复合材料-1-增强机理

复合材料1、概述2、复合材料增强体3、复合材料的界面4、复合材料的增强机制1、概述复合材料历史•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•古代：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漆1、概述复合材料：compositematerials;composites广义上讲：由两种或两种以上的物质组成的材料。狭义上讲：由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合而成的新型材料。三个要点：（1）材料组元——两种或以上不同组元（2）制备工艺（3）新型材料——具有原组元所不具备的新性能1、概述基体和增强材料MatrixandReinforcement•基体——连续相•增强材料——分散相–也称为增强体、增强剂、增强相等–显著增强材料的性能–多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。–可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。•在基体和增强体之间存在着界面。增强相形状示意图复合材料颗粒增强层压复合材料纤维增强复合材料长纤维增强短纤维增强定向排布混乱排布取向性排布1、概述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。燕子窝：泥土-草复合材料1、概述1、概述胶原纤维+磷酸钙胶原纤维：非常合理地向抵御外力的方向取向磷酸钙：海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔1、概述贵、腐蚀1、概述复合材料的缺点：*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用；*当前复合材料的性能仍远远低于计算值。1、概述物理相容性：（1）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。（2）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。（3）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。1、概述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100℃，夜间-100℃），以及阳面与阴面的温度差。碳纤维复合材料的热膨胀系数小，可满足这种环境的要求。向阳面与背阳面温差260OC1、概述化学相容性：★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2、复合材料增强体增强体的性能要求：1)、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能，如高的强度、高导热性、耐热性、导电性2)、增强体应具有良好的化学稳定性。3)、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。增强体的分类纤维类增强体碳纤维颗粒类增强体晶须类增强体金属丝氧化铝纤维碳化硅纤维硼纤维碳化物氧化物氮化物硼化物碳化硅晶须氧化铝晶须高强度钢丝铍丝钨丝不锈钢丝玻璃纤维有机纤维从提高强度的角度来看A、玻璃纤维玻璃纤维卷A、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，最主要的是坩埚法和池窑法。1）坩埚法将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后，在大约1260℃熔炼炉中熔融后拉丝而得。3-2弹珠：均匀性、气泡2）池窑法3-3池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节能50%左右，生产稳定，适用于大规模生产。A、玻璃纤维羊毛亚麻棉花生丝尼龙高强合金钢铝合金玻璃玻璃纤维纤维直径(μm)~1516~5010~2018块状块状块状块状5~8拉伸强度(MPa)100~300350300~700440300~600160040~46020~1201000~3000羊毛亚麻棉花生丝尼龙高强合金钢铝合金玻璃玻璃纤维纤维直径(μm)~1516~5010~2018块状块状块状块状5~8拉伸强度(MPa)100~300350300~700440300~600160040~46020~1201000~3000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。影响玻璃纤维强度的因素：①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。长度增加，拉伸强度显著下降。直径(μm)性能457911拉伸强度(MPa)3000~38002400~29001750~21501250~17001050~1250玻璃纤维长度(mm)纤维直径(μm)平均拉伸强度(MPa)51315002012.512109012.7360156013720②化学组成对拉伸强度的影响含碱量越高，强度越低。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。玻璃纤维纤维直径(μm)拉伸强度(MPa)无碱5.012000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•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。•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Na2CO3·NaHCO3·2H2O有碱GF：碱性氧化物（K2O，Na2O）含量大于12％无碱GF：碱性氧化物含量小于2％:E-GFGF中碱GF：碱性氧化物含量6％－12％低碱GF：碱性氧化物含量2％－6％注意：碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的熔点越低，越容易制备，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③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—纤维的老化。原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀④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，使微裂纹扩展速度加速。Na2CO3·NaHCO3·2H2O⑤玻璃纤维的热性能导热性。玻璃纤维的导热性差，常温下导热系数：0.7～20W/m.℃且随温度变化小，是优良的隔热材料，但受潮时导热系数增大。耐热性。玻璃纤维的耐热性较高，软化点：550-850℃。一般含碱量越少，软化温度越高。热处理引起强度下降。热处理温度越高，时间越长，强度下降越多原因：热处理后微裂纹增多，强度下降热处理后在纤维表面形成微晶B、碳纤维碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳)。在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳在高温下不会熔融，但在3800K以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔纺。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。B、碳纤维碳纤维（CF：CarbonFiber），是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。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、碳纤维碳纤维是在上世纪50年代末期发展起来。美苏军事竞赛最激烈的时期，特点是“太空竞赛”、“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CF复材后使重心前移，解决了飞船的稳定性2.导弹稳定裙用CF复材后使重心前移，解决了弹体的稳定性，提高了命中精度3.导弹的鼻锥采用C/C复合材料，烧蚀率低且均匀，提高了命中率。4.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B、碳纤维碳单质金刚石石墨无色坚硬晶体黑色柔软光滑无定形四面体结晶片层碳纤维的结构B、碳纤维B、碳纤维碳纤维微观结构：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（3.36-3.44Å）较石墨晶体大石墨投影碳纤维微观结构碳单质一级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1.密度低2.力学性能高3.断裂伸长率低4.导电性好（半导体，石墨纤维是导体）5.耐腐蚀性好6.耐辐射性好7.耐疲劳性好8.热性能好耐高温性惰性气氛好氧化性气氛400℃导热性好，各向异性热膨胀系数小，各向异性B、碳纤维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CCCCCNNNNNCCCCCNNNNN梯形，六元环耐热脱氢反应CCCCCNNNN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：吸氧反应•氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，主要生成•－OH，－COOH，－C＝O等，也可生成环氧基。CCCCCNNNNOOHOOOOOCCCCCHCHCHCHCHCCCCCNNNNOOCCCCCHCHCHCHCHCCCCCNNNN或碳化•在400~1900℃的惰性气氛中进行，是CF形成的主要阶段。一般采用高纯氮气N2碳化过程中的反应：1.低温区﹤600℃，高温区﹥600℃。2.在低温区，分子间产生脱氢、脱水而交联，生成碳网结构，末端链分解放出NH3。预氧化过程中未环化的-CN也可产生分子间交联，生成HCN气体。3.在高温区，环开裂，分子间交联，生成HCN、N2，碳网平面扩大。随着温度升高，纤维中的氮含量逐渐减少。石墨化（增大结晶程度）引起纤维石墨化晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。石墨化过程中：结晶碳含量不断提高，可达99％以上纤维结构不断完善CF的乱层石墨结构GrF的类似石墨的层状结晶结构C、碳纤维C、晶须10m晶须是微细的高纯度的单晶体，是目前的复合材料中应用的强度最高的一种增强材料，最接近材料的理论强度。晶须的直径很小，只有亚微米和微米数量级，长度10～102m。C、晶须反应体系中存在的催化剂液滴是气体原料和固体产物的媒介。气相原料分子在低于二维成核临界过饱和点（P/Pe)crit的条件下通过气-液界面输入到小液滴中，使小液滴成为含有晶须气体原料的熔体，当熔体达到一定的过饱和度时析出晶体并沉积在液滴与基体的界面上。随着气源的连续供给，晶须连续长出，而将小液滴抬起，直到生长停止，最后小液滴残留在晶须顶端。基体液相气相气相VLS生长机理晶须12345⑤在界面处生长成固态晶须蒸气界面液相晶须VLS生长机理①气相分子向液滴扩散②气相分子在催化剂液滴上发生多相化学反应生成晶须新相③反应副产物由液滴扩散进入气相④气相分子或新相通过液滴输送到界面C、晶须液相中生长有蒸发-冷凝，毒化-诱导，电解，晶化，化学解理，从凝胶中生长和熔融等生长方式。-+-+电解液中晶须的生长C、晶须气相中生长有蒸发—凝结，气相输送+化学反应生长方式。硅源Si+SiO2SiO+N2+H2Si3N4+H2O晶须CO碳源晶须生长区氮化硅晶须气相反应生长原理C、晶须晶须直径小，原子高度有序，强度接近于完整晶体的理论值，因而具有优良的耐高温、耐高热、耐腐蚀性能，有优良的机械强度、电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量、高硬度等特性。C、晶须05101520强度/(GN/m2)■晶须■基体铝碳化硼石墨钢碳化硅晶须与基体材料强度比较C、晶须对晶须补强增韧效果的影响因素界面性质1.界面结合力2.物理匹配3.化学相容晶须性能1.长径比2.晶须含量3.晶须强度4.晶须排布D、颗粒•具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒–如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。刚性颗粒增强体（RagidParticleReinforcement）D、颗粒•颗粒增强体以很细的粉末（一般在10μm以下）加入到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用–在Al合金中加入体积为30%，粒径为0.3μm的Al2O3颗粒,材料在300℃时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。–在Si3N4陶瓷中加入体积为20%的TiC颗粒，可使其韧性提高5%。