第五章 复合材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 复合材料,朱 荣,本章内容,第一节概述,第二节金属基复合材料,第三节陶瓷基复合材料,第四节碳基复合材料,第五节聚合物基复合材料,第六节纤维增强体材料,第一节概述,复合材料,两种或者两种以上的不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。,在现代工程中对材料的要求越来越苛刻，特别是在航天、航海及交通运输领域。,例如，要求飞机结构材料既有低的密度，又具有高的强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。,通常高强度材料的密度也高，增大强度或刚度则会降低材料的韧性。,这种材料优异性能的组合是单一材料无法满足的。,复合材料,玻璃纤维增强风机叶片,玻璃纤维增强尼龙车轮,玻璃纤维增强塑料制自行车,复合材料制小船,复合材料制防弹衣,复合材料在波音飞机上的应用,特点,复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性。,材料,断裂能,/J,玻璃纤维,7.510,-4,常用树脂,2.2610,-2,热固性玻璃钢,17.6,例,1,：,热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维,热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂,脆性低于玻璃纤维,泥土稻草,水泥钢筋,例,2,：建筑材料（复合材料的应用）,一、复合材料的分类,复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。,按基体相的性质分,金属基复合材料,非金属基复合材料,铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料,塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料,按增强相的形态分,纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属,金属陶瓷弥散强化金属,纤维增强复合材料,颗粒增强复合材料,叠层复合材料,双层金属复合材料三层复合材料,纤维增强复合材料,颗粒增强复合材料,叠层复合材料,二、复合材料的性能特点,比强度和比模量高,纤维增加材料的比强度及比模量远高于金属材料，特别是碳纤维环氧树脂复合材料比强度是钢的,8,倍，比模量是钢的,4,倍。,抗疲劳和破断安全性好,纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。,（,1,）比强度与比模量高,比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。比强度愈高，同一零件的自重愈小,;,比模量愈高，零件的刚性愈大。环氧树脂与高强度的碳纤维复合，比强度可达,913kNm/kg,，,比模量为,85MNm/kg,，,与高模量的碳纤维复合，比模量可达,116MNm/kg,，,比强度为,613kNm/kg,远远超过一般钢材和铝合金（钢的比强度为,126kNm/kg,，,比模量为,27MNm/kg,）,。,（,2,）化学稳定性优良,钢材一般不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，即使含钼不锈钢在这种介质中，也会很快被腐蚀。但纤维增强塑料如玻纤增强酚醛树脂，在含氯主子的酸性介质中能长期使用。用玻纤增强塑料，可制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、风机、搅拌器等设备。如用耐碱玻纤或碳纤维与塑料复合，还能在强碱介质中使用。耐碱玻纤可用来取代钢筋与水泥复合。,（,3,）减摩、耐磨、自润滑性好,在热塑性塑料中掺入少量短切碳纤维可大大提高它的耐磨性，其增加倍数为聚氯乙烯本身,3.8,倍，聚四氟乙烯本身的,3,倍，聚丙烯本身的,2.5,倍，聚酰胺本身的,1.2,倍，聚酯本身的,2,倍。碳纤维增强塑料还可降低塑料的摩擦系数，提高它的,pv,值,1,；,pv,值随碳纤维的增加而有不同程度地提高。以钢作对磨件时，碳纤维增强的磨损比玻纤增强的约小,10,倍。碳纤维增强塑料具有良好的自润性能，因此可用于制造无油润滑活塞环、轴承和齿轮。如用石棉之类的材料与塑料复合，则与上述情况相反，可得到摩擦系数大、制动效果好的摩阻材料。,1,p,为滑动轴承投影面的压强（,MPa,），,v,为滑动线速度（,m/s,），,各种塑料及其复合材料均有一个允许最高承载能力的,p,值；与允许最高滑动线速度的,v,值。,（,4,）耐热性高,碳化硅（,SiC,）,纤维、氧化铝纤维（,Al,2,O,3,SiO,2,）,与陶瓷复合，在空气中能耐,1200,1400,高温，要比所有超高温合金的耐热性高出,100,以上。用于柴油发动机、可取消原来的散热器、水泵等冷却系统，减轻重量约,100kg,。,用于汽车发动机，使用温度可高达,1370,。,（,5,）高韧性和高抗冲击性、导电和导热性,金属基复合材料具有高韧性和高抗冲击性能，在受到冲击时能通过塑性变形吸收能量。具有良好的导电和导热性能，可以使集中电荷和局部的高温热源很快扩散消失，有利于解决热气流冲击和雷击问题。,循环次数,应力,碳纤维复合材料,玻璃钢,铝合金,复合材料具有较高的疲劳强度。实验表明：,r,70,80,b,，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的,40,50,。,纤维复合材料平均几千到几万根纤维,/cm,2,，即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能力，故破断安全性好。,（,6,）抗疲劳和破断安全性好,纤维增强复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向。,第三节 常用复合材料,塑料基复合材料,金属基复合材料,橡胶基复合材料,陶瓷基复合材料,一、塑料基复合材料,作为机械工程材料，塑料的最大优点是密度小、耐腐蚀、可塑性好、易于加工成型。,缺点：强度低、弹性模量低、耐热性差。,改善的方法：复合材料，主要是增强,。,使用最广泛的是纤维增强塑料。按纤维的性质可以把塑料基复合材料分为：,玻璃纤维增强塑料,碳纤维增强塑料,硼纤维增强塑料,碳化硅纤维增强塑料,Kevlar,纤维增强塑料,基体材料：热固性塑料、热塑性塑料,（一）玻璃纤维增强塑料,俗称玻璃钢。按照塑料的性质可以分为：,热塑性玻璃钢,热固性玻璃钢,1,、热塑性玻璃钢,由体积分数为,20,40%,的玻璃纤维与,60,80%,的热塑性树脂组成。,具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低的热胀系数,。,2,、热固性玻璃钢,由体积分数为,60,70%,的玻璃纤维与,30,40%,的热固性树脂组成。,主要特点：密度小、强度高、比强度超过一般的高强钢，耐腐蚀、绝缘、绝热等。但弹性模量低，在,300,以下使用。,主要用于制造自重轻的受力构件和要求无磁性、绝缘、耐腐蚀的零件。,（二）碳纤维增强塑料,组成,由碳纤维与聚脂、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。,优点,低密度、高强度、高弹性模量、高比强度和比模量。,优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀和耐热性。,缺点,碳纤维和基体结合强度低，各向异性严重。,应用,性能优于玻璃钢，主要用于航天和航空工业中制作飞机机身，螺旋浆，发电机的护环材料等。,（三）硼纤维增强塑料,组成,由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成的复合材料。,特点,高比强度和比模量；,良好的耐热性；,缺点是各向异性严重,应用,主要用于航天和航空工业中要求高刚度的构件，如飞机机身，机翼等。,（四）碳化硅纤维增强塑料,组成,由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。,特点,高比强度和比模量；,抗拉强度接近碳纤维,环氧树脂复合材料，但抗压强度是其两倍；,碳化硅,环氧树脂复合材料是一种很具有发展前途的新型材料。,应用,主要用于宇航器上的结构，比金属轻,30%,。还可以制作飞机的门、降落传动装置、机翼等等。,（五）,Kevlar,纤维增强塑料,组成,由,Kevlar,纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等树脂组成的复合材料。,特点,最常用的是,Kevlar,纤维,环氧树脂复合材料；,抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维,环氧树脂复合材料相近；,延性好，与金属相似；,具有优良的疲劳抗力和减振性。,主要用于制作飞机机身、雷达天线罩、火箭发动机外壳、快艇等。,应用,二、金属基复合材料,目前是机械工程中用量最大的一类材料。,塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但仍不能满足要求，一直在改进。,主要应用的金属基复合材料：,纤维增强金属基复合材料,颗粒增强金属基复合材料,塑料,金属多层复合材料,三、橡胶基复合材料,橡胶具有弹性高，减振性好，热导率低，绝缘等优点，但强度和弹性模量低，耐磨性差。,为了改善橡胶制品的性能，可以用增强纤维或粒子与其复合。制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品。,纤维增强橡胶,主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡胶布等。,粒子增强橡胶,利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强度，耐磨性等。,四、陶瓷基复合材料,陶瓷具有耐高温，抗氧化，耐腐蚀，弹性摩量高，抗压强度大等优点。,但陶瓷脆性大，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击。,用纤维或粒子与陶瓷制成复合材料，其韧性明显提高，是目前研究的热点。主要有：,纤维增强陶瓷复合材料,粒子增强陶瓷复合材料,复合材料应用实例,双金属复合钢管,陶瓷内衬复合管,20,钢,/316L,钢复合管,基管,20,钢,内衬,316L,钢,20,钢,/316L,复合管,铝热剂：,Al+Fe,2,O,3,Fe,Al,2,O,3,第六节 增强材料及其增强机制,复合材料是一种由基体,matrix,和增强相,reinforced phase,组成的多相材料，通常基体为连续相，而增强相为分散相。,复合材料,基体,增强相,金属材料、高分子材料、陶瓷材料,颗粒增强材料、纤维增强材料、片状增强材料,一、增强材料,增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等,（一）纤维增强材料,密度,g/cm,3,抗拉强度,GPa,拉伸模量,100GPa,比强度,10,6,N.m/kg,比模量,10,6,N.m/kg,无碱玻璃纤维,2.55,3.40,0.71,1.33,28,高强度碳纤维（,II,）,1.74,2.42,2.16,1.39,124,高模量碳纤维（,I,）,2.00,2.23,3.75,1.12,188,Kevlar49,1.44,2.80,1.26,1.94,88,硼纤维,2.36,2.75,3.82,1.17,162,SiC,纤维（钨芯）,2.69,3.43,4.80,1.28,178,钢丝,7.74,4.20,2.00,0.54,26,钨丝,19.40,4.10,4.10,0.21,21,钼丝,10.20,2.20,3.60,0.22,35,常用增强纤维与金属丝性能对比,玻璃纤维,由熔融玻璃经拉丝制成纤维；,密度,2.4,2.7,，与铝相近，弹性模量低于金属，但比强度和比模量高；,耐热性好，软化温度,550,580,；,耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性；,不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等；,制取方便，价格便宜，是应用最广的增强纤维。,碳纤维,将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成,w,C,90%,以上的纤维；,密度低、强度和模量高；,高、低温性能好（,1500,，,-180,）；,化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；热胀系数小，热导率高，导电性、自润滑性好；,缺点：脆性大，易氧化，与基体结合力差。,硼纤维,将元素,B,用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属丝纤芯（钨丝）上制得的一种复合纤维；,熔点高（,2300,）；,强度、弹性模量高；,良好的耐蚀性；,缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高；,不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。,芳纶纤维,亦称,Kevlar,纤维，是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类纤维；,密度小，比强度、比弹性模量高；,抗拉强度比玻璃纤维高,45,，韧性好；,耐热性好，能在,290,下长期作用；,优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。,碳化硅纤维,是以钨丝或碳纤维作纤芯，通过气相沉积法而制得；或用聚碳硅烷纺纱，经烧结而得；,是一种高熔点、高强度、高模量的陶瓷纤维，主要用于增强金属和陶瓷；,优良的高温强度，在,1100,时强度仍高达,2100MPa,。,主要增强颗粒为陶瓷颗粒，如,Al,2,O,3,、,SiC,、,Si,3,N,4,、,WC,、,TiC,、,B,4,C,及石墨等；,陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量生产；,在聚合物中添加不同的填料，构成以填料为分散相、聚合物为连续相的复合材料，可改善制品的力学性能、耐磨性能、耐热性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能等。,（二）颗粒增强材料,碳黑和白碳黑（,Si,2,C,无定形微粉，呈白色，具有类似碳黑的增强作用，故称之）可明显提高橡胶的强度、硬度和弹性模量；,石墨、银粉、铜粉等可改善塑料的导电性；,Fe,2,O,3,磁粉可改善塑料的导磁性；,MoS,2,可提高塑料的自润滑性；,空心玻璃微珠可减小塑料的密度并提高其耐热性。,二、增强机制,纤维是具有强结合键的物质或硬质材料；,纤维处于基体中，表面受到基体的保护不易损伤，也不易在受载过程中产生裂纹，承载能力增大；,（一）纤维增强,增强机制,当材料受到较大应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。,纤维断裂,裂纹扩展方向,当纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，使材料的断裂强度提高。,纤维的强度和弹性模量应远高于基体；,纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂；,纤维的排列方向要与构件的受力方向一致；,纤维与基体的热胀系数应匹配；,纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应；,纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。,纤维增强复合条件,颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分布在基体中，基体承受载荷，而增强颗粒阻碍导致基体塑性变形的位错运动（金属基体）或分子链运动（高聚物基体）。,增强颗粒大小会直接影响增强效果：,d,过大（,0.1,m,）易引起应力集中而降低强度；,d,过小（,0.01,m,）则接近于固溶体结构，不起颗粒增强作用。,一般颗粒直径为,d=0.010.1,m,。,（二）颗粒增强,Thanks！,