-复合材料

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1、第十章复 合 材 料 （Composite Materials）,无处不在的复合材料,土房-草增强泥基复合材料,钢筋混凝土建筑框架,复合材料在航天领域中的应用,主货舱门- 碳纤维/环氧树脂 压力容器- 凯芙拉纤维/环氧树脂 主机隔框和翼梁- 硼/铝复合材料,“哥伦比亚号” 航天飞机,发动机的喷管- 碳/碳复合材料 发动机组传力架- 钛基复合材料 机身防热瓦- 陶瓷基复合材料,法国 “空中客车” 公司生产的A380双层四引擎大型客机，最大可载客量650人,复合材料使A380减重15吨,(1) 机翼,(2) 垂直尾翼和水平尾翼,(3) 地板梁和后承压框,(4) 固定机翼前缘,(5) 机翼后缘处的襟

2、翼,副翼,(6) 机身蒙皮壁板,复合材料在化工领域中的应用,复合材料在日常生活中的应用,复合材料在体育用品中的应用,轻质、高强、高弹性、较低成本、低密度及屈服强度,Pole-vaulting,1、定义： ISO定义为是：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。 复合材料应满足下面三个条件： （1）组元含量大于 5 %； （2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能； （3）通过各种方法混合而成。,一、概 述,必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成,必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料,通过各组分性能的互补可获得单一材料不能达到的综合性能,1,2,3,复合

3、材料,性能,预测,基体材料的类型,增强体材料的化学组成,金属 C,陶瓷 SiO2,合成树脂 SiO2 Al2O3 MgO,合成树脂 C,耐酸碱，化学稳定性好，强度高，密度小，韧性好,强度高，抗冲击，绝缘性好，耐热温度低物300,耐高温，强度高，导电性好，导热性好,耐1600以上的高温，强度高，密度小,2、基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 通常将复合材料中连续分布的组分称为基体，将分布于基体上的增强物称为增强体，两者之间的结合面称为界面。 复合材料的性能取决于： （1）基体和增强体的性能； （2）增强体的含量、分布、形态及尺寸大小； （3）基体和增强体的界面结合强度。,通常根据

4、基体的类型，将复合材料分成三大类： （1）聚合物基复合材料； （2）金属基复合材料； （3）陶瓷基复合材料。,二、复合材料的分类,按增强剂分类 （1）颗粒增强复合材料 （2）纤维增强复合材料 （3）层状增强复合材料,SiC 晶粒,Al2O3 纤维,Al2O3板状,1、高比强度、高比模量（刚度）： 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。,三、复合材料的基本性能,2、良好的高温性能： 目前： 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能， 其使用温度在350 1100 C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使

5、用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。,3、良好的尺寸稳定性： 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度 和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变 复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀 系数。 4、良好的化学稳定性： 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。 5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性： 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 6、良好的功能性能,1、复合材料界面 复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。 复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。,1、外力场

6、 2、基体 3、基体表面区 4、相互渗透区 5、增强剂表面区 6、增强剂,四、复合材料的界面,2、界面效应 界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳 为以下几种效应： （1）传递效应 （2）阻断效应 （3）不连续效应 （4）散射和吸收效应 （5）诱导效应 界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。,3、界面的结合状态和强度 界面的结合状态和强度对复合材料的性能有重要影响。对于每一种复合材料都要求有合适的界面结合强度。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；即这时的复合材料具有最大断裂能和一定的韧性。, 界面浸润理论 如液体表面张力小于

7、固体表面自由能，则该液体能很好浸润固体表面。液固体表面接触角 为：,式中, LV、SV、SL分别为液气、固气、固液的表面能.当 = 0时，完全浸润， = 180时，完全不浸润。,五、复合材料的界面理论,对纤维的表面处理可提高浸润能力，如碳纤维经等离子体处理后，被浸润速度和浸润量均显著增加。润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。,碳纤维/聚合物的浸润角,2、机械作用理论： 当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。,3、静电理论： 当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。 仅在原子尺度量级内静电作用力才有效 。,4、化学键理论： 如果能在复合材料的基体与纤维间形成

8、化学键，则结合最为牢固。偶联剂可起到这种作用,因而又称偶联理论。 偶联剂既有能与增强剂起化学反应的官能团，又有能与基体起化学反应的官能团，在界面上可形成共价键，把两种性能差异很大的材料牢固结合起来.,5、界面反应或界面扩散理论 在复合材料组分之间发生原子或分子间的扩散或反应，从而形成反应结合或扩散结合。,1、复合材料增强机制 （ 1） 颗粒增强复合材料增强机制 基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒起着阻 碍基体位错运动的作用，从而降低了位错的移动 性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒前受 阻，发生应力钝化或扩展路径发生偏转，同样可 以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。,六、复合材料的复合理论,颗

9、粒增强复合材料的屈服强度可有下式表示：,式中： y 复合材料屈服强度；Gm 基体的切变模量； b 为柏氏矢量； d 颗粒直径；C 常数 VP 颗粒体积分数； Gp 颗粒的切变模量。,（2）纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制 基体通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶 须、纤维等），不是主承力相。 纤维承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。,短纤维增强复合材料的拉伸强度可由下式表示：,式中：m* 与纤维的屈服应变同时发生的基体应力； fF 纤维的平均拉伸应力； Vf 纤维的体积分数； l 纤维的长度； lc 最大拉应力等于纤维断裂强度时纤维的强度， 纤维的临界长度，。,分析上式可得： （1）

10、l / lc愈大，复合材料的拉伸强度愈大。 当l / lc10时， 增强效果可达到连续纤维的95%。 （2）引入纤维直径d ， （l /d ）c 为纤维临界长径比 ， 当（l /d ）c 10 时， 复合材料可获得理想的增强效果。,2、复合材料的复合法则混合定律 当复合材料满足以下条件: (连续纤维增强） A、复合材料宏观上是均质的，不存在内应力； B、各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料； C、各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。,复合材料性能同组分之间的关系 Xc = Xm Vm + XfVf 或 Xc = XfVf + Xm（1 - Vf） 式中： X：材料的性能，如强度、弹性

11、模量、密度等 V：材料的体积百分比； 下脚标 c、m、f 分别代表复合材料、基体和纤维。,弹性模量及强度 连续纤维单向增强复合材料受单向拉伸时(外力方向与纤维轴向相同)，纤维(f)、基体(m)及其复合材料(c)的拉伸应力-应变曲线如图所示。当纤维和基体处于弹性范围内(区)时(即0mr, mr为基体屈服点处应变量), 此时c= f = m，则c、Ec由简单混合律决定：,式中：E 、 分别表示弹性模量、强度和应变；角标c、f、m分别表示复合材料、纤维和基体。,七 增强材料,在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质均称为增强材料。 纤维在复合材料中起增强作用，是主要的承力组分，还能减少收缩，提

12、高热变形温度和低温冲击强度。 复合材料的性能很大程度上取决于增强材料的性能、含量及处理方法。,1、玻璃纤维,是由熔融的玻璃经快速拉伸、冷却所形成的纤维。其主要成分是SiO2和Al2O3。它是增强纤维中应用最早、用量最大、价格最便宜的一种.主要用于玻璃钢增强材料。,质地柔软，可以织成玻璃布，玻璃带。 玻璃纤维增强复合材料的机械强度、物理性能、电性能及化学性能与玻璃的成分，直径细度有直接关系。,特点：,玻璃纤维生产流程图,将熔化的玻璃以极快的速度抽拉成细微的丝，即成为玻璃纤维。 细度在3.821.6m, 脆性与直径的四次方成正比。,2、硼纤维 优点是耐高温、强度高、弹性模量远高于玻璃纤维。 缺点是

13、价格昂贵，高温下强度下降。,硼纤维在航空航天领域的应用效益 航天飞机的机身衍架用硼铝复合材料管材制造，取得减重2066的效果。 航天飞机货仓间隔支柱，可减重44。 美国P&W公司在JT8D发动机上用硼铝复合材料取代钛合金，可减重10。,用化学沉积法将无定形硼沉积在W丝或碳纤维上制成. 为防止高温氧化分解，可在硼纤维表面涂覆一层SiC。,CVD法制备硼纤维示意图,3、无机类晶须 晶须：截面积小于5.210-42，长径比在101000单晶体。 晶体结构完整、内部缺陷较少，其强度和模量均接近完整晶体材料的理论值，是目前发现的固体的最强形式。 陶瓷晶须一般用气相结晶法生产。目前生产的主要是SiC晶须，

14、其他还有氧化铝、碳化硼、氮化硅、氧化铍、石墨等晶须。陶瓷晶须的强度极高，密度低，弹性模量高，耐热性能好，主要用于宇航工业。,SiC晶须,4、碳纤维 碳纤维特点： 将有机纤维烧结后得到的一种含碳量在90以上的纤维。其质轻而强度高，具有良好的润滑及耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一。 不足之处是抗氧化能力差，怕打结。常在纤维表面渗入B、Ti、Mo、Cr以防止氧化，进行表面处理（氧化法、上胶法）以提高与基体的结合力。,八、聚合物基复合材料,聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。 （1）热固性聚合物:环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。 通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生交联化

15、学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子。,(2) 热塑性聚合物: 它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工而无化学变化。包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温 聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。,1、玻璃纤维复合材料 玻璃纤维增强热固性聚合物俗称玻璃钢，其质轻、比强度高、耐蚀、耐烧、耐热，广泛用于汽车、造船、石化、机械电器、军工等工业。 玻璃纤维增强热塑性材料的特点是：密度小，仅为钢,玻璃钢 夹砂管道,的1/5 1/6; 力学性能明显改善, 热性能大幅度提高。如玻璃纤维增强的尼龙-6，抗拉强度提高23倍, 使

16、用温度从120提高到170 180。,2、碳纤维增强聚合物复合材料 碳纤维增强环氧树脂是强度、刚度、耐热性均好的材料，比玻璃钢轻且耐蚀，缺点是造价高。主要用作火箭和人造卫星的结构材料，也是制造飞机的理想材料,如波音747的许多部件就是用这种材料制造的。 3、芳香族聚酰胺纤维增强塑料 芳纶纤维国外商品牌号有Kevlar-49、Kevlar-29、 Kevlar（B纤维）。Kevlar主要用于橡胶增强,制造轮胎、三角带等；Kevlar-29主要用于绳索、电缆、防弹背心等；Kevlar-49是用于航空、宇航、造船工业的材料。芳纶纤维与树脂基体相容性好，其组成的复合材料强度高，韧性好，减振性能是玻璃钢的45倍。,