复合材料 PPT课件.pptx
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复合材料,第一章绪论,一、材料的发展与人类社会的进步材料是人类社会进步的物质基础和先导,是人类进步的里程碑。
当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱,它会将人类物质文明推向新的阶段。
二十一世纪将是一个新材料时代。
材料科学技术的发展趋势,从均质材料向复合材料发展高性能结构材料的研究与开发是永恒的主题材料结构的尺度向越来越小的方向发展由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展生物材料将有很大发展,二、复合材料的提出,现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展;同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。
很明显,传统的单一材料无法满足以上综合要求,当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展,但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。
复合材料,特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。
复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。
三、复合材料的发展历史和意义,1、复合材料的发展历史6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。
水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑,发挥着极为重要的作用;20世纪40年代,美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材,发展成为玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)这种种广泛应用的较现代化复合材料。
如果将玻璃强化树脂看作是第一代复合材料,则CFRP(碳纤维增强塑料)、BFRP(硼纤维增强塑料)可以称为第二代复合材料。
进一步,以金属或陶瓷为基体的先进复合材料则可以称为第三代复合材料。
第一代,第二代,第三代,碳纤维,晶须,工程塑料,碳化硅纤维,金属,陶瓷,石墨,泡沫材料,混凝土,石膏,功能复合材料,氧化铝纤维,氧化铝纤维石墨纤维,定向凝固共晶,自增强塑料,扩散接合表面处理CVD(化学气相沉积)CVI(化学气相渗透)CIP,HIP,聚脂,聚酰亚硝胺,环境扩大,高弹性,功能化,延伸与韧性,耐热性,芳族聚酰胺轻量,玻璃纤维+,金属纤维高韧性硼纤维,2、复合材料的意义现代高科技的发展更是离不开复合材料。
例如:
火箭壳体材料对射程的影响,航空发动机材料发展预测如下,四、课程的重点和要求,学习重点是使学生能够较全面和系统地理解复合材料及其力学的重要基本概念和理论,各类复合材料的性能、成型工艺、界面特征和结构设计以及复合材料,同时具有初步的复合材料设计能力。
为学生今后在材料领域的学习和研究奠定较坚实的基础。
参考书,张玉龙主编,先进复合材料制造技术手册,机械工业出版社,2003年6月。
沃丁柱主编,复合材料大全,化学工业出版社,2001.1吴人洁主编,复合材料,天津大学出版社,2000.12徐国财,张立德主编,纳米复合材料,化学工业出版社,2002.3贾成厂主编,陶瓷基复合材料导论,冶金工业出版社,2002.1高技术复合材料制备手册,张玉龙主编,国防工业出版社,2003。
第二章复合材料概述,1,一、复合材料的定义和特点:
、复合材料的定义:
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:
组元含量大于5%;复合材料的性能显著不同于各组元的性能;通过各种方法混合而成。
2、复合材料的特点:
)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料,组分之间存在着明显的界面。
)各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点,赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。
)复合材料具有可设计性。
3、复合材料的基本结构模式复合材料由基体和增强剂两个组分构成:
基体:
构成复合材料的连续相;增强剂(增强相、增强体):
复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相,这种分散相的性能优越,会使材料的性能显著改善和增强。
增强剂(相)一般较基体硬,强度、模量较基体大,或具有其它特性。
可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
增强剂(相)与基体之间存在着明显界面。
二、复合材料的分类,1、按性能分类:
普通复合材料:
普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料,如玻璃钢、钢筋混凝土等。
先进复合材料:
AdvancedComposite,HighPerformanceComposite高性能增强剂(碳、硼、氧化铝、SiC纤维及晶须等)增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳(石墨)等复合材料。
先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到400MPa/(g/cm3)和40GPa/(g/cm3)以上。
2、按基体材料分类:
聚合物复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳碳复合材料水泥基复合材料,材料,复合材料,有机材料基复合材料,金属基复合材料MMC木质基复合,无机非金属基复合材料,聚合物基复合材料PMC,热塑性树脂,热固性树脂,树脂基,水泥或混凝土基复合材料,陶瓷基复合材料CMC,橡胶基,CeramicsMatrixComposites,MetalMatrixCompositesCompositeMaterials或Composites:
PolymerMatrixComposites,3、按用途分类结构复合材料功能复合材料,结构/功能一体化复合材料4、按增强剂分类颗粒增强复合材料晶须增强复合材料短纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料混杂纤维增强复合材料三向编织复合材料,颗粒增强复合材料,颗粒状分散相复合材料,纤维状分散相复合材料,短纤维,连续纤维强化复合材料,分散强化复合材料,片晶增强复合材料,复合材料,单向纤维强化复合材料,非编织纤维层,2维,3维编织纤维层,随机排列,随机排列,定向排列,晶须定向排列,不连续纤维强化复合材料,结构复合材料:
用作承力和次承力结构。
要求具有质量轻、高强度、高刚度、耐高温以及其它性能。
功能复合材料:
电、热、声、摩擦、阻尼等。
包括机敏和智能复合材料。
混杂复合材料:
两种或两种以上增强体构成的复合材料。
通过产生混杂效应改善性能和降低成本。
结构/功能一体化复合材料:
在保持材料基本力学性能的前提下,具有特定功能特性,如光、电、磁、摩擦、阻尼等。
四、复合材料的基本性能(优点):
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)。
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3501100,C范围内变动;,陶瓷基复合材料的使用温度可达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:
由于增强体的加入,复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到提高,特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善。
6、良好的功能性能:
包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。
与传统材料(如金属、木材、水泥等)相比,复合材料是一种新型材料。
它具有许多优良的性能,并且其成本在逐渐地下降,成型工艺的机械化、白动化程度也在不断地提高。
团此,复合材料的应用领域日益广泛。
五、复合材料的应用,讨论复合材料在21世纪应起的作用之前,应分析与预测人类在新的世纪面临的问题、社会特点与重点需求。
世界发展的趋势是进入高信息化的社会,对生活质量和健康水平的追求会更高。
地球存在着非常严重的问题。
复合材料在21世纪应起的作用,人口膨胀、清洁淡水、食物、可耕地,能源枯竭石油、天然气、煤、矿产等,环境污染、地球温室效应、臭氧层破坏、沙漠化、野生动物的灭绝,1)对信息技术提供服务,信息获得敏感器件换能材料,信息处理芯片封装电路板,信息存储磁记录光记录,复合材料,信息传播光导纤维导波管,信息执行机械动作高强高刚,2)对提高人类生活质量做出贡献,衣纺织机械,食蔬菜大棚,住建筑材料,行交通工具,复合材料,改善舒适性轻质高强、隔音隔热墙体门窗、整体洁具飞机车辆、大小船舰高速列车的车体结构,提高安全性抗冲韧性、吸收能量、,汽车保险杠、轿车底板、自诊断机敏复合材料、高层建筑抗地振灾害,提高健康水平修复植入人造器官成分设计、调整应力生物相容性、人工关节、夹骨板,3)在解决资源短缺与能源危机方面的贡献,开发新能源与节约能源,挖掘尚未被利用的能源,开发海洋与空间,使基础设施延长寿命,提高太阳能的转换率(光电池、框架)风力发电装置(大型化的叶片、支柱)核燃料(铀分离转子);潮汐发电,基础设施建设的重要性高性能纤维增强混凝土,取代钢筋,镁(轻量、阻尼性能好,力学性能差)颗粒增强或晶须增强,扩大应用范围野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰,耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置(碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m)海上石油平台、空间站、航天器等,4)在治理环境中可起的作用,复合材料,降低污染整体近净成形降低原材料用量节约加工能耗延长设施寿命功能膜支撑网格碳纤维缠绕气瓶废水治理厂管道,利用废弃物材料互补矿渣木屑废塑料麦杆稻草野生植物,“绿色”材料自然降解提高性能利用天然纤维透明农膜一此性餐具降解后变为肥料或饲料,氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦,硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件,美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料,由光导纤维构成的光缆,赛车上使用的特殊轮胎,先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰,人工合成的金刚石,高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器,人工肾脏,生物陶瓷人造关节,可调节的太阳镜,耐高温纤维制成的消防人员的服装,
(1),在航空、航天方面的应用,由于复合材料的轻质高强持性,使其在航空航天领域得到广泛的应用。
在航空方面,主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。
(2)在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻,在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的14,而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量,保护人员的安全。
用复合材料制造的汽车部件较多,如车体、驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄等。
随着列车速度的不断提高,火车部件用复合材料来制造是最好的选择。
复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳、内装饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。
(3)在化学工业方面的应用,在化学工业方面,复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。
聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。
例如,在酸性介质中,聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。
(4)在电气工业方面的应用,聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料,被广泛地用于电机、电工器材的制造,如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。
(5)在建筑工业方面的应用,玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异,隔热、隔声性能良好,吸水率低,耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点,因此,它是一种理想的建筑材料。
在建筑上,玻璃钢被用作承力结构、围护结构、冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。
(6)在机械工业方面的应用,复合材料在机械制造工业中,用于制造各种叶,片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。
用复合材料制造叶片具力制造容易、质量轻、耐腐蚀等优点,各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的。
(7)在体育用品方面的应用,在体育用品方面,复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。
、我国复合材料科学的研究现状,我国是制造和使用复合材料最早的国家,远在400余年前就发明了以麻丝增强大漆,构成典型的复合材料器皿,并一直沿用至今。
现代复合材料是1958年才开始发展的,是以玻璃纤维增强热固性聚合物为主要品种。
除聚合物基复合材料以外,目前已展开金属基、陶瓷基、碳基、水泥基,以及功能复合材料的制备科学和其结构与性能的研究,有些研究处于国际复合材料前沿,如纳米复合材料,智能复合材料等。
一、原材料的研究,结构型复合材料中关键的原材料是增强体。
我国于20世纪50年代末,开始研制玻璃纤维增强体,研究了各种玻璃纤维的配方,包括中碱的玻璃,无碱的玻璃以及高强度的玻璃等。
工艺方法是以传统的坩埚法为主,近来正发展到先进的池窑法(直接熔融法)。
二、各种基体复合材料的研究,、聚合物基复合材料热固性聚合物基体主要为不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂,以及少量的耐高温聚酰亚胺树脂,其中的研究工作集中在合成新型树脂,同时也对其结构表征和固化过程进行了研究。
、金属基复合材料目前主要集中在以轻金属(如铝、镁、钛)等为基体的复合材料研究,少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。
增强的形式包括连续纤维、短纤维、晶须和颗粒。
、其他基体复合材料陶瓷基复合材料方面的研究工作,如热压烧结的碳化硅晶须增强氧化硅,或碳化硅基体的复合材料;氧化锆颗粒增强碳化物陶瓷复合材料等的制备科学和结构性能研究。
(1)降低成本由于复合材料的性能优于传统材料,如能降低复合材料的成本,其应用前景将是非常广阔的。
、复合材料今后的发展方向,
(2)高性能复合材料的研制,高性能复合材料是指具有高强度、高模量、耐高温等特性的复合材料。
随着人类向太空发展,航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大,而且也会提出更高的性能要求,如更高的强度要求、更高的耐温要求等。
(3)功能性复合材料,功能复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、阻尼、烧蚀等功能的复合材料。
(4)智能复合材料,智能复合材料是指具有感知、识别及处理能力的复合材料。
在技术上是通过传感器、驱动器、控制器来实现复合材料的上述能力。
例如,当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时,可由埋入的传感器在线检测到该损伤,通过控制器决策后,控制埋入的形状记忆合金动作,在损伤周围产生压应力,从而防止损伤的继续发展,大大提高了飞机的安全性能。
(5)仿生复合材料,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梯度复合材料。
(6),环保型复合材料,从环境保护的角度看,目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能,而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。
因此,开发、使用与环境相协调的复合材料,是复合材料今后的发展方向之。
第三章复合材料界面,一、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2、基体、基体表面区、相互渗透区、增强剂表面区、增强剂,1、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:
传递效应:
界面可将复合材料体系中基体承受的外力传递给增强相,起到基体和增强相之间的桥梁作用。
阻断效应:
基体和增强相之间结合力适当的界面有阻止裂纹扩展、减缓应力集中的作用。
不连续效应:
在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象,如抗电性、电感应性、磁性、耐热性和磁场尺寸稳定性等。
散射和吸收效应:
光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收,如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击性等。
诱导效应:
一种物质(通常是增强剂)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变,由此产生一些现象,如强弹性、低膨胀性、耐热性和冲击性等。
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。
2、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。
界面结合较差的复合材料大多呈剪切破坏,且在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。
界面结合过强的复合材料则呈脆性断裂,也降低了复合材料的整体性能。
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。
二、复合材料组分的相容性,1、物理相容性:
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。
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。
基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合及各类性能产生重要的影响。
对于韧性基体材料,最好具有较高的热膨胀系数。
这是因为热膨胀系数较高的相,从较高的加工温度冷却时将受到张应力;对于脆性材料的增强相,一般都是抗压强度大于抗拉强度,处于压缩状态比较有利。
而对于像钛这类高屈服强度的基体,一般却要求避免高的残余热应力,因此热膨胀系数不应相差太大。
2、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)相反应的自由能F:
小2)化学势U:
相近3)表面能T:
低4,)晶界扩散系数D:
小,三、复合材料的界面理论,1、界面润湿理论界面润湿理论是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和,即物理和化学吸附作用。
浸润不良会在界面上产生空隙,导致界面缺陷和应力集中,使界面强度下降。
良好的或完全浸润可使界面强度大大提高,甚至优于基体本身的内聚强度。
根据力的合成:
Lcos=S-S+L-,SLSL=,L(1+cos,),粘合功可表示为:
WA=粘合功WA最大时:
cos,=1,即=0,液体完全平铺在固体表面。
同时:
SL,=S=,L,润湿是组分良好粘结的必要条件,并非充分条件。
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。
尽管表面积随着粗糙度增大而增大,但其中有相当多的孔穴,粘稠的液体是无法流入的。
无法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷,而且也形成了应力集中点。
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:
在复合材料组分之间发生化学作用,在界面上形,成共价键结合。
在理论上可获得最强的界面粘结能(210-220J/mol)。
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。
四、界面的表征,1、界面结合强度的测定1)三点弯曲法:
测定界面拉伸强度时纤维的排布,测定界面剪切强度时纤维的排布,2)声发射(AcousticEmissin,AE)法:
声发射是当固体材料在外部条件(如载荷、温度、磁场、环境介质等)发生变化时,由于其内部原因而产生的瞬时弹性应力波发射。
声发射信号包括有材料内部缺陷或微观结构变化动态信息,借助灵敏的电子仪器可以检测到声发射信号。
用仪器检测分析声发射信号,推断声发射源的技术称为声发射技术。
富碳处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为,富SiO2处理的SiCF/Al拉伸过程中的AE行为,2、界面结构的表征界面的微观结构、形貌和厚度可通过先进仪器观察分析。
包括:
俄歇电子谱仪(AES)、电子探针(EP),X,X,光电子能谱仪(XPS)扫描二次离子质谱仪(SSIMS)电子能量损失仪(EELS)射线反射谱仪(GAXP)透射电子显微镜(TEM)扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)等,TiB2纤维表面涂层SiCF/Ti复合材料界面SEM(黄线为连续线扫描),3、界面残余应力及其表征,
(1)界面残余应力复合材料成型后,由于基体的固化或凝固发生体积收缩或膨胀(通常为收缩),而增强体则体积相对稳定使界面产生内应力,同时又因增强体与基体之间存在热膨胀系数的差异,在不同环境温度下界面产生热应力。
这两种应力的加和总称为界面残余应力。
界面残余应力可以通过对复合材料进行热处理,使界面松弛而降低,但受界面结合强度的控制,在界面结合很强的情况下效果不明显。
界面残余应力的存在对复合材料的力学性能有影响,其利弊与加载方向和复合材料残余应力的状态有关。
已经发现,由于复合材料界面存在残余应力使之拉伸与压缩性能有明显差异。
(2)界面残余应力的测量主要方法X射线衍射法和中子衍射法。
中子的穿透能力较X射线强,可用来测量界面内应力;其结果是很大区域的应力平均值。
X射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。
目前,应用最广泛的仍是传统的X射线衍射法。
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