复合材料教案.

复合材料教案PolymericCompositeMaterials（讲稿）殷立霞冀州市职教中心2012年8月1第一讲复合材料概论一、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。综观人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。材料的发展与人类进步和发展息息相关。一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入了旧石器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品广泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。当前材料、能源、信息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。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。在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因而对材料提出了越来越苛刻的要求。例如，航天飞机等空间飞行器在飞行过程中要受到大气阻力、地球引力、太阳辐射力、空间热环境、太阳风、宇宙射线、宇宙尘埃、流星、磁矩等的作用。飞行器发动机还要受到其热环境、内流形成的气动力、结构振动、机件高速转动、液体晃动、振荡燃烧和POGO振动等非正常破坏力的作用。同时由于飞行范围（M数、飞行高度）的扩大、发动机的推力、比推力及推/重比大大提高，导致了发动机压力比、涵道比、进口温度、燃烧室温度、TIT、转子转速等也日益提高。由此构成的力、热、化学和物理等效应的作用，最终都要集中到构成飞行器和发动机结构的材料上去，因此对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗2疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。又如现代武器系统的发展对新材料提出了如下要求：1、高比强、高比模；2、耐高温、抗氧化；3、防热、隔热；4、吸波、隐身；5、全天候；6、高抗破甲、抗穿甲性；7、减振、降噪，稳定、隐蔽、高精度和命中率；8、抗激光、抗定向武器；9、多功能；10、高可靠性和低成本。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。例如，金属材料的强度、模量和高温性能等已几乎开发到了极限；陶瓷的脆性、有机高分子材料的低模量、低熔点等固有的缺点极大地限制了其应用。这些都促使人们研究开发并按预定性能设计新型材料。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。它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地满足了人类发展对新材料的需求。因此，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。现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。三、复合材料的发展历史和意义：实际上，在自然界就存在着许多天然的复合物。例如天然的许多植物竹子、树木等就是自生长长纤维增强复合材料；人类肌肉/骨骼结构也是复合材料结构原理。我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑材料砌建房屋墙壁，迄今在某些贫穷农村仍然沿用着这种原始的非连续纤维增强复合材料。在现代，复合材料的应用更比目皆是，与日常生活和国民经济密不可分。如由沙石、钢筋和水泥构成的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；玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。3现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如就航天、航空飞行器减轻结构重量这点而言，喷气发动机结构重量减1Kg，飞机结构可减重4Kg，升限可提高10米；一枚小性洲际导弹第三级结构重量减轻1Kg，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50Kg，地面设备的结构重量就可减轻100Kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15~20Km；而航天飞机的重量每减轻1Kg，其发射成本费用就可以减少15000美元(图1、图2)。因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。图1火箭壳体材料对射程的影响先进复合材料具有高比强度、高比模量的优点，可以显著减轻结构重量，是理想的现代飞行器结构材料。先进复合材料的使用，不仅极大地提高了现代飞行器的性能，使得人类飞天、登月的梦想变成现实，同时也创造了巨大的经济效益。先进复合材料结构在新型卫星结构中已占了85%以上，在现代高科技领域具有广泛的应用前景（图3）。综上所述，复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合材料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。可以预料，随着高性能树脂先进复合材料的不断成熟和发展、金属基、特别是金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料的实用化、以及微观尺度的纳米复合材料和分子复合材料的发展，复合材料在人类生活中的重要性将越来越显著。同时，随着科学技术的发展，现代复合材料也将赋予新的内容和使命。21世纪将是复合材料的新时代。4第二章复合材料概述一、复合材料的定义和特点：1、复合材料的定义：国际标准化组织（ISO）将复合材料定义为是：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。F.L.Matthews和R.D.Rawlings认为复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下面三个条件：（1）组元含量大于5%；（2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；（3）通过各种方法混合而成。在“材料科学技术百科全书”和“材料大辞典”中将复合材料定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。复合材料将由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位生长复合材料、纳米复合材料和分子复合材料等。综上所述，复合材料定义所阐述的主要有两点，即组成规律和性能特征。2、复合材料的特点：1）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。2）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。3）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：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以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和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。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。增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。5增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。二、复合材料的分类——普通复合材料—按性能分类：——先进复合材料—热固性—聚合物复合材料——热塑性—金属基复合材料—按基体分类———陶瓷基复合材料—碳碳复合材料—水泥基复合材料—结构复合材料—按用途分类———功能复合材料—智能复合材料—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、Kevlar、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。一般来讲，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。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。6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。一、复合材料的基本性能（优点）：1、高比强度、高比模量（刚度）：图2-1典型金属基体复合材料与基体材料合金性能的比较与传统的单一材料相比，复合材料具有很高的比强度和比模量（刚度）：比强度、比模量：材料的强度或模量与其密度之比。比强度=强度/密度MPa/（g/cm3）,比模量=模量/密度GPa/（g/cm3）。材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料的比模量愈高，零件的刚度愈大。2、良好的高温性能：图2–2不同SiC纤维复合材料的使用温度范围7复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基体。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3501100C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C；而碳碳复合材料的使用温度最高，可高达2800C。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。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人造卫星构件非常重要。图2-3不同材料的尺寸稳定性和比模量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具有良好的抗腐蚀性。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。8第二讲复合材料的增强材料复合材料的增强材料：提高基体材料机械强度、弹性模量等力学性能的材料的统称。复合材料的分类：从物理形态来看有纤维状增强材料、片状增强材料、颗粒状增强材料等。纤维状材料增强作用明显的原因是其拉伸强度和拉伸弹性模量比同一块状材料要大几个数量级。2.1玻璃纤维玻璃纤维由熔融的玻璃经拉丝而成，可制成连续纤维和短纤维。由于其制取方便，价格便宜，是应用最多的增强纤维。2.1.1玻璃纤维的特点具有不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、能透过电磁波等特性，有良好的耐腐蚀性，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性。其缺点是脆性大，耐磨性差。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。2.1.2玻璃纤维的分类1.以玻璃原料成分分类（以含碱量区分）：无碱玻璃纤维（碱含量0.5%）、中碱玻璃纤维（碱含量为11.5%～12.5％）和特种玻璃纤维2.以单丝直径分类：粗纤维：30μm；初级纤维：20μm；中级纤维：10一20μm；高级纤维：3一l0μm(亦林纺织纤维)。对于单丝直径小于4μm的玻田纤维称为特