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1、 第7章无机非金属材料基复合材料 所谓的复合材料是指把两种以上在宏观上不同的材料 合理的进行复合 在新制得的材料中 原来各材料的特性得到充分的应用 并且得到了单一材料所不具有的新特性 如果从微观上看 我们所使用的材料很少不是复合的 我们在这里所说的复合材料则是按上述定义复合得到的材料 复合材料船体 7 1概述 复合材料的起源可追溯到古埃及人在粘土中加入植物纤维所制成的土坯 大约100万年以前 人们开始使用以沙做骨料 用水或水泥固结的混凝土 它是现代建筑领域不可缺少的材料 混凝土具有一定的抗压强度 但比较脆 在张力作用下容易产生裂纹而破裂 在混凝土中加入钢筋 大大提高了材料的拉伸抗力 成为广泛应
2、用的钢筋混凝土 在橡胶中加入纤维 钢丝 既保持了橡胶的柔软性 又提高了材料的强度和耐磨性能 7 1概述 现代复合材料的发展起源于1942年美国空军用于制造飞机构件的玻璃纤维增强和聚脂 即玻璃钢 以后提高玻璃纤维性能的工作有了很大的发展 硼纤维 碳纤维 碳化硅纤维 各种耐热氧化物纤维与晶须的相继出现 推动着复合材料的研究与开发工作 复合材料的复合目的 提高材料强度得到热性能 电性能 磁性能和其他各种性能的最优化 7 1概述 根据复合材料的基体的不同及发展历史 玻璃纤维增强塑料 GFRP 称作第一代复合材料硼纤维和碳纤维增强的塑料 BFRP GFRP 称作第二代复合材料 高性能纤维增强金属与陶瓷成
3、为第三代复合材料 硼纤维 玻璃纤维 碳纤维 7 1概述 7 1 1复合材料的分类1 按基体材料分类 可分为聚合物基 陶瓷基和金属基复合材料 2 按增强相形状分类 可分为纤维增强复合材料 粒子增强复合材料和层状复合材料 3 按复合材料的性能分类 可分为结构复合材料和功能复合材料 无机非金属材料基复合材料主要包括陶瓷基复合材料 CMC 碳基复合材料 玻璃基复合材料和水泥基复合材料等 7 1概述 无机非金属材料基复合材料还可以按其使用温度分 高温陶瓷基复合材料 它以多晶陶瓷为基体 耐受温度为1000 1400 低温陶瓷基复合材料 它以玻璃及玻璃陶瓷为基体 耐受温度在1000 以下 尽管相对而言 无机
4、非金属材料基复合材料目前产量还不大 但陶瓷基复合材料和碳基复合材料是耐高温及高力学性能的首选材料 例如碳碳复合材料是目前耐温最高的材料 水泥基复合材料则在建筑材料中越来越显示其重要性 下面简要介绍几类常见的无机非金属复合材料 7 1概述 7 1 2无机非金属材料基复合材料 碳基复合材料碳碳复合材料的基体是碳 用碳纤维增强的复合材料 从光学显微镜尺度来看 碳碳复合材料由碳纤维 基体碳 碳纤维 基体碳界面层 纤维裂纹和孔隙四部分构成 优点 热膨胀系数低 导热好 耐热冲击 抗蠕变优异等优异特性 缺点 碳碳复合材料中的孔隙与显微裂纹可明显降低其力学强度和抗氧化性能 孔隙和裂纹的数量要根据碳碳复合材料的
5、使用性能要求加以控制 7 1概述 用途 已发展成为核能和航空航天飞行器中不可缺少的关键材料 如飞机刹车片 利用它的生物相容性和低维性 可以制造人造肢体 飞机用刹车片 汽车用刹车片 7 1概述 重返温度高达1650 碳尖锥在服役期间不仅毫无损伤 而且使用一次相当于热解一次 强度会逐渐提高 尖锥是用两层的预浸布制造的 先用石墨纤维布浸泡酚醛树脂 进行高温热解 驱除气体和水分后酚醛树脂转化为石墨 这一阶段的复合材料是软胶 将此材料浸渍糠醇后再热解 浸渍三次 热解三次 使其密度 强度和模量逐次提高 再在表面涂以二氧化硅和三氧化二铝 烧结后就在表面形成一层碳化硅涂层 最后 再用硅酸四乙氧脂浸渍表面 水解
6、 干燥后又使涂层含有一定量的二氧化硅 碳碳复合材料1986年首次用于发动机的燃烧喷管 其最显赫的应用是宇宙飞船重返大气层的尖锥 7 1概述 碳碳复合材料密度只有1 3g cm3 具有很高的比强度 其强度与模量可依据用途在较大范围内调节 普通碳碳复合材料的强度可以高达450MPa 连续纤维材料的强度为600MPa 先进 碳碳复合材料的强度可以高达2100MPa 典型的模量值在125 175GPa的范围内 就高温强度而言 碳碳复合材料是2000 以上最强的材料 更可贵的是 温度越高 碳材料的强度越高 但高温氧化是其弱点 基体与纤维界面的氧化更甚 7 1概述 金属陶瓷家族中最著名的成员是钴黏合的碳化
7、物 碳化物与钴等金属一起球磨 一方面减少碳化物的粒度 一方面将金属涂到陶瓷表面 涂饰好的粉末按粒度分级 取所需粒度压成型坯 型坯在真空下或氢气氛中烧结 所谓烧结实质是将金属熔融 把陶瓷粒子彻底 焊 在一起 金属陶瓷 金属陶瓷是金属与陶瓷的结合体 其分散相是陶瓷颗粒 多为碳化物 如碳化钛 碳化物等 基体是一种金属或几种金属的混合物 如镍 钴 铬 钼等 实际上金属起到黏合剂的作用 将坚硬的陶瓷粒子粘合在一起 7 1概述 金属陶瓷比任何工具钢都硬 压缩强度高于大多数工程材料 耐磨性能极佳 可作切削工具 可作任何软 硬表面的摩擦件 如果单纯使用陶瓷 因为其脆性 不能用作切削工具 模具或振动强烈的机器部
8、件 而金属陶瓷中的金属提供了韧性 陶瓷提供了硬度与强度 这种复合产生了性能上的协同效应 金属含量越低 陶瓷粒度越细 1um 耐磨性能越好 所有金属陶瓷都具有室内耐腐蚀性 含有镍和铬的金属陶瓷可耐化学环境的腐蚀 7 1概述 无机胶凝复合材料 解决的方法 加入粗 细骨料 如沙和卵石等 制成混凝土以提高水泥的强度和韧性 但随着混凝土强度的提高 它的脆性也表现的更为明显 7 1概述 以水泥为代表的无机胶凝复合材料脆性特点 抗拉强度低 只有抗压强度的1 20 1 10 其制品及构件在受拉应力系统或冲击载荷情况下 极易脆性破坏 新型的无机胶凝复合材料 以混凝土或水泥砂浆为基体 在其中掺入纤维形成的复合材料
9、 称为纤维水泥与纤维混凝土 纤维种类 包括金属纤维 如不锈钢纤维 低碳钢纤维 无机纤维 如玻璃纤维 硼纤维 碳纤维 合成纤维 如尼龙 聚酯 聚丙烯等纤维 植物纤维 如竹 麻纤维 由于钢纤维能有效提高混凝土的韧性与强度 能成批生产 价格便宜 施工方便 一直是研究和应用的重点 7 1概述 7 1 3复合材料特点 复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设计的 复合材料是经人工制造而非天然形成的 组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物理和化学性质 区别于化合物和合金 复合材料的性能取决于各组成的协同 复合材料具有新的 独特的和可用的性能 这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的 复合材料
10、是各组分之间被明显界面区分的多相材料 7 1概述 7 2 1复合材料的结构 复合材料由两种以上以及它们之间的界面构成 组分材料主要指增强体和基体 它们也被称为复合材料的增强相和基体相 增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构与组成也被视为复合材料的 相 即界面相 7 2复合材料结构 增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的 增强相或增强体 复合材料承受外加载荷时是主要承载相 组分是细丝 连续的或短切的 薄片或颗粒状 具有较高的强度 模量 硬度和脆性 它们在复合材料中呈分散形式 被基体相隔离包围 因此也称为分散相 基体相 是包围增强相并相对较软和韧的关联材
11、料 按增强体的几何形态可把复合材料分为三类 即纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 层片增强复合材料 7 2复合材料结构 7 2 1复合材料的结构 纤维复合材料又分为连续纤维和非连续纤维 包括晶须和短切纤维 增强复合材料 连续纤维复合材料又分为单向纤维 无纬布叠层 正交 斜交 二维织物层合 多相编织复合材料和混杂纤维复合材料 碳纤维复合材料机盖 7 2复合材料结构 7 2 1复合材料的结构 颗粒增强复合材料的增强体是不同尺寸的颗粒 球形或者非球形 按照分散相的尺寸大小和间距又可分为弥散增强复合材料 颗粒等效直径为0 01 0 1um 颗粒间距为0 01 0 3um 和粒子增强复合材料 颗粒等效直
12、径为1 50um 颗粒间距为1 25um 高体份 60 70 碳化硅颗粒 铝基复合材料电子封装件 7 3复合材料结构 层状增强复合材料的增强体是长与宽尺寸相近的薄片 薄片增强体由天然 人造和在复合材料工艺过程中自身生长三种途径获得 天然片状增强体的典型代表是云母 人造片状增强体如有机玻璃 又称玻璃鳞片 铝 银二硼化铝等 层状复合材料隔热的隔热 7 2复合材料结构 7 2 1复合材料的结构 石墨片 叠层复合材料指复合材料中的增强相是分层铺叠的 即按相互平行的层面配置增强相 而各层之间通过基体材料连接 叠层复合材料中的 层 可以是前述的单向无纬布 浸胶纤维布 如玻璃纤维布 碳纤维布或棉布 合成纤维
13、布 石棉布等 也可以是片状材料 如纸张 木材以及前述的铝箔 在混杂叠层复合材料中 叠层复合材料在其层面方向可以提供优良的性能 7 2复合材料结构 7 2 1复合材料的结构 轻质高强 比强度和比刚度高 增强剂或者基体是比重小的物质 或两者的比重都不高 且都不是完全致密的 增强剂多是强度很高的纤维 比强度 指强度与密度的比值 和比弹性模量是各类材料中最高的 7 3复合材料基本特性 1 复合材料的特性复合材料是由多种组分的材料组成 许多性能优于单一组分的材料 2 可设计性好复合材料可以根据不同的用途要求 灵活地进行产品设计 具有很好的可设计性 4 耐腐蚀性能好聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能 耐海
14、水性能 也能耐碱 盐和有机溶剂 因此 它是一种优良的耐腐蚀材料 用其制造的化工管道 贮罐 塔器等具有较长的使用寿命 极低的维修费用 3 电性能好复合材料具有优良的电性能 通过选择不同的树脂基体 增强材料和辅助材料 可以将其制成绝缘材料或导电材料 7 3复合材料基本特性 不饱和聚脂树脂玻璃纤维增强模塑料 7 3复合材料基本特性 5 热性能良好玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数 是一种优良的绝热材料 6 工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能 能满足各种类型制品的制造需要 特别适合于大型制品 形状复杂 数量少制品的制造 7 长期耐热性金属基和陶瓷基复合材料能在较高的
15、温度下长期使用 但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用 即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料 其长期工作温度也只能在300 左右 9 老化现象在白然条件下 由于紫外光 湿热 机械应力 化学侵蚀的作用 会导致复合材料的性能变差 即发生所谓的老化现象 7 3复合材料基本特性 1 在航空 航天方面的应用由于复合材料的轻质高强持性 使其在航空航天领域得到广泛的应用 在航空方面 主要用作战斗机的机冀蒙皮 机身 垂尾 副翼 水平尾冀 雷达罩 侧壁板 隔框 翼肋和加强筋等主承力构件 7 4复合材料的应用与研究现状 A400M 波音787飞机 复合材料分别占飞机结构重量的36 和50 氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机
16、的防热瓦 硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件 7 4 1 复合材料的应用 7 4复合材料的应用与研究现状 美国B 2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料 由光导纤维构成的光缆 7 4复合材料的应用与研究现状 赛车 2 在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻 在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的1 4 而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量 保护人员的安全 7 4复合材料的应用与研究现状 3 在化学工业方面的应用在化学工业方面 复合材料主要被用于制造防腐蚀制品 聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能 例如 在酸性介质中 聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多 4 在电气工业方面的应用聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料 被广泛地用于电机 电工器材的制造 如绝缘板 绝缘管 印刷线路板 电机护环 槽楔 高压绝缘子 带电操作工具等 7 4复合材料的应用与研究现状 5 在建筑工业方面的应用玻璃纤维增强的聚合物基复合材料 玻璃钢 具有力学性能优异 隔热 隔声性能良好 吸水率低 耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点 因此 它是一种理想的建筑材料 6 在机械工业
