复合材料大综述课件.ppt
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- 复合材料 综述 课件
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1、I can fly!I believe General plastic based composites (聚合物基复合材料大类)I can fly!I believen聚合物基复合材料应包括聚合物基宏观复合材料和聚合物基纳米复合材料。n微观复合材料是指分散相至少有一维是在纳米尺寸范围。I can fly!I believe 一、复合材料的定义和特点:一、复合材料的定义和特点:1、复合材料的定义:、复合材料的定义:两种或两种以上物理和化学性质两种或两种以上物理和化学性质 不同的物质组合而成的一种多相固体材料。不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料应满足下面三个条件:复合材料应满足下面三
2、个条件:(1)组元含量大于)组元含量大于 5%;(2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能;)复合材料的性能显著不同于各组元的性能;(3)通过各种方法混合而成。)通过各种方法混合而成。I can fly!I believe 2、复合材料的特点:、复合材料的特点:1)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观观 复合在一起的新型材料,组分之间存在着明显复合在一起的新型材料,组分之间存在着明显的界面。的界面。2)各组分保持各自固有特性的同时可最大限度各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点,赋予单一材料所不具备的地发挥各种组分的优点,赋予单一材
3、料所不具备的优良特殊性能。优良特殊性能。3)复合材料具有可设计性。)复合材料具有可设计性。I can fly!I believe 3、复合材料的基本结构模式、复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成:复合材料由基体和增强剂两个组分构成:基体:构成复合材料的连续相;基体:构成复合材料的连续相;增强剂(增强相、增强体)增强剂(增强相、增强体):复合材料中独立的形态:复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相,这种分散相的性能优越,分布在整个基体中的分散相,这种分散相的性能优越,会使材料的性能显著改善和增强。会使材料的性能显著改善和增强。增强剂(相)一般较基体硬,强度、模量较基体
4、大,增强剂(相)一般较基体硬,强度、模量较基体大,或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂(相)与基体之间存在着明显界面。增强剂(相)与基体之间存在着明显界面。I can fly!I believe二、复合材料的分类二、复合材料的分类 n1、按基体材料分类,可分为聚合、按基体材料分类,可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。物基、陶瓷基和金属基复合材料。n 2、按增强相形状分类,可分为纤、按增强相形状分类,可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。料和层状复合材料。n 3、按复合材料的性能分类
5、,、按复合材料的性能分类,可分可分为结构复合材料和功能复合材料。为结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒颗粒Al2O3片片Al2O3纤维纤维增强相三种类型增强相三种类型I can fly!I believe通常聚合物基复合材料是指以有机聚合物为基体、纤维类增强材料为增强剂的复合材料。按聚合物特性分类:塑料基复合材料和橡胶基复合材料按增强剂分类:玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料I can fly!I believe三、复合材料结构类型1、网状结构2、层状结构,两种组分均为二维连续相3、单向结构,纤维单向增强及筒状结构的复合材料4、分散状结构,以不连续的粒状或短纤维为填料的复合材料5、锒嵌结构I
6、can fly!I believe 四、四、复合材料的基本性能指标:复合材料的基本性能指标:1、高比强度、高比模量(刚度):、高比强度、高比模量(刚度):比强度比强度=强度强度/密度密度 MPa/(g/cm3),比模量比模量=模量模量/密度密度 GPa/(g/cm3)。)。I can fly!I believe 2、耐疲劳性能好、耐疲劳性能好 3、减震性好、减震性好 4、耐烧蚀性能好,高温下能吸收大量、耐烧蚀性能好,高温下能吸收大量热能,是良好的耐烧蚀性材料。热能,是良好的耐烧蚀性材料。5、工艺性好、工艺性好 I can fly!I believe 聚合物基体中常用的增强剂即指增强材料,是聚合
7、聚合物基体中常用的增强剂即指增强材料,是聚合物基复合材料的骨架。它是决定复合材料强度和刚度的主物基复合材料的骨架。它是决定复合材料强度和刚度的主要因素。要因素。1 1、玻璃纤维、玻璃纤维 玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软,可纺织成各种玻璃布、带快的速度抽丝而成。质地柔软,可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小,耐腐蚀,耐高温性能较好,等。伸长率和热膨胀系数小,耐腐蚀,耐高温性能较好,价格便宜,品种多。缺点是不耐磨、易折断,易受机械损价格便宜,品种多。缺点是不耐磨、易折断,易受机械损伤。伤。I can fl
8、y!I believe 其次,碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而其次,碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。含碳量成的纤维状聚合物碳。含碳量95%95%左右的称为左右的称为碳纤维;含碳量碳纤维;含碳量99%99%左右的称为石墨纤维。碳左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小,比强度、比模量大,耐热性和耐纤维比重小,比强度、比模量大,耐热性和耐腐蚀性好,成本低,批生产量大,是一类极为腐蚀性好,成本低,批生产量大,是一类极为重要的高性能增强剂。重要的高性能增强剂。I can fly!I believe硼纤维硼纤维 硼纤维一般是用还原硼的卤化物来生产的。硼纤硼纤维一般是用还原硼的卤化物来生产
9、的。硼纤维的优点是强度高、耐高温、弹性模量高。但价格维的优点是强度高、耐高温、弹性模量高。但价格昂贵。昂贵。芳纶纤维芳纶纤维 聚芳酰胺纤维,力学性能好、稳定性高、耐化学聚芳酰胺纤维,力学性能好、稳定性高、耐化学腐蚀性。具压延性,与金属相似。耐冲击性是石墨腐蚀性。具压延性,与金属相似。耐冲击性是石墨纤维的纤维的6 6倍;自由振动的衰减性为钢筋的倍;自由振动的衰减性为钢筋的8 8倍,倍,I can fly!I believe其中增强材料的表面处理:1、玻璃纤维的表面处理 必须将纤维表面上的浸润及剂除掉;采用化学处理剂对纤维表面进行处理,偶联剂。I can fly!I believe2 2、碳纤维的
10、表面处理、碳纤维的表面处理a a、表面氧化处理、表面氧化处理把碳纤维用各种方法进行表面氧化可增加比表面积和表面反把碳纤维用各种方法进行表面氧化可增加比表面积和表面反应性官能团的数量。应性官能团的数量。b b、表面涂层、表面涂层氧化处理后,常使其表面附着一层聚合物以便进一步改善其氧化处理后,常使其表面附着一层聚合物以便进一步改善其与聚合物基体的黏接性能。与聚合物基体的黏接性能。c c、碳的表面气相沉积、碳的表面气相沉积在碳纤维表面上化学沉积微粒碳,可提高其耐热性、改善与在碳纤维表面上化学沉积微粒碳,可提高其耐热性、改善与基体聚合物的黏接性能。基体聚合物的黏接性能。d d、表面生长晶须、表面生长晶
11、须I can fly!I believe聚合物基体的分类:聚合物基体将增强纤维黏接成整体,在纤维间传递载荷并使载荷均衡,从而充分发挥增强材料的作用。热固性塑料 热塑性塑料 橡胶I can fly!I believe聚合物复合材料的制造及成型原理聚合物复合材料的制造及成型原理聚合物基复合材料的制造大体包括如下:聚合物基复合材料的制造大体包括如下:预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工。理与机械加工。1、预浸料制备、预浸料制备 预浸料是指定向排列的预浸料是指定向排列的连续纤维连续纤维(单向、(单向、织物)浸渍树脂后所形成的厚度均匀的织物)浸
12、渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状薄片状半半成品。成品。I can fly!I believe预浸料制备:预浸料制备:I can fly!I believe2、制件成型固化工艺一是一是,即将,即将按产品的要求,按产品的要求,铺置成一铺置成一定的形状定的形状,一般就是产品的形状,一般就是产品的形状;二是二是,即把已,即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的,在在温度、时间和压力等因素影响下温度、时间和压力等因素影响下使使下来,并能达到预期的性能要求。下来,并能达到预期的性能要求。I can fly!I believeI can fly!I believe(1)手糊成型)手糊成型在模具上涂刷在模具上涂
13、刷,再在其上铺贴一,再在其上铺贴一层层按要求剪裁好的按要求剪裁好的,用刷子、压辊或刮刀压挤织用刷子、压辊或刮刀压挤织物物,使其,使其并排除气泡后,再并排除气泡后,再涂刷树脂混合物涂刷树脂混合物和和铺铺贴第二层纤维织物贴第二层纤维织物,反复上述过程直至达到所需厚度为止。,反复上述过程直至达到所需厚度为止。I can fly!I believe将分别将分别混有促进剂和引发剂的混有促进剂和引发剂的从喷枪两侧(或从喷枪两侧(或在喷枪内混合在喷枪内混合)喷出,同时将)喷出,同时将用切割机切断用切割机切断并并由喷枪中心由喷枪中心喷喷出,与树脂一起出,与树脂一起。I can fly!I believe 喷射
14、成型原理图喷射成型原理图 I can fly!I believe(3)缠绕成型:缠绕成型:缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。化成型的一种复合材料制造工艺。I can fly!I believe (6 6)挤出成型)挤出成型 是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的热塑性塑料(粉料或粒料)从料斗进入挤出机热塑性塑料(粉料或粒料)从料斗进入挤出机加热料筒,料筒中螺杆旋转,物料沿螺槽前移。加热料筒,料筒中螺杆旋转,
15、物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体,熔体受螺杆轴向推力的加热逐渐熔融成熔体,熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模,获得与口模形状相似的作用通过机头和口模,获得与口模形状相似的连续体。的连续体。I can fly!I believe 挤出成型工艺示意图挤出成型工艺示意图 I can fly!I believe(4 4)挤拉成型)挤拉成型 将预浸纤维连续地通过模具,挤出多余的树将预浸纤维连续地通过模具,挤出多余的树脂,在牵伸条件下进行固化。脂,在牵伸条件下进行固化。(5 5)连续成型)连续成型 把连续纤维不断地浸滞
16、树脂并通过口模和固把连续纤维不断地浸滞树脂并通过口模和固化炉固化成棒、板或其他型材。化炉固化成棒、板或其他型材。(6 6)袋压成型)袋压成型 在模具上放置预浸料后,通过软的薄膜施加在模具上放置预浸料后,通过软的薄膜施加压力而固化成型。压力而固化成型。I can fly!I believe是指是指基体与增强物基体与增强物之间之间有显著变化的、构成彼此有显著变化的、构成彼此结合的、能起结合的、能起的微小区域。的微小区域。I can fly!I believe1.1.形成:形成:第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润;第二阶段是聚合物的固化。固化反应从中心以辐射状向四周延伸,结果形成了中心密度大、边缘
17、密度小的非均匀固化结构,密度大的部分叫胶束或胶粒,密度小的叫胶絮。I can fly!I believe2.2.界面层的结构:界面层的结构:界面的结合力:存在于两相之间,并由此产生复合效果和界面强度。它又可以分为宏观结合力和微观结合力,前者主要指材料的几何因素,如表面的凹凸不平、裂纹、孔隙等所产生的机械铰合力,后者包括化学键和次价键。界面的区域(厚度):界面区由基体和增强材料的界面再加上基体和增强材料表面的薄层而构成。界面的微观结构I can fly!I believe复合材料两相界面间的作用复合材料两相界面间的作用n1.传递效应传递效应:界面能传递力,在基体与增强物之间起桥梁作用。n2.阻断
18、效应阻断效应:结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。n3.不连续效应不连续效应:在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦的现象,如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。I can fly!I believen4.散射和吸附效应散射和吸附效应:光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收,如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。n5.诱导效应诱导效应:一种物质(通常为增强物)的表面结构使另一种(通常为聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变,由此产生一些现象,如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性、耐热性等。I can fly!I be
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