复合材料概论个人整理版考试专用文档格式.docx
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(2)导热、导电性能;
(3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好;
(4)良好的高温性能;
(5)耐磨性好;
(6)良好的疲劳性能和断裂性能;
(7)不吸潮、不老化、气密性好。
陶瓷基复合材料的主要性能
高温强度和韧性高、耐辐射效率高、抗氧化、抗开裂等。
碳纤维增强碳化硅、碳化硅纤维增强碳化硅分别在1700º
C和1200º
C下保持20º
C时的抗拉强度。
复合材料的性能是根据使用条件进行设计的。
(1)使用温度和材料硬度:
树脂基:
60~250º
C;
金属基:
400~600º
陶瓷基:
1000~1500º
C。
硬度:
陶瓷基>
金属基>
树脂基。
(2)力学性能:
从强度方面来讲,三类复合材料都可获得较高的强度。
(3)耐老化性能:
(4)导热性能:
50~65W/(m·
K);
0.7~3.5W/(m·
0.35~0.45W/(m·
K)。
(5)耐化学腐蚀性能:
一般来讲陶瓷基和树脂基复合材料优于金属基复合材料。
(6)生产工艺和成本高低:
陶瓷基>
1.6复合材料结构设计基础
1、复合材料的三个结构层次:
一次结构——单层材料——微观力学
二次结构——层合体——宏观力学
三次结构——产品结构——结构力学
(1)一次结构
由基体和增强材料复合而成的单层材料,其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。
微观力学:
研究各相材料之间的相互作用。
(2)二次结构
由单层材料层合而成的层合体,其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列)。
宏观力学:
将各相材料的影响仅作为复合材料的平均表现性能来考虑。
(3)三次结构
指通常所说的工程结构或产品结构,其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。
结构力学:
以纤维增强复合材料层压结构为研究对象。
2、复合材料设计的三个层次:
一次结构 —— 单层材料设计
二次结构 —— 铺层设计
三次结构 —— 结构设计
单层材料设计:
正确选择增强材料、基体材料及配比;
铺层设计:
对铺层材料的铺层方案作出合理安排;
结构设计:
确定产品及其结构的形状和尺寸。
第二章 复合材料的基体材料
复合材料=基体材料+增强材料。
基体材料主要包括三部分:
金属基体材料、陶瓷基体材料、聚合物基体材料
2.1金属基体材料
金属基复合材料学科主要涉及材料表面、界面、相变、凝固、塑性形变、断裂力学等。
金属基复合材料中,基体主要是各种金属或金属合金。
2.1.1选择基体的原则
Al、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Zn、Pb及其合金,金属间化合物(TiAl、NiAl等)。
1、金属基复合材料的使用要求
金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。
(1)航天航空:
高比强度和比模量以及尺寸稳定性
选轻金属,Al、Mg及其合金
(2)高性能发动机:
高比强度和比模量,耐高温性能
选Ti、Ni及其合金
(3)汽车发动机:
耐热、耐磨、导热、成本低廉
选Al合金
(4)集成电路:
高导热、低膨胀
选Ag、Cu、Al
2、金属基复合材料组成特点
(1)连续纤维增强的复合材料
基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主,基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性,而并不要求基体本身有很高的强度。
选用塑性较好的基体。
(2)非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)的复合材料
基体是主要承载物,基体的强度对复合材料具有决定性的影响。
选用高强度合金作为基体。
3、基体金属与增强物的相容性
化学性质稳定,润湿性好,膨胀系数差要小,以确保两相界面具有足够的结合力。
抑制界面反应。
2.1.2结构复合材料的基体
结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。
1.用于450℃以下的轻金属基体:
铝、镁及其合金
2.用于450-700℃的复合材料的金属基体:
钛及其合金
3.用于1000℃以上的高温复合材料的的金属基体:
镍基、铁基耐热合金和金属间化合物
2.1.3功能复合材料的基体
主要的金属基体是Al及其合金、Cu及其合金、Ag、Pb、Zn等。
电子封装:
Al和Cu。
耐磨零部件:
Al、Mg、Zn、Cu、Pb等金属及合金。
集电和电触头:
Al、Cu、Ag及合金。
2.2陶瓷材料
用作基体材料用的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好的界面相容性以及较好的工艺性能等。
常用的陶瓷基体主要包括:
玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。
氧化物陶瓷:
A1203,MgO,SiO2,ZrO2,莫来石(3A12O3·
2SiO2)等。
非氧化物陶瓷:
氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。
2.3聚合物材料
2.3.1聚合物基体的种类、组分和作用
1.聚合物基体的种类
不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物等。
2.聚合物基体的组分
聚合物是聚合物基体的主要组分,除此还包括其他辅助材料,如固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。
3.聚合物基体的作用
复合材料中的基体有三种主要作用:
(1)把纤维粘在一起;
(2)分配纤维间的载荷;
(3)保护纤维不受环境影响。
4.聚合物基体的选择
聚合物基体的选择应遵循下列原则:
(1)能够满足产品的使用需要;
(2)对纤维具有良好的浸润性和粘接力;
(3)容易操作;
(4)低毒性、低刺激性。
(5)价格合理。
2.3.2聚合物的结构与性能
1.聚合物的结构
聚合物结构的主要特点:
(1)聚合物的分子链由很大数目(103~105)的结构单元组成,每个结构单元相当于一个小分子。
(2)链长有限的聚合物分子含有官能团或端基。
(3)聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切关系。
2.聚合物的性能
(1)聚合物的力学性能
热固性树脂:
固化后的力学性能不高,决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力。
热塑性树脂:
1)具有明显的力学松弛现象;
2)在外力作用下,形变较大,当应变速度不太大时,可具有相当大的断裂延伸率;
3)抗冲击性能较好。
(2)聚合物的耐热性能
a)聚合物的结构与耐热性
为改善材料耐热性能,聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。
b)聚合物的热稳定性
提高聚合物热稳定性的途径:
提高聚合物分子链的键能,避免弱键存在;
在聚合物链中引入较大比例的芳环和杂环。
(3)聚合物的耐蚀性能
复合材料的耐化学腐蚀性能与树脂的类别、性能、含量(尤其是表面)有很大的关系。
(4)聚合物的介电性能
聚合物具有良好的电绝缘性能。
一般而言,树脂大分子的极性越大,则介电常数越大、电阻率越小、击穿电压越小、介质损耗角越大,材料的介电性能越差。
(5)聚合物的其他物理性能
2.3.3热固性树脂
1.不饱和聚酯树脂
由饱和二元酸、不饱和二元酸与二元醇经缩聚反应合成的线型预聚体。
a.结构特征
饱和二元酸结构
不饱和二元酸结构
b.固化
交联剂——乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。
引发剂——过氧化物。
促进剂——苯胺类和有机钴。
c.固化特点
固化是一放热反应,其过程可分为三个阶段:
(1)胶凝阶段
(2)硬化阶段(3)完全固化阶段
d.特点
(1)粘度低,工艺性好。
(2)综合性能好,价廉,用量约占80%(3)苯乙烯等挥发大有毒,体积收缩大,耐热性、强度和模量较低。
(4)一般不与高强度的碳纤维复合,与玻璃纤维复合制作次受力件。
2.环氧树脂
a.双酚型
通式:
线性预聚体
双酚型环氧含硬性苯环,链刚性较高,只能用聚合度低的树脂。
耐热性好,强度高,韧性差。
固化特点:
环氧活性基都在链两端,固化交联度不高。
b.非双酚型
链内含有环氧基,交联密度高,结合强度及耐热性均提高。
三聚氰酸环氧含三氮杂环,有自熄性,耐电弧性好。
c.胺基环氧
结构中含高极性的酰胺键(-NHCO-),粘结性好,力学性能较高;
但耐水性差,电性能有所下降。
d.脂环族环氧
结构中不含苯环,含脂环,稳定性更高,热学性能好,耐紫外线,不易老化。
粘度低,工艺性好。
e.脂肪族环氧——高韧性环氧
无六环状硬性结构,冲击韧性好,但与纤维结合力较差。
环氧树脂固化:
环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团,可与多种固化剂交联,形成网状结构。
常用固化剂:
二元胺类、二元酸酐类。
若选用芳香族胺或咪唑类固化剂,强度及耐热性可进一步提高,但冲击韧性会有一定的影响。
环氧树脂特点:
(1)粘附力好,韧性较好,收缩率低。
复合材料强度高,尺寸稳定。
(2)电性能好。
介电强度高,耐电弧优良的绝缘材料。
(3)耐酸碱耐溶剂性强。
(4)热稳定性良好。
3.酚醛树脂
酚/醛<
0.9,碱催化可得体型热固性树脂。
固化:
(1)加热固化
(2)加固化剂,如六次甲基四胺或有机酸。
碱性固化剂仍需加热,酸性固化剂可室温固化。
特点:
耐热性高,可达315℃。
价格最低。
粘附性较差,收缩率大,气孔率高,性脆。
改性:
(1)引入柔性链。
如:
聚乙烯醇缩丁醛
(2)降低树脂中-OH基的含量。
以苯胺或二甲苯取代部分苯酚。
提高电性能。
(3)硼酸改性酚。
吸水性、耐热性、脆性和电学性能均提高。
2.3.4热塑性树脂
与热固性聚合物相比:
(1)力学性能、耐热性、抗老化性等较差。
(2)工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。
柔性无极性链。
与纤维浸润性、结合力较差。
复合增强效果有限。
原料来源广泛,价格低,普通民用。
2.聚酰胺(尼龙)
链中含大量酰胺基
,链间以氢键连接。
结合力强,强度高,耐磨性好,化学稳定性好。
使用温度<
100℃,吸水率高。
常用品种:
尼龙6、66、1010、610等。
3.聚碳酸酯
刚性苯环,Tm=225~250℃,Tg=145℃;
变形小,抗蠕变,尺寸稳定。
可与玻璃纤维和碳纤维复合。
4.聚砜
以砜和苯环连结成硬性链,可在100~150℃下长期使用,Tg>
200℃;
S+6处于最高价,抗氧化,耐辐射;
抗蠕变,尺寸稳定。
成型温度太高,达300℃。
可与碳纤维复合。
用于宇航和汽车工业。
第三章复合材料的增强材料
在复合材料中,凡是能提高基体材料力学性能的物质,均称为增强材料。
3.1玻璃纤维(GlassFibre)
3.1.1概述
3.1.2玻璃纤维的分类
以玻璃原料成分分类:
有碱玻璃纤维ANa-Ca-Si系普通玻璃(Na2O>
15%)
中碱玻璃纤维Na2O(10.5~12.5%)用量少
无碱玻璃纤维ECa-Al-B-Si系用量大
高强玻璃纤维SMg-Al-Si系或B2O3系
高弹玻璃纤维MS系中加入BeO
以单丝直径分类:
粗纤维30μm无捻粗纱、无纺布
初级纤维20μm短切纤维、纤维毡
中级纤维10~20μm
高级纤维3~10μm纺织
超细纤维<
4μm
以纤维外观分类:
无捻粗砂、有捻粗砂、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉、磨细纤维等
以纤维特性分类:
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、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维
3.1.2玻璃纤维的性能
1.力学性能
a.抗拉强度:
比块玻璃高一个数量级;
直径d↘,强度↗;
长度↗,强度↘。
b.弹性模量:
与铝相当,为钢的1/3倍。
因密度低~2.5,比模量高。
c.断裂延伸率:
低~3%
2.热学性能
a.导热性:
导热系数比块玻璃低1~2个数量级。
b.耐热性:
普通Na-Ca-Si玻纤<
500℃;
耐热玻纤(石英,高硅氧)可达2000℃以上。
3.电性能
碱玻璃电绝缘性差,随温度、湿度↗,绝缘性↘。
无碱玻璃电绝缘性好。
4.耐蚀性
纤维比表面积大,化学稳定性差。
加入网络形成体可改善耐蚀性。
a.无碱玻璃耐水性好。
b.中碱玻璃耐酸性好。
c.无碱和中碱玻纤耐碱性相近。
3.1.3玻璃纤维的制备
→制玻璃球→铂金坩埚熔融→小漏孔拉丝(102、204、408孔)→涂浸润剂→并股成纱→纺织成布、毡或带。
浸润剂作用:
使纤维柔顺,防止磨损。
常用的有:
石蜡乳液复合前须清除
聚醋酸乙烯酯不必清除
改性有机硅类不必清除
3.2碳纤维(CarbonFibre)
3.2.1概述
v由有机纤维经高温固相反应(脱氢、交联、环化、石墨化)而得,主要成分为碳的无机纤维。
v具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。
v由于价格高,一般用于要求高强、耐高温的重要结构件,如航天航空、高档体育器材中。
3.2.2碳纤维的分类
根据碳纤维的性能分类:
分高强、高模、中模和低性能碳纤维
聚丙烯腈基纤维高、中性能碳纤维
人造丝基(粘胶)纤维
沥青基纤维低性能碳纤维;
其它(多环结构的天然纤维)
根据原丝类型分类:
(1)聚丙烯腈基纤维;
(2)粘胶基碳纤维;
(3)沥青基碳纤维;
(4)木质素纤维基碳纤维;
(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
根据碳纤维功能分类:
(1)受力结构用碳纤维
(2)耐焰碳纤维(3)活性碳纤维(吸附活性)(4)导电用碳纤维(5)润滑用碳纤维(6)耐磨用碳纤维
3.2.3碳纤维的制造
(1)碳化法——生产长纤维
拉丝:
湿法、干法或熔融状态;
牵伸:
100~300℃;
稳定:
400℃加热氧化;
碳化:
1000~2000℃;
石墨化:
2000~3000℃
(2)气相法——生产短纤维
在惰性气氛中小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。
3.2.4碳纤维的性能
(1)强度约为GF的2倍。
(2)模量约为GF的3~5倍。
(3)密度低1.7~2,所以比强度、比模量高。
(4)断裂延伸率0.5~2%。
2.热学性能:
升华温度高达3800℃,耐高温性好。
热膨胀系数小,纵向为负。
3.物理性能:
导热、导电、自润滑。
4.化学性能:
耐酸碱性强,高温抗氧化性差。
C纤维电极电位为正,与金属复合易引起电化学腐蚀。
3.3芳纶纤维(Kevlar,KF)
高强度有机纤维,由对苯二酰与对苯二胺缩聚而成。
结构与尼龙相似,含大量的高极性酰胺键,但含苯环硬性链。
3.3.1芳纶纤维的性能
(1)拉伸强度高。
(2)冲击性能好,GF>
KF>
CF。
(3)弹性模量高,CF>
GF。
(4)断裂延伸率在3%左右。
(5)密度小1.44~1.45,比强度和比模量高。
长期使用<
200℃,热膨胀系数纵向为负。
3.化学性能:
耐中性化学品腐蚀,吸水率高。
3.3.2应用
航天航空:
温度不高的高强度结构受力件;
军事:
防弹器件;
民用:
如造船业、汽车、体育用品绳索。
3.4其他纤维
3.4.1碳化硅纤维(SiliconCarbideFibre,SF)
vSF的制造主要有化学气相沉积法和烧结法。
v高强度、高模量,耐高温、耐腐蚀、耐辐射。
v可用于要求耐热的高强度结构件,主要与金属基和陶瓷基复合。
3.4.2硼纤维(BoronFibre,BF)
v气相法将B沉积在W丝或C纤维表面而得。
v高强度、高模量、密度小,相容性好。
v主要用于金属和树脂增强。
3.4.3氧化铝纤维(AluminiaFibre,AF)
v熔融垂直拉单晶的方法制备,价贵。
v具有优良的耐热性和抗氧化性。
v不足之处是密度大3.20g/cm3。
v主要用于金属基增强。
3.4.4晶须:
陶瓷晶须、金属晶须
v是目前强度最高的品种,接近理论强度,比相应的长纤维高一个数量级。
v复合增强效果不及长纤维,只能作为补强剂使用。
v价贵,用量有限。
①纤维的柔韧性及断裂
各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服
碳纤维和玻璃纤维几乎就是理想的脆性断裂,断裂时不发生截面积的缩小。
②比性能
比强度和比模量是纤维性能的一个重要指标。
③热稳定性
纤维的热稳定性与熔点有关。
一般来讲,材料的熔点越高,热稳定性就越好。
在没有空气和氧气的条件下,碳纤维具有非常好的耐高温性能。
第四章复合材料的界面
4.1概述
复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。
界面是复合材料的特征,可将界面的机能归纳为以下几种效应。
(1)传递效应
(2)阻断效应(3)不连续效应(4)散射和吸收效应
(5)诱导效应
4.2典型界面结合
4.2.1物理结合(机械咬合+次价键结合)
v液态基体渗入纤维表面微孔,固化后形成咬合界面。
v粗糙界面、低的表面能和低粘度,有利于物理结合。
v极性树脂如:
酚醛、聚酰胺、环氧等,与极性纤维具有良好的润湿性,并可形成次价键结合。
v非极性树脂如:
聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等,结合力弱,复合效果差。
vCF表面极性差,经氧化后可提高结合力。
总之:
v物理结合是一种比较弱的结合方式。
v树脂基复合材料若不经特殊处理,多为物理结合。
v金属基部分以物理方式结合。
v陶瓷基几乎不以这种方式结合。
4.2.2扩散融合
v两相成分不同,经扩散或熔融形成过渡层,性质介于两相之间,结合力较强。
v金属与陶瓷基复合温度较高,小分子和原子易于扩散,较常见。
4.2.3化学结合
v化学键结合力强。
但当两相亲合力过强,可能发生化学反应,界面形成较厚的脆性化合物时,性能反而下降。
v树脂基复合材料:
为提高两相的润湿性和结合力,通常采用偶联剂处理纤维表面,或将偶联剂直接加到液态树脂中,以便形成化学键结合。
v金属与陶瓷基复合材料:
化学键结合常见。
多数情况在界面上形成化合物层,脆性大,对力学性能不利。
尤其是高温使用的材料,应防止界面反应。
4.3增强材料的表面处理
v为改善纤维表面的浸润性,提高界面结合力,对纤维进行的预处理——表面改性。
v要点:
不同的复合体系应采用不同的处理方法。
树脂基——提高化学结合
金属及陶瓷基——抑制界面反应
4.3.1玻璃纤维
vGF成分为SiO2,表面吸水后成-OH,可与含-OH、-COOH、-Cl的偶联剂反应成醚键结合。
v偶联剂通式:
R-M–X
M——中心离子Cr3+、Si4+、Ti3+等高价金属离子。
R——可与聚合物交联的基团。
如不饱和双键、氨基、环氧、巯基等。
X——可与玻纤表面醚化的活性基团。
-Cl、-OH、-COOH、-OCH3、-OC2H5。
v表面处理剂处理玻璃纤维的方法:
Ⅰ前处理法——增强型浸润剂
Ⅱ后处理法——国内外普遍采用的处理方法。
Ⅲ迁移法
4.3.2碳纤维
v氧化法——提高表面粗糙度和极性。
v沉积法——CVD沉积碳晶须。
v电聚合法——接枝高分子支链。
4.3.3芳纶等有机纤维
等离子处理,使苯环氧化成-COOH、-OH、OOH等;
或接枝聚合生成高分子支链。
4.3.4与金属基复合的纤维
v目的:
提高浸润性,抑制界面反应。
CF、BF与金属反应活性高,化学相容性差;
氮化物、碳化物纤维反应活性较低;
Al2O3反应活性最低。
v措施:
(1)降低复合温度,减少高温停留时间。
(2)涂覆隔离层。
如CF、BF表面涂SiC。
(3)镀覆金属层,改善浸润性。
如Al2O3纤维镀Cu、Ni等。
第五章聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体,连续纤维为增强材料组合而成。
聚合物基复合材料的性能:
1.具有较高的比强度和比模量2.抗疲劳性能好3.减震性能好4.高温性能好5.安全性好6.可设计性强、成型工艺简单
5.1.1玻璃纤维增强热固性塑料(GFRP)
GFRP俗称玻璃钢。
根据基体种类不同,GFRP分成三类:
(1)环氧玻璃钢
(2)酚醛玻璃钢(3)聚酯玻璃钢
GFRP的特点:
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
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- 复合材料 概论 个人 整理 考试 专用