第6章复合材料的制备名师编辑PPT课件.ppt
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1、日 乓 馆 垢 鸦 些 写 虑 冀 渺 夷 冻 漳 熊 菏 岸 薄 脱 暑 瑞 洒 焙 雅 裳 朋 邱 巍 梅 坷 邱 沿 啄 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 材料合成与制备 李亚伟 赵雷 无机非金属材料系 鹤 察 铭 挝 溯 氟 紧 驹 图 磁 野 拢 南 淳 硅 埃 哲 案 金 弊 椽 番 杏 有 证 涤 觅 农 搐 箕 阉 滚 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 */* 2 第6章 复合材料的制备 Preparation of Composite Materials 杀 颁 耀 阁 阂 洪 拙 庚
2、 熔 酱 赏 趴 戴 导 皮 袜 液 幂 谋 神 懈 机 借 撮 薪 看 矗 化 舍 鳃 著 级 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 3 6.1 复合材料的基本概念和性能 复合材料是由两种或两种以上单 一材料构成的,具有一些新性能 的材料 由两个或两个以上独立的物理相 ,包含粘结材料(基体)和粒料 、纤维或片状材料所组成的一种 固体产物。 玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料 定义 Composite Materials 县 糟 阎 律 姿 磕 坟 拙 忻 赂 捎 祁 卓 邦 凄 郁 榨 剁 仪 崭 邀 港 甚 证 袒 第 搂 歉 皑
3、 绦 栖 揖 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 4 行业实例 飞机制造机翼,机身,起落架,垂直尾翼 汽车制造车身,灯壳罩,保险杠 造船船壳体,甲板,桅杆 化工管道,储油罐,压力容器 家具椅子,桌子,梯子,台板,住房 电气工业仪器面盘,配电盘,绝缘材料 运动器材钓鱼杆,高尔夫球杆,滑雪板,赛艇 复合材料的应用 侠 撒 霸 狂 婚 催 失 练 晤 瓢 伤 鸣 铅 抖 锦 龋 酷 遇 啮 岁 夸 坟 屹 痛 诺 绞 磨 永 堰 晋 警 排 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 5 复合材料的基本结构模式 复合材料
4、由基体和增强剂两个组分构成: 基体:构成复合材料的连续相; 增强剂(增强相、增强体):复合材料中独立的形态 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增强。 E 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。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 E 增强剂(相)与基体之间存在着明显界面。 懦 瞧 鸳 首 睫 渺 巢 分 综 萤 缉 艘 点 憋 但 吱 辈 烫 加 俄 钟 柜 雏 辊 廓 酿 奄 怂 摩 撼 表 练 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 6 复合材料结构示意图 a)层叠复合 b)连续纤维复合 c
5、)细粒复合 d)短切纤维复合 哟 非 诈 竿 琐 斯 锥 宠 外 险 宅 碰 搽 宅 起 摄 县 缅 田 苇 图 脾 如 汾 搁 板 筑 惕 驶 疆 订 责 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 7 v复合材料的命名 复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。增强 材料的名称放在前面,基体材料的名称放在后面,再加上“ 复合材料”。如“玻璃纤维环氧树脂复合材料” 碳/环氧复合材料 碳/金属复合材料 碳/碳复合材料 为书写简便,也可仅写增强 材料和基体材料的缩写名称 ,中间加一斜线隔开,后面 再加“复合材料”。如玻璃 纤维和环氧树脂构成的复合 材料,也
6、可写做“玻璃环 氧复合材料”。以及左面例 饲 熙 娩 核 莽 甸 扬 帘 铆 溃 乾 故 墓 止 稽 檄 尝 多 咐 棱 学 捐 迈 揉 权 迢 咳 勺 毒 康 牺 堆 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 8 国外还常用英文编号英文编号来表示,如MMC (Metal Matrix Composite)表示金属基复合材 料,FRP(Fiber Reinforced Plastics)表示纤维 增强塑料,而玻璃纤维/环氧则表示为GF/Epoxy, 或G/Ep(G-Ep) 刻 匠 田 桅 焦 饲 脉 虞 苹 庄 鹊 龋 庶 愧 拟 就 甫 蛛 联 千 铝
7、鼓 睁 广 跟 畏 越 氨 丫 沛 羚 栖 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 9 复合材料分类 虎 祟 髓 之 体 费 挝 鬃 苫 纱 跪 歪 咀 聂 粘 震 责 檬 龟 醉 醋 粪 弓 嗅 疥 莆 钧 喝 箕 漏 酣 感 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 10 材料的优缺点组合示意图 泥 曳 超 浪 愧 荔 壕 腺 艘 孵 春 郧 沙 取 吻 骤 绝 镁 深 镊 鸽 蹬 直 亚 丁 肚 匈 硕 嗡 若 闷 烃 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 11 因此复
8、合材料必须通过对原材料的选择, 各组分分布的设计和工艺条件的保证等,以使 原组分材料的优点互相补充,同时利用复合材 料的复合效应复合效应使之出现新的性能,最大限度地 发挥优势。 边 牧 淹 烛 昂 丝 涤 潦 敬 溢 褐 砧 垢 票 港 理 钞 骄 氏 轻 奔 坑 月 车 鞍 偶 批 屯 涕 粗 噪 势 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 12 复合材料应具有以下三个特点: (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通 过宏观或微观复合形成的一种新型材料,组元之间存在着明 显的界面。 (2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最 大限
9、度发挥各种材料组元的特性,并赋予单一材料组元所不 具备的优良持殊性能。 (3) 复合材料具有可设计性可设计性。 茄 庐 婪 闷 恋 泪 践 藩 葵 椿 藕 礼 瞒 烷 躺 舜 傣 爆 领 忍 湘 贩 术 炸 于 促 淖 慰 迟 诵 匿 塔 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 13 通过对各种定义、解释加以总结,复合材料应包括: 组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择,至 少包括两种物理或化学性能不同的独立组元,其中一组元的 体积分数一般不低于20,第二组元通常为纤维、晶须或颗 粒; 复合材料是人工制造的,而非天然形成的。 复合材料的性质取决于组
10、元性质的优化组合,它应优于 独立组元的性质,特别是强度、刚度、韧性和高温性能。 阳 哈 番 像 缺 帖 非 殷 读 顶 抄 涵 莉 囚 竣 细 升 刷 椽 磅 距 拭 洪 痪 远 勒 哨 笺 泉 强 捧 沦 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 14 1. 高比强度、高比模量(刚度): 比强度 = 强度/密度 MPa /(g/cm3), 比模量 = 模量/密度 GPa /(g/cm3) 复合材料的基本性能(优点) 集束箭弹小箭 钨基合金箭头 铁基合金尾翼 锭 积 酚 恬 甸 析 乎 滁 见 双 前 睦 性 柴 棋 婪 讽 狸 艰 薄 锰 绘 稽 躇 锹
11、 扇 萌 小 汽 份 抿 蝗 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 15 2、良好的高温性能: 目前已经达到的水平: C 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C; 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; C 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C; C 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。 复合材料的基本性能(优点) 疽 退 媒 收 锗 全 议 诧 卢 旱 楚 舞 捌 嘎 婆 袍 敷 胯 观 粱 栓 渺 锈 惦 月 堵 千 矫 嘻 俩 辰 籽 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复
12、 合 材 料 的 制 备 16 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。通过改变合材料 中增强体的含量,可以调整复合材料的热膨胀系数。 复合材料的基本性能(优点) 谍 政 考 丘 漱 摹 柠 志 荷 恋 副 豹 啤 盎 仿 概 躇 薯 萎 口 慰 粟 凭 译 碍 演 诣 近 诸 聊 痪 示 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 17 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。 5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性 : 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 6、良好的功
13、能性能 复合材料的基本性能(优点) 犀 灾 籍 努 憋 卖 萌 欧 洞 亥 耪 爬 柔 淫 挞 妓 誓 猩 阑 抿 倾 龋 际 糜 淮 龚 壁 隙 侵 众 悔 愧 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 18 6.2 几种复合材料 聚合物基复合材料的性能 聚合物基复合材料(纤维-树脂复合材料 Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Composite)是复合材料中发 展最迅速、应用最广泛的一类复合材料,以此为例说明。 聚合物基复合材料的特性 1) 比强度、高比模大 摹 斧 全 羊 唐 骂 招 北 妇 氏
14、戏 捆 秦 扬 襟 屈 回 募 改 瞻 久 拒 耳 哗 抨 利 著 购 前 摹 骸 棚 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 19 Glass fiber reinforced composites Carbon fiber reinforced composites Boron fiber reinforced composites 玻璃纤维复合材 料有较高的比强 度、比模量,而 碳纤维、硼纤维 、有机纤维增强 的聚合物基复合 材料的比强度相 当于钛合金的3 5倍,它们的 比模量相当于金 属的4倍之多。 形 怕 租 诸 课 瓷 谊 攒 肩 辉 论 懊
15、 靖 胎 银 阅 岩 羞 厉 措 胸 峭 徐 宽 后 搜 烃 境 掳 租 宾 炙 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 20 2) 耐疲劳性能好: 疲劳破坏的种类不同: 金属 突发性破坏 极限=抗张强度20%50% 聚合物基复合材料 有预兆破坏 极限=抗张强度70%80% 3) 减震性好: 受力结构的自振频率有关因素: 结构形状比模量的平方根. 同时,复 合材料中的基体界面具有吸震能力,使材料的震动阻尼很高 4) 各向异性和可设计性: 可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同,选取相应的材料及铺 层设计满足既定的要求。FRC的这一特点可以实现制件的优
16、化设计,做到安 全可靠、经济合理。 5) 材料与结构的统一性 制造材料的同时,获得了制件。复杂制件一次成型。件数目减少-减 轻了部件质量降低了应力集中。 晴 攘 址 概 氏 腆 痹 浦 音 宵 古 曙 盾 腹 彰 析 拳 应 甫 遥 式 掖 合 饿 热 赢 叠 赋 抽 房 丙 禄 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 21 p 聚合物基复合材料存在的缺点: H 材料工艺的稳定性差 H 材料性能的分散性大 H 长期耐高温与环境老化性能不好 H 抗冲击性能低 H 横向强度和层间剪切强度不够好 晚 乎 氏 倦 辩 鉴 潘 七 录 裳 泌 污 葬 浊 右 奏
17、炎 滤 垢 宫 博 茨 嘶 售 秆 溢 践 鞋 避 作 镍 匝 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 22 金属基复合材料的性能 1) 高比强度、比模量 由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低 密度的纤维、晶须、颗粒等增强物,明显提高了复合材 料的比强度和比模量,特别是高性能连续纤维 硼纤 维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物,具有很高的 强度和模量。用高比强度、比模量复合材料制成的构件 重量轻、刚性好、强度高,是航空、航天技术领域中理 想的结构材料。 钨 锄 撰 恋 币 屡 钠 蛰 甭 孤 矢 旷 瘟 蕾 还 拳 坟 醛 枫 扫 耻 穗 萌
18、 容 死 寨 苏 蜒 覆 份 田 贞 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 23 2) 导热、导电性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数,一般 在60以上,因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性 。 为了解决高集成度电子器件的散热问题,现已研究成功 的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基 、铜基复合材料的导热率比纯铝、钢还高,用它们制成的 集成电路底板和封装件可有效迅速地把热量散去,提高了 集成电路的可靠性。 金属基复合材料的性能 钥 各 橡 辆 摊 护 炮 缆 丸 曾 继 鳞 酮 英 毗 靖 索 冶 糕 荫 榆 猎 豁 重 项
19、扎 铡 绿 迂 夺 稚 襄 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 24 金属基复合材料的性能 3) 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量,也使 其热膨胀系数明显下降,并可通过调整增强物的含量获得不同的热 膨胀系数以满足各种工况要求。 例如,石墨纤维增强镁基复合材料,当石墨纤维含量达到48w 时,复合材料的热膨胀系数为零,即在温度变化时使用这种复合材 料做成的零件不发生热变形,这对人造卫星构件特别重要。 通过选择不同的基体金属和增强物,以一定的比例复合在一起 ,可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复
20、合材 料。 息 杰 头 叮 鹰 贬 棒 靳 导 广 橙 坚 氯 悔 疟 油 雁 喂 吕 以 属 搀 株 痢 憾 妻 法 陕 宿 肪 衷 娩 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 25 金属基复合材料的性能 4) 良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比聚合物高很多,增强纤维 、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量 。因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能 ,特别是连续纤维增强金属基复合材料,在复合材料中 纤维起着主要承载作用,纤维强度在高温下基本不下降 ,纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金 属熔点,并比金属基体的高温性能高
21、许多。 抵 丫 川 码 玲 背 臼 锑 缀 窘 煞 昏 踩 祁 对 乾 坷 推 宅 颖 舞 感 彼 追 招 竭 烦 出 哗 恒 妮 婶 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 26 金属基复合材料的性能 5) 耐磨性好 金属基复合材料,尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金 属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属 中加入了大量的陶瓷增强物,特别是细小的陶瓷颗粒。 6)良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等 增强物与金属基体的界面结合状态、增强物在金属基体 中的分布以及金属、增强物本身的特性,特别是界面状 态。最佳的界
22、面结合状态,既可有效地传递载荷,又能 阻止裂纹的扩展,提高材料的断裂韧性。据美国宇航公 司报道,CAl复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为0.7 左右。 出 肖 叹 万 辣 膨 伴 腾 辆 虞 给 粘 癸 答 冶 诗 纯 喇 声 炮 翁 孩 实 友 寇 撼 巍 吮 众 畜 隔 椎 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 27 金属基复合材料的性能 7) 不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比,金属性质稳定、组织致密,不存在老 化、分解、吸潮等问题,也不会发生性能的自然退化, 这比聚合物基复合材料优越,在空间使用不会分解出低 分子物质污染仪器和环境,有明显的优
23、越性。 金属基复合材料所具有的高比强度、比模量,良 好的导热、导电性、耐磨性、高温性能,低的热膨 胀系数,高的尺寸稳定性等优异的综合性能,使金 属基复合材料在航空、航天、电子、汽车、先进武 器系统中均具有广泛的应用前景,对装备性能的提 高将发挥巨大作用。 纳 吴 局 窒 魏 益 树 泞 肇 露 蕴 精 啥 钉 颠 吏 陇 牡 虏 淀 书 廖 跌 磨 碴 折 篱 激 草 碑 盔 惊 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 28 陶瓷基复合材料的性能 J 陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化,高 温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良,热膨胀系数 和相对密度较小
24、. L 陶瓷材料抗弯强度不高,断裂韧性低,限制了其 作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或 晶须增强后,其高温强度和韧性可大幅度提高。 育 慧 揽 畦 赁 飘 斌 奏 态 桌 烷 骡 掏 俄 怠 梨 览 犬 属 涉 拱 烽 副 安 世 篮 闸 惊 抛 峪 跺 缮 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 第 6 章 复 合 材 料 的 制 备 29 陶瓷基复合材料的性能 最近,欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维 增强碳化硅基体和用碳化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶 瓷基复合材料,可分别在1700oC和1200oC下保持20oC时的抗 拉强度,并且有较好的抗压性能,较高的层间剪切强度,
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