第一章-复合材料力学绪论分析课件.ppt
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- 第一章 复合材料 力学 绪论 分析 课件
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1、复合材料及其力学基础复合材料及其力学基础西南交通大学西南交通大学应用力学与工程系应用力学与工程系20142014年年2 2月月第一章第一章 绪论绪论 1-1 复合材料的定义及分类 1-3 复合材料的力学分析方法1-4 复合材料的性能 1-5 复合材料的应用 1-6 复合材料的构造及制法 1-2 复合材料的组分 1-1 1-1 复合材料的定义及分类复合材料的定义及分类 一、复合材料的定义一、复合材料的定义广义:广义:由两相或多相组分构成的材料(包括自然的由两相或多相组分构成的材料(包括自然的和人工的)。和人工的)。狭义:狭义:由由两种两种或或多种不同性质多种不同性质的材料用物理和化学的材料用物理
2、和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。1、定义、定义 复合材料的发展,经历了古代、近代和现代三个复合材料的发展,经历了古代、近代和现代三个阶段阶段 自古以来,人们就会使用天然的复合材料自古以来,人们就会使用天然的复合材料木材、木材、竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中掺稻草,制成土坯砖。掺稻草,制成土坯砖。近代复合材料最早的有近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂玻璃纤维增强树脂(如酚醛树(如酚醛树脂、环氧树脂等)脂、环氧树脂等)玻璃钢。玻璃钢。原子能、航空、航天、电子、化工等的发展,对材料原
3、子能、航空、航天、电子、化工等的发展,对材料的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐蚀、电性能等提出了更高要求,使现代蚀、电性能等提出了更高要求,使现代先进复合材料先进复合材料蓬勃发展起来蓬勃发展起来高性能纤维高性能纤维和其他各种形式的复合和其他各种形式的复合材料材料 复合材料应具有如下三个特点:复合材料应具有如下三个特点:由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料,组元间存在着或微观复合形成的一种新型材料,组元间存在着明显的界面;明显的界面;各组元不但保持各自的固有特性,
4、而且还最大限各组元不但保持各自的固有特性,而且还最大限度发挥各种材料组元的特性,并赋予单一材料组度发挥各种材料组元的特性,并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能;元所不具备的优良特殊性能;复合材料具有可设计性。复合材料具有可设计性。2、特点、特点3、基体和增强体、基体和增强体 基基 体:体:复合材料中比较连续的相;复合材料中比较连续的相;增强相:增强相:其它一些以独立形态分布于整个连其它一些以独立形态分布于整个连 续相中的分散相;续相中的分散相;界界 面:面:两者之间的结合部称为界面。两者之间的结合部称为界面。二、复合材料的分类二、复合材料的分类 1、按来源分:、按来源分:天然(竹、木材、麻
5、等);天然(竹、木材、麻等);人工人工 2、按基体材料的种类分:、按基体材料的种类分:聚合物基复合材料:热固性、热塑性、橡胶;聚合物基复合材料:热固性、热塑性、橡胶;金属基复合材料:铝,钛合金;金属基复合材料:铝,钛合金;陶瓷基复合材料;陶瓷基复合材料;石墨基复合材料:石墨基复合材料:C-C;混凝土基复合材料混凝土基复合材料 3、按增强相分类:、按增强相分类:纤维增强复合材料:长纤维,短纤维;纤维增强复合材料:长纤维,短纤维;晶须增强复合材料;晶须增强复合材料;颗粒增强复合材料;颗粒增强复合材料;混合增强复合材料:不同形态的增强相共同增强混合增强复合材料:不同形态的增强相共同增强的复合材料。的
6、复合材料。4、按用途分类:、按用途分类:结构复合材料;结构复合材料;功能复合材料:电磁学、光学、热学、声学及摩功能复合材料:电磁学、光学、热学、声学及摩擦、阻尼材料;擦、阻尼材料;智能复合材料:自适应环境。智能复合材料:自适应环境。1-2 1-2 复合材料的组分复合材料的组分 1-2-1 树脂基复合材料树脂基复合材料一、纤维(增强体)一、纤维(增强体)1、对纤维的基本要求、对纤维的基本要求 1)力学性能:一般要求要高)力学性能:一般要求要高2)表面状态:应易于与树脂浸润)表面状态:应易于与树脂浸润3)长度、根数及捻度:长度应满足)长度、根数及捻度:长度应满足FRC的要求;的要求;纤维束丝中单丝
7、根数应能符合纤维束丝中单丝根数应能符合FRC每层压厚的要求。每层压厚的要求。6)环扣强度:是衡量纤维柔韧性的一个指标,可用)环扣强度:是衡量纤维柔韧性的一个指标,可用来表明纤维工艺性能的好坏。来表明纤维工艺性能的好坏。4)细度和均匀度:细度是指单丝直径;均匀度是指)细度和均匀度:细度是指单丝直径;均匀度是指直径的均匀程度,须满足一定的规定。直径的均匀程度,须满足一定的规定。5)毛丝,毛团:为纤维束中的杂质,在一定纤维束)毛丝,毛团:为纤维束中的杂质,在一定纤维束长度上不允许超过一定数目。长度上不允许超过一定数目。2、纤维的分类:、纤维的分类:无机纤维:玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及氧化硅、无机纤维
8、:玻璃纤维、碳纤维、硼纤维及氧化硅、氧化铝纤维等;氧化铝纤维等;有机纤维:芳纶纤维、尼龙纤维及聚烯烃纤维等。有机纤维:芳纶纤维、尼龙纤维及聚烯烃纤维等。1)玻璃纤维)玻璃纤维 3、几种常用的纤维、几种常用的纤维 拉伸强度拉伸强度2.54.58GPa;密度;密度2.142.55g/cm3;拉伸模;拉伸模量量 5586GPa;延伸率;延伸率 3.375.2%拉伸强度拉伸强度1.7GPa;拉伸模量;拉伸模量200400GPa;耐高温:;耐高温:2000。2)碳纤维)碳纤维 3)芳纶)芳纶 拉伸强度高,约为铝合金的拉伸强度高,约为铝合金的5倍;弹性模量高,比玻倍;弹性模量高,比玻璃纤维高璃纤维高1倍;
9、密度小;韧性好倍;密度小;韧性好。4)硼纤维)硼纤维 拉伸强度拉伸强度3.45GPa;密度;密度2.42.6g/cm3;拉伸模量;拉伸模量 400GPa5)氧化铝纤维)氧化铝纤维 拉伸强度拉伸强度1.72.0GPa;密度;密度3.95g/cm3;拉伸模量;拉伸模量 380GPa6)碳化硅纤维)碳化硅纤维 拉伸强度拉伸强度3.35GPa;密度;密度3.05g/cm3;拉伸模量;拉伸模量400GPa玻璃纤维绳玻璃纤维布玻璃纤维绳玻璃纤维纸纳米碳管纤维碳纤维绳二、树脂基体二、树脂基体1、FRC树脂基体的基本要求树脂基体的基本要求 1)分子量及其分布:分子量要适中,其分布范围)分子量及其分布:分子量要
10、适中,其分布范围应尽量小。应尽量小。2)粘度和流动性:若树脂粘度小,则易于浸渍纤)粘度和流动性:若树脂粘度小,则易于浸渍纤维,并且流动性好。维,并且流动性好。3)挥发分)挥发分:树脂挥发分应尽量小:树脂挥发分应尽量小4)固化特性:要求固化温度尽可能低,固化压力)固化特性:要求固化温度尽可能低,固化压力尽可能小,固化时间尽可能短。尽可能小,固化时间尽可能短。5)力学性能:具有一定的强度,模量,延伸率,)力学性能:具有一定的强度,模量,延伸率,压缩性能。压缩性能。6)与纤维的相容性:要好。)与纤维的相容性:要好。7)耐热性能:包含耐温性和耐热老化性。)耐热性能:包含耐温性和耐热老化性。8)有耐腐蚀
11、性能,介电性能,阻燃性,自熄性)有耐腐蚀性能,介电性能,阻燃性,自熄性等。等。2、树脂的分类、树脂的分类分为热固性树脂和热塑性树脂两类。分为热固性树脂和热塑性树脂两类。热固性:热固性:加温和加压固化,不溶不熔,不可再利用。加温和加压固化,不溶不熔,不可再利用。如聚酯,环氧,聚酰亚胺,酚醛等。如聚酯,环氧,聚酰亚胺,酚醛等。热塑性:热塑性:加热液化,可溶可熔,结晶态有固定熔点,加热液化,可溶可熔,结晶态有固定熔点,可再利用。如聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯等。可再利用。如聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯等。1、MMC对增强体的基本要求对增强体的基本要求1-2-2 金属基复合材料金属基复合材料一、增强体一、增强
12、体1)应具有能明显提高金属基体所需特性的性能;)应具有能明显提高金属基体所需特性的性能;2)应具有良好的化学稳定性,在金属基复合材料)应具有良好的化学稳定性,在金属基复合材料制备和使用过程中基体有良好的化学相容性,不发制备和使用过程中基体有良好的化学相容性,不发生严重的界面反应;生严重的界面反应;3)与金属有良好的浸润性或通过表面处理能与金)与金属有良好的浸润性或通过表面处理能与金属良好浸润,以保证增强物与金属基体良好的复合属良好浸润,以保证增强物与金属基体良好的复合和均匀分布。和均匀分布。2、分类、分类 按形态可分为长纤维、短纤维、晶须和颗粒增按形态可分为长纤维、短纤维、晶须和颗粒增强体;从
13、材质来看有碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅强体;从材质来看有碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、石墨纤维、碳化钛纤维、氮化硼纤维等。纤维、石墨纤维、碳化钛纤维、氮化硼纤维等。二、基体二、基体 1、选择基体应注意的事项、选择基体应注意的事项 1)满足金属基复合材料的不同使用要求)满足金属基复合材料的不同使用要求 飞行器和卫星构件飞行器和卫星构件密度小的轻金属合金,如密度小的轻金属合金,如Mg、Al合金;合金;高性能发动机高性能发动机耐高温的合金,如耐高温的合金,如Ti、Ni基合金;基合金;汽车发动机汽车发动机耐磨,耐热,导热,一定的高温强度,耐磨,耐热,导热,一定的高温强度,价廉的合金,如价廉的合金,如A
14、l合金;合金;电子工业集成电路电子工业集成电路高导热,低热膨胀材料,如银,高导热,低热膨胀材料,如银,铜,铝等金属。铜,铝等金属。2)应注意金属基复合材料组成的特点)应注意金属基复合材料组成的特点长纤维复合材料长纤维复合材料纯或含有少量合金元素的合金,纯或含有少量合金元素的合金,如纯铝或铝合金(低强度);如纯铝或铝合金(低强度);不连续增强复合材料不连续增强复合材料高强度合金高强度合金。1-3 1-3 复合材料的性能复合材料的性能 一、复合材料的优点一、复合材料的优点 1.材料性能的可设计性材料性能的可设计性 其宏观性能可根据人们的需要通过细观性能来设计,其宏观性能可根据人们的需要通过细观性能
15、来设计,因此可充分发挥材料的潜力。因此可充分发挥材料的潜力。2.制造工艺简单,成本较低。制造工艺简单,成本较低。3.化学稳定性高。化学稳定性高。4、比强度,比刚度高比强度,比刚度高 材料材料密度密度模量模量(GPa)强度强度(MPa)比刚度比刚度比强度比强度连续连续S-玻璃纤玻璃纤维维/环氧树脂环氧树脂1.9960175030.287925%SiCw/氧氧化铝化铝3.7390900(弯曲(弯曲强度)强度)105243.2GRP(GF/EP)1.838.615002104833.3CRP(CF/EP)1.6181.01062113.1663.850%Al2O3f/Al2.913090049310
16、高强高强Al合金合金2.46840028.8166.7A3钢钢7.8621046027597、其它的特殊性能:其它的特殊性能:5、高、低温性能好,膨胀系数小高、低温性能好,膨胀系数小6、耐磨、减摩,自润性好耐磨、减摩,自润性好 具有耐烧蚀性,耐辐射性,耐蠕变性以及特殊的光,具有耐烧蚀性,耐辐射性,耐蠕变性以及特殊的光,电,磁性能。电,磁性能。二、复合材料的缺点二、复合材料的缺点 1.材料性能的各向异性严重材料性能的各向异性严重 垂直于纤维方向的力学性能较低,特别是层间剪切强垂直于纤维方向的力学性能较低,特别是层间剪切强度很低。度很低。2.材料性能分散性较大,质量控制和材料性能分散性较大,质量控
17、制和 检测比较困难。检测比较困难。3.材料成本较高。材料成本较高。4.有些复合材料韧性差,机械连接较困难。有些复合材料韧性差,机械连接较困难。1-4 1-4 复合材料的应用复合材料的应用 一、航空航天工程一、航空航天工程 碳纤维树脂基复合材料:发动机叶片。碳纤维树脂基复合材料:发动机叶片。硼纤维硼纤维/铝:铝:TF30-发动机叶片。发动机叶片。玻璃钢:直升机旋翼。玻璃钢:直升机旋翼。CF/GF复合材料:军用飞机机翼、机身。复合材料:军用飞机机翼、机身。石墨纤维复合材料:喷气发动机石墨纤维复合材料:喷气发动机 CF/KF混杂复合材料:起落架,舱门混杂复合材料:起落架,舱门复合材料的应用实例复合材
18、料的应用实例 碳纤维碳纤维/环氧树脂环氧树脂 碳纤维碳纤维/芳纶芳纶/环氧树脂环氧树脂 玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料 芳纶芳纶/杜邦聚酰胺杜邦聚酰胺 芳纶芳纶/泡沫芯板泡沫芯板 碳纤维碳纤维/杜邦聚酰胺杜邦聚酰胺GLARE蒙皮用于蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮飞机的上机身蒙皮B-2隐形轰炸机隐形轰炸机 除主体结构是钛复合材料外,其它部分均由碳纤维和石墨除主体结构是钛复合材料外,其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成,不易反射。等复合材料构成,不易反射。轻巧的碳轻巧的碳/碳复合材料碳复合材料全复合材料机身:轻型机的价格,中型机的宽敞客舱,客全复合材料机身:轻型机的价格,中型机的宽敞客舱,客
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