复合材料的历史发展应用

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1、 复合材料概论 教材与参考书 1 王荣国 武卫莉 谷万里编 复合材料概论 哈尔滨工业大学出版社 1999年 2 陈华辉 邓海金 李明等编 现代复合材料 中国物资出版社 1998年 3 黄家康 岳红军 董永祺编 复合材料成型技术 化学工业出版社 1999年 4 期刊 AdvancedMaterials ChemicalMaterials Composites 第一章总论 1 1复合材料发展概况1 2复合材料命名与分类1 3复合材料的基本性能1 4复合材料结构设计基础 万里长城 用整齐的条石 块石和大城砖包砌城墙 胶结材料用的是 糯米石灰浆 石柜 距今400年前的木乃伊 发现于南充市 糯米石灰浆

2、埃及金字塔是如何建造的 2000年 法国的约瑟 大卫杜维斯根据化验结果得出结论 金字塔上的石头是用石灰和贝壳经人工浇筑混凝而成的 现代考古研究证实人类早在数千年前就知道如何制作混凝土 混合物凝固硬结好 它和天然石头的差别难以分辨 石头中发现了一缕约1英寸长的人发 曹操修建铜雀台 建安十五年 曹操击败袁绍及其三子 并北征乌桓 平定北方 于是在邺建都 于漳河畔大兴土木修建铜雀台 高十丈 分三台 包括随后修建的金凤台和冰井台 各相距六十步远 中间各架飞桥相连 铜雀台建成后曹操召集文武在台前举行比武大会 又命自己的几个儿子登台作赋 其中曹植下笔成章 作 铜雀台赋 铜雀台是如何构筑的 古代的复合材料 糯

3、米石灰浆铜雀台的核桃油浸地砖草秸增强泥巴筑墙古代的灰油 桐油 石灰 近代复合材料 混凝土 现代复合材料 玻璃钢制品 玻璃钢制品 现代复合材料的发展 1 1932年树脂基复合材料在美国诞生 1944年以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机试飞成功 1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁 尺寸 形状准确的复合材料模压件 1961年片状模塑料 SMC 问世 该技术可制出大幅面表面光洁 尺寸稳定的制品 如汽车 船的壳体以及卫生洁具等 60年代中期利用拉挤成型工艺实现复合材料制品的连续化生产 能生产棒状 管 箱形 槽形 工字形等复杂截面的型材 现代复合材料的发展 2 70年代树脂反应注射成型 R

4、IM 和增强树脂反应注射成型 RRIM 技术研究成功 使产品两面光洁 现已大量用于卫生洁具和汽车零件的生产 1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模塑料成型技术 改变了热固性基体复合材料生产周期长 废料不能回收问题 80年代发展离心浇铸成型法 曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆 大口径受外压的管道等 新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展 现代复合材料的发展 中国 我国树脂基复合材料始于1958年 当时以手糊工艺研制了树脂基复合材料渔船 以层压和卷制工艺研制成功树脂基复合材料板 管和火箭筒等 1971年以前我国的树脂基复合材料工业主要是军工产品 70年代后开始转向民用

5、2007年 我国热固性复合材料 FRSP 产量为180万吨 先进复合材料 AdvancedCompositeMaterials ACM 以碳纤维 碳化硅纤维 氧化铝纤维 硼纤维 芳纶纤维 高密度聚乙烯纤维等高性能纤维作为增强材料 并使用高性能树脂 金属及陶瓷为基体的复合材料 先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能 是用于飞机 火箭 卫星 飞船等航空航天飞行器的理想材料 碳 碳复合材料飞机刹车片 曾获国家技术发明一等奖的 高性能碳 碳航空制动材料的制备技术 黄伯云院士课题组 处于该领域国际领先水平 小型商用飞机 全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机 里尔芳2100号 并成功试飞 这架飞

6、机仅重 结构小巧 重量轻 576Kg 大型商用飞机 波音767客机 使用先进复合材料作为主承力结构 使用碳纤维 有机纤维 玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维复合材料制造机翼前缘 压力容器 引擎罩等构件 不仅使飞机结构重量减轻 还提高了飞机的各种飞行性能 国产支线飞机ARJ 700 所用复合材料主要从美国进口 大飞机与复合材料 复合材料占 复合材料占 除机翼 尾翼前缘 发动机挂架外 几乎看不到金属 可提高燃油效率 该机为世界上第一个采用复合材料机翼和机身的大型客机 国产大飞机 复合材料至少占 复合材料具有高强度 高刚性 良好的抗疲劳性 抗腐蚀性等一系列优点 在飞机上采用复合材料意味着可以显著减轻飞

7、机的结构重量 提高飞机的性能 航天飞机与复合材料 发现号 阿特兰蒂斯号 奋进号 航天飞机的三大件 发现号航天飞机的组成 轨道行行器 最具代表性部分 长37 24m 高17 27m 翼展29 79m 前段 航天员座舱 分三层 上 中层可容纳8人 供航天员工作和休息 下层为底舱 设置冷气管道 风扇 水泵 油泵和存放废弃物等 后段 垂直尾翼 三台主发动机和两台轨道机动发动机 主发动机在起飞时工作 每台产生1668千牛的推力 轨道器中 后段外两侧是机翼 轨道器的头锥部和尾部 有用于轻微轨道调整的小发动机 共44台 外挂燃料箱 长46 2m 直径8 25m 能装700多吨液氢液氧推进剂 固体火箭助推器

8、两枚 在外贮箱两侧 长45m 直径约3 6m 每枚可产生15682千牛的推力 承担航天飞机起飞时80 的推力 航天飞机使用的先进复合材料 主货舱门 碳纤维 环氧树脂制作 压力容器 Kevlar纤维 环氧树脂 主机身隔框和翼梁 硼 铝复合材料 发动机喷管和喉衬 碳 碳复合材料 防热瓦片 耐高温陶瓷基复合材料 发动机组的传力架 硼 钛合金复合材料 复合材料 CompositeMaterials CM ISO的定义 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料 复合材料的组成 通常有一相为连续相 称为基体 如混凝土中的水泥凝胶 另一相为分散相 称为增强材料 如混凝土中

9、的砂石 分散相以独立形态分布在整个连续相中 两相之间存在相界面 界面相 分散相包括增强纤维 颗粒状或弥散填料 第一章总论 1 1复合材料发展概况1 2复合材料命名与分类1 3复合材料的基本性能1 4复合材料结构设计基础 复合材料的命名 玻璃纤维环氧树脂复合材料或玻璃 环氧复合材料石墨 铝复合材料 Gr Al 碳 二氧化硅复合材料碳 碳复合材料 复合材料的分类 1 按增强纤维种类分类 1 玻璃纤维复合材料 2 碳纤维复合材料 3 有机纤维 芳香族聚酰胺纤维 芳香族聚酯纤维 高强度聚烯烃纤维等 复合材料 4 金属纤维 如钨丝 不锈钢丝等 复合材料 5 陶瓷纤维 如氧化铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维等

10、复合材料 6 混杂纤维复合材料 复合材料的分类 2 按增强材料形态分类1 连续纤维复合材料 作为分散相的纤维 每根纤维的两个端点都位于复合材料的边界处 例 2 短纤维复合材料 短纤维无规则地分散在基体材料中 3 粒状填料复合材料 微小颗粒状增强材料分散在基体材料中 4 编织复合材料 以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成 复合材料的分类 3 按基体材料分类聚合物基复合材料 以有机聚合物为基体的复合材料 如热固性和热塑性聚合物基复合材料 2 金属基复合材料 以金属为基体的复合材料 如铝基复合材料 钛基复合材料等 3 陶瓷基复合材料 以无机非金属材料 包括玻璃和水泥 为基体的复合材

11、料 第一章总论 1 1复合材料发展概况1 2复合材料命名与分类1 3复合材料的基本性能1 4复合材料结构设计基础 复合材料的基本性能 复合材料的共同特点 性能的可设计性 例如 针对方向性材料强度的设计 针对某种介质耐腐蚀性能的设计等 综合发挥各种组成材料的优点 使一种材料具有多种性能 例如 玻璃 环氧复合材料 既具有类似钢材的强度 又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能 可制成所需任意形状的产品 可避免多次加工 例如 可避免金属产品的铸模 切削 磨光等工序 高分子材料的力学性能 力学性能的基本指标高弹性能粘弹性聚合物的力学屈服聚合物的力学强度摩擦与磨耗疲劳强度 力学性能的基本指标 应力和应变 应变受

12、到外力作用而又不产生惯性移动时 材料的几何形状和尺寸发生的变化应力定义为单位面积上的内力 内力是材料宏观变形时 其内部分子及原子间发生相对位移 产生分子间及原子间对抗外力的附加内力 材料的受力方式简单拉伸 张应变e l l0 习用应力s F A0 简单剪切 材料受到与截面相平行 大小相等 方向相反且不在同一直线上的两个力F作用时 发生简单剪切 g l l0 tanq ss F A0均匀压缩 gv V V0 力学性能的基本指标 弹性模量 弹性模量 模量 单位应变所需应力的大小 是材料刚性的表征 三种形变对应三种模量拉伸模量 杨氏模量 E s e剪切模量 G ss g体积模量 本体模量 B P g

13、v三种模量间的关系 E 2G 1 n 3B 1 2n n是泊松比 拉伸形变中横向应变与纵向应变的比值 力学性能的基本指标 硬度与强度 硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的一种指标 硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关 有时用硬度作为抗张强度和弹性模量的一种近似估值 强度抗张强度 拉伸强度 试样断裂前所承受的最大载荷与其截面积之比抗弯强度 挠曲强度 st 1 5Pl0 bd2抗冲击强度 冲击强度 衡量材料韧性的指标 指试样受冲击载荷破裂时单位面积所吸收的能量 si W bd 聚合物基复合材料的主要性能 1 表1 1各种材料的比强度和比模量 聚合物基复合材料的主要性能 2 比强度 比模量大碳纤维

14、硼纤维 有机纤维增强的聚合物基复合材料的比强度相当于钛合金的3 5倍 它们的比模量相当于金属的4倍 耐疲劳性能好金属材料的疲劳破坏常常是突发性的 而聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能阻止材料受力所致裂纹的扩展 其疲劳破坏有明显的预兆 大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度的40 50 而碳纤维 聚酯复合材料的疲劳强度极限可达其抗张强度的70 80 聚合物基复合材料的主要性能 3 减震性好相同形状受力结构的自振频率与结构材料比模量的平方根成正比 复合材料比模量高 具有高的自振颜率 同时 复合材料界面具有吸振能力 使材料的振动阻尼很高 试验表明 同样大小的振动 轻合金梁需9s停止 而碳纤维复合

15、材料梁只需2 5s就会停止 过载时安全性好复合材料中有大量增强纤维 当材料过载而有少数纤维断裂时 载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上 使整个构件在短期内不致于失去承载能力 聚合物基复合材料的主要性能 4 多功能性 耐烧烛性好 聚合物基复合材料可以制成具有较高比热 熔融热和气化热的材料 以吸收高温烧蚀时的大量热能 有良好的摩擦性能 高度的电绝缘性能 优良的耐腐蚀性能 有特殊的光学 电学 磁学特性 有很好的加工工艺性复合材料可采用手糊成型 模压成型 缠绕成型 注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品 但耐高温性能 耐老化性能及材料强度一致性等有待进一步提高 金属基复合材料的主要性能 1 金属

16、基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性 含量 分布等 通过优化组合可以获得既具有金属特性 又具有高比强度 高比模量 耐热 耐磨等综合性能的复合材料 高比强度 高比模量 金属基复合材料的主要性能 2 良好的导热 导电性能良好的导热性可以迅速散热 良好的导电性还可以防止飞行器构件产生静电聚集 己研制成功的超高模量石墨纤维 金刚石纤维增强铝基 铜基复合材料的导热率比纯铝 钢还高 可用于制造集成电路底板和封装件 热膨胀系数小 尺寸稳定性好碳纤维 碳化硅纤维 晶须 硼纤维等增强物均具有很小甚至负的热膨胀系数 例如 石墨纤维增强镁基复合材料 当石墨纤维含量达到48 时 复合材料的热膨胀系数为零 即在温度变化时零件不发生热变形 这对人造卫星构件特别重要 金属基复合材料的主要性能 3 金属基复合材料的主要性能 4 良好的高温性能纤维强度在高温下基本不下降 纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属熔点 比金属基体的高温性能高许多 如石墨纤维增强铝基复合材料在5000C高温仍有600MPa的强度 而铝基体在3000C强度已降到100MPa以下 耐磨性好陶瓷纤维 晶须 颗粒增强金属