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复合材料学
:
yusongpan163.
某某理工大学材料科学与工程学院
复合材料与工程教研室
2012年9月
§1、概述
§2、复合原理与界面§7、陶瓷基复合材料
§3、增强材料§8、水泥基复合材料
§4、基体材料§9、先进复合材料
§5、聚合物基复合材料§10、材料复合新技术
§6、金属基复合材料§11、可靠性与无损评价
教材与参考书
1、《复合材料》冯小明某某大学
2、《复合材料科学与工程》倪礼忠科学
3、《复合材料》吴人洁某某大学。
4、《复合材料大全》化学工业
5、《现代复合材料》中国物资
6、《复合材料与其应用》某某科学技术
第1章绪论
材料科学的开展简史
材料是人类用来制造各种产品的物质,是人类生活和生产的物质根底。
人类社会的开展伴随着材料的发明和开展。
材料的开展历史
石器—陶瓷器—青铜器—铁器—高分子材料—复合材料
1.1.1中华民族对材料开展的重大贡献
一、石器的制造和使用
在人类的开展史上,最先使用的工具是石器。
中华民族的祖先用坚硬的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。
石器
二、陶器与瓷器的发明和使用
新石器时代(公元前6000年~公元前5000年),中华民族的先人们用粘土烧制成陶器。
瓷器——中国文化的象征
最早生产瓷器的国家。
东汉时期发明了瓷器。
于9世纪传到非洲东部
和阿拉伯国家,13世纪传到..日本,15世纪传到欧洲。
瓷器成为中国文化的象征,对世界文明产生了极大的影响。
中国瓷器畅销全球,名誉四海。
瓷器
三、我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化
夏朝(公元前2140年始)以前我国青铜的冶炼就开始。
殷、西周时期已开展到很高的水平。
制造各种工具、食器、兵器。
兵器
●从某某隋县
●世界上最古老的青铜成分的文字记载
春秋战国时期《周礼·考工记》:
六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐(剂〕;
五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐;
四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐;
三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;
五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐;
金、锡半,谓之鉴燧之齐。
我们的祖先已经认识到了青铜的成分、性能与应用之间的密切关系。
四、铁器的生产和应用
●青秋战国时期(公元前770年~公元前221年)开始大量使用铁器。
从兴隆战国铁器遗址中开掘出了浇铸农具用的铁模。
冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸造的高级阶段。
●西汉时期炼铁技术提高
采用煤作为炼铁的燃料,比欧洲早1700多年。
在某某巩县汉代冶铁遗址中,开掘出20多座冶铁炉和锻炉。
炉型庞大,结构复杂,并有鼓风装置和铸造坑。
生产规模壮观。
铁人黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)
●我国古代创造了三种炼钢方法
从矿石中直接炼出自然钢。
用这种钢做的剑在东方各国享有盛誉,东汉时传入了欧洲;
西汉时期的经过“百次〞冶炼锻打的百炼钢;
南北朝时期生产的灌钢。
先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早1600多年。
●钢的热处理技术达到相当高的水平
●西汉《史记·天官书》:
淬火工艺要点
“水与火合为淬〞
钢铁生产工具的开展,对社会进步起了巨大的推动作用。
●《汉书·王褒传》:
制剑技术
“巧冶铸干将之朴,清水淬其锋〞
●明代科学家宋应星《天工开物》:
论述钢铁的退火、淬火、渗碳工艺。
五、丝绸——天然高分子材料
丝绸是一种天然高分子材料,在我国有着悠久的历史。
我国丝绸质地柔软,色彩鲜艳,美观华丽,光彩夺目。
于十一世纪传到波斯、阿拉伯、埃与,于1470年传到意大利的威尼斯,进入欧洲。
中国丝绸,名扬四海。
1.2新材料新工艺重大成果
一、新材料新工艺迅速开展
在当代,科学技术和生产飞跃开展。
材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱,开展格外迅猛。
●高分子材料迅速开展
从20世纪60年代到70年代,高分子材料每年以14%的速度增长。
到70年代中期,全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等;
●陶瓷材料引人注目
陶瓷材料已用于制造机器零件和工程结构。
陶瓷具有许多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作光导纤维、激光晶体等)。
陶瓷脆性和抗热震性正在逐步获得改善,是最有前途的高温结构材料。
耐磨陶瓷绝缘陶瓷
●复合材料前途广阔
技术和工业的开展对材料性能提出越来越高的要求。
单一材料不能满足某些使用要求。
复合材料越来越得到人们的重视。
玻璃纤维树脂复合材料
碳纤维树脂复合材料
在航空航天工业中用于制造卫星壳体、飞机机身、螺旋桨等;
●功能材料开展很快
超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的开展。
光缆磁浮列车〔时速430公里〕
二、我国在新材料新工艺的研究和应用
方面取得重大成果
●研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢—贝氏体钢;
研制出零电阻温度为128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体);
材料快速成型技术和材料外表处理技术在我国得到迅速开展。
激光外表淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸轮轴、纺织用锭杆等零件的外表强化上得到应用。
分层实体快速成形
减速机箱体原型
熔融沉积快速成形
叶轮原型
化学气相沉积技术制造高硬度、高耐磨性的金黄色TiN薄膜,用于耐磨零件和装饰件的外表处理。
●我国汽车工业开展迅猛。
汽车材料需求迅速增加。
除金属材料外,高分子材料、陶瓷材料、复合材料在汽车中得到重要应用。
新型轿车电动汽车
●航空、航天事业迅速崛起,带动航空、航天材料的开展。
1966年我国成功发射人造卫星。
1999年我国载人航天工程试验飞船“神舟〞一号飞行成功。
2003年中国第一艘载人飞船“神舟〞五号飞行成功。
2005年中国第二艘载人飞船“神舟〞六号飞行成功。
2008年中国第三艘载人飞船“神舟〞七号飞行成功。
研制成功超7隐形战斗机,2003年8月30日首飞成功。
研制成功歼7E、歼10战斗机。
加强了国防力量。
●研制潜艇、导弹核潜艇,加强海军力量。
导弹核潜艇
1983年8月参加海军
服役。
装有12枚两级弹道导弹。
导弹核潜艇
新型碳材料的研究方面取得许多新的成果,利用碳纳米管作为衬底,制备出均匀、致密的金刚石薄膜,并用碳纳米管作为晶须增强复合材料,制作纳米复合材料。
●碳纳米管的研究取得新成果
碳纳米管
碳纳米管的结构
材料科学和材料工程开展很快。
我们需要掌握材料科学的根本理论和根本知识,研究和发明新的材料和新的工艺,合理地使用各种工程材料,为四个现代化建设事业作出贡献。
复合材料的应用领域
科学中的复合思想
复合是自然界的根本规律
天然材料是最完美的材料,
人的心脏,75*60分*24小时*365天*80年
=3,153,600,000跳/一生
该完美的特性就来源于复合与
自修复
生命体是多层次意义上的复合体系:
生命体根本单位----细胞,是细胞膜、细胞基质、细胞核的复合体,各自担任营养、信息表达和力学支撑的作用。
即使细胞膜也是有磷脂双分子层,蛋白质组成的复合功能体系。
竹子维管束的体积分数从内到外沿径向非线性递增,力学性能与纤维体积分数呈现线性相关关系
乌贼骨是一种多孔度达90%,由甲壳素与蛋白质等有机分子预制的多层房架式结构
2.复合是科学的根本思想
诺贝尔奖
白川英树导电聚合物vs导电复合材料
超分子科学:
模拟自然,借鉴自然界自组装思想,人工合成新颖、稳定、功能上和技术上重要的复合材料
TheMaterialsScienceTetrahedron材料科学四面体
结构固有特性制作方法测定性能使用性能
性能价格比Cost(price)performance
3.材料的复合化是材料开展的根本趋势
飞机用材料的开展
70年代后以铝、钛、钢硼或碳纤维增强的复合材料已成为飞机的根本结构材料。
1903年12月17日莱特兄弟的第一架飞机,木材、布和钢
1910~1925年开始用钢管代替木材作机身骨架,用铝作蒙皮
40-50年代末全金属结构飞机
60年代出现3倍音速的SR-71全钛高空高速侦察机和不锈钢占机体结构重量69%的XB-70轰炸机。
大飞机制造材料:
70年代空客A300,复合材料占整架飞机的比重只有5%;
06年面世超大型飞机A380,复合材料的比重已达23%;
2010年A350超宽客机,其高性能轻质结构达62%,成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。
飞机的机身前舱局部可整体使用复合材料成型
新材料技术是工业革命和产业开展的先导
B-2隐形轰炸机主体结构是钛复合材料,其它局部均由碳纤维和石墨等复合材料构成,不易反射。
计划制造的绿色环保飞机,全部由纤维复合材料制成
材料的外表温度(℃)
1700
单晶合金普通铸件定向凝固超级合金共晶合金弥散强化超级合金
隔热涂层陶瓷复合材料碳-碳
新材料技术是工业革命和产业开展的先导
叶片材料在发动机上应用的年份纤维增强超级合金纤维混凝土井盖铸铁井盖
纤维聚合物井盖
§1、概述
一、定义
复合材料——由两种或两种以上,物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料,并具有复合效应。
各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料的组成相:
增强相----纤维、晶须、颗粒。
〔不连续相〕
基体相----金属、陶瓷、聚合物。
〔连续相〕
增强相:
一般具有很高的力学性能〔强度、弹性模量〕,与特殊的功能性。
其主要作用是承受载荷或显示功能。
基体相:
保持材料的根本特性,如硬度、耐磨、耐热性等。
主要作用是将增强相固结成一个整体,起传递和均衡应力的作用。
纤维增强聚合物复合材料
实例:
天然木材----纤维素纤维+木质素
钢筋混凝土----砂、石、钢筋+水泥
玻璃钢----玻璃纤维+热固性树脂
C/C复合材料----石墨碳纤维+热解碳或树脂碳
〔耐烧蚀〕
复合材料的命名
〔1〕基体与增强材料并用:
增强材料/基体材料“复合材料〞
如:
碳纤维环氧树脂复合材料
〔2〕强调基体材料时以基体为主:
例:
树脂基复合材料,金属基复合材料
〔3〕强调增强材料时如此以增强材料为主:
如玻璃纤维增强复合材料
碳纤维增强复合材料等
1、按基体材料分
树脂基:
聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等60年代
金属基:
Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co与其合金70年代
陶瓷基:
Al2O3、ZrO2与非氧化物80年代
2、按增强相形状分
颗粒均布、各向同性
纤维〔长、短纤维和晶须〕各向异性或同性☆
层片各向异性
二、复合材料的分类
树脂基<250℃
金属基<600℃
陶瓷基<1500℃
碳/碳~3000℃
水泥基
换能热电、光电、声电等
阻尼吸声
导电导磁
屏蔽
摩擦磨耗
烧蚀
功能复合材料
〔注重物理性能〕
结构复合材料
〔注重力学性能〕
性能:
取决于基体相、增强相种类与数量,其次是它们的结合界面、成型工艺等。
1、主要取决于增强相的性能
⑴.比强度比刚度高
⑵.冲击韧性和断裂韧性高
⑶.耐疲劳性好
⑷.减震性
⑸.热膨胀系数小
三.复合材料的性能
裂纹扩展示意图
各种材料的比强度和比模量
注:
比强度是材料在断裂点的强度〔通用拉伸强度〕与其密度之比。
强度单位Pa,MPa,kg/cm2;密度单位kg/cm3。
两个单位的比值就是cm〔也可换算成m〕。
⑴、硬度
陶瓷基>金属基>树脂基
⑵、耐热性
树脂基:
60~250℃
金属基:
400~600℃
陶瓷基:
1000~1500℃
⑶、耐自然老化
陶瓷基>金属基>树脂基
2、取决于基体相的性能
⑷、导热导电性
金属基>陶瓷基>树脂基
⑸、耐蚀性
陶瓷基和树脂基>金属基
⑹、工艺性与生产本钱
陶瓷基>金属基>树脂基
1、设计的三个层次:
单层设计---微观力学方法
层合体设计---宏观力学方法
产品结构设计---结构力学方法
•单层材料的性能
取决于增强相、基体相和结合界面的力学性能,增强相的含量、分布方向等。
设计内容包括正确选择原料的种类和配比。
四、复合材料设计特点
层合体设计
层合体的性能
取决于单层材料的力学性能和铺层方法〔厚度、纤维交叉方式、顺序等〕。
设计内容包括:
对铺层方案作出合理的安排。
产品结构性能
取决于层合体的力学性能、结构几何、组合与连接方式。
设计内容:
最终确定产品结构的形状、尺寸、连接方法等。
2、特点:
•性能可设计性强〔可调因素多〕
•材料设计与结构设计相关联
•性能预测性差如:
加和法
没有考虑界面结合的影响,预测性很差。
五、复合材料的开展趋势
1、由宏观复合向微观复合开展
微纤增强复合材料纳米复合材料分子复合材料
2、向多元混杂复合和超混杂复合开展
例如两种纤维的复合应用,两种基体的复合应用等
3、由结构复合为主向结构复合与功能复合并重的方向开展
功能复合材料的开发与应用等
4、由被动复合向主动复合材料开展
所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种
作用或作出某种反响。
主动材料就是指具备能自诊断、
自适应和自修补作用材料。
5、由常规设计向仿生设计方向开展
仿生设计就是利用某种生物体的特征,设计材料。
仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的
功能材料。
思考题
1、复合材料的定义
2、复合材料的组成
3、比拟结构复合材料和功能复合材料
4、复合材料的性能特点
5、不同基体复合材料的适用温度X围
6、复合材料设计特点
7、复合材料设计有哪三个层次?
8、复合材料的设计包括哪些内容?
§2复合原理与界面
复合材料的复合原理,是反映各种因素对复合材料性能的影响规律。
影响复合材料性能的因素:
工艺因素
基体和增强材料的性能
增强材料的形状、含量、分布
增强材料与基体的界面结合、结构
按照复合原理,可以对所需要研究和开发的复合材料的性能,包括力学、物理、化学性能等进展设计、预测和评估。
2.1复合原理
复合材料的增强体主要有三种形式:
颗粒、纤维和晶须
增强机理可分为颗粒增强原理、纤维增强原理和混杂增强原理
1、弥散强化复合材料的增强机制
将粒子高度弥散地分布在基体中,使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。
这种复合材料是各向同性的。
其强化效果与粒子直径、体积分数有关,质点尺寸越小体积分数越高,强化效果越好。
一、粒子增强型复合材料的增强机制
碳黑增强橡胶
用金属或高分子聚合物把具有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成的材料。
由于强化相颗粒较大,对位错的滑移〔金属基〕或分子链运动〔聚合物基〕已没有多大的阻碍作用,强化效果并不显著。
主要不是提高强度,而是改善耐磨性或提高综合力学性能。
2、颗粒增强复合材料的增强机制
硬质合金组织(Co+WC)
硬质合金轴承刀具
增强粒子与其效果
①μm、体积分数约1%~15%,增强强度。
②颗粒增强复合材料,粒子直径为1~50μm、体积分数大于20%,改善耐磨性或提高综合力学性能。
以各种金属和非金属作为基体,以各种纤维作为增强材料的复合材料。
纤维增强复合原如此
纤维增强复合材料中,纤维是材料主要承载组分,其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。
二、纤维增强复合材料的增强机制
纤维增强遵循原如此:
1增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。
3纤维所占体积分数、长度、长度和直径比(L/d)等必须满足
一定要求,通常纤维体积分数越高、越长、越细,增强效果越好。
4纤维与基体之间的线膨胀系数相匹配。
5纤维与基体之间有良好的相容性。
2基体与纤维之间要有一定的粘结力,并具有一定的强度。
1〕弹性模量与强度
外力方向与纤维轴向一样时,c=f=m(f-纤维、m-基体、c-复合材料),如此
当外力垂直于纤维轴向时,如此
3〕纤维最小体积分数
2.2复合材料的界面1、什么是界面(interface)?
复合材料中基体与增强材料之间的结合面。
此结合面是基体和增强材之间发生相互作用和相互扩散而形成的。
相与相之间的交界面。
即两相间的接触外表
2、界面结合的类型I、机械结合:
借助增强纤维外表凹凸不平的形态而产生的
机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。
II、溶解与浸润结合:
液态金属对增强纤维的侵润,而产生的作用力,作用X围只有假如干原子间距大小。
III、反响结合:
基体与纤维之间形成界面反响层。
IV、混合结合:
上述三种形式的混合结合方式。
3、纤维增强复合材料界面特点
I、纤维与基体互不反响、互不溶解的界面。
II、纤维与基体不反响、但相互溶解的界面。
III、纤维与基体反响形成界面反响层。
4、怎样通过控制界面特征对材料性能产生作用?
界面特征:
界面厚度、剩余应力、界面能、结合强度
1〕改变增强材料外表性质。
2〕向基体内添加特定的元素。
3〕在增强材料的外表施加涂层。
5、界面组成
复合材料性能的关键取决于两相的结合界面。
因为相与相通过界面偶合,它起着传递应力,阻断裂纹扩展,散射吸收各种电磁波,电偶腐蚀等作用。
复合过程中,液体材料通过润湿、渗透、
扩散和化学反响形成一层成分、结构不
同于两相的过渡层微区——界面。
基体-扩散层-化合物层
-扩散层-纤维
基体
纤维
1〕. 物理结合〔机械咬合+次价键结合〕
液态基体渗入纤维外表微孔,固化后形成咬合界面。
粗糙界面、低的外表能和低粘度,有利于物理结合。
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。
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。
CF外表极性差,经氧化后可提高结合力。
6、典型界面结合
总之:
物理结合是一种比拟弱的结合方式。
树脂基复合材料假如不经特殊处理,多为物理结合。
金属基局部以物理方式结合。
陶瓷基几乎不以这种方式结合。
2
2〕. 扩散融合
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。
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。
3〕. 化学结合
化学键结合力强。
但当两相亲合力过强,可能发生化学反响,界面形成较厚的脆性化合物时,性能反而下降。
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外表,或将偶联剂直接加到液态树脂中,以便形成化学键结合。
金属与陶瓷材料:
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,应防止延续反响。
7、增强材料的外表处理
为改善纤维外表的浸润性,提高界面结合力,对纤维进展的预处理——外表改性。
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
金属与陶瓷基——抑制化学反响
1〕.玻璃纤维
GF成分为SiO2,外表吸水后成-OH,可与含-OH、
-COOH、-Cl的偶联剂反响成醚键结合。
偶联剂通式:
R-M–X
M---中心离子Cr+3、Si+4、Ti+3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----可与玻纤外表醚化的活性基团。
如:
-Cl、-OH、
-COOH、-OCH3、-OC2H5。
2〕. 碳纤维
•氧化法----提高外表粗糙度和极性。
•沉积法----CVD沉积碳晶须。
•电聚合法----接枝高分子支链
3〕.芳纶等有机纤维
等离子处理,使苯环氧化成-COOH、-OH;或接枝聚合生成高分子支链。
4〕.与金属基复合的纤维
目的:
提高浸润性,抑制化学反响。
•CF、BF与金属反响活性高,化学相容性差;
•氮化物、碳化物纤维反响活性较低;
•Al2O3反响活性最低。
措施:
•降低复合温度,减少高温停留时间。
•涂覆隔离层。
如CF、BF外表涂SiC。
•镀覆金属层,改善浸润性。
如Al2O3纤维镀Cu、Ni等。
思考题
1、影响复合材料性能的因素?
2、复合材料的增强机制有哪些?
3、什么叫弥散强化?
4、纤维增强复合材料的复合原如此?
5、什么叫做界面?
6、界面结合方式有哪些类型?
7、界面特征是指什么
8、怎样控制界面特征影响复合材料性能?
9、不同基体的复合材料怎样选择界面处理方式?
10、玻璃纤维外表处理机制
§3.基体材料
基体的作用:
固结增强相,均衡载荷和传递应力,保持根本性质。
选材原如此:
强度、刚度等力学性能,只作一般性考虑。
两者相容性,环境适应性,工艺性,重点考虑。
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。
环境适应性:
耐热、耐蚀、抗老化和适当的硬度。
工艺性:
制备是否方便,本钱是否低廉等。
一、聚合物基
特点:
一般在室温或低温下进展复合成型,工艺性好;
可选择的增强材料X围广泛,本钱最低。
研究与应用:
开展最早,品种最多,应用最广。
可选材料:
几乎所有的热固性、热塑性聚合物。
包括橡胶、粘结剂。
1、热固性聚合物〔-OH、-NH2-、-OH-、-CH=CH-……〕
⑴.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响合成的线
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:
•固化剂---乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。
•引发剂---过氧化物〔加热固化〕
•促进剂---苯胺类和有机钴。
室温固化。
3
•粘度低,工艺性好。
•综合性能好,价廉,用量约占80%。
•苯乙烯等挥发大有毒,体积收缩大,耐热性、强度
和模量较低。
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。
双酚型
CH2-CH-CH2Cl+n(HO--R--OH)
(2)、环氧树脂
环氧氯丙烷
二酚基化合物
通式:
线性预聚体
CH2-CH-CH2[O--R--O]n
其中R:
CH3
│
-C-
│
CH3
A丙基
-CH2-
F亚甲基
O
‖
-S-
‖
O
S砜
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,固化交联点不高。
b.非双酚型
链内含有环氧基,交联密度高,结合强度与耐热性均提高。
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
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- 复合材料
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