复合材料

第六章复合材料为什么主要成分为碳酸钙的贝壳强度要比同样组成为碳酸钙的粉笔要高很多？复合材料是由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质组合而成的一种多相固体材料。(ISO定义)材料A＋材料B（＋······）材料C改善或克服单一组成材料的弱点，创造单一材料不具备的双重或多重功能。复合材料的定义基体Matrix增强体Reinforce-ment＋主要组份粘结、保护增强相并把外加载荷造成的应力传递到增强相上去其它组份主要承载相，并起着提高强度(或韧性)的作用复合材料的特点悬浮液、气溶胶、雾等含有气相或是液相的多相体系不能称之为复合材料。多相:至少两相；独立性：相是独立的，组成和性能独立；复合效益：具备不同于组成相的独特的性能或是效益；*****固相：复合产物为固相；可设计性：组成和性能具有可设计性。*****复合材料的定义复合材料的定义获得新组成的材料；获得新形态的材料；获得单一组分不具备的性质和功能，获得复合效应；获得某种特定的性能或效益。碳酸钙填充PVC，PP等聚合物时只是为了经济效益与其功能无关。复合的目的复合材料=增强材料+基体骨＝胶原质+磷灰石贝壳＝碳酸钙+基质胶原几个实例波音787：以碳纤维合成物为主体材料耗油量：减少20％左右。Aluminiumorcomposite?航空航天波音787型飞机中使用的复合材料复合材料垂直安定面（左上图中黑色部分）复合材料前机身段（上图中黑色部分）复合材料在国产军用飞机中的应用（左图）军事金属基复合材料在直升飞机中的应用（用作旋翼支架）交通建筑日用品体育用品玻璃钢应用于体育用品Ford’s‘soybeancar’usedcellulosefibre/soybeanresincompositepanelsattachedtoatubularsteelframe.Kerbweightwasreducedfrom3000to2000lb(900kg).风力发电机叶片用复合材料复合材料的概述现代复合材料的起源：发端于20世纪50～60年代，主要是适应航空航天技术对高强度低密度材料的需求。复合材料的现状:2005年全球玻璃钢／复合材料产量逾700万吨，产值逾4千亿元人民币。我国的产量约为全球的1/4，而平均单价却仅为世界平均价格的1/4（低于1.5万人民币/吨）我国是世界玻纤产品的第二大生产国。我国玻纤著名研究院所：南京玻璃纤维研究院、北京玻璃钢研究院。我国玻纤工业“三强”：泰山玻璃纤维股份有限公司、巨石集团有限公司（亚洲玻纤3强，世界玻纤5强）、重庆国际复合材料有限公司复合材料按基体相分按增强相的形态分金属基界面结合存在问题；陶瓷基对增强体有特殊要求，如耐高温等；聚合物基热塑性、热固性聚合物。可成型性能好；水泥基界面结合好，成型时基体有化学反应。颗粒增强纤维增强晶须增强按用途分结构复合材料功能复合材料承受载荷，作为承力结构使用电、磁、光、热、声、摩擦、阻尼、化学分离性能碳纤维玻璃纤维有机纤维复合纤维编织物增强复合材料的分类纤维增强体：碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等。特点是用量小、强度大、价格高。纤维与晶须的主要特点是：密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小.粉状填料：碳酸钙、二氧化钛、蒙脱土、碳黑、二氧化硅(白碳黑)。特点是用量大、价格低。编织物：二维纺织布、三维纺织物等。特点是初期可赋形、强度大、价格高。复合材料的原料(增强体)a)多角状SiC颗粒b)等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒c)溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒d)a-Al2O3片晶常用的颗粒增强材料nanofiber几种纤维增强体纤维的强度材料名称抗拉强度(MPa)玻璃玻璃纤维棉纤维羊毛丝腊纶纤维聚酰胺纤维芳纶1414软钢钢丝铜棒细铜丝铝材Al2O3Al2O3纤维Al2O3单晶纤维硼纤维碳纤维非晶合金纤维40~1201500~5000400~600150~200350~450300~600500~7002800380~480420025040070~4002601000~260014000~280003000~50002000~70003000三维编织纤维结构管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型几种编制物的结构三维正交非织造的纤维结构(a)非线性法平面增强(b)一种开式格状结构(c）一种柔性结构比强度高抗疲劳与断裂安全性能好良好的减震性能良好的高温性能大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用.纤维增强复合材料具有较高的自震频率，不易产生共振现象，具有一定的减震作用.增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较高的强度.比弹性模量高刚性强自重小可设计性强根据复合原理设计出具有特定功能的复合材料，性能对工艺的依赖性。复合材料的性能特点增强机理1.纤维增强纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。提高基体在室温下和高温下的强度和弹性模量。设计纤维增强复合材料的目标：复合材料的基本理论纤维增强复合材料的机理：1、增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。2、纤维的表面受到基体的保护，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。3、基体能阻止纤维的裂纹扩展。4、基体对纤维的粘结作用、基体与纤维之间的摩擦力，使得材料的强度大大提高。复合材料的基本理论陶瓷基复合材料增强相是具有强结合键纤维阻止裂纹的产生，使脆性降低。高分子基复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子链的运动；金属基复合材料中纤维增强相有效阻止位错运动而强化基体。钨纤维铜基复合材料中的裂纹在铜中扩展受阻碳纤维环氧树脂复合材料断裂时纤维断口电子扫描照片复合材料的基本理论增强纤维起到强化基体作用必要条件：1、增强纤维的强度和弹性模量高。3、纤维应有一定的含量、尺寸和分布。4、纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。2、纤维与基体之间有良好的相容性。复合材料的基本理论增强纤维的形状、分布及数量等均影响复合材料的性能(a)数量(b)大小(c)形状(d)分布(e)取向复合材料的基本理论复合材料的基本理论分单向取向和双向取向取向的影响增强机理2.颗粒增强指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。纳米硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。颗粒增强复合材料的种类：复合材料的基本理论弥散强化复合材料中弥散颗粒种类金属氧化物碳化物硼化物复合材料的基本理论颗粒增强复合材料的机理：弥散分布基体中的硬颗粒可以有效地阻止位错运动，产生显著的强化作用。增韧机理1.纤维增韧由于定向、取向或无序排布的纤维加入，使得复合材料的韧性得到显著提高。纤维吸收裂纹尖端能量是靠纤维断裂及纤维从基体中拔出实现的。要求用于补强的纤维具有较高的强度且能与陶瓷有良好的粘结。d复合材料的基本理论增韧机理2.颗粒增韧增韧的机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧和分叉增韧。复合材料的基本理论通过相变产生的体积膨胀，产生压缩应力，从而抵消外加应力，阻止裂纹的扩展，达到增韧的目的。ZrO2相变增韧纤维吸收裂纹尖端能量纤维断裂纤维从基体中拔出裂纹转向复合材料的基本理论界面复合材料中基体与增强材料之间的结合面。这种结合面是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。复合材料的界面理论上可分为三个阶段：第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。i)界面设计与控制的重要手段ii)改性层成为最终界面层的重要组成部分第二阶段：两相的接触与浸润过程接触－吸附与浸润－交互扩散－化学结合或物理结合(化学结合可看作是一种特殊的浸润过程，是界面形成与发展的关键阶段)第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或化学反应。i)界面的固定（亚稳态、非平衡态）ii)界面的稳定（稳态、平衡态）复合材料的界面形成过程界面分层组成非单分子层基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分；梯度结构具有一定厚度的界面相（层）随厚度方向变化而变化，具有“梯度”特征；界面效益界面的比表面积或界面相的体积分数很大(尤其是纳米复合材料)界面效应显著，复合材料复合效应产生的根源；界面缺陷界面缺陷形式多样(包括残余应力)，对复合材料性能影响十分敏感。复合材料的界面结构与性能特点复合材料的界面增强体基体界面结合的类型1、机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。2、溶解与浸润结合：液态或是粘流态基体对增强纤维的侵润，而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。3、反应结合：基体与纤维之间形成界面反应层。4、混合结合：上述三种形式的混合结合方式。复合材料的界面浸润理论化学键理优先吸附理可变形层理论束缚层理论每一理论只能部分解释某些现象或某些结果。都有一定局限性。实际的界面现象复杂的多，需多方面、多角度加以分析。迄今，未能建立一个统一的界面响应理论模型。界面作用理论复合材料的界面怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用？1、改变增强材料表面性质。2、向基体内添加特定的元素。3、在增强材料的表面施加涂层。表面改性前表面改性后表面改性后复合材料的界面SEM图由我院高分子系张云灿教授提供表面改性对复合材料力学性能的影响序号玻纤含量(%)拉伸强度MPa弯曲强度MPa缺口冲击kJ/m21LC/d界面粘结型式A-30B-30C-30D-303030303037.150.469.671.258.985.4112.3116.06.57.416.719.00.210.400.660.6873371614物理润湿互穿网络化学偶联化学偶联物理润湿型界面粘结材料的强度指标低，互穿网络型界面粘结材料的强度指标中等，而化学偶联型界面粘结材料的强度指标高。复合材料的界面玻璃钢(玻璃纤维增强塑料，GFRP)密度低：1.6～2.0g/cm3；比强度高：较最高强度的合金钢还高3倍；耐腐蚀突出特点耐烧蚀航空航天工业：如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。火箭：发动机壳体、喷管。汽车工业：如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩、内部装饰件等。石油化工工业：如玻璃钢贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等应用玻璃纤维增强酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等热固性树脂基体—热固性玻璃钢；聚酰胺、聚丙烯、ABS、尼龙等热塑性树脂基体—热塑性玻璃钢。聚合物(树脂)基复合材料酚醛树脂玻璃钢齿轮聚合物(树脂)基复合材料图3-87玻璃钢管道与接头在石油、化工工业中的应用聚合物(树脂)基复合材料复合材料(玻璃钢)制作的渔船（右）玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢(左)聚合物(树脂)基复合材料聚合物(树脂)基复合材料各种玻璃钢型材制品环氧树脂玻璃钢显微组织(表面）环氧树脂玻璃钢显微组织（横截面）碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）航天工业：如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等；空间站大型结构桁架及太阳能电池支架。汽车工业：F－1方程式赛车车身体育用品：网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆。密度更低更高的比强度和比模量化学稳定性高高、低温力学性能好突出特点应用比玻璃钢的性能普遍优越聚合物(树脂)基复合材料聚合物(树脂)基复合材料CFRP在民用飞机中的应用CFRP在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架中的应用特点－具有与树脂基复合材料相同的高强度、高弹性模量和低线膨胀系数。工作温度高、高韧性、导电、导热、不易燃烧、抗电磁干扰、抗辐射可进行热处理和其它加工来进一步提高性能。缺点－密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反应等。长纤维增强原位复合增强颗粒增强短纤维或晶须增强金属基复合材料长纤维增强金属基复合材料1、硼/铝复合材料硼纤维高温强度高，1500℃时蠕变速率低。但高温氧化后强度降低，所以一般在硼纤维表面涂覆一层SiC或B4C，防止纤维表面氧化。金属基复合材料硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱2、石墨/铝复合材料具有导电性