(完整版)1复合材料及其制备技术的发展解析

SchoolofMaterialsScienceandEngineering《复合材料制备新技术》第一章复合材料及其制备技术的发展主讲：梅启林单位：材料学院SchoolofMaterialsScienceandEngineering复合材料的发展趋势机敏复合材料:具有感知外界作用而且作出适当反应的能力。机敏复合材料系统包括：传感功能材料、执行功能材料、基体材料、外部信息处理系统。传统材料复合材料先进复合材料功能复合材料结构功能一体化复合材料机敏复合材料智能复合材料SchoolofMaterialsScienceandEngineering复合材料的发展趋势智能复合材料：功能复合材料的最高形式，是在机敏复合材料的基础上向自决策能力上的发展，依靠外部信息处理系统中增加的人工智能系统，对信息进行分析，给出决策，指挥执行材料作出优化的动作。提高复合材料性能的途径（1）高性能原材料（2）复合材料的优化设计（3）制备方法和设计技术SchoolofMaterialsScienceandEngineering复合材料的基本概念定义：复合材料是由两种或多种不同类型、不同性能、不同形态、不同成分和不同相型的组分材料，通过适当的复合方法，将其组合成一种具有整体结构特性的、使用性能优异的材料体系。复合材料是由基体相、增强相和界面相三相组成的。分类：(1)按基体分类通常可分为：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料、碳碳复合材料和纳米复合材料五类；(2)按增强材料形态可分为：连续纤维增强复合材料、短纤维制品、晶须增强复合材料、颗粒(或填料)填充复合材料、纤维及颗粒增强增强复合材料和纳米粉体改性复合材料五类；(3)按增强材料区分：纤维增强复合材料、颗粒(或填料)填充复合材料和纳米粉体改性复合材料等。一、基本概念SchoolofMaterialsScienceandEngineering复合材料制备技术的概念复合材料制备技术是指将两种或多种不同类型、不同性能、不同形态、不同成分和不同相型的组分材料复合成整体结构的形式，且能发挥出优良特性材料体系的“合适的复合方法或技术”。复合材料的制造方法或技术的持点：(1)主要根据基体相的加工性能不同而选用不同的加工方法。如：树脂基复合材料选用塑料成型方法或技术；(C/C)复合材料初期采用塑料成型技术，后期采用陶瓷或金属烧结技术；陶瓷基和金属基复合材料采用陶瓷和金属材料传统的制造加工技术，而纳米复合材料的制造技术同样也放在对基体材料的改性技术，另一方面是采用纳米材料生成法制备纳米结构的基体或增强材料；(2)复合材料制造技术的另一个特点是基本上继承了传统的制备工艺，并在此基础上发展起来，如：树脂基复合材料的手糊工艺．是继承有数千年历史的裱糊工艺；模压工艺则是继承金属的制造、模锻工艺等；(3)高新技术在复合材料制造中的广泛应用，使现有的工艺技术不断得到完善，工作效率明显提高，新的制造方法和技术不断涌现，形成了复合材料制造技术发展的又一特点。如：在复合材料加工中广泛利用计算机技术进行选材、制品设计、工艺控制等。新型的液体模塑工艺(如树脂传递模塑工艺．反应注射模塑工艺等)的出现，电子束固化工艺技术的应用等都充分说明复合材料发展的这一特点。SchoolofMaterialsScienceandEngineering高技术复合材料的基本概念材料的概念与范畴所谓高技术复合材料是指那些已得到较为广泛应用的，并在实际应用中已证明其使用性能优良、制造工艺与技术先进、产品技术含量高的材料品种，以及代表材料科学发展方向的材料体系。如：树脂基复合材料、碳碳复合材料和纳米复合材料等。其中，树脂基复合材料中高技术材料主要是指：高性能玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、高拉伸(或超高分子质量)聚乙烯纤维增强复合材料、陶瓷纤维(晶须)增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、金属纤维、有机纤维增强功能或超混杂复合材料等。而碳碳复合材料是航天、航空结构件，导弹、火箭耐烧蚀件等的专用材料。纳米复合材料是日前可实现商品化生产的纳米技术产品之一，代表着来来材料科学的发展方向。由于陶瓷基和金属基复合材料尚处于研制阶段，其应用量很小，制备技术还基于传统材料制造方法，未形成独特的工艺技术，所以来将其列为高技术材料之列。随着这两种复合材料在制造过程中高新技术的引入．相信在不远的将来会逐步形成自己独特的工艺技术。SchoolofMaterialsScienceandEngineering高技术复合材料的基本概念制备技术的概念高技术复合材料制各工艺是在原复合材料制备工艺基础上，引入高新技术，更适合于材料制备，且技术水平高，产品技术含量高，性能优越的制备技术。其中包括：计算机选材设计、预混料制备技术、织物编织技术、新型成型工艺技术(如树脂传递模塑成型、增强反应注射成型等)、碳碳复合材料的先驱体浸渍热解技术、纳米复合材料的插层、共混、原位聚合、溶胶—凝胶、分子自组装等技术，均代表了现代科学技术发展方向。SchoolofMaterialsScienceandEngineering二、树脂基复合材料制备技术的发展复合材料的发展第一代复合材料是以玻璃纤维增强复合材料为代表，是目前用量最大、技术最为成熟的低成本复合材料之一。第二代树脂基复合材料是以碳纤维增强复合材料为代表。第三代树脂基复合材料是有机纤维增强复合材料。如以美国杜邦公司的KVlar芳纶纤维复合材料为代表。这种热熔性液晶聚合物纤维比强度优越，弹性模量是玻璃纤维的2倍，价格只有碳纤维的1/3，加之其突出的韧性和回弹性是其他纤维所不具备的，故而问世不久就被各国工业部门和军方采用，是目前最有发展前途的增强材料之一。第四代树脂基复合材料是20世纪80年代末美国A11id公司商品化的一种以S900和S1000为代表的具有超高强度、模量的高拉伸聚乙烯纤维。荷兰研究所和日本东洋纺织公司联合开发高拉伸聚乙烯纤维，并用其制造出环氧基复合材料，其拉伸强度3．5GPa、模量达125GPa、比强度比钢大10倍、比碳纤维大4倍、比芳纶纤维大50％，是20世纪90年代世界上强度最大的纤维，而且其密度最小(0．92kG／m3)，具有可透射雷达波、介电性极佳、结构强度高等待点，经v50弹道实验表明，该纤维是20世纪90年代抗弹性最好的弹道材料，故而在兵器上获得了较为广泛的应用．持别是装甲防护领域更是这种复合材料发挥作用的领域。另外，它还可作为超轻质复合结构材料和超轻质功能结构材料加以应用。SchoolofMaterialsScienceandEngineering二、树脂基复合材料制备技术的发展复合材料的发展第五代为PBO纤维增强复合材料。随着材料科学的高速发展，使众多新材料问世。如美国道化学公司和日本东洋纺织公司合作研制成功的聚苯并双噁唑(PBO)纤维及其复合材料被称为21世纪超级纤维复合材料。该纤维无熔点，在高温下不熔融，经热量分析测得的在宅气中的热分解温度高达650℃；比对位芳酰胺纤维高100℃左右。极限氧指数为68，在有机纤维中，小于PTFE纤维(95)，而高于聚苯并眯唑(PDI)纤维。该纤维在与火焰接触后不收缩，移去火焰后基本无残焰，朽料质地柔软。其密度为(1．54—1．56)，拉伸强度为5.8GPa，断裂伸长率为3．5％。可制成短切纤维、织物、毡等，与树脂浸渍性亦住，加工性能良好．是目前惟一将优越的力学性能、卓越的耐高温性能和优良的加工性能结合在一起的有机纤维。目前此种纤维增强复合材料尚处在实验室阶段，但从其展示的使用性能上看，可为21世纪集耐高温和力学特性于一身的超高性能复合材料．也是一代更新换代的材料品种。SchoolofMaterialsScienceandEngineering二、树脂基复合材料制备技术的发展树脂基复合材料制备工艺的进展早在20世纪40年代初国外就用手糊工艺制造出军用飞机雷达罩，1942年第一艘玻璃钢渔船又采用手糊法制造成功.为了克服手糊制品材料质地疏松、密度低，严重影响制品强度的缺点，20世纪50年代初研制出真空袋、压力袋、压力罐等技术，使制品质量有了明显提高，满足了应用要求。为了改善工人劳动条件，提高手糊工作效率，20世纪60年代又研制出喷射工艺。喷射成型也可归于手糊工艺(低压成型)一类。它的主要不同处是增强材料改用短切纤维代替玻璃布，短切纤维和树脂分别经过喷枪混和后被压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶辊按压，然后固化成型。喷射成型较之手糊工艺适应性提高，制品的质量也获得改善。SchoolofMaterialsScienceandEngineering二、树脂基复合材料制备技术的发展树脂基复合材料制备工艺的进展1994年，美国采用玻璃钢机翼的军用飞机试飞成功。这种机翼的上下蒙皮均是玻璃布层板，中间粘结轻质材料作为夹芯。蒙皮采用了层压工艺，制品的密度、表面质量和强度均大大优于手糊工艺。同时夹芯的装配采用了粘结工艺，从此将具有悠久历史的粘结技术引人了复合材料工艺。在第二次世界大战期间，美陆军还采用模压成型工艺制造出碎布增强的枪托和握把，20世纪50年代一60年代又改用玻璃钢枪托护木和握把，同时还模压出大口径炮弹弹托。使武器装备的质量大大减轻，机动灵活性增强，为地面武器装备轻量化、功能化开创了新的研究领域。50年代，环氧树脂获得实际应用，由于它的优越性能，立即被作为复合材料基体用于直升机旋翼。1956年，采用层压工艺生产出了玻璃布环氧树脂板，迄今仍是制造印刷电路板的理想材料。与手糊和喷射成型不同，层压是将逐层铺叠的浸胶玻璃布放置于上下平板模之间加压加温固化，因此产品质且改善，易于实现连续化大批量生产，这种工艺直接继承了木胶合板的生产方法与设备，并根据树脂的流变性能进行了改进和完善。SchoolofMaterialsScienceandEngineering二、树脂基复合材料制备技术的发展树脂基复合材料制备工艺的进展与层压工艺相近的复合材料工艺是模压。此种工艺是在对模中加温加压一次得到所需形状的制品。模压工艺参照了金属成型的铸造、模锻等工艺，模压制品作为一种复合材料，它的历史较之玻璃钢要更早些，可以追溯到19世纪未期.从1949年开始，市面有事先混合好的面团状模塑料——“团状模塑料(DMC)”出售。后来又出现了块状模塑料(BMC)；20世纪60年代初在联邦德国出现了片状模塑料(SMC)，1965年左右美、日等国相继发展了片状模塑料的成型工艺。从20世纪60年代开始，美国将纤维缠绕技术用于制造大型固体火箭发动机完体使导弹的质量大大减轻，射程成倍增加。例如“北极星”A3导弹一、二级发动机壳体用复合材料代替合金钢，质量减轻45％，射程由1600km增至4000km，此一范例稳固地确立了复合材料在现代武器和国防技术中的地位。纤维缠绕的主要设备缠绕机是参考纺织技术设计发展的，充分继承了纺织工业的一些古典技术，例如旋转机构，并捻、络纱和张力控制等，同时也汲取厂车床走刀系统的动作原理。SchoolofMaterialsScienceandEngineering二、树脂基复合材料制备技术的发展树脂基复合材料制备工艺的进展为了适应节省能源的世界性趋势，国外出现了反应注射模塑(RIM)、增强反应注射模塑(RRIM)新工艺和树脂传递模塑等液体法成型复合材料新工艺。它将液态单体合成为高分子聚合物，再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接咨模具中同时——次完成，现减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期(只需约21min便可完成一件制品)。当然，此种工艺的推广应用，必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础。SchoolofMaterialsScienceandEngineering二、树脂基复合材料制备技术的发展复合材料制造工艺发展过程四次重大的技术进步第一次技术进步是1926年发明的传递模塑工艺．对树脂基复合材料制品采用厂专用的塑化装置，有效地改变了制品在型腔内的塑化状况，解决厂树脂基复合材料，特别是用量较