复合材料原理课件

复合材料原理复合材料原理：01-11周周一7-8节11J520101-11单周周三9-10节

2J203复合材料工艺与设备：地点全部变更为10J414，时间不变。2E-mail：mse_lijq@Cellphone:131-5619-3068见全×健×泉××李建权31、绪论2、复合材料的复合效应3、复合材料的界面状态解析4、复合体系的界面结合特性5、复合体系的典型界面反应6、复合材料的界面处理技术主要内容47、复合材料物理和化学性能的复合规律8、结构复合材料9、功能复合材料51绪论

一、复合材料的起源：天然材料加工材料合成材料6二、复合材料的定义

1、定义2、复合材料区别于任意混合材料的一个主要特征由两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同复合方法所得到的宏观多相材料。多相结构存在着复合效应3、复合材料相区尺寸的界定相区尺寸大于1μm的宏观多相材料，不包括相区尺寸在0.01—1μm之间的微观分相材料，但随着科学技术的发展，这一概念在逐步淡化，并出现分子复合材料。7三、复合材料的发展1、几千年前，在粘土中加入稻草；2、漆器：麻与大漆构成的；3、混凝土：砂石和水泥复合得到。A、原始复合材料8B、现代意义上的复合材料的发展1、硫化橡胶：1839年美国人C．Goodyear发明的橡胶硫化法，在橡胶原料中加入硫化剂、填料、增强剂和防老剂等助剂所制得的一种工业复合材料；2、玻璃纤维增强塑料：上世纪40年代，首先在美国出现；3、先进复合材料：上世纪60年代相继出现了以碳纤维和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；4、金属、陶瓷基复合材料：上世纪70年代则又出现以金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。狭义上指比刚度、比强度超过铝合金的碳纤维增强树脂基复合材料，但也有研究人员将其概念扩展到一些最新发展研制的、具有先进性能的其他复合材料，如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。9四、复合材料的分类：1、无机非金属基复合材料2、聚合物基复合材料3、金属基复合材料基体材料不同101.1复合材料中的材料设计和结构设计工程应用的角度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以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，诸如压电材料、阻尼材料、自控发热材料、吸波屏蔽材料、磁性材料、生物相容性材料、磁性分离材料。111、复合材料的组成：

增强体（结构复合材料）基体（或基体材料）+

功能体（功能复合材料）

作用：A、结构复合材料：增强体：在结构复合材料中主要起承受载荷的作用；基体：起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。B、功能复合材料：基体：主要起连接作用；功能体：是赋予复合材料以一定的物理、化学功能。12复合材料区别于单一材料的主要特点：1）不仅保持其原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性；2）材料的可设计性；3）材料与结构的一致性。13材料A材料B优点缺点优点缺点组合1组合2组合3组合4材料优、缺点组合示意图最佳组合最差组合14复合材料必须通过对组分的选择、各组分分布设计和工艺条件的控制等，以期保证原组分材料的优点相互补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥复合的优势。

15Eg:1）高强度结构材料：可选用高强度纤维2）高模量结构材料：应选用高模量纤维3）耐高温结构复合材料：应选择耐高温材料为基体。树脂基复合材料＜400℃)；碳-碳复合材料＜2400℃)；金属基复合材料(400-1300℃)；陶瓷基复合材料(1300-1650℃)。164）电磁波屏蔽材料：应选用含有导电性功能剂的树脂基复合材料。5）化工防腐蚀的复合材料

对于酸性介质：用中碱玻璃纤维为增强体和耐酸性良好的树脂(如乙烯基酯树脂)为基体；

对于碱性介质：宜采用无碱玻璃纤维为增强体和耐碱性良好的树脂(如胺固化环氧树脂)。

17复合材料特性：比强度、比模量高耐疲劳性能好减震性好过载安全性18抗拉强度与密度之比比强度高的材料能承受高的应力弹性模量与密度之比比模量高说明材料轻而且刚性大比强度、比模量高19耐疲劳性能好疲劳破坏的种类不同：金属：突发性破坏疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%聚合物基复合材料：有预兆破坏极限为拉伸强度的70%~80%20减震性好受力结构的自振频率有关因素：结构形状

比模量的平方根成正比同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减。21过载安全性在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。22聚合物基体的性能特点(1)密度低；(2)耐腐蚀；(3)易氧化、老化；(4)聚合物的耐热性通常较差；(5)易燃；(6)低的摩擦系数；(7)低的导热性和高的热膨胀性；(8)极佳的电绝缘性和静电积累；(9)聚合物可以整体着色而制得带色制品。(10)聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。23增强体和功能体在复合材料中起主导作用(1)填充(2)增强(3)赋予功能用廉价的增强体，特别是颗粒状填料可降低成本。纤维状或片状增强体可提高聚合物基复合材料的力学性能和热性能。其效果在很大程度上取决于增强体本身的力学性能和形态等。功能体可赋予聚合物基体本身所没有的特殊功能。功能体的这种作用主要取决于它的化学组成和结构。24增强效果增强体粒状片状纤维状弯曲强度、弯曲模量硅酸钙滑石粉、云母玻璃纤维、碳纤维、芳纶拉伸强度，拉伸模量玻璃纤维、碳纤维、芳纶热变形温度，尺寸稳定性碳酸钙滑石粉、云母玻璃纤维、碳纤维、芳纶压缩强度云母玻璃纤维、碳纤维、芳纶主要的增强效果和对应的功能体25主要的功能效果和对应的功能体功能效果功能体滞燃性碳酸钙、滑石粉、亚硫酸钙难燃性氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、碱式碳酸钠铝难磨耗性石墨、二硫化钼、碳纤维导电性、电磁波屏蔽性炭黑、石墨、碳纤维、铝粉、铝纤维、黄铜纤维、银粉磁性高铁酸钡、高铁酸锶、高铁酸镍、γ-Fe2O3、钕铁硼粉隔音性铁粉、铅粉、氧化铁导热性铝粉、石墨、铝纤维、氧化铍压电性钛酸铅、锆酸铅263、界面

界面、界面效应对复合材料性能的巨大影响正是复合材料区别于一般混合材料的重要标志。

例如

1）玻璃纤维增强塑料的力学性能，特别是湿态力学性能在很大程度上与玻璃纤维和树脂间界面的粘结状态有关。

2）对于透光复合材料，界面粘结好坏更是决定透光材料使用寿命的依据。27改善基体和增强体的界面粘结状态，必须对增强体进行表面处理。表面处理的方法：1）用物理或化学的方法使填料表面的结构发生改变；2）用一种叫“偶联剂”的化合物引入增强体表面以实现改变增强体表面结构的目的。28偶联剂的分子中一般都含有两种性质不同的基团。一部分基团(如硅烷基)能与无机物(比如玻璃，金属)表面上的M－OH起化学反应形成化学键；另一部分基团(如乙烯基)能与树脂起反应形成化学键。使无机物和树脂这两类性质差别很大的材料以化学键的形式“偶联”在一起，形成了一个牢固的整体。29玻璃表面乙烯基硅烷偶联剂水解形成的乙烯基硅醇30玻璃纤维表面处理方法后处理法、前处理法和迁移法。(1)后处理法凡是使用纺织型浸润剂，制得的玻璃纤维及织物，在用于制作玻璃钢之前原则上都采用此法进行表面处理。分两步进行：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大，玻璃纤维强度损失大．但处理效果好，比较稳定．是目前国内外最常使用的处理方法。满足纺织工序的要求单丝处理剂，当玻璃液从漏板拉出单丝以后，涂敷在玻璃纤维表面上，对单丝起保护作用。使多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度；保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。31(2)前处理法适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和粘结。将化学处理剂加入到浸润剂中。与后处理法比较优点：省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便；避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失。缺点：这种浸润剂一方面要满足拉丝、纺织工序的要求，同时又要满足与树脂浸渍、粘结等要求，是一个比较复杂的技术问题，目前尚需进一步研究。32(3)迁移法：迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的“迁移”作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用。迁移法需要热处理后使用。33应该明确：复合材料既是材料又是结构，故材料设计与结构设计往往相互交叉而没有明显的分界线，同时这种设计都受到成型技术的制约。通常认为复合材料中的材料设计属于复合材料科学(材料物理及材料化学)的研究范畴，而结构设计则属于复合材料力学的研究范畴。34

1.2本课程研究的范围范围：研究复合材料中的材料设计。本课程是一门研究材料设计的课程，研究范围涉及到基体的结构和性能、增强体或功能体的结构和性能、界面结构和界面效应、复合后材料的物理及力学性能的一般规律和共性，复合过程的一般规律和共性。上述研究内容正是整个复合材料工程学的理论基础。351.3学习本课程的意义和要求复合材料从原材料到制品，包含的专业内容：1）材料设计2）结构(制品)设计3）成型工艺及设备4）产品性能检测

从材料性能的可设计性和材料与结构的一致性出发，从“微观”或“亚微观”水平开始，根据工程要求进行设计。36通过学习复合材料原理这门课程，将掌握材料设计的基础知识，能根据工程上对复合材料制品的要求，从微观或亚微观水平上选定合宜的基体和增强体或功能体，并确定合适的表面处理技术和成型工艺，使基体和增强体或功能体有良好的界面，从而达到预期的性能指标。作业：1、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？2、复合材料区别于单一材料的主要特点？37高速电主轴在卧式镗铣床上的应用越来越多，除了主轴速度和精度大幅提高外，还简化了主轴箱内部结构，缩短了制造周期，尤其是能进行高速切削，电主轴转速最高可大10000r/min以上。不足之处在于功率受到限制，其制造成本较高，尤其是不能进行深孔加工。而镗杆伸缩式结构其速度有限，精度虽不如电主轴结构，但可进行深孔加工，且功率大，可进行满负荷加工，效率高，是电主轴无法比拟的。因此，两种结构并存，工艺性能各异，却给用户提供了更多的选择。现在，又开发了一种可更换式主轴系统，具有一机两用的功效，用户根据不同的加工对象选择使用，即电主轴和镗杆可相互更换使用。这种结构兼顾了两种结构的不足，还大大降低了成本。是当今卧式镗铣床的一大创举。电主轴的优点在于高速切削和快速进给，大大提高了机床的精度和效率。卧式镗铣床运行速度越来越高，快速移动速度达到25～30m/min，镗杆最高转速6000r/min。而卧式加工中心的速度更高，快速移动高达50m/min，加速度5m/s2，位置精度0.008～0.01mm，重复定位精度0.004～0.005mm。落地式铣镗床铣刀由于落地式铣镗床以加工大型零件为主，铣削工艺范围广，尤其是大功率、强力切削是落地铣镗床的一大加工优势，这也是落地铣镗床的传统工艺概念。而当代落地铣镗床的技术发展，正在改变传统的工艺概念与加工方法，高速加工的工艺概念正在替代传统的重切削概念，以高速、高精、高效带来加工工艺方法的改变，从而也促进了落地式铣镗床结构性改变和技术水平的提