复合材料与粉体材料精选PPT.ppt
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1、复合材料与粉体材料第1页,此课件共47页哦复合材料概述o三大材料:三大材料:n金属金属n无机非金属无机非金属n有机高分子有机高分子o复合材料复合材料n取长补短取长补短n协同作用协同作用n产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料2Chapter 9 Composites第2页,此课件共47页哦复合材料:复合材料:由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的多相固体材料。材料组合而成的多相固体材料。一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。一般由基体组元与增强体或功能组元
2、所组成。复合材料特点:可设计性复合材料特点:可设计性即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等,使原组分材料优点互补,因而呈现出出色的综合保证等,使原组分材料优点互补,因而呈现出出色的综合性能。性能。第3页,此课件共47页哦基体和增强材料Matrix and Reinforcemento基体基体连续相连续相o增强材料增强材料分散相分散相n也称为增强体、增强剂、增强相等也称为增强体、增强剂、增强相等n显著增强材料的性能显著增强材料的性能n多数情况下,分散相较基体硬,刚度和强度较基体大。多数情况下,分散相较基体硬,刚度和强度较基体大。n可
3、以是纤维及其编织物,也可以是颗粒状或弥散的填料。可以是纤维及其编织物,也可以是颗粒状或弥散的填料。o在基体和增强体之间存在着界面。在基体和增强体之间存在着界面。4第4页,此课件共47页哦聚聚合合物物基基复复合合材材料料金金属属基基复复合合材材料料陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料碳碳基基复复合合材材料料水水泥泥基基复复合合材材料料复合材料复合材料第5页,此课件共47页哦复合材料系统组合分散相分散相连续相连续相金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金金属属材材料料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属
4、片材金属/塑料板无无机机非非金金属属材材料料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶;颗粒/树脂基有机有机高分高分子材子材料料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶6Chapter 9 Composites第6页,此课件共47页哦o复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏(断裂),复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏(断裂),其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂其韧性大小取决于材料吸收冲
5、击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。纹扩展的能力。以纤维增强复合材料为例,以纤维增强复合材料为例,主要有纤维的拔出、主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。纤维搭桥等增韧机制。9.5.2 增韧机制7Chapter 9 Composites第7页,此课件共47页哦纤维脱粘纤维脱粘纤维搭桥纤维搭桥纤维拔出纤维拔出8Chapter 9 Composites第8页,此课件共47页哦 目前在生产中采用的成型工艺方法有:1.手糊成型显法铺层2.真空袋压法成型3.压力袋成型4.树脂注射和树脂传递成型5.喷射成型6.真空辅助树脂注射成型7.夹层结构成型8.模压成型9Chapter
6、 9 Composites第9页,此课件共47页哦9.注射成型10.挤出成型11.纤维缠绕成型12.拉挤成型13.连续板材成型14.层压或卷制成型15.热塑性片状模塑料热冲压成型16.离心浇铸成型10Chapter 9 Composites第10页,此课件共47页哦 挤出成型示意图挤出成型示意图1-1-转动机构;转动机构;2-2-止推轴承;止推轴承;3-3-料斗;料斗;4-4-冷却系统;冷却系统;5-5-加热器;加热器;6-6-螺杆;螺杆;7-7-机筒;机筒;8-8-滤板;滤板;9-9-机头孔型机头孔型11第11页,此课件共47页哦聚合物/无机纳米微粒复合材料聚合物聚合物/无机纳米微粒复合材料
7、是指无机纳米粒子分散于聚无机纳米微粒复合材料是指无机纳米粒子分散于聚合物基体中的复合体系。合物基体中的复合体系。第一类以改善塑料力学性能和物理性能为主要目的。第一类以改善塑料力学性能和物理性能为主要目的。第二类主要是利用无机纳米粒子的某些功能制备功能第二类主要是利用无机纳米粒子的某些功能制备功能材料。材料。第12页,此课件共47页哦1 1)塑料增强和增韧)塑料增强和增韧无机纳米粒子分散相具有较大的比表面积和较高的表面无机纳米粒子分散相具有较大的比表面积和较高的表面能,并且具有刚性,复合材料力学性能好。能,并且具有刚性,复合材料力学性能好。聚合物基体中加纳米粉体后,耐冲击强度、拉伸强度、热变形聚
8、合物基体中加纳米粉体后,耐冲击强度、拉伸强度、热变形温度都有较大幅度提高。温度都有较大幅度提高。最大优点:可同时提高冲击强度和抗张强度,模量也有提最大优点:可同时提高冲击强度和抗张强度,模量也有提高。高。第13页,此课件共47页哦2)功能材料第14页,此课件共47页哦聚合物/无机纳米微粒复合材料的制备方法1 1)共混法)共混法溶液共混法、乳液共混法、熔融共混法、机械共混法。除机械溶液共混法、乳液共混法、熔融共混法、机械共混法。除机械共混法允许采用非纳米微粒外,其他共混法都需先制备纳米共混法允许采用非纳米微粒外,其他共混法都需先制备纳米材料。材料。共混法的主要难点是纳米粒子的分散问题。共混法的主
9、要难点是纳米粒子的分散问题。第15页,此课件共47页哦2 2)溶胶)溶胶)溶胶)溶胶-凝胶法凝胶法凝胶法凝胶法q 溶胶溶胶-凝胶凝胶(Sol-Gel)过程过程是一种用金属烷氧化物或金属无机盐等是一种用金属烷氧化物或金属无机盐等前驱物前驱物Si(OC2H5)4在一定的条件下水解成溶胶在一定的条件下水解成溶胶(Sol),再缩聚成凝,再缩聚成凝胶胶(Gel),然后经溶剂挥发或加热等方法处理而制成固体样品的,然后经溶剂挥发或加热等方法处理而制成固体样品的方法。方法。1)前驱物的水解)前驱物的水解2)缩聚)缩聚第16页,此课件共47页哦溶胶溶胶-凝胶法凝胶法凝胶法凝胶法3)凝胶化)凝胶化经过水解、缩聚后
10、得到的是低粘度的溶胶,随着时间的延长,溶胶中颗粒逐经过水解、缩聚后得到的是低粘度的溶胶,随着时间的延长,溶胶中颗粒逐渐交联而形成三维网络结构。在该过程中,溶胶的粘度明显增大,最后形成坚硬渐交联而形成三维网络结构。在该过程中,溶胶的粘度明显增大,最后形成坚硬的玻璃状固体。溶胶的颗粒大小及交联程度可通过的玻璃状固体。溶胶的颗粒大小及交联程度可通过pH值以及水的加入量来控制。值以及水的加入量来控制。4)陈化)陈化凝胶形成后,由于凝胶颗粒之间的连接还较弱,因而在干燥时很容凝胶形成后,由于凝胶颗粒之间的连接还较弱,因而在干燥时很容易开裂为了克服开裂,需要将凝胶在溶剂的存在下陈化一段时间,以使易开裂为了克
11、服开裂,需要将凝胶在溶剂的存在下陈化一段时间,以使凝胶颗粒与颗粒之间形成较厚的界面凝胶颗粒与颗粒之间形成较厚的界面5)干燥)干燥在干燥过程中,溶剂以及生成的水和醇从体系中挥发,产生应力,在干燥过程中,溶剂以及生成的水和醇从体系中挥发,产生应力,而且分布不均,这种分布不均的应力很容易使凝胶收缩甚而开裂。因此而且分布不均,这种分布不均的应力很容易使凝胶收缩甚而开裂。因此应注意控制溶剂、水和醇的挥发速度来降低凝胶的收缩和开裂程度。应注意控制溶剂、水和醇的挥发速度来降低凝胶的收缩和开裂程度。第17页,此课件共47页哦溶胶溶胶溶胶溶胶-凝胶法凝胶法凝胶法凝胶法qSol-Gel过程一般可采取两种方式来实现
12、:过程一般可采取两种方式来实现:一是无机相原位生成;一是无机相原位生成;二是无机相和有机相协同生长。二是无机相和有机相协同生长。无机粒子是在聚合物提供的受控环境下通过无机粒子是在聚合物提供的受控环境下通过Sol-GelSol-Gel反应原位生成,反应原位生成,相当于在一个纳米模板或纳米微反应器中生成。相当于在一个纳米模板或纳米微反应器中生成。将预先形成的聚合物膜浸入前驱体溶液中,通过前驱体的离将预先形成的聚合物膜浸入前驱体溶液中,通过前驱体的离子交换或渗透完成掺合,然后经过水解、老化和干燥等步骤子交换或渗透完成掺合,然后经过水解、老化和干燥等步骤形成无机相。形成无机相。无机相原位生成无机相原位
13、生成:第18页,此课件共47页哦溶胶溶胶-凝胶法凝胶法无机相和有机相协同生长无机相和有机相协同生长:将高分子先溶解于合适的溶剂中,再加入前驱物、水和将高分子先溶解于合适的溶剂中,再加入前驱物、水和催化剂,在适当的条件下前驱物水解成溶胶,经缩聚反应后催化剂,在适当的条件下前驱物水解成溶胶,经缩聚反应后形成无机相,再干燥制得有机形成无机相,再干燥制得有机-无机纳米复合膜。无机纳米复合膜。第19页,此课件共47页哦溶胶溶胶-凝胶法凝胶法凝胶法凝胶法在以上两种不同的在以上两种不同的Sol-GelSol-Gel方式得到的纳米复合体系中,一方式得到的纳米复合体系中,一个明显的区别在于最终微观结构的不同。无
14、机相原位生成可个明显的区别在于最终微观结构的不同。无机相原位生成可以有效控制无机相的尺寸,粒子的最大粒径不会超过离子簇以有效控制无机相的尺寸,粒子的最大粒径不会超过离子簇的尺寸。的尺寸。而当有机相和无机粒子的生长同时进行时,两相之间的而当有机相和无机粒子的生长同时进行时,两相之间的相互作用以及相对含量就会影响到复合膜最终的微观结构。相互作用以及相对含量就会影响到复合膜最终的微观结构。第20页,此课件共47页哦聚合物/蒙脱石纳米复合材料o聚合物/蒙脱石纳米复合材料属于纳米插层复合材料。o插层材料一般是指由层状无机物与嵌入物质构成的一类材料。第21页,此课件共47页哦蒙脱土的结构和性质蒙脱土的结构
15、和性质蒙脱土是一种由纳米厚度的硅酸盐片层构成的粘土蒙脱土是一种由纳米厚度的硅酸盐片层构成的粘土.某些有机物可以进入蒙脱土的硅酸盐片层之间某些有机物可以进入蒙脱土的硅酸盐片层之间,并可在并可在其间发生聚合其间发生聚合.根据这一特点根据这一特点,蒙脱土可以在有机单体蒙脱土可以在有机单体的加热聚合过程中有可能被解离成为纳米尺寸的颗粒的加热聚合过程中有可能被解离成为纳米尺寸的颗粒,这样就为制备聚合物这样就为制备聚合物/粘土纳米复合材料提供了新的粘土纳米复合材料提供了新的途径途径.第22页,此课件共47页哦目前研究较多并具有实际应用前景的层状硅酸盐是目前研究较多并具有实际应用前景的层状硅酸盐是2121型
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