第五章 复合材料的性能.ppt

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1、第五章第五章 聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能 热性能包括：热性能包括：热传导与热容量：决定了热传导与热容量：决定了PMC与外界热交换和自身温与外界热交换和自身温度度的变化。的变化。热膨胀性能：决定热膨胀性能：决定PMC结构的稳定性，结构的稳定性，应力分布应力分布状状态与抗热震性能。态与抗热震性能。耐热性能：决定耐热性能：决定PMC的使用温度范围。的使用温度范围。5.1PMC的热性能的热性能 5.1.1 热传导热传导:导热系数，导热系数，W/(m K)，表征材料的导热能力。表征材料的导热能力。材料本身的特性材料本身的特性 温度的函数温度的函数 5.1PMC的热性能的热性能 5.1.

2、1 热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 5.1.1 热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 5.1.1 热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 5.1.1 热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 5.1.1 热传导热传导5.1PMC的热性能的热性能 5.1.2 比热比热定义：单位质量的物质升温定义：单位质量的物质升温 1 所需的热量称之。所需的热量称之。与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的关系比较简单，符合加和性原理：的关系比较简单，符合加和性原理：5.1PMC的热性能的热性能 5.1.2 比热比热比热的测试方法主要有比热的

3、测试方法主要有卡计法、电脉冲加热法卡计法、电脉冲加热法与比较法。与比较法。5.1PMC的热性能的热性能 图图 5-2 下落等温铜卡计比热测试法下落等温铜卡计比热测试法 装置原理图装置原理图 5.1.2 比热比热测试温度为测试温度为T的试样及度样筒在很短的时间内落入温度为的试样及度样筒在很短的时间内落入温度为 TK的铜卡计中，若试样筒与铜卡计达成热泪盈眶平衡后的温度的铜卡计中，若试样筒与铜卡计达成热泪盈眶平衡后的温度为为TB，则试样及试样筒的总热焓的减少量等于铜卡计的热焓增则试样及试样筒的总热焓的减少量等于铜卡计的热焓增加量，即：加量，即：（mCP+mT CPT)(T-TB)=mk CPK(TB

4、-TK)其中，其中，m试样的质量；试样的质量；CP试样的比热；试样的比热；mT 试样筒的质量；试样筒的质量；CPT 试样筒的比热；试样筒的比热；mk 铜卡的质量；铜卡的质量；CPK 铜卡的比热。铜卡的比热。空白试验中试样筒与铜卡计达成热平衡后的温度为空白试验中试样筒与铜卡计达成热平衡后的温度为TB，则有：则有：mT CPT(T-TB)=mk CPK(TB-TK)CP=（mk CPK/m)(TB-TB)/(T-TB)5.1PMC的热性能的热性能 5.1.2 比热比热5.1PMC的热性能的热性能 复合材料的比热的复合效应与其复合状态无关，而只与组分复合材料的比热的复合效应与其复合状态无关，而只与组

5、分材料因素有关，表现为最简单的平均效应。材料因素有关，表现为最简单的平均效应。5.1.3 热膨胀性能热膨胀性能热膨胀系数：热膨胀系数：表征材料受热时线度或体积的变化程度。表征材料受热时线度或体积的变化程度。=（L/T）P/L=（V/T）P/V =(L/T)/L =(V/T)/V =1+2+3 =3 5.1PMC的热性能的热性能 5.1.3 热膨胀性能热膨胀性能负膨胀系数和零膨胀系数材料负膨胀系数和零膨胀系数材料5.1PMC的热性能的热性能 5.1.3 热膨胀性能热膨胀性能 5.1PMC的热性能的热性能 5.1.3 热膨胀性能热膨胀性能 5.1PMC的热性能的热性能 5.1.3 热膨胀性能热膨胀

6、性能 复合材料热膨胀系数的影响因素复合材料热膨胀系数的影响因素 组成材料因素组成材料因素:材料的热膨胀系数，材料的热膨胀系数，组成材料含量与组成材料含量与模量的乘积模量的乘积 5.1PMC的热性能的热性能 5.1.3 热膨胀性能热膨胀性能 复合材料热膨胀系数的影响因素复合材料热膨胀系数的影响因素复合状态的影响：增强材料在基体中的分布、排布方式，复合状态的影响：增强材料在基体中的分布、排布方式，纤维预应力纤维预应力 使用条件因素：使用温度，热循环使用条件因素：使用温度，热循环5.1PMC的热性能的热性能 5.1.3 耐热性能耐热性能PMC的耐热性能主要决定于其聚合物基体的耐热性能。的耐热性能主要

7、决定于其聚合物基体的耐热性能。5.1PMC的热性能的热性能 复合材料的力学性能主要包括静态性能（拉、压、弯、复合材料的力学性能主要包括静态性能（拉、压、弯、扭等）和动态性能（断裂韧性、蠕变性能、疲劳、冲击等）。扭等）和动态性能（断裂韧性、蠕变性能、疲劳、冲击等）。聚合物基的复合材料种类可能非常多，但决定一种复聚合物基的复合材料种类可能非常多，但决定一种复合材料性能的主要因素是纤维类型、纤维体积分数、纤维形合材料性能的主要因素是纤维类型、纤维体积分数、纤维形式及基体类型等。式及基体类型等。5.2.1静态力学性能静态力学性能PMC 一般直到断裂都是完全弹性的，没有屈服点或塑一般直到断裂都是完全弹性

8、的，没有屈服点或塑性区。此外，性区。此外，PMC的断裂应变很小，与金属相比，断裂功小、的断裂应变很小，与金属相比，断裂功小、韧性差。韧性差。5.2PMC的力学性能的力学性能 5.2.1 静态力学性能静态力学性能 5.2PMC的力学性能的力学性能 5.2.1 静态力学性能静态力学性能 5.2PMC的力学性能的力学性能 5.2.1 静态力学性能静态力学性能 5.2PMC的力学性能的力学性能 5.2.3 疲劳性能疲劳性能所有材料在低于静态强度极限的动载荷作用下，经过所有材料在低于静态强度极限的动载荷作用下，经过不同时间都要破坏的现象称为疲劳。通常用疲劳寿命（循环不同时间都要破坏的现象称为疲劳。通常用

9、疲劳寿命（循环次数）次数）N 或疲劳强度或疲劳强度 SN 来表示材料的来表示材料的疲劳性能，疲劳性能，并以所加应并以所加应力幅值或最大应力与应力循环次数的关系曲线（力幅值或最大应力与应力循环次数的关系曲线（S-N曲线）形曲线）形式给出。式给出。PMC的的 S-N曲线的影响因素曲线的影响因素：纤维类型及体积分数纤维类型及体积分数基体类型基体类型铺层方式铺层方式界面性质界面性质载荷形式载荷形式平均应力平均应力交变应力频率交变应力频率环境条件环境条件5.2PMC的力学性能的力学性能 5.2.3 疲劳性能疲劳性能 5.2PMC的力学性能的力学性能 5.2.3 疲劳性能疲劳性能 5.2PMC的力学性能的

10、力学性能 5.2.4 冲击韧性冲击韧性评价复合材料冲击韧性最普通的方法是通过测量破坏评价复合材料冲击韧性最普通的方法是通过测量破坏一个标准试样所需能量来确定冲击韧性。一个标准试样所需能量来确定冲击韧性。5.2PMC的力学性能的力学性能 5.2.4 冲击韧性冲击韧性5.2PMC的力学性能的力学性能 5.3.1 电性能电性能体积电阻率：体积电阻率：RV=V d/s5.3PMC的其他性能的其他性能 5.3.1 电性能电性能表面电阻率：表面电阻率：RS=S d/aa材料表面的导电宽度。材料表面的导电宽度。5.3PMC的其他性能的其他性能 5.3.2 光学性能光学性能PMC波形板和平板的透光性最好，其全

11、透光率为波形板和平板的透光性最好，其全透光率为 85-90%，接近普通玻璃的透光率。但由于其散射光占全透光很，接近普通玻璃的透光率。但由于其散射光占全透光很大的比例，因此，没有普通平板玻璃那样透明。大的比例，因此，没有普通平板玻璃那样透明。影响透光性的主要因素：影响透光性的主要因素：玻璃纤维与树脂基体的透光性；玻璃纤维与树脂基体的透光性；玻璃纤维与树脂基体的折射率；玻璃纤维与树脂基体的折射率；其他因素（表面形状与光滑程度、纤维的含量与形态、其他因素（表面形状与光滑程度、纤维的含量与形态、固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类与含量等）。固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类与含量等）。5.3P

12、MC的其他性能的其他性能 5.3.3 老化性能老化性能PMC在长期的使用过程中，由于物理和化学因素的作在长期的使用过程中，由于物理和化学因素的作用，面发生物化性能的下降或变差的现象称为老化。用，面发生物化性能的下降或变差的现象称为老化。造成造成PMC老化的因素有：阳光、高能幅射、工业废气、老化的因素有：阳光、高能幅射、工业废气、盐雾、微生物等。盐雾、微生物等。老化性能测试：老化性能测试：户外测试（户外曝晒）户外测试（户外曝晒）棚内老化试验棚内老化试验 人工加速老化人工加速老化5.3PMC的其他性能的其他性能 第六章第六章 碳碳/碳复合材料碳复合材料 碳碳/碳复合材料是以碳复合材料是以碳纤维碳纤

13、维（或石墨）为增强纤维，以（或石墨）为增强纤维，以碳碳（或石墨）为基体的复合材料。（或石墨）为基体的复合材料。特点特点：优异的热性能，高的导热性、低的热膨胀系数、抗热冲优异的热性能，高的导热性、低的热膨胀系数、抗热冲击。击。优异的高温力学性能，高温下的高强度和模量、低蠕变、优异的高温力学性能，高温下的高强度和模量、低蠕变、高断裂韧性。高断裂韧性。高温时随温度的升高强度也升高高温时随温度的升高强度也升高。是目前唯一可用于达是目前唯一可用于达 2800 的复合材料。的复合材料。6.1简介简介 6.1简介简介 6.1简介简介图图 6-2 碳碳/碳复合材料制造的刹车零件碳复合材料制造的刹车零件 6.2

14、.1 预成型体的制备预成型体的制备基本思路：先将碳增强材料预先制成预成型体，然后再以基本思路：先将碳增强材料预先制成预成型体，然后再以基体碳填充逐渐形成致密的碳基体碳填充逐渐形成致密的碳/碳复合材料。碳复合材料。与聚合物基复合材料一样可制成单向、二维或三维的织物。与聚合物基复合材料一样可制成单向、二维或三维的织物。6.2碳碳/碳复合材料的制备工艺碳复合材料的制备工艺 6.2.2 基体碳的制备基体碳的制备目前碳目前碳/碳复合材料的基体碳主要是通过化学气相沉积碳复合材料的基体碳主要是通过化学气相沉积（CVD）和液态浸渍含碳化率高的高分子物质的碳化来获得。和液态浸渍含碳化率高的高分子物质的碳化来获得

15、。一、化学气相沉积工艺一、化学气相沉积工艺化学气相沉积原理：通过气相的分解或反应生成固态物质，化学气相沉积原理：通过气相的分解或反应生成固态物质，并在某固定基体（基底）上成核、生长。并在某固定基体（基底）上成核、生长。CH4(g)加加热热 C(s)+2 H2(g)作为分解或反应的气体有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天燃气、作为分解或反应的气体有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天燃气、汽油等。汽油等。6.2碳碳/碳复合材料的制备工艺碳复合材料的制备工艺 6.2.2 基体碳的制备基体碳的制备一、化学气相沉积工艺一、化学气相沉积工艺反应气体通过层流向沉积衬底的过界层扩散。反应气体通过层流向沉积衬底的过界层扩散。沉

16、积衬底表面吸附反应气体，反应气体产生反应并形成沉积衬底表面吸附反应气体，反应气体产生反应并形成固态产物和气体产物。固态产物和气体产物。所产生所产生 的气体产物解吸附，并沿一边界层区域扩散。的气体产物解吸附，并沿一边界层区域扩散。产生的气体产物排出。产生的气体产物排出。化学气相沉积的主要工艺参数是反应温度与压力。在获得化学气相沉积的主要工艺参数是反应温度与压力。在获得碳碳/碳复合材料的基体碳时，其温度都在碳复合材料的基体碳时，其温度都在 950 以上。以上。具体的工艺有等到温工艺、压力梯度工艺和温度梯度工艺。具体的工艺有等到温工艺、压力梯度工艺和温度梯度工艺。6.2碳碳/碳复合材料的制备工艺碳复

17、合材料的制备工艺 6.2.2 基体碳的制备基体碳的制备一、化学气相沉积工艺一、化学气相沉积工艺 6.2碳碳/碳复合材料的制备工艺碳复合材料的制备工艺 6.2.2 基体碳的制备基体碳的制备二、液态浸渍二、液态浸渍-碳化工艺碳化工艺用该工艺可获得基体用该工艺可获得基体碳中的树脂碳和沥青碳。碳中的树脂碳和沥青碳。为了达到为了达到 碳碳/碳复合材料碳复合材料的要求，一般需要经过的要求，一般需要经过多次浸渍多次浸渍-碳化过程。碳化过程。6.2碳碳/碳复合材料的制备工艺碳复合材料的制备工艺 6.2.2 基体碳的制备基体碳的制备二、液态浸渍二、液态浸渍-碳化工艺碳化工艺 500 时主要是缩水，形成水蒸气逸出

18、，体积收缩时主要是缩水，形成水蒸气逸出，体积收缩 约约40%。600-700 时，树脂热解出甲烷与时，树脂热解出甲烷与CO，体积收缩至约体积收缩至约50%。随温度的升高只是脱氢，因此体积收缩趋于稳定。随温度的升高只是脱氢，因此体积收缩趋于稳定。1700 之后，树脂碳趋于石墨化，由于收缩造成的裂缝的之后，树脂碳趋于石墨化，由于收缩造成的裂缝的综合作用，体积收缩会有所增加。综合作用，体积收缩会有所增加。6.2碳碳/碳复合材料的制备工艺碳复合材料的制备工艺 6.2.2 基体碳的制备基体碳的制备二、液态浸渍二、液态浸渍-碳化工艺碳化工艺6.2碳碳/碳复合材料的制备工艺碳复合材料的制备工艺 6.3碳碳/

19、碳复合材料的碳复合材料的性能性能6.3碳碳/碳复合材料的碳复合材料的性能性能碳碳/碳复合材料是目前耐高温工程结构材料的理想材料，碳复合材料是目前耐高温工程结构材料的理想材料，但碳但碳/碳复合材料在高于碳复合材料在高于370 时就会发生氧化，氧化保护时就会发生氧化，氧化保护极为重要。极为重要。在制备碳在制备碳/碳复合材料过程中在基体中预先包含有氧化碳复合材料过程中在基体中预先包含有氧化抑制剂抑制剂 在碳复合材料的表面涂覆耐高温涂层，阻隔氧侵入在碳复合材料的表面涂覆耐高温涂层，阻隔氧侵入6.4碳碳/碳复合材料的氧化保护碳复合材料的氧化保护在制备碳在制备碳/碳复合材料过程中在基体中预先包含有氧化碳复

20、合材料过程中在基体中预先包含有氧化抑制剂抑制剂 采用碳采用碳/碳复合材料内含硼或硼化物类抑制剂，可将其碳复合材料内含硼或硼化物类抑制剂，可将其氧化开始温度提高到氧化开始温度提高到 600，当温度再高时只能应用高温，当温度再高时只能应用高温抗氧化涂层的方法。抗氧化涂层的方法。6.4碳碳/碳复合材料的氧化保护碳复合材料的氧化保护在碳复合材料的表面涂覆耐高温涂层，阻隔氧侵入在碳复合材料的表面涂覆耐高温涂层，阻隔氧侵入温度低于温度低于1500时时SiC和和 Si3N4陶瓷陶瓷是是较好的抗氧化陶瓷涂层。较好的抗氧化陶瓷涂层。它们具有较好的化学稳它们具有较好的化学稳定性，相对较低的蒸气定性，相对较低的蒸气

21、压和氧的扩散渗透率，压和氧的扩散渗透率，与碳相容性好，热膨胀与碳相容性好，热膨胀系数低。系数低。6.4碳碳/碳复合材料的氧化保护碳复合材料的氧化保护在碳复合材料的表面涂覆耐高温涂层，阻隔氧侵入在碳复合材料的表面涂覆耐高温涂层，阻隔氧侵入温度介于温度介于1500-1800时时采用如采用如 SiO2+SiC的复合涂层。的复合涂层。6.4碳碳/碳复合材料的氧化保护碳复合材料的氧化保护在碳复合材料的表面涂覆耐高温涂层，阻隔氧侵入在碳复合材料的表面涂覆耐高温涂层，阻隔氧侵入温度高于温度高于 1800时时采用如采用如ZrO2 HO2 Y2O3 和和 ThO2的复合涂层。它们的复合涂层。它们在在2000 以

22、上时仍有所需的热稳定性。以上时仍有所需的热稳定性。Al2O3则可用于则可用于1800-2000 。6.4碳碳/碳复合材料的氧化保护碳复合材料的氧化保护第七章第七章 PMC的应用的应用 试验表明，人造卫星的重量如果减少试验表明，人造卫星的重量如果减少 1公斤，则用于公斤，则用于其发射的火箭重量可减少其发射的火箭重量可减少200公斤以上。公斤以上。卫星天线、支撑结构与壳体等基本上都是卫星天线、支撑结构与壳体等基本上都是PMC材料。材料。另一个原因是由于聚合物基复合材料优异的结构稳定性。另一个原因是由于聚合物基复合材料优异的结构稳定性。美国航天飞机中使用美国航天飞机中使用PMC材料后的减重超过了材料

23、后的减重超过了1200公公斤，主要有斤，主要有KF/EP复合材料制的压力容器等，其舱门就使用复合材料制的压力容器等，其舱门就使用了了CF/EP复合材料复合材料 1452公斤。此外，公斤。此外，“三叉戟三叉戟I”、MX型导型导弹壳体等都是采用了弹壳体等都是采用了K-49/EP复合材料。复合材料。7.1在宇航工业中的应用在宇航工业中的应用第七章第七章 PMC的应用的应用 7.1在宇航工业中的应用在宇航工业中的应用第七章第七章 PMC的应用的应用 航空工业是聚合物基航空工业是聚合物基复合材料使用最早、用量复合材料使用最早、用量最多的部分之一。最多的部分之一。7.2在航空工业中的应用在航空工业中的应用

24、 7.2在航空工业中的应用在航空工业中的应用 7.2在航空工业中的应用在航空工业中的应用 7.2在航空工业中的应用在航空工业中的应用 7.3在石油化工领域的应用在石油化工领域的应用由于聚合物基复合材料具有突出的耐酸、耐碱和耐其由于聚合物基复合材料具有突出的耐酸、耐碱和耐其他介质腐蚀等特点，已在石油化工设备和化学防腐工程上获他介质腐蚀等特点，已在石油化工设备和化学防腐工程上获得了广泛应用。得了广泛应用。采用聚合物基复合材料代替不锈钢、铜、铅、钛、镍采用聚合物基复合材料代替不锈钢、铜、铅、钛、镍合金制造的各种贮罐、容器、冷却塔、酸洗槽、液体输送管合金制造的各种贮罐、容器、冷却塔、酸洗槽、液体输送管

25、道、烟囱等因质量轻、强度高、耐腐蚀、维修方便、使用寿道、烟囱等因质量轻、强度高、耐腐蚀、维修方便、使用寿命长等特点取得了明显的经济效益。命长等特点取得了明显的经济效益。美国各大石油公司的公路加油站所用的汽油贮罐已采美国各大石油公司的公路加油站所用的汽油贮罐已采用玻璃钢制造，容量为用玻璃钢制造，容量为 22.5 m3,美国最大的玻璃钢贮罐已达美国最大的玻璃钢贮罐已达 3000 m3。美国用玻璃钢管代替美国用玻璃钢管代替 2000多米钢管输送苛性钾生产中多米钢管输送苛性钾生产中的残液，质量减轻的残液，质量减轻60%，成本降低，成本降低 1/3，寿命由原来的，寿命由原来的6-9个个月提高到月提高到

26、2-5 年。年。7.4在交通运输领域的应用在交通运输领域的应用主要包括车辆制造及造船工业上的应用。主要包括车辆制造及造船工业上的应用。在汽车制造方面，现在已用聚合物基复合材料制造了在汽车制造方面，现在已用聚合物基复合材料制造了各种轿车、大型客车、拖车、载重汽车、油槽车及其他车各种轿车、大型客车、拖车、载重汽车、油槽车及其他车辆的车身与各种配件，包括车门、仪表盘、油箱、坐椅、辆的车身与各种配件，包括车门、仪表盘、油箱、坐椅、挡泥板、发动机罩等。挡泥板、发动机罩等。石棉短纤维增强酚醛树脂复合材料或聚芳胺纤维增强石棉短纤维增强酚醛树脂复合材料或聚芳胺纤维增强树脂基复合材料，由于具有较好的耐热性、耐油

27、性、耐磨树脂基复合材料，由于具有较好的耐热性、耐油性、耐磨耗性，而且在较高的温度、速度下，其摩擦性能变化较小，耗性，而且在较高的温度、速度下，其摩擦性能变化较小，也不会产生刺耳的噪音，故已广泛应用于制造汽车的刹车也不会产生刺耳的噪音，故已广泛应用于制造汽车的刹车片和离合器片。片和离合器片。玻璃纤维增强的聚合物基复合材料主要用于中小型船玻璃纤维增强的聚合物基复合材料主要用于中小型船艇的船体，如渔船、游艇、汽艇、扫雷艇、巡逻艇等。如艇的船体，如渔船、游艇、汽艇、扫雷艇、巡逻艇等。如日本日本70%的渔船采用玻璃钢制造，美国海军部在的渔船采用玻璃钢制造，美国海军部在1960年代年代就规定，长度在就规定

28、，长度在 16 米以下的舰船全部采用玻璃钢制造。米以下的舰船全部采用玻璃钢制造。体育器材往往在使用时变形较大，并反复承受无规则体育器材往往在使用时变形较大，并反复承受无规则交变振动和冲击作用。采用竹、木等天然材料时，材料的利交变振动和冲击作用。采用竹、木等天然材料时，材料的利用低，产品的使用寿命短；使用金属材料时则往往太重。面用低，产品的使用寿命短；使用金属材料时则往往太重。面使用聚合物基复合材料制造体育用品，可充分发挥其高强度、使用聚合物基复合材料制造体育用品，可充分发挥其高强度、耐疲劳和高弹性等特点，为提高运动成绩创造了条件。耐疲劳和高弹性等特点，为提高运动成绩创造了条件。典型的有：聚合物

29、基复合材料夹层滑雪板、撑杆跳高用的撑典型的有：聚合物基复合材料夹层滑雪板、撑杆跳高用的撑杆、射箭用的弓等，当然还有高尔夫球棒、网球拍、跳板、杆、射箭用的弓等，当然还有高尔夫球棒、网球拍、跳板、钓鱼杆等。钓鱼杆等。在医学方面，用玻璃钢代替钢制假肢在英国已有应用，玻璃在医学方面，用玻璃钢代替钢制假肢在英国已有应用，玻璃钢假肢比钢制品轻钢假肢比钢制品轻 2/3，制造费用减少了，制造费用减少了1/4。此外，聚合物。此外，聚合物基复合材料作为颅骨缺损修补材料已在临床应用。有机玻璃基复合材料作为颅骨缺损修补材料已在临床应用。有机玻璃和陶瓷制造牙齿、碳纤维增强有机玻璃制造齿龈等都比原来和陶瓷制造牙齿、碳纤维增强有机玻璃制造齿龈等都比原来的材料要好。的材料要好。7.5在体育医疗卫生领域的应用在体育医疗卫生领域的应用结 束谢谢 谢谢!