体耐热性、固化物力学性能良好。 酚醛树脂多酚缩合物多采用粘合剂、涂料以及布纸、玻璃布的层压复合材料等。 优点：价格低廉。 缺点：吸附性差，收缩率高，成形压力高，产品空隙大，可用于碳纤维复合材料。 种类：酚醛树脂(酚与甲醛缩合)镁酚醛树脂(MgO与甲醛的缩合)、钡酚醛树脂(Ba(OH)2与甲醛的缩合)钠酚醛树脂(Na2CO3与甲醛的缩合)一般提高使用性能其他热固性树脂(1)呋喃树脂是含有呋喃环结构树脂，含有糠醇、糠醇、糠醇及其衍生物.优点：热稳定性和耐腐蚀性好，原料取作农业副产品。 缺点：机械性能差，脆，成型加压加热，耐高温，仅用于酸碱产品。 (2)乙烯基酯树脂；不饱和环氧树脂。 (3)有机硅树脂是由交替的硅和氧原子构成骨架，不同的有机基团与硅原子键合的聚合物。 5.2.1.4热塑性树脂的具有线状支链型结构的有机分子在反复热的作用下软化(熔融)，冷却变硬。 在软化或熔化的状态下，可以进行成形加工。 主要用于玻璃纤维材料。 特点：(与环氧树脂相比)力学性能、使用温度、老化性能差的工艺简单，成本低，密度小。 1 .聚酰胺是一种含有许多重复硅烷基的聚合物，被称为尼龙。 形成强氢键，增大分子间力，易于结晶，机械强度和熔点高。 结构中碳链的生长会降低机械强度，但会增加柔软性、加工性能。 2 .聚碳酸酯的特点：主链有苯环，限制分子的内转、旋转，降低柔度，提高刚性，熔融温度为225250。 与连续碳纤维或快捷碳纤维生产复合材料。 3 .聚砜主链结构有SO2链聚合物。 特点： 100-150可长期使用的高温下也不易发生化学反应，保持高硬度，尺寸稳定。 5.2.2无机胶凝材料5.2.2.1概述无机胶凝材料为水泥、石膏、水玻璃等。 在无机凝胶化材料基强化材料中，应用最多的是纤维强化水泥基复合材料，以水泥砂浆和混凝土为基质，以短纤维和连续纤维为强化材料。 5.2.2.2水泥基础水泥基础材料的特点与树脂相比，水泥基础材料具有以下特点： (1)基础材料为多孔体系，孔隙尺寸为十几纳米至几十纳米，孔隙影响基础材料本身的性质，与纤维基础材料的界面粘结。 (2)纤维与水泥的弹性模量比不大，不足1，即纤维增强水泥中应力的传递效果远不如纤维增强树脂。，(3)基体的断裂伸长率低，为树脂的1/10-1/20，因此，纤维在从水泥基体中拉出之前，基体破裂。 (4)基体中含有粉末等粒子的材料与纤维点接触，纤维的添加量受到限制。 (5)基质呈碱性，具有保护金属纤维的作用，但不利于矿物纤维。 2 .水泥基体的水化机理水化过程复杂，硅酸盐熟料中硅酸三钙(C3S )、硅酸二钙(C2S )占75%，铝酸三钙、(C3A )和铝酸四钙(C4AF )的固溶体占20%，C3S和c 22 大致由下式表示：3Cao SiO2n h2o=xcao SiO2y h2o (3- x ) ca (oh )2(1)2Cao SiO2m h2o=xcao SiO2y h2o (2- x ) ca (oh )2(2) (1)式在初期的水泥石中主要是导电性熟料粒子向外放射的针、刺同时出现CSH(2)式和CHS(1)式，粒子互相啮合成网络状，CSH(2)型作为集合体出现，0.3nm。 Ca(OH)2早期大量生成，首先生成三角形磨片后，逐渐变厚，失去三角形轮廓，Ca(OH)2和CSH交叉，对水泥石强度和填料颗粒、纤维粘结起到主要作用。 5.2.2.3氯镁水泥氯镁水泥为基质，由各种纤维增强材料和添加剂组成，重量轻，强度高，不燃，成本低，工艺简单。 又称镁水泥，是MgO-MgCl-H2O三元体系，一开始耐水性差，之后加入耐水性外添剂，耐水性大幅度提高，用于复合床、玻璃瓦、浴槽等产品。 除各种石棉、玻璃纤维外，还加入粉状填充剂(滑石)。 5.2.3陶瓷材料的传统陶瓷是指陶器和瓷器，包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等。 以含有SiO2的天然硅酸盐矿物，例如粘土、石灰石等为原料制作，也称为硅酸盐材料。 目前正在出现碳化物、氧化物、氮化物等新型陶瓷。陶瓷比金属熔点和强度高，化学性质稳定，耐热、老化性好，但脆性强，韧性差，存在裂纹、空隙、杂质等微细缺陷易裂开。 限制将陶瓷作为担载结构的材料使用。 在陶瓷中添加其他成分，如陶瓷粒子、纤维、晶须，粒子的增强效果不显着，碳化键晶须和纤维已经用于增强许多陶瓷。 基体陶瓷一般应具有优异的耐高温性能，与加固材料之间具有良好的界面适应性。 一般的陶瓷基体有玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷。 5.2.3.1玻璃、玻璃是无机材料的高温烧结陶瓷材料。 熔化后，不结晶化地冷却硬的无机材料，即具有非晶结构。 在玻璃胚体烧结过程中，物化反应产生不均衡的酸性和碱性氧化物熔融液相，粘度大，冷却过程中进一步增大。 当粘度增加到某种程度时，熔融物质会硬化变成固体的非固体物质玻璃，这时的相应温度称为玻璃化转变温度(Tg )。 当温度低于Tg时，玻璃显示出脆性。 加热后玻璃熔融液的粘度降低，达到与某粘度(108PaS )对应的温度时玻璃显着软化，该温度称为软化温度(Tf )，Tg、Tf依赖于玻璃的成分。 5.2.3.2玻璃陶瓷的许多玻璃通过热处理可以变成晶态，这一过程称为反玻璃化。 反玻璃化使玻璃成为多晶体，透光性变差，且体积变化会产生内应力，影响材料强度，因此通常应避免反玻璃化。 但是，对于一些玻璃，反过来玻璃化，可以控制过程，得到无残馀应力的微晶玻璃，这种材料被称为玻璃陶瓷。 为了实现逆玻璃化，需要加入成核剂(TiO2)。 玻璃陶瓷热膨胀率小，力学性能好，热传导率大。 5.2.3.3氧化物陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiO2、莫来石，熔点在2000以上，主要为单相多晶结构，除晶相外还含有少量气相。 细晶氧化物强度高，粗晶结构时，晶界面残馀应力大，强度差，氧化物陶瓷强度随环境温度的升高而降低，但在1000下降低，应避免在高应力和高温下使用。 这是因为Al2O3的耐热冲击性差，SiO2在高温下容易发生蠕变和变态。 莫来石耐热冲击性和热膨胀性好，但1200，5.2.3.4非氧化物陶瓷氮，碳，硼和硅化物，耐热耐磨性好，强度高，脆性也强。 碳、硼化物耐热氧化温度约为900-1000，氮化物稍低的硅化物表面能够形成氧化膜，因此耐热氧化温度为1300-1700，氮化硼具有石墨的六方结构，在高温(1300)和高压的作用下立方结构、-氮化硼、耐热温度为2000，成为金刚石的替代品。 5.3增强材料复合材料中，提高基材力学性能的物质均称为增强材料。 纤维是复合材料中主要的耐力成分。 不仅给材料以高抗拉强度和刚性，还能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度。 如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度为600MPa1000MPa，弹性模量为3000MPa8000MPa，热变形温度为85105。 5.3.1玻璃纤维及其制品，5.3.1.1概说池窑拉丝技术，纤维直径14-24um (国外)，中国6-8um，大力发展了粗纤维。 5.3.1.2分类根据玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性进行分类。 1 .原料成分用于连续玻璃纤维的分类，按碱含量分别由(1)无碱玻璃纤维(e玻璃):钙铝硼硅酸盐构成，其最大特征是强度高，耐热性和电性能优异，化学稳定性好(但没有耐酸性)，作为电玻璃国内碱金属氧化物0.5%，国外碱金属氧化物1%.(2)中碱玻璃纤维：碱氧化物11.512.5%，不在国外。 耐酸性好，强度低，用于耐腐蚀领域，价格低。(3)有碱玻璃(a玻璃)纤维：类似玻璃的钠钙玻璃，碱性高，强度低，对潮气敏感，很少制成加固材料。 (4)特殊玻璃纤维：由纯镁铝硅三元组成的高强度玻璃纤维，镁铝硅系高强度高弹玻璃纤维。 单丝直径单丝呈圆柱状粗纤维： 30um； 一次纤维： 20um； 中级纤维