复合材料第四章复合材料的增强材料课件.ppt
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- 复合材料 第四 增强 材料 课件
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1、在复合材料中,粘结在基体内以改进其在复合材料中,粘结在基体内以改进其机械性能的机械性能的称为称为。有时也称作有时也称作、等。等。如,植物纤维棉花、麻类;如,植物纤维棉花、麻类;动物纤维丝、毛;动物纤维丝、毛;矿物纤维石棉。矿物纤维石棉。天然纤维天然纤维 强度较低,强度较低,现代复合材料的增强材料现代复合材料的增强材料 用合成纤维。用合成纤维。在复合材料中起在复合材料中起,是主要,是主要。不仅能使材料显示出不仅能使材料显示出和和,而且能,而且能,提高,提高和和等。等。在很大程度上取决于在很大程度上取决于、及及。如如,加入,加入后,后,可从可从600 MPa600 MPa提高到提高到1000 MP
2、a1000 MPa,可从可从3000 3000 MPaMPa提高到提高到8000 MPa8000 MPa,其,其可从可从8585提高提高到到105105 ,使,使-40-40 以下的以下的可提高可提高1010倍。倍。纤维纤维 纤维纤维 纤维纤维是指日前巳工业化生产并广泛应是指日前巳工业化生产并广泛应用的用的。国外商品牌号叫国外商品牌号叫,我,我国暂命名为国暂命名为,有时也称,有时也称。很短,发展很快。很短,发展很快。1968午美国午美国开始研制。开始研制。1972年以年以发表了专利并提供产品。发表了专利并提供产品。1972年又研制了以年又研制了以命名的纤维。命名的纤维。1973年正式登记的商品
3、名称为年正式登记的商品名称为纤维。纤维。包括三种牌号的产品,并包括三种牌号的产品,并重改名称。重改名称。改称为改称为;改称为改称为;改称为改称为。这三种牌号纤维这三种牌号纤维的用途各不相同。的用途各不相同。主要用于主要用于橡胶增强橡胶增强,制造轮胎制造轮胎、三角三角皮带皮带、同步带同步带等;等;主要用于主要用于绳索绳索、电缆电缆、涂漆织物涂漆织物、带带和和带状物带状物,以及,以及防弹背心防弹背心等。等。用于用于航空航空、宇航宇航、造船工业造船工业的复的复合材料制件。合材料制件。自自1972年年作为商品出售以来,作为商品出售以来,产量产量逐年增加逐年增加。其原因是由于该其原因是由于该,使之,使之
4、广泛应用到广泛应用到和和各个部门。各个部门。A、芳纶纤维的、芳纶纤维的;、芳纶纤维的芳纶纤维的;、芳纶纤维的、芳纶纤维的。芳纶纤维的特点芳纶纤维的特点是是。单丝强度。单丝强度可达可达3773 MPa;254mm长的纤维束的拉伸强度长的纤维束的拉伸强度为为2744 MPa,大约为铝的,大约为铝的5倍。倍。芳纶纤维的芳纶纤维的,大约为石墨纤维,大约为石墨纤维的的6倍,为硼纤维的倍,为硼纤维的3倍,为玻璃纤维倍,为玻璃纤维0.8倍。倍。的的,可达,可达1.27 1.577 MPa,比,比玻璃纤维玻璃纤维高一倍,为高一倍,为碳纤维碳纤维0.8倍。倍。的的在在3左右,接近左右,接近玻璃玻璃纤维纤维,高于
5、其他纤维。,高于其他纤维。与与混杂将能大大混杂将能大大纤维复纤维复合材料的合材料的。的的,比重为,比重为1.44 1.45,只,只有铝的一半。因此,它有高的有铝的一半。因此,它有高的与与。下表为芳纶纤维的基本性能下表为芳纶纤维的基本性能有有,当温度达,当温度达487 时尚时尚,但开始,但开始。因此,因此,在高温作用下,不发生变形,在高温作用下,不发生变形,直至分解。直至分解。如,能长期在如,能长期在180下使用;在下使用;在150下作用下作用一周后一周后、不会下降;即使在不会下降;即使在200下,下,一周后一周后15,4;另外,在低温另外,在低温(-60)不发生不发生亦不亦不。和碳纤维一样,芳
6、纶纤维的和碳纤维一样,芳纶纤维的具有具有的特点。的特点。如,芳纶纤维的如,芳纶纤维的在在0 100时为时为-2 10-6/;在;在100 200时为时为-4 10 6/。为为59 10-6/具有良好的具有良好的性能,对性能,对中中性化学药品性化学药品的的一般是很强的,但易受一般是很强的,但易受各种各种,尤其是,尤其是;芳纶纤维的芳纶纤维的也不好,这是由于在分子也不好,这是由于在分子结构中存在着结构中存在着;对纤维的影响,类似于对纤维的影响,类似于尼龙或聚酯尼龙或聚酯。在。在(20相对湿度相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为下芳纶纤维的吸湿率为1,但在,但在(85相对湿度相对湿度)下,可达到下,可达到
7、7。芳纶纤维是芳纶纤维是对苯二甲酰对苯二甲酰与与对苯二胺对苯二胺的聚合体,的聚合体,经溶解转为经溶解转为液晶液晶纺丝而成。它的化学结构式如下:纺丝而成。它的化学结构式如下:从上述化学结构可知,从上述化学结构可知,材料的材料的基体基体结构结构是长链状是长链状,即结构中含有,即结构中含有,其,其中至少中至少85的酰氨直接键合在芳香环上的酰氨直接键合在芳香环上.键合在芳香环上键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在刚硬的直线状分子键在是是高度定向高度定向的,各的,各聚合物链聚合物链是由是由作横向连结。作横向连结。这种在这种在和和,是造成芳纶纤维是造成芳纶纤维的原因,即纤维的原因,即纤维的的,而,而。芳纶纤
8、维的芳纶纤维的化学链化学链主要由主要由组成。这种组成。这种芳芳环结构环结构具有具有,并使,并使聚合物链聚合物链呈呈状态状态而不是而不是状态,形成状态,形成结构,因而纤维具有结构,因而纤维具有。芳纶纤维芳纶纤维分子链分子链是是,这又使纤维能,这又使纤维能而具有而具有的能力,在的能力,在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有合物具有。由于由于具有具有,因此,因此,它具有它具有、以及在很高温度下以及在很高温度下等特点。等特点。通过电镜对纤维观察表明,芳纶是一种通过电镜对纤维观察表明,芳纶是一种的有规则的的有规则的。这种这种结构的模型,可以很好地解
9、释结构的模型,可以很好地解释、及及的现象。的现象。目前,芳纶纤维的总产量目前,芳纶纤维的总产量43用于用于(芳纶芳纶-29),31用于用于,17.5用于用于和和,8.5用于用于。以以作为作为,作为作为所形所形成的成的,简称,简称KFRP,它在,它在航空航天方面航空航天方面的应用,仅次于的应用,仅次于,成为必不可少的材料。,成为必不可少的材料。聚乙烯纤维作为目前聚乙烯纤维作为目前一种有机一种有机纤维,它具有以下四个特点:纤维,它具有以下四个特点:、成本较低成本较低。通常情况下,通常情况下,的的大于大于106,纤维的纤维的为为3.5 GPa,弹性模量弹性模量为为116 GPa,为为3.4%,为为0
10、.97 g/cm 3。可用于制。可用于制做做武器装甲武器装甲、防弹背心防弹背心、航天航空部件航天航空部件等。等。相比于其它各种纤维材料,相比于其它各种纤维材料,具有具有许多种许多种。如:高如:高、高、高以及以及、等。等。的不足之处:的不足之处:(约(约135)。因此仅能在因此仅能在100以下使用。以下使用。1、纤维纤维 2、纤维纤维3、纤维纤维 4、纤维纤维5、氧化铝氧化铝纤维纤维 6、纤维纤维7、纤维纤维 8、纤维纤维 1.1 及其及其;1.2 玻璃纤维的玻璃纤维的及及;1.3 玻璃纤维的玻璃纤维的;1.4 玻璃纤维的玻璃纤维的。随着随着工业的发展,工业的发展,工工业也得到迅速发展。业也得到
11、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、大力发展工艺;工艺;、用于玻璃钢的、用于玻璃钢的逐渐逐渐发展,发展,纤维直径为纤维直径为14-24um,甚至达,甚至达27um;、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,不断增加,玻璃纤维的不断增加,玻璃纤维的受到普遍重视。受到普遍重视。我国我国诞生于诞生于1950年,当时只能年,当时只能生产生产绝缘材料用绝缘材料用的的。1958年以后,年以后,得到迅速发展。得到迅速发展。现在全国有大、
12、小现在全国有大、小玻璃纤维厂家玻璃纤维厂家200多个,玻璃多个,玻璃纤维纤维年产量年产量为为5万吨,其中万吨,其中无碱纤维无碱纤维占占20,中中碱纤维碱纤维占占80,纤维直径纤维直径多数为多数为6-8um,正向粗,正向粗纤维方向发展。纤维方向发展。正在推广,重视正在推广,重视的研究,的研究,不断出现,许多玻璃纤维不断出现,许多玻璃纤维厂使用厂使用,玻璃纤维工业的不断发展玻璃纤维工业的不断发展促促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃璃、及及等方面进行分类。等方面进行分类。这种分类方法主要用于
13、这种分类方法主要用于的分类。的分类。一般以不同的一般以不同的来区分:来区分:(1)玻璃纤维玻璃纤维(2)玻璃纤维玻璃纤维 (3)玻璃纤维玻璃纤维(4)玻璃纤维玻璃纤维是以是以组成的玻璃纤维,这种纤组成的玻璃纤维,这种纤维维,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,因此也把它称做也把它称做。现在,国内外大多数都使用这种现在,国内外大多数都使用这种作为复合材料的作为复合材料的原材料原材料。目前,国内规定其目前,国内规定其不大于不大于0.5,国外一般为,国外一般为1左右。左右。(2)中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维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
14、.5之间的玻璃纤维。之间的玻璃纤维。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,它的主要特点是好,但好,但不如不如E玻璃纤维高。它主要玻璃纤维高。它主要用于用于中,中,。称称,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璃钠钙玻璃。此种玻璃由于此种玻璃由于,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。如由纯如由纯三元组成的三元组成的,玻璃纤维,含玻璃纤维,含纤维,纤维,纤维,纤维,纤维等。纤维等。玻璃纤维玻璃纤维呈呈,以其,以其可以分可以分为以下几种:为以下几种:纤维:纤维:30 um;纤维:纤维:20 um;纤维:纤维:10 2
15、0 um;纤维:纤维:3 10um(亦称亦称纤维纤维)。对于对于小于小于4 um的玻璃纤维称为的玻璃纤维称为。不同,不仅使纤维的不同,不仅使纤维的有差异,有差异,而且影响到纤维的而且影响到纤维的、和和。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、等较为适宜。等较为适宜。有有,其中有,其中有及有及有(用于纺织用于纺织)、及及等。等。根据根据具有具有可分为:可分为:玻璃玻璃纤维、纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻玻璃纤维、璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维(指指及及玻璃纤维玻璃纤维)。的的比比高许多倍,但高许多倍,但经研究证明,经研究证明,的
16、的与与相同。相同。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“”和和“”。玻璃是由玻璃是由或或的的“”组成,在组成,在“”之间由之间由所填充。所填充。玻璃是由玻璃是由、或或相互连成不规则相互连成不规则;网络间的;网络间的由由Na、K、Ca、Mg等等。二氧化硅四面体的二氧化硅四面体的是决定是决定的基础,填充的的基础,填充的Na、Ca等阳离子称为等阳离子称为。大量资料证明,大量资料证明,是是的。主的。主要是因为在要是因为在玻璃结构中玻璃结构中存在存在一定数量和大小一定数量和大小比较比较,这种规则性是由,这种规则性是由一定数目的一定数
17、目的多面体多面体遵循类似遵循类似造成的。造成的。但是,但是,的这种的这种不像晶体结不像晶体结构那样有严格的周期性,构那样有严格的周期性,的,的,反映到玻璃的,反映到玻璃的上是上是。玻璃纤维的玻璃纤维的主要是主要是、等。等。玻璃纤维的玻璃纤维的对玻璃纤维的对玻璃纤维的起决定性作用,以起决定性作用,以为主的称为为主的称为,以,以为主的称为为主的称为。、等碱性氧化物为等碱性氧化物为,它可以降低玻璃的它可以降低玻璃的和和,使玻璃熔液中,使玻璃熔液中的气泡容易排除。的气泡容易排除。主要通过主要通过,使,使,从而达到助熔的目的。,从而达到助熔的目的。因此因此氧化钠和氢化钾的含量越高氧化钠和氢化钾的含量越高
18、,玻璃纤维的,玻璃纤维的、和和都会相应的降低。都会相应的降低。加入加入、等,能在一定条件等,能在一定条件下下,改善玻璃的某些性质,改善玻璃的某些性质和工艺性能。和工艺性能。例如,用例如,用取代取代可可;加入三;加入三可可总之,玻璃纤维总之,玻璃纤维一方面要一方面要,具有良好,具有良好的的;另一方面要;另一方面要,如合适的如合适的、及及。玻璃纤维具有一系列玻璃纤维具有一系列,、和和等。等。玻璃纤维的玻璃纤维的是具有是具有,对人,对人的皮肤有刺激性等。的皮肤有刺激性等。一般一般,其表面都有较,其表面都有较深的深的;而对于而对于来说,其来说,其表面表面呈呈,其其横断面横断面几乎都是几乎都是。宏观看来
19、,由于宏观看来,由于,纤维之间的抱合力,纤维之间的抱合力非常小,非常小,;又由于又由于,所以玻璃纤维彼此相靠近时,所以玻璃纤维彼此相靠近时,这对于提高复合材料制品的,这对于提高复合材料制品的玻璃含量玻璃含量是有利的。是有利的。从从1.5 25 um,大多数为,大多数为4 14 um。为为2.16 4.30 gcm3,其比重较,其比重较有机纤维大很多,但比一般的金属比重要低,与铝相有机纤维大很多,但比一般的金属比重要低,与铝相比几乎一样。所以在航空工业上用比几乎一样。所以在航空工业上用代替代替就成为可能。就成为可能。此外,一般情况下,此外,一般情况下,大于大于。由于玻璃纤维的由于玻璃纤维的表面积
20、大表面积大,使得纤,使得纤维维对对很大。很大。玻璃纤维的最大特点是玻璃纤维的最大特点是。一般。一般的拉伸强度只有的拉伸强度只有40 100 MPa,而直径,而直径3 9 um的的拉伸强度则高达拉伸强度则高达1500 4000 MPa,较一般合成纤维高约较一般合成纤维高约10倍,比合金钢还高倍,比合金钢还高2倍。倍。几种几种材料的强度如下表所示:材料的强度如下表所示:几种纤维材料和金属材料的强度几种纤维材料和金属材料的强度对玻璃纤维高强的原因,许多学者提出了不对玻璃纤维高强的原因,许多学者提出了不同的假说,其中比较有说服力的是同的假说,其中比较有说服力的是。认为,认为,玻璃的理论强度玻璃的理论强
21、度取决于取决于,其,其,可达到,可达到200 l 200kgmm2。但通常情况下,玻璃或玻璃纤维的但通常情况下,玻璃或玻璃纤维的很低。这是因为,在它们当中,存在着很低。这是因为,在它们当中,存在着,的的,从而大大降,从而大大降低了其强度。低了其强度。分布在分布在破璃或玻璃纤维破璃或玻璃纤维的的内,内,但以但以危害最大。危害最大。出于出于的存在,使玻璃的存在,使玻璃在外力作用下在外力作用下,在危害最大的微裂纹处,产生,在危害最大的微裂纹处,产生,从,从而使而使。比玻璃的比玻璃的很多,主要有两方很多,主要有两方面的原因:面的原因:、玻璃纤维、玻璃纤维高温成型时高温成型时,使,使。、玻璃纤维的、玻璃
22、纤维的,随着,随着,使,使也减少,从而使纤维强也减少,从而使纤维强度增高。度增高。有人更明确地提出,有人更明确地提出,玻璃纤维强度玻璃纤维强度比比纤维强度高的原因是由于纤维强度高的原因是由于,从而,从而,使纤维,使纤维具有较高的强度。具有较高的强度。A、一般情况,玻璃纤维的、一般情况,玻璃纤维的随随变细而拉伸强度增加,如下表所示:变细而拉伸强度增加,如下表所示:玻璃纤维拉伸强度与直径的关系玻璃纤维拉伸强度与直径的关系B、也与也与有关,随着有关,随着长长度增加度增加。如下表所示:。如下表所示:纤维纤维对对的影响,可用的影响,可用“”给予解释:给予解释:随着纤维随着纤维和和,纤维,纤维中中就会相应
23、地就会相应地,这样,这样就会相应地就会相应地。纤维的纤维的与玻璃与玻璃关系密切。关系密切。对于对于(即即基本组分基本组分)来说,部分来说,部分改变氧化改变氧化物的种类和数量物的种类和数量,纤维强度改变不大,纤维强度改变不大(2030)。而而(即即改变它的基本组分改变它的基本组分),强度会产生,强度会产生大幅度地变化。大幅度地变化。一般来说,含碱量越高,纤维的强度越低。一般来说,含碱量越高,纤维的强度越低。强度明显地高于强度明显地高于,而,而强度更低。强度更低。研究表明,研究表明,和和由于由于、等原因,而具有很等原因,而具有很。纤维的纤维的对对巨大。如下表所示:巨大。如下表所示:纤维强度与化学组
24、成的关系纤维强度与化学组成的关系从上表可以看出,当各种纤维从上表可以看出,当各种纤维都有微裂纹都有微裂纹时时强度相近;只有当强度相近;只有当表面缺陷减小到一定程度表面缺陷减小到一定程度时,时,对其对其的依赖关系才会表的依赖关系才会表现出来。现出来。当纤维当纤维后,会出现后,会出现的现象,称为的现象,称为。主要取决于纤维对主要取决于纤维对大气水分大气水分的化学稳定性。的化学稳定性。例如,直径例如,直径6 um的的和含和含17的的Na2O,在空气湿度为,在空气湿度为60 65的条的条件下存放,件下存放,存放后存放后,而而不断不断。强度变化的原因,主要是由于强度变化的原因,主要是由于对对不同所致。不
25、同所致。一般是指一般是指随随的情况。的情况。纤维疲劳现象是纤维疲劳现象是的,当相对湿度为的,当相对湿度为60 65%时,玻璃纤维在时,玻璃纤维在,都会有很,都会有很大程度的疲劳。大程度的疲劳。受施加负荷受施加负荷的影响,即的影响,即是普通存在的。是普通存在的。例如,在施加例如,在施加60的的的作用力下,的作用力下,2 6昼夜,纤维会全部断裂。昼夜,纤维会全部断裂。玻璃纤维玻璃纤维,在于,在于,即即并并中,在外力的作用中,在外力的作用下,加速裂纹的扩展。下,加速裂纹的扩展。玻璃纤维玻璃纤维取决于取决于。这与这与、等方面有关。等方面有关。玻璃纤维玻璃纤维和和对强度也有对强度也有很大影响。很大影响。
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