复合材料课件

1、1,PPT学习交流,总论 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 碳/碳复合材料,2,PPT学习交流,1.1 发展概况 1.2 复合材料定义、命名和分类 1.3 复合材料的基本性能,第一章 总 论,3,PPT学习交流,材料发展历史：,1.1 发展概况,石器、铜器、铁器时代等,材料科学历史：,四十多年,实现生产、科学目的：,新材料研究,第一章 总 论,4,PPT学习交流,尖端科学技术对材料要求：,减轻重量、提高强度、降低成本,5,PPT学习交流,复合材料：,英文：Composite Material,简称：CM,单一材料是否满足以上全部要求?,6

2、,PPT学习交流,CM,早期CM,现代CM,通用CM,先进CM,第二代：BFRP、CFRP、KFRP,第一代：GFRP,稻草+泥巴、钢筋混凝土,复合材料历史:,第三代：聚酰亚胺、金属基、陶瓷基,7,PPT学习交流,现代复合材料主要特征：,基体采用合成材料,现代复合材料标志：,玻璃钢（GFRP）,8,PPT学习交流,玻璃钢（GFRP）：,玻璃纤维增强树脂基复合材料,基体材料：,UP、EP、PF,9,PPT学习交流,GFRP应用发展历史：,军用飞机雷达罩,渔船,（1940年）,（1942年）,火箭发动机壳体,（1946年）,航空、机械、化学、体育、建筑,（6070年代）,10,PPT学习交流,图1

3、 玻璃钢瓦,11,PPT学习交流,图2 玻璃钢雨棚,12,PPT学习交流,图3 玻璃钢警示牌,13,PPT学习交流,图4 方结圆形灯笼灯箱,14,PPT学习交流,图5 圆形逆流工式超低噪声冷却塔,15,PPT学习交流,GFRP主要缺点:,模量小、温度低,16,PPT学习交流,现代技术对先进复合材料(ACM)要求：,高比强度、比刚度、剪切强度、剪切模量、高温耐热性等,17,PPT学习交流,纤维,GF,BF、CF、Kevlar,(Al2O3)f 、SiCf 、 (Al2O3)w,纤维,晶须,18,PPT学习交流,CM基体发展历史：,树脂基,金属基,无机非金属基,19,PPT学习交流,先进CM,高级

4、CM、高性能CM,第二代,第三代,20,PPT学习交流,第三代复合材料特点：,耐热、高韧性、多功能,第二代复合材料特点：,高比强度、比刚度、耐热,21,PPT学习交流,应用： 快餐桌椅、公园椅、垃圾桶、垃圾车、移动厕所，儿童游乐设施、篮球架、篮球板、乒乓球台、台球桌、健身器材、塑胶跑道、球场及场地设施，花盆、喷泉、浮雕、圆雕、罗马柱 、防腐池槽、电镀槽、防腐地面、抗静电、净化地面及各式防腐工程、游船、保安亭、水箱、机器外壳，设备外壳、马达外壳、风机外壳,22,PPT学习交流,图6 哈飞直九式直升飞机,23,PPT学习交流,图7 F-22战斗机,24,PPT学习交流,图8 波音787飞机,25,

5、PPT学习交流,图9 波音787飞机,26,PPT学习交流,1.2 复合材料定义、命名和分类,1.2.1 定义,由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料,27,PPT学习交流,复合材料定义理解：,（1）组分（组元）、相对含量是人工选择、设计的；,（2）人工制造，非天然形成；,（3）某些组分保持其固有的物理和化学性质；,（4）性能取决于各组成相性能的协同；,（5）各组分之间被明显界面区分的多相固体材料,28,PPT学习交流,复合目的：,通过复合产生单一材料所不具有的新性能,29,PPT学习交流,CM组成,增强体,分散相：,基 体,连续相,界面相,纤维、颗粒状、片状,（基

6、体相）,（增强相）,30,PPT学习交流,纤维状,颗粒状,层状,片状,填充状,图11 复合材料及其增强相的各种形态,31,PPT学习交流,问 题：,（1）复合产物能否为液体或气体？,（2）复合材料是不是只能是一个连续相与一个分散相的复合？,32,PPT学习交流,1.2.2 命名,玻璃钢,例：玻璃纤维增强树脂基复合材料命名,玻纤增强塑料、玻璃塑料、玻璃布层压板、玻璃纤维复合材料,33,PPT学习交流,命名原则：,增强材料+基体材料+复合材料,书写：,例：碳纤维环氧树脂复合材料,碳/环氧复合材料,碳纤维复合材料,环氧树脂复合材料,34,PPT学习交流,例：,Cf / Al、 CF / Al,碳 /

7、碳复合材料,35,PPT学习交流,1.2.3 分类,（1）按性能高低, 通用复合材料, 先进复合材料,36,PPT学习交流,（2）按增强材料形态, 连续纤维复合材料, 短纤维复合材料, 粒状或碎片状复合材料, 编织复合材料,37,PPT学习交流,（3）按增强纤维种类, 玻璃纤维复合材料, 碳纤维复合材料, 有机纤维复合材料, 金属纤维复合材料, 陶瓷纤维复合材料, 混杂纤维复合材料,38,PPT学习交流,（4）按基体材料分类, 聚合物基复合材料, 金属基复合材料, 无机非金属基复合材料, 碳基复合材料,热固性树脂、热塑性树脂、橡胶,铝基、钛基、镁基、铁基,陶瓷、玻璃、水泥,39,PPT学习交流

8、,（5）按材料作用分类, 结构复合材料,作为承力结构，主要使用其力学性能的复合材料, 功能复合材料,除力学性能外还提供其它物理性能的复合材料,40,PPT学习交流,（6）同质复合与异质复合的复合材料, 同质复合的复合材料, 异质复合的复合材料,例：C/C 、ZrO2 / ZrO2,例：CF/Ep、 CF/Al,41,PPT学习交流,1.3 CM的基本性能,1.3.1 共同特点,1.3.1.1 优点,（1）叠加效应,最佳结构设计,增强体与基体性能的叠加与互补,新的、独特的多种性能材料,42,PPT学习交流,（2）性能具有可设计性,改变材料的组分、结构、工艺方法、工艺参数等调节材料的性能,43,P

9、PT学习交流,（3）材料与构件制造的一致性,CM材料,CM构件,意义：,减少零件数目，避免接头过多 ，降低应力集中；减轻质量，减少制造工序和加工量，降低成本,44,PPT学习交流,一次成型：,根据构件形状设计模具，再根据铺层设计铺设增强体，使基体材料与增强体组合、固结后获得复合材料构件的制造过程。,45,PPT学习交流,二次加工：,构件的连接；机械切削加工及坯件的进一步塑性变形,46,PPT学习交流,1.3.1.2 复合材料的不足,（1）增强体和基体可供选择的范围有限;,（2）工艺比较复杂，质量重复性不能完全保证;,（3）成本较高,47,PPT学习交流,复合材料的最大特点：,性能可设计性,48

10、,PPT学习交流,密度：1.42.2g/cm3,拉伸强度：70350MPa,例：玻纤/不饱和聚酯复合材料性能变化,49,PPT学习交流,1.3.2 聚合物基复合材料及主要性能,简称：PMC,英文：Polymer Matrix Composites,（1）比强度、比模量大,比强度= 抗拉强度/密度,比模量= 弹性模量/密度,50,PPT学习交流,例： 金属制成的飞机最高时速约3000Km/hr，最高飞行高度约30Km，最大飞行距离约2万Km。如果重量减轻一半，飞行速度提高一倍，飞行高度可达4050Km以上，飞机绕地球一周无需加油。,51,PPT学习交流,（2）耐疲劳性能好,材料在交变负荷作用下，

11、逐渐形成裂缝，并不断扩大而引起的低应力破坏,疲劳破坏：,疲劳：,材料在循环应力作用下的性能,52,PPT学习交流,图10 疲劳裂纹扩展过程,53,PPT学习交流,(a) (b),图11 纤维增强复合材料中疲劳裂纹扩展过程示意图,基体中初始裂纹 (b) 裂纹扩展受阻于增强纤维,54,PPT学习交流,纤维增强树脂基复合材料：, 基体强韧性降低裂纹扩展速度, 纤维对裂纹阻隔作用，使裂纹尖端变纯或改变方向,裂纹扩展路径曲折、复杂,55,PPT学习交流,图12 三种材料疲劳性能比较,1碳纤维复合材料 2玻璃钢 3铝合金,56,PPT学习交流,金属疲劳强度=2050%抗张强度,碳纤维复合材料疲劳强度= 7

12、080%抗张强度,57,PPT学习交流,（3）减振性能好,自振频率 比模量,减振性能好原因：, 自振频率高，不容易出现因共振而快速脆断的现象;,影响自振频率因素： 材料结构、形状、比模量,58,PPT学习交流, 振动阻尼性强,非均质多相体系,纤维与基体界面,反射、吸收振动能量,振动阻尼强 振动很快衰减,59,PPT学习交流,图13 钢、碳纤维增强复合材料的振动衰振特性比较,1碳纤维增强复合材料; 2钢,60,PPT学习交流,对相同形状和尺寸的梁进行停止振动试验结果 :,轻合金梁 9 秒钟停止振动,碳纤维复合材料梁 23秒钟停止振动,精密控制和精密检测的仪器、仪表,应用领域:,61,PPT学习交

13、流,（4）过载安全性好,纤维复合材料中，有大量独立纤维。当过载少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配，构件不会在瞬间完全失去承载能力而断裂,62,PPT学习交流,（5）具有多种功能性,耐烧蚀、摩擦、电绝缘、耐腐性等,（6）很好的加工工艺性,多种生产成型方法：,手糊、模压、缠绕、注射、拉挤、喷射、真空袋压法、离心浇铸、层压成型等,63,PPT学习交流,FRP：纤维增强热固性树脂复合材料,FRTP：纤维增强热塑性树脂复合材料,结构材料,功能材料,64,PPT学习交流,一般树脂基复合材料使用温度：,T：60250,聚酰亚胺树脂（PI）基复合材料使用温度：,T 250,65,PPT学习交流,树脂基复合材料

14、主要缺点：,耐热性、老化、变质、传热性、尺寸稳定性较差,66,PPT学习交流,1.3.3 金属基复合材料及主要性能,简称：MMC,英文：Metal Matrix Composite,定义：以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料,67,PPT学习交流,增强材料:,无机非金属陶瓷、碳、石墨、硼纤维,金属丝W、Mo、Al、不锈钢,68,PPT学习交流,（1）高比强度、高比模量,主要性能：,（2）导热、导电性能好,在纤维增强金属基复合材料中，MMC的比强度、比模量明显优于金属材料,可使局部的高温热源和集中电荷很好扩散消除,69,PPT学习交流,（4）良好的高温性能,（

15、3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好,使用小的材料不会因温度差造成变形,对温度变化和热冲击的敏感性低,70,PPT学习交流,例1： BF/Ep在室温时具有比金属基复合材料更高的比强度，但在约150 时的比强度已显著下降。而 BF/Al在400下仍有较高的比强度。,71,PPT学习交流,例2：BF/Al和其基体材料相比，使用温度可提高100以上。BF/Al可以在350400工作，而铝在316时其比强度损失达70%以上。,72,PPT学习交流,（5）耐磨性好,陶瓷增强材料耐磨、硬度高、性能稳定,MMC的硬度、耐磨性,73,PPT学习交流,（6）良好的疲劳性能和断裂韧性,金属韧性 基体,受冲击后，产生塑性

16、剪切变形,缺口或裂纹钝化,减少应力集中引起的破坏,界面裂纹扩展纯化,断裂韧性改善,74,PPT学习交流,（7）不吸潮、不老化、气密性好,金属基体决定,75,PPT学习交流,1.3.4 陶瓷基复合材料及主要性能,英文：Ceramic Matrix Composite,简称：CMC,陶瓷,普通陶瓷,特种陶瓷,天然材料,人工合成材料,精细陶瓷、高级陶瓷,传统陶瓷,76,PPT学习交流,普通陶瓷材料：粘土,精细陶瓷材料： 氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物,77,PPT学习交流,特种陶瓷主要优点：,化学稳定性、耐高温性、耐磨损性、高熔点、高硬度,特种陶瓷主要缺点：,脆性大、韧性低、抗热震性能差,主

17、要使用场合：高温、腐蚀、幅射,78,PPT学习交流,主要缺陷:,裂纹、空隙、杂质,碎裂,79,PPT学习交流,制备CMC主要目的之一：,提高陶瓷的韧性,80,PPT学习交流,制约CMC发展的主要因素：,（1）高温增强材料出现较晚、品种缺少；,（2）高温制备工艺较复杂；陶瓷基体与 增强材料的热膨胀系数的差异，易产生热应力,（3）成本昂贵,81,PPT学习交流,刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件、导弹头锥、火箭喷管、航天飞机结构件,CMC应用：,82,PPT学习交流,图 14 SS-n-15反潜导弹,83,PPT学习交流,例：法国将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制作超高速列车的制动件，具有传统的

18、制动件所无法比拟的优异的磨擦磨损特性，取得了满意的应用效果。,84,PPT学习交流,1.3.5 水泥基复合材料,水泥基复合材料：,以混凝土或水泥砂浆为基体，掺入纤维形成的复合材料,又称为纤维水泥、纤维混凝土,85,PPT学习交流,钢纤维：,亚短钢纤维（长度4060mm) 短钢纤维（长度2035mm) 超短钢纤维（长度15mm),横截面形状：圆形、矩形截面,钢纤维主要品种：不锈钢、低碳钢,86,PPT学习交流,图 15 高架桥,87,PPT学习交流,1.3.6 三种复合材料性能比较,（1）使用温度、硬度,使用温度：,硬 度:,CMC MMC PMC,CMC MMC PMC,88,PPT学习交流,

19、（2）耐自然老化性能,CMC MMC PMC,（3）导热性能,MMC CMC PMC,89,PPT学习交流,（4）耐化学腐蚀性,CMC、PMC较好；MMC较差,（5）生产工艺、成本,成本从低到高：,工艺从简单到复杂：,PMC、MMC、CMC,PMC、MMC、CMC,90,PPT学习交流,1.4 复合材料结构设计基础,（1）复合材料结构层次,一次结构、二次结构、三次结构,（2）复合材料设计,单层材料设计、铺层设计、结构设计,91,PPT学习交流,（3）复合材料与常规材料的区别,各向异性、非均质性,单层板参数：弹性模量、强度、热膨胀系数、导热率等是方向的函数,92,PPT学习交流,T,L,LT坐标

20、系,图15 层板方向,93,PPT学习交流,第二章 复合材料的基体材料,2.1 金属材料,航空航天技术对材料的要求:,高韧性、导电、导热、耐高温、耐磨,94,PPT学习交流,MMC,连续增强型,非连续增强型,晶须、短纤维增强；基体占8090%,颗粒增强；基体占2590%,基体占5070%,95,PPT学习交流,2.1.1 基体选择原则,铝及铝合金、钛及钛合金、镁及镁合金、铜及铜合金、镍合金、铁基合金,常用金属基体：,96,PPT学习交流,（1）使用要求,高比强度、高比刚度、尺寸稳定性,铝、镁及合金,铝:d=2.72 铝合金：d=2.52.88 纯镁：d=1.74,复合材料： BF/Al、BF/

21、Mg、CF/Al、CF/Mg,97,PPT学习交流,例1: 用高强度、高模量硼纤维增强铝基复合材料（BF/Al）取代铝合金，做成航天飞机主仓框架、支柱，可使重量减轻44%。,98,PPT学习交流,高比强度、高比刚度、耐高、低温性,钛合金,例2：在815高温，SiCf / Ti的强度比镍基超耐热合金高2倍,99,PPT学习交流,例3： 宇宙飞行器中液氮贮箱工作温度196，液氢贮箱工作温度 253，钛、钛合金复合材料可用作此超低温工作的结构材料,100,PPT学习交流, 高导热性,银、铜、铝,101,PPT学习交流,（2） 金属基复合材料组成特点,增强材料形态,连续增强型,非连续增强型,102,P

22、PT学习交流,金属基体主要作用：,粘接纤维、传递应力,增强材料（长纤维）主要作用：,承载组分,基体选择原则：,连续增强型：,基体和纤维是否很好相容，能否最大 限度发挥增强纤维的性能、作用,103,PPT学习交流,非连续增强型：,金属基体主要作用：,主要承载组分，影响复合材料性能,基体选择原则：,高强度基体,104,PPT学习交流,铝合金知识：,常用合金元素：,铜、镁、锌、锰、硅、稀土元素,105,PPT学习交流,按成分及加工方法分类：,铝合金,变形铝合金,铸造铝合金(ZL),防锈铝（LF）,硬铝（LY）,超硬铝（LC）,锻铝（LD）,106,PPT学习交流,变形铝合金：,塑性变形能力较好，适于

23、进行冷、热加工,防锈铝（LF）：AlMg、Al Mn,硬铝（LY）：AlCuMg,超硬铝（LC）：AlZn MgC,锻铝（LD）：AlMgSi、 AlMgSiCu,107,PPT学习交流,铸造铝合金（ZL）：,加热至液态，通过模具到固态成型方式,108,PPT学习交流,高纯度铝表示方法：,L01 99.93%,L04 99.996%,L0X,109,PPT学习交流,纯铝的冶炼产品及代号,高纯度铝 L0X L01 99.93% L04 99.996%,工业纯铝 LX L1 99.7% L4 99.3% L7 98%,L0 99.90%（一号工业高纯铝）,L00 99.85%（二号工业高纯铝）,1

24、10,PPT学习交流,美国 6061LD2 7075LC4 A365ZL10X,111,PPT学习交流,（3）基体金属与增强物的相容性,高温复合,热力学非平衡体系,增强体与基体界面存在化学势梯度,扩散和化学反应,新的化合物层,112,PPT学习交流,新的化合物层,界面层,例：BF/Ti,Al4C3界面层,TiB2界面层,CF/Al,113,PPT学习交流,化学反应是否都为有害反应？,界面适量化学反应,增加复合材料强度,114,PPT学习交流,过量化学反应,脆性物质生成物,一定厚度界面层,受力开裂,纤维断裂,整体材料破坏,影响材料性能,115,PPT学习交流,基体合金元素影响：,Al、Cu、Mg

25、、Mn、Zn、Cr,例：LC6包含元素：,合金元素与增强物的反应程度及反应产物都不同,116,PPT学习交流,基体及合金元素选择原则：,选择有利于基体与增强材料之间具有良好的润湿性、粘着力强，有利于界面均匀，同时又有利于形成一个适合的稳定界面的合金元素,117,PPT学习交流,控制界面反应的措施：,（1）增强材料的表面改性如表面涂覆;,（2）基体合金法改性;,例: BF/Al,BF表面处理：CVD法涂覆碳化硅,使界面反应时的反应速度常数尽可能小,118,PPT学习交流,（3）选择适宜的成型方法、条件，缩短在高温下复合时间,119,PPT学习交流,2.1.2 结构复合材料基体,（1）用于450以

26、下金属,铝、镁合金,连续纤维增强,纯铝或含合金元素少的铝合金,非连续体增强,高强度合金,120,PPT学习交流,（2）用于450700的复合材料金属基体,钛、钛合金,钛及钛合金特点：,重量轻、比强度高，耐腐蚀，耐 氧化，耐高温，良好的低温韧性,最突出特点：,抗蚀性,复合材料：,SiCf / Ti,121,PPT学习交流,（3）用于1000以上高温复合材料的金属基体,镍基、铁基高温合金或金属间化合物,122,PPT学习交流,2.1.3 功能用金属基复合材料的基体,功能：声、光、电、热等,高导电率、高导热、低热膨胀、耐磨性等,功能参数：,123,PPT学习交流,主要应用领域：,电子封装、耐磨零部件

27、、耐腐蚀极板材料、集电、触电材料,124,PPT学习交流,主要金属基体:,铝、铝合金、铜、铜合金、银、铅、锌等,主要增强体：,碳化硅、石墨、Al2O3、晶须、纤维,125,PPT学习交流,例6：大型蓄电池中的铅电极板自重大，刚性差，容易翘曲引起短路，影响电解过程的正常进行。如果将制成CF/Pb，既能保持铅原有的电化学性能，又能使强度和模量提高，制件不易翘曲并可以减小蓄电池的体积。,126,PPT学习交流,例7：集成电路封装要求：高导热系数，很小热膨胀系数。 可选用 SiCf / Al,127,PPT学习交流,2.2 无机胶凝材料,一类粉末材料。当其与水或水溶液拌合后所形成的浆体，经过一系列物理

28、、化学作用后能够逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石,定义：,128,PPT学习交流,依据硬化条件分类：,无机胶凝材料,水硬性胶凝材料,非水硬性胶凝材料,129,PPT学习交流,水硬性胶凝材料硬化条件：,水、空气,水硬性胶凝材料统称：,水泥,130,PPT学习交流,水泥按化学成分分类：,（1）硅酸盐系,各种普通的硅酸盐水泥和特种硅酸盐水泥,（2）铝酸盐系,以铝酸钙为主要组成矿物的各种水泥,131,PPT学习交流,（4）磷酸盐系,（3）硫铝酸盐系,以硫酸盐或硫铝酸盐为主要组成矿物的各种水泥,以磷酸盐为主要组成的各种胶凝材料,132,PPT学习交流,无机胶凝复合材料主要解决问题：,由于应力开裂导致的

29、脆性破坏问题,133,PPT学习交流,常用基体：,石膏、镁质胶凝材料、硅酸盐水泥、高铝水泥,增强材料：,短切纤维或连续纤维,常用增强材料：,钢纤维、玻璃纤维,134,PPT学习交流,纤维混凝土增强机理:,均匀分布的纤维,承受各方应力,阻碍裂纹发展,韧性、抗裂性、抗冲击性提高,135,PPT学习交流,表1 纤维混凝土与混凝土性能比较,136,PPT学习交流,2.3 陶瓷材料,陶瓷,普通陶瓷,特种陶瓷,137,PPT学习交流,普通陶瓷： 硅酸盐类材料，作为日用、建筑、化工陶瓷使用,特种陶瓷： 具有特殊物理化学性能及力学性能的陶瓷,138,PPT学习交流,特种陶瓷原料：,氧化物、氮化物、碳化物、硼化

30、物、硅化物等高纯度人工合成原料,主要应用领域：,高强度、高温、耐磨、压电、生物陶瓷,139,PPT学习交流,陶瓷主要优点： 化学稳定性、耐高温性、耐磨损、高熔点、高硬度,陶瓷最大缺点： 脆性大、韧性低、对裂纹、气孔和夹杂物等缺陷敏感，易碎裂,140,PPT学习交流,制备CMC主要目的之一：,提高陶瓷韧性,141,PPT学习交流,常用陶瓷基体：,玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷,陶瓷基体应具备的性能：,优良耐高温性、与增强物相容性、良好工艺性,142,PPT学习交流, 熔体冷却后呈坚硬无定形状态，非晶态结构, TTg，脆性固体物质,2.3.1 玻璃, 无固定熔点或凝固点，玻璃 化转变在一

31、个较宽温度区,玻璃特性：,143,PPT学习交流,2.3.2 玻璃陶瓷,含有大量微晶体的玻璃,常用玻璃陶瓷：,锂铝硅(LAS)：Li2OAl2O3SiO2,镁铝硅(MAS)：MgOAl2O3SiO2,又称：微晶玻璃,144,PPT学习交流,玻璃陶瓷性能特点：,低热膨胀系数，高抗热冲击性、强度、硬度，导热系数大,玻璃陶瓷强度 = 4-5倍玻璃强度,145,PPT学习交流,玻璃陶瓷结构特点:,微晶体取向杂乱，微晶0.010.1m，体积结晶率5098%,146,PPT学习交流,典型成核剂:,P2O5、TiO2、氟化物、Pt、ZrO2,成核剂,晶种的形成,147,PPT学习交流,2.3.3 氧化物陶瓷

32、,主要氧化物陶瓷基体：,Al2O3、MgO、ZrO2、BeO、莫来石（3 Al2O3 2SiO2）,主要结构:,单相多晶,148,PPT学习交流,Al2O3陶瓷：高铝陶瓷,主要成分：Al2O3 、 SiO2,Al2O3陶瓷主要品种：,75瓷、 95瓷、 99瓷,刚玉瓷： Al2O3含量95%,149,PPT学习交流,表21 组分与熔点关系,150,PPT学习交流,2.3.4 非氧化物陶瓷,氮化物、碳化物、硼化物、硅化物,主要品种：,SiC、TiC、ZrC、VC、NbC、B4C、Si3N4,主要特点：,硬度高、耐火性、耐磨性好，脆性强,主要类别：,151,PPT学习交流,CMC增强体：又称增韧体

33、,从几何尺寸上分类： 纤维（长、短）、晶须、颗粒,纤维增强CMC是改善陶瓷材料韧性重要手段,152,PPT学习交流,2.4 聚合物材料,2.4.1 基体的种类、组分和作用,2.4.1.1 基体种类,主要基体种类：,热固性树脂、热塑性树脂,153,PPT学习交流,传统使用聚合物基体：,热固性树脂,不饱和聚酯（UP),环氧树脂（EP),酚醛树脂（PF),热固性树脂,热固性树脂主要品种：,154,PPT学习交流,2.4.1.2 基体组分,多组分基体体系：,辅助组分作用：,改进使用、工艺性能，降低成本,树脂、固化剂、稀释剂、增韧剂、 催化剂等,155,PPT学习交流,2.4.1.3 基体的作用,（）将

34、纤维粘合成整体，使位置固定；在纤维间传递载荷并使载荷均衡；,（）决定复合材料的一些性能,如高温使用、剪切、耐介质等,156,PPT学习交流,（）决定复合材料成型工艺方法及工艺参数的选择,（）保护纤维不受环境影响，免受各种损伤,157,PPT学习交流,2.4.2 聚合物的结构与性能,2.4.2.1 聚合物的结构,（1）聚合物分子链由很大数目（103105数量级）结构单元组成，每一结构单元通过共价键可连成线型、支链、网状结构；,（2）具有高弹性；,（3）高分子有晶态、非晶态两种,158,PPT学习交流,聚合物结构,链结构：,聚集态结构：,晶态、非晶态、 取向、织向,一级 + 二级,159,PPT学

35、习交流,2.4.2.2 聚合物性能,（1）聚合物力学性能,衡量材料的重要指标：,拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、抗冲击强度、耐疲劳强度、硬度,160,PPT学习交流,从结构考虑影响聚合物性能主要因素：,分子内或分子间作用力、大分子柔韧性、聚合度、结晶度,161,PPT学习交流,良好工艺性，较低T、P下固化成型,温度时间环境载荷,力,PMC使用主要考虑因素:,PMC还需考虑因素:,热固性树脂基体最大优点:,162,PPT学习交流,热塑性树脂基体力学性能特点:, 明显力学松弛现象;, 外力作用下，较大形变；大的断裂延伸率, 抗冲击性能较好,热塑性树脂基体力学性能最主要优点：,高断裂韧性,163,PP

36、T学习交流,支配基体传递应力性能的两个重要因素：,粘接力、模量,基体粘接力、模量低,基体粘接力、模量高,PMC材料整体 强度高,PMC强度低；,164,PPT学习交流,（2）聚合物的耐热性能,耐热性：,材料在一定温度上限内能长期使用，力学性能保持不低于80%,高熔点或高软化点,抵抗热变形能力大,165,PPT学习交流,改善材料耐热性因素：, 交联结构,热固性树脂,交联,分子间不滑动，没有软化点、熔点,166,PPT学习交流,传统使用基体：,UP、EP、PF、有机硅树脂,167,PPT学习交流, 刚性分子链,、聚合物庞大侧基,Tg,分子链刚性,例：CH2CH2 Tg=120 ,Tg =80,Tg

37、 = 150,168,PPT学习交流,、,例：CH2CH2 Tm=137,Tm=375,环状结构,主链僵硬,熔点,169,PPT学习交流,、,“梯形”、“螺形”结构,分子链刚性,耐热性,170,PPT学习交流, 键能,键能,耐热性,例：CH,CF, 结晶性,结晶度,耐热性,171,PPT学习交流,（3）耐腐蚀性能,与树脂类别、性能、表面层树脂含量有关,EP耐化学腐蚀性能好,172,PPT学习交流,（4）聚合物的电绝缘性、绝热、隔音性能,聚合物,共价键,不易电离传递电子,分子细、长蜷曲一起,良好的电绝缘性、绝热、隔音性能,173,PPT学习交流,2.4.3 热固性树脂,热固性树脂基体优点：,固化

38、前粘度很低，可常温常压下浸渍纤维，较低T、P下固化成型；固化后良好耐药品、抗蠕变性,最大优点：,良好工艺性,174,PPT学习交流,预浸料低温冷藏、贮存期有限，成型周期长，材料韧性差,缺 点：,175,PPT学习交流,2.4.3.1 不饱和聚酯树脂（ UP）,（1） UP及特点,不饱和二元酸、饱和二元酸与二元醇经缩聚反应得到分子量不高的线型缩聚产物,不饱和聚酯：,不饱和聚酯树脂：,不饱和聚酯在烯烃类活性单体中溶液,176,PPT学习交流, 不饱和聚酯生产原料,、不饱和二元酸,顺丁烯二酸酐（顺酐） 反丁烯二酸酐,、 饱和二元酸,邻苯二甲酸酐、间苯二甲酸酐、对苯二甲酸酐,177,PPT学习交流,共

39、缩聚，调节聚酯不饱和度，UP良好综合性能,加入饱和二元酸目的：,178,PPT学习交流,、 二元醇,1，2丙二醇：,乙二醇：,179,PPT学习交流, 典型UP结构,顺酐和饱和酸、二元醇反应,HOGOCORCOX OGOCOCH=CHCOyOH,UP分子主链主要结构：,COO、CH=CH,180,PPT学习交流,工业UP分子量：,10003000,分子量更高,凝胶危险,181,PPT学习交流, UP主要优点,、 良好工艺性能,、 固化后良好综合性能,、 价格低廉, UP主要缺点,、体积收缩率较大；,、耐热性较差；,、强度、模量较低，气味、毒性,182,PPT学习交流,图19 UP产品,183,

40、PPT学习交流,图20 e2飞机,184,PPT学习交流,图21 空警一号飞机,185,PPT学习交流,图22 人造石板,186,PPT学习交流,图23 工艺品,187,PPT学习交流,图24 玻璃钢艇,188,PPT学习交流,（2）交联剂、引发剂和促进剂,大量双键，可自身聚合。但反应慢，产物脆，无实用价值,不饱和聚酯可否自身固化？,固化方式：,加入交联单体，在引发剂、促进剂作用下自由基聚合,189,PPT学习交流, 交联剂,烯类单体：,主要交联剂品种：,苯乙烯、二乙烯苯、乙烯基甲苯、甲基丙烯酸甲酯,溶剂、交联剂,190,PPT学习交流,在UP中，为什么常采用苯乙烯作为交联剂使用？,、低粘度液

41、体，与UP良好混溶性，很好溶解引发剂、促进剂；,、双键活性大，易与不饱和双键共聚，生成均匀共聚物 ；,、固化后物理性能较好；,、价格便宜,191,PPT学习交流, 引发剂,UP树脂固化机理：,游离基反应,固化发生现象：,粘流态,固态,192,PPT学习交流,UP单靠加热固化缺点：, 反应开始后速度快，粘度突然增大，反应不易完全, 诱导期长，反应放热量大，难以控制；,UP固化途径：,、加入引发剂，加热固化；,、加入引发剂、促进剂，室温固化,193,PPT学习交流,一定温度下分解产生活性自由基，引发交联反应,引发剂作用：,使用引发剂类型：,有机过氧化物,主要品种：,过氧化二苯甲酰、过氧化二异丙苯、

42、过氧化甲乙酮、异丙苯过氧化氢,194,PPT学习交流,过氧化物特性表示方法:,临界温度 t临 、半衰期 t1/2,临界温度 t临 ：,具有引发活性最低温度,半衰期t1/2：,给定温度条件下，分解一半需要时间,195,PPT学习交流,使用方法：,引发剂溶解于增塑剂中,196,PPT学习交流,表22 常用引发剂牌号及组成,* 以100份树脂为基准,197,PPT学习交流, 促进剂,工艺上要求有机过氧化物在什么条件下使用?,T t临?,T t临?,t临,引发活性,分解速度,自由基浓度,自由基聚合反应,198,PPT学习交流,如何满足室温固化?,引发剂 + （引发）促进剂,降低引发剂分解反应活化能，

43、使分解温度降到室温以下，室温有较高分解速度,促进剂作用：,199,PPT学习交流,常用促进剂类型：,叔胺类、金属化合物, 叔胺类促进剂品种：,二甲基苯胺、二乙基苯胺, 主要促进体系：,过氧化物引发剂, 作用原理：将分解活化能降低到原来1820%, 使用方法：10%溶液，用量14%,200,PPT学习交流, 金属化合物：,变价金属皂：环烷酸钴、萘酸钴, 主要促进体系：,氢过氧化物引发剂, 使用方法：,溶解于增塑剂、溶剂或苯乙烯中成为稀溶液,201,PPT学习交流,表6 促进剂的牌号与组成,202,PPT学习交流,模压工艺用的聚酯模压料，要求在室温下长期存放，但在成型高温下能很快交联固化。需采用什

44、么办法？,解决办法：,树脂中只加过氧化二苯甲酰,实例：,203,PPT学习交流,凝胶时间长短控制：,改变引发剂用量？,改变促进剂用量？,解决方法：改变促进剂用量,204,PPT学习交流,引发剂加到树脂中搅拌后，再加入促进剂,配胶步骤：,配胶时，可否引发剂、促进剂直接混合配料？, 不可，易发生爆炸,问 题：,205,PPT学习交流,UP固化过程三个阶段:,凝胶、硬化、完全固化, 凝胶阶段,又称胶凝,粘流态树脂,半固体凝胶状态,（3） UP固化特点,206,PPT学习交流, 影响凝胶时间因素:,、阻聚剂、引发剂、促进剂影响,阻止聚合,引发剂、促进剂,凝胶时间,固化不良,微量阻聚剂,完全不固化,20

45、7,PPT学习交流,、环境温度、湿度影响,凝胶时间,温度,湿度,凝胶时间,固化不良,208,PPT学习交流,、树脂体积影响,树脂体积,凝胶时间,、交联剂蒸发损失影响,交联剂蒸发损失,凝胶时间,209,PPT学习交流, 硬化阶段,也称定型,开始胶凝,一定硬度、固定形状,210,PPT学习交流, 完全固化阶段,又称熟化,硬化,表观变硬 一定力学性能,稳定物理、化学性能,后处理,211,PPT学习交流,（4） UP增粘特性,增 粘：,碱土金属氧化物或氢氧化物和树脂反应后，粘度大幅度增加,树脂没交联，可溶解，加热良好流动性,增粘树脂特点：,0.11.0 Pas,103Pas,212,PPT学习交流,用

46、短切玻璃纤维毡浸渍液态树脂浆料，经化学增稠后的预混料,实例：片状模塑料SMC,足够硬挺度，不能流动，不粘手， 可剪裁，类似凝胶状物,SMC特点：,213,PPT学习交流,图 26 SMC模塑料片材,214,PPT学习交流,图27 SMC片状模塑料,215,PPT学习交流,图28 SMC 产品,216,PPT学习交流,图29 使用SMC模具,217,PPT学习交流,2.4.3.2 环氧树脂（EP）,分子中含有两个或两个以上环氧基团的高聚物,分子链末端、中间或成环状,环氧基团位置：,EP种类：双酚、非双酚、脂环、脂肪,218,PPT学习交流,（双酚A型、双酚F型、双酚S型）环氧树脂、间苯二甲环氧树

47、脂 （酚醛、三聚氰酸、氨基）环氧树脂,主要品种：,219,PPT学习交流,双酚A环氧型树脂反应方程式：,220,PPT学习交流,表7 双酚 A型环氧树脂的型号和指标,221,PPT学习交流, 胺类固化剂 脂肪族、芳香族、脂环族,主要品种：乙二胺、二乙烯三胺、 三乙烯四胺、间苯二胺,特点：室温固化，毒性大,常用固化剂:,胺类、酸酐类、咪唑类、树脂,222,PPT学习交流, 酸酐类固化剂 芳香酸酐、脂肪酸酐,主要品种：顺丁烯二酸酐、邻苯 二甲酸酐,特点：高温固化剂，固化物收缩率低，力学、电、热性能好,223,PPT学习交流, 咪唑类固化剂 二甲基咪唑、2乙基4甲基咪唑,特点：中温固化剂。较低温度

48、（60-80）固化，较高温度 （110）使用,224,PPT学习交流,特点： 无缝防压 耐磨防滑 耐酸抗碱 防霉防水,适用范围： 服装厂、印刷厂、玩具厂、纺织厂、 电子厂、丝印厂,图30 环氧地坪,225,PPT学习交流,图31 环氧树脂玻璃钢环保污水池,226,PPT学习交流,图32 玻璃钢艇,227,PPT学习交流,2.4.3.3 酚醛树脂,酚类和醛类的缩聚产物,耐高温烧蚀性能、改性,突出特点：,使用方法：配成乙醇胶,2.4.3.4 其它热固性树脂,呋喃树脂、脲醛、三聚氰胺甲醛树脂、 硅树脂（SiO）、PI,228,PPT学习交流,2.4.4 热塑性树脂,热塑性基体复合材料优点：,最重要优

49、点：,（3）成型周期短，易于修补、可再生利用,高断裂韧性,（1）高断裂韧性，更高损伤容限；,（2）预浸料不需冷藏，贮存期长；,229,PPT学习交流,热塑性基体缺点：,（1）使用温度、力学、老化性能差；,（2）熔体、溶液粘度高，纤维浸渍困难；,（3）预浸料制备、制品成型需在高温、高压下进行,230,PPT学习交流,增强材料主要类型：,连续纤维、短切纤维、纤维编织物,基体品种：,PP、PA、PC、PPS、PEEK、PES、PI,231,PPT学习交流,增强材料,晶须,粉体,无机纤维： GF、CF、BF,有机纤维: 芳纶、PE、尼龙,按物理形态分类：,纤维及织物,第三章 复合材料的增强材料,增强材

50、料：粘结在基体内，能提高基体材料力学性能物质的统称,232,PPT学习交流,三大应用纤维：,玻璃纤维,碳纤维,芳纶纤维,233,PPT学习交流,3.1 玻璃纤维及制品（Glass Fibre ,GF）,3.1.1 概述,各种金属氧化物的硅酸盐类或硼酸盐类，熔融后以极快速度抽丝而成的纤维,玻璃纤维（GF）：,中国三大生产巨头：巨石集团、泰山玻纤、重庆复合,234,PPT学习交流,3.1.2 分类,3.1.2.1 以玻璃原料成分分类,以含碱量分类：,表31 玻璃纤维品种,含碱量: Na2O、K2O重量,235,PPT学习交流,3.1.2.2 以单丝直径分类,表32 以单丝直径分类纤维品种,3.1.

51、2.3 以纤维外观分类,连续纤维（有捻粗纱、无捻粗纱）；短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉、磨细纤维,236,PPT学习交流,图1 玻璃纤维无捻粗纱,237,PPT学习交流,图2 玻璃纤维短切丝,238,PPT学习交流,图3 玻璃纤维布,239,PPT学习交流,图4 玻璃纤维毡,240,PPT学习交流,3.1.2.4 以纤维特性分类,高强玻纤 （SGF） 高模量玻纤 （MGF） 耐酸玻纤 （CGF） 耐碱玻纤 （ARGF） 低介电玻纤 （DGF） 耐电腐蚀玻纤 （ECRGF） 有碱玻纤 （AGF） 无碱玻纤 （EGF）,241,PPT学习交流,3.1.3 玻璃纤维结构及化学组成,3.1.3.1 玻

52、纤结构,短距离网络结构的非晶结构,玻璃网络结构理论假说：, SiO2四面体的三维网状结构，决定玻璃性能基础 ； 添加其它金属氧化物可改变网络 结构、各化学键强度,242,PPT学习交流,图5 玻璃的无定型结构,243,PPT学习交流,性能各向同性,玻纤特点:,微观不均匀,宏观均匀,244,PPT学习交流,3.1.3.2 化学组成,以SiO2为主,硅酸盐系列GF,以B2O3为主,硼酸盐系列GF,硅酸盐玻璃纤维主要组成: SiO2 、金属氧化物,一价氧化物：Na2O、K2O 二价氧化物：CaO、MgO、BeO 三价氧化物：Al2O3、Fe2O3,245,PPT学习交流,表33 常用于制造复合材料的

53、玻纤成分,246,PPT学习交流, E玻璃特性: 优良延展性、强度、刚度、电性能、耐老化, C玻璃特性: 比E玻更好抗腐性，但强度较低，成本较高, S 玻璃特性：更高弹性模量，更好 耐高温，但比C玻昂贵,247,PPT学习交流,问题：Na2O、K2O 含量对玻纤性能有什么影响？,助熔氧化物，可降低玻璃熔化 温度、粘度，有利气泡排出；但含量过高，使性能下降,248,PPT学习交流,3.1.4 物理性能,外观表面：光滑圆柱体 横截面：完整圆形,无碱玻纤： d = 2.62.7 有碱玻纤： d = 2.42.6 尼龙： d = 1.14,3.1.4.1 外观和密度,249,PPT学习交流,3.1.4

54、.2 物理性能,（） 拉伸强度,玻纤力学性能最大特点：,拉伸强度高,Glass0.040.1 GPa,GF 1.22.4 GPa (AGF）,GF 4.9 GPa (SGF）,GF 12 GPa (理论值）,250,PPT学习交流,问题：为什么玻璃纤维实测强度远高于玻璃强度但又低于玻纤的理论强度？,251,PPT学习交流, 微裂纹假说理论, 玻纤微小断面，减少微裂纹存在几率，使强度提高, 微裂纹易产生应力集中，使强度下降；, 玻纤高温成型，减少玻璃溶液不均一性，使微裂纹产生机会减少；,252,PPT学习交流,强度影响主要因素：,直径、长度、化学组成,纤维老化、存放时间、纤维疲劳、玻纤成型方法、

55、条件,其它影响因素：,253,PPT学习交流,（）弹性模量,玻纤最大缺点：,弹性模量低,影响主要因素：,化学成分,M玻纤弹性模量 = 118 GPa,E玻纤弹性模量 = 72 GPa,提高弹性模量方法：,加入BeO、MgO,254,PPT学习交流,（）耐磨、耐折性,耐磨、耐折性差,玻璃纤维力学性能特点总结： 拉伸强度高、弹性模量低、脆,255,PPT学习交流,（） 热性能, 导热系数小,隔热性能好,0.034w/m k, 软化点550580,耐热性较高,256,PPT学习交流, 不燃烧的无机纤维,防火材料,257,PPT学习交流,图6 危险品包装布,258,PPT学习交流,图7 危险品包装布,

56、259,PPT学习交流,图8 防火布,260,PPT学习交流,（）电性能,无碱玻纤,电绝缘材料：,玻纤导电性能影响因素：,化学组成、温度、湿度,261,PPT学习交流,3.1.5 玻纤化学性能,玻纤化学稳定性标志：,对各种侵蚀介质抵抗能力,水、蒸气、酸、碱溶液、化学试剂等,侵蚀介质：,（1）侵蚀介质对玻纤腐蚀,262,PPT学习交流,3.1.6 玻纤织物品种,主要品种： 玻纤（布、毡、带）,玻纤布： （无纺、平纹、斜纹、单向）布等 玻纤毡： （连续纤维、短切纤维、表面）毡等,263,PPT学习交流,图9 玻璃纤维无捻粗纱布（方格布）,264,PPT学习交流,图10 玻璃纤维网格布,265,PP

57、T学习交流,图11 玻璃纤维短切毡,266,PPT学习交流,图12 玻璃纤维表面毡,267,PPT学习交流,3.1.7 玻纤制造方法,玻纤制造方法,玻璃球法（坩埚拉丝法）,直接熔融法（池窑拉丝法）,268,PPT学习交流,3.1.7.1 制造原丝,（1）玻璃球法,纤维及制品主要生产工艺：,制球、拉丝、纺织,生产主要原料：砂、石灰石、硼酸,269,PPT学习交流,图13 拉制玻璃纤维工艺示意图,270,PPT学习交流,（2）直接熔融法,玻璃配合料放入熔窑熔化后 直接拉制成各种支数连续玻纤,粗纤维,适合品种：,271,PPT学习交流,3.1.7.2 浸润剂,又称为：,单丝处理剂,为什么要用浸润剂？

58、,脆、不耐磨,纤维之间摩擦系数大,拉丝、纺织断裂,易受水蒸气侵蚀,强度,涂保护薄膜,浸润剂,272,PPT学习交流,浸润剂主要作用 ：, 原丝中纤维不散乱、相互粘合在一起，使多根单丝集中成股； 防止纤维间磨损，增加原纱耐磨性，提高拉伸强度； 原丝相互间不粘结在一起； 保护纤维免受大气和水分侵蚀作用； 便于纺织加工,273,PPT学习交流,浸润剂,纺织型：,增强型：,石蜡乳剂,聚醋酸乙烯酯,274,PPT学习交流,纺织型浸润剂：满足纺织工序要求,主要品种：石蜡、凡士林、硬脂酸矿物酯类石蜡乳剂,纺织型浸润剂特点： 润滑性、集束性好，但影响与树脂粘结，浸胶 前需除去,275,PPT学习交流,增强型浸

59、润剂特点： 可直接使用；纺织时较容易使玻纤起毛,增强型浸润剂主要品种：聚醋酸乙烯酯,276,PPT学习交流,3.1.8 特种玻璃纤维,高强度玻纤 高模量玻纤 耐高温玻纤 空心玻纤,277,PPT学习交流,3.2.2 分类,高性能碳纤维,（1）按性能分类,碳纤维,低性能碳纤维,HS HM MS、MM,3 .2 碳纤维（CF、Cf）,3.2.1 概述,历史：1880年开始 技术成熟时期：1959年美国UCC研究,278,PPT学习交流,前驱体纤维原料,（2）按原丝类形分类,碳纤维,聚丙烯腈基碳纤维 粘胶基碳纤维 沥青基碳纤维 木质素纤维基碳纤维 其它有机纤维基碳纤维,原丝：,279,PPT学习交流,受力结构、耐焰、活性碳纤维（吸附活性）、导电、润滑、耐磨用碳纤维,（3）按照