第9章-纤维增强复合材料-董

1第九章Chapter9纤维增强复合材料FiberReinforcedComposites2无处不在的复合材料土房---草增强泥基复合材料钢筋混凝土建筑框架玻璃钢撑杆3无处不在的复合材料3复合材料在航天领域中的应用主货舱门----碳纤维/环氧树脂压力容器----纤维/环氧树脂主机隔框和翼梁---硼/铝复合材料“哥伦比亚号”航天飞机发动机的喷管----碳/碳复合材料发动机组传力架--钛基复合材料机身防热瓦----陶瓷基复合材料4无处不在的复合材料•“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”4国家技术发明一等奖（2004年）黄伯云研制的飞机刹车片应用于飞机可以减轻飞机重量300公斤机降落时，刹车片要承受巨大的摩擦力和上千度的高温，如果承受不住考验，就会机毁人亡。因此，对于制造刹车片的材料要求极高，由于我国不掌握这种材料的制备技术，每年国家为进口要花费数十亿元的外汇。5无处不在的复合材料(1)机翼(2)垂直尾翼和水平尾翼(3)地板梁和后承压框(4)固定机翼前缘(5)机翼后缘处的襟翼,副翼(6)机身壁板法国“空中客车”公司生产的A380双层四引擎大型客机，最大可载客量650人66复合材料在体育用品中的应用7玻璃纤维/环氧树脂玻璃纤维环碳纤维/环氧树脂复合材料轻质、高强、高弹性、较低成本、低密度及屈服强度Pole-vaulting复合材料在撑杆上的应用8概述1.定义：复合材料指由两种或两种以上的组成、结构或形式、性能各异的材料，经宏观、物理复合而成的一种多相材料。CompositesDefinition:Acombinationoftwoormorematerials(reinforcement,resin,filler,etc.),differinginformorcompositiononamacroscale.Theconstituentsretaintheiridentities,i.e..,theydonotdissolveormergeintoeachother,althoughtheyactinconcert.Normally,thecomponentscanbephysicallyidentifiedandexhibitaninterfacebetweeneachother.9必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料通过各组分性能的互补可获得单一材料不能达到的综合性能复合材料三个必要条件1231010复合材料的基本组成增强体晶须颗粒纤维reinforcement基体陶瓷聚合物金属matrix水泥也称基体材料，它是连续相，起胶结作用也称增强材料，它是分散相，起增强作用，提高复合材料的强度和体积稳定性等11复合材料的分类按增强体类型分类几何形状纤维颗粒板状粒径在0.01～0.1m或达到cm级的颗粒状材料，如混凝土、塑料等长径比较大的纤维材料，如玻璃钢，纤维水泥复合材料等连续纤维短切纤维12复合材料的分类无机基复合材料：水泥、陶瓷等有机基复合材料：合成树脂、合成橡胶等金属基复合材料：铁、钢、铝、钛等按基体材料分类13复合材料的分类单层复合材料：断面是匀质一致的，没有明显的层(界面)状结构多层复合材料：断面呈现明显的层界面，有夹层、叠层多种结构构造按构造分类14单层纤维增强塑料屋面板（瓦）1516蜂窝夹层复合板这种板由两层面板和蜂窝芯板构成。可制成不同规格的空心板。根据板的不同用途，空腔材料可选用：PC（聚碳酸脂）、PP（聚丙烯）。空腔直径：3.5mm-14mm,容重：55-400Kg/m3。其中常用的一种PP8.0-80蜂窝板其容重仅为80Kg/m3，具有轻质高强的特点。因此被广泛应用于火车箱体、汽车车身、飞机壳体、船舶、玻璃钢夹层、隔板、地板中。17蜂窝芯板结构18蜂窝夹层复合板19梯形板结构20复合材料的性能特点性能的线性加和性，复合材料定律：Pc=aPm+bPr式中：a、b为加和系数；Pc,Pm,Pr分别是复合材料,基体材料和增强材料的性能性能的不均一性：各向异性性能的可设计性强可根据需要，设计材料的组织和结构性能的离散性较大复合材料可以通过组成、结构与构造的设计，充分发挥各组分材料的优点，相互弥补各自的不足，因而赋予复合材料以最大的优势性能。这种优势的互补可以产生量与质的飞跃。如用水泥基材料与钢纤维复合可以制备性能超过金属的纤维水泥材料——活性粉末混凝土，其抗压强度到达800MPa以上。21在土木工程中的应用•结构工程•防腐工程•给水排水工程与废水处理•混凝土结构物修补加固22工程应用的优点BenefitsinConstruction大尺寸的构件LargePartSize设计灵活性DesignFlexibility设计灵活性DesignFlexibility定向强化OrientatedStrength比强度高HighStrengthtoWeightRatio耐腐蚀CorrosionResistance特制的表面修饰TailoredSurfaceFinish尺寸稳定DimensionalStability低热导率LowThermalConductivity23性能优点BenefitsinPerformance轻质lightweight刚性stiffness高强strength低导热heatresistant抗冲击impactresistance低电导率electricalconductivity耐磨wearresistance抗腐蚀corrosionresistance低成本lowcost24纤维增强复合材料的增强材25纤维复合材料中各组分的作用纤维的作用细化、分解基体材料中的裂纹，减少了应力集中；通过桥连基体材料中的裂缝，阻止裂缝的扩展，提高抗拉强度和抗冲击性能。通过纤维的拔出功，赋予基体材料在高应力水平下的高断裂韧性和断裂能。基体材料的作用保护纤维表面，免受因磨耗或大气腐蚀引起的损伤；通过界面的粘结力和剪切力传递荷载给相邻纤维；分散和瓦解了纤维纵向裂纹，将荷载传递给相邻的纤维26纤维•种类无机纤维：玻璃纤维、碳纤维等有机纤维：植物纤维、芳纶纤维等金属纤维：碳钢纤维、不锈钢纤维等•作用沿纤维的长度方向承受荷载；在一个方向（主荷载方向）上提供强度和刚度。27（1）玻璃纤维•玻璃纤维由处于1200ºC的高温熔融态玻璃经高速拉丝在5秒钟内冷却至室温而成纤维束。•经铂金干埚地板上的丝空拉出的纤维束，用润滑剂进行表面处理，以改善纤维表面特性。玻璃纤维的制造工艺流程图28拉丝29生产玻璃纤维的玻璃种类•有四种玻璃可以用于制造玻璃纤维：E－玻璃低碱含量的普通玻璃，在建材领域用量最大的一类玻璃；AR－玻璃含有氧化锆（ZrO2）的抗碱玻璃，主要用于水泥基材料的增强纤维；S－玻璃超高强和超高弹模玻璃，主要用于航天航空领域M-玻璃高模量玻璃纤维。30国内玻璃纤维及其制品种类•最常用的玻璃纤维是无碱纤维和中碱纤维。中碱纤维几乎所有的性能都比无碱纤维差，但耐酸性较无碱纤维好，价格也较低。•玻璃纤维制品主要有：纤维：短切纤维(L≤50mm)，连续纤维纱纤维布：无纺方格布、平纹布、纤维带等。纤维毡：连续毡、表面毡、针织毡、复合毡等31玻璃纤维制品短切纤维无纺布连续纤维玻纤毡32玻璃纤维毡33连续玻璃纤维纱锭34玻璃纤维无纺布35玻璃纤维性能特点•强度高HIGHSTRENGTH•耐水性好GOODWATERRESISTANCE•电绝缘性好GOODELECTRICINSULATINGPROPERTIES•刚度低LOWSTIFFNESS36（2）碳纤维•碳纤维是由有机高分子合成纤维经高温绝氧条件下碳化、转化而成的一种纤维。•制造工艺：首先制造合成纤维，然后在400ºC下稳定，再在800～1200ºC下碳化，最后在2000ºC以上的条件下石墨化（graphitization）。•用于制造碳纤维的母体(precursors)纤维有：人造纤维素纤维（Rayon）经碳化后只有25％的产率；比较贵；聚丙烯晴（Polyacrylonitrile)纤维主要母体纤维，经碳化后可获得50～55％的产率，拉伸强度较高；沥青(煤焦油、石油沥青)基树脂(Pitch)纤维成本最低，产率最高，但纤维质量和性能不均匀。•碳纤维型号：高强型（HT）、超高强型（UHT）、高模量弄（HM）、超高模量型（UHM）。37碳纤维纱锭38碳纤维的制造工艺流程39生产1kg碳纤维需要2kg的聚丙烯晴纤维40碳纤维的显微照片41碳纤维拉伸断裂端的显微照片42碳纤维的性能特点•耐高温，高温下弹性模量高GOODMODULUSATHIGHTEMPERATURES•刚度很好EXCELLENTSTIFFNESS•热膨胀比玻璃纤维大MOREEXPENSIVETHANGLASS•脆性较大BRITTLE•电绝缘性低LOWELECTRICINSULATINGPROPERTIES43（3）芳纶纤维•芳纶纤维是由芳香聚酰胺树脂制成的合成高分子纤维，最早于1972年由美国杜邦公司发明。•由挤拉和拔丝工艺成型，将－50～－80C的树脂溶液挤喷入200C的热壁圆柱体中，溶剂挥发，纤维缠绕在绕线管上，然后，经抽拉工艺过程，增加强度和刚度。•性能特点：纤维的结构是各向异性，在径向有很高的强度和刚度；抗疲劳性好；拉伸时呈弹性行为，受压时是非线性的；高韧性。•品牌：Kevler49，Kevler2944芳纶纤维的性能特点：•优点：VerygoodstiffnesstoweightratioHighimpactresistanceHighfatigueresistanceHighsolventresistanceFireresistant(selfextinguishing)HighestspecifictensilestrengthforagivenweightoffibreKevlarcompositesareonaverage35%lighterthanglassfibrecomposites•缺点：Fibresdonotbondverywell,andcanproducemicro-cracksintheresin,causingwaterabsorptionifsubjectedtofatigue.Thefibresarehardtomachine,andcanhaveafluffyappearance.AramidsareaffectedseverelybyUVlight,andthereforemustbekeptinthedarkatalltimes.45（4）钢纤维•按照钢材的组成碳素钢纤维；不锈钢纤维。•按照钢纤维的外形平直形、弯钩形、波形、凹凸形、压棱形、哑铃形、书钉形和不规则形等。•按照加工生产方法剪切型、熔抽型、切断型和切削型等。46钢纤维的各种外形波浪形弓形平直形压痕形哑铃形47各种钢纤维48钢纤维的各种规格与性能产品型号长度(mm)直径(mm)长径比钢纤外形抗拉强度(MPa)CS01-32/6532~650.4~1.240~80平直形380~600CS02-32/6532~650.4~1.240~80压痕形600~1000CS02-32/6532~650.4~1.240~80弓形1000CW03-32/6532~650.4~1.240~80波纹形各种型号的断面形状为圆形或矩形；亦可按特殊要求生产。49几种纤维性能的比较品种密度强度弹模伸长率(g/cm3)(MPa)(Gpa)(%)钢纤维7.8617702001.8碳纤维1.7834002401.4玻璃纤维2.603500724.8聚丙烯纤维0.90600620芳伦纤维1.442900603.6聚乙烯纤维0.973000955.5注：高弹模的聚乙烯纤维为国内新产品50第三节钢纤维混凝土SteelFiberConcrete51概述•混凝土性能缺限：脆性大，抗拉强度低。采用纤维增强是改善混凝土脆性，提高抗拉强度的一个重要手段