復(fù)合材料的性能

復(fù)合材料的性能第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.1 熱傳導(dǎo): 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)，表征材料的導(dǎo)熱能力。 材料本身的特性 溫度的函數(shù)

5.1 PMC的熱性能第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.1 熱傳導(dǎo)5.1 PMC的熱性能第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.2 比熱定義：單位質(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)系比較簡單，符合加和性原理：5.1 PMC的熱性能第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.2 比熱比熱的測試方法主要有卡計(jì)法、電脈沖加熱法與比較法。5.1 PMC的熱性能圖5-2下落等溫銅卡計(jì)比熱測試法 裝置原理圖第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2 比熱 測試溫度為T的試樣及度樣筒在很短的時間內(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+mTCPT)(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。 空白試驗(yàn)中試樣筒與銅卡計(jì)達(dá)成熱平衡后的溫度為TB`，則有：

mTCPT(T-TB`)=mk

CPK(TB`-TK)

CP=（mk

CPK/m)(TB-TB`)/(T-TB)

5.1 PMC的熱性能第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.2 比熱5.1 PMC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)無關(guān)，而只與組分材料因素有關(guān)，表現(xiàn)為最簡單的平均效應(yīng)。第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.3 熱膨脹性能

熱膨脹系數(shù)：表征材料受熱時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=35.1 PMC的熱性能第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.3 熱膨脹性能 負(fù)膨脹系數(shù)和零膨脹系數(shù)材料5.1 PMC的熱性能第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.3 熱膨脹性能

5.1 PMC的熱性能第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.3 熱膨脹性能

5.1 PMC的熱性能第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

5.1 PMC的熱性能第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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：使用溫度，熱循環(huán)5.1 PMC的熱性能第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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。5.1 PMC的熱性能第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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、韌性差。5.2 PMC的力學(xué)性能第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.1 靜態(tài)力學(xué)性能

5.2 PMC的力學(xué)性能第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.1 靜態(tài)力學(xué)性能

5.2 PMC的力學(xué)性能第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.1 靜態(tài)力學(xué)性能

5.2 PMC的力學(xué)性能第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3 疲勞性能 所有材料在低于靜態(tài)強(qiáng)度極限的動載荷作用下，經(jīng)過不同時間都要破壞的現(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來表示材料的疲勞性能，并以所加應(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5.2 PMC的力學(xué)性能第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.3 疲勞性能

5.2 PMC的力學(xué)性能第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.3 疲勞性能

5.2 PMC的力學(xué)性能第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.4 沖擊韌性 評價(jià)復(fù)合材料沖擊韌性最普通的方法是通過測量破壞一個標(biāo)準(zhǔn)試樣所需能量來確定沖擊韌性。5.2 PMC的力學(xué)性能第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.4 沖擊韌性5.2 PMC的力學(xué)性能第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.1 電性能 體積電阻率：RV=V

d/s5.3 PMC的其他性能第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.1 電性能 表面電阻率：RS=S

d/a a—材料表面的導(dǎo)電寬度。5.3 PMC的其他性能第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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。但由于其散射光占全透光很大的比例，因此，沒有普通平板玻璃那樣透明。 影響透光性的主要因素： 玻璃纖維與樹脂基體的透光性； 玻璃纖維與樹脂基體的折射率； 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）。5.3 PMC的其他性能第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.3 老化性能

PMC在長期的使用過程中，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：陽光、高能幅射、工業(yè)廢氣、鹽霧、微生物等。 老化性能測試： 戶外測試（戶外曝曬） 棚內(nèi)老化試驗(yàn) 人工加速老化 5.3 PMC的其他性能第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第六章碳/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 簡介第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.1 簡介第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.1 簡介圖6-2碳/碳復(fù)合材料制造的剎車零件第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月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)的碳化來獲得。一、化學(xué)氣相沉積工藝 化學(xué)氣相沉積原理：通過氣相的分解或反應(yīng)生成固態(tài)物質(zhì)，并在某固定基體（基底）上成核、生長。CH4(g)

加熱

C(s)+2H2(g)

作為分解或反應(yīng)的氣體有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天燃?xì)狻⑵偷取?.2 碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.2.2 基體碳的制備 一、化學(xué)氣相沉積工藝 反應(yīng)氣體通過層流向沉積襯底的過界層擴(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。 化學(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，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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)過多次浸漬-碳化過程。6.2 碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.2 基體碳的制備 二、液態(tài)浸漬-碳化工藝

500℃時主要是縮水，形成水蒸氣逸出，體積收縮約40%。

600-700℃時，樹脂熱解出甲烷與CO，體積收縮至約50%。隨溫度的升高只是脫氫，因此體積收縮趨于穩(wěn)定。

>1700℃之后，樹脂碳趨于石墨化，由于收縮造成的裂縫的 綜合作用，體積收縮會有所增加。6.2 碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.3 碳/碳復(fù)合材料的性能第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.3 碳/碳復(fù)合材料的性能第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月 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℃時就會發(fā)生氧化，氧化保護(hù)極為重要。 在制備碳/碳復(fù)合材料過程中在基體中預(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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月 在制備碳/碳復(fù)合材料過程中在基體中預(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，可將其氧化開始溫度提高到600℃，當(dāng)溫度再高時只能應(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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

SiC和Si3N4陶瓷是較好的抗氧化陶瓷涂層。它們具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，相對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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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 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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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 采用如ZrO2·HO2·Y2O3

和ThO2的復(fù)合涂層。它們在2000℃以上時仍有所需的熱穩(wěn)定性。

Al2O3則可用于1800-2000℃。6.4 碳/碳復(fù)合材料的氧化保護(hù)第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第七章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。美國航天飛機(jī)中使用PMC材料后的減重超過了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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第七章PMC的應(yīng)用

7.1 在宇航工業(yè)中的應(yīng)用第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第七章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，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2 在航空工業(yè)中的應(yīng)用第52頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2 在航空工業(yè)中的應(yīng)用第53頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.2 在航空工業(yè)中的應(yīng)用第54頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

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、使用壽命長等特點(diǎn)取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

美國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22.5m3,美國最大的玻璃鋼貯罐已達(dá)3000m3。 美國用玻璃鋼管代替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，壽命由原來的6-9個月提高到2-5年。第55頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.4 在交通運(yùn)