现代复合材料导论

1、现代复合材料导论,中山大学教育部聚合物基复合材料与功能材料重点实验室，材料科学研究所，广州，510275，TEL/FAXE-mail：,报告人：容敏智,第一章 概述,术语的定义 材料：为了某种利用目的而具备了必要性质的物质。 原料：在材料中，依靠特别化学变化，用以制造其它物质的物质。 素材：从制成品的角度看，它是用于制成品中的材料（组份）。 性能：物质的性质中，被动的性质。 机能：物质的性质中，能动的性质。 复合材料：复合两种以上素材，揉合各素材所具有的特性，使其具有多种特性。或依靠乘积效果，发挥新的特性。,天然复合材料骨头,胶原纤维/磷酸钙的复合材料； 胶原纤维非

2、常合理地向抵御外力的方向取向； 海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔，构成即简单，又具有强韧度的硬性材料；,内侧组织粗造柔软，外侧组织致密坚硬； 细胞壁是由微纤维与木质素和半纤维素构成； 微纤维赋予木材强度，木质素给木材以刚度。,天然复合材料木头,天然纤维的结构,剑麻叶片的横截面,剑麻,天然纤维的细胞结构与化学组成,某些纤维的组成,从天然复合材料学习的技巧,1. 实例都是无机物或有机物使用纤维坚固的复合材料； 2. 天然复合材料的优势： 具有巧妙的组织； 具有自身修复性； 由可再生成分组成； 合成过程利用了生物工艺学。,复合材料的历史,7千年前，新石器时代半坡村遗址中（西安），发现用草掺泥制成的墙

3、壁和砖坯等建筑材料； 5千年前，中东用沥青作为芦苇的黏合剂造船； 4千年前的夏时代已开始出现漆器，用丝、麻等天然纤维作增强剂，用大漆作粘结剂； 秦汉以后对底胎和面漆的改革出现了中空漆佛像。,复合材料的历史,最早的涂料生漆 （国漆、大漆、土漆） 主成分是具有双键侧链的漆酚，经氧化后聚合成高分子链。 漆 （木汁如水滴而下，形象表现割漆的情形。） 漆树在秦汉时期主要分布在黄河流域，后来由于中原气候变冷，漆树现主要分布在四川盆地。,鉴真漆佛像,郑和宝船,复合材料的分类,复合材料的组成 基体(Matrix):含量较大，连续分布的组成相 增强相(Reinforcement Elements):含量较小，分

4、散分布，一般起增强作用 1 按基体的性质分 金属基复合材料（Metal Matrix Composite Materials, MMCs) 树脂基复合材料(Polymer Matrix Composites,PMCs) 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs),2 按增强相的形状分（示意图见下页） 纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Composites, FRCs) 层压复合材料(Laminated Composites, Laminates) 颗粒增强复合材料(Particulate Reinforced Composites, PRC

5、s) 3 按制造方法分 人造或合成复合材料(Synthetic Composites) 自生复合材料（原位复合材料）(in situ Composites) 4 按用途分 结构复合材料(Structrual Composites) 功能复合材料(Functional Composites),复合材料的分类,按增强剂的形态、排列分：,增强相形状示意图,复合材料的分类,按聚合物（树脂）分： 热固性树脂复合材料； 热塑性树脂复合材料。 按聚合物种类分： 聚酯树脂基复合材料； 环氧树脂基复合材料； 酚醛树脂基复合材料；等等。,各种树脂基体,不饱和聚酯：,各种树脂基体,酚醛树脂：,各种树脂基体,环氧树脂

6、：,树脂基复合材料的特性,优点：,缺点：模量低、可燃、耐热性低、老化等。,复合材料的应用,树脂基纤维增强复合材料的应用,人类第一架全复合材料飞机,复合材料制品,复合材料制品,复合材料汽车,第二章 纤维的复合先进复合材料,1、为什么采用纤维的形状？ 一采用纤维的形状，即使相同的素材也变得格外结实，如玻璃纤维，因为急速冷却造成大量的高密度表面； 纤维可以自由弯曲，所以可以编织布； 用粘结剂将纤维加固则成为复合材料，可以制成板、管等各种成型物。,纤维素材玻璃纤维,纤维素材碳纤维,纤维素材芳纶纤维,各种纤维的比较,各种纤维的比强度和比模量,基体素材,1、基体聚合物、金属、陶瓷、碳基体； 聚合物基体包括

7、： 热固性树脂：如不饱和树脂、酚醛树脂、环氧树脂等； 热塑性树脂：聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮等； 金属基体包括：铝、镁、钛等轻金属及其合金； 陶瓷基体包括：氧化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硼、玻璃、水泥、石灰、砖瓦等。,A阶、B阶、C阶的概念,复合定律,1、力学中的混合定律：Xc = XmVm + Xf1Vf1 + Xf2Vf2 + 单向连续纤维增强复合材料： 纵向弹性模量：EcL = EfVf + Em (1-Vf) 纵向拉伸强度：cu = fuVf + m* (1-Vf),各向异性材料的得失,材料设计,使用织物,使用织物 的效果,成型加工方法分为两种： 先制造含B阶段树

8、脂的中间基材预浸料，再加热加压使树脂固化成型； 不做中间基材，使纤维浸渍树脂后，直接进入成型阶段；,复合材料的制造工艺,1、热固性树脂预浸料的制备方法分成：干法（热熔预浸）与湿法（溶液预浸）两种： 2、热塑性树脂预浸料的制备方法：干法、湿法、膜层叠、粉末浸渍（硫化床）、悬浮浸渍（造纸法）、纤维混编等；,制取中间基材预浸料,SMC（片状模塑料）、BMC（团状模塑料）：由短切玻璃纤维、树脂、固化剂、催化剂、填料、内脱模剂、颜料、增稠剂、低收缩添加剂等组成：,制取中间基材预混料,GMT：Glass mat reinforced thermoplastic 优点： 生产过程无污染； 成型周期短； 废品

9、可回收。,手糊成型（敞开）,喷射工艺（敞开）,热压罐成型（袋压成型）,缠绕成型,缠绕成型,拉挤成型,模压成型,分为配料模压、SMC模压、以及BMC模压，工艺包括在模具上涂脱模剂、SMC裁剪、装料、热压固化成型、脱模、修整等几个主要步骤。,模压成型,树脂转移模塑成型,生产效率高； 可生产形状复杂产品； 对环境污染少；,树脂转移模塑增强剂预成型,纤维复合材料的应用,一。在机械工业的应用： 主要用于阀、泵、齿轮、风机、叶片、轴承及密封件； 优势在于耐腐蚀、重量轻、价格便宜。如酚醛玻璃钢阀门使用寿命长于不锈钢，而价格便宜的多。 二、在化学工业的应用 化学工业存在的主要问题是腐蚀严重； 玻璃钢主要用于各

10、种槽、罐、釜、塔、管道等； 价格低于不锈钢，但只能常压、低温下使用。,三。在汽车工业及交通运输的应用： 减轻重量，节省燃油和排放; 降低成本：多部件集成、低工具成本; 抗腐蚀与冲击，抗压痕与划痕; 设计上的自由度大; 特别适宜敞篷车和周期性变化的造型，可设计成流线型。 是电动汽车的发展方向,早期复合材料在汽车上的应用,复合材料已经应用于汽车领域的部分部件,Aston Martin V12 Vanquish 的碳纤维车架,Cadillac超级概念车与跑车具碳纤维车体,超轻碳纤维车体节省重量60！,设计成流线型和美学方面更让人满意的形状,四、在航空、航天领域的应用,减轻重量是航空与航天技术的关键之

11、一； 美国空军主力战斗机中所使用的复合材料重量达到50左右； 喷气客机的重量每减轻450克，使用期内可节省1000美元；,二次结构首先实用化：辅助翼、整流罩、门板、内饰等； 一次结构逐渐扩大范围：主翼、尾翼、机身等。,力学设计：蜂窝表皮结构和支肋结构,机械加工与连接,连接方法与强度,多维编织的立体组织,航天领域尤其需要比强度和比模量高、耐摩擦和耐高温的材料； 太空的气候条件变化大，要求材料能够承受极端条件，如C/C耐烧蚀复合材料。,图 6-2 碳/碳复合材料制造的刹车零件,同步通讯卫星的太阳能电池框架、反射天线； 航天飞机的鼻锥、机翼和尾翼的前缘； 固体火箭发动机的喷管等；,五、在建筑领域的应

12、用,例如： 玻璃纤维增强水泥复合材料制做的建筑物外墙； 碳纤维增强聚合物复合材料用于修补加固钢筋混凝土桥板、桥墩。,环氧树脂,碳纤维布,HEX-3R国外补强工程案例,美国华盛顿威力美特桥 - 美国加利福尼亚州立大学,一种复合材料滑动内衬管修复一个主要的地下管道，以离心灌注生产的玻璃纤维增强聚酯滑动内衬管道,荷兰首都阿姆斯特丹，片状模塑料覆层系统已经用来做一个新饭店的前檐。,世界上最大的风力发动机叶片？,拉挤结构用于输电和照明已有十几年的历史了，他们的高抗腐蚀与抗老化性，介电性质和高强度/重量比使其成为木材，钢铁和混凝土柱子的理想替代品。,六、在其它领域的应用,在船舶业，玻璃钢船体耐海水腐蚀、抗

13、海生物吸附； 在生物医学方面，C/C复合材料具有良好的生物相容性，用作外科植入物、牙科植入体、人工关节等； 体育器材，如网球拍、钓鱼杆、高尔夫球棒、滑雪板等； 家用电器外壳，开关和绝缘闸合、微波炉餐具等； 澡盆、桑那房等卫浴产品,第三章 混合复合材料水泥与聚合物混合体,标准混凝土的强度,拉伸强度很低！,钢筋混凝土和预应力混凝土,针对混凝土拉伸和弯曲强度差的问题，通常采用钢筋混凝土和预应力混凝土的施工方案。,纤维补强水泥,石棉与水泥的混合很早就使用了； 短纤维与水泥混合，应用于建筑物的表面混合法、喷射法； 碳纤维补强水泥（CFRC）作为建筑的外装材料已经使用化。,c = f 1 - ( lc/2

14、l ) Vf + m* (1-Vf),fu (d2/4) = dlc/2,纤维加入水泥后，使其由脆性变成韧性,聚合物混合体,聚合物混合体的制作目的： （1）改善物性，力求功能化、高性能化，以提高耐久性； （2）改善加工性，通过提高流动性、尺寸稳定性、分散性等，来提高加工性； （3）改善经济性，通过利用廉价的聚合物及填料和（1）（2）来增加经济性。,聚合物混合体的调制方法： 利用化学反应的混合：接枝共聚合、嵌段共聚合、IPN、反应挤压等 物理混合：溶液混合、熔融混合、乳液混合等,混合聚合物的结构,混合聚合物性能改善的原理,共混原理的成功应用：工程塑料ABS树脂的制造工艺,聚合物混合体结构的大小,

15、第四章、叠层复合技术功能性复合材料,叠层技术,（1）在一种素材薄膜上涂覆另一种素材的溶液之后，干燥； （2）粘结两片薄膜； （3）在一种素材薄膜之上蒸镀另一种素材。,叠层技术-涂覆与粘结,熔融挤压叠层法,表面处理与镀膜,电阻加热、高频介质加热、电子束加热等,食品包装用层压箔片,外层：分担机械强度（PET、PA、PP等）； 中层：控制气体渗透； 内层：分担热密封性。,人工肺用中空纤维,复合的目的与复合效果,环境复合材料（ecocomposites）: 可循环利用，环境安全，材料废弃时环境负担小。 绿色复合材料（green composites）: 完全循环利用或完全可降解 减少环境负担和对石油资

16、源的依赖。,可生物降解复合材料,cradle-to-grave design,The ever-growing worldwide litter problem has raised environmental consciousness,White pollution,Black pollution,The automotive industry is in the driving seat of green composites,The hollow and cellular nature of natural fiber perform well as acoustic and ther

17、mal insulators,The use of biodegradable and environment-friendly plant based lignocellulosic fibers has been a natural choice for reinforcing (or filling) polymers (plastics) to make them greener.,Greener composite alternatives,Fully biodegradable green composites by combining natural fibers with biodegradable resins The best examples: cellulosic plastics polylactides (PLA) starch plastics soy-based plastics.,Fully green composites,20% oil 40% protein: soy flour, soy isolate, and soy concentrate.,开发优秀复合材料所面临的问题,纤维系： （1）高性能纤维的开发； （2）具有适当物性基体的开发