复合材料概论-第03章-增强体材料

2020/6/7,上海大学,1,复合材料及其应用CompositeMaterialsandtheirApplication,冯鹤Office：材料大楼361室Tel-mail:fh117,上海大学材料学院电子信息材料系,2,引言,纤维增强体,晶须增强体,颗粒增强体,三、增强体材料,上海大学材料学院电子信息材料系,3,3.1引言,复合材料是指由两种或两种以上的物理化学性质不同材料组合而成的多相固体材料。,复合材料,基体,增强体,(金属材料、高分子材料、陶瓷材料),增强体（增强材料、增强剂等）分散在基体内以改进其机械性能的高强度材料,(纤维、晶须、颗粒、织物和毡),上海大学材料学院电子信息材料系,4,3.2纤维增强体,天然纤维强度较低合成纤维有机纤维无机纤维其它纤维：金属纤维、碳纤维,上海大学材料学院电子信息材料系,5,纤维增强材料分类,玻璃纤维低档2040元/Kg碳纤维高档6001000元/Kg芳纶纤维中档200400元/KgSiC纤维B纤维Al2O3纤维金属丝,金属和陶瓷基,上海大学材料学院电子信息材料系,6,纤维增强体,纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。,提高的抗张强度、刚度；减少收缩；提高热变形温度；提高冲击强度等。,纤维增强体作用：,上海大学材料学院电子信息材料系,7,表3-1常用增强纤维与金属丝性能对比,上海大学材料学院电子信息材料系,8,一、玻璃纤维GF（GlassFibre）,由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。优点：强度较高，相对密度小；化学稳定性高、耐热性好；价格便宜，品种多；质地柔软。缺点：不耐磨，易折断，易受机械损伤，长期放置强度下降。,上海大学材料学院电子信息材料系,9,玻璃纤维丝,玻璃纤维网格布,玻璃纤维细纱,玻璃纤维带,上海大学材料学院电子信息材料系,10,1、GF的种类,按单丝直径：粗、中、细、超细等,按特性用途：高强玻纤（S玻纤）、高弹玻纤（M玻纤）、耐高温、耐腐蚀、普通玻纤等,按化学成分：无碱（少碱）玻纤（E玻纤）、中碱玻纤、有碱玻纤(A玻璃)；,纤维外观分类：连续、短切、空心、粉等,上海大学材料学院电子信息材料系,11,特种GF材料,高强玻璃纤维S主要有Mg-Al-Si系或B2O3系两种，高弹（高模量）玻璃纤维:M玻纤S系中加入BeO耐高温玻璃纤维(1)石英纤维(2)高硅氧玻璃纤维(3)铝硅酸盐玻璃纤维空心玻璃纤维,上海大学材料学院电子信息材料系,12,2、GF的结构和化学组成,结构（1）微晶结构假说（2）网络结构假说,化学组成主要成分：SiO2、B2O3、CaO和Al2O3等助熔剂：Na2O、K2O等碱性氧化物,上海大学材料学院电子信息材料系,13,原丝制造制玻璃球铂金坩埚熔融小漏孔拉丝（多孔）涂浸润剂并股成纱纺织成布、毡或带。,拉制GF纤维的示意图,3、GF的制造工艺,上海大学材料学院电子信息材料系,14,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,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,浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损;,上海大学材料学院电子信息材料系,15,(1)力学性能(2)热性能(3)电性能(4)耐蚀性化学性能,4、GF的性能,上海大学材料学院电子信息材料系,16,抗拉强度：比块玻璃块高一个数量级；直径,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：3%；柔韧性；耐磨与耐折性差；,(1)力学性能,上海大学材料学院电子信息材料系,17,上海大学材料学院电子信息材料系,18,上海大学材料学院电子信息材料系,19,上海大学材料学院电子信息材料系,20,(2)热学性能导热系数：比块玻璃低12个数量级；与容重有关耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤500;Tm:550580，热膨胀系数:4.810-6/石英，高硅氧1200，Al-Si:.,上海大学材料学院电子信息材料系,21,化学组成；温度；湿度；,(3)电性能,影响因素：,绝缘性等电性能的变化情况？,上海大学材料学院电子信息材料系,22,（4）耐腐蚀性化学性能A.侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀GF的基本组分：SiO2B.影响GF化学稳定性的因素GF的化学成分GF表面情况侵蚀介质体积和温度,上海大学材料学院电子信息材料系,23,天线反射面玻璃钢,玻璃钢上海东方明珠电视塔大堂装潢,4、GF的应用,上海大学材料学院电子信息材料系,24,玻璃钢应用于体育用品,上海大学材料学院电子信息材料系,25,由有机纤维经高温固相反应（脱氢、交联、环化、石墨化）而得，主要成分为碳的无机纤维。具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构件，如航天航空、高档体育器材中。,二、碳纤维（CarbonFibre,CF或Cf）,上海大学材料学院电子信息材料系,26,上海大学材料学院电子信息材料系,27,上海大学材料学院电子信息材料系,28,(2)CFRP,碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）,CFRP在民用飞机中的应用,CFRP在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用,上海大学材料学院电子信息材料系,29,分高强、高模、中模和低性能碳纤维聚丙烯腈基纤维高、中性能碳纤维人造丝基(粘胶)纤维沥青基纤维低性能碳纤维其它(多环结构的天然纤维),原料选择原则：,C链结构，杂链结构只能成碳黑。易于交联、环化，碳化率高。主链内含有环状结构、硬性、结晶度高的纤维。,1品种,上海大学材料学院电子信息材料系,30,2制备方法,碳化法生产长纤维（原丝法）拉丝：制有机长纤维牵伸：规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。氧化稳定：低温，400，防止热塑化。碳化：10002000，保护性气氛下，脱氢、交联、环化，得乱层环状石墨。石墨化：20003000，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成聚合碳结晶，并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增高，热膨胀系数下降。但温度过高强度反而下降。气相法生产短纤维高温分解小分子有机物，气相沉积纤维结晶。,上海大学材料学院电子信息材料系,31,上海大学材料学院电子信息材料系,32,Pyrolysis（热解）ofpolyacrylonitrile(聚丙烯腈，PAN)toformcarbonfibers,上海大学材料学院电子信息材料系,33,结构乱层石墨结构：石墨层片是基本的结构单元，石墨层的面间距约0.3390.342nm、比石墨晶体的层面间距(0.335nm)略大，性能:力学、物理和化学性能实际强度和模量远远低于理论值；碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大，所以它的抗张强度和模量都明显高于石墨（力学性能）,3、CF的结构与性能,上海大学材料学院电子信息材料系,34,力学性能强度约为GF的2倍模量约为GF的35倍密度低1.72，所以比强度、比模量高。断裂延伸率0.52%热学性能：升华温度高达3800，耐高温性好。热膨胀系数小，纵向为负。,物理性能：导热、导电、自润滑。化学性能：耐酸碱性强，高温抗氧化性差。C纤维电极电位为正，与金属复合易引起电偶腐蚀。,上海大学材料学院电子信息材料系,35,4、CF的特性小结,碳纤维的特点：强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900以上才呈现出永久塑性变形。摩擦系数小、润滑性好、导电性高。碳纤维的缺点：价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成COx。,上海大学材料学院电子信息材料系,36,三、碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）,碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维。SiC纤维是高强度、高模量纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。,上海大学材料学院电子信息材料系,37,1、碳化硅纤维的性能,SiC纤维是高强度、高模量纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。（1）力学性能：强度与韧性接近于硼纤维（2）热性能（3）耐化学性能（4）耐辐照和吸波性能,上海大学材料学院电子信息材料系,38,2、碳化硅纤维制作方法,（1）化学气相沉积（2）高分子先驱体法/烧结法,化学气相沉积制作方法：在W或C丝上沉积SiC，目前用C代替W丝。,聚碳硅烷合成,聚碳硅烷纺丝,烧结成碳化硅纤维,碳化硅分子先驱体法,上海大学材料学院电子信息材料系,39,3、碳化硅纤维的应用,工业：编织成双向和三向织物，用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。航空航天：喷气发动机涡轮叶片、飞机螺旋桨等受力部件，火箭推进剂传送系统、发动机外壳军事：大口径军用步枪金属基复合枪筒套管，M1作战坦克履带、火箭，先进战术战斗机的垂直安定面，导弹尾部，鱼雷壳体等。,由于碳化硅纤维具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射的三耐性能，是一种耐热的理想材料。,上海大学材料学院电子信息材料系,40,四、硼纤维（BoronFibre，BF或Bf）,硼纤维（BoronFibre,BF或Bf）是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维。它具有很高的比强度和比模量，也是制造金属基复合材料最早采用的高性能纤维。,上海大学材料学院电子信息材料系,41,1、硼纤维制作方法,H2+BCl3（气）,加热,2B（s）HCl（g）,沉积在钨丝上,气相沉积技术（1959年）,上海大学材料学院电子信息材料系,42,2、硼纤维显微结构,表面为玉米棒的外形特征。粗糙的表面相当于表面缺陷，降低了纤维强度。,强度：小玉米节：3.33.7GPa大玉米节：2.8GPa棒状：1GPa,上海大学材料学院电子信息材料系,43,3、硼纤维性能特点,硼纤维的优点:很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响;耐高温和耐中子辐射。硼纤维的缺点:工艺复杂，不易大量生产，价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应;,上海大学材料学院电子信息材料系,44,硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱,4、硼纤维应用,上海大学材料学院电子信息材料系,45,五、氧化铝纤维（AluminiaFibre，AF）,以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维(AluminiaFibre,AF或(Al2O3)f)。通常情况下，将氧化铝含量大于70的纤维相称为氧化铝纤维；将氧化铝含量小于70，其余为二氧化硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。,上海大学材料学院电子信息材料系,46,1、多晶Al2O3纤维制法,氢氧化铝,水,氧化铝粉,胶体悬浮液,纺丝（成纤）,失水处理,煅烧,Al2O3,205m,SiO2涂层,悬浮液固态沉淀物的重量百分数为80,在1113MPa压力下，经直径为0.1mm的挤压嘴挤成细丝，细丝经辊子系统二次拉长,100300去除水份，纤维此时出现收缩,13001500得到Al2O3表面SiO2形成莫来石，以及SiO2玻璃态，填充Al2O3的缺陷，同时阻止晶粒长大.,杜邦公司的FP(Al2O398，25SiO2）,上海大学材料学院电子信息材料系,47,2、氧化铝纤维性能特点,耐热性好；不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合。表面活性好；具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性；用氧化铝增强的复合材料有优良的抗压性能;电气绝缘、电波透过性好；缺点：在所有纤维中密度最大。,上海大学材料学院电子信息材料系,48,3、氧化铝纤维的应用,适合于制造既需要轻质高强又需要耐热的结构件；制作雷达天线罩;氧化铝纤维增强的复合材料制导弹壳体，则有可能不开天线窗，将天线装在弹内。处于开发阶段，将来将在航空、航天、卫星、交通和能源等部门得到广泛应用。,上海大学材料学院电子信息材料系,49,六、其他非有机纤维,其它陶瓷纤维具有陶瓷化学成分的纤维称为陶瓷纤维，如氧化锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛和硼化钛等纤维。金属和钢纤维金属和钢的特点是导电性和导热性好，塑性和抗冲击性好。钢纤维常用于混凝土基复合材料。,上海大学材料学院电子信息材料系,50,八、有机纤维,芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应用的聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国暂命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维。自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量逐年增加。其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之广泛应用到军工和国民经济各个部门。,1、芳纶纤维,上海大学材料学院电子信息材料系,51,高强度有机纤维，由对苯二酰与对苯二胺缩聚而成。,结构与尼龙相似，含大量的高极性酰胺键，但含苯环硬性链。,型,型,（1）芳纶纤维的结构,上海大学材料学院电子信息材料系,52,（2）芳纶纤维的性能特点,芳纶纤维的力学性能,芳纶纤维的热稳定性,芳纶纤维的化学性能,上海大学材料学院电子信息材料系,53,A、芳纶纤维的力学性能,拉伸强度高；冲击性能好；弹性模量高;(CFKFGF)断裂伸长:3，接近玻璃纤维，高于其他纤维;密度小.,上海大学材料学院电子信息材料系,54,返回,上海大学材料学院电子信息材料系,55,B、芳纶纤维的热稳定性,良好的热稳定性，耐火而不熔;在低温(-60)不发生脆化亦不降解;和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有各向异性的特点;,返回,上海大学材料学院电子信息材料系,56,C、芳纶纤维的化学性能,良好的耐介质性能；耐水性不好；湿度影响；,上海大学材料学院电子信息材料系,57,航天航空：温度不高的高强度结构受力件军事：防弹器件工业民用：高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、皮带的加强纤维。,（3）芳纶纤维的用途,上海大学材料学院电子信息材料系,58,上海大学材料学院电子信息材料系,59,2、聚乙烯纤维（Polyethylenefiber,PEf）,超轻,高比强度,高比模量,成本较低,聚乙烯纤维作为目前国际上最新的一种有机纤维，它具有以下四个特点：,上海大学材料学院电子信息材料系,60,(1)PEf纤维性能特点：,优点：,不足：,耐热性较差；耐光性较差；高温容易蠕变；,高比强度、高比模量耐冲击、耐磨、自润滑耐腐蚀、耐紫外线、耐低温电绝缘等,上海大学材料学院电子信息材料系,61,(2)PEF纤维用途：,通常情况下，聚乙烯纤维的分子量大于106，纤维的拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为116GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。可用于制做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。,上海大学材料学院电子信息材料系,62,聚乙烯纤维,上海大学材料学院电子信息材料系,63,高性能纤维的性能,纤维强度GPa模量GPa断裂应变%密度碳纤维2.57.062306400.72.41.72.02.13.03809100.10.51.82.1硼纤维3.54002.5碳化硅3.44003.1氧化铝1.43.22003700.51.12.73.75玻璃纤维3.4372.54.82.54芳伦纤维2.83.496.61092.53.31.45聚乙烯纤维3.4984.00.96,(3)各种纤维的比较,上海大学材料学院电子信息材料系,64,3.3晶须增强体,3.1前言晶须（Whiskers）是在人工控制条件下，以单晶形式生长成的一种纤维。晶须的直径一般为几微米，长几十微米，是一种无缺陷的理想完整晶体。由于晶须的直径非常小，所以不适合容纳在大晶体中常出现的缺陷，因而强度接近于完整晶体的理论值。近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。,上海大学材料学院电子信息材料系,65,3.2晶须的分类：,（1）金属晶须（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等）（2）非金属晶须：氧化物晶须（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等）陶瓷晶须（如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC、B4C）硼化物晶须（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）无机盐类晶须（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。碳晶须：C,上海大学材料学院电子信息材料系,66,晶须强度GPa模量GPa密度SiC6.934.54823.15Al2O313.827.64803.9AlN13.820.73443.3C(Gr)20.79782.25Si3N43.410.33793.2,上海大学材料学院电子信息材料系,67,3.3晶须高强的原因,、它的直径非常小，不能容纳使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。、晶须材料的内部结构完整，使它的强度不