Ch11复合材料.ppt
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1、第十一章 复合材料,11.1 复合材料概述 11.2 增强材料及复合增强原理 11.3 常用复合材料,复合材料船体,管接头(宇宙飞船上用) 用Beralcast363复合材料,刚度比铝材高3倍以上, 零件减轻22,与石墨等匹配很好,减少了焊接应力。,直升飞机反光镜和外罩 用Al基复合材料(SiC+Al合金),硬度高,热膨胀系数小,轻且耐磨,可满足战斗机在极端温度下正常工作。,11.1 复合材料概述,一、复合材料的概念 国际标准化组织对复合材料的定义:由两种以上在物理和化学上 不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。指经人工特意复合 而成的材料,不包括天然复合材料及钢、陶瓷这一类多相体系。,
2、二、复合材料的组成和分类,11.1 复合材料概述,(一)复合材料的组成 两个基本组成相: 1. 连续相,称为基体相,起粘接和固定作用; 2. 分散相,称为增强相,主要起承受载荷作用。,二、复合材料的组成和分类,11.1 复合材料概述,(二)复合材料的分类,二、复合材料的组成和分类,11.1 复合材料概述,二、复合材料的组成和分类,11.1 复合材料概述,三、复合材料的性能,既保持了组成材料各自的最佳特性,又有单一材料无法比拟的综合性能。,(一)力学性能 表11-1 常用金属材料与复合材料的性能比较 1. 高的比强度和比模量。 2. 较小的缺口敏感性,较高的疲劳极限,断裂安全性好。 3. 自振频
3、率高,阻尼特性好,减振性好;良好的高温强度、高温弹性模量和抗蠕变性能。,11.1 复合材料概述,(二)物理、化学性能 1.密度低,膨胀系数小。 2.许多复合材料具有导电、导热、压电效应、换能、吸波等特殊性能。 3.有些复合材料还具有良好的耐热性和化学稳定性。,三、复合材料的性能,11.1 复合材料概述,三、复合材料的性能,11.1 复合材料概述,三种材料的疲劳强度,三、复合材料的性能,11.1 复合材料概述,两种材料的振动衰减特性,三、复合材料的性能,11.1 复合材料概述,11.2 增强材料及复合增强原理,一、增强材料 二、复合增强原理,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,(一)
4、颗粒增强材料 主要是陶瓷材料颗粒,Al2O3、 SiC 、WC 、TiC 、Si3N4 、B4C 、石墨等。 氧化锌、碳酸钙、氧化铝、石墨等粉末增强材料一般作为填料用于塑料、橡胶制品。 炭黑一般不列入颗粒增强材料之中。,1. SiC 颗粒增强材料 2. Al2O3 颗粒增强材料,1. SiC颗粒 -SiC用做研磨和耐高温材料、也是一种电子材料。-SiC 颗粒没有明显的棱角、表面比较光滑,尺寸范围可小到几个nm,可用于制造高密度的耐高温材料、打印机使用的 “ 墨粉 ” 。,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,扫描电镜图片-近圆形 -SiC 颗粒,一、增强材料,11.2 增强材料及复合
5、增强原理,2. 氧化铝颗粒 Al2O3,分子量102,“铝氧”,白色无定形粉状物,俗称矾土,离子晶体,共价键,熔点2050,沸点3000,密度3.6g/cm3。,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,氧化铝颗粒,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,一、增强材料,(二)晶须增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,SiC晶须是一种高强度胡须状(一维)单晶体,具有高强、高模等优良的力学性能,广泛应用于金属基、陶瓷基复合材料。主要用于陶瓷刀具、宇航领域的高温元件,主强轴承座、大型泥
6、浆泵等。 n m级- SiC晶须,晶须直径 100 n m,长径比10,灰绿色,纯度95以上。 m级- SiC晶须,粒径在0.052.5 m之间,长径比20。,SiC晶须,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,一、增强材料,(三)纤维增强材料 大自然中有许多天然纤维,如棉花、麻类,动物的丝、毛,石棉等。天然纤维一般强度较低。 常用的纤维增强材料为合成纤维,分为有机纤维和无机纤维两类。有机纤维有Kevlar纤维、尼龙纤维、芳纶纤维及聚乙烯纤维等;无机纤维有玻璃纤维、碳(石墨)纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。,11.2 增强材料及复合增强原理,1. 玻璃纤维 2. 碳纤维,1.
7、玻璃纤维 玻璃纤维绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好,强度高,用做绝缘材料、玻璃钢的原料。 glass fiber或fiberglass,成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等制成。单丝直径从几m到二十几m ,相当于一根头发丝的 1/20 1/5 ,每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成,通常作为复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料、电路基板等。,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,玻璃纤维,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,玻璃纤维布,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,2.
8、碳纤维 碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上。力学性能优异,具有最高比强度、最高比模量。在2000以上高温惰性环境中,是唯一强度不下降的物质。,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,碳纤维,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,http:/ 增强材料及复合增强原理,一、增强材料,11.2 增强材料及复合增强原理,二、复合增强原理,(一)颗粒增强复合材料的复合增强原理,(1)弥散增强: 0.1m,氧化物,阻碍位错运动,强化机理与合金的 沉淀强化机理类似,基体是承受载荷的主体,但又有所不同,即: 合金的沉淀强化弥散相质点是借助相变而产生,当超过一定温度时合 金粗化甚至重
9、溶,导致合金高温强度降低; 而弥散增强复合材料中温度升高时,颗粒尺寸不变,蠕变性能好,优 于所用的基体金属或合金。 弥散增强颗粒的尺寸、形状、体积分数以及同基体的结合力都会影响 增强效果。,11.2 增强材料及复合增强原理,二、复合增强原理,(2)纯颗粒增强: 0.1 m,颗粒通过限制颗粒邻近基体的运动 来强化基体。不仅基体承受载荷,增强颗粒也承受部分载荷。 其性能受颗粒大小影响:颗粒尺寸小,增强效果好;颗粒与基体间的结合力大,如: 密度 c=pVp+mVm ccomposite pparticle mmatrix 但复合材料强度极限、硬度不能用混合定律。,11.2 增强材料及复合增强原理,注
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