復(fù)合材料的分類

復(fù)合材料的分類第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日復(fù)合材料的分類第一節(jié)概述分類性能特點(diǎn)第二節(jié)增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)機(jī)制增強(qiáng)材料增強(qiáng)機(jī)制第三節(jié)常用復(fù)合材料第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)概述復(fù)合材料兩種或者兩種以上的不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的多相材料。第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日在現(xiàn)代工程中對材料的要求越來越苛刻，特別是在航天、航海及交通運(yùn)輸領(lǐng)域。例如，要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料既有低的密度，又具有高的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐磨及耐蝕性。通常高強(qiáng)度材料的密度也高，增大強(qiáng)度或剛度則會降低材料的韌性。第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日這種材料優(yōu)異性能的組合是單一材料無法滿足的。復(fù)合材料第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日玻璃纖維增強(qiáng)風(fēng)機(jī)葉片玻璃纖維增強(qiáng)尼龍車輪第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日玻璃纖維增強(qiáng)塑料制自行車復(fù)合材料制小船第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日復(fù)合材料制防彈衣第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日特點(diǎn)復(fù)合材料既保持組成材料各自的最佳特性，又具有組合后的新特性。第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日例1：熱固性玻璃鋼＝熱固性樹脂＋玻璃纖維熱固性玻璃鋼：強(qiáng)度高于熱固性樹脂脆性低于玻璃纖維第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日泥土＋稻草水泥＋鋼筋例2：建筑材料（復(fù)合材料的應(yīng)用）復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日一、復(fù)合材料的分類復(fù)合材料種類繁多，目前尚無統(tǒng)一的分類方法。按基體相的性質(zhì)分金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料銅基復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日按增強(qiáng)相的形態(tài)分纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）纖維增強(qiáng)橡膠（輪胎）纖維增強(qiáng)陶瓷纖維增強(qiáng)金屬金屬陶瓷彌散強(qiáng)化金屬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料疊層復(fù)合材料雙層金屬復(fù)合材料三層復(fù)合材料第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料疊層復(fù)合材料第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日二、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)比強(qiáng)度和比模量高纖維增加材料的比強(qiáng)度及比模量遠(yuǎn)高于金屬材料，特別是碳纖維－環(huán)氧樹脂復(fù)合材料比強(qiáng)度是鋼的8倍，比模量是鋼的4倍。抗疲勞和破斷安全性好纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對缺口及應(yīng)力集中的敏感性小，纖維與基體界面能阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，改變裂紋擴(kuò)展的方向。第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日高溫性能優(yōu)良大多數(shù)增強(qiáng)纖維在高溫下仍保持高的強(qiáng)度，如鋁合金在400℃時彈性模量已降至近于0，而碳纖維增強(qiáng)后，在此溫度下強(qiáng)度和彈性模量基本未變。減振性能好復(fù)合材料的比模量大，故自振頻率也高，可避免構(gòu)件在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振。纖維與基體界面有吸收振動能量的作用，所以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很好的減振性能。第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)增強(qiáng)材料及其增強(qiáng)機(jī)制復(fù)合材料是一種由基體matrix和增強(qiáng)相reinforcedphase組成的多相材料，通?；w為連續(xù)相，而增強(qiáng)相為分散相。復(fù)合材料基體增強(qiáng)相金屬材料、高分子材料、陶瓷材料顆粒增強(qiáng)材料、纖維增強(qiáng)材料、片狀增強(qiáng)材料第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日一、增強(qiáng)材料增強(qiáng)效果最明顯、應(yīng)用最廣。主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等（一）纖維增強(qiáng)材料第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日玻璃纖維由熔融玻璃經(jīng)拉絲制成纖維；密度2.4～2.7，與鋁相近，彈性模量低于金屬，但比強(qiáng)度和比模量高；耐熱性好，軟化溫度550～580℃；耐蝕性好，除氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對其它溶劑有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；不吸水、不燃燒、尺寸穩(wěn)定、隔熱、吸聲、絕緣、透過電磁波等；制取方便，價格便宜，是應(yīng)用最廣的增強(qiáng)纖維。第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日碳纖維將有機(jī)纖維（如粘膠纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青纖維等）在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而制成wC>90%以上的纖維；密度低、強(qiáng)度和模量高；高、低溫性能好（1500℃，-180℃）；化學(xué)穩(wěn)定性高，能耐濃鹽酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等；熱脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高，導(dǎo)電性、自潤滑性好；缺點(diǎn)：脆性大，易氧化，與基體結(jié)合力差。第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日硼纖維將元素B用蒸汽沉積的方法沉積到耐熱金屬絲－纖芯（鎢絲）上制得的一種復(fù)合纖維；熔點(diǎn)高（2300℃）；強(qiáng)度、彈性模量高；良好的耐蝕性；缺點(diǎn)：密度較大，直徑較粗，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高；不及玻璃纖維和碳纖維應(yīng)用廣泛。第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日芳綸纖維亦稱Kevlar纖維，是一種將聚合物溶解在溶劑中，再經(jīng)紡絲制成的芳香族聚酰胺類纖維；密度小，比強(qiáng)度、比彈性模量高；抗拉強(qiáng)度比玻璃纖維高45％，韌性好；耐熱性好，能在290℃下長期作用；優(yōu)良的抗疲勞性、耐蝕性、絕緣性和加工性，且價格便宜。第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日碳化硅纖維是以鎢絲或碳纖維作纖芯，通過氣相沉積法而制得；或用聚碳硅烷紡紗，經(jīng)燒結(jié)而得；是一種高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高模量的陶瓷纖維，主要用于增強(qiáng)金屬和陶瓷；優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，在1100℃時強(qiáng)度仍高達(dá)2100MPa。第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日主要增強(qiáng)顆粒為陶瓷顆粒，如Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC、B4C及石墨等；陶瓷顆粒性能好、成本低，易于批量生產(chǎn)；在聚合物中添加不同的填料，構(gòu)成以填料為分散相、聚合物為連續(xù)相的復(fù)合材料，可改善制品的力學(xué)性能、耐磨性能、耐熱性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)磁性能、耐老化性能等。（二）顆粒增強(qiáng)材料第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日二、增強(qiáng)機(jī)制纖維是具有強(qiáng)結(jié)合鍵的物質(zhì)或硬質(zhì)材料；纖維處于基體中，表面受到基體的保護(hù)不易損傷，也不易在受載過程中產(chǎn)生裂紋，承載能力增大；（一）纖維增強(qiáng)增強(qiáng)機(jī)制第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)材料受到較大應(yīng)力時，一些有裂紋的纖維可能斷裂，但基體能阻礙裂紋擴(kuò)展并改變裂紋擴(kuò)展方向。纖維斷裂裂紋擴(kuò)展方向第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日顆粒增強(qiáng)復(fù)合是將增強(qiáng)顆粒高度彌散地分布在基體中，基體承受載荷，而增強(qiáng)顆粒阻礙導(dǎo)致基體塑性變形的位錯運(yùn)動（金屬基體）或分子鏈運(yùn)動（高聚物基體）。增強(qiáng)顆粒大小會直接影響增強(qiáng)效果：d過大（>0.1μm）易引起應(yīng)力集中而降低強(qiáng)度；d過?。?lt;0.01μm）則接近于固溶體結(jié)構(gòu)，不起顆粒增強(qiáng)作用。一般顆粒直徑為d=0.01~0.1μm。（二）顆粒增強(qiáng)第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)常用復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日一、塑料基復(fù)合材料作為機(jī)械工程材料，塑料的最大優(yōu)點(diǎn)是密度小、耐腐蝕、可塑性好、易于加工成型。缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、彈性模量低、耐熱性差。改善的方法：復(fù)合材料，主要是增強(qiáng)。第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日使用最廣泛的是纖維增強(qiáng)塑料。按纖維的性質(zhì)可以把塑料基復(fù)合材料分為：玻璃纖維增強(qiáng)塑料碳纖維增強(qiáng)塑料硼纖維增強(qiáng)塑料碳化硅纖維增強(qiáng)塑料Kevlar纖維增強(qiáng)塑料基體材料：熱固性塑料、熱塑性塑料第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日（一）玻璃纖維增強(qiáng)塑料俗稱玻璃鋼。按照塑料的性質(zhì)可以分為：熱塑性玻璃鋼熱固性玻璃鋼第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日1、熱塑性玻璃鋼由體積分?jǐn)?shù)為20～40%的玻璃纖維與60～80%的熱塑性樹脂組成。具有高強(qiáng)度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低的熱脹系數(shù)。第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日2、熱固性玻璃鋼由體積分?jǐn)?shù)為60～70%的玻璃纖維與30～40%的熱固性樹脂組成。主要特點(diǎn)：密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度超過一般的高強(qiáng)鋼，耐腐蝕、絕緣、絕熱等。但彈性模量低，在300℃以下使用。主要用于制造自重輕的受力構(gòu)件和要求無磁性、絕緣、耐腐蝕的零件。第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日（二）碳纖維增強(qiáng)塑料組成由碳纖維與聚脂、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等樹脂組成的復(fù)合材料。優(yōu)點(diǎn)低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和比模量。優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊性能、自潤滑性、減摩耐磨性、耐腐蝕和耐熱性。第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日

缺點(diǎn)碳纖維和基體結(jié)合強(qiáng)度低，各向異性嚴(yán)重。應(yīng)用性能優(yōu)于玻璃鋼，主要用于航天和航空工業(yè)中制作飛機(jī)機(jī)身，螺旋漿，發(fā)電機(jī)的護(hù)環(huán)材料等。第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日（三）硼纖維增強(qiáng)塑料組成由硼纖維與環(huán)氧、聚酰亞胺等樹脂組成的復(fù)合材料。特點(diǎn)高比強(qiáng)度和比模量；良好的耐熱性；缺點(diǎn)是各向異性嚴(yán)重第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)用主要用于航天和航空工業(yè)中要求高剛度的構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)身，機(jī)翼等。第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日（四）碳化硅纖維增強(qiáng)塑料組成由碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料。特點(diǎn)高比強(qiáng)度和比模量；抗拉強(qiáng)度接近碳纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，但抗壓強(qiáng)度是其兩倍；碳化硅—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是一種很具有發(fā)展前途的新型材料。第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)用主要用于宇航器上的結(jié)構(gòu)，比金屬輕30%。還可以制作飛機(jī)的門、降落傳動裝置、機(jī)翼等等。第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日（五）Kevlar纖維增強(qiáng)塑料組成由Kevlar纖維與環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸脂、聚脂等樹脂組成的復(fù)合材料。特點(diǎn)最常用的是Kevlar纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料；抗拉強(qiáng)度高于玻璃鋼，與碳纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相近；延性好，與金屬相似；具有優(yōu)良的疲勞抗力和減振性。第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日主要用于制作飛機(jī)機(jī)身、雷達(dá)天線罩、火箭發(fā)動機(jī)外殼、快艇等。應(yīng)用第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日復(fù)合材料在波音飛機(jī)上的應(yīng)用第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日二、金屬基復(fù)合材料目前是機(jī)械工程中用量最大的一類材料。塑性，韌性，硬度，彈性模量比較高。但仍不能滿足要求，一直在改進(jìn)。第四十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日主要應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料塑料—金屬多層復(fù)合材料第四十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期日三、橡膠基復(fù)合材料橡膠具有彈性高，減振性好，熱導(dǎo)率低，絕緣等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度和彈性模量低，耐磨性差。為了改善橡膠制品的性能，可以用增強(qiáng)纖維或粒子與其復(fù)合。制備纖維增強(qiáng)橡膠和粒子增強(qiáng)橡膠制品。纖維增強(qiáng)橡膠—主要用于輪胎，皮帶，橡膠管，橡膠布等。