复合材料原理-第2讲-复合材料学基础课件.ppt

1、复合材料原理复合材料原理第二讲第二讲 复合材料学基础复合材料学基础 l1.1.纤维纤维l2.2.聚合物为甚么要复合？聚合物为甚么要复合？l3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？l4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？l5.5.碳基为什么要复合？碳基为什么要复合？1.1.纤维纤维具有能明显提高基体某种所需特性的性能，如高的比具有能明显提高基体某种所需特性的性能，如高的比强度、比模量、高热导率、耐热性、低热膨胀系数等强度、比模量、高热导率、耐热性、低热膨胀系数等具有良好的化学稳定性。在复合材料制备、使用过程具有良好的化学稳定性。在复合材料制备、使用过程中其组

2、织结构中其组织结构性能不发生明显变化和退化，与基体具性能不发生明显变化和退化，与基体具有良好的化学相容性，不发生严重的界面化学反应有良好的化学相容性，不发生严重的界面化学反应与基体具有良好润湿性，或通过表面处理能与基体良与基体具有良好润湿性，或通过表面处理能与基体良好润湿，以保证增强体与基体良好地复合和均匀分布好润湿，以保证增强体与基体良好地复合和均匀分布1.1.纤维纤维纤维纤维 Fibers晶须晶须 Whiskers颗粒颗粒 Particles1.1.纤维纤维颗粒增强体颗粒增强体高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷等无机高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒非金属颗粒S

3、iC、Al2O3、Si3N4、TiN、BN等等1.1.纤维纤维晶须晶须:人工条件下制造人工条件下制造细小细小单晶单晶棒状棒状SiC、Al2O3、Si3N4等等组织结构细小（直径组织结构细小（直径:0.2-1 m 长度长度:几十几十 m）缺陷少）缺陷少复合材料的性能基本上是各向同性复合材料的性能基本上是各向同性1.1.纤维纤维l纤维尺寸纤维尺寸 l连续长纤维：连续长度超过数百米连续长纤维：连续长度超过数百米l短纤维：几十毫米短纤维：几十毫米（喷射）（喷射）l纤维组分纤维组分 l无机纤维：无机纤维：C、Si3N4、SiC、B、BN、xAl2O3 ySiO2、Glassl有机纤维：刚性分子链、柔性分

4、子链有机纤维：刚性分子链、柔性分子链1.1.纤维纤维增强纤维增强纤维有机纤维有机纤维无机纤维无机纤维刚性分子链刚性分子链柔性分子链柔性分子链碳纤维碳纤维碳化硅纤维碳化硅纤维氧化铝纤维氧化铝纤维玻璃纤维玻璃纤维芳芳伦伦聚聚芳芳酯酯聚聚苯苯并并噁噁唑唑聚聚乙乙烯烯聚聚乙乙烯烯醇醇聚聚丙丙烯烯腈腈基基沥沥青青基基SiC O高高硅硅氧氧石石英英粘粘胶胶基基Si MC O氧氧化化铝铝硅硅氧氧化化铝铝钇钇SiC CW W1.1.纤维纤维碳纤维(高强)碳纤维(高模)氧化铝纤维01002003004005006007008001234567弹性模量弹性模量 （GPaGPa）拉伸强度（拉伸强度（GPaGPa）聚

5、脂玻璃聚乙烯聚芳酯硼酸铝硼纤维聚苯并噁唑碳化硅碳化硅1.1.纤维纤维E型:很好的电绝缘性能最常见产量最大90%S型:开发较晚高强度高刚度力学、热稳定性以及耐腐蚀好成本高C型:耐酸腐蚀1.1.纤维纤维碳元素组成的一种高性能增强纤维碳元素组成的一种高性能增强纤维高强、高模高强、高模1.1.纤维纤维碳纤维外层区的碳纤维外层区的微晶层面沿圆周微晶层面沿圆周向排列向排列有一定择优取向有一定择优取向内层是无规则排内层是无规则排列列外层沿周向排列，外层沿周向排列，而内层和中心区呈而内层和中心区呈径向排列径向排列纤维内外纤维内外层都是沿层都是沿周向排列周向排列微晶层的取向分布不同微晶层的取向分布不同结构与原料

6、和制备工艺（预氧化）有关结构与原料和制备工艺（预氧化）有关碳纤维的微结构1.1.纤维纤维碳纤维的微结构1.1.纤维纤维l碳纤维的拉伸强度（碳纤维的拉伸强度（）l弹性模量（弹性模量（E）l材料的固有弹性模量（材料的固有弹性模量（E0）l纤维的轴向取向度（纤维的轴向取向度（）l结晶厚度（结晶厚度（d）、）、l碳化处理的反应速度常数（碳化处理的反应速度常数（K）碳纤维的晶粒取向度碳纤维表面微晶沿纤维轴向的取向度越高，碳纤维的碳纤维表面微晶沿纤维轴向的取向度越高，碳纤维的弹性模量越大弹性模量越大E=E0(1-)-1=K(1-)-1d碳化处理温度提高可提高碳纤维的强度碳化处理温度提高可提高碳纤维的强度1

7、.1.纤维纤维SiC纤维l高强度高强度l高模量高模量l高化学稳定性高化学稳定性l良好高温性能良好高温性能1.1.纤维纤维lAl2O3纤维纤维:氧化铝含量氧化铝含量70%lxAl2O3ySiO2纤维纤维:600 C抗氧化差抗氧化差Ti：550-600 C3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？Mg基复合材料 Low density High stiffness High wear resistance Good strength even at elevated temperatures Good creep resistanceAl基复合材料 High stre

8、ngth even at elevated temperatures High stiffness Low density High thermal conductivity Excellent abrasion resistance3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？Ti基复合材料 High strength High stiffness High creep resistance High thermal stability High wear resistanceCu基复合材料 Low coefficient of thermal expansion

9、High stiffness Good electrical conductivity High thermal conductivity Good wear resistance3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？材料材料 硼纤维硼纤维 增强铝增强铝 CVD碳化硅碳化硅 增强铝增强铝 碳纤维碳纤维 增强铝增强铝 碳化硅碳化硅晶须晶须 增强铝增强铝 碳化硅碳化硅颗粒颗粒 增强铝增强铝 增强相含量增强相含量Vol%5050 35 1820 20拉伸强度拉伸强度 MPa 12001500 1

10、3001500 500800 500620 400510 拉伸模量拉伸模量 GPa 200220 210230 100150 96138 110 密度密度 gm-3 2.6 2.853.0 2.4 2.8 2.8 3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？用于用于TiAl 基复合材料中的单体纤维主要性能基复合材料中的单体纤维主要性能Wang Wensheng et al.Titanium Industry Progress(钛工业进展钛工业进展)J,2003,2:5纤维与基体的纤维与基体的CT

11、E应尽量接近应尽量接近3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？Nextel610/-TiAl复合材料的性能Ultra-SCS/-TiAl复合材料的性能CTE3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？黄旭，黄旭，et al.TiAl基复合材料的研究进展，稀有金属材料，基复合材料的研究进展，稀有金属材料，2006，35111845-1848复合材料性能提高不显著，成本高复合材料性能提高不显著，成本高3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？automotive parts(pistons,pushrods,

12、brake components),brake rotors for high speed trains,bicycles,golf clubs,electronic substrates,cores for high voltage electrical cables.Al基复合材料基复合材料 components for racing cars,lightweight automotive brake system,aircraft parts for:gearboxes,transmissions,compressors and engine.Mg基复合材料基复合材料3.3.金属和金属间

13、化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？structural components of the F-16 jets landing gear,turbine engine components(fan blades,actuator pistons,synchronization rings,connecting links,shafts,discs),automotive engine components,drive train parts,general machine components.Ti基复合材料基复合材料Cu基复合材料基复合材料 hybrid modules,e

14、lectronic relays,electrically conducting springs.3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？Ti基复合材料的应用3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？TiAl的应用复合材料性能提高不显著，成本高复合材料性能提高不显著，成本高3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？TiAl的应用3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？TiAl的应用3.3.金属和金属间化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？3.3.金属和金属间

15、化合物为什么要复合？金属和金属间化合物为什么要复合？陶瓷基体陶瓷基体氧化物氧化物玻璃陶瓷玻璃陶瓷氧化铝氧化铝氧化锆氧化锆碳化物碳化物氮化物氮化物碳碳化化硅硅碳碳化化钨钨非氧化物非氧化物氮氮化化硅硅氮氮化化硼硼硼化物硼化物硼硼化化锆锆硼硼化化钛钛铝锂硅铝锂硅镁铝硅镁铝硅钡铝硅钡铝硅4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？基体基体密度密度g/cm3强度强度GPa模量模量GPa使用温度使用温度 C氧氧化化物物氧化硅氧化硅2.64450以下以下氧化铝氧化铝3.93689393氧化锆氧化锆5.65.92175碳碳化化物物碳化硅碳化硅3.216554552700碳化锆碳化锆6.663483530碳化钨

16、碳化钨15.7549692720硼硼化化物物硼化锆硼化锆6.13433040硼化钛硼化钛4.455292980硼化镧硼化镧4.746025304.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？l耐高温、抗腐蚀耐高温、抗腐蚀l低密度、低膨胀低密度、低膨胀l高模量、抗压不抗拉高模量、抗压不抗拉l超高温防热结构超高温防热结构4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？面心立方面心立方 晶格上的原子团晶格上的原子团体心立方体心立方 晶格中溶入阳离子，造成变体晶格中溶入阳离子，造成变体密堆立方密堆立方 经常出现同素异构体经常出现同素异构体SiCSiC，Si Si3 3NN4 44.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为

17、什么要复合？共价键和离子键：强度硬度高共价键和离子键：强度硬度高 对制造缺陷敏感对制造缺陷敏感 使用温度高使用温度高 模量高：裂纹敏感性模量高：裂纹敏感性纤维增韧可以消除缺陷的敏感性纤维增韧可以消除缺陷的敏感性增韧增韧4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？C fiberSiC Matrix Interphase layerInterphase layerSiC Matrix Hi-Nicalon fiber 材料K1C(MPam1/2)Al2O33.5-4.0SiC3.0-3.5RBSN2.5颗粒增韧

18、陶瓷基复合材料Al2O3-30 wt.%TiC4.2-4.5Si3N4-30 vol.%12 m SiC6.7SiC-16 vol.%TiB26.8-8.9晶须增韧陶瓷基复合材料Al2O3-30 vol.%SiCw6.9-8.6Si3N4-30 vol.%SiCw6.4-10.5CVI SiC-25 vol.%SiCw 5.7-7.2纤维增韧陶瓷基复合材料Cf/CVI SiC 20.3SiCf/CVI SiC 28.5陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料空气和拉空气和拉-拉疲劳条件下三代拉疲劳条件下三代SiC/SiC复合材料的寿命复合材料的寿命(载荷载荷160MPa；频率；频率0.25Hz)第一代：第

19、一代：SiC(Nicalon)/SiC第二代：第二代：SiC(Nicalon)/self-healing matrix(CERASEP A400)第三代：第三代：SiC(Hi-Nicalon)/self-healing matrix(CERASEP A410)性能指标性能指标2D2.5D3D针刺针刺fRT /MPa558551700420f1300 /MPa825765629456TRT /MPa243325.4323157T1300 /MPa314392420267 RT /MPa3276.945105KICRT /MPa m1/219311920.1W /kJ m-25.3-14.8-4.

20、4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？CMCCMC的增韧机理的增韧机理 颗粒增韧、晶须增韧、自增韧陶瓷基复合材料颗粒增韧、晶须增韧、自增韧陶瓷基复合材料 以裂纹偏折或阻碍为主以裂纹偏折或阻碍为主 长纤维增韧陶瓷基复合材料长纤维增韧陶瓷基复合材料 以界面脱粘、裂纹架桥和纤维拔出为主以界面脱粘、裂纹架桥和纤维拔出为主 4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？Crack deflection Crack bridging Crack branching 4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？增韧机理增韧机理-界面脱粘、裂纹架桥和纤维拔出界面脱粘、裂纹架桥和纤维拔出对裂纹不敏感对裂纹不敏感

21、4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？燃烧室燃烧室内衬内衬过渡段过渡段接口接口第一级第一级喷嘴喷嘴第一级第一级叶片叶片第一级第一级覆环覆环4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？4.4.陶瓷为什么要复合？陶瓷为什么要复合？金刚石金刚石石墨石墨热解碳热解碳玻璃碳玻璃碳5.5.碳基为什么要复合？碳基为什么要复合？碳基碳基密度密度g/cm3强度强度MPa模量模量GPa金刚石金刚石3.511200(拉伸拉伸)1.22石

22、墨石墨2.26热解碳热解碳1.42.2100(弯曲弯曲)玻璃碳玻璃碳1.4260(弯曲弯曲)5.5.碳基为什么要复合？碳基为什么要复合？碳基的晶体结构碳基的晶体结构金刚石：立方晶系金刚石：立方晶系石墨：六方层状石墨：六方层状热解碳：石墨微晶、无定形基体和微孔层状分布热解碳：石墨微晶、无定形基体和微孔层状分布玻璃碳：石墨微晶、无定形基体和微孔无序分布玻璃碳：石墨微晶、无定形基体和微孔无序分布5.5.碳基为什么要复合？碳基为什么要复合？碳基的特点碳基的特点金刚石：高硬度金刚石：高硬度石墨：高模量石墨：高模量热解碳：低模量热解碳：低模量玻璃碳：抗氧化性更好玻璃碳：抗氧化性更好(970K)(970K)

23、5.5.碳基为什么要复合？碳基为什么要复合？碳基的主要问题碳基的主要问题抗氧化抗氧化微结构控制微结构控制5.5.碳基为什么要复合？碳基为什么要复合？呋喃树脂多次浸渗-碳化丙烯多次裂解-碳化5.5.碳基为什么要复合？碳基为什么要复合？Carbon FiberCarbon Fiber Reinforcement(2D,3D,nD)ResinPitchHydrocarbonImpregnationImpregnationChemical Vapor Infiltration(CVI)CarbonizationCarbonizationMachiningHigh Temperature Heat TreatmentCarbon/Carbon productn times碳基复合材料的制备碳基复合材料的制备碳基复合材料的应用碳基复合材料的应用头部喷管喉衬总结总结l聚合物聚合物 ：增强：增强 l金属材料：减重、提高使用温度金属材料：减重、提高使用温度l金属间化合物：减重、增韧金属间化合物：减重、增韧l陶瓷材料：增韧陶瓷材料：增韧l碳材料：增强增韧碳材料：增强增韧总结总结总结总结l为什么高温热处理可以提高碳纤维力学性能为什么高温热处理可以提高碳纤维力学性能思考题思考题Thanks for your attention