第四章-先进复合材料概述

1、第四章 先进复合材料概述,飞机材料的发展变化,复合材料,航天领域,3,和平来自于有效的威慑,安全需要技术支撑,国际形势实力政策,飞机性能一半取决于设计,另一半取决于材料。材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智能化、微型化、无人化、电子化等方面的发展都离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多方面的,首先是“比强度”,即强度与密度之比,同时综合考虑其他性能,例如“比刚度”、断裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性等。对于功能材料,主要是要求良好的功能特性,例如隐形性能。,材料对飞机的

2、影响及飞机对材料的要求,“哥伦比亚” 穿越大气层解体时的图像,“哥伦比亚”航天飞机起飞时隔热片曾被撞击,6,复合材料在A380上的应用,机身构架的要求,纵向静应力/残余强度裂纹扩展,上部机壳： 压缩机/温度 下部机壳： 张力/裂纹扩展,环向应力和纵向应力,冲力,冲力,冲力,环向应力影响,高局部载荷,弯曲压力,稳定性 静态强度,耐腐蚀性,躲避扭转和横切应力产生的压力,冲力,弯曲,扭曲,8,飞机的重量构成,一架总重170吨的飞机，若减重1%， 一年可节约300600万美元,引擎减轻 机翼 起落架 燃料,结构材料减轻,概论,新材料发展的若干技术前沿,新型金属材料：交通运输用轻质高强材料，能源动力用高

3、温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。,金属玻璃(Metallic Glasses),终结者,金属玻璃比钢强度高3倍，弹性大10倍。,研究前沿：信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、集成与微加工技术，结构陶瓷以及复合材料的补强、韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制备技术。,耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料,西北工业大学 张立同院士,此项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是国际上公认的反映一个国家先进航空航天器制造能力的新型热结构材料，这也使我国成为继法国和美国之后第三个掌握此技术的国家。,稀土就

4、是化学元素周期表中镧系元素镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素，简称稀土。,稀土金属,稀土提纯样品,“中东有石油，中国有稀土”。稀土曾是让国人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开采出来的稀土资源降到“白菜价”。,AIM-9“响尾蛇”系列导弹的红外引导头关键部分使用锑化铟材料制造,稀土是制造“灵巧炸弹”精密制导武器、雷达夜视镜等

5、武器装备不可缺少的元素,美国宙斯盾系统雷达使用由中国稀土所制磁铁,美国武器制造方面对稀土依赖程度非常高,国际稀土之争白热化 日欧美结盟施压中国; 稀土开发伴随环境污染,中国基于环保节约等考虑实施稀土管制 中国打响“稀土保卫战” 设立国家级“特区”,我国首设稀土矿国家规划区矿区划定江西赣州; 商务部降低2011年首批稀土配额11.4%,部分企业的出口配额甚至减少了三成; 国务院关税税则委员会关于2011年关税实施方案的通知（金属钕的出口关税税率由15%提高至25%,纳米材料：主要是纳米材料制备与应用关键技术，固态量子器件制备及纳米加工与组装技术。,Space elevator,Carbon Na

6、notubes,神奇玻璃能自洁,超薄二氧化钛镀膜(40 nm) 能够分解有机污垢,TiO2, 光触媒，在受到大于二氧化钛能隙宽度的光线照射时（例如紫外光），内部电子会被激发，与空气的氧气和水分子发生作用，产生负氧离子和氢氧自由基。 透明度，价格,防皮肤癌的化妆品,奥克斯尼卡公司几个月前推出一款产品，因为它含有钛氧化物纳米粒子，可以在长达8小时的时间内有效地抵挡UVA和UVB,干净新鲜的衣物,美国NanoHorizons公司，SmartSilver 抵抗微生物和细菌侵蚀 防菌绷带 自动清洁和消毒的洗衣机、电冰箱和空调,纳米材料的奇特用途,能看电影的衣服 OLED 定点杀死癌细胞的纳米药物 轻巧结

7、实的材料 不会被刮花的汽车 纳米瓷透明涂料 （奔驰汽车）,材料智能合成与制备技术 材料表面改性技术的低成本化途径与批量生产技术 原位复合技术、仿生技术、原子尺度上的设计与排布技术 材料微观结构的模型化技术、智能化控制及动态实时监测分析技术 不同层次的材料设计、性能预测和评价表征新技术。,材料的设计、制备与评价技术：,复合材料的发展历史,树-纤维素纤维+木质素及半纤维素,1、复合材料是一个需要长期科学研究的重要领域,1）天然复合材料伴随着自然界的生存与发展,天然材料几乎都是复合材料,复合采用了自然规律,27,特点: 按照需要自然地生长 受了伤自己能够恢复再生能力 非常强韧的结构,骨-胶原纤维的有

8、机物+磷酸钙的无机物,生命体是多层次意义上的复合体系： 生命体基本单位-细胞，是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体，各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。 即使细胞膜也是有磷脂双分子层，蛋白质组成的复合功能体系。,海胆：家在喜马拉雅山上,海胆有五片刀片般的牙齿，合在一起像一组大钢牙，正好长在腹部中央。它的食物是海藻，大钢牙像除草机般，将海底藻类刮得干干净净,进化的复合材料-海胆牙齿,进化的复合材料-贝壳,木质素 纤维素,6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。,我们住在复合材料里,燕子窝：泥土-草复合材料

9、,34,2）传统复合材料与人民生活密切相关,35,3） 人类在材料制造方面的局限性也促使复合材料的不断发展,限定在很小的特定性能及机能上 人类已进入了能够制造超天然物质的复合材料阶段,综合性角度，要制造像天然物质那样精巧的复合材料 人类的能力多少显得有些不够,36,2、复合材料的特性决定了其巨大的发展潜力,1） 单一成分物质,有其来自自身性质的界限,高分子材料老化与耐温性 金属材料的比重与加工性 陶瓷材料的脆性,轻质高强（高性能） 多功能（特显功能）,37,2）复合材料发展趋势,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

10、研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975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。,复合材料(composite materials): 由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能。,复合材料的定义,复合材料的特征：,可设计性。即通过对原材料的选择、各组分分布设

11、计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能； 由基体组元与增强体或功能组元所组成； 非均相材料。组分材料间有明显的界面； 有三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）； 组分材料性能差异很大 组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现新性能；,复合材料的命名与分类,命名：,复合材料可根据增强材料和基体材料的名称来命名，通常将增强材料放在前面，基体材料放在后面，再加上“复合材料”而构成。,环氧玻璃钢（俗称） 玻璃纤维复合材料（强调增强材料） 环氧树脂复合材料（强调基体材料） 玻璃纤维/环氧树脂复合材料 玻璃/环氧复合材料 C/C复合材料,复合材料的分类：,按基体材料分

12、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：包括陶瓷基、碳基和水泥基复合材料。,按增强材料形态分类： 纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中； 颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中； 板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体,复合材料结构示意图 a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细

13、粒复合 d)短切纤维复合,按用途分类 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、光、电、磁、摩擦、屏蔽等）,航空航天工业,先进固体发动机UHTCF复合材料。 飞机减速板、刹车装置C/C复合材料，耐高温，耐腐蚀、耐摩擦。 固体火箭的外壳及喷嘴CF/酚醛树脂复合材料。 内燃机活塞、连杆、发动机气缸Al2O3/Al，高温强度、疲劳强度，热稳定性。,复合材料的应用,交通运输业,超塑铝合金制造的汽车模型,汽车车身、底盘、结构梁、驱动轴、方向盘、操纵杆、发动机罩、散热器罩等等聚合物基复合材料 集装箱、火车车厢、冷藏车金属基复合材料 天然气瓶玻璃钢,建筑工业,轻型结构房、卫生洁具、冷却塔、储水箱玻璃钢