复合材料河海水工艺课件1_精品文档PPT资料.ppt

1、2.车剑飞等编，复合材料及其工程应用，机械工业出版社，2006；3.周曦亚编，复合材料，化学工业出版社，2005；4.冯端著，材料科学导论，科学出版社，1999；5.精品课程新材料概论网址：http:/,1.4 复合材料,引言：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,玻璃钢撑杆,1.4 复合材料发展过程：古代近代先进复合材料天然复合材料 竹、贝壳，树木和竹子：纤维素和木质素的复合体 动物骨骼：无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成 人类：使用、效仿 半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今 漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年 敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆，近代，复合

2、材料的发展始于20世纪40年代，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。50年代得到了迅速发展。我国从1958年开始发展复合材料,首先在航空航天技术和军事上应用 如导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，同时，复合材料也成为发展高技术的关键材料。另外，还广泛应用于汽车工业、化工、纺织、精密仪器、造船、建筑、电子、桥梁、医疗、建筑、体育运动器材等领域。例：波音757的机翼和机身复合材料整流包皮、直升飞机中能量吸收结构部件等。F117隐性飞机全复合材料 体育器材金牌有科学家的一半各国在发展高技术计划中对先进复合材料都给予优先考虑为增强我国综合国力，我国已把先进复

3、合材料作为发展高技术领域的关键新材料，被列位国家高技术研究发展计划纲要重要内容。,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,国家技术发明一等奖（2004年）,“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”,黄伯云研制的飞机刹车片,复合材料在航天领域中的应用,复合材料在航空领域的应用,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

4、,（3）地板梁和后承压框,（4）固定机翼前缘,（5）机翼后缘处的襟翼,副翼,（6）机身蒙皮壁板,第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料第二代：1960年到1980年，先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环氧树脂复合材料”用于飞机、火箭的主承力件上。第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料 以铝基复合材料的应用最为广泛。第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，如智能复合材料和梯度功能材料等。,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

5、体育用品中的应用,复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合材料。仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40。仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料，中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。,返回目录,1.4.1复合材料的定义（P39）：课本上定义：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材料 材料科学技术百科

6、全书：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。材料大词典：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。复合材料的特点之一是不仅保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的新性能；特点之二是它的可设计性，通过对原材料的选择、各组分分布的设计和工艺条件的保证等，使原组分材料的优点互相补充，同时利

7、用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。,对各种定义解释总结，复合材料应包括：组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，至少包括两种物理和力学性能不同的独立组元，其中一组元的体积分数一般不低于20，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；复合材料是人工制造的，而非天然形成的。复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。,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,复合材料三个必要条件,1,2,3,1.4.2复合材料应具备以下三

8、个特点（P39）：1）它可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们的优点；2）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。3）它可造成单一材料不易具备的性能和功能，或在同一时间里发挥不同功能的作用（复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能）,1.4.3复合材料分类（P3940）复合材料的结构通常是为多相或多组成体系，全部相可分为两类，一类为基体相，主要起胶黏剂作用；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，提高强度和韧性，故

9、常称为增强相（增强体、增强剂、增强材料等）。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体相和增强体之间存在着界面。,返回目录,表3.1 复合材料系统组合,总的分为两大类：结构复合材料：用于制造受力构件；功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）。,复合材料的分类方法一按增强相的性质和形态分类（P40）1、纤维复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；b.非连续纤维复合材料：短切纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；2、细粒复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3

10、、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。4、其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体,图3-2-3 复合材料结构示意图a）层叠复合 b）连续纤维复合 c）细粒复合 d）短切纤维复合,复合材料的分类方法二,按基体相类型分类,复合材料,金属基复合材料（如铝基、铜基、镁基和钛基等）,木基复合材料,有机材料基复合材料,无机非金属基复合材料,聚合物基复合材料,陶瓷基复合材料,混凝土基复合材料,碳基复合材料,热塑性树脂基,热固性树脂基,复合材料分类,基体相,陶瓷,聚合物,金属,增强相,颗粒,纤维,按照基体相分类,按照增强相分类,1.4.4 纤维复合材料第一大类、纤

11、维 如植物纤维（棉花、麻类）、动物纤维（丝、毛）和矿物纤维（石棉）。天然纤维强度较低，现代复合材料的增强材料用合成纤维，分为有机纤维和无机纤维。,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。,纤维复合材料分类 玻璃纤维复合材料（P40）；碳纤维复合材料（P41）；陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料（P42）；金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材（P43）；有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料（课本上没有，补充内容）。,SiC 晶粒,Al2

12、O3 纤维,Al2O3板状,纤维复合材料,1）有机纤维主要有芳香族酰胺纤维、聚乙烯纤维和尼龙纤维 芳香族酰胺纤维（Aromatic Polymide Fibre,Kevlar,KF）Kevlar纤维具有高强度、高模量和韧性好等特点。密度较低，而比强度极高，超过玻璃纤维、碳纤维和硼纤维，比模量与碳纤维相近，超过玻璃、钢、铝等。由于韧性好，它不象碳纤维、硼纤维那样脆，因而便于纺织。常用于和碳纤维混杂，提高纤维复合材料的耐冲击性。Kevlar纤维属于自熄性材料。,聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）聚乙烯纤维是目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。通常聚乙烯纤维的分子量

13、大于106，纤维的拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为116GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。在纤维材料中，聚乙烯纤维具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。其不足之处是熔点较低（约135）和高温容易蠕变。因此仅能在100以下使用，可用于制做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。,2）无机纤维 玻璃纤维（Glass Fibre,GF或Gt）玻璃纤维是由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。由于它质地柔软，因此可以纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。价格便宜，品种多，适于编织各种玻璃布，作为增强材料广泛用于航

14、空航天、建筑领域及日常用品。缺点是不耐磨，易折断，易受机械损伤，长期放置强度下降。,玻璃纤维的种类很多，按用途可分为：高强度纤维、低介电纤维、耐化学药品纤维、耐电腐蚀纤维、耐碱纤维；按化学成分可分为：有碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维；按单丝直径可分为：粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维。玻璃纤维的伸长率和热膨胀系数小，除氢氟酸和热浓强碱外，能耐许多介质的腐蚀。玻璃纤维不燃烧，耐高温性能较好，适用于较高温度下使用。,玻璃纤维,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。,玻璃纤维（即玻璃钢）,玻璃钢分为两类（P4041）：1、热塑性玻璃钢：以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树脂为胶黏剂制成的复合材料。2、热固性玻璃钢：以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为胶黏剂制成的复合材料。,玻璃纤维小结,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。,玻璃纤维的特点：,碳纤维（Carbon Fibre,CF或Cf）纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量