1.复合材料概论绪论课件VIP

1,复合材料概论,Composites,2,教材：复合材料概论作者：王荣国等哈尔滨工业大学出版社，第3版(2011年2月1日),复合材料的基体材料复合材料的增强材料复合材料的界面聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料碳/碳复合材料混杂纤维复合材料,3,A.土砖房子,4,B.钢筋水泥房子,史上最牛的钉子户,5,我们住在复合材料里,6,C.燕子窝：泥土-草复合材料,7,树木也是一种复合材料,木质素纤维素,D.自然界的复合材料,竹、木、骨、贝壳、象牙和龟壳,8,复合概念,a+b,a+b+c,a+b+c+,复合材料：由两种以上在物理和化学性质上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料,9,这么简单的组合，通过简单的共混得到，能有科学与技术的含量吗？,贝壳被称为摔不坏的陶瓷，达到了强、韧的最佳配合，是纯文石的3000倍。,10,小到生活应用旅行箱、洗脸盆、水管、电插板航空航天哥伦比亚号航天飞机的失事,11,世界上最轻的自行车,整车重量仅有1.25公斤,12,海鳗的发电器瞬间可以发出800伏的电压，足以电死一头大象，但是它的发电器不是金属等导电器材，而是蛋白质的分子集合体。,仿生复合材料,13,一般材料的强硬度与塑韧性是相互矛盾的！但是贝壳却达到了强、韧的最佳配合，它又被称为摔不坏的陶瓷,与其独特的微观结构密切相关。贝壳中：珍珠层的叠层结构是其高断裂韧性的根源。研究表明珍珠层是由高强、硬度的纹石片叠层累积组成，但纹石片间存在韧性非常好的有机质层,文石层碳酸钙含量为99%，以蛋白质为主的有机质不到1%.,14,复合材料的使用目的：结构复合材料功能复合材料,以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力或维持结构外形。,以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求。,15,什么是材料？对材料的认知？材料和化学与物理之间的关系？材料涉及的科学与技术？,16,参考书目,复合材料学周祖福主编出版社：武汉理工大学出版社先进复合材料鲁云主编出版社：机械工业出版社复合材料结构设计基础李顺林王兴业主编出版社：武汉工业大学出版社,17,学习目的,了解复合材料的微结构与性能之间的关系了解复合材料中基体和增强相的种类、特点和要求理解复合材料的复合原理，包括混合法则、增韧机制和界面作用了解常用的复合材料的组成、制备、结构等,18,如何学习这门课程？,讲授和自学两种方式考核方式(1)期末闭卷考试（60%）(2)自学写一篇有关“复合材料”的小综述、学习心得、读书报告或自己想设计一种什么样的复合材料；“五一”黄金周之后上交（30%）。(3)考勤（10%）,19,一、复合材料的定义,国际标准化组织：由两种以上在物理和化学性质上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料材料大词典：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。,20,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。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能。,21,复合材料,22,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）,经常使用的复合材料,23,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）,24,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。,25,Schematicillustrationofcompositeconstituents,26,二、复合材料种类,三大材料：金属无机非金属有机高分子复合材料取长补短协同作用产生原来单一材料本身所没有的新性能,27,三、复合材料的特点1）复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；2）复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。,28,现代社会,信息,生命,材料,社会,29,四、材料的发展,世界是由物质组成的,吃穿住行,生产与生活资料,“只要知道物质的结构，人类在现在或未来能合成所有的东西。”,30,人造肉类,31,材料是人类生存和发展的物质基础,钢铁时代高分子时代多种材料并存的时代,生产力获得了极大地解放，推动着人类社会的进步！,旧石器时代,新时期时代,青铜时代,铁器时代,32,20世纪60年代以来，材料种类得到拓展，性能上得到极大的扩展与深度挖掘：光、声、磁、力、超导、高塑、超强、超硬、耐高温等,功能化复合化智能化生态化,高分子的发展,德国化学家H.Staudiger,20世纪30年代提出大分子概念,Ziegler和Natta的定向聚合理论的诞生促进PP、PE,Carothers的缩合聚合理论，尼龙面世,33,五、复合材料历史,古代近代先进复合材料天然复合材料竹、贝壳，树木和竹子：纤维素和木质素的复合体动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成古代：使用、效仿半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆十九世纪末期出现由纤维增强橡胶制成的轮胎、橡胶布。,34,现代,20世纪40年代初，美国首先用玻璃纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之后，玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢）广泛用于航空、造船、汽车、化工、电器等国防和国民经济各部门。我国先进复合材料的应用和研究是从20世纪60年代末期开始的。,35,近现代：,第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料第二代：1960年到1980年，先进复合材料1965年英国科学家研制出碳纤维1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-491975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。,36,(1)强调基体即强调了基体材料的种类和特征,命名,(2)强调增强体即强调增强材料的种类和性质,酚醛树脂基复合材料、铝合金基复合材料等,碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等,六、复合材料的分类,37,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,六、复合材料的分类（1）,38,颗粒增强复合材料,纤维增强复合材料,复合材料,连续纤维复合材料,不连续纤维复合材料,层合结构复合材料,缠绕结构复合材料,颗粒强化复合材料,弥散强化复合材料,多向编织复合材料,短切纤维复合材料,晶须复合材料,颗粒直径范围150m，颗粒体积含量2570%，增强颗粒之间的距离一般大于1m。颗粒的作用：由于颗粒本身的刚硬阻止基体变形而起到增强作用。,颗粒直径范围0.010.1m，颗粒体积含量115。颗粒的作用：阻止基体材料的位错运动而起到增强作用。,由无纬布或纤维织物铺叠而成,由纤维粗纱缠绕或纤维织物带按一定缠绕规律卷绕而成,由纤维在三维多方向编织而成,六、复合材料的分类（2）,39,Classesofcomposites,40,纤维增强复合材料种类玻璃纤维复合材料；碳纤维复合材料；有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）复合材料。混杂复合材料：两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。,41,按基体材料分类聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。,42,按材料作用分类结构复合材料：用于制造受力构件；功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异质复合材料（复合材料多属此类）。,43,复合材料系统组合,44,各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料非常成熟广泛的应用金属基复合材料开发阶段某些结构件的关键部位陶瓷基复合材料及功能复合材料等尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决,45,复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40。仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。,46,性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。1、主要取决于增强相的性能.比强度、比刚度高.冲击韧性和断裂韧性高.耐疲劳性好.减震性.热膨胀系数小,复合材料的性能比较,裂纹扩展示意图,47,各种材料的比强度和比模量,48,、硬度陶瓷基金属基树脂基、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,49,、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,50,粒子增强复合材料粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。这种复合材料是各向同性的。,卫星用颗粒增强铝基复合材料零件,复合材料介绍,51,聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料。陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。,52,金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。,53,硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。,54,层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。,55,双金属、表面涂层等也是层状复合材料。结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。,56,聚合物基纤维增强复合材料通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。,57,聚合物基纤维增强复合材料零件,58,复合材料在航空中的应用,59,飞机飞的更高更远更快：目前，用金属制成的飞机最高时速大约为3000km，最高飞行高度约30km，最大飞行距离约20000km。如果飞机的质量减轻一半，则飞行速度可提高一倍，飞行高度可达40km或50km以上，飞机绕地球一周而无需加油。可见质量轻、综合性能好的复合材料在航天航空工业中具有其他材料不可取代的重要性,60,纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。,61,金属基复合材料(MMC)虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。,航天飞机桁架,62,纤维增强陶瓷复合材料陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。,63,用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须(如SiC和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。,64,玻璃钢增强剂玻璃纤维（主要是SiO2），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。粘结剂（基体）热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。性能（与基体相比）(比)强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。用途轴承，轴承架，齿轮，车身。,65,碳纤维树脂复合材料增强剂碳纤维(石墨)，强度和弹性模量高，且2000以上保持不变；-180不