复合材料的增强材料解析课件.ppt
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1、1复合材料原理复合材料原理2第二章第二章 复合材料的复合原理及界面复合材料的复合原理及界面2.1 复合原则复合原则2.2 弥散增强及颗粒增强原理弥散增强及颗粒增强原理 2.3 单向连续纤维增强原理单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理短纤维增强原理2.5 混杂增强原理混杂增强原理2.6 复合材料界面及其改性复合材料界面及其改性2.7 复合材料界面表征复合材料界面表征32.7 复合材料界面表征复合材料界面表征v界面形态及界面层结构的表征v界面结合强度的表征v界面残余应力的表征v增强体表面性能的表征4思考题思考题v1、界面结合强度表征有哪些方法?你认为哪一种或哪几种方法比较具有发展前途,为什
2、么?(脱粘脱粘、顶出、拔出、动态加载动态加载、声发射声发射、扭辫分析、宏观)v2、你认为在复合材料界面结构表征与复合材料宏观力学性能之间还有哪些工作需要完善,你有什么好的建议?(界面层厚度与结构图像分析,快速获得统计结果和分布、结构与界面结合强度之间的关系、非破坏性观察)5在复合材料中,粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料高强度材料称为增强材料增强材料。增强材料增强材料有时也称作增强体增强体、增强剂增强剂等。增强材料共分为三类:纤维及其织物纤维及其织物、晶须晶须、颗粒颗粒。第三章第三章 复合材料的增强材料复合材料的增强材料6一、纤维及其织物一、纤维及其织物v玻璃纤维v碳纤维v硼纤维v氧化铝
3、纤维v碳化硅纤维v芳纶纤维 7纤维简介纤维简介l天然纤维强度较低,来源有限。天然纤维强度较低,来源有限。l植物纤维植物纤维棉花、麻类;动物纤维棉花、麻类;动物纤维丝、毛;矿丝、毛;矿物纤维物纤维石棉。石棉。l现代复合材料的增强材料用现代复合材料的增强材料用合成纤维合成纤维。l纤维纤维在复合材料中起在复合材料中起增强作用增强作用,是主要,是主要承力组分承力组分。l纤维纤维不仅能使材料显示出不仅能使材料显示出较高的抗拉强度较高的抗拉强度和和刚度刚度,而,而且能且能减少收缩减少收缩,提高,提高热变形温度热变形温度和和低温冲击强度低温冲击强度等。等。8l纤维纤维可分为可分为无机纤维无机纤维和和有机纤维
4、有机纤维。l纤维增强复合材料的性能纤维增强复合材料的性能在很大程度上取决于在很大程度上取决于纤维的性能纤维的性能、含量含量及及使用状态使用状态。l如如聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料,加入,加入玻璃纤维玻璃纤维后,后,拉伸强度拉伸强度可从可从25MPa25MPa提高提高到到100100MPaMPa,弹性模量弹性模量可从可从3000MPa3000MPa提高到提高到8000MPa8000MPa,其其热变形热变形温度温度可从可从8585提高到提高到105105 ,-40-40以下的以下的冲击强度冲击强度可提高可提高1010倍。倍。91、玻璃玻璃纤维纤维2、碳碳纤维纤维 3、硼硼纤维纤维4、氧化铝氧化铝纤维纤
5、维5、碳化硅碳化硅纤维纤维6、其他其他纤维纤维(一)一)无机纤维无机纤维10l玻璃纤维简介及分类玻璃纤维简介及分类l玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的结构及化学组成l玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维的物理性能与化学性能l玻璃纤维及其制品的制造工艺玻璃纤维及其制品的制造工艺l玻璃纤维制品的性能及应用玻璃纤维制品的性能及应用、玻璃纤维(玻璃纤维(Glass Fiber,GF)111)玻璃纤维简介及分类)玻璃纤维简介及分类v随着随着工业的发展,工业的发展,工业也得到工业也得到迅速发展。迅速发展。玻璃纤维的主要特点如下:玻璃纤维的主要特点如下:、普遍采用、普遍采用新技术;新技术;、大力发展、大力发
6、展工艺;工艺;12C、大量生产、大量生产;、大力发展、大力发展玻璃纤维织物玻璃纤维织物,和和所占比例增加;所占比例增加;、重视纤维、重视纤维树脂树脂的研究,的研究,不不断增加,玻璃纤维的断增加,玻璃纤维的受到普遍重视。受到普遍重视。13图图1 玻璃纤维和玻璃钢制品玻璃纤维和玻璃钢制品14v我国我国诞生于诞生于1950年,当时只能生产绝年,当时只能生产绝缘材料用的缘材料用的初级纤维初级纤维。v1958年以后,年以后,玻璃纤维工业得到迅速发展玻璃纤维工业得到迅速发展,纤维品,纤维品种呈现出多样化特点。种呈现出多样化特点。v现在全国有大、小玻璃纤维厂家现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个,玻璃纤维
7、多个,玻璃纤维年产量为年产量为5万吨,万吨,纤维直径纤维直径多数为多数为6-8um,正向粗纤正向粗纤维方向发展。维方向发展。15玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类v玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃、及及等方面进行分类等方面进行分类。主要用于主要用于的分类。的分类。一般以不同的一般以不同的分为四类。分为四类。玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维。玻璃纤维。16v无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维(通称通称E玻纤玻纤),以,以组成的玻璃纤维,组成的玻璃纤维,和和优良,能优良,能,也好也好(但但)。最大的特点是最大的特点是,因此也把它称做,因此也把
8、它称做。v国内外大多数都使用这种国内外大多数都使用这种作为复合材料的原材料作为复合材料的原材料。v国内规定其国内规定其不大于不大于0.5,国外一般为国外一般为1左左右。右。无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维17中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维v它是指碱金属氧化物含量在它是指碱金属氧化物含量在11.5 12.5之间之间的玻璃纤维。的玻璃纤维。v国外没有这种玻璃纤维,它的主要特点是国外没有这种玻璃纤维,它的主要特点是,但,但不如不如E玻璃纤维高。玻璃纤维高。v它主要用于它主要用于中,中,。18有碱玻璃有碱玻璃(A玻璃玻璃)纤维纤维v有碱玻璃有碱玻璃称称A玻璃玻璃,类似于窗玻璃及玻璃瓶,类似于窗玻璃及玻璃瓶的的钠钙玻
9、璃钠钙玻璃。v此种玻璃由于此种玻璃由于含碱量高含碱量高,强度低强度低,对,对潮气潮气侵侵蚀极为蚀极为敏感敏感,因而很少作为增强材料,因而很少作为增强材料。19特种玻璃纤维特种玻璃纤维v如由纯如由纯镁铝硅镁铝硅三元组成的三元组成的高强玻璃纤维高强玻璃纤维,镁铝硅镁铝硅系系高强高弹玻璃纤维高强高弹玻璃纤维,硅铝钙镁系硅铝钙镁系耐化学介质腐耐化学介质腐蚀蚀玻璃纤维,玻璃纤维,含铅含铅纤维,纤维,高硅氧高硅氧纤维,纤维,石英石英纤维纤维等。等。20玻璃纤维的其它分类方法玻璃纤维的其它分类方法,呈呈,以其,以其可以分为可以分为以下几种。以下几种。名称名称纤维纤维纤维纤维纤维纤维纤维纤维(纤维纤维)纤维纤
10、维直径直径(um)30 20 um10 20 um3 10um4 um21不同,不仅使纤维的不同,不仅使纤维的有差异,而且影有差异,而且影响到纤维的响到纤维的、和和。v一般一般5 10 um的纤维作为的纤维作为使用,使用,10 14 um的纤维一般做的纤维一般做、等等较为适宜。较为适宜。22v以纤维外观分类以纤维外观分类,有有连续纤维连续纤维,其中有,其中有无捻粗纱无捻粗纱及及加捻粗纱加捻粗纱(用于纺织用于纺织)、短切纤维短切纤维、空心玻璃纤维空心玻璃纤维、玻璃粉玻璃粉及及磨细纤维磨细纤维等。等。v以纤维特性分类以纤维特性分类,高强高强玻璃纤维、玻璃纤维、高模量高模量玻璃纤维、玻璃纤维、耐碱耐
11、碱玻璃纤维、玻璃纤维、耐酸耐酸玻璃纤维、玻璃纤维、普通普通玻璃纤维玻璃纤维(指指无无碱碱及及中碱中碱玻璃纤维玻璃纤维)。232)玻璃纤维的结构及化学组成)玻璃纤维的结构及化学组成v玻璃纤维玻璃纤维的的拉伸强度拉伸强度比比块状玻璃块状玻璃高许多倍,但高许多倍,但经研究证明,经研究证明,玻璃纤维玻璃纤维的的结构结构与与玻璃玻璃相同。相同。v关于玻璃结构的假说到目前为止,比较能够反关于玻璃结构的假说到目前为止,比较能够反映实际情况的是映实际情况的是“微晶结构假说微晶结构假说”和和“网络结网络结构假说构假说”。24v微晶结构假说的要点微晶结构假说的要点:玻璃是由玻璃是由硅酸块硅酸块或或二氧化硅二氧化硅
12、的的“微微晶子晶子”组成,在组成,在“微晶子微晶子”之间由之间由硅酸块过冷溶液硅酸块过冷溶液所填充。所填充。v网络结构假说的要点网络结构假说的要点:玻璃是由玻璃是由二氧化硅的四面体二氧化硅的四面体、铝氧铝氧三面体三面体或或硼氧三面体硼氧三面体相互连成不规则相互连成不规则三维网络三维网络;网络间的;网络间的空隙空隙由由Na、K、Ca、Mg等等阳离子所填充阳离子所填充。v二氧化硅四面体的二氧化硅四面体的三维网状结构三维网状结构是决定是决定玻璃性能玻璃性能的基础,的基础,填充的填充的Na、Ca等阳离子称为等阳离子称为网络改性物网络改性物。25图图2 微晶结构和网络结构模型微晶结构和网络结构模型26v
13、大量资料证明,大量资料证明,玻璃结构玻璃结构是是近似有序近似有序的。的。v在玻璃结构中存在一定数量和大小比较在玻璃结构中存在一定数量和大小比较有规则排列有规则排列的区域的区域,这种规则性是由一定数目的多面体遵循类,这种规则性是由一定数目的多面体遵循类似似晶体结构的规则排列晶体结构的规则排列造成的。造成的。v但是,但是,玻璃结构玻璃结构的这种的这种有序区域有序区域不像晶体结构那样不像晶体结构那样有严格的周期性,有严格的周期性,微观上是不均匀的微观上是不均匀的,宏观上却又宏观上却又是均匀的是均匀的,反映到玻璃的,反映到玻璃的性能性能上是上是各向同性的各向同性的。27v玻璃纤维的玻璃纤维的化学组成化
14、学组成主要是主要是二氧化硅二氧化硅、三氧化二硼三氧化二硼、氧化钙氧化钙、三氧化二铝三氧化二铝等。等。v玻璃纤维的玻璃纤维的化学组成化学组成对玻璃纤维的对玻璃纤维的性质和生产工艺性质和生产工艺起决定性作起决定性作用,以用,以二氧化硅二氧化硅为主的称为为主的称为硅酸盐破璃硅酸盐破璃,以,以三氧化二硼三氧化二硼为主的为主的称为称为硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃。v氧化钠氧化钠、氧化钾氧化钾等碱性氧化物为等碱性氧化物为助熔氧化物助熔氧化物,它可以降低玻璃,它可以降低玻璃的的熔化温度熔化温度和和粘度粘度,使玻璃熔液中的气泡容易排除。,使玻璃熔液中的气泡容易排除。v助熔氧化物助熔氧化物主要通过主要通过破坏玻璃骨架破
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