chap5-高分子基复合材料

高分子基复合材料,1.1复合材料的提出,在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因此对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。,1.1复合材料的提出,又如现代武器系统发展对新材料提出如下要求：1、高比强、高比模；2、耐高温、抗氧化；3、防热、隔热；4、吸波、隐身；5、全天候；6、高抗破甲、抗穿甲性；7、减振、降噪、隐蔽、高精度和命中率；8、抗激光、抗定向武器；9、多功能；10、高可靠性和低成本。,1.1复合材料的提出,复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地满足了人类发展对新材料的需求。因此，复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。,1.1复合材料的提出,1.2复合材料的定义及特点,由两种以上不同的原材料组成，并使原材料的性能得到充分发挥，通过复合化而得到单一材料所不具备的性能岛村昭治.尖端材料工业调查会，1982。经过一定的操作，将复数个原材料合体，或者是由复数个相生成，且具有比原材料优异的性能香川丰，八田博志.树脂基复合材料，1990由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料.吴人洁，复合材料，天津大学出版社，2000。,一、复合材料的定义,说明：1.复合材料（CompositeMaterials），以下简称CM2.各教科书说法不同，还没有完全统一，但意见基本一致,复合材料的定义,尽管定义的细节有所不同，但其要点是共同的：含两种以上不同的化学相；具有每个组分所不具备的优良性能。人工制造，成分由人们有意识的选择,所谓复合材料，是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过一定的工艺方法人工合成的，各组分间有明显界面且性能优于各组成材料的多相材料。狭义的复合材料定义贾成厂，陶瓷基复合材料导论，2002,复合材料的定义,一般认为天然材料的骨骼、竹子、木材等应属于具有复合材料形态的天然材料。,由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料广义的复合材料,国际标准化组织(ISO):,复合材料的定义,二、复合材料的特点,1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。3）复合材料具有可设计性。,三、复合材料的基本结构模式,复合材料由基体和增强剂(体)两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。,a是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，,（a）是加入MPP相容剂的玻纤增强体系，(a）中玻璃纤维与基体的结合较好，纤维拔出较少.,（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。,从中可以看出，而（b）中有大量的玻纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较差，因而体系的力学性能不高。,注意：所研究的CM与化合材料、混合材料的区别。主要体现在：多相体系和复合效应是复合材料区别于传统的“混合材料”和“化合材料”的两大特征。举例：砂子与石子混合，合金或高分子共聚物，接枝和嵌段聚合物？,三、复合材料的基本结构模式,基体Matrix,增强体Reinforcement,界面Interface,多相体系：CM=增强相基体相界面相,1.3、复合材料的分类与命名,复合材料,金属基复合材料MMC,无机非金属基复合材料,聚合物基复合材料PMC,热塑性树脂,热固性树脂,树脂基,水泥或混凝土基复合材料,陶瓷基复合材料CMC,橡胶基,1.按基体材料分类,CM：,MetalMatrixCompositesPolymerMatrixCompositesCeramicsMatrixComposites,一、复合材料的分类,复合材料,增强材料,基体,在纤维复合材料成型过程中，经过一定物理的和化学的复杂的变化过程，基体与增强复合材料都共有特定形状的整体材料。,界面,基体的主要种类,基体的作用,基体通过界面和纤维成为一个整体以剪应力的形式向纤维传递载荷；保护纤维免受外界环境的化学作用和物理损伤；基体像隔膜一样将纤维彼此隔开。这样即使个别纤维断裂，裂纹也不会从一根纤维扩展到其他纤维上，因此提高了复合材料的抗疲劳强度；复合材料的横向拉伸性能、压缩性能、减切性能、耐热性能和耐介质性能等都与基体有着密切关系。,对基体的几点要求,(1)基体对纤维（或增强材料）具有良好的粘结性(2)弹性模量和断裂伸长率与纤维的匹配虽然增强纤维是复合材料的主要承载部分，但基体材料则对复合材料的纵向控件和纵向压缩性能影响较大。另外，只有基体材料的断裂伸长大于纤维才能使断裂发生在界面上，从而使复合材料表现出较强的承载能力和良好的韧性。(3)复合材料耐湿热性主要由基体材料决定的(4)基体材料应具有良好的工艺性能，如流变性能、成型性等。,高分子（树脂）基复合材料（PMC）:由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组成的基体组成的复合材料。特点：比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、阻尼性好。广泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电子、体育等。缺点：耐热性能差,颗粒状分散相复合材料,纤维状分散相复合材料,短纤维,连续纤维增强复合材料,颗粒增强复合材料,片晶增强复合材料,复合材料,单向纤维强化复合材料,非编织纤维层,2维，3维编织纤维层,晶须,不连续纤维增强复合材料,2.按增强体材料分类,3.按功能分类,结构复合材料,功能复合材料,复合材料,承力构件复合材料，对力学性能要求高：质轻、高强度、高模量,具有一定特殊功能：导热、导电、导磁、光导、阻尼性能等,二、复合材料的命名,1.俗称：玻璃钢、混凝土2.根据增强材料和基体材料名称命名：增强材料基体材料“复合材料”玻璃纤维环氧树脂复合材料3.仅写增强材料和基体材料缩写，外加“/”：玻璃/环氧复合材料碳/碳复合材料（碳纤维和碳复合材料）4.突出增强材料和基体材料，根据强调组分不同，可简称：玻璃纤维复合材料环氧树脂复合材料,1.4复合材料的历史,从广义上讲，复合材料已有很久的历史。6000年前：人们用稻草掺入黏土做土坯。4000年前：中国人用油漆与亚麻纤维制漆器1000年前：人们用钢铁层压法制成刀剑等。100年前：钢筋混凝土近代：以1942年美国制出的玻璃纤维增强塑料为枪托。1946年玻璃纤维/酚醛树脂复料应用与火箭发动机的壳体。第一代复合材料20世纪60年代后：随后为了提高纤维的性能，开发了硼纤维、碳纤维、耐热氧化铝纤维等。第二代复合材料20世纪80年代后：为改善树脂的耐热性，对金属基和陶瓷基复合材料也开展了研究。第三代复合材料,公元前5000年，中东人用沥青和芦苇复合在一起用来造船,公元前3000年前，印度人用虫胶树脂制作复合板,我国在封建时代故宫的建造中所使用了粘合剂,茅草和泥土的复合建造房子,1.5复合材料在21世纪的应用,世界发展的趋势是进入高信息化的社会，对生活质量和健康水平的追求会更高。地球存在着非常严重的问题。,环境污染、地球温室效应、臭氧层破坏、沙漠化、野生动物的灭绝,人口膨胀、清洁淡水、食物、可耕地,能源枯竭石油、天然气、煤、矿产等,1)对信息技术提供服务,复合材料,信息获得敏感器件换能材料,信息存储磁记录光记录,信息处理芯片封装电路板,信息传播光导纤维导波管,信息执行机械动作高强高刚,2)对提高人类生活质量做出贡献,复合材料,衣纺织机械,食蔬菜大棚,住建筑材料,行交通工具,改善舒适性轻质高强、隔音隔热墙体门窗、整体洁具飞机车辆、大小船舰高速列车的车体结构,提高安全性抗冲韧性、吸收能量、汽车保险杠、轿车底板、自诊断机敏复合材料、高层建筑抗地振灾害,提高健康水平修复植入人造器官成分设计、调整应力生物相容性、人工关节、夹骨板,3)在解决资源短缺与能源危机方面的贡献,复合材料,开发新能源与节约能源,挖掘尚未被利用的能源,开发海洋与空间,使基础设施延长寿命,提高太阳能的转换率（光电池、框架）风力发电装置（大型化的叶片、支柱）核燃料（铀分离转子）；潮汐发电,基础设施建设的重要性高性能纤维增强混凝土，取代钢筋,镁（轻量、阻尼性能好，力学性能差）颗粒增强或晶须增强，扩大应用范围，野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰,耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置（碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m）海上石油平台、空间站、航天器等,4）在治理环境中可起的作用,复合材料,降低污染整体成形降低原材料用量节约加工能耗延长设施寿命功能膜支撑网格碳纤维缠绕气瓶废水治理厂管道,利用废弃物材料互补矿渣木屑废塑料麦杆稻草野生植物,“绿色”材料自然降解提高性能利用天然纤维透明农膜一此性餐具降解后变为肥料或饲料,5）在军事中的应用,1.坦克,现代化高技术战争既要求坦克装甲车辆具有高抗弹性,又希望它具有轻量化、高性能化、高机动灵活性等。树脂基复合材料的密度一般为2.0g/cm3，是合金钢的1/6-1/7，是铝合金的1/3-1/5。这样，在同体积战车上使用复合材料要比钢件减轻60%一70，比铝合金减轻30%一50，且制造成木降低20%一30。,1.坦克,2.航空航天,航天、航空飞行器，喷气发动机结构重量减1Kg，飞机结构可减重4Kg，升限可提高10米；一枚洲际导弹重量减轻1Kg，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50Kg，地面设备的结构重量就可减轻100Kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15-20Km；而航天飞机的重量每减轻1Kg，其发射成本费用就可以减少15000美元。因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。,火箭壳体材料对射程的影响,2.航空航天,目前，复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的70%-80%，在先进战斗机上的用量大约是结构重量的30%-40%。复合材料所占机体结构重量的比例已成为衡量飞机先进与否的重要标志。,美国战斗机复合材料用量,先进战斗机使用复合材料情况,2.航空航天,F22,F117,B2,JSA39,2.航空航天,第四代战机的特点：具有超音速巡航能力超机动（大迎角（6070）超视距隐身功能,中国第四代战机：最大飞行速度2.2Ma巡航速度：1.6Ma超视距、超机动隐身功能,中国第四代战机机体结构：38碳纤维复合材料16钢结构材料17铝合金25钛合金,3.导弹,复合材料在导弹中的应用主要在：弹头鼻锥壳体发射筒仪器仓天线窗,战斧巡航导弹所用复合材料,1.由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位复合材料、纳米复合材料及分子复合材料。纳米复合材料包括两种以上纳米尺寸的晶粒进行复合或两种以上纳米厚度的薄膜交替叠层或纳米粒子和薄膜复合的复合材料。这些复合材料由于存在纳米尺寸效应可望明显改善复合材料的韧性和耐温性。分子复合材料是指刚性棒状高分子为增强相，在分子水平上与柔性高聚物基体复合而成的复合材料。这种复合材料的界面是超微观的，基本上不存在界面相容性和界面应力集中问题，界面粘接性极好；同时有很好的加工性和设计自由度。,1.6复合材料的发展趋势,2.由双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向发展。所谓多元混杂是指复合材料包括两种以上的增强相，其中包括在混杂的纤维增强相中加入颗粒填料；基体也可以用共混高聚物等。近来出现的最典型的例子是铝板和纤维/树脂复合材料交替叠层的复合材料，也称为超混杂复合材料。这种超混杂复合材料具有优异耐疲劳性能和高模量。,1.6复合材料的发展趋势,3.由结构复合材料为主向功能复合材料、结构功能一体化复合材料和多功能复合材料并重的局面发展。所谓结构功能一体化复合材料是指集承载和特种功能于一体的复合材料。如结构/隐身功能一体化复合材料、结构烧蚀碳碳材料、高温/抗氧化复合材料、抗核加固复合材料等。,1.6复合材料的发展趋势,4.被动复合材料向主动复合材料即机敏复合材料和智能复合材料方向发展。机敏复合材料和智能复合材料是指能检知环境变化，并通过改变自身一个或多个性能参数对环境变化作出响应，使材料与变化后的环境相适应的复合材料或材料-器件。这种复合材料具有自诊断、自适应、自愈合的性能。,1.6复合材料的发展趋势,5.由复合材料的常规设计向仿生设计和计算机辅助设计发展。复合材料的仿生设计就是从材料科学的观点对其进行观察、测试、分析、计算、归纳和抽象，参照生物体的结构或找出有用的规律来指导复合材料的设计和研制。例如美国西雅图华盛顿大学研究人员仿造鲍鱼壳结构，利用碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成的10微米的薄层。由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40%