《复合材料概论 第03章-增强体材料-2015.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料概论 第03章-增强体材料-2015.（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、*上海大学1 复合材料及其应用 Composite Materials and their Application 冯鹤冯鹤 OfficeOffice：材料大楼：材料大楼 361361室室 TelTel：021-66138019021-66138019 E-mail: E-mail: fh117 fh117 上海大学材料学院电子信息材料系2 p 引 言 p 纤维增强体 p 晶须增强体 p 颗粒增强体 三、增强体材料 上海大学材料学院电子信息材料系3 3.1 引 言 复合材料是指由两种或两种以上的物理化学性质 不同材料组合而成的多相固体材料。 复复 合合 材材 料料 基体基体 增强体增强体 (金
2、属材料、高分子材料、 陶瓷材料) 增强体增强体（增强材料、增强剂等）（增强材料、增强剂等）分散在基体内以改进分散在基体内以改进 其机械性能的其机械性能的高强度材料高强度材料 ( (纤维、晶须、颗粒、织纤维、晶须、颗粒、织物和毡 ) 上海大学材料学院电子信息材料系4 3.2 3.2 纤维增强体纤维增强体 oo 天然纤维天然纤维 n n 强度较低强度较低 oo 合成纤维合成纤维 n n 有机纤维有机纤维 n n 无机纤维无机纤维 n n 其它纤维：金属纤维、碳纤维其它纤维：金属纤维、碳纤维 上海大学材料学院电子信息材料系5 p 纤维增强材料分类 玻璃纤维玻璃纤维 低档低档 20204040元元/K
3、g/Kg 碳纤维碳纤维 高档高档 60060010001000元元/ Kg/ Kg 芳纶纤维芳纶纤维 中档中档 200200400400元元/ Kg/ Kg SiCSiC纤维纤维 B B纤维纤维 AlAl 2 2 OO 3 3 纤维纤维 金属丝金属丝 金属金属和和陶瓷基陶瓷基 上海大学材料学院电子信息材料系6 纤维增强体纤维增强体 纤维纤维在复合材料中起增强作用增强作用，是 主要承力组分承力组分。 提高的抗张强度、刚度；提高的抗张强度、刚度； 减少收缩；减少收缩； 提高热变形温度；提高热变形温度； 提高冲击强度等。提高冲击强度等。 纤维增强体作用：纤维增强体作用： 上海大学材料学院电子信息材料
4、系7 密度密度 g/cmg/cm 3 3 抗拉强度抗拉强度 GPaGPa 拉伸模量拉伸模量 100GPa100GPa 比强度比强度 1010 6 6 N.m/kgN.m/kg 比模量比模量 1010 6 6 N.m/kgN.m/kg 无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维2.55 2.553.403.400.710.711.331.332828 高强度碳纤维（高强度碳纤维（IIII）1.741.742.422.422.162.161.391.39124124 高模量碳纤维（高模量碳纤维（I I）2.002.002.232.233.753.751.121.12188188 Kevlar49Kevlar491.
5、441.442.802.801.261.261.941.948888 硼纤维硼纤维2.36 2.362.752.753.823.821.171.17162162 SiCSiC纤维（钨芯）纤维（钨芯）2.692.693.433.434.804.801.281.28178178 钢丝钢丝7.74 7.744.204.202.002.000.540.542626 钨丝钨丝19.40 19.404.104.104.104.100.210.212121 钼丝钼丝10.20 10.202.202.203.603.600.220.223535 表表3-1 3-1 常用增强纤维常用增强纤维与与金属丝性能对比金
6、属丝性能对比 上海大学材料学院电子信息材料系8 一、玻璃纤维GF （Glass Fibre） l l 由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后经熔融后 以极快的速度抽丝而成以极快的速度抽丝而成。 l l 优点优点： 强度较高，相对密度小；强度较高，相对密度小； 化学稳定性高、耐热性好；化学稳定性高、耐热性好； 价格便宜，品种多；价格便宜，品种多； 质地柔软。质地柔软。 l l 缺点缺点：不耐磨，易折断，易受机械损伤，不耐磨，易折断，易受机械损伤， 长期放置强度下降。长期放置强度下降。 上海大学材料学院电子信息材料系9 玻 璃 纤 维 丝 玻 璃 纤 维 网 格
7、布 玻 璃 纤 维 细 纱 玻 璃 纤 维 带 上海大学材料学院电子信息材料系10 1、GF的种类 l l 按单丝直径按单丝直径 ：粗、中、细、超细等粗、中、细、超细等 l l 按特性用途：按特性用途：高强玻纤（高强玻纤（S S玻纤）、高弹玻纤玻纤）、高弹玻纤 （MM玻纤）、耐高温、耐腐蚀、普通玻纤等玻纤）、耐高温、耐腐蚀、普通玻纤等 l l 按化学成分：按化学成分：无碱（少碱）玻纤（无碱（少碱）玻纤（ E E玻纤）、玻纤）、 中碱玻纤、有碱玻纤中碱玻纤、有碱玻纤(A(A玻璃玻璃) )； l l 纤维外观分类：纤维外观分类：连续、短切、空心、粉等连续、短切、空心、粉等 上海大学材料学院电子信息
8、材料系11 特种GF材料 高强玻璃纤维高强玻璃纤维 S S 主要有主要有Mg-Al-SiMg-Al-Si系系 或或B B 2 2 OO 3 3 系两种，系两种， 高弹（高模量）高弹（高模量） 玻璃纤维玻璃纤维 : : M M玻纤玻纤 S S系中加入系中加入BeO BeO 耐高温玻璃纤维耐高温玻璃纤维 (1) (1) 石英纤维石英纤维 (2) (2) 高硅氧玻璃纤维高硅氧玻璃纤维 (3) (3) 铝硅酸盐玻璃纤维铝硅酸盐玻璃纤维 空心玻璃纤维空心玻璃纤维 上海大学材料学院电子信息材料系12 2、GF的结构和化学组成 l l 结结 构构 （1 1）微晶结构假说）微晶结构假说 （2 2） 网络结构假
9、说网络结构假说 l l 化学组成化学组成 主要成分主要成分：SiOSiO 2 2 、B B 2 2 OO 3 3 、CaOCaO和和AlAl 2 2 OO 3 3 等等 助助 熔熔 剂：剂： NaNa 2 2 OO、KK 2 2 OO等碱性氧化物等碱性氧化物 上海大学材料学院电子信息材料系13 l l 原丝制造原丝制造 制玻璃球制玻璃球 铂金坩埚熔融铂金坩埚熔融 小漏孔拉丝小漏孔拉丝（多孔）（多孔） 涂浸润剂涂浸润剂 并股成纱并股成纱 纺织成布、毡或带纺织成布、毡或带。 拉制拉制GFGF纤维的示意图纤维的示意图 3、GF的制造工艺 上海大学材料学院电子信息材料系14 粗纱 30m 无捻粗纱、无
10、纺布 初级纱 20m 短切纤维、纤维毡 中级纱 1020m 高级纱 310m 纺织 石石 蜡蜡 乳乳 液液 复合前须清除复合前须清除 聚醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯 不必清除不必清除 改性有机硅类改性有机硅类 不必清除不必清除 浸润剂作用浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损：使纤维柔顺，防止磨损; ; 上海大学材料学院电子信息材料系15 (1) (1) 力学性能力学性能 (2) (2) 热性能热性能 (3) (3) 电电 性性 能能 (4) (4) 耐耐 蚀蚀 性性化学性能化学性能 4 4、GFGF的性能的性能 上海大学材料学院电子信息材料系16 抗拉强度抗拉强度：比块玻璃块高一个数量级；：比块玻璃块高
11、一个数量级； 直径直径 , , 强度强度 ；长度；长度 ，强度，强度 。 弹性模量弹性模量：与铝相当，为钢的：与铝相当，为钢的1/31/3倍。倍。 因密度低因密度低2.52.5，比模量高比模量高。 断裂延伸率断裂延伸率：3% 3% ；柔韧性；柔韧性； 耐磨与耐折性差；耐磨与耐折性差； (1) (1) 力学性能力学性能 上海大学材料学院电子信息材料系17 上海大学材料学院电子信息材料系18 上海大学材料学院电子信息材料系19 E A 210 47 96 上海大学材料学院电子信息材料系20 (2) (2) 热学性能热学性能 导热系数导热系数：比块玻璃低：比块玻璃低1 12 2个数量级；个数量级；
12、与容重有关与容重有关 耐热性：耐热性：普通普通Na-Ca-SiNa-Ca-Si玻纤玻纤 500 500; ; Tm: 550 580 Tm: 550 580， 热膨胀系数热膨胀系数: 4.810: 4.810-6 -6/ / 石英，高硅氧石英，高硅氧 12001200 ，Al-Si:Al-Si: 上海大学材料学院电子信息材料系21 l l 化学组成；化学组成； l l 温温 度；度； l l 湿湿 度；度； (3) (3) 电电 性性 能能 影响因素：影响因素： 绝缘性绝缘性等电性能的变化情况？等电性能的变化情况？ 上海大学材料学院电子信息材料系22 （4 4） 耐腐蚀性耐腐蚀性化学性能化学性
13、能 A. A. 侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀 GFGF的基本组分：的基本组分：SiOSiO 2 2 B. B. 影响影响GFGF化学稳定性的因素化学稳定性的因素 GFGF的化学成分的化学成分 GFGF表面情况表面情况 侵蚀介质体积和温度 上海大学材料学院电子信息材料系23 天线反射面玻璃钢 玻璃钢上海 东方明珠电视塔 大堂装潢 4 4、GFGF的应用的应用 上海大学材料学院电子信息材料系24 玻璃钢应用于体育用品 上海大学材料学院电子信息材料系25 o 由有机纤维经高温固相反应（脱氢、交联、环化、石 墨化）而得，主要成分为碳的无机纤维。 o 具有重量轻、强度高、模量
14、高、导电、导热、膨胀系 数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。 o 由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构 件，如航天航空、高档体育器材中。 二、二、 碳纤维碳纤维 （Carbon Fibre, CCarbon Fibre, C F F 或或C C f f ） 上海大学材料学院电子信息材料系26 碳纤维编织布 碳纤维板碳纤维碳纤维编织环 碳管 上海大学材料学院电子信息材料系27 碳纤维高尔夫球杆 碳纤维结构件 碳纤维自行车 碳纤维齿轮C/C轴承止推环 上海大学材料学院电子信息材料系28 (2)CFRP 碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP） CFRPCFRP在民用在民用飞机中的应用
15、飞机中的应用 CFRP在空间站大型结构以 及太阳能电池支架中的应用 上海大学材料学院电子信息材料系29 u 分高强、高模、中模和低性能碳纤维 聚丙烯腈基纤维 高、中性能碳纤维 人造丝基(粘胶)纤维 沥青基纤维 低性能碳纤维 其它(多环结构的天然纤维) u 原料选择原则： l C链结构，杂链结构只能成碳黑。 l 易于交联、环化，碳化率高。 l 主链内含有环状结构、硬性、结晶度高的纤维。 1品种 上海大学材料学院电子信息材料系30 2制备方法 碳化法 生产长纤维（原丝法）（原丝法） n拉丝： 制有机长纤维 n牵伸： 规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。 n氧化稳定：低温，400 ，防止热塑化。 n碳化： 10002000，保护性气氛下，脱氢、交联、环化， 得乱层环状石墨。 n石墨化： 20003000，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成 聚合碳结晶，并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增 高，热膨胀系数下降。但温度过高强度反
