复_合_材_料.ppt
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1、1,复 合 材 料,2,1、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),3,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。,4,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
2、解碳或树脂碳 (耐烧蚀),5,1、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,6,3.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),7,性能:取决于基体相、增强相种类及数
3、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 .比强度比刚度高 .冲击韧性和断裂韧性高 .耐疲劳性好 .减震性 .热膨胀系数小,三. 复合材料的性能比较,裂纹扩展示意图,8,各种材料的比强度和比模量,9,、硬度 陶瓷基 金属基 树脂基 、耐热性 树脂基: 60 250 金属基: 400 600 陶瓷基: 1000 1500 、耐自然老化 陶瓷基 金属基 树脂基,2、取决于基体相的性能,10,、导热导电性 金属基 陶瓷基 树脂基 、耐蚀性 陶瓷基和树脂基 金属基 、工艺性及生产成本 陶瓷基 金属基 树脂基,11,1、设计的三个层次: 单层设计 - 微观力学方法 层合体设计
4、- 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,12,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。,13,2、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。
5、,14,2. 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。,15,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。,16,一、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。,17,1、热固性聚合
6、物 (-OH、-NH2-、-OCNH-、-CH=CH-) .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,18,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。,19,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。,20,双酚型 CH2 - CH - CH2Cl + n(HO - - R -
7、 - OH),(2)、环氧树脂,环氧氯丙烷,二酚基化合物,通式:线性预聚体 CH2 - CH - CH2 O - - R - - O n,21,其中R:,CH3 - C - CH3 A 丙基,- CH2 - F 亚甲基,O - S - O S 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。,22,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。,23,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
8、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。,24,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。,25,环氧树脂特点: 粘附力好,韧性较好,收缩率低。复合材料 强度
9、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。,26,(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 - H,OH ,1,5,3,27,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。,28,应用:,
10、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。,29,2.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。 CH3 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。 . 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
11、6、66、1010、610等。,30,(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。,31,(4)聚砜 以砜和苯环连结成硬性链,可在100150下长期使用,Tg 200;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300400,也常作为复合材料的基材。,32,Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Co、Zn、Pb及其合金,金属间化合物(TiAl、N
12、iAl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,33,2.环境温度 450 Al、Mg 450700 Ti合金 7001000 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、Mg Tm低,化学活性高 Cu、Ag、Ni Tm高,化学活性低 Ti Tm高,化学活性高,34,目的:增韧 基体材料:新型陶
13、瓷 Al2O3、ZrO2、MgO、SiO2、莫来石 TiC、SiC Si3N4、Sialon TiB2、Be2B、Be4B MoSi2,三. 陶瓷材料,35,3. 增强材料,玻璃纤维 低档 2040元/Kg 碳纤维 高档 6001000元/ Kg 芳纶纤维 中档 200400元/ Kg SiC纤维 B纤维 Al2O3纤维 金属丝,金属和陶瓷基,36,1. 品种 有碱玻璃纤维 A Na-Ca-Si系普通玻璃(Na2O15%) 中碱玻璃纤维 Na2O (10.512.5%) 用量少 无碱玻璃纤维 E Ca-Al-B-Si系 用量大 高强玻璃纤维 S Mg-Al-Si系 或B2O3系 高弹玻璃纤维
14、M S系中加入BeO,一. 玻璃纤维GF,37,2. 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。,38,粗纱 30m 无捻粗纱、无纺布 初级纱 20m 短切纤维、纤维毡 中级纱 1020m 高级纱 310m 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,39,3.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% (
15、2).热学性能 导热系数:比块玻璃低12个数量级 耐热性:普通Na-Ca-Si玻纤 500; 耐热玻纤(石英,高硅氧) 1200,40,(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。,41,二、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
16、要结构件,如航天航空、高档体育器材中。,42,44,1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。,45,2制备方法,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,400 ,防止热塑化。 碳化: 10002000,保护性气氛下,脱氢、交联、环化, 得乱层环状石墨。 石墨化: 20003000,乱层环结构向三维石
17、墨结构转化,形成 聚合碳结晶,并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增 高,热膨胀系数下降。但温度过高强度反而下降。 气相法 生产短纤维 高温分解小分子有机物,气相沉积纤维结晶。,46,3.CF 性能 力学性能 强度约为GF的2倍 模量约为GF的35倍 密度低1.72,所以比强度、比模量高。 断裂延伸率0.52% 热学性能 升华温度高达3800,耐高温性好。热膨胀系数小,纵向为负。,47,物理性能 导热、导电、自润滑。 化学性能 耐酸碱性强,高温抗氧化性差。C纤维电极电位为正,与金属复合易引起电偶腐蚀。,48,高强度有机纤维,由对苯二酰与对苯二胺缩聚而成。,结构与尼龙相似,含大量的高极性酰胺键,
18、但含苯环硬性链。,型,型,三. 芳纶纤维KF,49,50,1性能 力学性能 纵向拉伸强度与CF相当; 密度低1.44,比强度大。 横向强度低。 弹性模量CF KF GF 抗冲击性能很好。 热学性能 长期使用 200 热膨胀系数纵向为负 化学性能 耐中性化学品腐蚀,吸水率高。,51,2. 应用,航天航空:温度不高的高强度结构受力件 军事:防弹器件 民用:高弹轻质体育用品,缆索、轮胎、皮带的加强纤维。,52,四.其它纤维 1. SiC纤维 采用化学气相沉积法,将SiC沉积在W丝或C纤维表 面而得。 强度、模量与C纤维相近,耐高温达1000,耐腐蚀、耐辐射。 可用于要求耐热的高强度结构件,主要与金属
19、基和陶瓷基复合。 特点:共价键,相容性好,与基体结合强度高。,53,2.B纤维 气相法将B沉积在W丝或C纤维表面而得。 拉伸强度不高300MPa 突出特点:弹性模量高,相容性较好。 主要用于金属和陶瓷增强。 3.Al2O3纤维 熔融垂直拉单晶的方法制备,价贵; 高温不存在氧化问题,与金属等复合容易; 抗拉强度比GF高3倍,电学性能优良; 不足之处是密度高3.20g/cm3,54,4. 晶须 陶瓷晶须 金属晶须 是目前强度最高的品种,接近理论强度,比相应的长纤维高一个数量级。 复合增强效果不及长纤维,只能作为补强剂使用。 价贵,用量有限。,55,56,57,E,A,210,47,96,58,59
20、,4. 复合界面,复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。因为相与相通过界面偶合,它起着传递应力,阻断裂纹扩展,散射吸收各种电磁波,电偶腐蚀等作用。 复合过程中,液体材料通过润湿、渗透、 扩散和化学反应形成一层成分、结构不 同于两相的过渡层微区界面。 基体扩散层化合物层 扩散层纤维,基体,纤维,60,1. 物理结合 (机械咬合 + 次价键结合) 液态基体渗入纤维表面微孔,固化后形成咬合界面。 粗糙界面、低的表面能和低粘度,有利于物理结合。 极性树脂如:酚醛、聚酰胺、环氧等,与极性纤维具有良好的润湿性,并可形成次价键结合。 非极性树脂如:聚乙烯、聚丙烯。聚四氟乙烯等,结合力弱,复合效果差。 CF
21、表面极性差,经氧化后可提高结合力。,一典型界面结合,61,总之:,物理结合是一种比较弱的结合方式。 树脂基复合材料若不经特殊处理,多为物理结合。 金属基部分以物理方式结合。 陶瓷基几乎不以这种方式结合。,62,2. 扩散融合,两相成分不同,经扩散或熔融形成过渡层,性质介于两相之间,结合力较强。 金属与陶瓷基复合温度较高,小分子和原子易于扩散,较常见。 3. 化学结合 化学键结合力强。但当两相亲合力过强,可能发生化学反应,界面形成较厚的脆性化合物时,性能反而下降。,63,树脂基复合材料:为提高两相的润湿性和结合力,通常采用偶联剂处理纤维表面,或将偶联剂直接加到液态树脂中,以便形成化学键结合。 金
22、属与陶瓷材料:化学键结合常见。多数情况在界面上形成化合物层,脆性大,对力学性能不利。尤其是高温使用的材料,应防止延续反应。,64,二. 增强材料的表面处理,为改善纤维表面的浸润性,提高界面结合力,对纤维进行的预处理 表面改性。 要点:不同的复合体系应采用不同的处理方法。 树脂基 提高化学结合 金属及陶瓷基 抑制化学反应,65,1玻璃纤维 GF成分为SiO2,表面吸水后成-OH,可与含-OH、 COOH、-Cl的偶联剂反应成醚键结合。 偶联剂通式: R - M X M - 中心离子 Cr+3、 Si+4、 Ti+3等高价金属离子。 R - 可与聚合物交联的基团。如不饱和双键、氨基、环氧、 巯基等
23、。 X - 可与玻纤表面醚化的活性基团。如:-Cl、-OH、 -COOH、-OCH3、-OC2H5。,66,2. 碳纤维 氧化法 - 提高表面粗造度和极性。 沉积法 - CVD沉积碳晶须。 电聚合法 - 接枝高分子支链 3芳纶等有机纤维 等离子处理,使苯环氧化成 -COOH、 -OH ;或接枝聚合生成高分子支链。,67,4. 与金属基复合的纤维 目的: 提高浸润性,抑制化学反应。 CF、BF与金属反应活性高,化学相容性差; 氮化物、碳化物纤维反应活性较低; Al2O3反应活性最低。 措施: 降低复合温度,减少高温停留时间。 涂覆隔离层。如CF、BF表面涂SiC。 镀覆金属层,改善浸润性。如Al
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