第5章-复合材料

第五章复合材料、引言：无处不在的复合材料古人将草茎与土复合制成建筑材料是原始复合材料，现代用语可称为“草强化泥复合材料”。 福建土楼、“高性能煤/煤航制动材料生产技术”、“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”、黄伯云开发的飞机制动片、2004年度国家技术发明一等奖(连续6年亏缺)、复合材料在航空航天中的应用、神州十号、复合材料在工业中的应用、FRP玻璃钢罐、 玻璃钢酸碱耐腐蚀池，车身：碳纤维增强塑料(CFRP )，复合材料在日常生活中的应用，5.1复合材料，复合材料是什么？ 复合材料的分类和命名？ 复合材料的性能特性是什么？ 复合材料的制造方法是什么？ 单一金属、陶瓷、高分子材料难以满足提高现代高科技应用领域材料性能的要求，因此发展复合材料。 复合材料是两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，是人工组合的多相固体材料。 5.1.1复合材料、SiC晶粒、Al2O3纤维、Al2O3板状、强化体类型、基质类型：5.1.2复合材料分类、基质、强化相、连续分布的成分、纤维、颗粒、晶须等树脂基团、橡胶基团和木质基团、玻璃基团、陶瓷基团、水泥基团和碳基团镁基和钛基，5.1.3复合材料的命名，强化体的强调：将强化体和基材相结合：例如玻璃纤维强化环氧树脂复合材料，5.1.3复合材料的特征，5.1.3复合材料的制造，层叠(层叠)法，混合法，浸渍法，利用粘接剂的粘接层叠，热压或挤出层叠，然后， 利用各种方法(例如涂装、电沉积、真空蒸镀、橡胶等)形成表面层等塑料层压板的粘接膜、新的建筑材料、金属层压板、乙烯-钢板、电线被复层和光学纤维、基材中加入填料，机械混合，溶液、乳液、浆料和混合材料，进一步微观结合，固化、层， 烧结制作均匀复合材料，将应用范围广的多孔连续相基材作为在增强液中浸渍了木材之类的醛树脂的增强层叠板，制造在多孔混凝土材料中浸渍了树脂的聚合物混凝土，制作polymer 基体、混合法、混合法、层叠(层叠)法、浸渍法、5.2增强材料， 玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、无机晶须芳香族聚酰胺纤维、石棉纤维、中碱纤维、碱含量为26%； 一种高硅酸纤维，其为无碱纤维，含有95%以上碱含量为1%以下的SiO2，耐热性达到1100以上，用于高温防火设备； 单丝直径越细，柔软性、耐折性、耐磨性也越好。玻璃纤维耐碱网布(中碱或无碱)、玻璃纤维、碳纤维碳含量为95%左右的碳纤维和碳含量为99%左右的石墨纤维； 同种石墨晶体小乱层结构构成的多晶体； 优异的取向，即晶体的强力面与纤维轴平行地沿圆周排列，因此模量高、轻、强、轻、硬尺寸稳定性、耐疲劳性、振动衰减性、耐高温性、耐化学性、电气特性、生物适应性应用：钓竿、高尔夫球杆、网球拍、飞机(商务机和直升机)、人工卫生太阳能电池板和天线、火箭和导弹箱、发射筒、土木建筑材料、赛车、笔记本电脑机箱、医疗用顶板等，硼纤维的特征：高强度、高弹性、耐高温(比玻璃纤维和碳纤维好)。 与金属复合时，由于与金属基体的润湿性较高，反应性较低，纤维直径较大，因此操作简单缺点：易破坏，而且价格相当昂贵，主要是航天部门碳化硅纤维高温抗氧化性能优异的陶瓷类复合材料的重要强化相碳化硅纤维复合材料， 进而具有吸收性能的制造方法：化学气相沉积(CVD )法和聚合物前驱体热分解法，无机晶须的直径一般为微米或亚微米级，长宽比为10以上的单晶被称为“晶须晶体”的强度高，弹性模量大，对温度的依赖关系小，化学特性稳定，耐磨损性高以芳香族聚酰胺纤维芳族聚酰胺、芳香族化合物为原料进行缩聚纺丝而得到的合成纤维； 聚对苯二甲酰胺纤维聚间苯二甲胺纤维石棉纤维温石棉、青石棉、铁石棉增强热塑性和热固性树脂与玻璃纤维混合，共同增强塑料、汽车管道、风扇护罩、仪表盘部件、MetalMatrixComposite、MMC 其强化相主要为无机非金属，例如陶瓷、碳、石墨、硼等，也可以使用电线。 在航空航天、汽车工业等领域，为提高材料的比强度、比刚性、减轻重量，发展了金属基复合材料。 常用金属基质：铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基(镍基、钴基、铁基等)、金属间化合物(Nb3Al、NiAl、Ti3Al等)基和高熔点金属(Ta、Nb、w等)基等. 5.3金属基复合材料、5.3.1铝基复合材料、铝基复合材料具有强度和比刚性高、高温性能好、疲劳、耐磨损、阻尼性能好、热膨胀系数低等优点，已成为金属基复合材料中最常用、最重要的材料之一。 常见的铝基复合材料陶瓷颗粒增强铝基复合材料： SiC、Al2O3、ti2b、TiC、AlN、BN等纤维增强铝基复合材料：除了b纤维、c纤维、SiC纤维铝基复合材料的制备方法外，原位自生、应用，(1) 汽车领域采用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘，代替传动铸铁制动盘，重量减轻60%40%，耐磨性提高，噪音显着减少，摩擦散热快的SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车发动机的活塞和齿轮箱等(2)在航空航天领域通过铸造SiC粒子强化A356和A357复合材料，可以制造飞机的液压管、直升机的起落架和阀体等(3)电子和光学设备的应用电子设备的衬里材料、散热板等用于制造电子设备的望远镜的支架和副反射镜等部件。 (4)运动用品采用铝基复合材料制作网球拍、钓竿、高尔夫球杆、滑板等增强SiC颗粒的铝基复合材料，制作自行车齿轮轻量、刚性高、不易挠曲变形的镁基复合材料：比强度和比弹性模量高，同时尺寸稳定性好，耐腐蚀性优良常见镁基复合材料陶瓷颗粒增强镁基复合材料： SiC、Al2O3、B4C、TiC等纤维增强镁基复合材料： b纤维、c纤维、Al2O3纤维、SiC纤维、5.3.2镁基复合材料显微组织为(1) 航天结构材料石墨纤维增强镁基复合材料具有最高的比强度和比弹性模量，最高的耐热变形阻力，已用于卫星10m直径抛物面天线及其支架的制造。 (2)膨胀系数为零的石墨/镁复合材料航天器的大面积蜂窝结构表皮材料空间动力回收系统的部件、民用机的天线支架(拉拔无缝管)、转子发动机壳体(3)SiC晶须增强镁复合材料齿轮、油泵泵壳体的推力板使用温度1000以上高温金属系复合材料的基材主要为镍基、铁基耐热合金和金属间化合物. 复合方式：(1)难熔金线强化(钨线、钼线)制造技术一般采用热压接扩散接合技术，也可采用粉末冶金法。 5.3.3耐高温金属基复合材料、钨线强化高温合金的刀片制造工艺示意图，(2)定向凝固共晶复合材料(也称为原位强化复合材料)选择合适的共晶成分高温合金，在定向凝固条件下使共晶二相在切片或纤维状强化相和基体相中沿单向凝固结晶方向同时有序排列生长，达到强化效果. Ni-TaC、Co-TaC、Ni-Cr-AlNb系-型和Ni3Al-Ni3Nb金属间化合物型、Ni-TaC取向凝固组织、无机非金属系复合材料-通常以各种类型的纤维(或晶须)作为增强材料，以水泥、玻璃、陶瓷、石膏等无机非金属材料作为基质主要无机非金属材料： 5.4无机非金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、陶瓷材料特点：陶瓷脆性大，耐热冲击性能差，对裂纹、气孔和夹杂物等细小缺陷敏感。 研究表明，在陶瓷中加入颗粒、晶须等复合材料，可大大改善陶瓷韧性，提高强度和弹性模量。 陶瓷基复合材料：高强度、高弹性模量、低密度、耐高温和良好韧性、耐磨、耐腐蚀。 5.4.1陶瓷基复合材料，整体陶瓷和陶瓷基复合材料的力位移曲线，破坏前吸收大量破坏能，大幅提高韧性，韧性提高效果：应用于连续纤维增强晶须增强相变强化粒子：高速切削工具内燃机部件的高温结构材料，如轿车发动机涡轮增压器转子最高转速达到十几万转/min的耐磨性耐腐蚀材料、氧化锆系耐磨轴承、水泥系复合材料：由各种纤维和无机凝胶化材料(水泥、石膏、菱苦土、水玻璃等)构成，通常统称为无机凝胶化材料系复合材料或无机玻璃钢。 纤维增强水泥系复合材料：以水泥砂浆或混凝土为基体，以短纤维或连续纤维为增强材料。 常用纤维：石棉纤维、纤维素纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、钢纤维、碳纤维、Kevlar纤维和植物纤维等。 成形工艺：喷雾法、预混合法、注射法、网法、卷绕法、离心法、抄造法、浆液法。 5.4.2水泥基复合材料、纤维增强水泥基复合材料与普通混凝土相比，其特征在于重量轻、强度高，具有良好的断裂韧性。 其拉伸压力一般为1/41/6 (普通混凝土为1/10 )的墙壁材料，也可用于不要求强度的结构材料。 聚合物材料一般线膨胀系数大，尺寸稳定性差，刚性、耐疲劳性和机械强度低。纤维增强树脂基体：热固性树脂：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺热塑性树脂：聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚砜、聚碳酸酯、ABS树脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)增强纤维：玻璃纤维、碳纤维硼纤维和有机纤维等5.5聚合物系复合材料，常见纤维强化树脂复合材料的玻璃纤维强化树脂，通称玻璃钢是玻璃纤维与热固性或热塑性树脂的一种或多种复合而成的材料，其中常用树脂为环氧树脂。 材料特点：质量轻，强度高，耐腐蚀应用：车辆、航天、船舶、机械、建筑、化工和日用消费品等。 玻璃纤维增强尼龙(聚酰胺)的特点：拉伸、弯曲、压缩、弹性模量、硬度、抗蠕变性等提高，对缺口的敏感性得到改善，热变形温度也显着上升，线膨胀系数和吸水率降低，尺寸稳定性增加，能抑制应力裂纹。 碳纤维增强热塑性塑料的强度和刚性远高于未增强的，蠕变小，热稳定性显着提高，线膨胀系数小可保证尺寸精度，摩擦阻力减小，摩擦材料无损伤，阻尼特性优异。 尼龙66中添加了20%的碳纤维，弯曲强度与添加了40%的玻璃纤维相同，为294N/mm2。 添加40%碳纤维，弯曲强度提高到420N/mm2，弯曲弹性模量比40%玻璃纤维强2倍以上。 纤维强化改善不同树脂基体性能的效果： (1)聚酰胺(尼龙)吸湿性大，产品尺寸稳定性差，强度和硬度低； 用短玻璃纤维加固的尼龙基复合材料的强度、弹性模量和耐热性能得到了显着改善。 (2)聚丙烯生产成本低，耐酸、耐碱、相对密度小，具有良好的耐弯曲疲劳性和高频绝缘性，但易劣化、线膨胀系数大、热变形温度低的玻璃纤维加固后，线膨胀系数缩小数倍，热变形温度为未加固的2倍以上，伸长率减少约100倍，强度(3)聚乙烯的耐寒性、耐水性、化学稳定性和优异的介电性能、成形技术性好、价格便宜，但耐热性低、强度和刚性低、线膨胀系数大、容易产生环境应力裂纹的纤维加强，同时加入偶联剂、抗氧化剂等添加剂，玻璃纤维加强， 随着聚乙烯中纤维含量的增加，强度和耐热性也提高，线膨胀系数、成形收缩率、冲击强度降低。 (4)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET )为线状热塑性饱和聚酯树脂，聚酯玻璃纤维被强化后，耐热性、耐焊接性、机械强度和优异的电绝缘性得到进一步改善，特别是在高温高湿环境下也能够维持稳定的电绝缘性能。 (5)聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT )的30%玻璃纤维强化PBT可在150的温度下长期使用，机械性能好，摩擦系数低，耐腐蚀性好于聚苯醚、聚砜、聚碳酸酯，特别是对有机溶剂具有强的耐应力裂纹性， 常温下除强碱强酸外，可用于大多数化学药品都能承受的电机和汽车的结构材料、继电器、离心泵壳体和叶轮、齿轮、轴承等。 (6)聚碳酸酯、聚砜、其他热塑性塑料纤维增强聚碳酸酯，热变形温度高，线膨胀系数低，可用于印刷电路插座、继电卡、仪表线圈骨架、纺纱机用金属等电、电、机械等部件。 C/C复合材料(Carbon/CarbonComposite)以碳为基质，用碳纤维加固的碳基复合材料。 具有良好的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、摩擦减振特性及热、电传导特性等特征的质量轻，比强度、比弹性模量高。 能够用于火箭发动机的喷嘴，航天飞机的副翼，飞机的刹车盘等。5.5C/C复合材料： 满足条件： (1)人工材料是人们根据需要设计制造的材料；(2)两种以上化学、物理性质不同的材料成分以设计的形式、比例、分布进行组合，各成分之间存在明显的界面；(3)可以进行结构设计，可以进行复合结构设计；(4) 不仅保持每组材料性能的优点，而且通过每组材料性能的补充和关联，可以获得单个组件无法实现的综合性能。 强化体类型：分散强化、粒子强化、连续纤维强化、非连续纤维强化、纸纤维层叠板、布纤维层叠板、木质纤维层叠板、石棉纤维层叠板、短纤维、晶须、用途：性能：基体类型：5.1.2复合材料分类、基体、强化相、连续分布的成分、纤维、粒子、晶须等， 树脂基、橡胶基、木质基玻璃基、陶瓷基、水泥基、碳基、铝基、铜基