復合材料課件.ppt

1、2020/7/13,1,復合材料,Composite Material,工程材料多媒體課件,主講人：李安銘 材料科學與工程學院,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,2,3、抗疲勞和破斷安全性良好,基體與增強纖維的界面能夠有效的阻止疲勞裂紋擴展或改變裂紋的擴展方向。,例：一般金屬材料： -10.40.5 b 碳纖維增強復合材料：-10.7-0.8 b,破斷安全性好：纖維增強 復合材料不可能所有的增強 纖維同時斷裂，構(gòu)件不會發(fā) 生突然破壞。,熱壓SiC纖維補強微晶玻璃拉伸斷口,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,3,4、高

2、溫性能好：,多數(shù)增強纖維高溫下保持高強度，顯著提高耐高溫性能,例：707576鋁合金。 400時，E0，b從500MPa降至3050MPa； 碳纖維增強復合后400時，E和b接近于室溫時的水平。,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,4,目前： 聚合物基復合材料：最高耐溫為350C； 金屬基復合材料：使用溫度3501100C； 陶瓷基復合材料：使用溫度可達1400C； 碳/碳復合材料：使用溫度最高2800C。,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,5,5、減振性能好,i 避免自振ii 纖維分基體的界面吸收振動能量。 結(jié)構(gòu)自

3、振頻率與材料的比模量成正比，復合材料比模量高，故其自振頻率高，故避免在工作 條件下發(fā)生共振。 例：同樣尺寸形狀 的梁，金屬9S停止振動， 纖維復合材料則需2.5S。,熱壓SiC纖維增強Si3N4復合材料SEM,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,6,6:存在的問題： （1）某些性能要進一步改進，例抗沖擊性能； （2）手工操作多，工藝復雜，效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定； （3）價格高，增強纖維價格太高。,SiC纖維增強復 合材料界面SEM,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,7,二、增強材料及其增強機制,（一）增強材料,1、纖維增

4、強材料：增強效果最明顯、應用最廣泛.,基體：各種金屬和非金屬材料； 增強材料：各種纖維。,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,8,纖維增強復合材料的強度和剛性與纖維方向密切相關(guān),纖維在基體中的不同分布方式,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,9,纖維的種類：,玻璃纖維：用量最大、價格最便宜,碳纖維：化學性能與碳相似。,硼纖維：耐高溫、強度、彈性模高,金屬纖維：成絲容易、彈性模量高。,陶瓷纖維：高溫、高強復合材料。,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,10,聚酰胺纖維: 強度、彈性模

5、量高，耐熱。,聚乙烯纖維: 韌性極好，密度非常小 。,晶須：極高強度材料。,晶須：直徑小于30m，長度只有幾毫米 的針狀單晶體，斷面呈多角形。,SiC晶須,陶瓷的截面與強度 MPa,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,11,2、顆粒增強材料 顆粒增強金屬基復合材料： 顆粒增強材料是陶瓷，如Al2O3,SiC,WC,TiC等。 高聚物中的填料： 填料為分散相，聚合物為連續(xù)相,組成復合材料?？梢愿纳屏W性能，提高耐磨性、耐熱性能等。 例：塑料中加入陶土、碳酸鈣等，提高硬度、強度。 常用的填料有：石墨、MgO、SiO、高嶺土、碳酸鈣等,2020/7/13,Anm

6、ing Li, Dept of MSE,hpu,12,三、常用的復合材料 （一）、纖維增強復合材料 1常用增強纖維 主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、 碳化硅纖維、Kevlar有機物纖維等。,玻璃纖維紙,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,13,（1）玻璃纖維 由熔融的玻璃經(jīng)拉絲制成纖維。,缺點：脆性較大、耐熱性低，250以上開始軟化。 優(yōu)點：價格低廉、制取方便。,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,14,（2）碳纖維 型碳纖維：人造纖維（粘膠纖維、聚丙烯腈纖維等），在200300空氣中加熱并施加一定張力進行預氧化處理，

7、然后在氮氣的保護下于10001500的高溫中進行碳化處理而制得。其碳含量Wc85%95%。,型碳纖維：在25003000氬氣中進行石墨化處理，獲得含碳量為Wc98%以上的碳纖維，又稱石墨纖維或高模量碳纖維,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,15,與玻璃纖維相比,缺點：脆性大、易氧化,彈性模量為玻璃纖維的4-6倍； 1500惰性氣體中強度不變，-180低溫脆性不增加。,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,16,聚合物復合材料的力學性能,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,17,較環(huán)

8、氧樹脂基體性能大幅度提高， 比強度高得多。,2纖維樹脂復合材料,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,18,（1）玻璃纖維樹脂復合材料 亦稱玻璃纖維增強塑料，也稱玻璃鋼。 1）熱塑性玻璃鋼 由20%40%的玻璃纖維和60%80%的熱塑性樹脂（如尼龍、ABS等）組成，具有高強度和高沖擊韌性，良好的低溫性能及低熱膨脹系數(shù)。,玻璃鋼汽車保險杠,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,19,2) 熱固性玻璃鋼 由60%70%玻璃纖維（或玻璃布）和30%40%熱固性樹脂（環(huán)氧、聚酯樹脂等）組成。 優(yōu)點：密度小、強度高，耐蝕性、絕緣性、

9、絕熱性好；吸水性、防磁，易加工成型。 缺點：彈性模量低，熱穩(wěn)定性不高，300以下工作。,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,20,3纖維金屬（或合金）復合材料 增強纖維：高強度、高模量的脆性纖維； 碳、硼、碳化硅纖維。 金屬基體：高韌性及低屈服強度的金屬； 鋁、鈦、銅、鎳、鎂、銀、鉛等合金。,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,21,金屬基復合材料的性能,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,22,4纖維陶瓷復合材料 陶瓷材料韌性低、難加工。在陶瓷材料中加入纖維增強，能大幅度提高強度

10、，改善韌性，并提高使用溫度。 陶瓷中增韌纖維受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越多材料韌性越好。,C/C復合材料,Si/Si復合材料,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,23,（二）疊層復合材料 疊層復合材料是由兩層或兩層以上不同材料結(jié)合而成。,1雙層金屬復合材料 性能不同的兩種金屬用膠合或鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復合在一起，以滿足某種性能要求的材料。,簡易恒溫器,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,24,金屬+金屬復合管,金屬+陶瓷復合管,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,25,（三）粒子增強型復合材料,粒子增強復合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導致塑性變形的位錯運動(金屬基體)和分子鏈運動(聚合物基體)。 這種復合材料是各向同性的。,彌散強化復合材料（d=0.010.1m, v=1%15%）,依據(jù)顆粒的大小和體積分數(shù)，分為：,2020/7/13,Anming Li, Dept of MSE,hpu,26,聚合物基粒子復合材料： 如酚醛樹脂中摻入木粉的電木、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣塑材料(合成木材)等。 陶瓷基粒子復合材料： 如氧化鋯增韌陶瓷等。,2020/7/13,Anming