《复合材料的分类》PPT课件.ppt

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1、 复合材料的分类 1121416007 1121416028 复合材料的分类 第一节 概述 分类 性能特点 第二节 增强材料及其增强机制 增强材料 增强机制 第三节 常用复合材料 第一节 概述 复合材料 两种或者两种以上的不同性质的材料 ， 通 过不同的工艺方法人工合成的多相材料 。 在现代工程中对材料的要求越来越苛刻 ， 特别是在航天 、 航海及交通运输领域 。 例如 ， 要求飞机结构材料既有低的密度 ， 又具有高的强度 、 刚度 、 韧性 、 耐磨及耐蚀 性 。 通常高强度材料的密度也高 ， 增大强度 或刚度则会降低材料的韧性 。 这种材料优异性能的组合 是单一材料无法满足的 。 复合材料

2、 玻璃纤维增强风机叶片 玻璃纤维增强尼龙车轮 玻璃纤维增强塑料制自行车 复合材料制小船 复合材料制防弹衣 特点 复合材料既保持组成 材料各自的最佳特性 ， 又具有组合后的新特性 。 材料 断裂能 / J 玻璃纤维 7.5 10-4 常用树脂 2.26 10-2 热固性玻璃钢 17.6 例 1： 热固性玻璃钢热固性树脂玻璃纤维 热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂 脆性低于玻璃纤维 泥土稻草 水泥钢筋 例 2：建筑材料（复合材料的应 用） 复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻 草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复 合而成。 一、复合材料的分类 复合材料种类繁多，目前尚无统

3、一的分类 方法。 按 基 体 相 的 性 质 分 金属基复合材料 非金属基复合材料 铝基复合材料 钛基复合材料 铜基复合材料 塑料基复合材料 橡胶基复合材料 陶瓷基复合材料 按 增 强 相 的 形 态 分 纤维增强塑料（玻璃钢） 纤维增强橡胶（轮胎） 纤维增强陶瓷 纤维增强金属 金属陶瓷 弥散强化金属 纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 叠层复合材料 双层金属复合材料 三层复合材料 纤 维 增 强 复 合 材 料 颗粒增强复合材料 叠层 复合 材料 二、复合材料的性能特点 1. 比强度和比模量高 纤维增加材料的比强度及比模量远高于 金属材料 ， 特别是碳纤维环氧树脂复合材 料比强度是钢的 8倍

4、 ， 比模量是钢的 4倍 。 2. 抗疲劳和破断安全性好 纤维增强复合材料对缺口及应力集中的 敏感性小 ， 纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹 的扩展 ， 改变裂纹扩展的方向 。 3. 高温性能优良 大多数增强纤维在高温下仍保持高的强 度，如铝合金在 400 时弹性模量已降至近于 0，而碳纤维增强后，在此温度下强度和弹性 模量基本未变。 4. 减振性能好 复合材料的比模量大 ， 故自振频率也高 ， 可避免构件在工作状态下产生共振 。 纤维与基体界面有吸收振动能量的作用 ， 所以纤维增强复合材料具有很好的减振性能 。 第二节 增强材料及其增强机制 复合材料是一种由基体 matrix 和增强相 rein

5、forced phase 组成的多相材料 ， 通常基体 为连续相 ， 而增强相为分散相 。 复 合 材 料 基体 增强相 金属材料、高分子材料、 陶瓷材料 颗粒增强材料、纤维增强材料、 片状增强材料 一 、 增强材料 增强效果最明显 、 应用最广 。 主要有玻璃纤维 、 碳纤维 、 芳纶纤 维 、 硼纤维 、 碳化硅纤维和氧化铝 纤维等 （一）纤维增强材料 1. 玻璃纤维 由熔融玻璃经拉丝制成纤维； 密度 2.4 2.7， 与铝相近 ， 弹性模量低 于金属 ， 但比强度和比模量高； 耐热性好 ， 软化温度 550 580 ； 耐蚀性好 ， 除氢氟酸 、 浓碱 、 浓磷酸外 ， 对其它溶剂有良好

6、的化学稳定性； 不吸水 、 不燃烧 、 尺寸稳定 、 隔热 、 吸 声 、 绝缘 、 透过电磁波等； 制取方便 ， 价格便宜 ， 是应用最广的增 强纤维 。 2. 碳纤维 将有机纤维 （ 如粘胶纤维 、 聚丙烯腈纤维 、 沥青纤维等 ） 在惰性气氛中经高温碳化而 制成 wC90%以上的纤维； 密度低 、 强度和模量高； 高 、 低温性能好 （ 1500 ， -180 ） ； 化学稳定性高 ， 能耐浓盐酸 、 硫酸 、 磷酸 、 苯 、 丙酮等；热胀系数小 ， 热导率高 ， 导 电性 、 自润滑性好； 缺点：脆性大 ， 易氧化 ， 与基体结合力差 。 3. 硼纤维 将元素 B用蒸汽沉积的方法沉积

7、到耐热金属 丝纤芯 （ 钨丝 ） 上制得的一种复合纤维； 熔点高 （ 2300 ） ； 强度 、 弹性模量高； 良好的耐蚀性； 缺点：密度较大 ， 直径较粗 ， 生产工艺复 杂 ， 成本高； 不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛 。 4. 芳纶纤维 亦称 Kevlar纤维 ， 是一种将聚合物溶解在 溶剂中 ， 再经纺丝制成的芳香族聚酰胺类 纤维； 密度小 ， 比强度 、 比弹性模量高； 抗拉强度比玻璃纤维高 45 ， 韧性好； 耐热性好 ， 能在 290 下长期作用； 优良的抗疲劳性 、 耐蚀性 、 绝缘性和加工 性 ， 且价格便宜 。 5. 碳化硅纤维 是以钨丝或碳纤维作纤芯 ， 通过气相 沉积法而

8、制得；或用聚碳硅烷纺纱 ， 经烧结而得； 是一种高熔点 、 高强度 、 高模量的陶 瓷纤维 ， 主要用于增强金属和陶瓷； 优良的高温强度 ， 在 1100 时强度仍 高达 2100MPa。 主要增强颗粒为陶瓷颗粒 ， 如 Al2O3、 SiC、 Si3N4、 WC、 TiC、 B4C及石墨等； 陶瓷颗粒性能好 、 成本低 ， 易于批量生产； 在聚合物中添加不同的填料 ， 构成以填料 为分散相 、 聚合物为连续相的复合材料 ， 可改善制品的力学性能 、 耐磨性能 、 耐热 性能 、 导电性能 、 导磁性能 、 耐老化性能 等 。 （二）颗粒增强材料 二、增强机制 纤维是具有强结合键的物质或硬质

9、材料； 纤维处于基体中 ， 表面受到基体的 保护不易损伤 ， 也不易在受载过程 中产生裂纹 ， 承载能力增大； （一）纤维增强 增强机制 当材料受到较大应力时 ， 一些有裂纹的纤维 可能断裂 ， 但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂 纹扩展方向 。 纤维断裂 裂纹扩展方向 颗粒增强复合是将增强颗粒高度弥散地分 布在基体中 ， 基体承受载荷 ， 而增强颗粒 阻碍导致基体塑性变形的位错运动 （ 金属 基体 ） 或分子链运动 （ 高聚物基体 ） 。 增强颗粒大小会直接影响增强效果： d过大 （ 0.1m） 易引起应力集中而降低 强度； d过小 （ 0.01m） 则接近于固溶体结构 ， 不起颗粒增强作用 。

10、一般颗粒直径为 d=0.010.1 m。 （二）颗粒增强 第三节 常用复合材料 塑料基复合材料 金属基复合材料 橡胶基复合材料 陶瓷基复合材料 一、塑料基复合材料 作为机械工程材料 ， 塑料的最大优点是密度小 、 耐 腐蚀 、 可塑性好 、 易于加工成型 。 缺点：强度低 、 弹性模量低 、 耐热性差 。 改善的方法：复合材料 ， 主要是增强 。 使用最广泛的是纤维增强塑料 。 按纤维的性质可 以把塑料基复合材料分为： 玻璃纤维增强塑料 碳纤维增强塑料 硼纤维增强塑料 碳化硅纤维增强塑料 Kevlar 纤维增强塑料 基体材料：热固性塑料、热塑性塑料 （一）玻璃纤维增强塑料 俗称玻璃钢 。 按照

11、塑料的性质可以分为： 热塑性玻璃钢 热固性玻璃钢 1、热塑性玻璃钢 由体积分数为 20 40%的玻璃纤维与 60 80%的热塑性树脂组成 。 具有高强度和高冲击韧性 ， 良好的低 温性能及低的热胀系数 。 2、热固性玻璃钢 由体积分数为 60 70%的玻璃纤维与 30 40%的热固性树脂组成 。 主要特点：密度小 、 强度高 、 比强度超 过一般的高强钢 ， 耐腐蚀 、 绝缘 、 绝热等 。 但 弹性模量低 ， 在 300 以下使用 。 主要用于制造自重轻的受力构件和要求 无磁性 、 绝缘 、 耐腐蚀的零件 。 （二）碳纤维增强塑料 组成 由碳纤维与聚脂 、 酚醛 、 环氧 、 聚四 氟乙烯等

12、树脂组成的复合材料 。 优点 低密度 、 高强度 、 高弹性模量 、 高比 强度和比模量 。 优良的抗疲劳性能 、 耐冲击性能 、 自 润滑性 、 减摩耐磨性 、 耐腐蚀和耐热性 。 缺点 碳纤维和基体结合强度低 ， 各向异性严重 。 应用 性能优于玻璃钢 ， 主要用于航天和航空工业 中制作飞机机身 ， 螺旋浆 ， 发电机的护环材料等 。 （三）硼纤维增强塑料 组成 由硼纤维与环氧 、 聚酰亚胺等树脂组成的复合材料 。 特点 高比强度和比模量； 良好的耐热性； 缺点是各向异性严重 应用 主要用于航天和航空工业中要求高刚 度的构件 ， 如飞机机身 ， 机翼等 。 （四）碳化硅纤维增强塑料 组成

13、由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料。 特点 高比强度和比模量； 抗拉强度接近碳纤维 环氧树脂复合材料 ， 但抗 压强度是其两倍； 碳化硅 环氧树脂复合材料是一种很具有发展前 途的新型材料 。 应用 主要用于宇航器上的结构 ， 比金属轻 30%。 还可以制作飞机的门 、 降落传动装 置 、 机翼等等 。 （五） Kevlar纤维增强塑料 组成 由 Kevlar纤维与环氧 、 聚乙烯 、 聚碳酸脂 、 聚脂等树脂组成的 复合材料 。 特点 最常用的是 Kevlar纤维 环氧树脂复合材料； 抗拉强度高于玻璃钢，与碳纤维 环氧树脂复合材料相近； 延性好，与金属相似； 具有优良的疲劳抗力和减振性。 主

14、要用于制作飞机机身 、 雷达天线罩 、 火箭发动机外壳 、 快艇等 。 应用 复合材料在波音飞机上的应用 二、金属基复合材料 目前是机械工程中用量最大的一类材料。 塑性，韧性，硬度，弹性模量比较高。但 仍不能满足要求，一直在改进。 主要应用的金属基复合材料： 纤维增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料 塑料 金属多层复合材料 三、橡胶基复合材料 橡胶具有弹性高 ， 减振性好 ， 热导率低 ， 绝缘等优点 ， 但 强度和弹性模量低 ， 耐磨性差 。 为了改善橡胶制品的性能 ， 可以用增强纤维或粒子与其复 合 。 制备纤维增强橡胶和粒子增强橡胶制品 。 纤维增强橡胶 主要用于轮胎，皮带，橡胶管，橡胶布等。 粒子增强橡胶 利用补强剂提高橡胶的抗拉强度，撕裂强 度，耐磨性等。 四、陶瓷基复合材料 陶瓷具有耐高温 ， 抗氧化 ， 耐腐蚀 ， 弹性 摩量高 ， 抗压强度大等优点 。 但陶瓷脆性大 ， 不能承受剧烈的机械冲击 和热冲击 。 用纤维或粒子与陶瓷制成复合材料 ， 其韧性明 显提高 ， 是目前研究的热点 。 主要有： 纤维增强陶瓷复合材料 粒子增强陶瓷复合材料