清华大学工程材料第五版第六章!!!讲课稿.ppt
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1、清华大学工程材料第五版第六章!复合材料应用举例:复合材料应用举例:汽车挡泥板汽车挡泥板 单独使用玻璃太脆,单独使用聚合物材单独使用玻璃太脆,单独使用聚合物材料则强度低而且刚度满足不了要求。复合成料则强度低而且刚度满足不了要求。复合成玻璃纤维增强树脂玻璃纤维增强树脂得到了高强度、高韧性的得到了高强度、高韧性的新材料,而且质量小。新材料,而且质量小。自动控温开关自动控温开关 由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合成双金属片。温度变化时双金属片弯曲,合成双金属片。温度变化时双金属片弯曲,接通或断开电触点。接通或断开电触点。复合材料的分类复合材料的分类6.16.1 复合
2、材料的复合原则复合材料的复合原则6.1.1 6.1.1 纤维增强复合材料复合原则纤维增强复合材料复合原则 老师提示:老师提示:重点内容重点内容 一、纤维增强复合材料的强化机制 纤维增强相是具有强结合键材料或硬质纤维增强相是具有强结合键材料或硬质材料(陶瓷、玻璃等),内部含微裂纹,易材料(陶瓷、玻璃等),内部含微裂纹,易断裂,因而脆性大;断裂,因而脆性大;将其制成细纤维可降低裂纹长度和出现将其制成细纤维可降低裂纹长度和出现裂纹的几率,使脆性降低,极大地发挥增强裂纹的几率,使脆性降低,极大地发挥增强相的强度。相的强度。高分子基复合材料中纤维增强相有高分子基复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子链的运
3、动;效阻止基体分子链的运动;金属基复合材料中纤维增强相有效金属基复合材料中纤维增强相有效阻止位错运动而强化基体。阻止位错运动而强化基体。钨纤维铜基复合材料中的钨纤维铜基复合材料中的 裂纹在铜中扩展受阻裂纹在铜中扩展受阻 碳纤维环氧树脂复合材料碳纤维环氧树脂复合材料断裂时纤维断口电子扫描照片断裂时纤维断口电子扫描照片 二、纤维增强复合材料的复合原则 (1 1)纤维增强相是主要承载体,应有)纤维增强相是主要承载体,应有高的强度和弹性模量,且高于基体材料;高的强度和弹性模量,且高于基体材料;(2 2)基体相起粘接剂作用,应对纤维)基体相起粘接剂作用,应对纤维相有润湿性,基体相应有一定塑性和韧性;相有
4、润湿性,基体相应有一定塑性和韧性;(3 3)纤维增强相和基体相两者)纤维增强相和基体相两者之间之间结结合强度应适当。结合力过小,受载时容易沿合强度应适当。结合力过小,受载时容易沿纤维和基体间产生裂纹;结合力过高,会使纤维和基体间产生裂纹;结合力过高,会使复合材料失去韧性而发生危险的脆性断裂;复合材料失去韧性而发生危险的脆性断裂;(4 4)基体与增强相热膨胀系数不能相)基体与增强相热膨胀系数不能相差过大;差过大;(5 5)纤维相必须有合理的含量、尺寸)纤维相必须有合理的含量、尺寸和分布;和分布;(6 6)两者间不能发生有害的化学反应。)两者间不能发生有害的化学反应。6.1.2 6.1.2 颗粒复
5、合材料的复合原则颗粒复合材料的复合原则 一、颗粒复合材料的强化机制 颗粒复合材料,基体承受载荷时,颗颗粒复合材料,基体承受载荷时,颗粒的作用是阻碍分子链或位错的运动。粒的作用是阻碍分子链或位错的运动。增强的效果与颗粒的体积含量、分布、增强的效果与颗粒的体积含量、分布、尺寸等密切相关。尺寸等密切相关。二、颗粒复合材料的复合原则 (1 1)颗粒均匀弥散分布在基体中,阻碍)颗粒均匀弥散分布在基体中,阻碍分子链或位错的运动。分子链或位错的运动。(2 2)颗粒大小应适当:颗粒过大本身易)颗粒大小应适当:颗粒过大本身易断裂,同时会引起应力集中,材料强度降低;断裂,同时会引起应力集中,材料强度降低;颗粒过小
6、,位错容易绕过颗粒过小,位错容易绕过,起不到强化的作起不到强化的作用。通常,颗粒直径为几微米到几十微米。用。通常,颗粒直径为几微米到几十微米。(3 3)颗粒的体积分数应在)颗粒的体积分数应在2020以上,以上,否则达不到最佳强化效果。否则达不到最佳强化效果。(4 4)颗粒与基体之间应有一定的结合)颗粒与基体之间应有一定的结合强度。强度。6.26.2 复合材料的性能特点复合材料的性能特点6.2.1 6.2.1 复合材料的力学性能复合材料的力学性能 一、比强度和比模量 比强度比强度 材料的强度与其密度之比。材料的强度与其密度之比。比模量比模量 材料的模量与其密度之比。材料的模量与其密度之比。材料的
7、比强度或比模量越高,构件的自重材料的比强度或比模量越高,构件的自重就越小,或者体积会越小。就越小,或者体积会越小。通常,复合材料的复合结果是密度大通常,复合材料的复合结果是密度大大减小,高的比强度和比模量是复合材料大减小,高的比强度和比模量是复合材料的突出性能特点的突出性能特点。二、抗疲劳性能和抗断裂性能 1.1.很好的抗疲劳性能很好的抗疲劳性能 复合材料中纤维的缺陷少,抗疲劳能复合材料中纤维的缺陷少,抗疲劳能力高;力高;基体的塑性和韧性好,能够消除或减基体的塑性和韧性好,能够消除或减少应力集中,不易产生微裂纹;少应力集中,不易产生微裂纹;塑性变形使微裂纹产生钝化而减缓其塑性变形使微裂纹产生钝
8、化而减缓其扩展。扩展。例如:碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉例如:碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸强度的伸强度的70%70%80%80%,一般金属材料却仅为,一般金属材料却仅为30%30%50%50%。2.2.抗断裂能力好抗断裂能力好 基体中有大量细小纤维,较大载荷下部分基体中有大量细小纤维,较大载荷下部分纤维断裂时载荷由韧性好的基体重新分配到未纤维断裂时载荷由韧性好的基体重新分配到未断裂纤维上,构件不会瞬间断裂。断裂纤维上,构件不会瞬间断裂。复合材料疲劳曲线复合材料疲劳曲线6.2.3 6.2.3 复合材料的其它性能复合材料的其它性能 一、高温性能 优越的耐高温性能,优越的耐高温性能,高温下保持很高
9、的强度。高温下保持很高的强度。聚合物基复合材料使用温度聚合物基复合材料使用温度100 100 350350;金属基复合材料使用温度金属基复合材料使用温度350 350 11001100;SiCSiC纤维、纤维、AlAl2 2O O3 3纤维陶瓷复合材料在纤维陶瓷复合材料在1200 1200 1400 1400 范围内保持很高的强度。范围内保持很高的强度。碳纤维复合材料在非氧化气氛下在碳纤维复合材料在非氧化气氛下在2400240028002800长期使用。长期使用。二、减摩、耐磨、减振性能 良好的减摩、耐磨性良好的减摩、耐磨性 摩擦系数比摩擦系数比高分子材料低;少量短切纤维大大提高耐高分子材料低
10、;少量短切纤维大大提高耐磨性。磨性。较强的减振能力较强的减振能力 比弹性模量高,比弹性模量高,自振频率也高,其构件不易共振;纤维与自振频率也高,其构件不易共振;纤维与基体界面有吸收振动能量的作用,振动会基体界面有吸收振动能量的作用,振动会很快衰减。很快衰减。三、其它特殊性能 高韧性和抗热冲击性能(金属基复合高韧性和抗热冲击性能(金属基复合材料)。材料)。优良电绝缘性,不受电磁作用,不反优良电绝缘性,不受电磁作用,不反射无线电波(玻璃纤维增强塑料)。射无线电波(玻璃纤维增强塑料)。耐辐射性、蠕变性能高以及特殊的光、耐辐射性、蠕变性能高以及特殊的光、电、磁等性能。电、磁等性能。6.36.3 非金属
11、基复合材料非金属基复合材料6.3.1 6.3.1 聚合物基复合材料聚合物基复合材料老师提示:老师提示:重点内容重点内容 一、聚合物基复合材料的发展 2020世纪世纪4040年代出现玻璃纤维增强工程塑料年代出现玻璃纤维增强工程塑料(玻璃钢),制造机器零件;(玻璃钢),制造机器零件;2020世纪世纪6060年代硼纤维和碳纤维增强塑料改年代硼纤维和碳纤维增强塑料改善了玻璃纤维模量低的缺点,大量应用航空航善了玻璃纤维模量低的缺点,大量应用航空航天等领域;天等领域;70 70年代初期的聚芳酰胺纤维增强聚合物年代初期的聚芳酰胺纤维增强聚合物基复合材料加快了复合材料发展;基复合材料加快了复合材料发展;808
12、0年代初期热塑性复合材料完善了聚合年代初期热塑性复合材料完善了聚合物基复合材料的工艺及理论,在航空航天、物基复合材料的工艺及理论,在航空航天、汽车、建筑等各领域得到全面应用。汽车、建筑等各领域得到全面应用。二、聚合物基复合材料分类 1.1.以基体性质分类以基体性质分类 热固性树脂复合材料热固性树脂复合材料 热塑性树脂复合材料热塑性树脂复合材料 橡胶类复合材料橡胶类复合材料 2.2.按增强相类型分类按增强相类型分类 分为纤维增强、晶须增强、层片增强、分为纤维增强、晶须增强、层片增强、颗粒增强等聚合物基复合材料。颗粒增强等聚合物基复合材料。聚合物基复合材料分类聚合物基复合材料分类 三、常用聚合物基
13、复合材料的性能及应用 1.1.玻璃钢玻璃钢 (1)(1)热固性玻璃钢热固性玻璃钢 以热固性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材以热固性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材料:料:酚醛树脂玻璃钢酚醛树脂玻璃钢 环氧树脂玻璃钢环氧树脂玻璃钢 聚酯树脂玻璃钢聚酯树脂玻璃钢 有机硅树脂玻璃钢有机硅树脂玻璃钢 热固性玻璃钢热固性玻璃钢成形工艺简单、质量轻、比成形工艺简单、质量轻、比强度高、耐蚀性能好。强度高、耐蚀性能好。热固性玻璃钢热固性玻璃钢缺点是:弹性模量低缺点是:弹性模量低(1/5(1/51/101/10结构钢结构钢)、耐热度低、耐热度低(250(250)、易老化。、易老化。通过树脂改性改善性能。通过树脂改性改善
14、性能。酚醛树脂和环氧树脂混溶的玻璃钢酚醛树脂和环氧树脂混溶的玻璃钢即有良好粘接性即有良好粘接性,又降低了脆性,保持又降低了脆性,保持了耐热性了耐热性,具有较高的强度。具有较高的强度。热固性玻璃钢应用:热固性玻璃钢应用:主要用于主要用于机器护罩、车辆车身机器护罩、车辆车身 绝缘抗磁仪表绝缘抗磁仪表 耐蚀耐压容器和管道耐蚀耐压容器和管道 各种形状复杂的机器构件和车辆配件各种形状复杂的机器构件和车辆配件 环氧树脂玻璃钢显微组织环氧树脂玻璃钢显微组织 酚醛树脂玻璃钢齿轮酚醛树脂玻璃钢齿轮 (2)(2)热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢 以热塑性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强以热塑性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材料。材
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- 清华大学 工程 材料 第五 第六 讲课
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