高中化学复合材料的制造教案1苏教版选修精Word格式.docx

1、1.2复合材料的命名和分类1.2.1 命名根据增强材料和基体材料的名称来命名。将增强材料的名称放在前面，基体本材料的名称放在后面中，再加上“复合材料”如：玻璃纤维环氧树脂复合材料也可以在两者之间加隔线：碳/金属复合材料1.2.2 分类1）按增强材料形态分类（1）连续纤维复合材料（2）短纤维复合材料：（3）粒状填料复合材料：（4）编织复合材料；中原工学院教案专用纸 第2 页2）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）有机纤维复合材料：（4）金属纤维复合材料（5）陶瓷纤维复合材料混杂复合材料：用两种或两种以上的纤维增强同一基体制成的复合材料（Hybrid composi

2、te materials）3） 按基体材料分类（1）聚合物基复合材料（2）金属基复合材料（3）无机非金属基复合材料4）按材料作用分类（1）结构复合材料（2）功能复合材料还有同质和异质复合材料：增强与基体材料属于同一种物质的为同质，复合材料大多为异质。1.3 复合材料的基本性能复合材料的共同特点是：（1） 可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能玻璃纤维增强环氧基复合材料：钢材的强度，塑料的绝缘性和耐腐蚀性（2） 可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。（3） 可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序其中性能的可设计性是复合材料最大的优点。1.3.1聚合物基复合材料的主要性能1

3、）比强度、比模量大（见表1.1）：因比重小2）耐疲劳性能好：内部相界面可阻止裂纹扩展3）减震性好：因比模量大，自振频率高，内相界面吸波，使振动阻尼高4）过载安全性好5）具有多种功能性（P4）6）有很好的加工工艺性1.3.2 金属基复合材料的主要性能1）高比强度，高比模量构件重量轻、刚性好、强度高，是航天、航空领域理想的结构材料。2）导热导电性能好3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好：因加入了低或负热膨胀系数纤维以抵消金属的热膨胀性。碳，硼纤维等的低热膨性。4）良好的高温性能：添加的纤维或陶瓷粒是耐温很好的材料。整体与高分子比高温性能好得多。5）耐磨性好6）良好的疲劳性能和断裂韧性7）不吸潮、不老化、

4、气密性好中原工学院教案专用纸 第3 页1.3.3 陶瓷基复合材料的主要性能强度高，硬度大，耐高温、抗氧化、 高温下抗磨性好、耐化学腐蚀性能优良，热膨胀系数和相对密度都较小。用高强度，高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大大提高。1.3.4 水泥基复合材料的主要性能高压缩强度、耐热性好，但抗拉伸强度低1.3.5不同复合材料的性能比较在使用温度和材料硬度方面，三类复合材料有着明显的区别是：树脂基：60-250，金属基：400-600，陶瓷基：1000-1500，硬度也依次递增，耐老化性亦然。导热性顺序则是：金属基（50-65W/（mK）陶瓷基（0.7-3.5W/（m树脂基（0.35-0.4

5、5W/（mK）耐化学腐蚀性：陶瓷基树脂基金属基制造工艺复杂性：金属基树脂基1.4 复合材料的结构设计基础1.4.1复合材料的结构对于纤维增强的复合结构，从固体力学角度，其结构分为三个结构层次：一次结构：基体和增强材料组成的单层结构；二次结构：由单层结构层合而成的层合体，其力学性能决定于单层体材料的力学性能和铺层几何三次结构：指工程结构或产品结构将单层材料作为结构来分析，必须研究材料的多相性其各相材料的相互关系。这种研究方法叫微观力学方法，以预示材料的宏观力学性能。它解释机理，发掘材料本质。宏观力学方法：假定单层材料是均匀的，将各相材料的表现当作复合材料的平均表现性来考虑，相应的材料参数称为表观

6、参数。1.4.2复合材料的设计复合材料的设计分为三个层次：单层材料设计、铺层设计、结构设计。材料设计和结构设计必须同时进行。复合材料的结构设计是以复合材料的结构分析理论和力学分析理论为基础，三者有机统一，不可分割。中原工学院教案专用纸 第4 页第二章 复合材料的基体材料2.1 金属材料1）航空、航天、电子、汽车及先进武器系统的迅速发展，对金属基复合材料提出了要求如航天技术对轻质高强结构材料的要求非常强烈。大规模集成电路对电子封装材料要求低热膨胀而高热传导。单一的金属、陶瓷及高分子材料都难以满足相关要求。高强度、高模量的硼、碳纤维增强铝基、镁基复合材料，既保留了铝、镁合金的轻质、导热、导电性，又

7、充分发挥了增强纤维的高强度、高模量，获得高比强度、高比模量、导热、导电、热膨胀系数小的金属基复合材料。2）金属基复合材料中基体的成分多大于增强材料，故基体的选择对复合材料的性能有决定性的作用。金属基体的密度、强度、塑性、导热、导电性、耐热性、抗腐蚀性等均影响复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导热、导电等性能2.1.1 基体的选择原则1）金属基复合材料的使用要求（1）航空航天材料要求轻质高强，尺寸稳定。故而选取轻质的镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成复合材料，可用于航天飞行器和卫星的构件。（2）高性能发动机则要求在高温下保持化学稳定及好的力学性能，常选择碳化硅/钛、

8、钨丝镍基超合金复合材料用于喷气发动机的叶片转轴等重要部件。（3）汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热，而且要成本低廉，故选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维复合（4）集成电路封装材料要求高散热、低膨胀的金属基复合材料，则选高散热的银铜铝为基体，选低膨胀高强度的石墨纤维、金刚石纤维等作为增强材料经综合二者的性能。2）金属基复合材料组成特点由于增强物的性质及增强机理的不同，在基体的选择原则上有很大差别。对连续纤维增强的复合材料，纤维本身有很大的强度，是力的承载体，而金属基的强度远低于纤维，故而要求与纤维有很好的相容性的基体，这时选取强度大的金属基体得到的复合材料强度可能反而不行。如碳纤维增强铝

9、基复合材料就是实例。对于非连续增强（颗粒、晶须和短纤维等）金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对复合材料的强度具有决定性的影响。所以要获得高强复合材料就得选取高强的基体。如颗粒增强铝基复合材料。3）基体金属与增强物的相容性高温复合时界面层的问题。基体中合金元素与增强物的浸润性问题。关键：选择基体时要充分注意与增强物的相容性，尽量抑制界面反应，如对增强物进行表面处理，或在基体中加入某些其它组分，还可选择适当的成型方法缩短材料在高温下的停留时间。2.1.2 结构复合材料的基体结构复合材料-高比强度，高比刚度，高的结构效率，故选取镁、铝等轻合金作基体金属。铝、镁复合材料使用温度450钛合金复

10、合材料-650镍钴基合金复合材料-1200中原工学院教案专用纸 第5 页用于450以下的轻金属基体铝基和镁基复合材料：广泛用于航天器、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，已形成工业规模生产。用于450-700的复合材料的金属基体-钛合金。钛合金相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高，在航空发动机上使用。与高性能碳化硅纤维，碳硼化钛等增强合金，可获得更高的高温性能。用于1000以上的高温复合材料的金属基体镍基、钛基高温合金材料及金属间化合物用钨丝，钍钨丝增强基合金可以大幅度提高了基高温性能-高温持久性能和高温蠕变性能2.1.3 功能用金属基复合材料的基体电子封装材料举例。还有电池极板材料，高

11、温摩擦材料。2.2 无机胶凝材料2.2.1 概述无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。无机胶凝材料作为基体的复合材料中，研究最多的是纤维增强水泥基复合材料2.2.2 水泥基体材料与相应的树脂基复合材料相比纤维增强水泥基复合材料有下列特点：（1） 水泥基体为多孔体系，孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，也影响纤维与基体的界面粘结。（2） 纤维与水泥的弹性模量比不大，应力传递不好。（3） 水泥基材的断裂延伸率较低，在纤维未拨出断裂前，水泥基材即行开裂。（4） 由于水泥与纤维呈点接触，故纤维与水泥的结合性有限，纤维的掺入量不能太大。（5） 水泥基材呈碱性，对金属纤维起保护作用，但对大多数矿

12、物纤维则有腐蚀作用。2.2.3氯氧镁水泥也称镁水泥，至今有120年的历史。它是MgO-MgCl2-H2O三元体系。氯氧镁复合材料从轻型屋面材料到复合地板，玻璃瓦、浴缸和风管等多种制品。菱镁矿MgCO3于800-850煅烧得到菱苦土（MgO）是主要的成分。相应的增强材料为玻璃纤维、石棉纤维和本质纤维等。2.3 陶瓷材料1）陶瓷的性质:比金属更高的硬度和熔点，化学性质稳定，耐热性和抗老化性好，通常为绝缘体。最大的弱点是脆性强，可加工性差。2）加入纤维和晶须增强，能提高陶瓷的韧性。3）作为基体使用的陶瓷应有耐高温性，和纤维或晶须之间有良好的界面相容性及较好的工艺性能等。常用的陶瓷基体有玻璃，玻璃陶瓷

13、，氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。2.3.1 玻璃玻璃为非晶质结构。玻璃化温度Tg软化温度Tf2.3.2 玻璃陶瓷即微晶玻璃。具有热膨胀系数小，力学性能好和导热性好的特点。中原工学院教案专用纸 第6 页2.3.3 氧化物陶瓷主要有Al2O3, MgO, SiO2, ZrO2等。2.3.4 非氧化物陶瓷氮化物，硼化物，碳化物，硅化物等：耐热，耐磨，硬度高，但脆性也大。2.4 聚合物材料2.4.1 聚合物基体的种类、组分和作用1）聚合物基体的种类常用的有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂，酚醛树脂及各种热塑性聚合物聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂的80%以上。因其工艺性良好，室温下固化，常压下成型，即制备工艺简

14、单，而制得的复合材料综合性能好，成本低。缺点是固化时收缩大，耐热性差。力学性能不如醛酸和环氧树脂。碳纤维增强环氧树脂是力学性能很好的结构材料。酚醛树脂的延伸率低，脆性大。还有热塑性工程树脂。热塑性材料除了用玻璃纤维复合外，也开始用于碳纤维复合材料2）聚合物基体的组分除树脂外，通常还有辅助材料：固化剂、增韧剂，稀释剂、催化剂等。3） 聚合物基体的作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响（P21）。2.4.2 聚合物的结构与性能1）聚合物的结构特点（1）聚合物的分子都很大（103-105数量级的分子量），每个结构单元是一个分子，各个结构单元相同时叫均聚物，不同时叫共聚物，分子的

15、结构可以是线型的，支链的或网状的。（2）端基的反应性对聚合物的性能影响很重要，聚合物间很小程度的交联，对其物理、力学性能的影响也很大。（3）聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切的关系。聚合物分子的链结构，包括单个聚合物分子的化学结构和立体化学结构，包括重复单元的本性、端基的本性、可能的支化与结构顺序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形态等。聚合物分子聚集态结构包括聚合物材料本体内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向结构和织态结构等。2）聚合的性能（1）聚合物的力学性能要同时考虑：时间、温度、环境、载荷等因素才能反映材料的性能指标。决定聚合物强度的主要因素是分子

16、内及分子间的作用力，聚合物材料的破坏，无非是化学键或分子链间相互作用力的破坏，所以可以从分子间力及化学键的强度可以估算聚合物材料的论强度。一般而言，复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高。热固性树脂是体形网状结构，而热塑性树脂是线型结构。热塑性树脂性能上的特点：A具有明显的力学松驰现象，B在外力作用下，形变较大。C抗冲击性能好。基体的粘度和模量是支配基体传递应力性能的两个最重要的因素。足够的粘结力和模量使复合材料中的纤维表现为一个整体，从而使强度比较高。中原工学院教案专用纸 第 7 页（2）聚合物的耐热性能聚合物的结构与耐热性：聚合物的分子键强度结晶性和交联结构影响热性能。提高交联度，增

17、加双三键能提高键能，刚性和耐热性提高聚合物的热稳定性的途径：A提高分子量，避免弱键存在C-H键被C-F键取代可大大提高聚合物的热稳定性B引入芳环和杂环（3）聚合物的耐腐蚀性（4）聚合物的介电性能极性越强，介电常数就越大，电阻率也越小，更易击穿，损耗角越大。2.4.3热固性树脂主要有不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂。2.4.3.1不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂概念：具有重复酯键和双键的一类聚合物不饱和聚酯树脂特点 优点：A工艺性能良好，如室温下粘度低，可以室温固化，在常压下成型，颜色浅，可制成各种颜色，有多种措施来调节其工艺性能; B固化后树脂综合性能良好，并有多种专用树脂适应不同用途的需要；C

18、价格低廉，缺点：固化时体积收缩率较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形。交联剂、引发剂和促进剂交联剂引发剂:多为过氧化物，引发交联反应促进剂：把引发剂的分解温度降到室温以下。4）不饱和聚酯树脂的固化特点胶凝硬化完全固化5）增粘剂：碱土金属氧化物和氢氧化物可使不饱和聚酯树脂很快稠化，形成凝胶状物，这种使不饱和聚酯树脂粘度增加的物质叫增粘剂。2.4.3.2 环氧树脂1）概念：凡是含有两个以上环氧基的高聚物统称为环氧树脂。2）特点：品种多，用途广泛，可做涂料，粘结剂和各种软硬塑料3）环氧树脂的固化剂：凡能与环氧树脂中的环氧基发生反应使其从线型分子变成体型网状结构分子的物质统称为

19、固化剂。2.4.3.3酚醛树脂酚醛树脂系酚醛缩合物，主要用作胶粘剂、涂料及布、纸、玻璃布的层压复合材料。其优点是便宜，但吸附性不好，收缩率高，成型压力高、制品空隙含量高等缺点，故很少用它来碳纤维复合材料。酚醛树脂的含碳量高，用来制造烧蚀材料，成为航天飞行器的防护层，用作碳/碳复合材料的基体的原料，用来制造耐高温的玻璃纤维复合材料。2.4.4 热塑性树脂特点：加热熔化，冷却变硬。主要有：聚乙烯，聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、聚苯硫等。有些已用于玻璃纤维增强材料，但用于碳纤维增强材料的不多（P32-33）。中原工学院教案专用纸 第 8 页第三章 复合材料的增强材料在复

20、合材料中，凡是能提高材料力学性能的物质，称为增强材料。纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。它不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高了热变形温度和低温冲击强度等。复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。3.1 玻璃纤维及其制品3.1.1 概述玻璃纤维是随玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）工业的的发展而发展起来的。我国在1950年代开始有自己的玻璃纤维工业，现已接近世界先进水平。玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。3.1.2 玻璃纤维的分类1）以玻璃原料成分分类，一般用不同的含碱量来区分：（1） 无碱玻璃纤维（E玻纤）：以钙铝硼硅

21、酸盐组成的玻璃纤维，其碱金属氧化物含量不大于0.5%。是复合材料用玻璃纤维的主流类型。强度较高，耐热性和电性能优良，能抗击大气侵蚀，化学稳定性也好（但不耐酸）。也称电气玻璃， （2） 中碱玻璃纤维：碱金属含量在11.5-12.5%之间。主要特点是耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。主要用于耐腐蚀性领域，价格较便宜。（3） 有碱玻璃（A玻璃）纤维：类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃。此种玻璃由于含碱量高，强度低，易潮蚀，很少用作增强材料。（4） 特种玻璃纤维：如由纯镁硅三元组成的高强度玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维，含铅玻璃纤维，高硅氧纤维，石英纤维等。2）以单丝直径分类粗纤维（30um）

22、；初级纤维（20um）; 中级纤维; 10-20um; 高级纤维：3-10um; 超细纤维（4um）3）以纤维外观分类：连续纤维，短切纤维，空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维4）以纤维特性分类根据纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维（指无碱及中碱玻璃纤维）3.1.3 玻璃纤维的结构及化学组成1）玻璃纤维的结构玻璃纤维的结构与玻璃相同。玻璃的结构主要有两种假说：“微晶结构假说”和“网络结构假说”微晶结构假说：玻璃由硅酸块和二氧化硅的“微晶子”组成。硅酸是无序的过冷溶液网络结构假说：玻璃由二氧化硅的四面体、铝氧四面体或硼氧四面体相

23、互联成不规则三维网络，网络间的空隙由Na,K,Ca,Mg等阳离子所填充。二氧化硅的四面体的三维网络结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na, Ca等阳离子称为网络改性物。大量资料证明，玻璃结构是近似有序的。玻璃结构中存在一定数量和大小比较有规则排列的区域，这种规则性是由一定数目的多面遵循类似晶体结构的规则排列造成的。但有序区域不是像晶体结构那样有严格的周期性，微观上是不均匀的，宏观上却又是均匀的，反映到玻璃性能上是各向同性的中原工学院教案专用纸 第 9 页2）玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成主要是：SiO2, B3O2, CaO, Al2O3等，它们对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性的作用。以

24、二氧化硅为主的叫硅酸盐玻璃，以B3O2为主的叫硼酸盐玻璃。氧化钠，氧化钾等碱金属氧化物称为助熔氧化物，它可降低玻璃的熔化温度和粘度，使熔体内的气体易于排出。碱（氧化钠，氧化钾等碱金属氧化物）含量越高，玻璃纤维的强度、电绝缘性能和化学稳定性都会相应的降低。用CaO取代SiO2可降低拉丝温度；加入Al2O3可提高耐水性。玻璃纤维的化学组成，不仅要满足其物理和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性；另一方面要满足制造工艺的要求，如合适的成型温度、硬化速度及粘度范围。3.1.4玻璃纤维的物理性能（1）外观和比重 光滑，横断面呈完整的圆形，直径1.5-30um，大多数为4-14um；密度2.16-4.30

25、，较有机纤维大很多，但比一般的金属密度小，与铝相比几乎一样，所以在航空工业上用复合材料代替合金就成为可能。一般无碱纤维比有碱纤维的比重大。（2）表面积大。故表面处理的效果对性能的影响很大（3）玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的拉伸强度 玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。一般玻璃制品的拉伸强度只有40-100MPa.而直径3-9um的玻璃纤维拉伸强度则达1500-4000MPa,较一般合成纤维高约10倍，比合金钢还高2倍（P37表3-1）。玻璃纤维高强的原因：微裂纹假说，玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均匀性，使微裂纹产生的机会减少。影响玻璃纤维强度的因素A通常其拉伸强度随直径变细而拉伸强度增加B拉

26、伸强度也与纤维的长度有关，随着长度增加拉伸强度显著下降C纤维的强度与玻璃的化学成分关系密切。通常含碱量越高，强度越低。高强度玻璃纤维强度明显地高于无碱玻璃纤维。D存放时间对纤维强度的影响-纤维老化 当纤维存放一段时间后，强度下降。老化程度和速度取决于对大气水分的化学稳定性。E施加负荷时间对纤维的影响-纤维的疲劳，指纤维强度随负荷时间的增加而降低的情况。原因是纤维水分吸附到裂纹中，在外力作用下，加速裂纹的扩展F 玻璃纤维成型方法和成型条件对强度也有很大的影响。硬化速度快，则强度高。玻璃纤维的弹性A. 玻璃纤维的延伸率（断裂伸长率）是指纤维在外力作用下直到拉断时的伸长百分率。玻璃纤维的延伸率比其它

27、有机纤维低，一般为3%左右。B. 玻璃纤维的弹性模量具7104MPa，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。加入硼、镁能提高玻璃纤维的弹性模量。玻璃纤维在弹性形变之后即行断裂，无塑性形变阶段。（4）玻璃纤维的耐磨性与耐折性 玻璃纤维的耐磨性与耐折性都很差，为提高柔性可做适当的表面处理。用阳离子活性剂处理表面后耐磨性提高200倍。（5）玻璃纤维的热性能导热性 玻璃纤维的导热性差，为0.6-1.1千卡/米度时, 且随温度变化小，是很好的优良的隔热材料，但受潮时导热系数增大。中原工学院教案专用纸 第 10 页玻璃纤维的耐热性 其耐热性较高，软化点：550-580，热处理使微裂纹增加而引起强度下降。（6）玻璃纤维的电性能加碱使绝缘性下降大量加入氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化铋或氧化钒，会使纤维具有半导体性能。表面涂敷金属或石墨则可使其导电（7）玻璃纤维有良好的光学性能，可制成透明的玻璃钢以做各种采光材料，制成导光管成为光导纤维等。3.1.5玻璃纤维的化学性能不耐氢氟酸，浓碱和浓磷酸而对其它所有的化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。总的说来，其化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。前者加强其稳定性，后者则相反。纤维越细，温度越高，其化学稳定性越差纤维支数=纤维长度（m）/纤维重量（g）,国际上TEX指1000O米