復(fù)合材料的性能

1、復(fù)合材料的性能第1頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo):導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m K)，表征材料的導(dǎo)熱能力。 材料本身的特性 溫度的函數(shù) 5.1PMC的熱性能 第2頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能 第3頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能 第4頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能 第5頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能

2、 第6頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能 第7頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.2比熱定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)升溫 1 所需的熱量稱之。與別的性質(zhì)不同，復(fù)合材料的比熱與組材料的比熱間的關(guān)系比較簡(jiǎn)單，符合加和性原理：5.1PMC的熱性能 第8頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.2比熱比熱的測(cè)試方法主要有卡計(jì)法、電脈沖加熱法與比較法。5.1PMC的熱性能 圖 5-2 下落等溫銅卡計(jì)比熱測(cè)試法 裝置原理圖第9頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.2

3、比熱測(cè)試溫度為T的試樣及度樣筒在很短的時(shí)間內(nèi)落入溫度為 TK的銅卡計(jì)中，若試樣筒與銅卡計(jì)達(dá)成熱淚盈眶平衡后的溫度為TB，則試樣及試樣筒的總熱焓的減少量等于銅卡計(jì)的熱焓增加量，即：（mCP + mT CPT) (T-TB) = mk CPK (TB -TK)其中，m試樣的質(zhì)量；CP試樣的比熱； mT 試樣筒的質(zhì)量； CPT 試樣筒的比熱； mk 銅卡的質(zhì)量； CPK 銅卡的比熱?？瞻自囼?yàn)中試樣筒與銅卡計(jì)達(dá)成熱平衡后的溫度為TB，則有： mT CPT (T- TB ) = mk CPK (TB -TK)CP = （mk CPK /m) (TB - TB )/ (T-TB) 5.1PMC的熱性能 第

4、10頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.2比熱5.1PMC的熱性能 復(fù)合材料的比熱的復(fù)合效應(yīng)與其復(fù)合狀態(tài)無(wú)關(guān)，而只與組分材料因素有關(guān)，表現(xiàn)為最簡(jiǎn)單的平均效應(yīng)。第11頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能熱膨脹系數(shù)：表征材料受熱時(shí)線度或體積的變化程度。=（L/T）P/L=（V/T）P/V =(L/T)/L =(V/T)/V = 1+ 2 + 3 = 3 5.1PMC的熱性能 第12頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能負(fù)膨脹系數(shù)和零膨脹系數(shù)材料5.1PMC的熱性能 第13頁(yè)，共58

5、頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能5.1PMC的熱性能 第14頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能5.1PMC的熱性能 第15頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能 復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響因素 組成材料因素: 材料的熱膨脹系數(shù)， 組成材料含量與模量的乘積 5.1PMC的熱性能 第16頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能 復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響因素復(fù)合狀態(tài)的影響：增強(qiáng)材料在基體中的分布、排布方式，纖維預(yù)應(yīng)力 使用條件因素：使用溫

6、度，熱循環(huán)5.1PMC的熱性能 第17頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.1.3耐熱性能PMC的耐熱性能主要決定于其聚合物基體的耐熱性能。5.1PMC的熱性能 第18頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 復(fù)合材料的力學(xué)性能主要包括靜態(tài)性能（拉、壓、彎、扭等）和動(dòng)態(tài)性能（斷裂韌性、蠕變性能、疲勞、沖擊等）。聚合物基的復(fù)合材料種類可能非常多，但決定一種復(fù)合材料性能的主要因素是纖維類型、纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維形式及基體類型等。5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能PMC 一般直到斷裂都是完全彈性的，沒(méi)有屈服點(diǎn)或塑性區(qū)。此外，PMC的斷裂應(yīng)變很小，與金屬相比，斷裂功小、韌

7、性差。5.2PMC的力學(xué)性能 第19頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能 第20頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能 第21頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能 第22頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.2.3疲勞性能所有材料在低于靜態(tài)強(qiáng)度極限的動(dòng)載荷作用下，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間都要破壞的現(xiàn)象稱為疲勞。通常用疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）N 或疲勞強(qiáng)度 SN 來(lái)表示材料的疲勞性能，并

8、以所加應(yīng)力幅值或最大應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線（S-N曲線）形式給出。PMC的 S-N曲線的影響因素：纖維類型及體積分?jǐn)?shù)基體類型鋪層方式界面性質(zhì)載荷形式平均應(yīng)力交變應(yīng)力頻率環(huán)境條件5.2PMC的力學(xué)性能 第23頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.2.3疲勞性能5.2PMC的力學(xué)性能 第24頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.2.3疲勞性能5.2PMC的力學(xué)性能 第25頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.2.4沖擊韌性評(píng)價(jià)復(fù)合材料沖擊韌性最普通的方法是通過(guò)測(cè)量破壞一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣所需能量來(lái)確定沖擊韌性。5.2PMC

9、的力學(xué)性能 第26頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.2.4沖擊韌性5.2PMC的力學(xué)性能 第27頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.3.1電性能體積電阻率：RV = V d / s5.3PMC的其他性能 第28頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.3.1電性能表面電阻率：RS = S d / aa材料表面的導(dǎo)電寬度。5.3PMC的其他性能 第29頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.3.2光學(xué)性能PMC波形板和平板的透光性最好，其全透光率為 85 - 90 %，接近普通玻璃的透光率。但

10、由于其散射光占全透光很大的比例，因此，沒(méi)有普通平板玻璃那樣透明。影響透光性的主要因素： 玻璃纖維與樹(shù)脂基體的透光性； 玻璃纖維與樹(shù)脂基體的折射率； 其他因素（表面形狀與光滑程度、纖維的含量與形態(tài)、固化劑的種類和用量、著色劑、填料的種類與含量等）。5.3PMC的其他性能 第30頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 5.3.3老化性能PMC在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，由于物理和化學(xué)因素的作用，面發(fā)生物化性能的下降或變差的現(xiàn)象稱為老化。造成PMC老化的因素有：陽(yáng)光、高能幅射、工業(yè)廢氣、鹽霧、微生物等。老化性能測(cè)試： 戶外測(cè)試（戶外曝曬） 棚內(nèi)老化試驗(yàn) 人工加速老化5.3PMC的其他性能

11、 第31頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二第六章 碳/碳復(fù)合材料 碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維（或石墨）為增強(qiáng)纖維，以碳（或石墨）為基體的復(fù)合材料。特點(diǎn)： 優(yōu)異的熱性能，高的導(dǎo)熱性、低的熱膨脹系數(shù)、抗熱沖擊。 優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，高溫下的高強(qiáng)度和模量、低蠕變、高斷裂韌性。高溫時(shí)隨溫度的升高強(qiáng)度也升高。 是目前唯一可用于達(dá) 2800 的復(fù)合材料。6.1簡(jiǎn)介第32頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 6.1簡(jiǎn)介第33頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 6.1簡(jiǎn)介圖 6-2 碳/碳復(fù)合材料制造的剎車零件 第34頁(yè)，共58頁(yè)，2022年

12、，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 6.2.1預(yù)成型體的制備基本思路：先將碳增強(qiáng)材料預(yù)先制成預(yù)成型體，然后再以基體碳填充逐漸形成致密的碳/碳復(fù)合材料。與聚合物基復(fù)合材料一樣可制成單向、二維或三維的織物。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第35頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 6.2.2基體碳的制備目前碳/碳復(fù)合材料的基體碳主要是通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）和液態(tài)浸漬含碳化率高的高分子物質(zhì)的碳化來(lái)獲得。一、化學(xué)氣相沉積工藝化學(xué)氣相沉積原理：通過(guò)氣相的分解或反應(yīng)生成固態(tài)物質(zhì)，并在某固定基體（基底）上成核、生長(zhǎng)。CH4(g) 加熱 C(s) + 2 H2(g)作為分解或反應(yīng)的氣體

13、有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天燃?xì)?、汽油等?.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第36頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 6.2.2基體碳的制備一、化學(xué)氣相沉積工藝反應(yīng)氣體通過(guò)層流向沉積襯底的過(guò)界層擴(kuò)散。 沉積襯底表面吸附反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體產(chǎn)生反應(yīng)并形成固態(tài)產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物。 所產(chǎn)生 的氣體產(chǎn)物解吸附，并沿一邊界層區(qū)域擴(kuò)散。 產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物排出?；瘜W(xué)氣相沉積的主要工藝參數(shù)是反應(yīng)溫度與壓力。在獲得碳/碳復(fù)合材料的基體碳時(shí)，其溫度都在 950 以上。具體的工藝有等到溫工藝、壓力梯度工藝和溫度梯度工藝。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第37頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21

14、分，星期二 6.2.2基體碳的制備一、化學(xué)氣相沉積工藝6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第38頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 6.2.2基體碳的制備二、液態(tài)浸漬-碳化工藝用該工藝可獲得基體碳中的樹(shù)脂碳和瀝青碳。為了達(dá)到 碳/碳復(fù)合材料的要求，一般需要經(jīng)過(guò)多次浸漬-碳化過(guò)程。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第39頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 6.2.2基體碳的制備二、液態(tài)浸漬-碳化工藝 500 時(shí)主要是縮水，形成水蒸氣逸出，體積收縮 約40%。 600 - 700 時(shí)，樹(shù)脂熱解出甲烷與CO，體積收縮至約50%。 隨溫度的升高只是脫氫，因此體積收

15、縮趨于穩(wěn)定。 1700 之后，樹(shù)脂碳趨于石墨化，由于收縮造成的裂縫的綜合作用，體積收縮會(huì)有所增加。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第40頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 6.2.2基體碳的制備二、液態(tài)浸漬-碳化工藝6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第41頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二6.3碳/碳復(fù)合材料的性能第42頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二6.3碳/碳復(fù)合材料的性能第43頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二碳/碳復(fù)合材料是目前耐高溫工程結(jié)構(gòu)材料的理想材料，但碳/碳復(fù)合材料在高于370 時(shí)就會(huì)發(fā)

16、生氧化，氧化保護(hù)極為重要。在制備碳/碳復(fù)合材料過(guò)程中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑 在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入6.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)第44頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二在制備碳/碳復(fù)合材料過(guò)程中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑采用碳/碳復(fù)合材料內(nèi)含硼或硼化物類抑制劑，可將其氧化開(kāi)始溫度提高到 600 ，當(dāng)溫度再高時(shí)只能應(yīng)用高溫抗氧化涂層的方法。6.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)第45頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度低于1500時(shí)SiC和 Si3N4陶瓷是較好的抗氧化陶瓷涂層。它

17、們具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，相對(duì)較低的蒸氣壓和氧的擴(kuò)散滲透率，與碳相容性好，熱膨脹系數(shù)低。6.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)第46頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度介于1500 - 1800時(shí)采用如 SiO2 + SiC的復(fù)合涂層。6.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)第47頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度高于 1800時(shí)采用如ZrO2 HO2 Y2O3 和 ThO2的復(fù)合涂層。它們?cè)?000 以上時(shí)仍有所需的熱穩(wěn)定性。Al2O3則可用于1800 - 2000 。6

18、.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)第48頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二第七章 PMC的應(yīng)用 試驗(yàn)表明，人造衛(wèi)星的重量如果減少 1公斤，則用于其發(fā)射的火箭重量可減少200公斤以上。衛(wèi)星天線、支撐結(jié)構(gòu)與殼體等基本上都是PMC材料。另一個(gè)原因是由于聚合物基復(fù)合材料優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。美國(guó)航天飛機(jī)中使用PMC材料后的減重超過(guò)了1200公斤，主要有KF/EP復(fù)合材料制的壓力容器等，其艙門就使用了CF/EP復(fù)合材料 1452公斤。此外，“三叉戟I”、MX型導(dǎo)彈殼體等都是采用了K-49/EP復(fù)合材料。7.1在宇航工業(yè)中的應(yīng)用第49頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二

19、第七章 PMC的應(yīng)用 7.1在宇航工業(yè)中的應(yīng)用第50頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二第七章 PMC的應(yīng)用 航空工業(yè)是聚合物基復(fù)合材料使用最早、用量最多的部分之一。7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用第51頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用第52頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用第53頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用第54頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 7.3在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用由于聚合物基復(fù)合材料具有突

20、出的耐酸、耐堿和耐其他介質(zhì)腐蝕等特點(diǎn)，已在石油化工設(shè)備和化學(xué)防腐工程上獲得了廣泛應(yīng)用。采用聚合物基復(fù)合材料代替不銹鋼、銅、鉛、鈦、鎳合金制造的各種貯罐、容器、冷卻塔、酸洗槽、液體輸送管道、煙囪等因質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、維修方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)各大石油公司的公路加油站所用的汽油貯罐已采用玻璃鋼制造，容量為 22.5 m3, 美國(guó)最大的玻璃鋼貯罐已達(dá) 3000 m3 。美國(guó)用玻璃鋼管代替 2000多米鋼管輸送苛性鉀生產(chǎn)中的殘液，質(zhì)量減輕60 %，成本降低 1/3，壽命由原來(lái)的6-9個(gè)月提高到 2-5 年。第55頁(yè)，共58頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)21分，星期二 7.4在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括車輛制造及造船工業(yè)上的應(yīng)用。在汽車制造方面，現(xiàn)在已用聚合物基復(fù)合材料制造了各種轎車、大型客車、拖車、