聚合基复合材料第一章-绪论02.ppt

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1、1,1.5 复合材料的特性,聚合物基复合材料是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料。 1.5.1 比强度、比模量（刚度）高 比强度是材料强度与密度之比值即： 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）质量相等的前提下，衡量材料承载能力； 比模量是材料模量与密度之比值即： 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。质量相等的前提下，刚度特性指标； 一般比强度愈大，原料自重就愈小；比模量越大，零件的刚性就愈大。 据估计，当用复合材料和用高强度钢制成具有相同强度的零件时，其重量可减轻70左右，这对于需要减轻材料重量的构件具有十分重大的意义。,2,表1-1 一些常用材料及纤维复

2、合材料的比强度、比模量,3,由表1-1可见：复合材料的高比强度和高比模量来源于增强纤维的高性能和低密度。,碳纤维树脂基复合材料表现了较高的比模量和比强度。 作用：在强度和刚度相同的情况下，结构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节省能源，提高构件的使用性能方面，是现有其他材料所不能比拟的。,1.5.1 比强度、比模量（刚度）高,4,碳纤维复合材料与钢、铝材料性能比较,1.5.1 比强度、比模量（刚度）高,5,6,1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高 疲劳： 工程构件在服役过程中，由于承受变动载荷或反复承受应力和应变，即使应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学

3、性质变坏。 疲劳破坏过程的三个组成部分 裂纹萌生成核 裂纹扩展 最终断裂 成核的条件 缺陷、 局部应力集中 其它杂质等。,7,疲劳破坏的种类不同： 金属 突发性破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的30%50% 碳纤维/聚酯复合材料 有预兆破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的70%80% 原因： 复合材料的破坏经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出，断裂等一系列损伤的发展过程。 基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失去部分载荷又会通过基体传递而迅速分散到其他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会因此而丧失承载能力。 故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高。,1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能

4、高,8,共振的危害,1.5.3阻尼减振性好,9,阻尼减振性好的原因： 复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断； 受力结构的自振频率有关因素： 结构形状 比模量的平方根 复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的振动阻尼很高，一旦振起来，在较短的时间内也可以停下来。,1.5.3阻尼减振性好,10,（1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好； 例如：玻璃纤维增强塑料(glass-fiber reinforced plastics，GFRP)1942年问世，是应用最广的复合材料，强度可与钢媲美，俗称玻璃钢。是复合材料的鼻祖。 具有优异的耐烧蚀性、轻量性和强度特性等，玻璃钢的用途很广，

5、涉及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民生活的许多方面。由于它的导热系数只有金属材料的1%，同时可制成具有高比热容，熔融热和汽化热的材料，被用来制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。,1.5.4 具有多种功能性,11,12,13,当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会随M数的提高而急剧上升。飞行 M数为 2.0时，机头处的温度略超过100。而当 M数等于3.0时，飞行器表面的温度则升至350左右，已超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。 航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障”。一

6、般把M数 2.5作为“热障”的界线，低于这一值，气动加热不严重，可用常规的方法和材料设计、制造飞机；高于该值，则必须采取克服气动加热问题的措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机的蒙皮和框架等。 宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，M数更高，它们的外表温度可达 1000多度。为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头部得用烧蚀材料包上一层，让它在高温时烧掉，以吸收气动加热时产生的热能。,14,M代表马赫，马赫数的命名是为了纪念奥地利学者马赫(Ernst Mach, 1838-1916) 马赫就是声速，1马赫=340M/s. 1马赫=每小时1126公里,大概是一倍音速 . 马赫数，气流速度V与当地声（

7、音）速a之比，简称Ma数。飞机的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度小于当地音速时，则马赫数小于1，反之，飞行速度大于当地音速时，马赫数则大于1。一般把马赫数小于或等于0.4的飞行称为低速飞行，马赫数在0.75至1.2（或1.4）之间称为亚音速飞行，马赫数在1.2（或1.4）至5之间称为超音速飞行，马赫数大于5时则称为高超音速飞行。,15,热 障 与 宇 宙 飞 行 器 在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝。它为什么会发光呢？ 原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气剧烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球时，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明，

8、 当宇宙飞行器的飞行速度达到3倍声速时，其前端温度可达330；当飞行速度为6倍声 速时，可达1480 。 宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面60-70千米时，速度仍然保持在声速的20多倍，温 度在10000以上，这样的高温足以把航天器化作一团烈火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇 宙的步伐， 那么科学家们是如何服热障，使航天器安全回家的呢？,16,陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分析陨石的成分和结构发现 ，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中， 表面因摩擦生热达到几千度高

9、温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石内部。给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成“盔甲”，把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，“丢卒保车”就能达到保护宇宙飞行器的目的。 一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层，首先从舷窗中 看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧 ，它们牺牲了自己，把飞船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。 作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的本领强。,17,玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，是制造雷达罩的理想材料。

10、由于它显示了其它工业材料无以伦比的许多优异特性，而在材料科学界引起了强烈反响，它启迪人们去寻求新的增强纤维，以开发性能更加优越的新型复合材料。,（2）优异的电绝缘性能和高频介电性能；,18,雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。电磁波遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的反射来工作的.波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，因此雷达用的是微波波段的无线电波. 雷达有一个特制的可以转动的天线，它能向一定的方向发射不连续的无线电波.每次发射的时间约为百万分之一秒，两次发射的时间间隔大约是发射时间的一百倍.发射出去的无线电波遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回来为天线接收.

11、,19,（3）良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性；有特殊的光学、电学、磁学。 例如：碳纤维增强塑料(carbon-fiber reinforced plastics，CFRP) 是最有代表性、性能最优越的塑料(即树脂)基复合材料 优点 碳纤维的强度比钢大四倍，重量只有钢的14，比铝还轻。碳纤维复合材料广泛应用在航空工业中。与玻璃钢相比，强度高0.51倍，弹性模量高24倍，同时还具有多种功能。包括：很高的耐腐蚀性；优良的热特性(绝热性，隔热性和尺寸稳定性等)；一定的电性能(通电发热，防静电干扰，导电性等)；滑动特性(耐磨性，润滑性)；减振性能(减振防噪等)；放射线特性(X射线透过性)等。它的优异性能

12、是其它纤维增强塑料无法比拟的。,20,原生态撑杆开创历史 1789年，德国人普茨跳过了1.83米，这或许是历史上第一个有案可查的撑杆跳纪录。然而两百多年后，只一个年纪轻轻的姑娘便可以轻而易举地越过5米的高度。长久以来，人们不断地尝试让自己的身体更接近天空，同时我们所借助的撑杆也经历了一段漫长的演变。 1896年第一届奥运会，美国运动员威廉霍亚特靠着笨重、坚硬的山胡桃木创造了3.3米的世界纪录。12年后的伦敦奥运会是撑杆跳高历史上的一个里程碑，美国耶鲁大学学生吉尔伯特第一次使用竹竿跳过3.71米获得冠军。中国第一位进入奥运会决赛的选手符保卢在1936年柏林奥运会撑杆跳比赛中使用的就是竹竿。竹竿相

13、比于木杆更富弹性，天然的中空结构使撑杆的重量减轻，有利于运动员快速助跑。“竹竿时代”的世界纪录也随之上升到了4.77米。 玻璃纤维撑杆辉煌一时 瑞典钢和铝合金制成的空心撑杆和尼龙竿一度取代了竹竿的垄断地位，但是当玻璃纤维撑杆在1952年的赫尔辛基奥运会上亮相后，撑杆跳就此进入一个新的时代。 玻璃纤维撑杆又称之为“玻璃钢撑杆”，它之所以能够带来“立竿见影”的效果，就在于它较轻的自重和极强的柔韧性。由于杆重大大减轻，运动员持杆助跑的速度得以猛增。另外相比于“刚性”撑杆和地面“硬碰硬”的接触，“柔性”的纤维杆落地后更像是压缩了的弹簧。纤维撑杆被压弯后便积蓄了变形势能，从而可以将运动员“弹”向空中。如

14、此一来便使得运动员在垂直上升和跨越横杆时可以充分利用自己水平助跑时积攒的动能。,21,碳素纤维撑杆另辟蹊径 今天竞技场上的撑杆经过不断更新换代，玻璃纤维撑杆已不大被人采用。玻璃纤维被碳纤维代替；不饱和聚酯也被环氧树脂取代。这种碳纤维复合材料的性能比玻璃钢有了大幅度的提高，因而现在的撑杆更轻、强度更好。 现代的撑杆制作工艺日臻完善和成熟，甚至可以通过精密的实验和计算，根据撑杆从上到下受力的差异和弯曲的弧度来设计不同部位最合理的强度。虽然对于撑杆材料革命的疑虑和抱怨一直未曾停止，但是如果没有这种进化，我们又怎么能够看到伊辛巴耶娃“百尺竿头，更进一步”呢？,22,1.5.5 良好的加工工艺性 （1）

15、可以根据制品的使用条件、性能要求选择原材料，即材料有可设计性； （2）可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法； （3）可整体成型，减少装配零件的数量，节省工时，节省材料，减轻质量。,23,1.5.6各向异性和可设计性： 可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料及铺层设计满足既定的要求。这一特点可以实现制件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。,24,聚合物基复合材料存在的缺点： 材料工艺的稳定性差 材料性能的分散性差 长期耐高温与环境老化性能不好 抗冲击性能低 横向强度和层间剪切强度不够好 这些问题也正是需要研究解决，从而推动复合材料的发展，使之日益成熟。,25,复合材

16、料与金属等材料比较，显示出较大的优越性。,26,27,复合材料结构在火箭中的应用,1.6 复合材料的应用,28,复合材料结构在人造卫星中的应用,29,东方红一号卫星是我国于1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。按当时时间先后,我国是继苏、美、法、日之后,世界上第五个用自制火箭发射国产卫星的国家,30,人造地球卫星与空间探测器的结构材料大多采用铝合金和镁合金，要求高强度的零部件则采用钛合金和不锈钢。为了提高刚度和减轻重量，已开始采用高模量石墨纤维增强的新型复合材料。 卫星体和仪器设备表面常覆有温控涂层，利用热辐射或热吸收特性来调节温度。 航天器上的大面积太阳翼初期为铝合金加筋板或夹层板结构，后来改用石墨纤维复合材料作面板的铝蜂窝夹芯结构，更先进的轻型太阳翼则以石墨纤维复合材料作框架，蒙上聚酰胺薄膜。面积更大的柔性太阳翼全部由薄膜材料制成。 大型抛物面天线是现代卫星的重要组成部分，原来多采用铝合金或玻璃钢制造，但随着天线指向精度的提高，已改用热膨胀系数极小的轻质材