复合材料.1课件

复合材料概论,材料与化工学院,目录,1、概述6、金属基复合材料2、基体材料7、陶瓷基复合材料3、增强材料8、水泥基复合材料4、复合界面9、C/C复合材料5、聚合物基复合材料10、混杂纤维复合材料,1、概述,一、定义由两种或两种以上，物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料。复合材料的组成相：增强相-纤维、晶须、颗粒。（不连续相）基体相-金属、陶瓷、聚合物。（连续相）,增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。,例如：,天然木材-纤维素纤维+木质素钢筋混凝土-砂、石、钢筋+水泥玻璃钢-玻璃纤维+热固性树脂C/C复合材料-石墨碳纤维+热解碳或树脂碳（耐烧蚀）,1、按基体材料分树脂基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等60年代金属基：Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co及其合金70年代陶瓷基：Al2O3、ZrO2及非氧化物80年代2、按增强相形状分颗粒均布、各向同性纤维（长、短纤维和晶须）各向异性或同性层片各向异性,二、复合材料的分类,3.按应用目的分树脂基250金属基树脂基、耐热性树脂基:60250金属基:400600陶瓷基:10001500、耐自然老化陶瓷基金属基树脂基,2、取决于基体相的性能,、导热导电性金属基陶瓷基树脂基、耐蚀性陶瓷基和树脂基金属基、工艺性及生产成本陶瓷基金属基树脂基,1、设计的三个层次：单层设计-微观力学方法层合体设计-宏观力学方法产品结构设计-结构力学方法单层材料的性能取决于增强相、基体相和结合界面的力学性能，增强相的含量、分布方向等。设计内容包括正确选择原料的种类和配比。,四、复合材料设计特点,层合体设计,层合体的性能取决于单层材料的力学性能和铺层方法（厚度、纤维交叉方式、顺序等）。设计内容包括：对铺层方案作出合理的安排。产品结构性能取决于层合体的力学性能、结构几何、组合与连接方式。设计内容：最终确定产品结构的形状、尺寸、连接方法等。,2、特点：性能可设计性强（可调因素多）材料设计与结构设计相关联性能预测性差如:加和法没有考虑界面结合的影响，预测性很差。,2.基体材料,基体的作用:固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。选材原则：强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。,相容性：化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。环境适应性：耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。工艺性：制备是否方便，成本是否廉等。,一、聚合物基,特点：一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；可选择的增强材料范围广泛，成本最低。研究与应用：发展最早，品种最多，应用最广。可选材料：几乎所有的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、粘结剂。,1、热固性聚合物（-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-）.不饱和聚酯树脂由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线型预聚体。+a.结构特征：饱和二元酸结构不饱和二元酸结构,b.固化：固化剂-乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。引发剂-过氧化物（加热固化）促进剂-苯胺类和有机钴。室温固化。,c.特点粘度低，工艺性好。综合性能好，价廉，用量约占80%。苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度和模量较低。一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制作次受力件。,双酚型CH2-CH-CH2Cl+n(HO-R-OH),(2)、环氧树脂,环氧氯丙烷,二酚基化合物,通式：线性预聚体CH2-CH-CH2O-R-On,其中R:,CH3-C-CH3A丙基,-CH2-F亚甲基,O-S-OS砜,双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。固化特点：环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。,b.非双酚型,链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。,c.胺基环氧结构中含高极性的酰胺键（-NHCO-），粘结性好，力学性能较高；但耐水性差，电性能有所下降。d.脂环族环氧结构中不含苯环，含脂环，稳定性更高，热学性能好，耐紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。e.脂肪族环氧-高韧性环氧无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。,环氧树脂固化：环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。常用固化剂：二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性会有一定的影响。潜伏剂：单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺，室温下可存放6个月，145165下，80min可固化。,环氧树脂特点：粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料强度高，尺寸稳定。电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。耐酸碱耐溶剂性强。热稳定性良好。,(3)酚醛树脂由酚和醛缩合而成。酚/醛0.9，碱催化可得体型热固性树脂。固化：加热固化加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。,OHC-H,OH,1,5,3,特点：耐热性高，可达315。价格最低。粘附性较差，收缩率大,气孔率高，性脆。改性：引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛降低树脂中-OH基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高电性能。硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能均提高。,应用：,酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量高78，碳化收率达63，因此可用于制作烧蚀材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。,2.热塑性聚合物与热固性聚合物相比：力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。CH3聚丙烯CH-CH2n柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。.聚酰胺（尼龙）CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度200；S+6处于最高价，抗氧化，耐辐射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达300。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。此外：耐高温的聚酰亚胺、双马来酰亚胺等杂环结构的聚合物，耐温可达300400，也常作为复合材料的基材。,Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Co、Zn、Pb及其合金，金属间化合物（TiAl、NiAl等）选材原则：1使用要求航天航空：选轻金属Al、Mg及其合金高性能发动机：Ti、Ni及其合金汽车发动机活塞汽缸套：Al合金工模具：Fe、Co、Ni、Ag、Cu集成电路散热元件：Ag、Cu、Al,二.金属基材料,2.环境温度15%）中碱玻璃纤维Na2O(10.512.5%)用量少无碱玻璃纤维ECa-Al-B-Si系用量大高强玻璃纤维SMg-Al-Si系或B2O3系高弹玻璃纤维MS系中加入BeO,一.玻璃纤维GF,2.GF的制备制玻璃球铂金坩埚熔融小漏孔拉丝（102、204、408孔）涂浸润剂并股成纱纺织成布、毡或带。,粗纱30m无捻粗纱、无纺布初级纱20m短切纤维、纤维毡中级纱1020m高级纱310m纺织浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：石蜡乳液复合前须清除聚醋酸乙烯酯不必清除改性有机硅类不必清除,3.GF的性能(1).力学性能抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；直径d,强度；长度，强度。弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。因密度低2.5，比模量高。断裂延伸率：低3%(2).热学性能导热系数：比块玻璃低12个数量级耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤GF抗冲击性能很好。热学性能长期使用1m）增强效果较低。层片：二维方向，垂直片方向（裂纹核心）。纤维：单向明显，横向影响不大。3、纤维选择要点高强度、高模量。（明显高于金属基体）耐热性高（如：KF不宜选用）价格低（比较突出的制约因素）相容性好（膨胀系数相近，高温惰性）,W、Mo丝：密度高Be丝：价很高GF：与金属相容性不好Al2O3：拉籽晶价高，单晶表面擦伤敏感C纤维：细纱难浸润，与多数金属反应，抗折性差B纤维：以W丝或C纤维作底，CVD沉积，价高SiC和B4C：以W丝或C纤维作底，CVD沉积，价高化学相容性好，与基体结合好，抗高温儒变。,以上纤维强度、弹性模量较高，价高且各有不足：,1、制造方法单层复合+层叠热压金属薄与纤维粘接或等离子喷涂焊合成单层，裁剪、叠片、热压。粉末冶金法如：硬质合金铸造法（比重偏析）汽缸套、活塞电镀（铸）法金刚石金属磨头2、技术关键与难点防止高温氧化。高压纤维易损伤，断裂。,二、制造方法及关键技术,纤维的均匀分布。控制界面反应。,三、铝基复合材料,大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767常用：B/Al、C/Al、SiC/AlSiC纤维密度较B高30，强度较低，但相容性好。C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。基体材料可选变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝。它们塑性好制备铝薄易。,四、镍基复合材料,熔点高，耐氧化性好，使用温度可达1000。BF、CF耐氧化性差，多选用-Al2O3晶须。制备方法：热压法、液态渗透法、粉末冶金法。为提高润湿性，可使晶须表面金属化。如溅射或电镀,五、钛基复合材料,钛及其合金是比强度、比刚度最好的基材，耐蚀性和耐高温性也很好，易做耐热件。（低于相变温度）但钛薄难制，化学活性高，与C纤维和B纤维反应生成TiC和TiB2白亮层。解决办法：高速工艺-缩短高温停留时间低温工艺-850热压15分钟表面包覆-涂SiC合金化-提高基体稳定性,1、存在问题浸润性差，难渗透。易曲折，热压难。相容性差。电偶腐蚀。,六、C纤维增强金属基复合材料,2、解决方法电镀Ta、Ni、Ag包覆涂覆SiC、TiC、B4C等压渗法复合纤维制备,C纤维具有很好的力学、热学、电学和自润滑性能，价格也较B纤维有优势，应用前景光明。,C纤维压渗Al,涂Ni碳纤维拉丝复合Al,原位生长晶须。采用控制熔体冷凝速度，在金属基体内生长出晶须。如：Al基：Al2O3、AlN；Ti基：TiN、TiC优点：增强纤维分布均匀基体与纤维结合力强热稳定性好易于加工，直接铸造成型,七、自增强金属基复合材料,金属基复合材料实例,7.陶瓷基复合材料,一、增韧补强机理负载转移：纤维热膨胀系数高于基体时，基体受预压应力而强化。预应力效应：高弹纤维承受比基体更大的应力，强度、韧性提高。拔出效应：复合材料破断，纤维从基体中拔出要消耗部分能量。裂纹扩展受阻：纤维阻止裂纹扩展，消耗部分能量。裂纹转向：裂纹尖端受阻钝化而转向，要消耗更多的表面能。纤维断裂：高强度纤维断裂，要消耗更大的能量。,二、各种纤维增强陶瓷基,1金属纤维W、Mo、Ta、Nb、Cr、Fe、Ni、Co、不锈钢丝。如：Mo、Ta/Al2O3；W/TiC、TaC、HfC、ZrCW、Mo/ZrO2、ThO2；W（涂SiC）/Si3N42陶瓷纤维C、SiC(W)、B4C(W)、BN、Al2O3(W)纤维或晶须。可与Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4陶瓷复合。(1)性能特点使用温度范围广，高温强度高，耐热冲击，抗儒变。,(2)、影响增强效果的因素尺寸因素纤维过细反应活性高，过粗相当于裂纹。2030m好。长纤维增强效果好，晶须长/径5为好。排列方向:与主应力平行。纤维（晶须）含量及均匀性含量：断裂韧性，但密度，强度。均匀性：强度，断裂韧性影响不大。,相容性纤维热膨胀系数应约大于基体。纤维弹性模量应高于基体。两相化学性质要稳定，陶瓷基以共价键化合物为好。如SiC、Si3N4、BN等。界面性质界面结合力应适中。,1瓷浆浇铸法短纤维混合分散在陶瓷浆体中，浇铸，吸水，干燥，烧结。工艺简单，成本低，增强效果有限。（致密度不够）2热压烧结法短纤维与陶瓷粉末混合，模压成型，热压烧结。结合力好，但纤维易受损。,三、成型工艺,3浸渍法长纤维编织或缠绕成型，浸渍陶瓷浆，干燥烧结。工艺简单，烧结密度低。,发展方向：1高性能陶瓷纤维和晶须的制备技术。2纤维和晶须的表面处理技术。3长纤维陶瓷复合材料的制备技术。4界面结合强度与材料强度韧性的关系。5复合比与材料强度韧性的关系。6重视纤维晶须和颗粒共复合的协同效应。7.玻璃-陶瓷基体的研究。,四应用领域及发展方向,8.水泥基复合材料,一、水泥的基本特性与增强方法刚/柔比高；抗压/抗拉比高；W/C比高。增强（韧）方法：加入高强度集料混凝土纤维增韧（要求纤维粗，较长）聚合物改性浸渍填充、聚合物取代或部分取代水泥基体。,1、混凝土以水泥为基，加入砂、石，钢筋。骨料要求强度高，耐碱性好，与基体有良好的结合，价廉。钢筋与水泥相容性好，耐碱。为提高钢筋强度和结合力，近年来要求冷拉、表面轧槽。,二、水泥基复合材料种类,2、纤维增强水泥,可用纤维见下表：为防止Ca(OH)2和水对纤维的不利影响，水泥中需掺入矿渣、火山灰或粉煤灰等活性填料。技术要点：基体强度要高强度取决于基体，选高标号水泥。膨胀系数要适当afam，产生预压应力。纤维足量纤维相互交错搭接，产生叠加效应。弹性模量要匹配EfEm,3、聚合物改性(1)、聚合物浸渍将已干固的混凝土构件，浸入聚合物单体或预聚体溶液中使其渗入空隙，通过加热聚合、固化形成聚合物填充。提高密度、强度和韧性。(2)、聚合物混凝土（可归入聚合物基复合材料）聚合物完全取代水泥，作为集料的结合剂。常用聚合物：环氧、脲醛、糠醛、聚酯树脂等。性能好，价格高。适合于特殊工程。,(3)、聚合物水泥混凝土,特点：抗折强度明显，抗压强度。韧性，刚度、脆性。抗渗透性、耐侵蚀性。粘补性好。工艺简单，成本低。,聚合物部分取代水泥。要求聚合物具有亲水性，在水中或能溶解或能分散成乳液。加入状态可以是单体、聚合物乳液、聚合物粉末。,三、成型工艺,1、混凝土设计与施工设计过程：原料选择工程计算实验校核调整初定配方：水:灰:砂:石0.5:1:1.5:3实验校核：强度实验与和易性实验调整：提高水泥标号或用量，可提高强度。提高水量、降低石料用量，可提高和易性。最终配方中水泥用量、W/C需满足耐久性要求。,最终配方满足耐久性要求,预应力技术,2、纤维增强水泥的成型(1)、直接喷射法砂浆配比：W/C=0.30.4；S/C=0.51耐碱短切纤维：1250mm；含量约35%。,(2)、喷射脱水法上法经减压，脱去多余水份，提高密度和强度。,(3)、预混料浇铸法纤维与砂浆混合，铸模成型。,(4)、压力法预混料铸模后，加压脱水。(5)、离心成型法离心成型+脱水。适合于回转体构件，纤维可进行表面集中增强。,3聚合物水泥砂浆及混凝土的成型砂浆配比（一般用于表面工程）C/S=1/21/3P/C=520%W/C=0.30.6按和易性确定混凝土配比P/C=515%W/C=0.30.5S+G/C=57S/S+G=4050%,9.C/C复合材料,一.简述高熔点材料W：Tm=3500；TaC、HfC：Tm=4000；C石：升华3800C/C复合材料始于火箭发动机喷嘴大型石墨件的改进。C/C复合材料具有极好的烧蚀性、生物相容性。应用：再入大气层的航天飞行器热防护材料，飞机、汽车的制动片，高速轴承、人造骨骼、心脏瓣膜等。,二.成型加工技术,关键技术：提高致密度和均匀性。纤维织物密度d=0.20.8，复合后要求达1.42.0。提高纤维编织工艺技术。（CF柔顺性差）,1、坯体的编织长纤维编织：可分为单向、双向、三向、四向、和七向。纤维毡：可用长纤维编织加强。,三向编织坯体,三向增强毡坯体,短纤维：与树脂混合，热压成型，或调浆喷射成型。,喷涂成型工艺,2、基体的获得(1