复合材料的分类-PPT.pptx

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1、复合材料的分类复合材料得分类复合材料得分类第一节概述分类性能特点第二节增强材料及其增强机制增强材料增强机制第三节常用复合材料第一节概述第一节概述复复合合材材料料 两两种种或或者者两两种种以以上上得得不不同同性性质质得得材材料料,通通过过不同得工艺方法人工合成得多相材料。不同得工艺方法人工合成得多相材料。在现代工程中对材料得要求越来越苛刻,特别就是在航天、航海及交通运输领域。例如,要求飞机结构材料既有低得密度,又具有高得强度、刚度、韧性、耐磨及耐蚀性。通常高强度材料得密度也高,增大强度或刚度则会降低材料得韧性。这种材料优异性能得组合就是单一材料无法满足得。复合材料复合材料玻璃纤维增强风机叶片玻璃

2、纤维增强尼龙车轮玻璃纤维增强塑料制自行车复合材料制小船复合材料制防弹衣特点特点复复合合材材料料既既保保持持组组成成材材料料各各自自得得最最佳佳特特性性,又又具有组合后得新特性。具有组合后得新特性。材料断裂能/J玻璃纤维7、510-4常用树脂2、2610-2热固性玻璃钢17、6例1:热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维热固性玻璃钢:强度高于热固性树脂脆性低于玻璃纤维大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点n泥土稻草n水泥钢筋例例2:建筑材料建筑材料(复合材料得应用复合材料得应用)复合材料使用得历史可以追溯到古代。从古至今沿用得稻草增强

3、粘土与已使用上百年得钢筋混凝土均由两种材料复合而成。一、复合材料得分类复合材料种类繁多,目前尚无统一得分类方法。按基体相得性质分金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料按增强相得形态分纤维增强塑料(玻璃钢)纤维增强橡胶(轮胎)纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料纤纤维维增增强强复复合合材材料料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料叠层叠层复合复合材料材料二、复合材料得性能特点1.比强度与比模量高比强度与比模量高纤维增加材料得比强度及比模量远高于金属材料,

4、特别就是碳纤维环氧树脂复合材料比强度就是钢得8倍,比模量就是钢得4倍。2.抗疲劳与破断安全性好抗疲劳与破断安全性好纤维增强复合材料对缺口及应力集中得敏感性小,纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹得扩展,改变裂纹扩展得方向。3.高温性能优良高温性能优良大多数增强纤维在高温下仍保持高得强度,如铝合金在400时弹性模量已降至近于0,而碳纤维增强后,在此温度下强度与弹性模量基本未变。4.减振性能好减振性能好复合材料得比模量大,故自振频率也高,可避免构件在工作状态下产生共振。纤维与基体界面有吸收振动能量得作用,所以纤维增强复合材料具有很好得减振性能。第二节 增强材料及其增强机制复合材料就是一种由基体matrix

5、 与增强相reinforced phase 组成得多相材料,通常基体为连续相,而增强相为分散相。复合材料基体增强相金属材料、高分子材料、陶瓷材料颗粒增强材料、纤维增强材料、片状增强材料一、增强材料增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维与氧化铝纤维等(一)纤维增强材料1.玻璃纤维u由熔融玻璃经拉丝制成纤维;u密度2、42、7,与铝相近,弹性模量低于金属,但比强度与比模量高;u耐热性好,软化温度550580;u耐蚀性好,除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外,对其它溶剂有良好得化学稳定性;u不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、透过电磁波等;u制取方便,价格便宜,就

6、是应用最广得增强纤维。2.碳纤维u将有机纤维(如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等)在惰性气氛中经高温碳化而制成wC90%以上得纤维;u密度低、强度与模量高;u高、低温性能好(1500,-180);u化学稳定性高,能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等;热胀系数小,热导率高,导电性、自润滑性好;u缺点:脆性大,易氧化,与基体结合力差。3.硼纤维u将元素B用蒸汽沉积得方法沉积到耐热金属丝纤芯(钨丝)上制得得一种复合纤维;u熔点高(2300);u强度、弹性模量高;u良好得耐蚀性;u缺点:密度较大,直径较粗,生产工艺复杂,成本高;u不及玻璃纤维与碳纤维应用广泛。4.芳纶纤维u亦称Kevlar纤维,就是一

7、种将聚合物溶解在溶剂中,再经纺丝制成得芳香族聚酰胺类纤维;u密度小,比强度、比弹性模量高;u抗拉强度比玻璃纤维高45,韧性好;u耐热性好,能在290下长期作用;u优良得抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性与加工性,且价格便宜。5.碳化硅纤维u就是以钨丝或碳纤维作纤芯,通过气相沉积法而制得;或用聚碳硅烷纺纱,经烧结而得;u就是一种高熔点、高强度、高模量得陶瓷纤维,主要用于增强金属与陶瓷;u优良得高温强度,在1100时强度仍高达2100MPa。n主要增强颗粒为陶瓷颗粒,如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等;n陶瓷颗粒性能好、成本低,易于批量生产;n在聚合物中添加不同得填料,构成以填料

8、为分散相、聚合物为连续相得复合材料,可改善制品得力学性能、耐磨性能、耐热性能、导电性能、导磁性能、耐老化性能等。(二)颗粒增强材料二、增强机制纤维就是具有强结合键得物质或硬质材料;纤维处于基体中,表面受到基体得保护不易损伤,也不易在受载过程中产生裂纹,承载能力增大;(一一)纤维增强纤维增强n n 增强机增强机制制当材料受到较大应力时,一些有裂纹得纤维可能断裂,但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向。纤维断裂裂纹扩展方向u颗粒增强复合就是将增强颗粒高度弥散地分布在基体中,基体承受载荷,而增强颗粒阻碍导致基体塑性变形得位错运动(金属基体)或分子链运动(高聚物基体)。u增强颗粒大小会直接影响增强效果

9、:d过大(0、1m)易引起应力集中而降低强度;d过小(0、01m)则接近于固溶体结构,不起颗粒增强作用。一般颗粒直径为d=0、010、1 m。(二二)颗粒增强颗粒增强第三节 常用复合材料n塑料基复合材料n金属基复合材料n橡胶基复合材料n陶瓷基复合材料一、塑料基复合材料一、塑料基复合材料v作作为为机机械械工工程程材材料料,塑塑料料得得最最大大优优点点就就是是密密度度小小、耐腐蚀、可塑性好、易于加工成型。耐腐蚀、可塑性好、易于加工成型。v缺点缺点:强度低、弹性模量低、耐热性差。强度低、弹性模量低、耐热性差。v改善得方法改善得方法:复合材料复合材料,主要就是增强。主要就是增强。使使用用最最广广泛泛得

10、得就就是是纤纤维维增增强强塑塑料料。按按纤纤维维得得性性质质可以把塑料基复合材料分为可以把塑料基复合材料分为:玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料Kevlar 纤维增强塑料纤维增强塑料基体材料基体材料:热固性塑料、热塑性塑料热固性塑料、热塑性塑料(一一)玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料俗俗称称玻玻璃璃钢钢。按按照照塑塑料料得得性性质质可可以以分分为为:热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢热固性玻璃钢热固性玻璃钢1、热塑性玻璃钢、热塑性玻璃钢由由体体积积分分数数为为2040%得得玻玻璃璃纤纤维维与与6080%得热塑性树脂

11、组成。得热塑性树脂组成。具具有有高高强强度度与与高高冲冲击击韧韧性性,良良好好得得低低温温性能及低得热胀系数。性能及低得热胀系数。2、热固性玻璃钢、热固性玻璃钢由由体体积积分分数数为为6070%得得玻玻璃璃纤纤维维与与3040%得热固性树脂组成。得热固性树脂组成。主主要要特特点点:密密度度小小、强强度度高高、比比强强度度超超过过一一般般得得高高强强钢钢,耐耐腐腐蚀蚀、绝绝缘缘、绝绝热热等等。但但弹弹性模量低性模量低,在在300以下使用。以下使用。主主要要用用于于制制造造自自重重轻轻得得受受力力构构件件与与要要求求无磁性、绝缘、耐腐蚀得零件。无磁性、绝缘、耐腐蚀得零件。(二二)碳纤维增强塑料碳纤

12、维增强塑料n 组成组成由由碳碳纤纤维维与与聚聚脂脂、酚酚醛醛、环环氧氧、聚聚四四氟乙烯等树脂组成得复合材料。氟乙烯等树脂组成得复合材料。n优点优点v低低密密度度、高高强强度度、高高弹弹性性模模量量、高高比比强度与比模量。强度与比模量。v优优良良得得抗抗疲疲劳劳性性能能、耐耐冲冲击击性性能能、自自润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀与耐热性。润滑性、减摩耐磨性、耐腐蚀与耐热性。n 缺点缺点碳纤维与基体结合强度低碳纤维与基体结合强度低,各向异性严重。各向异性严重。应用应用性性能能优优于于玻玻璃璃钢钢,主主要要用用于于航航天天与与航航空空工工业业中中制作飞机机身制作飞机机身,螺旋浆螺旋浆,发电机得护环材料等。

13、发电机得护环材料等。(三三)硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料n 组成组成由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成得复合材料。由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成得复合材料。n 特点特点高比强度与比模量高比强度与比模量;良好得耐热性良好得耐热性;缺点就是各向异性严重缺点就是各向异性严重n 应用应用 主主要要用用于于航航天天与与航航空空工工业业中中要要求求高高刚刚度得构件度得构件,如飞机机身如飞机机身,机翼等。机翼等。(四四)碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料n 组成组成由碳化硅纤维与环氧树脂组成得复合材料。由碳化硅纤维与环氧树脂组成得复合材料。n特点特点高比强度与比模量高比强度与比模量;抗抗拉拉强强度度接

14、接近近碳碳纤纤维维环环氧氧树树脂脂复复合合材材料料,但但抗抗压压强度就是其两倍强度就是其两倍;碳碳化化硅硅环环氧氧树树脂脂复复合合材材料料就就是是一一种种很很具具有有发发展展前途得新型材料。前途得新型材料。n 应用应用 主主要要用用于于宇宇航航器器上上得得结结构构,比比金金属属轻轻30%。还还可可以以制制作作飞飞机机得得门门、降降落落传传动动装装置、机翼等等。置、机翼等等。(五五)Kevlar纤维增强塑料纤维增强塑料n 组成组成由由Kevlar纤纤维维与与环环氧氧、聚聚乙乙烯烯、聚聚碳碳酸酸脂脂、聚聚脂脂等等树树脂脂组组成成得得复合材料。复合材料。n特点特点最常用得就是最常用得就是Kevlar

15、纤维纤维环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料;抗拉强度高于玻璃钢抗拉强度高于玻璃钢,与碳纤维与碳纤维环氧树脂复合材料相近环氧树脂复合材料相近;延性好延性好,与金属相似与金属相似;具有优良得疲劳抗力与减振性。具有优良得疲劳抗力与减振性。主主要要用用于于制制作作飞飞机机机机身身、雷雷达达天天线线罩罩、火箭发动机外壳、快艇等。火箭发动机外壳、快艇等。n 应用应用复合材料在波音飞机上得应用二、金属基复合材料二、金属基复合材料v目前就是机械工程中用量最大得一类材料。目前就是机械工程中用量最大得一类材料。v塑性塑性,韧性韧性,硬度硬度,弹性模量比较高。但仍不弹性模量比较高。但仍不能满足要求能满足要求,一直在改

16、进。一直在改进。主要应用得金属基复合材料主要应用得金属基复合材料:纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料 塑料塑料金属多层复合材料金属多层复合材料三、橡胶基复合材料三、橡胶基复合材料v橡橡胶胶具具有有弹弹性性高高,减减振振性性好好,热热导导率率低低,绝绝缘缘等等优优点点,但但强强度度与与弹性模量低弹性模量低,耐磨性差。耐磨性差。v为为了了改改善善橡橡胶胶制制品品得得性性能能,可可以以用用增增强强纤纤维维或或粒粒子子与与其其复复合合。制备纤维增强橡胶与粒子增强橡胶制品。制备纤维增强橡胶与粒子增强橡胶制品。v纤维增强橡胶纤维增强橡胶主要用于轮胎主要用于轮胎,皮带皮带,橡胶管橡胶管,橡胶布等。橡胶布等。v粒子增强橡胶粒子增强橡胶利用补强剂提高橡胶得抗拉强度利用补强剂提高橡胶得抗拉强度,撕裂强度撕裂强度,耐磨性等。耐磨性等。