《聚合物复合材料》课件.ppt
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1、聚合物复合材料聚合物复合材料石光教授、王玉海老师石光教授、王玉海老师华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所教材及参考书教材及参考书黄丽黄丽 陈晓红陈晓红 宋怀河宋怀河 聚合物复合材料聚合物复合材料 中国轻工出版社中国轻工出版社 2006.9(2006.9(教材)教材)周曦亚周曦亚 复合材料复合材料 化学工业出版社化学工业出版社 2005.12005.1华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史 天然复合材料:木材,骨骼、竹子、肌肉、贝壳及其它组织
2、。天然复合材料:木材,骨骼、竹子、肌肉、贝壳及其它组织。例如例如 木材木材:细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种成细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种成分构成分构成木材的微纤丝木材的微纤丝A.微纤丝 B.结晶区 C.非结晶区电子显微镜下木材管胞壁的分层结构模式电子显微镜下木材管胞壁的分层结构模式ML.胞间层;P.初生壁;S1.次生壁外层华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史例如骨骼:由例如骨骼:由30%30%的有机质和的有机质和70%70%无机质所组成,而无机质所组成,而70%70%的的无机质当中磷酸钙占了无机质当中磷酸钙占了95%
3、95%。简单说,钙质约占骨骼的。简单说,钙质约占骨骼的65%-70%65%-70%,是骨的主要成分,是骨的主要成分 。密质骨基体中细小致密的纳米羟基磷灰石密质骨基体中细小致密的纳米羟基磷灰石华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所第一章第一章 绪论绪论 复合材料的优点:取长补短、协同增效、特殊功能。复合材料的优点:取长补短、协同增效、特殊功能。以天然材料为原料的复合材料:天然纤维与黏土、天然树以天然材料为原料的复合材料:天然纤维与黏土、天然树脂虫胶与天然纤维、砂石水泥与钢筋等。脂虫胶与天然纤维、砂石水泥与钢筋等。1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史华南师范大学化学与环境学院材料科学
4、研究所第一章第一章 绪论绪论 聚合物与天然纤维:聚合物与天然纤维:2020世纪初,酚醛树脂与木屑、纸张、世纪初,酚醛树脂与木屑、纸张、麻布等。麻布等。聚合物与玻璃纤维:聚合物与玻璃纤维:2020世纪世纪4040年代,玻璃钢年代,玻璃钢现代复合现代复合材料发展的标志。材料发展的标志。1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史玻璃钢冷却塔玻璃钢冷却塔电木板电木板华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史复合材料作为航空航天领域的发动机壳体材料复合材料作为航空航天领域的发动机壳体材料 金属材料是最早应用的固体火箭发动机壳体材金属材料是最早应用的固体
5、火箭发动机壳体材料,其中主要是低合金钢料,其中主要是低合金钢.其优点是成本低、工其优点是成本低、工艺成熟、便于大批量生产艺成熟、便于大批量生产,特别是后来在断裂韧特别是后来在断裂韧性方面有了重大突破性方面有了重大突破,因此即便新型复合材料发因此即便新型复合材料发展迅速展迅速,但在质量比要求不十分苛刻的发动机上但在质量比要求不十分苛刻的发动机上仍大量使用。仍大量使用。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史利用纤维缠绕工艺制造固体发动机壳体利用纤维缠绕工艺制造固体发动机壳体,是是近代复合材料发展史上的一个重要里程碑近代复合材料发展史上的一个重要里程
6、碑,但玻璃钢比强度仍不是很高但玻璃钢比强度仍不是很高,弹性模量也偏弹性模量也偏低低,继后已逐渐为芳纶及碳纤维复合材料取继后已逐渐为芳纶及碳纤维复合材料取代。代。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史 芳纶是芳族有机纤维的总称芳纶是芳族有机纤维的总称,最早问世的是美国的凯夫最早问世的是美国的凯夫拉拉-49,-49,属于全对位的聚芳酰胺纤维。它的强度是铝的属于全对位的聚芳酰胺纤维。它的强度是铝的2 2倍倍,而密度仅为其而密度仅为其1/2,1/2,弹性模量是弹性模量是E E玻璃纤维的玻璃纤维的2 2倍。因倍。因此自此自7070年代问世后立即用于美国年
7、代问世后立即用于美国MXMX、“潘兴潘兴-2”-2”等战略等战略战术导弹和各种航天用固体发动机战术导弹和各种航天用固体发动机,一度居于统治地位。一度居于统治地位。前苏联也开发了多个芳纶品种前苏联也开发了多个芳纶品种,如如CBMCBM、APMOCAPMOC性能性能优于美国。优于美国。APMOCAPMOC纤维强度比凯夫拉高纤维强度比凯夫拉高38%,38%,模量高模量高20%,20%,纤维强度转化率己达到纤维强度转化率己达到7575以上,是目前实际使用中性以上,是目前实际使用中性能最高的芳纶纤维能最高的芳纶纤维,达到美国第三代碳纤维水平达到美国第三代碳纤维水平,已用于已用于前苏联前苏联SS-24,S
8、S-25SS-24,SS-25等洲际导弹。据报道近年来又有新等洲际导弹。据报道近年来又有新的发展的发展,强度已达到强度已达到6.9GPa,6.9GPa,模量接近模量接近200GPa200GPa。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史8080年代中期以来,碳纤维开发迅猛发展年代中期以来,碳纤维开发迅猛发展,性能水平大幅度性能水平大幅度提高提高,抗拉强度由初期的抗拉强度由初期的2.5GPa2.5GPa提高到目前的提高到目前的7.0GPa,7.0GPa,并且并且有了优良的表面处理剂和树脂基体的配合,强度转化率提有了优良的表面处理剂和树脂基体的配合,强
9、度转化率提高到高到8595,8595,碳纤维的应用使壳体强度和刚度大为改观碳纤维的应用使壳体强度和刚度大为改观,而而大规模生产又使碳纤维价格有了较大幅度的下降,因此当大规模生产又使碳纤维价格有了较大幅度的下降,因此当前先进固体发动机均优先选用碳纤维复合材料壳体。固体前先进固体发动机均优先选用碳纤维复合材料壳体。固体发动机壳体使用的大都是高强中模碳纤维。根据键能和键发动机壳体使用的大都是高强中模碳纤维。根据键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达密度计算得出的单晶石墨理论强度高达15OGPa,15OGPa,因此碳纤因此碳纤维进一步开发的潜力是巨大的维进一步开发的潜力是巨大的,它将是本世纪初固体
10、发动它将是本世纪初固体发动机壳体的主要材料。机壳体的主要材料。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史与液体火箭结构类似,差别在于固体与液体火箭结构类似,差别在于固体火箭的箭体同时又是发动机的壳体火箭的箭体同时又是发动机的壳体 燃料用的高压容器、直升机旋翼桨叶。燃料用的高压容器、直升机旋翼桨叶。随着新型增强体及基体的应用,复合材料的发展进入了新随着新型增强体及基体的应用,复合材料的发展进入了新的阶段。复合材料不仅应用于一般的航空结构件,更可用作的阶段。复合材料不仅应用于一般的航空结构件,更可用作承力结构件。承力结构件。航天航空飞行器注重结构重量,
11、要求高的比强度、比模量航天航空飞行器注重结构重量,要求高的比强度、比模量的复合材料。的复合材料。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史各种材料的力学性能各种材料的力学性能材料名称相对密度/(g/cm3)拉伸强度/104(kg/cm2)弹性模量/106(kg/cm2)比强度/107cm比模量/109cm 钢7.81.032.10.130.27铝2.80.470.750.170.26钛4.50.961.140.310.25玻璃纤维复合材料2.01.060.40.530.20碳纤维/环氧树脂 1.451.51.41.030.97碳纤维/环氧树脂 1.
12、61.072.40.671.5芳纶纤维/环氧树脂 1.41.40.81.00.57硼纤维/环氧树脂2.11.382.10.661.0硼纤维/铝2.651.02.00.381.75华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.1 1.1 复合材料的发展史复合材料的发展史对复合材料的性能要求:对复合材料的性能要求:经典的碳纤维增强复合材料,要求质量轻、强度高、力经典的碳纤维增强复合材料,要求质量轻、强度高、力学性能好。学性能好。复合材料的使用不仅限于增强力学性能,而是将按照对复合材料的使用不仅限于增强力学性能,而是将按照对产品所提出的用途要求,通过复合设计使物料在电绝缘产品所提出的用途要求,通过复合
13、设计使物料在电绝缘性、化学稳定性、热性能等方面与力学性能一样达到综性、化学稳定性、热性能等方面与力学性能一样达到综合性能的提高。此外,生产成本及工艺也很重要。合性能的提高。此外,生产成本及工艺也很重要。复合材料的应用领域越来越宽:航空、航天,建筑,机复合材料的应用领域越来越宽:航空、航天,建筑,机械,交通,能源,化工,电子,体育器材及医疗器材。械,交通,能源,化工,电子,体育器材及医疗器材。金属基、陶瓷基、陶瓷金属基复合材料的开发。金属基、陶瓷基、陶瓷金属基复合材料的开发。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.2 1.2 复合材料的定义、命名及分类复合材料的定义、命名及分类定义:把两种以
14、上宏观上不同的材料,合理地进定义:把两种以上宏观上不同的材料,合理地进行复合而制得的一种材料,目的是通过复合来提行复合而制得的一种材料,目的是通过复合来提高单一材料所不能发挥的各种特性。高单一材料所不能发挥的各种特性。特点:基体特点:基体连续相,起连接作用并传递应力;连续相,起连接作用并传递应力;增强相分散相,起承受应力和显示功能的作增强相分散相,起承受应力和显示功能的作用;最终以复合的固相材料出现,通过复合使各用;最终以复合的固相材料出现,通过复合使各组分性能互补,获得原组分不具备的许多优良性组分性能互补,获得原组分不具备的许多优良性能。能。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.2 1
15、.2 复合材料的定义、命名及分类复合材料的定义、命名及分类命名:根据物质的组成、结构和特性的相互关系命名:根据物质的组成、结构和特性的相互关系来确定名称,在一定程度上反映事物的特征。来确定名称,在一定程度上反映事物的特征。命名原则:根据增强材料与基体材料的名称命名,命名原则:根据增强材料与基体材料的名称命名,增强材料的名称放在前面,基体材料的名称放在增强材料的名称放在前面,基体材料的名称放在后面,再加上复合材料。如:碳纤维环氧树脂复后面,再加上复合材料。如:碳纤维环氧树脂复合材料;或简写:碳合材料;或简写:碳/环氧复合材料,或强调某一环氧复合材料,或强调某一组成:碳纤维复合材料,环氧树脂复合材
16、料等。组成:碳纤维复合材料,环氧树脂复合材料等。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.2 1.2 复合材料的定义、命名及分类复合材料的定义、命名及分类复合材料的分类:v按增强材料的形态分类:1、纤维状复合材料:增强材料以纤维状态分散于基体中,有连续纤维复合及短纤维或晶须状复合两类。2、粒状或碎片状复合材料:增强相是粒状、碎片状材料及其他不规则性状分散于基体中。3、织物状复合材料:增强相可以是无纬布、二维织物或多维织物与基体复合。4、无纺织物(纸、毡、无纺布)复合材料。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.2 1.2 复合材料的定义、命名及分类复合材料的定义、命名及分类v按增强纤维种
17、类分类按增强纤维种类分类1 1、无机纤维(玻璃纤维、碳纤维及其他陶瓷纤维、无机纤维(玻璃纤维、碳纤维及其他陶瓷纤维、矿物纤维)复合材料。矿物纤维)复合材料。2 2、有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚脂纤维、有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚脂纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料。高强度聚烯烃纤维等)复合材料。3 3、金属纤维(钨丝、不锈钢丝等)复合材料。、金属纤维(钨丝、不锈钢丝等)复合材料。4 4、陶瓷纤维(氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)、陶瓷纤维(氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合材料。复合材料。5 5、其他,如各种天然织物纤维等。、其他,如各种天然织物纤维等。混杂纤维复合材料等
18、。混杂纤维复合材料等。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.2 1.2 复合材料的定义、命名及分类复合材料的定义、命名及分类v按基体材料分类:1、聚合物基复合材料:以有机聚合物(热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)维基体制成的复合材料。2、金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料,如钢基复合材料,铝基复合材料,钛基复合材料等。3、陶瓷基复合材料:以陶瓷材料(包括玻璃及水泥)为基体制成的复合材料。4、碳基复合材料:用易于在高温下烧制成碳制材料的物质为基体,和沥青纤维等复合的材料。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.2 1.2 复合材料的定义、命名及分类复合材料的定义、命名及分类v 按材
19、料的作用分类1、结构复合材料:用于制造受力构件的复合材料。2、功能复合材料:具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等)的复合材料。纤维增强复合材料在复合材料中用的最多、最广。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.2 1.2 复合材料的定义、命名及分类复合材料的定义、命名及分类各种组合而的到的复合材料及应用各种组合而的到的复合材料及应用增强纤维增强纤维基体基体应用应用金属纤维:钢、硼、晶须等金属纤维:钢、硼、晶须等有机纤维:人造纤维、尼龙、有机纤维:人造纤维、尼龙、芳纶等芳纶等无机纤维:玻璃、碳、碳化无机纤维:玻璃、碳、碳化硅等硅等水泥水泥金属金属树脂树脂橡胶橡胶建筑建筑轮胎、传
20、送带轮胎、传送带耐高温、高刚性、尺寸稳定耐高温、高刚性、尺寸稳定性领域性领域太多太多华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.3 1.3 复合材料的特征复合材料的特征比强度和比模量:高。比强度和比模量:高。比强度高的材料能承受高的应力,比模量高的材比强度高的材料能承受高的应力,比模量高的材料轻且刚性大。料轻且刚性大。抗疲劳性能:好。抗疲劳性能:好。疲劳是材料在循环应力作用下疲劳是材料在循环应力作用下的性能。主要由于缺陷少的碳纤的性能。主要由于缺陷少的碳纤维的抗疲劳性好,基体材料的塑维的抗疲劳性好,基体材料的塑性好。一般金属材料的疲劳强度性好。一般金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度的极限是其抗
21、张强度的30305050,碳纤复合材料则为碳纤复合材料则为70708080。破坏前有明显前兆。破坏前有明显前兆。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.3 1.3 复合材料的特征复合材料的特征减震性能:强。减震性能:强。构件的自振频率与其结构有关,又与弹性模量构件的自振频率与其结构有关,又与弹性模量的平方根成正比,自振频率高,不宜产生共振现的平方根成正比,自振频率高,不宜产生共振现象;大量基体与纤维间的界面对振动有反射和吸象;大量基体与纤维间的界面对振动有反射和吸收作用,振动阻尼性强,激起振动也能快速衰减。收作用,振动阻尼性强,激起振动也能快速衰减。过载安全性:好。过载安全性:好。高温性能
22、:好。增强材料的耐高温性能好。高温性能:好。增强材料的耐高温性能好。具有可设计性:各向异性,通过改变纤维基体种具有可设计性:各向异性,通过改变纤维基体种类,体积含量,纤维排列方向,铺层次序等就可类,体积含量,纤维排列方向,铺层次序等就可以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求。以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求。华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.4 1.4 对高性能复合材料的期望及开发现状对高性能复合材料的期望及开发现状1 1、对高性能复合材料的期望、对高性能复合材料的期望对通过更高性能的纤维获得高比强度、高比刚对通过更高性能的纤维获得高比强度、高比刚度复合材料的要求。度复合材
23、料的要求。单向增强复合材料:纤维方向、垂直纤维方向的单向增强复合材料:纤维方向、垂直纤维方向的剪切强度都依赖于纤维刚性的增大而提高。剪切强度都依赖于纤维刚性的增大而提高。高比强度、比刚度高比强度、比刚度华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所纤维种类纤维种类熔点熔点/密度密度/(g/cm3)拉伸强度拉伸强度/Gpa弹性强度弹性强度/GpaE玻璃纤维玻璃纤维7002.553.674S玻璃纤维玻璃纤维8402.504.684碳纤维(高强)碳纤维(高强)36501.753.0240碳纤维(高模)碳纤维(高模)36501.902.5450氮化硼纤维氮化硼纤维29801.901.490碳化硅纤维碳化硅纤
24、维29602.553.0200增强用纤维的性能增强用纤维的性能华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所1.4 1.4 对高性能复合材料的期望及开发现对高性能复合材料的期望及开发现状状对提高高温特性、耐热性的要求对提高高温特性、耐热性的要求树脂基体的耐高温性能较差,树脂基体的耐高温性能较差,对改进成型方法和成型技术的要求对改进成型方法和成型技术的要求2 2、高性能复合材料的开发现状、高性能复合材料的开发现状开发新的高性能增强纤维开发新的高性能增强纤维开发高性能纤维增强的成型方法和技术开发高性能纤维增强的成型方法和技术开发以混杂带来的高性能化开发以混杂带来的高性能化华南师范大学化学与环境学院材料科
25、学研究所第二章第二章 基体材料基体材料华南师范大学化学与环境学院材料科学研究所2.1 2.1 概述概述复合材料是由增强材料和基体材料通过一定的成复合材料是由增强材料和基体材料通过一定的成型工艺,经过一定的物理和化学变化过程,复合型工艺,经过一定的物理和化学变化过程,复合而成的具有特定性状的整体材料。而成的具有特定性状的整体材料。基体材料的作用:使增强材料粘结成为一个整体,基体材料的作用:使增强材料粘结成为一个整体,向增强材料传递载荷(以剪切力的形式),保护向增强材料传递载荷(以剪切力的形式),保护增强材料免受外界环境作用和物理损伤。增强材料免受外界环境作用和物理损伤。基体材料对复合材料性能的影
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