复合材料复习分析中学教育中考_中学教育-中学课件.pdf

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1、复合材料：由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过复合工艺组合而成 的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所没有 的新性能。复合材料=增强剂+基体 复合材料分类：按性能高低：常用复合材料，先进复合材料。按基体材料：1.聚合物基复合材料：热固性树脂基复合材料，热塑性树脂基复合材料，橡胶基复 合材料 2.金属基复合材料：轻金属基复合材料，高熔点基复合材料，金属间化合 物基复合材料 3.无机非金属基复合材料：陶瓷基复合材料，碳基复合材料，水泥 基复合材料。按不同增强体形式：纤维增强复合材料，颗粒增强复合材料，片材 增强复合材料。复合材料的特征：可设计性、由基体组元与增强

2、体或功能组元组成、非均相材料、三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）、组分材料性能差异很大、组成 复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现新性能。影响复合材料性能的主要因素：增强材料的性能、基体的性能、复合材料的结构 及成型技术、界面的性能。增强体：结构复合材料中能提高材料力学性能的组分，在复合材料中起着增加强 度、改善性能的作用。增强体分类：1.纤维类增强体：碳纤维，氧化铝纤维，碳化硅纤维 2.颗粒类增强 体：陶瓷，碳化硅，氧化铝 3.晶须类增强体：碳化硅，氧化铝，氮化硅等陶瓷晶 须 4.金属丝：铍丝，钠丝，不锈钢丝，钨丝 5.片状物增强体：陶瓷薄片 增强体的基本特征：1.具有能明显提高

3、基体某种所需特性的性能 2.具有良好的化 学稳定性 3.与基体具有良好的润湿性。常用纤维种类：无机非金属纤维（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧 化铝纤维、氮化硅纤维）、金属丝纤维、有机纤维（Kevlar 纤维、聚乙烯纤维）。玻璃纤维分类：1.按原料成分：有机玻璃纤维，中碱玻璃纤维，低碱玻璃纤维，无碱玻璃纤维 2.按用途：高强度纤维，低介电纤维，耐化学药品纤维，耐电腐蚀 纤维，耐碱纤维 3.按单丝直径：粗纱，初级纱，中级纱，高级纱，超细纱 4.按 纤维外观：连续纤维，短切纤维，空心玻璃纤维，玻璃粉及磨细纤维 5.按纤维特 性：高强玻璃纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐

4、酸玻 璃纤维；普通玻璃纤维（指无碱及中碱玻璃纤维）。影响玻璃纤维强度的因素：1.直径：拉伸强度随直径降低而增加。2.长度：拉伸 强度随长度降低而增加。3.化学组成：含碱量越高，强度越低。4.存放时间：存 放一段时间后强度会降低 纤维的老化，原因：空气中的水分和氧气对纤维的侵 蚀。纤维的老化与含碱量有关。5.施加负荷时间：拉伸强度随施加负荷时间增长 而降低，环境湿度较高时尤其明显。纤维的疲劳。原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度加速。6.玻璃纤维的成型工艺和条件。碳纤维结构：乱层石墨结构。最基本的结构单元：石墨片层。二级结构单元：石 墨微晶（由数张或数十张石墨片层组成）。三

5、级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在 50nm 左右，弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构。碳纤维的皮芯结 构：碳纤维由表皮层和芯子两部分组成，中间是连续的过渡区。皮层的微晶较大，排列较整齐有序，占直径的 14，芯子占 39，由皮层到芯子，微晶减小，排 列逐渐紊乱，结构不均匀性愈来愈显著。皮层：微晶较大，排列有序。芯层：微 晶减小，排列紊乱，结构不均匀。有机纤维结构与性能关系：含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性 伸直链晶体，拉伸强度高、各向异性、抗压性能、抗扭性能较低；苯环与酰胺键 交替排列对称性好，结晶性好，密度小、良好的韧性、抗蠕变、疲劳性能好；分 子间有氢键，弹性模量高、

6、热稳定性和耐低温性好。碳纤维的制备：1.碳化法 生产长纤维。五个阶段：1.拉丝：制有机长纤维 2.牵伸：规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。3.氧化稳定：低温，200300C,防止热塑化。4.碳化：10001500C，保护性气氛下，脱氢、交联、环化，得乱层环状石墨。5.石墨化：20002500E，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成聚合碳结晶，并平行于轴向。主要包括 3个步骤：稳定化处理、碳化热处理、石墨化热处理 2聚丙烯腈(PAN)原丝制备碳纤维分为三个阶段：1预氧化：200C300E的 氧化气氛中，原丝受张力情况下进行。2碳化：在400C1900E的惰性气氛中 进行，碳纤维生成的主要阶

7、段。除去大量的氮、氢、氧等非碳元素，改变了原 PAN 纤维的结构，形成了碳纤维。碳化收率 4045，含碳量 95%左右。3.石墨化：在2500r3000r的温度下，密封装置，施加压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小 以提高碳纤维的弹性模量。3.粘胶纤维为原料 制造碳纤维：粘胶纤维属于多糖类有机化合物，分子式(C6H10O5)n，粘胶原丝具有环状分子结构，可以直接进行碳化或石墨化处理，而制成粘胶基碳纤维。4.沥青为原料 制造碳纤维：制备过程与 Pan 相似，但是需要经过调制处理，去 除不适合纺丝成分。最高弹性模量可达到 90GPa。聚合物基

8、复合材料(PMC)1 分类：预浸料，接触成型(手糊成型，喷射成型)，压力成型(1.袋压成型：真空袋成型，压力袋成型，热压罐成型 2.模压成型 3.层压成型)，缠绕成型，拉 挤成型，夹层结构制造，编织，树脂传递成型，注射成型，增强反应注射成型 2.制造过程：预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工等。3.预浸料制备：预浸料是指定向排列的连续纤维(单向、织物)浸渍树脂后所 形成的厚度均匀的薄片状半成品。4.制件成型固化工艺：一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形 状，一般就是产品的形状；二是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料，在 温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下

9、来，并能达到预期的性能要求。5.生产中采用的成型工艺：(1)手糊成型(2)喷射成型(3)树脂传递成型(4)树脂膜熔 浸成型(5)真空袋成型(6)模压成型工艺(7)纤维缠绕成型(8)反应注射成型(9)拉挤 成型(10)离心成型工艺(11)浇注成型工艺 6.各种工艺方法共同遵循的原则：1.纤维要均匀地分布在制品的各个部位 2.树脂 适量均匀地分布在制品的各个部位，并适当固化 3.尽量减少气泡，降低孔隙率，提高制品的致密性 4.掌握所用树脂的工艺性能，制定合理的工艺规范围。7成型工艺方法的选择基点：1.材料性能和产品质量的要求 2.生产批量大小及供 应时间 3.预定价格和经济效益 8.手糊成型工艺：

10、先在磨具上涂刷一层脱膜剂，然后加入含有固化剂的树脂混 合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织 物，使其均匀浸胶并排除气泡，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复 上述过程直至达到所需厚度为止。然后再固化、脱膜、修边，得到复合材料制品。金属基复合材料 MMC 1.金属基体的选择依据：1.金属基复合材料的使用要求 2.金属基复合材料组成 特点 3.基体金属与增强物的相容性 2.MMC的制备工艺研究方面：1.金属基体与增强材料的结合方式和结合性 2.金 属基体增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制 3.增强材料（相）在金属基体中的均匀分布 4 防止连续纤维

11、在制备工艺过程中的损伤 5.优化工艺 参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。3.方法：固态法、液态法、喷涂与喷射沉积、原位复合 4.固态法制备：将金属粉末或金属箔与增强物（纤维、晶须、颗粒）按设计要 求以一定料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能复合材料增强剂基体复合材料分类按性能高低常用复合材料先进复合材料按基体材料聚合物基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料橡胶基复合材料金属基复合材料料水泥基复合材料按不同增强体形式纤维增强复合材料颗粒增强复合材料片材增强复合材料复合材料的特征可设计性由基体组元与增强体或功能组元组成非均相材料三种基本的物理相基体相增强相和界面相组分

12、材料性能差异很大组合材料的结构及成型技界面的性能增强体结构复合材料中能提高材料力学性能的组分在复合材料中起着增加强度改善性能的作用增强体分类纤维类增强体碳纤维氧化铝纤维碳化硅纤维颗粒类增强体陶瓷碳化硅氧化铝晶须类增强体碳的含量、分布、排布在一起，再经加热、加压扩散粘接，将金属与增强 物复合在一起，形成MMC扩散结合是是传统金属材料一种固态焊接技术，是 在一定的温度和压力下，把新鲜清洁表面的金属和增强材料，通过表面原子的互 相扩散而连接在一起，用于制造连续纤维增强金属基复合材料。粉末冶金既可 适用于连续、长纤维增强又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。5.液态法：是金属基体处于熔融状态

13、下与固体增强物复合成材料的方法。包括 压铸，半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法，这些方法的共同持 点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。6.喷射成型工艺：将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧雾化喷出，同时将切断的玻纤粗纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品。7.喷涂与喷射沉积：最大持点是增强材料与基体金属间润湿性要求低；增强材 料与熔融金属基体的接触时间短，界面反应量少。喷涂沉积主要应用于纤维增 强金属基复合材料的预制层的制备，也可以获得复合层状复合材料的坯料。喷 射沉积则主要用于制备颗

14、粒增强金属基复合材料。8.原位复合：在金属内部通过加入反应物质，或通入反应气体在液态金属内部 反应，产生微小的固态增强相制得金属基复合材料。主要有共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法（DIMOXTM和反应生成法（XDTM。9.金属基体的选择（按温度）：450C以下铝基和镁基450700C钛合金 1000 r以上镍基、铁基耐热合金和金属间化合物 陶瓷基复合材料 1.强韧化的途径：1.颗粒弥散：第二相颗粒的引入可以改善陶瓷材料的力学性 能，引入的第二相可以是金属颗粒，也可是无机非金属颗粒。2.纤维（晶须）补 强增韧：在陶瓷基复合材料中，纤维与陶瓷基体的弹性模量非常接近，二者承担 载荷的能力相当，加入

15、纤维的主要作用不是增加强度，而是提高韧性 3.层状复 合增韧：材料制备成层状，每层厚度达微米级，目前已有的为亚微米，材料的韧 性有了明显的提高 4.金属复合增韧及相变增韧：相变引起体积变化，造成应力，引起基体产生微裂纹，微裂纹的出现，就增加了 Al2O3 材料的韧性。2.影响增韧效果的因素：增强材料的尺寸、形貌和体积分量、界面的结合情况、基体与增强材料的力学和热膨胀性能及相变情况 3.陶瓷基复合材料的优点：1.氧化铝瓷的硬度很高，仅次于金刚石、氮化硼和 碳化硅，有很好的耐磨性。耐高温性很好，耐腐蚀性很强，有很好的电绝缘性能；2.氮化硅陶瓷的优点是强度高，硬度高，摩擦系数小，抗热震性和抗高温蜕变

16、性 能也比其它陶瓷好，还有自润滑性，可在无润滑剂的磨损条件下工作。3.碳化硅 的最大特点是高温强度高，有很高的热传导能力，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷，还具有较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。4.LAS 玻璃陶瓷热膨胀 系数几乎为零，耐热震性好。MAS玻璃陶瓷具有硬度高、耐磨性好等特性。）C/C 复合材料 1制备：1 碳纤维预制体的制备碳纤维的选择碳纤维编织结构的设计 2.基 体碳的制备3.预制体预基体碳的复合化学气相沉积法（CVD碳化工艺液态 浸渍碳化工艺，可以获得 C/C复合材料基体碳中的树脂碳和沥青碳 2提高抗氧化性的措施主要有两种：1.在C/C复合材料表面进行耐高温材料的 涂层，

17、起到阻隔氧侵入的作用2.在制备C/C复合材料过程中，在基体中预先包 含有氧化抑制剂。纳米复合材料：是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。刚度大、强 度和韧性料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能复合材料增强剂基体复合材料分类按性能高低常用复合材料先进复合材料按基体材料聚合物基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料橡胶基复合材料金属基复合材料料水泥基复合材料按不同增强体形式纤维增强复合材料颗粒增强复合材料片材增强复合材料复合材料的特征可设计性由基体组元与增强体或功能组元组成非均相材料三种基本的物理相基体相增强相和界面相组分材料性能差异很大组合材料的结构及成型技界面的性

18、能增强体结构复合材料中能提高材料力学性能的组分在复合材料中起着增加强度改善性能的作用增强体分类纤维类增强体碳纤维氧化铝纤维碳化硅纤维颗粒类增强体陶瓷碳化硅氧化铝晶须类增强体碳比单组分纳米材料提高 25倍，重量轻，综合性能优异。复合方式：（按照复合方式不同）0-0 复合体系（不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子 复合而成）；0-3 复合体系（把纳米粒子分散到常规三维固体材料中，即纳米-微 米复合材料）；0-2 复合体系（把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中得到的纳米复 合薄膜材料）；纳米层状复合体系（由不同材质交替形成的组分或结构交替变化的 多层膜,各层膜的厚度均为纳米级）复合材料的仿生设计和制备领

19、域：材料的结构仿生、功能仿生、过程仿生。复合材料仿生原因：连续纤维的脆性和界面设计的困难；短纤维易由基体拔出而 导致增强失效；晶须的长径比不易选择；陶瓷基复合材料增韧困难；复合材料损 伤和裂纹的恢复和愈合。-仿生分析：生物材料的优良特性（生物材料的复合 特性、功能适应性、创伤愈合）。复合材料的仿生设计的种类：1.复合材料最差界面的仿生设计:利用仿骨的哑铃 形或仿树根的分型设计增强体，通过基体和增大了的端头之间的压缩传递应力而 不对界面情况提出特殊要求，此时应力传递对界面不敏感，即使界面设计很差，也能满足要求，得到优良的性能，因此称之为 最差界面结合。2.分形树状纤维和 晶须的增强与增韧效应 3

20、.仿生螺旋的增韧作用 4.仿生愈合与自愈合抗氧化 5.仿 生叠层复合材料的研究 水泥基复合材料的种类：混凝土、纤维增强水泥基复合材料、聚合物改性水泥基 复合材料（按照增强体的种类分类）先进的水泥基复合材料：高强混凝土、高性能混凝土、无宏观缺陷水泥基材料、均布超细颗粒致密体系、活性粉末混凝土 混凝土的和易性 是混凝土拌和物在拌和、运输、浇筑过程中，便于施工的技术性 能。它是一项综合的技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性等 流动性是指 新拌混凝土在自重或机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的 性能。粘聚性是指新拌混凝土的组成材料之间有一定的粘聚力，在施工过程中，不致发生分层和离析现象

21、的性能。保水性 是指在新拌混凝土具有一定的保水能 力，在施工过程中，不致产生严重泌水现象的性能。材料复合新技术：原位复合技术、自蔓延复合技术、梯度复合技术、分子自组装 技术1.自蔓延高温合成（SHS）:利用配合的原材料自身的燃烧反应放出的热量使 化学反应过程自发地持续进行，进而获得具有指定成分和结构产物的一种新型材 料合成手段。2.原位复合技术：材料中的第二相或者复合材料中的增强相生成于 材料的形成过程中，即不是在材料制备之前就有，而是在材料制备过程中原位就 地产生。界面：复合材料中增强体与基体接触构成的 界面，是一层具有一定厚度（纳米以 上）、结构随基体和增强体而异的、与基体有明显差别的新相

22、界面相（界面 层）。它是增强相和基体相连接的“纽带”，也是应力及其他信息传送的桥梁。界面区组成：基体、基体表面区、相互渗透区、增强剂表面区、增强剂 界面效应：是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。传递效应（应力），阻断效应（阻止裂纹扩展、减 缓应力集中），不连续效应（抗电性、电感应、磁性），散射和吸收效应（透光、隔热、隔音、耐热/机械冲击），诱导效应（强弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐 热 复合材料的可靠性：一是复合材料性能的稳定性，包括组分材料均一性和复合材 料工艺对性能分散性

23、的影响；二是复合材料的耐久性，包括在湿热等环境条件下 的使用寿命；三是复合材料在突发（异常）状态下的许用值。提高复合材料可靠性的途径：从组分材料入手提高复合材料的可靠性从控制 工艺质量入手提高复合材料可靠性 料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能复合材料增强剂基体复合材料分类按性能高低常用复合材料先进复合材料按基体材料聚合物基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料橡胶基复合材料金属基复合材料料水泥基复合材料按不同增强体形式纤维增强复合材料颗粒增强复合材料片材增强复合材料复合材料的特征可设计性由基体组元与增强体或功能组元组成非均相材料三种基本的物理相基体相增强相和界面相组分材料性

24、能差异很大组合材料的结构及成型技界面的性能增强体结构复合材料中能提高材料力学性能的组分在复合材料中起着增加强度改善性能的作用增强体分类纤维类增强体碳纤维氧化铝纤维碳化硅纤维颗粒类增强体陶瓷碳化硅氧化铝晶须类增强体碳复合材料质量控制主要方法：控制生产工艺参数、进行批次破坏性抽验、实行全 面的无损检测。复合材料的工艺不稳定性，质量离散大的特点导致采用控制生产 工艺参数，进行批次破坏性抽验的方法均不可能完全控制复合材料构件的质量可 靠性。对复合材料构件进行有效的无损检测是控制复合材料构件质量可靠性最直 接最有效的方法。各种复合材料定义及其优点：种类 定义 优点 聚合 物基 复合 材料 以聚合物为基体

25、的复合材料 高比强度、高比模量，可设计性，热膨胀 系数低，尺寸稳定，耐腐蚀，耐疲劳，阻 尼减震性好 金属 基复 合材 料 以金属及其合金为基体，与 一种或几种金属或非金属增 强相人工结合成的复合材料 高比强度比模量，高断裂韧性和高抗疲劳 性能，良好的高温稳定性和热冲击性，热 膨胀系数小、尺寸稳定性好，导热、导电 性能好，良好的耐磨性，不吸潮、不老化、气密性好 陶瓷 基复 合材 料 专指为获得单相陶瓷所不具 备的性能的人工制造的两相（增强相和基体相）材料 碳/碳 复合 材料 以碳纤维及其织物为增强材 料，以碳为基体，通过加工 处理和碳化处理制成的全碳 质复合材料 密度低，高比强度比模量，高热传导

26、性，低热膨胀系数，断裂韧性好，耐磨，耐烧 蚀，强度随温度升高耐高温性最好，机械 特性好 水泥 基复 合材 料 以水泥与水发生水化、硬化 后形成的硬化水泥浆作为基 体与其他各种无机、金属、有机材料组合而得到的具有 新性能的材料。水硬性、可 塑性、适应性强、匹配性、耐久性、和易性。抗折强度明显/,抗压强度。韧性/,刚度、脆性。抗渗透性、耐侵蚀性/。粘补性好。工艺简单，成本低。料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能复合材料增强剂基体复合材料分类按性能高低常用复合材料先进复合材料按基体材料聚合物基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料橡胶基复合材料金属基复合材料料水泥基复合材料按不同增

27、强体形式纤维增强复合材料颗粒增强复合材料片材增强复合材料复合材料的特征可设计性由基体组元与增强体或功能组元组成非均相材料三种基本的物理相基体相增强相和界面相组分材料性能差异很大组合材料的结构及成型技界面的性能增强体结构复合材料中能提高材料力学性能的组分在复合材料中起着增加强度改善性能的作用增强体分类纤维类增强体碳纤维氧化铝纤维碳化硅纤维颗粒类增强体陶瓷碳化硅氧化铝晶须类增强体碳仿生 复合 材料 受生物启发或模仿生物的结 构而制成的性能优异的材料 生物材料的复合特性 生物材料的功能适应性 生物材料的创伤愈合 纳米 复合 材料 分散相尺度至少有一维小于 100nm的复合材料 刚度大、强度和韧性比单

28、组分纳米材料提 高25倍，重量轻，综合性能优异 料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能复合材料增强剂基体复合材料分类按性能高低常用复合材料先进复合材料按基体材料聚合物基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料橡胶基复合材料金属基复合材料料水泥基复合材料按不同增强体形式纤维增强复合材料颗粒增强复合材料片材增强复合材料复合材料的特征可设计性由基体组元与增强体或功能组元组成非均相材料三种基本的物理相基体相增强相和界面相组分材料性能差异很大组合材料的结构及成型技界面的性能增强体结构复合材料中能提高材料力学性能的组分在复合材料中起着增加强度改善性能的作用增强体分类纤维类增强体碳纤维氧化铝纤维碳化硅纤维颗粒类增强体陶瓷碳化硅氧化铝晶须类增强体碳