聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展课件.ppt
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1、复合材料2课程简介一、课程性质与地位一、课程性质与地位单一聚合物材料往往难以满足社会对聚合物单一聚合物材料往往难以满足社会对聚合物材料愈来愈高的要求,多相复合材料成为当前材材料愈来愈高的要求,多相复合材料成为当前材料研究的重要对象。聚合物基复合材料是目前研料研究的重要对象。聚合物基复合材料是目前研究最为深入、工艺最为成熟、品种最为齐全、应究最为深入、工艺最为成熟、品种最为齐全、应用最为广泛的一类复合材料。它已经成为航空、用最为广泛的一类复合材料。它已经成为航空、航天、兵器等领域的骨干材料之一,其在化工、航天、兵器等领域的骨干材料之一,其在化工、船舶、桥梁、体育用品、建筑等领域已经获得广船舶、桥
2、梁、体育用品、建筑等领域已经获得广泛的应用。泛的应用。3二、课程教学目标二、课程教学目标本课程是材料科学与工程专业扩大知识面的一门专本课程是材料科学与工程专业扩大知识面的一门专业必修课,它为以后从事复合材料生产、研发等工作奠业必修课,它为以后从事复合材料生产、研发等工作奠定了一定的基础。本课程的主要任务是让学生能够对聚定了一定的基础。本课程的主要任务是让学生能够对聚合物基复合材料的合物基复合材料的基本概念基本概念、组分材料组分材料、界面特征界面特征及及复复合材料的成型工艺合材料的成型工艺有所了解和掌握。能够对聚合物复合有所了解和掌握。能够对聚合物复合材料的基本知识及其在国民经济中的用途有全面的
3、了解,材料的基本知识及其在国民经济中的用途有全面的了解,同时具有初步的复合材料设计能力,为学生今后在复合同时具有初步的复合材料设计能力,为学生今后在复合材料领域的深造和专门研究奠定较坚实的基础。材料领域的深造和专门研究奠定较坚实的基础。课程简介4课程简介 教材:教材:王汝敏等编,王汝敏等编,聚合物基复合材料(第二版)聚合物基复合材料(第二版),科学出,科学出版社,版社,2011年年 教学参考书:教学参考书:黄丽等编,黄丽等编,聚合物复合材料聚合物复合材料,中国轻工业出版社,中国轻工业出版社 吴人洁等编,吴人洁等编,复合材料复合材料,天津大学出版社,天津大学出版社 沃丁柱等编,沃丁柱等编,复合材
4、料大全复合材料大全,化学工业出版社,化学工业出版社 陈祥宝等编,陈祥宝等编,高性能树脂基体高性能树脂基体,化学工业出版社,化学工业出版社 课程教学形式课程教学形式:以课堂讲授为主,作业以课堂讲授为主,作业:习题和查阅资料。习题和查阅资料。考试课程,考试形式是闭卷,考试成绩按考试课程,考试形式是闭卷,考试成绩按平时成绩平时成绩(30%)和和卷面成绩卷面成绩(70%)综合计算。综合计算。5第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.11.1前言:前言:一、材料的发展与人类社会的进步一、材料的发展与人类社会的进步材料是人类社会进步的物质基础和先导,是人类进步材料是人类社会进步的物质基础和先导,
5、是人类进步的里程碑。的里程碑。当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的四大当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的四大支柱,它会将人类物质文明推向新的阶段。支柱,它会将人类物质文明推向新的阶段。20世纪出现的高性能塑料和复合材料,以历史上少有世纪出现的高性能塑料和复合材料,以历史上少有的发展速度渗透到国民经济和人们生活的各个领域,成为的发展速度渗透到国民经济和人们生活的各个领域,成为传统材料的替代品,并显示出奇特的优异性能。传统材料的替代品,并显示出奇特的优异性能。二十一世纪将是一个新材料时代。二十一世纪将是一个新材料时代。6第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展二、二、复合材料的
6、提出复合材料的提出现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展;同现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展;同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。很明显,传统的单一材料无法满足以上综合要求,当很明显,传统的单一材料无法满足以上综合要求,当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展,但是以上这些材料由于其各自固有的局限新月异地发展,但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。性而不能满足现代科学技术发展的需要。复合材料复合材料,特别是,特别是先进复合材料先进复合材
7、料就是为了满足以上高就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。1.11.1前言:前言:7第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展三、复合材料的发展历史和意义三、复合材料的发展历史和意义 1 1、复合材料的发展历史、复合材料的发展历史60006000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河
8、堤大坝等的建筑,发挥着极为重要的作用;等的建筑,发挥着极为重要的作用;2020世纪世纪4040年代,美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替年代,美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材,发展成为玻璃纤维增强塑料(木材,发展成为玻璃纤维增强塑料(玻璃钢玻璃钢)这种广泛)这种广泛应用的比较现代化复合材料。应用的比较现代化复合材料。1.11.1前言:前言:8第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展2、复合材料的意义、复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如例如:火火箭壳体材料对射程的影响箭壳体材料对射程的影响:1.11.1前言:前言:9第一章聚合物基复
9、合材料的概念、特性、应用与进展碳碳/碳复合材料碳复合材料以碳纤维或碳化硅纤维以碳纤维或碳化硅纤维(或织物或织物)为增强体,以碳为基体为增强体,以碳为基体的复合材料的总称。碳基复合材料有两种制备方法:的复合材料的总称。碳基复合材料有两种制备方法:一是浸渍法,即用增强体浸渍熔融的石油或沥青,再经一是浸渍法,即用增强体浸渍熔融的石油或沥青,再经碳化和石墨处理,它的基体是碳化和石墨处理,它的基体是石墨碳石墨碳,呈层状条带结构,性,呈层状条带结构,性能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇(呋喃甲醇呋喃甲醇)或酚醛或酚醛等热固性树脂,只经碳化处理,它的基体是等热固性树脂,
10、只经碳化处理,它的基体是玻璃碳玻璃碳,即无定,即无定型碳结构,性能是各向同性的;型碳结构,性能是各向同性的;另一是另一是CVD法,即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上法,即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上来进行复合,这种方法的碳基体是类似玻璃碳的来进行复合,这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳热解碳。碳。碳/碳复合材料不耐氧化,所以有时需要加抗氧化涂层。碳复合材料不耐氧化,所以有时需要加抗氧化涂层。10第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展印刷电路板印刷电路板(玻璃钢玻璃钢),轮胎(纤维增强橡胶),轮胎(纤维增强橡胶)雷达罩(玻璃纤维增强树脂)雷达罩(玻璃纤维增强树脂)火箭外壳(碳纤
11、维火箭外壳(碳纤维/树脂)(树脂)(碳碳/碳复合材料碳复合材料)人造卫星天线(碳纤维人造卫星天线(碳纤维/镁合金)镁合金)航天飞机框架(硼纤维航天飞机框架(硼纤维/铝合金)铝合金)网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇 休闲休闲汽车活塞、连杆、自行车飞轮等汽车活塞、连杆、自行车飞轮等 民用工业民用工业3、复合材料举例、复合材料举例面广面广尖端尖端1.11.1前言:前言:11第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展人类第一架全人类第一架全复合材料飞机复合材料飞机1.11.1前言:前言:12第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展复合材料制
12、品复合材料制品羽毛球拍羽毛球拍高尔夫球杆高尔夫球杆机器零件机器零件1.11.1前言:前言:13第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.21.2复合材料简介复合材料简介composite materialcomposite material:定义:定义由两种或两种以上不同性能、不同形态的由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料(通常是增强材料和基体材料)通过组分材料(通常是增强材料和基体材料)通过复合工艺组合而成的一种多相材料,它既保持复合工艺组合而成的一种多相材料,它既保持了原组分材料的主要特点,又显示了原组分材了原组分材料的主要特点,又显示了原组分材料所没有的新性能。料所没有的
13、新性能。14第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展特征:特征:(1 1)微观上是非均相材料,组分材料间有明显的界面;)微观上是非均相材料,组分材料间有明显的界面;(2 2)组分材料性能差异很大;)组分材料性能差异很大;(3 3)组成复合材料后性能有较大的改进;)组成复合材料后性能有较大的改进;(4 4)组分材料的体积分数应大于)组分材料的体积分数应大于10%10%。三种基本的物理相:三种基本的物理相:(1 1)基体相:连续的)基体相:连续的(2 2)增强相:分散的、被基体所包容)增强相:分散的、被基体所包容(3 3)界面相:增强相与基体相之间的交界面)界面相:增强相与基体相之间的交界面
14、1.21.2复合材料简介复合材料简介15第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.31.3复合材料的复合材料的命名命名及分类及分类按基体材料类型命名:按基体材料类型命名:金属基复合材料、无机非金属基复合材料、聚合物基金属基复合材料、无机非金属基复合材料、聚合物基复合材料复合材料以增强纤维的类型来命名:以增强纤维的类型来命名:玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、混杂复合材料玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、混杂复合材料例:例:玻璃玻璃/环氧复合材料:玻璃纤维环氧树脂复合材料环氧复合材料:玻璃纤维环氧树脂复合材料(环氧玻璃钢)(环氧玻璃钢)碳碳/金属复合材料:碳纤维和金属基体构成的复合材料金
15、属复合材料:碳纤维和金属基体构成的复合材料 碳碳/碳复合材料(碳复合材料(C/CC/C复合材料):碳纤维和复合材料):碳纤维和碳基体碳基体构成构成的复合材料的复合材料16第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展1.31.3复合材料的命名及复合材料的命名及分类分类分散相形态分散相形态(1)连续纤维增强连续纤维增强(2)纤维织物增强纤维织物增强(3)片状材料增强片状材料增强(4)短纤维增强短纤维增强(5)颗粒增强颗粒增强(6)纳米增强纳米增强基体材料类型基体材料类型(1)金属基金属基(2)无机非金属基无机非金属基 陶瓷基陶瓷基 碳基碳基(3)聚合物基聚合物基 热固性树脂基热固性树脂基 热塑性
16、树脂基热塑性树脂基 增强纤维的类型增强纤维的类型(1)碳纤维碳纤维(2)玻璃纤维玻璃纤维(3)有机纤维有机纤维(4)硼纤维硼纤维(5)碳化硅碳化硅(5)混杂纤维混杂纤维13217 以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料,称为玻璃纤维增强塑料,或称为玻璃钢。料,称为玻璃纤维增强塑料,或称为玻璃钢。(国际公认的缩写符号为GFRP)由于所使用的树脂品种不同,因此有聚酯由于所使用的树脂品种不同,因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。玻璃钢是一种品种繁多,性能各别用途广泛的复合玻璃钢是一种品种繁多,性能各别用途广泛的复合材料
17、。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺,制作而材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺,制作而成的一种功能型的新型材料。成的一种功能型的新型材料。玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介18用作筋骨用(酚醛塑料、环氧树脂及聚酯树脂)作肌肉玻璃纤维合成树脂用作筋骨(钢材耐拉)作肌肉(水泥块耐压)钢材水泥砂石玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介19目前生产的玻璃钢主要指而言。热固性热塑性热固性塑料热塑性热固性如果用玻璃纤维去增强热塑性塑料,可称为热塑性玻璃钢如果用玻璃纤维去增强热固性塑料,就叫做热固性玻璃钢返回玻玻 璃璃 钢钢 简简 介介20(1)相对密度在相对密度在1.52.0之间,只有碳钢的之间,只有碳钢的1/41
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