复合材料1.pptx

1绪论绪论发展历程：发展历程：古代古代 近代近代 先进复合材料先进复合材料古代：草梗合泥筑墙、古代：草梗合泥筑墙、漆器漆器（麻纤维（麻纤维+土漆）土漆）近代：玻璃纤维增强塑料（近代：玻璃纤维增强塑料（1940年年1960年）年）先进复合材料（先进复合材料（1960年年）：碳纤维、碳纤维、Kevlar增强环氧树脂增强环氧树脂 碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料 陶瓷基复合材料、功能复合材料、智能复合陶瓷基复合材料、功能复合材料、智能复合材料材料郝家坪出土郝家坪出土文物文物 战国漆器战国漆器1绪论绪论Boeing 787 Dreamliner,first flight 2007,200-300 seats2007 order:528 flights,$1.26 billionAir China at 15;Shanghai Airlines at 9;China Eastern Airlines at 15;Hainan Airlines at 8.787-50 percent composites-20 percent aluminum777-12 percent composites-50 percent aluminumHow much lighter is 787 from A330-20030,000-40,000 lbs.More fuel efficient20 percent more fuel efficient than similarly sized airplanesProduces fewer emissions20 percent fewer than similarly sized airplanes新型结构复合材料新型结构复合材料Hydrogen storage materialsMicroporous materialsMetal hydridesComplex hydridesCarbon nanotubesOther new materials能源用材料1.1什么是复合材料什么是复合材料 定义定义：用经过选择的、含一定数量比的用经过选择的、含一定数量比的两种两种或或两两种以上种以上的组分（或组元），通过的组分（或组元），通过人工复合而成人工复合而成的，的，具有具有特殊性能特殊性能的的多相固体多相固体材料材料。具有可设计性具有可设计性；人工制造而非天然形成的；人工制造而非天然形成的；性能取决于各组分性能及协同效应；性能取决于各组分性能及协同效应；组元间组元间组元间组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材料有明显界面或呈梯度变化的多相材料有明显界面或呈梯度变化的多相材料有明显界面或呈梯度变化的多相材料。特特点点1.2传统材料及其局限性传统材料及其局限性传统材料：金属、无机非金属、有机高分子材料传统材料：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋各有千秋复合材料：复合材料：扬长避短扬长避短 协同效应协同效应 克服单一材料的缺点，产生新性能。克服单一材料的缺点，产生新性能。对材料的要求：越来越对材料的要求：越来越高高、越来越、越来越严严、越来越、越来越多多1.3复合材料的分类复合材料的分类分类分类 按基体材料性质：按基体材料性质：按纤维材料种类：按纤维材料种类：复复合合材材料料金属基金属基复合材料复合材料（MMC）非金属基非金属基复合材料复合材料聚合物聚合物基基(PMC)陶瓷陶瓷基基(CMC)塑料塑料基基橡胶橡胶基基碳碳及及碳化物碳化物基基非碳非碳基基玻璃纤维玻璃纤维复合材料、复合材料、碳纤维碳纤维复合材复合材料、料、有机纤维有机纤维复合材料、复合材料、金属纤维金属纤维复合材料、复合材料、陶瓷纤维陶瓷纤维复合材料复合材料按增强材料的形态、配置：按增强材料的形态、配置：复复合合材材料料颗粒状颗粒状分散相分散相复合材料复合材料纤维状纤维状分散相分散相复合材料复合材料弥散弥散强化复合材料强化复合材料颗粒颗粒增强复合材料增强复合材料板状板状复合材料复合材料连续纤维连续纤维复合材料复合材料不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料1.3复合材料的分类复合材料的分类薄片薄片增强复合材料增强复合材料层板状层板状复合材料复合材料夹心夹心复合材料复合材料按复合效果：按复合效果：结构结构复合材料、复合材料、功能功能复合材料复合材料基础基础 复合材料的主要优、缺点：复合材料的主要优、缺点：1.4复合材料主要性能复合材料主要性能 高比强度，比模量；高比强度，比模量；各向异性；各向异性；抗疲劳性能好；抗疲劳性能好；高韧性和高减振性高韧性和高减振性 制备工艺复杂，性能离散性较大；制备工艺复杂，性能离散性较大；增强增强体、基体可供选择种类有限；体、基体可供选择种类有限；成本较高成本较高。可设计性；可设计性；1.4.1聚合物基复合材料主要性能比强度、比模量大耐疲劳性能好减震性好过载时安全性能好具有多种功能性（如耐烧蚀、磨擦、绝缘、腐蚀、光电等）加工性能w但耐高温、耐老化、材料强度一致性差1.4.2 金属基复合材料主要性能w高比模、高比强w导热导电w热膨胀系数低、尺寸稳定性好w良好高温性能w耐磨性能好w疲劳性能和断裂性能好w不吸潮、不老化、气密性好1.4.3 陶瓷基复合材料主要性能w强度高、硬度大w耐高温w抗氧化w高温抗磨损、耐化学腐蚀w热膨胀系数小抗弯强渡不高断裂韧性低 复合材料的应用领域复合材料的应用领域：1.5复合材料的应用和发展复合材料的应用和发展 航天航空、军工航天航空、军工；我国：我国：被列为被列为“国家高技术研究发展计划国家高技术研究发展计划”纲要重要纲要重要内容。内容。汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、建筑、电子、桥梁、医疗、体育器材建筑、电子、桥梁、医疗、体育器材；发展高技术领域的关键新材料发展高技术领域的关键新材料 20m 20mSBS/硅藻土复合改性沥青热台偏光显微镜相形态图硅藻土 SEM照片分散连续相 复合材料的应用实例复合材料的应用实例思考题w复合材料性能的决定因素有哪些？复合材料性能的决定因素有哪些？2基体和增强材料基体和增强材料连续相连续相分散相分散相 （基体）基体）（增强体（增强体)界面相界面相 复合材料组成复合材料组成：粘接和固定增强相粘接和固定增强相分配增强体的载荷分配增强体的载荷 保护增强体免受环保护增强体免受环境影响境影响增加强度增加强度 改善性能改善性能 传递作用传递作用 阻断作用阻断作用诱导效应诱导效应2.1基体和增强纤维的分类基体和增强纤维的分类基体材料基体材料增强材料增强材料金属金属陶瓷陶瓷聚合物聚合物铝铝与铝合金、与铝合金、铜铜与铜合金、与铜合金、锰锰合金、合金、钛钛合金、合金、镍镍合金合金玻璃玻璃、玻璃玻璃陶瓷、陶瓷、氧化物氧化物陶瓷陶瓷、非氧化物非氧化物陶瓷陶瓷不饱和聚酯不饱和聚酯、环氧树脂环氧树脂、酚醛树脂酚醛树脂、聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂纤维纤维晶须晶须颗粒颗粒2.1.1金属：结构用金属基复合材料基体w要求：高比强度、比模量w研究较成熟：铝、镁基复合材料w燃气轮机发动机要求：650-1200度下，安全工作，良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和高温力学性能w铝、镁-450，钛-650，镍、钴复合-1200功能用金属基复合材料基体w要求具有优良的综合物理性能，如高力学性能、高导热、导电、低膨胀、高抗电弧烧蚀、高摩擦系数、耐磨性等w目前应用主要在于微电子技术的电子封装（如高碳化硅颗粒含量的铝、铜，高模、超高模石墨纤维增强铝、铜等）w用于耐磨零部件，如碳化硅、氧化铝、石墨颗粒等增强铝、镁、铜、锌及铅等金属基复合材料2.1.2 陶瓷材料w传统陶瓷陶器和瓷器，包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等w组成：含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质原料，w现代陶瓷-碳化物、硼化物、氮化物陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物陶瓷基体w玻璃：无机材料高温烧结而成。熔体状态后不经结晶而冷却而成，特征：具有非晶态结构w玻璃陶瓷：无机玻璃通过热处理，由非晶态转变为晶态，即反玻璃化。反玻璃化过程中，会产生内应力。反玻璃化过程可以控制，最后得到无残余应力的微晶玻璃，即玻璃陶瓷玻璃陶瓷w氧化物陶瓷：氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化物陶瓷：氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化锆等氧化锆等w非氧化物陶瓷：非氧化物陶瓷：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。如氮化硼，耐热温度高达如氮化硼，耐热温度高达2000度度2.1.3 聚合物基体材料w种类：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物w组分：还有辅助材料，如固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等w作用：粘结纤维；分配纤维载荷；保护纤维不受环境影响不饱和聚酯w定义：线型结构，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键w按化学结构分类：顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧型等w交联剂、引发剂、促进剂环氧树脂w定义：含有两个以上环氧基的高聚物w分类：双酚A型环氧树脂，非双酚A型环氧树脂，脂肪族环氧树脂和酯环族环氧等酚醛树脂w含炭量高，可用于制造耐烧蚀材料w价格便宜，吸附性不好，收缩率高，成型压力高，制品空隙含量高。热塑性树脂wPE、PP、PVC、PS等w聚酰胺、聚碳酸酯及聚砜等思考题w界面相在复合材料中的作用有哪些？2.2增强纤维增强纤维玻璃玻璃纤维纤维（GlassFibre）价格低廉，品种多；价格低廉，品种多；E-无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维 S-高强度玻璃纤维高强度玻璃纤维 冲击性能较好；冲击性能较好；低的导电性；低的导电性；化学稳定性较好化学稳定性较好 弹性模量低弹性模量低；易受机械损伤；易受机械损伤；不耐磨不耐磨2.2.1玻璃玻璃纤维结构纤维结构玻璃的主要成分是氧化矽，玻璃中氧化矽是(SiO2)n的聚合体，没有熔点，但在2000度开始软化，高于这温度开始分解。故玻璃的结构包含(SiO4)基团，具有网状结构，结构如下2.2.2碳纤维碳纤维（CarbonFibre）高强度碳纤维高强度碳纤维（HS）高模量碳纤维高模量碳纤维（HM）比强度和比模量高；比强度和比模量高；耐热性、耐寒性好，耐热性、耐寒性好，化学稳定性高化学稳定性高；具有自润滑性；具有自润滑性；热膨胀系数小，热导率高，导电性好热膨胀系数小，热导率高，导电性好 价格较高；价格较高；脆性大；脆性大；抗氧化能力差抗氧化能力差沥青炭纤维的特性沥青炭纤维的特性耐高温耐高温耐腐蚀耐腐蚀生理相容性生理相容性高强度高强度高模量高模量低密度低密度耐磨耗耐磨耗导电性导电性导热性导热性低热膨胀低热膨胀可加工性可加工性催化特性催化特性沥青炭纤维的制备沥青炭纤维的制备 各向同性沥青各向同性沥青 各向同性沥青纤维各向同性沥青纤维热缩聚或催化齐聚热缩聚或催化齐聚重油或沥青重油或沥青 纯化除固体不溶物纯化除固体不溶物净化料净化料热缩聚或氧化热缩聚或氧化各向异性沥青各向异性沥青熔融纺丝熔融纺丝熔融纺丝熔融纺丝中间相沥青纤维中间相沥青纤维氧化稳定化氧化稳定化不熔化纤维不熔化纤维 炭化炭化通用级沥青炭纤维通用级沥青炭纤维中间相沥青炭纤维中间相沥青炭纤维（高性能沥青炭纤维）（高性能沥青炭纤维）石墨化石墨化石墨纤维石墨纤维2.2.3芳纶芳纶纤维纤维（AromaticPolymideFibre,Kevlar）高强度、高模量，比强度极高；高强度、高模量，比强度极高；韧性好；韧性好；低的导电性；低的导电性；自熄性纤维；自熄性纤维；化学稳定性好化学稳定性好 具有吸湿性；具有吸湿性；与基体结合较差与基体结合较差2.2.3芳纶芳纶纤维纤维2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.The structure of KevlarTM.The fibers are joined by secondary bonds between oxygen and hydrogen atoms on adjoining chains.芳纶纤维用途w轮胎帘子线（43%）w复合材料（31%）w绳索、防弹衣（5%）w其它（8.5%）2.2.4晶须及颗粒增强物晶须及颗粒增强物晶须晶须（Whisker）晶须：含缺陷很少的单晶纤维材料。晶须：含缺陷很少的单晶纤维材料。直径直径0.110m，长径比，长径比51000金属晶须（金属晶须（Ni、Fe、Cu、Ag、Ti、Cd）氧化物晶须（氧化物晶须（MgO、ZnO、Al2O3、TiO2、Cr2O3）陶瓷晶须（陶瓷晶须（SiC、TiC、WC、TiB2、ZrB2）无机盐类晶须（无机盐类晶须（K2Ti6O13、Al18B4O33）用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体（Particle ReinforcementParticle Reinforcement）。）。颗粒增强体主要是指具有颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。刚石等。颗粒增强体也称为颗粒增强体也称为刚性刚性颗粒增强体颗粒增强体（RagidParticleReinforcement）或陶瓷颗粒增强体。）或陶瓷颗粒增强体。颗粒增强物颗粒增强物延性延性颗粒增强体（颗粒增强体（DuctileParticleReinforcement）主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性韧性，如，如Al2O3中加入中加入Al，WC中加入中加入Co等。金属颗粒的加入等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。颗粒增强体的特点是颗粒增强体的特点是选材方便选材方便，可根据不同的性能要求选用，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。不同的颗粒增强体。颗粒增强体颗粒增强体成本低成本低，易于批量生产，易于批量生产MaterialDensity(g/cm3)TensileStrength(ksi)ModulusofElasticity(106psi)SpecificModulus(107in.)SpecificStrength(106in.)Polymers:Kevlar1.4465018.034.712.5Polyethylene0.9748025.071.013.7Metals:Boron2.3650055.064.74.7W19.40580598.50.8Glass:E-glass2.5550010.511.45.6S-glass2.5065012.614.07.2Carbon:HS1.7582040.063.513.0HM1.9027077.0112.03.9Ceramics:Al2O33.9530055.038.82.1SiC3.0057070.082.45.3ZrO4.8430050.028.61.7表表5-1几种几种增强材料的性能增强材料的性能5.3复合材料的性能复合材料的性能5.3复复合合材料的性能材料的性能 Figure5.6Acomparisonofthespecificmodulusandspecificstrengthofseveralcompositematerialswiththoseofmetalsandpolymers.作业布置作业布置 三三道思考题选做两道（道思考题选做两道（1 1，2 2或或1 1，3 3）1 1、区区别别复复合合材材料料、共共混混材材料料，试试举举一一例例说说明明复复合合材材料料的的特特点点，并并阐阐明明其其结结构构与与性能之间的关系？性能之间的关系？2、碳纤维性能的优缺点及其对策碳纤维性能的优缺点及其对策3、比比较较POE、HDPE及及PP的的性性能能，并并从从结结构构与与性性能能关关系系的的角角度度考考虑虑如如何何制制备备高高性能复合材料。性能复合材料。5.4复合材料的加工复合材料的加工颗粒颗粒增强复合材料的加工增强复合材料的加工纤维纤维增强复合材料的加工增强复合材料的加工层叠状层叠状复合材料的加工复合材料的加工夹心夹心复合材料的加工复合材料的加工2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure5.13Thestepsinproducingasilver-tungstenelectricalcomposite:(a)Tungstenpowdersarepressed,(b)alow-densitycompactisproduced,(c)sinteringjoinsthetungstenpowders,and(d)liquidsilverisinfiltratedintotheporesbetweentheparticles.2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure5.14Productionoffibertapesbyencasingfibersbetweenmetalcoversheetsbydiffusionbonding.2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure5.15Producingcompositeshapesindiesby(a)handlay-up,(b)pressurebagmolding,and(c)matcheddiemolding.2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure5.16Producingcompositeshapesbyfilamentwinding.Figure5.17Producingcompositeshapesbypultrusion.2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure5.18Techniquesforproducinglaminarcomposites:(a)rollbonding,(b)explosivebonding,and(c)coextrusion,and(d)brazing.2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.Figure5.19Inthecorrugationmethodforproducingahoneycombcore,thematerial(suchasaluminum)iscorrugatedbetweentworolls.Thecorrugatedsheetsarejoinedtogetherwithadhesiveandthencuttothedesiredthickness.*复合材料的界面w界面的概念（重点在于：机能、复合效应、界面作用机理、增强材料的表面处理）w界面的机能效应（传递效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、诱导效应）w界面区的定义w界面结合强度表征方式w层间剪切强度界面概念界面概念 玻璃纤维w采用偶联剂涂层的办法应用于纤维表面有机铬化物类有机酸与氯化铬的络合物-参见书70沃兰-甲基丙烯酸氯化铬配合物w水解w沃兰和吸水玻璃纤维反应形成氢键w前处理法w后处理法w迁移法3 聚合物基复合材料w以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成w高强高模的纤维，承载体w粘接性能好的基材将纤维粘接特性特性较高比强度和比模量较高比强度和比模量抗疲劳性能好抗疲劳性能好减振性能好减振性能好高温性能好高温性能好安全性能好安全性能好可设计性强、成型工艺简单可设计性强、成型工艺简单3.1 聚合物基体分类w热固性塑料（环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯）w热塑性塑料（聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚）3.2 聚合物基复合材料-实例w玻纤（玻璃钢、耐腐蚀、绝缘等，刚性、耐热、导热、老化差）w碳纤维碳纤维w芳香族聚酰胺纤维w硼纤维w碳化硅纤维w其他纤维（石棉、矿棉、棉、麻、木质等）玻纤玻纤/聚丙烯复合材料聚丙烯复合材料 聚合物纳米复合材料棒状硅酸盐棒状硅酸盐/环氧纳米复合材料环氧纳米复合材料 Discovered by Iijima in 1991 Outstanding properties:Tensilemodulus SWNT:1.25 TPa;56 times higher than steel wire 1.7 times higher than silicon carbide nanonods Electricalconductivity 104 S/cm;higher than amorphous metal Calcium-Aluminum(103 S/cm)Thermalconductivity MWNT:3000 W/m-K;higher than graphite(2000 W/m-K)Thermalexpansioncoefficient SWNT:-1.5 ppm K-1多壁碳纳米管多壁碳纳米管/环氧纳米复合材料环氧纳米复合材料 Twocriticalissues Uniform dispersion Good interfacial adhesion Currentstrategy(CovalentbondingandNoncovalentbonding)Covalent Functionalization SonicationAcylchloride:Fluorination:多壁碳纳米管多壁碳纳米管/环氧纳米复合材料环氧纳米复合材料Advantages:(1)rather mild reaction conditions(refluxat80oC)(2)shorter reaction time(1h)(3)higher functionalization efficiency(4wt%)Simple Functionalization Method with Commercial Potential多壁碳纳米管多壁碳纳米管/环氧纳米复合材料环氧纳米复合材料MWNTsMWNTs-epoxy Composites多壁碳纳米管多壁碳纳米管/环氧纳米复合材料环氧纳米复合材料思考题w试举例说明玻纤增强塑料基复合材料在国民经济建设中的应用？碳化硅陶瓷基复合材料碳化硅陶瓷基复合材料w原料-甲基三氯硅烷(CH3 SiCl3)w采用化学气相沉积工艺对炭纤维编制体进行沉积w载气-高纯氩气w用途-C/CSiC复合材料将成为新一代摩擦材料作为摩擦材料,C/CSiC的制备技术还处于深入研究和完备阶段碳/碳复合材料w 碳/碳复合材料由碳纤维或碳织物增强碳，或石墨由碳纤维或碳织物增强碳，或石墨化的树脂碳（或沥青）化的树脂碳（或沥青）化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）碳所形成的）碳所形成的复合材料复合材料定义碳元素基态电子层结构碳元素基态电子层结构1S22S22P2三种杂化形式三种杂化形式sp3 sp2 spSEMsurfaceimagesofC/CcompositeswithoutPICcyclesSEMimagesofC/CcompositeswithPICcycles（a）interior；(b)surfaceSectionmorphologyofribbon-shapedmesophasepitch-basedcarbonfibers碳碳/碳碳复复合材料的基本性合材料的基本性质质-缺缺点点w在在无无保保护气护气氛的高氛的高温环温环境下容易氧化境下容易氧化可可使使用用多多层层、可可流流动动的的耐耐高高温温陶陶瓷瓷玻玻璃璃，陶陶瓷瓷抗抗氧氧化化层层可可由由其其流流动动性性来来自我修自我修补补w碳碳/碳碳复复合材料脆性材料，界面強度合材料脆性材料，界面強度过过強強，裂隙，裂隙将将剪切剪切纤维纤维可可由由脱脱键键(Debonding)与与裂裂缝缝转转折折(CrackDeflection)等等机机制制來來减缓减缓破破坏坏的的产产生生w基材在承受基材在承受周周期性的反期性的反复应复应力力时时容易粉碎容易粉碎可可利利用用混混和和基基材材的的方方式式改改善善碳碳/碳碳复复合合材材料料的的弯弯曲曲強強度度与与层层间间剪強度剪強度5.3 碳碳/碳复合材料性能碳复合材料性能思考题试举例说明碳/碳复合材料的特点及其应用，抗氧化性能如何及改进措施？金属基复合材料6.1.1按基体w铝基复合材料应用最广，通常使用铝合金，而非纯铝w镍基复合材料以镍及镍合金制造。制造燃气轮机的叶片高温w钛基复合材料比任何其他的结构材料具有更高的比强度，增强体-硼纤维，热膨胀系数接近。6.1 分类知识回顾金属键金属键有良好的导电性和导热性，正的电阻温度系数，有良好的导电性和导热性，正的电阻温度系数，不透明，有特有的金属光泽，有良好的塑性变形能力，不透明，有特有的金属光泽，有良好的塑性变形能力，韧性好韧性好。