复合材料基础.ppt

绪论和基本概念 材料性能比较 1.2 先进复合材料的分类 按照用途可以分为结构复合材料和功能复合材料 结构复合材料主要用作承力和次承力结构，要求它质量轻、强度和刚度高。且能耐受一定温度，在某种情况下还要求有膨胀系数小、绝热性能好和耐介质腐蚀等其他性能 功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能的复合材料，是由功能体和基体组成。主要包括具有电、磁、光、热、声、机械（阻尼、摩擦）等功能 按照基体不同可分为：聚合物基复合材料（热固性树脂基、热塑性树脂基）、金属基复合材料（轻金属基、高熔点金属基、金属间化合物基）、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料 按照增强体形式不同分为：纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、片材增强复合材料和层叠式复合材料 1.2 先进复合材料的分类 三. 先进复合材料研发动态 引言——力学作用 引言——物理/化学作用 增强材料与基体的物理/化学相容性主要反映在界面作用及影响。 1) 物理相容性：浸润性、热膨胀系数匹配、界面区扩散、渗透特性等； 2) 化学相容性：极性、界面区键合反应等； 3) 纤维与树脂的细观力学匹配：界面粘结、界面相模量及其梯度等。 引言——纤维主要品种 ——典型纤维品种及性能 1.碳纤维(CF-Carbon fiber) 分类 制造 结构 性能与发展 应用需求 1.碳纤维 ——分类 PAN基CF（90%以上）、沥青基CF、粘胶基CF 酚醛基、聚乙烯醇基、聚酰亚胺基（实验室研制） 1k~24k称为小丝束CF（宇航级） 48k~480k以上为大丝束CF（民用级） 高性能CF（先进复合材料） 、通用级CF（隔热、密封、制动等）、活性CF（吸附）、气相生长CF（导电、电极）、纳米CF（储能、功能） 1.碳纤维 ——制造 层片 微晶 原 纤 单丝 (200?) (25个层片） (500?) (5-10 ) 层间C-C：3.5? 层内C-C：1.42? 1.碳纤维 ——结构 各平行层堆积不规则，层与层碳原子之间没有固定的空间位置关系，缺乏三维有序性，呈乱层石墨结构 高模量碳纤维的石墨微晶尺寸↑、取向度↓，三维有序性↑ 沥青属于软碳，易石墨化转变为三维有序结构； PAN和粘胶属于硬碳，较难石墨化而以二维乱层石墨结构为主 1.碳纤维 ——制造 表面活性基团很少，呈憎液性，与基体树脂树脂润湿性很差，复合材料层间剪切强度ILSS低（ 50～70MPa ） ，达不到设计、实用要求，处理后达90MPa以上（性能转化效率提高） 。 表面处理目的：改善CF表面极性，提高两相界面润湿性 处理方法：液相氧化（硝酸、阳极）；气相氧化（臭氧、空气、氧等离子）；涂层、沉积、接枝、气液双效（先涂层后氧化）等 1.碳纤维 ——性能 比重小（1.7~2.1） 模量高（200～700GPa） 强度高（3～7GPa） 热膨胀系数小（0左右），尺寸稳定性好 具有电磁屏蔽功能 热导率高 惰性气氛中耐热性优异 耐疲劳（震动衰减性），使用寿命长 自润滑，耐磨损 X—射线透过性好 生物相容性好 高性能CF的断裂伸长率有极大提高，脆性得到一定改善。例如T1000（2.4%）比T300（1.5%）提高60%左右； CF拉伸强度、弹性模量、纤度等性能分散性（批内和批间CV值）减小。 1.碳纤维 ——性能的发展 碳纤维直径↓，拉伸强度↑。T800直径（5.3μm）比T300（7 μm ）细24%，拉伸强度提高了44%； 脆性材料，拉伸强度是各类缺陷及分布的函数，拉伸强度随试样标距(长度)增加而下降（尺寸效应），但标距变化不影响纤维模量。 2.玻璃纤维（GF） 2.玻璃纤维（GF) 2.1 GF的组成与结构 2.3 GF的性能 应力-应变曲线呈线性 ?bt E ?max 3.3% 应变率敏感 绝缘(50Hz), 透波(高频 1010Hz) 正温度效应 (线膨胀系数4.8×10-6/℃） 密度2.54g/cm3 玄武岩纤维 玄武岩纤维概述 玄武岩是由火山喷发岩浆冷却形成，一般为黑色、黑棕色岩石