湖大材料工程基础课件第十章-复合材料制备工艺.ppt

1、第第第第 1010 章 复合材料制备工艺章 复合材料制备工艺章 复合材料制备工艺章 复合材料制备工艺221016材料工程基础复合材料制备工艺2材料科学与工程学院 1010.1.1 概述概述概述概述n金属材料：金属材料：金属材料：金属材料：力学性能和可加工性好力学性能和可加工性好力学性能和可加工性好力学性能和可加工性好 多数不耐很高的温度多数不耐很高的温度多数不耐很高的温度多数不耐很高的温度 耐磨和耐蚀性差耐磨和耐蚀性差耐磨和耐蚀性差耐磨和耐蚀性差 陶瓷材料：陶瓷材料：陶瓷材料：陶瓷材料：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好强度高、耐热、耐磨、耐蚀

2、性好 很脆，加工性能差很脆，加工性能差很脆，加工性能差很脆，加工性能差 高聚物材料：高聚物材料：高聚物材料：高聚物材料：密度很低、韧性好密度很低、韧性好密度很低、韧性好密度很低、韧性好 强度、刚度、耐热性有限强度、刚度、耐热性有限强度、刚度、耐热性有限强度、刚度、耐热性有限221016材料工程基础复合材料制备工艺3材料科学与工程学院n早期人类用茅草与泥浆混合作为建筑材料、在战早期人类用茅草与泥浆混合作为建筑材料、在战早期人类用茅草与泥浆混合作为建筑材料、在战早期人类用茅草与泥浆混合作为建筑材料、在战国时期的越王剑和吴王矛是金属包层复合材料、国时期的越王剑和吴王矛是金属包层复合材料、国时期的越王

3、剑和吴王矛是金属包层复合材料、国时期的越王剑和吴王矛是金属包层复合材料、三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增强聚合物基复合材料强聚合物基复合材料强聚合物基复合材料强聚合物基复合材料。221016材料工程基础复合材料制备工艺4材料科学与工程学院1 1、定义、定义、定义、定义：由两种以上在物理和化学上不同的物质组：由两种以上在物理和化学上不同的物质组：由两种以上在物理和化学上不同的物质组：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体合起来而得到的一种

4、多相固体合起来而得到的一种多相固体合起来而得到的一种多相固体2 2、组成、组成、组成、组成：基体连续相：基体连续相：基体连续相：基体连续相(延性、韧性好延性、韧性好延性、韧性好延性、韧性好)增强增强增强增强/强化相分散相强化相分散相强化相分散相强化相分散相(强强强强度高、密度小度高、密度小度高、密度小度高、密度小)3 3、特点、特点、特点、特点与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：与传统金属材料相比，复合材料存在以下特点：（1 1）密度低、比强度、比模量高）密度低、比强度、比模量高）密度低、比强度、比模量高

5、）密度低、比强度、比模量高（2 2）疲劳强度高）疲劳强度高）疲劳强度高）疲劳强度高（3 3）热膨胀系数小）热膨胀系数小）热膨胀系数小）热膨胀系数小（4 4）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等）耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀等221016材料工程基础复合材料制备工艺5材料科学与工程学院 1010.2 2 增强材料增强材料增强材料增强材料 221016材料工程基础复合材料制备工艺6材料科学与工程学院n选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：选择增强材料的原则：1)1)增强材料的强度、模量和密度；增强材料的强度、模量和密度；增强材料的强度

6、、模量和密度；增强材料的强度、模量和密度；2)2)增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体材料的相容性；增强材料与基体材料的相容性；4)4)性能性能性能性能/价格比。价格比。价格比。价格比。n晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵晶须和纤维：高强度、价格昂贵 颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨颗粒增强材料：价廉、耐磨221016材料工程基础复合材料制备工艺7材料科学与工程学院n1 1、纤维增强材料纤维增强材料纤维增强材料纤维增强材料 主要有玻璃主要有玻璃主要有玻璃主要有玻璃 、芳纶

7、、芳纶、芳纶、芳纶 (Kevlar Kevlar)、尼龙、尼龙、尼龙、尼龙 、聚乙烯、聚乙烯、聚乙烯、聚乙烯(Spectra)(Spectra)、碳、碳、碳、碳 、硼、硼、硼、硼 、碳化硅、碳化硅、碳化硅、碳化硅(Nicalon)(Nicalon)、氧、氧、氧、氧化铝化铝化铝化铝 以及金属以及金属以及金属以及金属 （如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。（如钨、钼、不锈钢丝等）。玻璃纤维 碳纤维 玻璃纤维 碳纤维 玻璃纤维 碳纤维 玻璃纤维 碳纤维 221016材料工程基础复合材料制备工艺8材料科学与工程学院碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型

8、碳纤维的结构模型 a-a-普通型普通型普通型普通型；b-b-高强度型；高强度型；高强度型；高强度型；c-c-高弹性模量型高弹性模量型高弹性模量型高弹性模量型一般碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整，一般碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整，一般碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整，一般碳纤维由乱层结构石墨微晶所组成，石墨的网平面不完整，沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；沿纤维轴向排列也不整齐，强度和模量不够高；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；

9、高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高强度碳纤维网平面完整性提高，沿轴向排列也趋于整齐；高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。高模量纤维则网平面更完整，沿轴向排列更整齐。221016材料工程基础复合材料制备工艺9材料科学与工程学院n2 2、晶须晶须晶须晶须 目前已研发出上百种晶须，在复合材料中应用的主目前已研发出上百种晶须，在复合材料中应用的主目前已研发出上百种晶须，在复合材料中应用的主目前已研发出上百种晶须，在复合材料中应用的主要是

10、碳化硅要是碳化硅要是碳化硅要是碳化硅 、氧化铝、氧化铝、氧化铝、氧化铝 、氮化硅、氮化硅、氮化硅、氮化硅 等等等等陶瓷晶陶瓷晶陶瓷晶陶瓷晶须。须。须。须。-碳化硅晶须 碳化硅晶须 碳化硅晶须 碳化硅晶须 NbCNbC 晶须晶须晶须晶须221016材料工程基础复合材料制备工艺10材料科学与工程学院a)a)多角状多角状多角状多角状 SiCSiC 颗粒颗粒颗粒颗粒 b)b)等离子喷射熔融法制备的等离子喷射熔融法制备的等离子喷射熔融法制备的等离子喷射熔融法制备的 AlAl2 2OO3 3颗粒颗粒颗粒颗粒c)c)溶胶凝胶法制备的溶胶凝胶法制备的溶胶凝胶法制备的溶胶凝胶法制备的 AlAl2 2OO3 3颗

11、粒 颗粒 颗粒 颗粒 d)-Ald)-Al2 2OO3 3片晶 片晶 片晶 片晶 3 3、颗粒增强材料、颗粒增强材料、颗粒增强材料、颗粒增强材料碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨等颗粒。221016材料工程基础复合材料制备工艺11材料科学与工程学院 纤维增强复合材料的复合原则纤维增强复合材料的复合原则 材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。（1）纤维是材料的主要承载组成，因此

12、应该具有最高的强纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强度和刚度度和刚度。弹性模量弹性模量 E 愈高，在同样应变量下，按照虎克定律愈高，在同样应变量下，按照虎克定律，所承受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能，所承受的应力愈大，工作中能承受的载荷愈大，更能充分发挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，充分发挥对材料的增强作用。此外，刚度高，比重小，热稳定性高也是保证结构稳定性所必要的。热稳定性高也是保证结构稳定性所必要的。（2）基体起粘结纤维的作用基体起粘结纤维的作用，因此必须：，因此必须：对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结力对纤维有润湿性，以便在界面上有必要的粘结力，而将纤

13、维粘结为一个整体；，而将纤维粘结为一个整体；具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作具有一定的塑性和韧性，对裂纹起致偏和控制作用；用；能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维能保护纤维表面，不引入裂纹，不发生损伤纤维表面的反应。表面的反应。221016材料工程基础复合材料制备工艺12材料科学与工程学院（3）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重结合强度高，不仅直接有利于整个材料的强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥纤维的增强作用

14、。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤纤维的增强作用。结合强度过低，界面很难传递载荷，纤维无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复维无法增强，整体强度下降。结合强度过高也不利，使复合材料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料合材料断裂时失去纤维从基体拔出的过程，降低复合材料的强度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。的强度，在载荷过大时可能导致危险的脆性断裂。（4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热通常要求两者的热膨胀系数相近，如果纤维和基体热膨胀系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中

15、产生应力膨胀系数相差过大，则有可能在热胀冷缩过程中产生应力，削弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。，削弱两者之间的结合强度，从而降低材料的整体强度。但对于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些但对于韧性较低的基体，纤维的热膨胀系数可以略高一些，以便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于，以便在受热后的冷却过程中，由于收缩较大使基体处于受压状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基受压状态，而获得一定的保护。相反，对于塑性较好的基体，纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残体，纤维的热膨胀系数则可稍小一些，以便在其中造成残余压应力，增进韧性。余压应力，增进韧性。2

16、21016材料工程基础复合材料制备工艺13材料科学与工程学院（5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积一般来说，体积含量愈高，增强效果愈大，但体积含量过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在含量过高，增强效果又会下降。比较合适的纤维含量在4070%范围内。范围内。纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表纤维越细，则缺陷越少，强度越高；同时细纤维的表面积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，面积较大，有利于增加与基体的结合力，即直径越小，纤维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维纤维增强效果越大。纤维的长度对增强有利，连续纤维比短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定比短纤维的增强效果大得多。短切纤维只有在超过一定的临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角的临界值时，才能有明显的强化效果。从加工性能的角度考虑，短纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采度考虑，短纤维易于与基体混合，因此实际生产中常采用长径比大于某一临界值的不连续纤维。用长径比大于某一临界值的不连续纤维。纤维的分布方式