《轻型结构材料》PPT课件.ppt

1、轻质结构材料10应化(1)班魏美秀，陈小霞，徐文华2012-11-21，分类，铝锂合金纤维材料，一，铝锂合金，铝锂合金发展史：1.1825年丹麦奥斯特德无水三氯化铝和钾在蒸发水银的2.1854年戴维尔用金属钠还原氯化钠和氧化铝的熔融盐，也可以得到金属铝。 3. 1886年美国大厅和法国埃尔分别发明了电解氧化铝和冰晶石熔融盐的制铝法。 4. 1983年巴黎国际航空博览会宣布，世界上最大的铝合金生产企业英国铝业公司和美国铝业公司同时成功开发出了新的革命性材料铝锂合金。 专家们认为，铝锂合金自1943年发明铝锌系高强度合金以来，是铝合金研究与开发的另一个里程碑。 铝锂合金的特点、密度低比强度比刚性高

2、耐热性和耐应力低温性能好，具有良好的耐腐蚀性能非常优异的超塑性，铝锂合金的优点锂是世界上最轻的金属元素。 将锂作为合金元素加入到金属铝中，形成铝锂合金。 添加锂能够降低合金的比重，提高刚性，同时能够维持高强度、优异的耐腐蚀性和耐疲劳性和适当的延展性。 由于这些特性，这种新合金备受航天航海业的关注。 由于这种合金的许多优点，许多科学家开始对其进行研究，铝锂合金的开发事业如雨后春笋般迅速发展。 新材料是航空航天技术的重要基础航空航天技术的发展不断对材料科学提出新的问题和要求铝锂合金是近年来航空金属材料中发展最快的领域。 铝锂合金是航空技术的新材料，是铝锂合金的航空应用，Al-Li合金已在军用机、民

3、用客机和直升机上使用或试用，主要用于机体框架、翼肋、垂直稳定面、整流罩、进气口、舱口、燃料箱等20世纪50年代，美国在研制x2020铝锂合金后，代替7075使用了RA-SC早期警戒机。 美国一家公司将C-155铝锂合金用于波音777和空中客车A330/340机尾和尾，该合金具有优于普通铝合金的疲劳性能和高强度。 其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg，飞机重量可以减少到4250kg，提高有效负荷降低燃料消耗。 麦道公司C-17运输机使用铝锂合金板材和挤压型材制作货舱地梁、翼片表皮等结构，用量达2.8t，比普通铝合金减量208kg，法国幻影式战斗机也大量应用铝锂合金，其俄罗斯在

4、1450合金中添加了0.20%的Sc元素，开发了1460合金，具有更优异的性能，应用于大型火箭“能源号”的结构。 此外，还被用于其他火箭，“暴风雪”号的航天飞机和宇宙空间站的构造物。 二、纤维材料、玻璃纤维碳纤维碳化硅纤维等其他无机纤维芳纶纤维金属纤维晶须、玻璃纤维玻璃纤维、玻璃纤维、二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等为成分。 的双曲馀弦值。 玻璃纤维具有耐高温、不燃性、吸湿性小、抗拉强度高、伸长率小、电绝缘性能良好、不腐烂、化学稳定性好等优点，但性能脆、耐磨性差。 生产玻璃纤维的主要原料有石英砂、氧化铝和叶蜡石、石灰石、白云石、硼酸、纯碱、芒硝、萤石等。 生产方法分为熔融玻璃

5、直接制成纤维和熔融玻璃直接制成纤维2种，另一种是将熔融玻璃制成直径20毫米的玻璃球和棒，然后用各种方法加热再溶解制成直径38微米的纤维。 玻璃纤维根据形态和长度，可分为连续纤维、定长纤维和玻璃棉，根据玻璃中碱含量的多少，可分为无碱、高碱、中碱等玻璃纤维。介由白金合金板机械拉丝角法拉制的无限长玻璃纤维，被称为连续玻璃纤维，通称长纤维。 由辊和气流制成的不连续的玻璃纤维，被称为定长玻璃纤维，通称短纤维。 由离心力和高速气流产生的细、短、棉状玻璃纤维，被称为玻璃棉。 无碱玻璃纤维(属于氧化钠0 2、铝硼硅酸盐玻璃)、中碱玻璃纤维(属于氧化钠812、含硼或不含硼碱石灰硅酸盐玻璃)、高碱玻璃纤维(属于氧

6、化钠13以上、碱石灰硅酸盐玻璃) 2碳纤维，碳含量在90以上的高强度高模量纤维，碳含量在99以上的称为石墨纤维。 碳纤维具有比重小、耐热性极好、热膨胀系数小、热传导率大、耐腐蚀性和导电性良好等元素碳的各种优异性能。 同时，具有像纤维一样的柔软的弯曲性，能编织加工和卷取成形。 碳纤维的最优性能是比强度和比弹性模量高，与树脂的复合材料的比强度和比弹性模量比钢和铝合金高3倍左右。 碳纤维复合材料应用于航天器、导弹和飞机，可以减轻重量，提高有效载荷，改善性能，是航天工业的重要结构材料。 碳纤维中碳原子呈层状结构，其制造过程是由有机聚合物制造层状结构聚合物的过程。 目前，各国工业用的碳纤维原料有聚丙烯腈

7、纤维、粘胶丝和沥青纤维3种。 聚丙烯腈碳纤维性能好，碳化率高(5060 )，因此聚丙烯腈碳纤维约占总碳纤维产量的95。 以粘胶丝为原料的碳纤维的碳化率仅为2030，该碳纤维的碱金属含量低，特别适合作为烧蚀材料。 以沥青纤维为原料，碳化率高达8090，是成本最低、发展最快的品种。 碳纤维根据使用要求和热处理温度分为阻燃纤维、碳纤维、石墨纤维。 例如300350热处理时得到阻燃纤维； 10001500热处理时得到碳纤维、碳含量9095； 碳纤维可以通过2000以上的高温处理得到石墨纤维，碳含量高达99以上。 碳纤维是将原料纤维在一定的张力、温度下经过一定时间的预氧化、碳化、石墨化处理等过程制成的。

8、 以聚丙烯腈纤维为原料的碳纤维，在预氧化过程中，聚丙烯腈原丝中的含氧化合物是碳化初始分子间链反应的主要原因，氧是环化反应的催化剂，加热形成热稳定性的梯形结构。 碳纤维耐冲击性差，容易损伤，由强酸氧化，与金属复合时产生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。 因此，碳纤维在使用前需要进行表面处理。 碳纤维除了作为绝热保温材料使用之外，一般不单独使用，作为增强材料，除了树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料之外，多构成复合材料。 3、碳化硅纤维等其他无机纤维、碳化硅纤维等其他无机纤维是以有机硅化合物为原料纺丝、碳化或气相生长而得到的具有-碳化硅结构的无机纤维，属于陶瓷纤维类。 性能、应用耐热性和抗氧化性优于碳纤维

9、，强度达到19604410MPa，最高使用温度下强度保持率在80以上，模量为176.4294GPa，化学稳定性好。 碳化硅纤维主要用作耐高温材料和增强材料，也用作运动用品，其短纤维也可用作高温炉材等。 一、碳化硅纤维、碳化硅纤维是典型的陶瓷纤维，形态上有晶须和连续纤维两种。 连续碳化硅纤维根据制法分为：在连续的钨线或碳线芯材上堆积碳化硅的化学气相沉积法(CVD )、和有机合成物烧结法，即有机硅烷加热(300500 )加压纺丝制成前体，之后在10001500高温下烧结而成的SiC纤维。 烧结时如果施加一定的张力，纤维可以良好地取向，使纤维不会扭曲。 用化学气相沉积法得到的纤维直径为95140m，

10、烧结法为10m。60年代中期，通用技术首先制作了钨芯碳化硅连续纤维。 1972年美国AVCO公司制造了大径碳单丝后，开发了性能更好、成本更低的碳芯碳化硅连续纤维。 1975年以日本东北大学矢岛圣用有机硅聚合物聚硅烷为前体，将其纺织，对纤维进行低温交联处理，进一步高温分解，得到高性能碳化硅纤维。 日本碳公司于1983年底完成了连续碳化硅纤维的批量生产，是目前烧结法碳化硅纤维的重要厂家。 1984年，宇部兴产公司在矢岛圣的基础上，以低分子硅烷化合物和钛系化合物为原料合成的有机金属聚合物为前体，经过纺丝和前体烧结，制造出了性能非常优异的含钛碳化硅纤维“Tyranno”。 优良的力学性能碳化硅纤维由均

11、匀分散的微晶构成，凝聚力极大，应力可沿致密的粒子界面消散，因此纤维的拉伸强度和拉伸弹性模量大，用前体法得到的纤维的拉伸强度为2.5GPa，弹性模量为200GPa，用CVD法得到的纤维的拉伸强度为3.4GPa 弹性模量为400GPa的碳化硅纤维增强铝系复合材料可作为飞机结构材料使用，代替钛合金，制作发动机、机翼、起落架及滑雪板、高尔夫球杆等体育用品。 SiC纤维的力学性能、SiC纤维的其他性能、SiC纤维具有极其优良的耐高温氧化性、耐化学性、耐热冲击性、良好的耐蠕变性能以及与陶瓷基体的良好相容性等一系列优良性能。 二其他无机纤维(1)氮化硼纤维、氮化硼纤维60年代在美国开发成功。 作为氮化硼纤维

12、的制造方法，主要有将B2O3前体纤维在800的高温氨蒸气中处理，然后在2000进行热拉伸烧结的无机前体转化法。 以1976年日本京都纤维工艺大学木村良晴开发的含有BN主键结构的高分子化合物为前驱体，进行熔融纺丝及交联后高温处理，得到氮化硼纤维。 由有机前体制备的氮化硼纤维，前体可以根据目标物的结构和性能要求，实现前体分子结构设定修改，通过改变分子结构和组成，可以得到性能不同的纤维。 氮化硼纤维的典型性能，由于具有许多特异性，同时综合性能也优异，是陶瓷基、金属基和树脂基复合材料的重要强化纤维，如优异的机械性能、耐温性、耐氧化性、耐腐蚀性和独特的电性能等。 其复合材料可以是电池隔离材料、微波透过材

13、料、绝缘材料、绝热保温材料及中子吸收材料等。 氮化硼的结构与石墨相似，也称为“白色石墨”，耐氧化性优于石墨，石墨(碳)纤维在空气中400开始氧化性降低，氮化硼纤维在850900的空气中开始氧化。 石墨(碳)纤维被氧化时，表面不形成保护层，氮化硼纤维在氧化过程中形成氧化硼保护层，防止进一步的氧化。 在惰性或还原气氛中，纤维性能稳定到2500。 氮化硼纤维的强度和模量与玻璃纤维相近，但其多晶性具有优良的耐腐蚀性，其密度仅为1.42.0gcm3，是制造轻质结构材料的最大优点。 纤维对酸、碱不活泼，没有被800的熔融铝和1400的熔融铁侵蚀。 特别是纤维到2000显示出最高的绝缘性。 氮化硼有较低的介

14、电损耗和介电常数，是防烧蚀天线窗的理想材料。 由于氮化硼纤维和碳纤维混合织成的试样具有低烧蚀率和低背面温度，空间工程学的潜在应用除了天线窗外，还可以使用电绝缘器件、防护布、大气层的残奥射门等。 氮化硼纤维作为复合材料的增强纤维，增强纤维在很大程度上依赖于纤维的表面特征，在纤维表面空隙率低，处于封锁状态，因此纤维不易被树脂淋湿。 氮化硼纤维与由有机基体制备复合材料的界面结合主要是由于摩擦力的作用。因此，在用氮化硼纤维或其针织物制造复合材料的过程中，重点解决纤维与基体的润湿性问题是很重要的。 (2)氧化铝纤维、氧化铝纤维为Al2O3多晶连续纤维。 Al2O3纤维种类为-Al2O3、-Al2O3及-

15、Al2O3连续纤维及短纤维. 除了优良的力学性能、稳定的化学性质外，还有优良的热性能。 多用于高温结构材料和高温绝缘滤波器材料。 其应用前景广阔，特别是在航天领域，是作为强化金属、陶瓷最有前途的纤维品种之一。 硼纤维、硼的原子序数为5，熔点在2000C以上，是高熔点半导体元素，硬度仅次于金刚石。 1958年C.P.Talley首先使用化学气相沉积法(CVD )，在钨丝上或碳纤维上堆积不定形的硼制成硼纤维。 60年代后期，在美国只有AVCO公司和HamiltionStandard公司进行了硼纤维的生产及其复合材料的研究，用CVD法在芯丝上制造硼纤维的方法主要有硼的氢化物热分解法和硼卤化物的还原法

16、。 硼的结构形式有菱形六面体和四方晶系两种，前者为主要形式，硼纤维的结构和性能取决于沉积温度和沉积速度。 以1300以上用CVD法得到的是菱形六面体，小于1300的情况下是菱形六面体。 硼纤维具有与其他连续陶瓷纤维相比较困难的强度、模量、密度。 其密度仅为2.42.6 g.cm-3，拉伸弹性模量高达400Gpa，是普通玻璃纤维的57倍，拉伸强度超过钢的强度，超过3.45Gpa，是制造高性能复合材料的优良强化纤维。 但其性能受堆积条件和纤维直径的影响。 硼纤维在常温下为惰性物质，但即使在高温下也容易与金属发生反应，为了在与金属复合时不引起不良的界面反应，一般在纤维表面用碳化物、硼化物等进行涂层处

17、理。 涂装后硼纤维的抗拉强度明显高于普通硼纤维。 硼纤维与几种连续纤维的性能相比，硼纤维和金属复合时，容易达到较高的纤维体积分数，增强效果显着，耐压度高。 纤维表面具有碳化硼或碳化硅涂层对硼纤维具有良好的保护作用。 例如，碳化硼被复的硼纤维在550空气中加热l小时，强度几乎不变化的碳化硅被复的硼纤维在600空气中加热1000小时，没有明显的强度降低。 未涂层的硼纤维在400以上与金属反应而劣化。 硼纤维的缺点是工艺复杂，难以规模生产，价格高。 除了在宇宙产业作为构造材料使用外，在要求重量和刚性的飞机的零件，例如F14，F15，B1大陆间战略轰炸机中使用，强化钛合金的零件。 硼纤维增强铝系复合材

18、料和增强环氧树脂复合材料，可用于发动机风扇和压缩机叶片、导弹和航天飞机上的各种部件，可减量2066。 可以作为中子的减速剂使用，也可以制作原子能和防中子弹使用的各种钻头、超离心设备、超导发电机及其高速、高受力旋转的机械设备。 4、芳族聚酰胺纤维，定义：由芳族聚酰胺基与2个苯环基直接连接的线状高分子制成的纤维，称为芳族聚酰胺纤维(Aramid纤维)。 在我国，将芳族聚酰胺纤维称为芳族聚酰胺，间位芳族聚酰胺纤维称为芳族聚酰胺1313，残奥芳族聚酰胺纤维称为芳族聚酰胺1414。 芳纶纤维的化学结构、性能特征、机械性质：芳纶1414在目前使用的有机纤维中强度最高，其强度达到193.6cN/tex，断裂伸长率为4%。 纤维密度：1.431.44g/cm3。 热学性质：纤维的热稳定性远高于其他纤维，150时纤维的收缩率为0，即使在高温下也能保持高强度。 熔点为600，最高使