聚合物基复合材料-1-2章要点课件.ppt
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1、 聚合物基复合材料第一章第一章 绪论1.1 复合材料发展史 单一的材料往往很难满足生产和科技部门对材料性能的要求,因而复合材料得以快速发展。复合材料的定义:是由两种或两种以上不同物理和化学性质的材料,通过复合工艺组合而成的多相材料。(较之前述聚合物改性,相区尺寸大。) 复合材料的特点:n这种通过宏观或微观复合的新型材料,组分之间存在着明显的界面。n 各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点,赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。n复合材料具有可设计性。 通常复合材料中至少有两相,其中一相在复合材料中是连续的,称为基体,另一相被基体所包容,称为增强相(或增强材料)。 发展情况:
2、古代: 如: 草梗合泥筑墙、麻纤维和土漆复合制漆器 近代: 如: 砂石、水泥及水混合固结的混凝土材料; 在混凝土中加入钢筋后,形成的钢筋混凝土。 现代:聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复 合材料20世纪初:酚醛树脂+纸、布等 层压制品1940-1960年代:玻璃纤维增强合成树脂1960-1970年代:碳纤维、 芳纶(Kevlar) 等纤维出现,与环氧树脂复合可已用于飞机、火箭的主承力件上。1980-1990年代:纤维增强金属基复合材料的时代,其中以铝基复合材料的应用最为广泛。1990年以后:碳/碳材料、多功能复合材料,如智能复合材料和梯度功能材料等。复合材料发展很快基质:水泥、石灰 热
3、固性树脂 热塑性树脂 特种树脂增强材料:矿物纤维 金属纤维 玻璃纤维 合成纤维 特种纤维 以满足航空航天、汽车、建筑等领域的应用。1.2 复合材料的种类1.复合材料的种类按材料基体性质分非碳基复合材料碳及碳化物基复合材料陶瓷基复合材料橡胶基复合材料热固性树脂基复合材料热塑性树脂基复合材料树脂基复合材料高聚物复合材料非金属基复合材料金属基复合材料复合材料按分散相的形态和配置分类定向排列随机排列短切纤维复合材料定向排列随机排列晶须复合材料不连续纤维复合材料三相织物层合复合材料料三相及多相纤维复合材非纺织纤维层复合材料单项纤维复合材料连续纤维复合材料纤维状分散相复合材料薄片增强复合材料颗粒增强复合材
4、料弥散强化复合材料颗料分散相复合材料复合材料按复合材料的性能分类 结构复合材料 功能复合材料 智能复合材料2. 聚合物基复合材料 以有机聚合物为基体,纤维类增强材料为增强剂的复合材料。聚合物基体:作粘结剂,可使载荷分布均匀,并传递到纤维上。增强材料:纤维类,可使材料承受压缩和剪切。n聚合物基体:热固性树脂、热塑性树脂 热固性树脂:环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂 热塑性树脂:PP、PA、ABS、PC、PET、POM 等n增强材料:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等 形态:长纤维(布、带、毡) 热固性树脂 长纤维、短切纤维 热塑性树脂 n性能特点 较高的比强度和比模量(刚度)、抗疲劳性能好、减震性好、耐
5、高温、成型工艺简单、可设计性强。 玻璃纤维增强热固性塑料(GFRP) 以玻璃纤维作为增强材料,热固性塑料为基体的纤维增强塑料,俗称玻璃钢。 特点:密度小(1.6-2.0 g/cm3 比铝轻、)、比强度高(比合金钢高),耐腐蚀、电绝缘。 玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的;玻璃纤维增强酚醛树脂是GFRP中耐热性较好的;玻璃纤维增强不饱和聚酯是GFRP中加工性较好的。 看 P118 页 表2-1-1 各种玻璃钢与金属性能的比较。玻璃纤维增强热塑性塑料(FR-TP) 玻璃纤维(短切纤维或长纤维 )作为增强材料,热塑性塑料为基体的纤维增强塑料。 特点是具有更轻的密度1.1-1.6 g/cm
6、3 ,比强度高,蠕变性大大改善。 对于短切纤维、其含量可加到30%-40%,制品的冲击强度及尺寸稳定性提高。 看P119页 表2-1-2 金属与玻璃纤维增强热塑性塑料的比强度比较3.碳基复合材料 碳/碳复合材料 碳纤维或各种碳织物增强碳或石墨化的树脂碳(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形成的复合材料。碳纤维增强碳复合材料。 几乎完全由元素碳组成,故能承受极高的温度和极大的加热速率,力学性能优,一定的化学惰性。 制备工艺 P123 图2.1.1 石墨化的C/C复合材料碳纤维与基体的选择 碳纤维:碱金属及杂质含量低,高强、高模和较大的断裂伸长率。 基体树脂:残碳率高、有粘性、流变性好以及 与
7、碳纤维具有良好的物理相容性。 常用浸渍剂:呋喃树脂、酚醛树脂、石油沥青、煤焦油等。 碳基复合材料的应用 特性:高比强度、比模量、耐烧蚀、传热导电、自润滑等。 导弹、宇航 :高性能烧蚀材料,喷管系统 航空工业:摩擦系数小,热熔大。飞机刹车片 汽车工业:发动机系统部件、传动系统部件等4.混杂纤维复合材料定义:两种或两种以上纤维混杂增强一种基体所构成的复合材料。 如:碳纤维+玻璃纤维 意义:节约成本,实现较宽的物理和力学性能,达到单一纤维不能达到的单项或组合性能。 结构形式 两种纤维在混杂复合材料中的分布 看P127图2.1.4 应用 由于成本降低,可用于军工大型件的制备及民用结构材料的制备。5.
8、功能复合材料 指除具有良好的力学性能外,还同时具备某一其他特殊性能的复合材料。 如导电、磁性、压电、摩擦、含能、隐身、电磁屏蔽、抗声纳、抗X射线辐射、烧蚀等。6. 生物体复合材料 生物体材料必须满足的基本生物学要求n 化学性能稳定n生物适应性(组织和血液适应性)n不显毒性和过敏反应n不产生代谢异常n在体内不产生劣化和分解。 生物体复合材料:生物用金属材料、生物陶瓷和医用高分子材料 医用高分子材料:看P138 表2-1-7n新领域: 研究既能满足各种生物学和力学性能的要求,又具备某一生物功能的材料7.智能复合材料 智能材料(未来新材料)指材料特性智能化,即材料特性随时间和场所相应地变化。如:n能
9、变硬软变的材料(部分智能水凝胶)n能向外部告知状态的材料(智能传感器)n能产生新陈代谢的材料-(自我修复材料) 作业:1.什么是复合材料?有何特点?2.聚合物基复合材料一般有哪两相组成?性能上有何特点?3.什么是生物体复合材料和智能复合材料? 第二章纤维增强复合材料及其制备方法2.1增强纤维的种类及基本性能主要品种有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、尼龙、聚酯纤维以及硼纤维、晶须等。1.玻璃纤维 化学组成主要是SiO2 BO3 MgO Al2O3 主要性能:n拉伸强度高、模量较低n耐热性非常好、软化点可达850左右 n良好的绝缘性 取决于含碱量(无碱、中碱等)n不燃、化学稳定性好、尺寸稳定、价廉 形
10、态:有纱、布、 带、短切纤维、毡等形式 如 玻璃钢基布(01.02.03.04),主要用于制备玻璃钢(GFRP) 玻璃纤维纱无碱玻璃纤维布玻璃丝布(玻璃钢用布)短切玻璃纤维玻璃纤维针刺毡玻璃纤维复合土工布2.碳纤维 品种:聚丙烯腈基碳纤维 沥青基碳纤维 黏胶基碳纤维 制备工艺:原丝的制备原丝的预氧化炭化 (保护气氛下N2,含碳90-99%) 有高强度高模碳纤维、活性碳纤维等 主要性能n力学性能 密度小、比强度、比模量高(高于金属材料2-4倍)、断裂伸长率低。n热性能 耐高低温 -180 仍弱软,1900 以上才出现永久塑性变形,导热好、线膨胀系数小(比钢材小几十倍)。n化学性能 耐腐蚀性好,可
11、在王水中长期使用。n电性能 沿纤维方向导电性好,可与铜相比。n摩擦系数小、自润滑 诸多优良性能使它在宇宙航空、汽车、体育用品等领域有重要应用。目前,我国沿用日本东丽的碳纤维系列,如T300、T700、T800,尚未建立实用而完整的自主品牌号系列。 24K碳纤维 6K平纹碳纤维布 斜纹碳纤维布碳纤维制成的绳-耐高温绳东丽碳纤维布-微量的树脂浸渗后单向排列碳纤维预浸布3.芳纶纤维 (芳香族聚酰胺,英文为Aramid fiber(杜邦公司的商品名为Kevlar ) 品种:n 对位芳酰胺纤维(PPTA)(聚对苯二甲酰对苯二胺)1414 如:美国杜邦的Kevlar 纤维, 荷兰阿克苏诺贝尔(Akzo N
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