材料学导论课件：7 复合材料李珍.ppt

1、复合材料复合材料李珍李珍材料与化学学院材料与化学学院2013-3-18讲授内容：4.1 概述概述 一、什么是复合材料一、什么是复合材料 二、复合材料的命名二、复合材料的命名 三、复合材料的分类三、复合材料的分类 四、复合材料结构四、复合材料结构 五、五、复合材料的发展历史复合材料的发展历史 六、复合材料的发展趋势六、复合材料的发展趋势4.3增强材料增强材料一、玻璃纤维一、玻璃纤维二、碳纤维二、碳纤维三、硼纤维三、硼纤维四、碳化硅纤维四、碳化硅纤维五、芳纶纤维五、芳纶纤维六、晶六、晶 须须复合材料的界面复合材料的界面 界面结合的类型、界面特征界面结合的类型、界面特征4.44.5金属基复合材料金属

2、基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料4.7其他复合材料其他复合材料纤纤 维维密度密度(g/cm3)软化点软化点()抗拉强度抗拉强度(MPa)比强度比强度(106cm)弹性模量弹性模量(GPa)比模量比模量(107cm)Kevlar-291.54360024744.8Kevlar-491.543900251278.3碳纤维（普通）碳纤维（普通）1.703650200011.820011.3碳纤维（高强）碳纤维（高强）1.753650300017.122012.5碳纤维（高模）碳纤维（高模）1.903650250013.145023.6硼纤维（钨芯）硼纤维（钨芯）2.622300280011.0

3、39015E玻璃纤维玻璃纤维2.54700345013.77229S玻璃纤维玻璃纤维2.50840482019.78535石英玻璃石英玻璃2.101660600020743.3ZrO2纤维纤维4.81365021004.33507.1Al2O3纤维纤维3.15204021006.61803.5Al2O3晶须晶须3.962040210005343011SiC晶须晶须3.182690210006649019Si3N4晶须晶须3.1819601400044380124.4 聚合物基复合材料 一、基体类型一、基体类型（1）不饱和聚酯树脂）不饱和聚酯树脂(UPE) （2）环氧树脂）环氧树脂（3）酚醛树脂

4、）酚醛树脂（4）热塑性树脂）热塑性树脂二、聚合物基复合材料成型方法二、聚合物基复合材料成型方法 （1）手糊成型法：）手糊成型法： （2）喷射成型：）喷射成型：（3）树脂传递（树脂压注）模塑法）树脂传递（树脂压注）模塑法（4）缠绕成型法）缠绕成型法（5）模压成型工艺）模压成型工艺三、三、聚合物基复合材料基本性能聚合物基复合材料基本性能 （1 1）比强度高）比强度高 材料材料密度密度（g/cm3）拉伸强度拉伸强度(103MPa)弹性模量弹性模量(105MPa)比强度比强度(105cm)比模量比模量(105cm)钢钢7.81.032.10.130.27铝合金铝合金2.80.470.750.170.2

5、6钛合金钛合金4.50.961.140.210.25玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料2.01.060.40.530.20碳纤维碳纤维/ /环氧复合材料环氧复合材料1.451.51.41.030.97碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料1.61.072.40.671.5有机纤维有机纤维/环氧复合材料环氧复合材料1.41.40.81.00.57硼纤维硼纤维/环氧复合材料环氧复合材料2.11.382.10.661.0硼纤维硼纤维/铝复合材料铝复合材料2.651.02.00.380.57金属材料和聚合物基复合材料的性能金属材料和聚合物基复合材料的性能（2 2）耐疲劳性能好；（）耐疲劳性能好；（3 3

6、）减震性好；）减震性好；（4 4）FRPFRP的电性能；（的电性能；（5 5）FRPFRP的热性能的热性能； （6 6）FRPFRP老化性能差；（老化性能差；（7 7）有很好的加工工艺性；）有很好的加工工艺性；4.5金属基复合材料金属基复合材料一、概述一、概述 （1）高比强度、高比模量）高比强度、高比模量 （2）导热、导电性能好：）导热、导电性能好： （3）热膨胀系数小、尺寸稳定性好：）热膨胀系数小、尺寸稳定性好： （4）耐高温：）耐高温： （5）耐磨性好：）耐磨性好： （6）良好的疲劳性能和断裂韧性）良好的疲劳性能和断裂韧性 （7）不吸潮、不老化、气密性好）不吸潮、不老化、气密性好 以金属为

7、基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料增强物：增强物：硼、碳（石墨）、碳化硅、氧化铝纤维以及钨丝、钼丝、不锈钢丝等金属丝，硼、碳（石墨）、碳化硅、氧化铝纤维以及钨丝、钼丝、不锈钢丝等金属丝，晶须主要有碳化硅、氧化铝，增强颗粒主要有碳化硅和氧化铝颗粒。晶须主要有碳化硅、氧化铝，增强颗粒主要有碳化硅和氧化铝颗粒。 存在密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反应等缺点存在密度高、制作成本高、工艺复杂、增强材与基体间易发生化学反应等缺点性性能能二、金属基复合材料种类：二、金属基复合材料种类：Al、Ni、Ti、Mg1、长纤维增

8、强金属基复合材料、长纤维增强金属基复合材料1）硼）硼/铝复合材料铝复合材料2）石墨）石墨/铝复合材料铝复合材料MMC的的SEM照片照片3）石墨）石墨/镁复合材料镁复合材料4）碳化硅）碳化硅/钛复合材料钛复合材料 5）氧化铝）氧化铝/铝复合材料铝复合材料2、短纤维增强金属基复合材料、短纤维增强金属基复合材料1）氧化铝）氧化铝/铝复合材料铝复合材料2）碳化硅）碳化硅/铝复合材料铝复合材料3）氧化铝）氧化铝/镍复合材料镍复合材料3、颗粒增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料2）碳化钛）碳化钛/钛复合材料钛复合材料1）碳化硅）碳化硅/铝复合材料铝复合材料3）颗粒增强金属间化）颗粒增强金属间化合物复

9、合材料合物复合材料4.6陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料一、基本性能一、基本性能二、二、纤维增强陶瓷复合材料的制备纤维增强陶瓷复合材料的制备（1）溶胶）溶胶-凝胶和聚合物裂解法（凝胶和聚合物裂解法（先驱体转化法先驱体转化法（2）化学气相渗透（化学气相渗透（CVI）、）、沉积（沉积（ CVD）法）法（3）直接熔融氧化法（）直接熔融氧化法（Lanxide法）法） 三、陶瓷基复合材料种类三、陶瓷基复合材料种类（一）长纤维增强陶瓷基复合材料（一）长纤维增强陶瓷基复合材料 1、碳、碳/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 2、碳化硅、碳化硅/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 3、碳、碳/碳复合材料碳复合材料（二）短纤维

10、及晶须增强陶瓷基复合材料（二）短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料 1、碳、碳/玻璃陶瓷基复合材料玻璃陶瓷基复合材料 2、晶须、晶须/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料（三）颗粒增强陶瓷基复合材料（三）颗粒增强陶瓷基复合材料 1、氧化锆、氧化锆/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 2、氧化钇、氧化钇/陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料功能复合材料功能复合材料 导电功能复合材料：导电功能复合材料： C/金属金属/镀金玻纤镀金玻纤+树脂树脂 压电功能复合材料：压电功能复合材料：PZT(ZrTiO3)+C/Ce/Si+树脂树脂 磁性复合材料：磁性复合材料：铁氧体铁氧体/稀土稀土+ 树脂树脂 吸波功能复合材料：吸波功能复合材

11、料： Pd/Fe+ 树脂树脂 减磨阻功能复合材料：减磨阻功能复合材料：C/石墨纤维石墨纤维+ 树脂树脂(PA氟塑料氟塑料 化学腐蚀功能复合材料：化学腐蚀功能复合材料：无机粉体无机粉体+树脂树脂 光功能复合材料：光功能复合材料：聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯+氟化物氟化物 生体功能复合材料：生体功能复合材料：金属金属Co/Ti/Ni陶瓷陶瓷Al高分子高分子 纳米复合材料：纳米复合材料：蒙脱土蒙脱土/PA6复合材料复合材料 ，纳米氮化钨铜复合粉体纳米氮化钨铜复合粉体 梯度功能复合材料：梯度功能复合材料：固化剂固化剂+环氧类树脂（一定方向上环氧类树脂（一定方向上,耐热性耐热性Tg,粘接强度粘接强度

12、,拉伸强度拉伸强度,冲击强度冲击强度,伸长率等依次连续或阶梯缓缓变化）伸长率等依次连续或阶梯缓缓变化） 除机械性能以外而提供其他物理除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料性能的复合材料后续相关课程后续相关课程 复合材料及成型加工，48学时 复合材料结构设计， 32学时参观实习参观实习安排安排 时间：4月9日，周二，8：00，1-2节课材化楼门前集合 参观内容：材料制备与性能表征 1、粉体工程实验室 2、高温制备实验室 3、高分子与复合材料制备实验室 4、材料显微结构实验室、材料科学基础实验室 5、材料性能表征实验室（力、热、光、电、磁性能） 安排：分四小组，每班分两组 考试时间与安排 考试

13、形式：闭卷名词、填空、问答、论述题。 考试时间：4月15日（星期一），晚上7：009：00 考试地点：上网查询（033111班？）（班？）（033112班？）班？） “神六神六”回家回家返回舱怎样返回舱怎样“退烧退烧”？ 飞船返回再入大气层进入距地面飞船返回再入大气层进入距地面8080公里至公里至4040公里的稠密大公里的稠密大气层时气层时, ,是气动加热量最严重的一段是气动加热量最严重的一段, ,返回舱表面温度将高返回舱表面温度将高达达上千摄氏度上千摄氏度, ,像一个大火球。如果不采取防热措施像一个大火球。如果不采取防热措施, ,整个整个返回舱将被烧为灰烬。返回舱将被烧为灰烬。为飞船为飞船“

14、退烧退烧”的措施主要有的措施主要有3 3种种: : “冰块式退烧冰块式退烧”吸热。吸热。吸热是采用导热性能好、熔点吸热是采用导热性能好、熔点高和热容量大的钛合金等金属材料高和热容量大的钛合金等金属材料, ,吸收大量气动热量。用吸收大量气动热量。用这类材料做飞船返回舱的这类材料做飞船返回舱的蒙皮蒙皮, ,气动加热传给飞船的热量为气动加热传给飞船的热量为蒙皮所吸收、储存。这种方法防热能力有限蒙皮所吸收、储存。这种方法防热能力有限, ,只适用于加热只适用于加热量很小的部分。量很小的部分。 “酒精式退烧酒精式退烧”用辐射散热的方法将热量散去。这种用辐射散热的方法将热量散去。这种方法只适用于最大热流不超过每平方米方法只适用于最大热流不超过每平方米100100卡的情况。卡的情况。 “釜底抽薪式退烧釜底抽薪式退烧”烧蚀。用一些高分子材料做飞船烧蚀。用一些高分子材料做飞船的蒙皮的蒙皮, ,有意识地让它在高温加热时烧掉有意识地让它在高温加热时烧掉, ,将热量带走将热量带走, ,从而从而达到保存主要结构的目的。如玻璃钢。烧蚀防热是广泛用达到保存主要结构的目的。如玻璃钢。烧蚀防热是广泛用于载人飞船再入大气层时降温的一种方法于载人飞船再入大气层时降温的一种方法, ,目前目前, ,随着技术随着技术的发展的发展, ,烧蚀材料的种类很多烧蚀材料的种类很多。