【大學(xué)課件】復(fù)合材料

復(fù)合材料歡迎來到復(fù)合材料的世界。這門課程將帶您深入了解這種革命性材料的特性、制備方法和廣泛應(yīng)用。讓我們一起探索復(fù)合材料如何塑造我們的未來。什么是復(fù)合材料？定義復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)方法復(fù)合而成的新型材料。組成通常包括基體和增強(qiáng)體。基體為連續(xù)相，增強(qiáng)體為分散相。兩者協(xié)同作用，產(chǎn)生優(yōu)異性能。復(fù)合材料的分類聚合物基復(fù)合材料以聚合物為基體，如環(huán)氧樹脂、聚酯等。金屬基復(fù)合材料以金屬為基體，如鋁、鈦、鎂等。陶瓷基復(fù)合材料以陶瓷為基體，如氧化鋁、氮化硅等。聚合物基復(fù)合材料輕量化密度低，強(qiáng)度高，是理想的輕量化材料。耐腐蝕優(yōu)異的耐腐蝕性能，適用于惡劣環(huán)境?？稍O(shè)計(jì)性可根據(jù)需求調(diào)整性能，實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)。金屬基復(fù)合材料高強(qiáng)度金屬基體賦予材料高強(qiáng)度和韌性。耐高溫相比聚合物基，具有更好的耐熱性能。導(dǎo)熱性好金屬基體提供優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能?？蛊趦?yōu)異的抗疲勞性能，適用于循環(huán)載荷場(chǎng)合。陶瓷基復(fù)合材料1高硬度陶瓷基體賦予材料極高的硬度和耐磨性。2耐高溫可在極高溫度下保持性能穩(wěn)定。3化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，適用于腐蝕性環(huán)境。4低密度相比金屬基，具有更低的密度。復(fù)合材料的特點(diǎn)高強(qiáng)度/低密度比強(qiáng)度和比模量高，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。各向異性可根據(jù)受力方向設(shè)計(jì)材料性能。多功能性可同時(shí)滿足多種性能要求。可設(shè)計(jì)性通過調(diào)整組分比例和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。復(fù)合材料的制備方法1液相法如樹脂傳遞模塑、熱壓成型等。2固相法如粉末冶金、擴(kuò)散焊接等。3氣相法如化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等。4原位合成法在基體中原位生成增強(qiáng)相。熱塑性樹脂基復(fù)合材料的制備1材料準(zhǔn)備選擇合適的熱塑性樹脂和增強(qiáng)纖維。2預(yù)浸料制備將纖維與熔融樹脂混合，制成預(yù)浸料。3模壓成型將預(yù)浸料在高溫高壓下成型。4冷卻固化將成型件冷卻至室溫，完成制備。熱固性樹脂基復(fù)合材料的制備1樹脂配制選擇合適的熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂，并添加固化劑。2纖維浸漬將增強(qiáng)纖維浸漬在樹脂中，制成預(yù)浸料。3鋪層與成型將預(yù)浸料按設(shè)計(jì)要求鋪層，然后在模具中成型。4固化在特定溫度和壓力下進(jìn)行固化，完成制備。金屬基復(fù)合材料的制備鑄造法將增強(qiáng)體加入熔融金屬中，然后澆注成型。粉末冶金法將金屬粉末與增強(qiáng)體混合，然后壓制燒結(jié)。擴(kuò)散焊接法通過固態(tài)擴(kuò)散將金屬與增強(qiáng)體結(jié)合。陶瓷基復(fù)合材料的制備浸漬法將多孔陶瓷預(yù)制體浸漬在液態(tài)金屬或熔融玻璃中。熱壓法在高溫高壓下將陶瓷粉末與增強(qiáng)體壓制成型。原位反應(yīng)法通過化學(xué)反應(yīng)在陶瓷基體中原位生成增強(qiáng)相。溶膠-凝膠法利用溶膠-凝膠過程制備納米復(fù)合陶瓷。纖維的種類及特點(diǎn)玻璃纖維成本低，強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用。碳纖維高強(qiáng)度，高模量，但成本較高。芳綸纖維高強(qiáng)度，低密度，耐高溫。超高分子量聚乙烯纖維高強(qiáng)度，低密度，但耐熱性差。玻璃纖維及其性能高強(qiáng)度比鋼鐵強(qiáng)度高，但密度只有鋼鐵的四分之一。絕緣性好優(yōu)異的電絕緣性能，廣泛用于電子電器領(lǐng)域。耐腐蝕對(duì)多種化學(xué)物質(zhì)有良好的抗腐蝕性能。成本低相比其他高性能纖維，價(jià)格較低，性價(jià)比高。碳纖維及其性能高強(qiáng)度比強(qiáng)度和比模量極高，是理想的輕量化材料。耐高溫在高溫下仍能保持優(yōu)異的力學(xué)性能。導(dǎo)電性好具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。高性能纖維及其性能1芳綸纖維高強(qiáng)度，低密度，優(yōu)異的耐熱性和阻燃性。2超高分子量聚乙烯纖維高強(qiáng)度，低密度，優(yōu)異的耐磨性和耐沖擊性。3聚苯并噁唑纖維（PBO）超高強(qiáng)度和模量，優(yōu)異的耐熱性和阻燃性。4碳化硅纖維高強(qiáng)度，高模量，優(yōu)異的耐高溫性能。復(fù)合材料的力學(xué)性能拉伸性能高強(qiáng)度和高模量，可實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。壓縮性能受纖維和基體性能影響，需注意纖維屈曲。彎曲性能可通過調(diào)整鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化彎曲性能。沖擊性能纖維增強(qiáng)可顯著提高材料的沖擊韌性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)1纖維選擇根據(jù)性能要求選擇合適的纖維。2基體選擇選擇與纖維匹配的基體材料。3纖維體積分?jǐn)?shù)優(yōu)化確定最佳的纖維含量。4鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化纖維方向和層間排列。復(fù)合材料的疲勞性能疲勞機(jī)理復(fù)合材料疲勞損傷涉及基體開裂、纖維斷裂和界面剝離。影響因素纖維類型、基體性能、界面強(qiáng)度和環(huán)境條件都影響疲勞性能。S-N曲線通過應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線評(píng)估材料的疲勞壽命。疲勞設(shè)計(jì)通過優(yōu)化纖維方向和鋪層設(shè)計(jì)提高疲勞性能。復(fù)合材料的損傷與破壞行為1基體開裂最早出現(xiàn)的損傷形式，沿纖維方向產(chǎn)生微裂紋。2界面剝離纖維與基體界面分離，影響應(yīng)力傳遞。3纖維斷裂當(dāng)應(yīng)力超過纖維強(qiáng)度時(shí)，纖維發(fā)生斷裂。4層間分層層與層之間發(fā)生分離，嚴(yán)重影響材料性能。復(fù)合材料的吸波性能雷達(dá)隱身通過吸收電磁波實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身效果。結(jié)構(gòu)-功能一體化同時(shí)滿足承載和吸波要求。寬頻帶吸收通過多層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸波。復(fù)合材料的耐熱性能1基體選擇選用耐高溫樹脂或陶瓷基體。2纖維選擇使用碳纖維或陶瓷纖維提高耐熱性。3界面設(shè)計(jì)優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)提高高溫穩(wěn)定性。4熱防護(hù)設(shè)計(jì)采用多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)功能。復(fù)合材料的抗化學(xué)腐蝕性能基體選擇選用耐腐蝕性能好的樹脂或金屬基體。表面處理通過表面涂層或改性提高抗腐蝕性能。纖維選擇使用耐腐蝕纖維，如玻璃纖維或碳纖維。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少腐蝕介質(zhì)的滲透。復(fù)合材料的工程應(yīng)用航空航天中的復(fù)合材料應(yīng)用機(jī)身結(jié)構(gòu)大量使用碳纖維復(fù)合材料，顯著降低飛機(jī)重量。發(fā)動(dòng)機(jī)部件采用陶瓷基復(fù)合材料，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)使用高性能復(fù)合材料，滿足輕量化和高穩(wěn)定性要求。汽車工業(yè)中的復(fù)合材料應(yīng)用車身部件使用碳纖維復(fù)合材料減輕車身重量。內(nèi)飾件采用玻璃纖維復(fù)合材料提高強(qiáng)度和美觀性。發(fā)動(dòng)機(jī)罩使用碳纖維復(fù)合材料提高散熱性能。體育用品中的復(fù)合材料應(yīng)用自行車碳纖維復(fù)合材料車架，輕量化和高強(qiáng)度。網(wǎng)球拍碳纖維復(fù)合材料，提高擊球力度和控制性。高爾夫球桿碳纖維復(fù)合材料桿身，提高擊球距離和精度。建筑工程中的復(fù)合材料應(yīng)用橋梁加固使用碳纖維布加固老舊橋梁，提高承載能力。建筑外墻采用玻璃纖維增強(qiáng)水泥板，提高耐久性和美觀性。管道系統(tǒng)使用玻璃纖維增強(qiáng)塑料管道，提高耐腐蝕性。抗震結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料減震裝置，提高建筑物抗震性能。電子電器中的復(fù)合材料應(yīng)用1印刷電路板使用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基板，提高性能和可靠性。2手機(jī)外殼采用碳纖維復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)輕量化和高強(qiáng)度。3散熱器使用碳纖維/銅復(fù)合材料，提高散熱效率。4電磁屏蔽采用導(dǎo)電復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能。復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)智能復(fù)合材料具有感知和自適應(yīng)功能的新型復(fù)合材料。納米復(fù)合材料利用納米技術(shù)提高材料性能。綠色復(fù)合材料開發(fā)可持續(xù)、可