现代复合材料导论课件.ppt

现代复合材料导论,中山大学教育部聚合物基复合材料与功能材料重点实验室，材料科学研究所，广州，510275，TEL/FAXE-mail：cesrmz,报告人：容敏智,第一章概述,术语的定义材料：为了某种利用目的而具备了必要性质的物质。原料：在材料中，依靠特别化学变化，用以制造其它物质的物质。素材：从制成品的角度看，它是用于制成品中的材料（组份）。性能：物质的性质中，被动的性质。机能：物质的性质中，能动的性质。复合材料：复合两种以上素材，揉合各素材所具有的特性，使其具有多种特性。或依靠乘积效果，发挥新的特性。,天然复合材料骨头,胶原纤维/磷酸钙的复合材料；胶原纤维非常合理地向抵御外力的方向取向；海绵质抵御外力，致密质变成骨髓腔，构成即简单，又具有强韧度的硬性材料；,内侧组织粗造柔软，外侧组织致密坚硬；细胞壁是由微纤维与木质素和半纤维素构成；微纤维赋予木材强度，木质素给木材以刚度。,天然复合材料木头,天然纤维的结构,剑麻叶片的横截面,剑麻,天然纤维的细胞结构与化学组成,某些纤维的组成,从天然复合材料学习的技巧,1.实例都是无机物或有机物使用纤维坚固的复合材料；2.天然复合材料的优势：具有巧妙的组织；具有自身修复性；由可再生成分组成；合成过程利用了生物工艺学。,复合材料的历史,7千年前，新石器时代半坡村遗址中（西安），发现用草掺泥制成的墙壁和砖坯等建筑材料；5千年前，中东用沥青作为芦苇的黏合剂造船；4千年前的夏时代已开始出现漆器，用丝、麻等天然纤维作增强剂，用大漆作粘结剂；秦汉以后对底胎和面漆的改革出现了中空漆佛像。,复合材料的历史,最早的涂料生漆（国漆、大漆、土漆）主成分是具有双键侧链的漆酚，经氧化后聚合成高分子链。漆（木汁如水滴而下，形象表现割漆的情形。）漆树在秦汉时期主要分布在黄河流域，后来由于中原气候变冷，漆树现主要分布在四川盆地。,鉴真漆佛像,郑和宝船,复合材料的分类,复合材料的组成基体(Matrix):含量较大，连续分布的组成相增强相(ReinforcementElements):含量较小，分散分布，一般起增强作用1按基体的性质分金属基复合材料（MetalMatrixCompositeMaterials,MMCs)树脂基复合材料(PolymerMatrixComposites,PMCs)陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposites,CMCs),2按增强相的形状分（示意图见下页）纤维增强复合材料(FiberReinforcedComposites,FRCs)层压复合材料(LaminatedComposites,Laminates)颗粒增强复合材料(ParticulateReinforcedComposites,PRCs)3按制造方法分人造或合成复合材料(SyntheticComposites)自生复合材料（原位复合材料）(insituComposites)4按用途分结构复合材料(StructrualComposites)功能复合材料(FunctionalComposites),复合材料的分类,按增强剂的形态、排列分：,增强相形状示意图,复合材料的分类,按聚合物（树脂）分：热固性树脂复合材料；热塑性树脂复合材料。按聚合物种类分：聚酯树脂基复合材料；环氧树脂基复合材料；酚醛树脂基复合材料；等等。,各种树脂基体,不饱和聚酯：,各种树脂基体,酚醛树脂：,各种树脂基体,环氧树脂：,树脂基复合材料的特性,优点：,缺点：模量低、可燃、耐热性低、老化等。,复合材料的应用,树脂基纤维增强复合材料的应用,人类第一架全复合材料飞机,复合材料制品,复合材料制品,复合材料汽车,第二章纤维的复合先进复合材料,1、为什么采用纤维的形状？一采用纤维的形状，即使相同的素材也变得格外结实，如玻璃纤维，因为急速冷却造成大量的高密度表面；纤维可以自由弯曲，所以可以编织布；用粘结剂将纤维加固则成为复合材料，可以制成板、管等各种成型物。,纤维素材玻璃纤维,纤维素材碳纤维,纤维素材芳纶纤维,各种纤维的比较,各种纤维的比强度和比模量,基体素材,1、基体聚合物、金属、陶瓷、碳基体；聚合物基体包括：热固性树脂：如不饱和树脂、酚醛树脂、环氧树脂等；热塑性树脂：聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮等；金属基体包括：铝、镁、钛等轻金属及其合金；陶瓷基体包括：氧化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硼、玻璃、水泥、石灰、砖瓦等。,A阶、B阶、C阶的概念,复合定律,1、力学中的混合定律：Xc=XmVm+Xf1Vf1+Xf2Vf2+单向连续纤维增强复合材料：纵向弹性模量：EcL=EfVf+Em(1-Vf)纵向拉伸强度：cu=fuVf+m*(1-Vf),各向异性材料的得失,材料设计,使用织物,使用织物的效果,成型加工方法分为两种：先制造含B阶段树脂的中间基材预浸料，再加热加压使树脂固化成型；不做中间基材，使纤维浸渍树脂后，直接进入成型阶段；,复合材料的制造工艺,1、热固性树脂预浸料的制备方法分成：干法（热熔预浸）与湿法（溶液预浸）两种：2、热塑性树脂预浸料的制备方法：干法、湿法、膜层叠、粉末浸渍（硫化床）、悬浮浸渍（造纸法）、纤维混编等；,制取中间基材预浸料,SMC（片状模塑料）、BMC（团状模塑料）：由短切玻璃纤维、树脂、固化剂、催化剂、填料、内脱模剂、颜料、增稠剂、低收缩添加剂等组成：,制取中间基材预混料,GMT：Glassmatreinforcedthermoplastic优点：生产过程无污染；成型周期短；废品可回收。,手糊成型（敞开）,喷射工艺（敞开）,热压罐成型（袋压成型）,缠绕成型,缠绕成型,拉挤成型,模压成型,分为配料模压、SMC模压、以及BMC模压，工艺包括在模具上涂脱模剂、SMC裁剪、装料、热压固化成型、脱模、修整等几个主要步骤。,模压成型,树脂转移模塑成型,生产效率高；可生产形状复杂产品；对环境污染少；,树脂转移模塑增强剂预成型,纤维复合材料的应用,一。在机械工业的应用：主要用于阀、泵、齿轮、风机、叶片、轴承及密封件；优势在于耐腐蚀、重量轻、价格便宜。如酚醛玻璃钢阀门使用寿命长于不锈钢，而价格便宜的多。二、在化学工业的应用化学工业存在的主要问题是腐蚀严重；玻璃钢主要用于各种槽、罐、釜、塔、管道等；价格低于不锈钢，但只能常压、低温下使用。,2019/12/14,53,可编辑,三。在汽车工业及交通运输的应用：减轻重量，节省燃油和排放;降低成本：多部件集成、低工具成本;抗腐蚀与冲击，抗压痕与划痕;设计上的自由度大;特别适宜敞篷车和周期性变化的造型，可设计成流线型。是电动汽车的发展方向,早期复合材料在汽车上的应用,复合材料已经应用于汽车领域的部分部件,AstonMartinV12Vanquish的碳纤维车架,Cadillac超级概念车与跑车具碳纤维车体,超轻碳纤维车体节省重量60！,设计成流线型和美学方面更让人满意的形状,四、在航空、航天领域的应用,减轻重量是航空与航天技术的关键之一；美国空军主力战斗机中所使用的复合材料重量达到50左右；喷气客机的重量每减轻450克，使用期内可节省1000美元；,二次结构首先实用化：辅助翼、整流罩、门板、内饰等；一次结构逐渐扩大范围：主翼、尾翼、机身等。,力学设计：蜂窝表皮结构和支肋结构,机械加工与连接,连接方法与强度,多维编织的立体组织,航天领域尤其需要比强度和比模量高、耐摩擦和耐高温的材料；太空的气候条件变化大，要求材料能够承受极端条件，如C/C耐烧蚀复合材料。,图6-2碳/碳复合材料制造的刹车零件,同步通讯卫星的太阳能电池框架、反射天线；航天飞机的鼻锥、机翼和尾翼的前缘；固体火箭发动机的喷管等；,五、在建筑领域的应用,例如：玻璃纤维增强水泥复合材料制做的建筑物外墙；碳纤维增强聚合物复合材料用于修补加固钢筋混凝土桥板、桥墩。,环氧树脂,碳纤维布,HEX-3R国外补强工程案例,美国华盛顿威力美特桥-美国加利福尼亚州立大学,一种复合材料滑动内衬管修复一个主要的地下管道，以离心灌注生产的玻璃纤维增强聚酯滑动内衬管道,荷兰首都阿姆斯特丹，片状模塑料覆层系统已经用来做一个新饭店的前檐。,世界上最大的风力发动机叶片？,拉挤结构用于输电和照明已有十几年的历史了，他们的高抗腐蚀与抗老化性，介电性质和高强度/重量比使其成为木材，钢铁和混凝土柱子的理想替代品。,六、在其它领域的应用,在船舶业，玻璃钢船体耐海水腐蚀、抗海生物吸附；在生物医学方面，C/C复合材料具有良好的生物相容性，用作外科植入物、牙科植入体、人工关节等；体育器材，如网球拍、钓鱼杆、高尔夫球棒、滑雪板等；家用电器外壳，开关和绝缘闸合、微波炉餐具等；澡盆、桑那房等卫浴产品,第三章混合复合材料水泥与聚合物混合体,标准混凝土的强度,拉伸强度很低！,钢筋混凝土和预应力混凝土,针对混凝土拉伸和弯曲强度差的问题，通常采用钢筋混凝土和预应力混凝土的施工方案。,纤维补强水泥,石棉与水泥的混合很早就使用了；短纤维与水泥混合，应用于建筑物的表面混合法、喷射法；碳纤维补强水泥（CFRC）作为建筑的外装材料已经使用化。,c=f1-(lc/2l)Vf+m*(1-Vf),fu(d2/4)=dlc/2,纤维加入水泥后，使其由脆性变成韧性,聚合物混合体,聚合物混合体的制作目的：（1）改善物性，力求功能化、高性能化，以提高耐久性；（2）改善加工性，通过提高流动性、尺寸稳定性、分散性等，来提高加工性；（3）改善经济性，通过利用廉价的聚合物及填料和（1）（2）来增加经济性。,聚合物混合体的调制方法：利用化学反应的混合：接枝共聚合、嵌段共聚合、IPN、反应挤压等物理混合：溶液混合、熔融混合、乳液混合等,混合聚合物的结构,混合聚合物性能改善的原理,共混原理的成功应用：工程塑料ABS树脂的制造工艺,聚合物混合体结构的大小,第四章、叠层复合技术功能性复合材料,叠层技术,（1）在一种素材薄膜上涂覆另一种素材的溶液之后，干燥；（2）粘结两片薄膜；（3）在一种素材薄膜之上蒸镀另一种素材。,叠层技术-涂覆与粘结,熔融挤压叠层法,表面处理与镀膜,电阻加热、高频介质加热、电子束加热等,食品包装用层压箔片,外层：分担机械强度（PET、PA、PP等）；中层：控制气体渗透；内层：分担热密封性。,人工肺用中空纤维,复合的目的与复合效果,环境复合材料（ecocomposites）:可循环利用，环境安全，材料废弃时环境负担小。绿色复合材料（greencomposites）:完全循环利用或完全可降解减少环境负担和对石油资源的依赖。,可生物降解复合材料,cradle-to-gravedesign,Theever-growingworldwidelitterproblemhasraisedenvironmentalconsciousness,Whitepollution,Blackpollution,Theautomotiveindustryisinthedrivingseatofgreencomposites,Thehollowandcellularnatureofnaturalfiberperformwellasacousticandthermalinsulators,Theuseofbiodegradableandenvironment-friendlyplantbasedlignocellulosicfibershasbeenanaturalchoiceforreinforcing(orfilling)polymers(plastics)tomakethemgreener.,Greenercompositealternatives,FullybiodegradablegreencompositesbycombiningnaturalfiberswithbiodegradableresinsThebestexamples:cellulosicplasticspolylactides(PLA)starchplasticssoy-basedplastics.,Fullygreencomposites,20%oil40%protein:soyflour,soyisolate,andsoyconcentrate.,开发优秀复合材料所面临的问题,纤维系：（1）高性能纤维的开发；（2）具有适当物性基体的开发；（3）纤维与基体的适当界面设计；（