复合材料概论

返回复合材料概论返回目录§1、概述§6、金属基复合材料§2、基体材料§7、陶瓷基复合材料§3、增强材料§8、水泥基复合材料§4、复合界面§9、C/C复合材料§5、聚合物基复合材料§10、混杂纤维复合材料返回§1、概述一、定义由两种或两种以上，物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料。复合材料的组成相：增强相----纤维、晶须、颗粒。（不连续相）基体相----金属、陶瓷、聚合物。（连续相）返回•增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。•基体相：保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等。主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。返回例如：•天然木材----纤维素纤维+木质素•钢筋混凝土----砂、石、钢筋+水泥•玻璃钢----玻璃纤维+热固性树脂•C/C复合材料----石墨碳纤维+热解碳或树脂碳（耐烧蚀）返回1、按基体材料分树脂基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等60年代金属基：Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co及其合金70年代陶瓷基：Al2O3、ZrO2及非氧化物80年代2、按增强相形状分颗粒均布、各向同性纤维（长、短纤维和晶须）各向异性或同性☆层片各向异性二、复合材料的分类返回3.按应用目的分树脂基250℃金属基600℃陶瓷基1500℃碳/碳～3000℃水泥基换能热电、光电、声电等阻尼吸声导电导磁屏蔽摩擦磨耗烧蚀功能复合材料（注重物理性能）结构复合材料（注重力学性能）返回性能：取决于基体相、增强相种类及数量，其次是它们的结合界面、成型工艺等。1、主要取决于增强相的性能⑴.比强度比刚度高⑵.冲击韧性和断裂韧性高⑶.耐疲劳性好⑷.减震性⑸.热膨胀系数小三.复合材料的性能比较裂纹扩展示意图返回材料密度g/cm3抗拉强度103MPa弹性模量105MPa比强度107cm比模量109cm钢7.81.032.10.130.27铝合金2.80.470.750.170.26钛合金4.50.961.140.210.25玻璃钢2.01.060.40.530.20碳纤维/环氧1.451.501.41.030.97有机纤维/环氧1.41.40.81.00.57硼纤维/环氧2.11.382.10.661.0硼纤维/铝2.651.02.00.380.57各种材料的比强度和比模量返回⑴、硬度陶瓷基金属基树脂基⑵、耐热性树脂基:60～250℃金属基:400～600℃陶瓷基:1000～1500℃⑶、耐自然老化陶瓷基金属基树脂基2、取决于基体相的性能返回⑷、导热导电性金属基陶瓷基树脂基⑸、耐蚀性陶瓷基和树脂基金属基⑹、工艺性及生产成本陶瓷基金属基树脂基返回1、设计的三个层次：单层设计---微观力学方法层合体设计---宏观力学方法产品结构设计---结构力学方法•单层材料的性能取决于增强相、基体相和结合界面的力学性能，增强相的含量、分布方向等。设计内容包括正确选择原料的种类和配比。四、复合材料设计特点层合体设计返回•层合体的性能取决于单层材料的力学性能和铺层方法（厚度、纤维交叉方式、顺序等）。设计内容包括：对铺层方案作出合理的安排。•产品结构性能取决于层合体的力学性能、结构几何、组合与连接方式。设计内容：最终确定产品结构的形状、尺寸、连接方法等。返回2、特点：•性能可设计性强（可调因素多）•材料设计与结构设计相关联•性能预测性差如:加和法没有考虑界面结合的影响，预测性很差。BBAAff返回§2.基体材料•基体的作用:固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基本性质。•选材原则：强度、刚度等力学性能，只作一般性考虑。两者相容性，环境适应性，工艺性，重点考虑。返回•相容性：化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。•环境适应性：耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。•工艺性：制备是否方便，成本是否廉等。返回一、聚合物基•特点：一般在室温或低温下进行复合成型，工艺性好；可选择的增强材料范围广泛，成本最低。•研究与应用：发展最早，品种最多，应用最广。•可选材料：几乎所有的热固性、热塑性聚合物。包括橡胶、粘结剂。返回1、热固性聚合物（-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-……）⑴.不饱和聚酯树脂由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线型预聚体。+a.结构特征：饱和二元酸结构不饱和二元酸结构COOHCHHOOCn)(2OHCHHOm)(2COOHCHCHHOOCmnCHOCOCHOCO)()(22OCOCHCHOCO返回b.固化：•固化剂---乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。•引发剂---过氧化物（加热固化）•促进剂---苯胺类和有机钴。室温固化。返回c.特点•粘度低，工艺性好。•综合性能好，价廉，用量约占80%。•苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度和模量较低。•一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制作次受力件。返回a.双酚型CH2-CH-CH2Cl+n(HO--R--OH)(2)、环氧树脂环氧氯丙烷二酚基化合物碱O通式：线性预聚体CH2-CH-CH2[O--R--O]nO返回其中R:CH3│-C-│CH3A丙基-CH2-F亚甲基O‖-S-‖OS砜双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。固化特点：环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。返回b.非双酚型•链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。•三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。返回c.胺基环氧结构中含高极性的酰胺键（-NHCO-），粘结性好，力学性能较高；但耐水性差，电性能有所下降。d.脂环族环氧结构中不含苯环，含脂环，稳定性更高，热学性能好，耐紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。e.脂肪族环氧---高韧性环氧无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。返回环氧树脂固化：环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。•常用固化剂：二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性会有一定的影响。•潜伏剂：单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺，室温下可存放6个月，145～165℃下，80min可固化。返回环氧树脂特点：•粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料强度高，尺寸稳定。•电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。•耐酸碱耐溶剂性强。•热稳定性良好。返回(3)．酚醛树脂由酚和醛缩合而成。酚/醛0.9，碱催化可得体型热固性树脂。固化：•加热固化•加固化剂，如六次甲基四胺或有机酸。碱性固化剂仍需加热，酸性固化剂可室温固化。O‖H–C-HOH│153返回特点：耐热性高，可达315℃。价格最低。粘附性较差，收缩率大,气孔率高，性脆。改性：•引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛•降低树脂中-OH基的含量。如：以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。提高电性能。•硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能均提高。返回应用：•酚醛树脂一般不与碳纤维复合，与玻璃纤维复合后，多用于电器绝缘材料。由于酚醛树脂碳含量高78％，碳化收率达63％，因此可用于制作烧蚀材料，用于导弹、航天器再入大气层的防护层。返回2.热塑性聚合物与热固性聚合物相比：•力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。•工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。CH3⑴．聚丙烯[CH-CH2]n柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。⑵.聚酰胺（尼龙）～CO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-NH～链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度100℃，吸水率高。常用品种：尼龙6、66、1010、610等。返回(3)．聚碳酸酯由双酚A的钠盐与碳酸双酰氯缩聚而成刚性苯环，Tm=225～250℃,Tg=145℃；变形小，抗蠕变，尺寸稳定。可与玻璃纤维和碳纤维复合。～O-－C--O-C～+NaClCH3CH3‖ONaO--C--ONa+Cl-C-Cl→CH3CH3‖O返回(4)．聚砜以砜和苯环连结成硬性链，可在100～150℃下长期使用，Tg200℃；S+6处于最高价，抗氧化，耐辐射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达300℃。可与碳纤维复合。用于宇航和汽车工业。此外：耐高温的聚酰亚胺、双马来酰亚胺等杂环结构的聚合物，耐温可达300～400℃，也常作为复合材料的基材。返回Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Co、Zn、Pb及其合金，金属间化合物（TiAl、NiAl等）选材原则：1．使用要求•航天航空：选轻金属Al、Mg及其合金•高性能发动机：Ti、Ni及其合金•汽车发动机活塞汽缸套：Al合金•工模具：Fe、Co、Ni、Ag、Cu•集成电路散热元件：Ag、Cu、Al二.金属基材料返回2.环境温度•450℃Al、Mg•450～700℃Ti合金•700～1000℃Ni、Fe、Co耐热合金或金属间化合物3.纤维长度•与长纤维复合：纤维承载，宜选纯金属。•与短纤维复合：基体承载，宜选合金。4.相容性•Al、MgTm低，化学活性高•Cu、Ag、NiTm高，化学活性低•TiTm高，化学活性高返回目的：增韧基体材料：新型陶瓷•Al2O3、ZrO2、MgO、SiO2、莫来石•TiC、SiC•Si3N4、Sialon•TiB2、Be2B、Be4B•MoSi2三.陶瓷材料返回§3.增强材料玻璃纤维低档20～40元/Kg碳纤维高档600～1000元/Kg芳纶纤维中档200～400元/KgSiC纤维B纤维Al2O3纤维金属丝金属和陶瓷基返回1.品种有碱玻璃纤维ANa-Ca-Si系普通玻璃（Na2O15%）中碱玻璃纤维Na2O(10.5～12.5%)用量少无碱玻璃纤维ECa-Al-B-Si系用量大高强玻璃纤维SMg-Al-Si系或B2O3系高弹玻璃纤维MS系中加入BeO一.玻璃纤维GF返回2.GF的制备→制玻璃球→铂金坩埚熔融→小漏孔拉丝（102、204、408孔）→涂浸润剂→并股成纱→纺织成布、毡或带。返回粗纱30μm无捻粗纱、无纺布初级纱20μm短切纤维、纤维毡中级纱10～20μm高级纱3～10μm纺织浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：石蜡乳液复合前须清除聚醋酸乙烯酯不必清除改性有机硅类不必清除返回3.GF的性能(1).力学性能•抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；直径d↘,强度↗；长度↗，强度↘。•弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。因密度低～2.5，比模量高。•断裂延伸率：低～3%(2).热学性能•导热系数：比块玻璃低1～2个数量级•耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤500℃;耐热玻纤(石英，高硅氧)1200℃返回(3).电性能碱玻璃电绝缘性差，随温度、湿度↗，绝缘性↘。无碱玻璃电绝缘性好。(4).耐蚀性纤维比表面积大，化学稳定性差。加入网络形成体可改善耐蚀性。•无碱玻璃耐水性好。•中碱玻璃耐酸性好。•无碱和中碱玻纤耐碱性相近。返回二、碳纤维CF•由有机纤维经高温固相反应（脱氢、交联、环化、石墨化）而得，主要成分为碳的无机纤维。•具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。•由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构件，如航天航空、高档体育器材中。返回碳纤维编织布碳纤维板碳纤维碳纤维编织环碳管碳纤维高尔夫球杆碳纤维结构件碳纤维自行车碳纤维齿轮C/C轴承止推环返回1．品种分高强、高模、中模和低性能碳纤维•聚丙烯腈基纤维高、中性能碳纤维•人造丝基(粘胶)纤维•沥青基纤维低性能碳纤维•其它(多环结构的天然纤维)原料选择原则：•C链结构，杂链结构只能成碳黑。•易于交联、环化，碳收率高。•主链内含有环状结构、硬性、结晶度高的纤维。返回2．制备方法⑴．碳化法——生产长纤维•拉丝：制有机长纤维•牵伸：规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。•氧化稳定：低温，～40