第1章 复合材料绪论.ppt

CompositeProcessing&Application复合材料及加工应用,主要内容,第1章绪论2学时第2章复合材料的增强体3学时第3章聚合物基复合材料4学时第4章陶瓷基复合材料3学时第5章生物材料与仿生材料2学时第6章纳米复合材料2学时,成绩评定与参考资料,成绩评定：平时（含考勤、课堂测验和提问、课后作业等）50%期末考试（闭卷）50%参考资料：1、顾书英，任杰编著，聚合物基复合材料，化学工业出版社，2007年3月（普通高等教育“十一五”国家级规划教材）2、黄锐主编，塑料成型工艺学（第二版），中国轻工业出版社，2009年2月3、鲁云，朱世杰等编著，先进复合材料，机械工业出版社，2004年1月4、瞿金平等，2002，聚合物成型原理与技术，北京：化学工业出版社,第1章绪论,1.1材料发展史1.2复合材料加工工艺发展史1.3复合材料定义与分类1.4复合材料的结构设计基础1.5复合材料的应用与发展现状,1.1材料发展史,StoneAge,PotteryAge,新石器时期马家窑式水纹彩陶钵,新石器时期半山式菱形点纹壶,唐三彩鸳鸯壶,明掐丝珐琅葫芦式扁瓶,橘皮釉,China,BronzeAge,CuSnPbZn,第一个合金材料：铜锡合金（青铜）,结构与性能的关系,战国青铜编钟,中国古铜镜,吴王矛（上）、越王剑（中）与秦剑（下）,IronAge,铸铁,锻铁,钢铁,依含碳量和杂质多少,铁和碳的合金,CompositeAge,古代,泥坯墙(稻草、树枝等掺入泥中)、石墙(泥、石灰粘合石块)。,1.2复合材料加工工艺发展史,1.2复合材料加工工艺发展史,1932年诞生于美国4245年手糊军用雷达罩，远航飞机油箱材料玻纤增强聚酯树脂。44年飞机机身、机翼与上述改进：玻钢夹层结构46年纤维缠绕成型50年压制成型，直升机螺旋桨49年玻纤预混，对模压制成型,手糊成型又称接触成型HandLayUp,1.2复合材料加工工艺发展史,60年代机械式，计算机缠绕玻纤、聚酯树脂喷射成型61年德国，片状模塑料（SMC）问世63年FRP板材工业化生产，美、法、日60年代中美、日SMC汽车部件，浴盆，船上构件60年代棒材、细管、定型截面制品70年代拉挤，环向缠绕树脂反应注射成型（RIM）增强树脂反应注射成型（RRIM）卫生器具，汽车零件,1.2复合材料加工工艺发展史,72年美国PPG公司，热塑性片状模塑料(SMTC)80年法国，湿法热塑性片状模塑料(GMT)6080年代离心浇铸成型，瑞士美国，大口负压管道发展领域军民美国民军西欧,1.2复合材料加工工艺发展史,碳纤维/聚合物复合材料,改性的韧性环氧树脂/高强碳纤维优点：重量轻：1.6g/cm3，比铝合金轻2530比强度高、高模量、耐腐蚀、耐磨损抗疲劳：比铝合金寿命提高1015倍成型性好、可设计、成本低用于：机身、机翼、舱门、机尾、。衡量飞机先进性的重要指标,用量50除作为结构材料外，通过复合材料的选择，还可具有一定的功能。,黄领才，刘秀芝，航空制造技术，10（2008）47,复合材料在飞机中应用的概况,A380B787,Composites,复合材料在飞机中的应用,B787材料分布,玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢,复合材料(玻璃钢)制作的渔船,建筑材料,1.2复合材料的命名与分类,复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的多相固体材料。,特点,保持各相的固有特性；各相原有特性的强化（协同效应）；赋予单一材料所不具备的特殊性能。,复合材料中一相为连续相，称为基体Matrix，占主要组分；另一相为分散相，称为增强材料Reinforcement。,各种类型的复合材料中相的排列,植物纤维增强树脂,SiO2增强聚丙烯,碳纤维增强聚碳酸酯,蒙脱土增强环氧树脂,金属基复合材料,非金属基复合材料,复合材料,高聚物基复合材料,陶瓷基复合材料,树脂基复合材料,橡胶基复合材料,热固性树脂基复合材料,热塑性树脂基复合材料,1.3复合材料的结构设计基础,1.3.1基本概念,phase,atom,组织是材料性能的决定性因素,Relationofcomponent，phaseandtexture,chemicalelement,chemicalsubstance,molecule,component,texture,simplextexture,multipletexture,1.3.2复合材料复合原理,复合材料界面粘结方式,蒙脱土增强尼龙6时基体与增强材料之间的氢键作用,J,SiCf/Ti的界面及界面反应层,碳纳米管表面被聚合物基体覆盖,混合法则RuleofMixtures,Pc表示复合材料的某性能，如强度、弹性模量、热导率等；Pi表示各组分材料的对应复合材料的某性能；V表示组成复合材料各组分的体积百分比（vol.%）；下标i表示组成复合材料的组分数。,在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）：,颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系,碳纳米管增强PA6复合材料的杨氏模量与CNTs质量分数的关系,粘土增强聚合物复合材料中粘土的质量分数对材料力学性能的影响,1.3.3复合材料的结构与性能,材料性能,材料应用,材料,性质和现象赋予材料的价值和应用性,使用性能是材料在使用条件下应用性能的量度,结构与成分包括了决定材料性质和使用性能的原子类型和排列方式,合成和加工实现了特定的原子排列,可根据对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量进行选择，并进行适当的制备与加工。,RelationofFourEssentials,Property,Performance,Structure&Composition,Synthesis&Process,可设计性好复合材料区别于传统材料的根本特点之一,设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。,具体体现在两个方面,力学设计给制品一定的强度和刚度,功能设计给制品除力学性能外的其他性能,单层的种类(a)无纬单层(b)经纬交织单层,层合结构复合材料,由纤维与基体所组成的单层以不同方向层合而成,1.3.4复合材料中的键合方式与结构,MetallicbondIonicbondCovalentbondHydrogenbondVanderWaalsbond,实际材料中的结合键,GeneralCharactersofMaterials,TheStructureofMaterials,宏观组织结构亚微观组织结构微观结构,骨骼天然的纳米复合材料,骨骼是天然的纳米复合材料其中30%为胶原纤维，剩下的70%是纳米级的磷酸钙晶体,亚微观结构,钻石薄膜在放大1000倍下显示的亚微观结构,钠玻璃,石英玻璃,石英晶体,微观结构,复合材料机械性能的特点,(1)各向异性性能,(2)非均质性,(3)层间强度低,1.3.5复合材料的性能,材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵向，用字母L表示，与其垂直的另一主方向称为横向，用字母T表示。,(1)各向异性性能,通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独立的工程弹性常数有两个：E(弹性模量)和(泊松比)或剪切弹性模量G。,(2)非均质性,(3)层间强度低,层合结构复合材料在一种外力作用下，除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他基本变形。,耦合变形：,在结构设计时，应尽量减小层间应力，或采取某些构造措施，以避免层间分层破坏。,材料抵抗各种介质作用的能力,1.3.5复合材料的性能,无机非金属材料的化学稳定性,化学稳定性好，耐酸耐碱,高分子材料的化学稳定性,材料的机械性能测试,材料受外力作用时的变形行为及其抵抗破坏的能力,样品拉伸实验示意图,冲击实验装置,硬度,断裂与韧性,脆性断裂和韧性断裂,疲劳特性与耐磨性,材料抵抗其他较硬物体压入表面的能力,热传导,耐热性,由材料熔融或分解所需温度的高低反映出来,金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）,电性能ElectricalProperty,光性能,光的反射、吸收和透过的特征,1.4复合材料的应用与发展,与基体材料相比，复合材料的优异性能：,应用范围,建筑轻型房屋装饰（雕塑、装饰件）卫生洁具（淋浴室）冷却塔贮水箱波形瓦塑钢门窗落水系统（落水管、雨蓬）地面，墙布，桌椅，卫生桶,化学工业防腐管、泵、罐、槽、衬里、隔层架交通汽车构件、铁路客车、通讯器材、高速公路格栅造船各种小艇、无磁性小艇、破障艇电器元器件、灯具（杯）、绝缘工具军事航空弹体件、雷达罩、飞机附件体育撑杆、弓箭、球拍、雪橇、赛车、滑板、赛艇、皮艇、划桨、渔杆、按摩舱农业温室（FILON板，透光率99%）食品级设备机械机械零配件,应用范围,复合材料综合了各种材料如纤维（晶须）、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点，可按需要设计、复合成为综合性能优异的各种新材料。,生物陶瓷,记忆合金,材料、能源和信息构成现代文明的三大支柱。新世纪对材料不仅功能上提出更高的要求，而且必须考虑资源、能源、环境和安全等与可持续发展有关的问题。,对未来复合材料的发展趋势大致可以概括为“六化”：即智能化、仿生化，复合化、纳米化、轻量化和高功能化。,复合材料的发展方向,智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和修复。例如，形状记忆合金便是一种智能材料。,高分子属于软物质，其特点是对弱的外界影响作出相对显著的响应和变化。因此研究高分子的软物质特征，利用外场的变化来调节高分子功能的变化，发掘高分子的自适应性，寻找实现高分子复合材料智能化的途径，将是人们今后的努力目标。,智能化,通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新材料的思路和方法，并在材料的设计和制造中加以模仿，