复合材料-1-增强机理优质PPT.ppt

1、三个要点三个要点：（1）材料组元材料组元两种或以上不同组元两种或以上不同组元 （2）制备工艺制备工艺 （3）新型材料新型材料具有原组元所不具备的新性能具有原组元所不具备的新性能1、概述、概述增强相形状示意图复复合合材材料料颗粒增强颗粒增强层压复合材料层压复合材料纤维增强复合材料纤维增强复合材料长纤维长纤维增强增强短纤维短纤维增强增强定向排布定向排布混乱排布混乱排布取向性排布取向性排布1、概述、概述60006000年前人类就已年前人类就已经会用稻草加粘土经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。作为建筑复合材料。水泥复合材料已广水泥复合材料已广泛地应用于高楼大泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的厦和河堤大坝

2、等的建筑，发挥着极为建筑，发挥着极为重要的作用。重要的作用。燕子窝：泥土-草复合材料1、概述、概述1、概述、概述胶原纤维胶原纤维胶原纤维胶原纤维+磷酸钙磷酸钙磷酸钙磷酸钙l l胶原纤维：非常合理地向抵御外力的方向胶原纤维：非常合理地向抵御外力的方向取向取向取向取向l l磷酸钙：海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔磷酸钙：海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔1、概述、概述贵、腐蚀1、概述、概述复合材料的缺点：复合材料的缺点：*制备工艺复杂，材料性能受制备工艺影响制备工艺复杂，材料性能受制备工艺影响大，而且制备方法在材料之间常常不通大，而且制备方法在材料之间常常不通用；用；*当前复合材料的性能仍远远低于计

3、算值。当前复合材料的性能仍远远低于计算值。1、概述、概述物理相容性：物理相容性：（1 1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。（2 2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。不应在增强剂上形成高的局部应力。（3 3）基体与增强相热膨胀系数的差异基体与增强相热膨胀系数的差异基体与增强相热膨胀系数的差异基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界对复合材料的界面结合及各类性能产

4、生重要的影响。面结合及各类性能产生重要的影响。1、概述、概述卫星在轨道上飞行时，要经得起卫星在轨道上飞行时，要经得起太空环境剧烈的温度交变（白天太空环境剧烈的温度交变（白天100，夜间，夜间-100），以及阳），以及阳面与阴面的温度差。面与阴面的温度差。碳纤维复合材料的热膨胀系数小，碳纤维复合材料的热膨胀系数小，可满足这种环境的要求。可满足这种环境的要求。向阳面与背阳面温差向阳面与背阳面温差向阳面与背阳面温差向阳面与背阳面温差260260O OC C1、概述、概述化学相容性：化学相容性：对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比

5、表面能效应也最小。相化学势相等，比表面能效应也最小。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。1 1）相反应的自由能）相反应的自由能 F F：小小 2 2）化学势）化学势U U：相近相近 3 3）表面能）表面能T T：低低 4 4）晶界扩散系数）晶界扩散系数D D：小小2、复合材料增强体、复合材料增强体增强体的性能要求：增强体的性能要求：1）、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能，、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能，如高的如高的强度强度、高导、高导热性热性、耐热耐热性、性、导电导电性性2）、增强体应具有良好的化学稳定性。、增强体应具有良好的化学稳定性。3）、增强体与基体有良

6、好的润湿性，或通过表面处理能与基、增强体与基体有良好的润湿性，或通过表面处理能与基 体良好润湿性。体良好润湿性。增强体的分类增强体的分类纤维类增强体纤维类增强体碳纤维碳纤维颗粒类增强体颗粒类增强体晶须类增强体晶须类增强体金金 属属 丝丝氧化铝纤维氧化铝纤维碳化硅纤维碳化硅纤维硼纤维硼纤维碳化物碳化物氧化物氧化物氮化物氮化物硼化物硼化物碳化硅晶须碳化硅晶须氧化铝晶须氧化铝晶须 高强度钢丝高强度钢丝 铍丝铍丝 钨丝钨丝 不锈钢丝不锈钢丝玻璃纤维玻璃纤维有机纤维有机纤维从提高强度的角度来看A、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维卷A、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维绳玻璃纤维带玻璃纤维的制造方法有十几种，最主要的是

7、坩埚法和池窑法。玻璃纤维的制造方法有十几种，最主要的是坩埚法和池窑法。1）坩埚法坩埚法 将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约 12601260熔炼炉中熔融后拉丝而得。熔炼炉中熔融后拉丝而得。3-2弹珠：均匀性、气泡2）池窑法池窑法3-3池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节能能50%左右，生产稳定，适用于大规模生产。左右，生产稳定，适用于大规模生产。A、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃存在许多微小裂纹，裂纹的数量越多，对应材料的强度就会越低。玻璃玻璃存在许多微小裂纹，裂纹的数量越多，对应材料的强度就

8、会越低。玻璃纤维，直径达到微米级，如此小的直径，裂纹很少、也很难出现，材料的缺纤维，直径达到微米级，如此小的直径，裂纹很少、也很难出现，材料的缺陷少，对应强度就高。陷少，对应强度就高。影响玻璃纤维强度的因素：纤维直径和长度对拉伸强度的影响纤维直径和长度对拉伸强度的影响直径越细，拉伸强度越高。直径越细，拉伸强度越高。长度增加，拉伸强度显著下降。直径直径（m）性能性能457911拉伸强度拉伸强度（MPa）3000 38002400 29001750 21501250170010501250玻璃纤维长度玻璃纤维长度（mm）纤维直径纤维直径（m）平均拉伸强度平均拉伸强度（MPa）51315002012

9、.512109012.7360156013720 化学组成对拉伸强度的影响化学组成对拉伸强度的影响含碱量越高，强度越低。含碱量越高，强度越低。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。玻璃纤维玻璃纤维纤维直径纤维直径（m）拉伸强度拉伸强度（MPa）无碱无碱5.012000有碱有碱4.701600无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。玻璃骨架，使结构疏松

10、，从而达到助溶的目的。氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低腓尼基人生活在今天地中海东岸 Na2CO3NaHCO32H2O 有碱有碱GFGF：碱性氧化物（碱性氧化物（K2O，Na2O）含量大于）含量大于12无碱无碱GFGF：碱性氧化物含量小于碱性氧化物含量小于2:E-GFGFGF中碱中碱GFGF：碱性氧化物含量碱性氧化物含量612低碱低碱GFGF：碱性氧化物含量碱性氧化物含量 26注注意意：碱碱性性氧氧化化物物（助助熔熔氧氧化化物物）越越多多，玻玻璃璃纤纤维维的的熔熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮点越低，越容易制备

11、，但纤维的强度降低，易吸潮耐酸腐蚀价格便宜强度高，耐热性能好，电气性能好，在复合材料中应用多性能差，一般不用于增强材料 存放时间对强度的影响存放时间对强度的影响玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低纤维的老化。纤维的老化。原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀 施加负荷时间对强度的影响施加负荷时间对强度的影响玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低环境湿度较高时，尤其明显环境湿度较高时，尤其明显原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度

12、加速。微裂纹扩展速度加速。Na2CO3NaHCO32H2O B、碳纤维、碳纤维碳元素的各种同素异形体碳元素的各种同素异形体（金刚石、金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳石墨、非晶态的各种过渡态碳）。在。在隔绝空气的惰性气氛中隔绝空气的惰性气氛中（常压下常压下），元素碳在高温下不会熔融，元素碳在高温下不会熔融，但在但在3800K3800K以上的高温时不经液相，直接以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺升华，所以不能熔纺。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。溶液纺丝。B、碳纤维、碳纤维碳纤维（CF：Carbon Fiber），是由有机纤维经固相反应转变而成的纤

13、维状聚合物碳。含碳量95%左右的称为碳纤维；含碳量99%左右的称为石墨纤维。B、碳纤维、碳纤维碳纤维是在上世纪碳纤维是在上世纪50年代末期发展起来。年代末期发展起来。美苏军事竞赛最激烈的时期，特点是美苏军事竞赛最激烈的时期，特点是“太空竞赛太空竞赛”、“超常规武器超常规武器”。碳纤维的出现解决了很多尖端武器的技术难点：1.载人飞船的推力结构，用载人飞船的推力结构，用CF复材后使复材后使重心前移重心前移，解决了飞船的稳定性，解决了飞船的稳定性2.导弹稳定裙用导弹稳定裙用CF复材后使复材后使重心前移重心前移，解决了弹体的稳定性，提高了命中精度，解决了弹体的稳定性，提高了命中精度3.导弹的鼻锥采用导

14、弹的鼻锥采用C/C复合材料，烧蚀率低且均匀，提高了命中率。复合材料，烧蚀率低且均匀，提高了命中率。4.宇宙飞行器天线的最佳材料，耐温度骤变宇宙飞行器天线的最佳材料，耐温度骤变5.制造隐身武器的最佳材料制造隐身武器的最佳材料B、碳纤维、碳纤维B、碳纤维、碳纤维B、碳纤维、碳纤维碳纤维微观结构：乱层石墨结构碳纤维微观结构：乱层石墨结构1.碳的乱层石墨结构与石墨晶体有相似之处：两者的层平面部是由六元芳环组成。2.乱层石墨结构有杂原子和缺陷存在。3.乱层石墨结构的层与层之间碳原于没有规则的固定位置，缺乏三维有序。4.层间距（3.36-3.44）较石墨晶体大石墨投影碳纤维微观结构碳纤维微观结构碳单质一级

15、结构石墨片层微晶组成原纤维（直径50nm，长度数百纳米）二级结构三级结构石墨微晶（几个或几十个石墨片层）B、碳纤维、碳纤维1.密度低低2.力学性能高高3.断裂伸长率低低4.导电性好（半导体，石墨纤维是导体）好（半导体，石墨纤维是导体）5.耐腐蚀性好好6.耐辐射性好好7.耐疲劳性好好8.热性能好好耐高温性惰性气氛好好氧化性气氛400导热性好，好，各向异性热膨胀系数小，小，各向异性B、碳纤维、碳纤维有机纤维法制备工艺流程图有机纤维法制备工艺流程图原料纺丝氧化石墨化表面处理上胶卷绕及包装碳（石墨）纤维碳化环化反应脱氢反应未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用而发未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用而发生脱氢反应，形成以下结构：生脱氢反应，形成以下结构：吸氧反应氧可以直接结合到预氧化丝的结氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成构中，主要生成OH，COOH，CO等，等，也可生成环