复合材料概论 第03章-增强体材料-2015

1、2021-10-31上海大学1复合材料及其应用复合材料及其应用 Composite Materials and their ApplicationComposite Materials and their Application上海大学材料学院电子信息材料系2p 引引 言言p 纤维增强体纤维增强体p 晶须增强体晶须增强体p 颗粒增强体颗粒增强体三、增强体材料三、增强体材料上海大学材料学院电子信息材料系33.1 引引 言言复合材料复合材料是指由两种或两种以上的物理化学性质是指由两种或两种以上的物理化学性质 不同材料组合而成的不同材料组合而成的多相固体材料多相固体材料。(金属材料、高分子材料、金属

2、材料、高分子材料、 陶瓷材料陶瓷材料)物和毡物和毡 ) )上海大学材料学院电子信息材料系4上海大学材料学院电子信息材料系5p 纤维增强材料分类纤维增强材料分类 上海大学材料学院电子信息材料系6 在复合材料中起在复合材料中起，是，是主要主要。上海大学材料学院电子信息材料系7上海大学材料学院电子信息材料系8一、玻璃纤维一、玻璃纤维GF （Glass Fibre）上海大学材料学院电子信息材料系9玻玻璃璃纤纤维维丝丝玻玻璃璃纤纤维维网网格格布布玻玻璃璃纤纤维维细细纱纱玻玻璃璃纤纤维维带带上海大学材料学院电子信息材料系101、GF的种类的种类 上海大学材料学院电子信息材料系11特种特种GF材料材料上海大

3、学材料学院电子信息材料系122、GF的结构的结构和和化学组成化学组成 上海大学材料学院电子信息材料系133、GF的制造工艺的制造工艺上海大学材料学院电子信息材料系14 粗纱粗纱 30m 无捻粗纱、无纺布无捻粗纱、无纺布 初级纱初级纱 20m 短切纤维、纤维毡短切纤维、纤维毡 中级纱中级纱 1020m 高级纱高级纱 310m 纺织纺织 上海大学材料学院电子信息材料系15上海大学材料学院电子信息材料系16上海大学材料学院电子信息材料系17上海大学材料学院电子信息材料系18上海大学材料学院电子信息材料系19EA2104796上海大学材料学院电子信息材料系20 上海大学材料学院电子信息材料系21上海大

4、学材料学院电子信息材料系22 侵蚀介质体积和温度侵蚀介质体积和温度上海大学材料学院电子信息材料系23天线反射面天线反射面玻璃钢玻璃钢玻璃钢玻璃钢上海上海东方明珠电视塔东方明珠电视塔大堂装潢大堂装潢上海大学材料学院电子信息材料系24玻璃钢应用于体育用品玻璃钢应用于体育用品上海大学材料学院电子信息材料系25o 由由有机纤维有机纤维经经高温固相反应高温固相反应（脱氢、交联、环化、石脱氢、交联、环化、石墨化墨化）而得，主要成分为碳的无机纤维。）而得，主要成分为碳的无机纤维。o 具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好

5、等特点。数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好等特点。o 由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构件，如件，如航天航空、高档体育器材航天航空、高档体育器材中。中。上海大学材料学院电子信息材料系26碳纤维编织布碳纤维编织布碳纤维板碳纤维板碳纤维碳纤维碳纤维编织环碳纤维编织环碳管碳管上海大学材料学院电子信息材料系27碳纤维高尔夫球杆碳纤维高尔夫球杆碳纤维结构件碳纤维结构件碳纤维自行车碳纤维自行车碳纤维齿轮碳纤维齿轮C/CC/C轴承止推环轴承止推环上海大学材料学院电子信息材料系28(2)CFRP碳纤维增强聚合物基复合材料（碳纤维增强聚合物基复合材料（C

6、FRP） CFRP在在空间站大型结构空间站大型结构以以及及太阳能电池支架太阳能电池支架中的应用中的应用上海大学材料学院电子信息材料系29u 分高强、高模、中模和低性能碳纤维分高强、高模、中模和低性能碳纤维 聚丙烯腈基纤维聚丙烯腈基纤维 高、中性能碳纤维高、中性能碳纤维 人造丝基人造丝基( (粘胶粘胶) )纤维纤维 沥青基纤维沥青基纤维 低性能碳纤维低性能碳纤维 其它其它( (多环结构的天然纤维多环结构的天然纤维) )u 原料选择原则：原料选择原则：l C链结构，杂链结构只能成碳黑。链结构，杂链结构只能成碳黑。l 易于交联、环化，碳化率高。易于交联、环化，碳化率高。l 主链内含有环状结构、硬性、

7、结晶度高的纤维。主链内含有环状结构、硬性、结晶度高的纤维。1品种品种上海大学材料学院电子信息材料系302制备方法制备方法 碳化法碳化法 生产长纤维生产长纤维n拉丝：拉丝： 制有机长纤维制有机长纤维n牵伸：牵伸： 规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。 n氧化稳定：氧化稳定：低温，低温，400 ，防止热塑化。，防止热塑化。n碳化：碳化： 10002000，保护性气氛下，脱氢、交联、环化，保护性气氛下，脱氢、交联、环化， 得乱层环状石墨。得乱层环状石墨。n石墨化：石墨化： 20003000，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成，乱层环结构向三维石墨结构转

8、化，形成 聚合碳结晶，并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增聚合碳结晶，并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增 高，热膨胀系数下降。但温度过高强度反而下降。高，热膨胀系数下降。但温度过高强度反而下降。 气相法气相法 生产短纤维生产短纤维 高温分解小分子有机物，气相沉积纤维结晶。高温分解小分子有机物，气相沉积纤维结晶。上海大学材料学院电子信息材料系31上海大学材料学院电子信息材料系32上海大学材料学院电子信息材料系333、CF的结构的结构与与性能性能上海大学材料学院电子信息材料系34 力学性能力学性能 强度约为强度约为GF的的2倍倍 模量约为模量约为GF的的35倍倍 密度低密度低1.72，所以比强度

9、、比模量高。，所以比强度、比模量高。 断裂延伸率断裂延伸率0.52% 热学性能：热学性能：升华温度高达升华温度高达3800，耐高温性好。，耐高温性好。 热膨胀系数小，纵向为负。热膨胀系数小，纵向为负。 物理性能：物理性能： 导热、导电、自润滑。导热、导电、自润滑。 化学性能：化学性能： 耐酸碱性强，高温抗氧化性差。耐酸碱性强，高温抗氧化性差。C纤维电纤维电 极电位为正，与金属复合易引起电偶腐蚀。极电位为正，与金属复合易引起电偶腐蚀。上海大学材料学院电子信息材料系354、CF的特性小结的特性小结上海大学材料学院电子信息材料系36三、三、 碳化硅纤维碳化硅纤维 （Silicon Carbide F

10、ibre，SF或或SiCf） 碳化硅纤维（碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre，SF或或SiCf）是以）是以的一种的一种陶瓷陶瓷纤维纤维。 SiC纤维是纤维是纤维，有良好纤维，有良好的的、和和。上海大学材料学院电子信息材料系371、碳化硅纤维的性能、碳化硅纤维的性能 SiC纤维是纤维是纤维，有良好纤维，有良好的的、和和。上海大学材料学院电子信息材料系38 在W或或C丝丝上沉积SiC，目前 用 C代替W丝。聚碳硅烷合成聚碳硅烷纺丝成碳化硅纤维上海大学材料学院电子信息材料系39工工 业：业：编织成双向和三向编织成双向和三向，用于高温的传送带、，用于高温的传送带、 过滤材料，如汽车

11、的废气过滤器等。过滤材料，如汽车的废气过滤器等。航空航天：航空航天：喷气发动机涡轮叶片喷气发动机涡轮叶片、飞机螺旋桨飞机螺旋桨等受力等受力 部件，火箭推进剂传送系统、发动机部件，火箭推进剂传送系统、发动机外壳外壳军军 事：事：大口径军用步枪大口径军用步枪金属基复合枪筒套管金属基复合枪筒套管，M1 作战坦克履带、火箭，先进战术战斗机的作战坦克履带、火箭，先进战术战斗机的垂垂 直安定面直安定面，导弹尾部导弹尾部，鱼雷壳体鱼雷壳体等。等。 由于碳化硅纤维具有由于碳化硅纤维具有、的的三耐性能三耐性能，是一种耐热的理想材料。，是一种耐热的理想材料。上海大学材料学院电子信息材料系40四、四、 硼纤维（硼纤

12、维（Boron Fibre，BF或或Bf） 硼纤维硼纤维（Boron Fibre,BF或或Bf）是一种将）是一种将硼元素硼元素通过通过沉积在沉积在钨丝钨丝表面表面制制成的成的高性能增强纤维高性能增强纤维。它具有很。它具有很高的高的和和，也是制造，也是制造金属基复合材料金属基复合材料最早采用的最早采用的高性能纤维。高性能纤维。上海大学材料学院电子信息材料系411、硼纤维制作方法、硼纤维制作方法1012m钨H H2 2 + BCl+ BCl3 3H H2 2 + HCl+ HCl基芯 1300 通电加热H H2 2 + BCl+ BCl3 3 （气）（气）加热2B2B（s s）HClHCl（g g

13、）沉积在沉积在钨丝钨丝上上气相沉积技术（气相沉积技术（1959年）年）上海大学材料学院电子信息材料系422、硼纤维显微结构、硼纤维显微结构强度：强度：小玉米节：小玉米节：3.3 3.7GPa大玉米节：大玉米节：2.8GPa棒状：棒状：1GPa上海大学材料学院电子信息材料系433、硼纤维性能特点、硼纤维性能特点硼纤维的优点硼纤维的优点: 很高的弹性模量和强度很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条，但其性能受沉积条 件件 和纤维直径的影响和纤维直径的影响; 耐高温耐高温和和耐中子辐射耐中子辐射。硼纤维的缺点硼纤维的缺点: 工艺复杂，不易大量生产，工艺复杂，不易大量生产，价格昂贵价格昂贵。 由于钨丝

14、的密度大，硼纤维的由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大密度也大。 常温为较惰性物质，但在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反高温下易与金属反 应应;上海大学材料学院电子信息材料系44硼纤维增强铝基复合材料硼纤维增强铝基复合材料用于用于航天飞机主舱体支柱航天飞机主舱体支柱4、硼纤维应用、硼纤维应用上海大学材料学院电子信息材料系45 以以为为主要纤维组分主要纤维组分的陶瓷纤维统称的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维为氧化铝纤维( Aluminia Fibre, AF或或( Al2O3 )f )。 通常情况下，将通常情况下，将氧化铝含量大于氧化铝含量大于70的纤的纤维相称为维相称为； 将将氧化铝含量小于氧化铝

15、含量小于70，其余为，其余为二氧化硅二氧化硅和少量杂质和少量杂质的纤维称为的纤维称为。上海大学材料学院电子信息材料系461、多晶、多晶Al2O3纤维制法纤维制法氢氧化铝氢氧化铝水水氧化铝粉氧化铝粉胶体悬浮液胶体悬浮液纺丝（成纤）纺丝（成纤）失水处理失水处理 煅煅 烧烧Al2O3205 m SiO2涂层涂层悬浮液固态沉淀物的重量百分数为悬浮液固态沉淀物的重量百分数为80在在1113MPa压力下，经直径为压力下，经直径为0.1mm的挤压嘴挤成细丝，细丝经辊子系统二的挤压嘴挤成细丝，细丝经辊子系统二次拉长次拉长100300去除水份，纤维此时出现收去除水份，纤维此时出现收缩缩13001500得到得到

16、Al2O3表面表面SiO2形成莫来石，以及形成莫来石，以及SiO2玻璃态，填充玻璃态，填充Al2O3的缺陷，同时阻止晶粒长大的缺陷，同时阻止晶粒长大.Al2O3微粒微粒5 m ，其中其中98 3 m， 50 0.2 m上海大学材料学院电子信息材料系472、氧化铝纤维氧化铝纤维性能特点性能特点 耐热性好耐热性好； 不被熔融金属侵蚀不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合。，可与金属很好地复合。 表面活性好表面活性好； 具有极佳的具有极佳的耐化学腐蚀耐化学腐蚀和和抗氧化性抗氧化性； 用氧化铝增强的复合材料用氧化铝增强的复合材料有优良的有优良的抗压性能抗压性能; 电气绝缘电气绝缘、电波透过性好电波透过性

17、好； 缺点：在所有纤维中缺点：在所有纤维中密度最大密度最大。上海大学材料学院电子信息材料系483、 氧化铝纤维的应用氧化铝纤维的应用o 适合于制造既需要适合于制造既需要轻质高强又需要耐热的结构件轻质高强又需要耐热的结构件；o 制作制作雷达天线罩雷达天线罩;o 氧化铝纤维增强的复合材料氧化铝纤维增强的复合材料制导弹壳体制导弹壳体，则有可能不开，则有可能不开天线窗，将天线装在弹内。天线窗，将天线装在弹内。o 处于开发阶段，将来将在航空、航天、卫星、交通和能处于开发阶段，将来将在航空、航天、卫星、交通和能源等部门得到广泛应用。源等部门得到广泛应用。上海大学材料学院电子信息材料系49六、六、 其他其他

18、非有机纤维非有机纤维 其它陶瓷纤维其它陶瓷纤维 具有具有称为称为，如如和和硼化钛硼化钛等纤维。等纤维。 金属金属和和钢纤维钢纤维 金属和钢的特点是金属和钢的特点是和和好，好，和和好。好。 钢纤维常用于钢纤维常用于混凝土基复合材料混凝土基复合材料。上海大学材料学院电子信息材料系50八、八、 有机纤维有机纤维 芳纶纤维芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应用的是指日前巳工业化生产并广泛应用的聚芳聚芳酰胺酰胺纤维纤维。国外商品牌号叫国外商品牌号叫凯芙拉凯芙拉(Kevlar)纤维纤维，我国暂命名，我国暂命名为为芳纶纤维芳纶纤维，有时也称，有时也称有机纤维有机纤维。自自1972年年芳纶纤维芳纶纤维作为商品

19、出售以来，作为商品出售以来，产量逐年增产量逐年增加加。其原因是由于该其原因是由于该纤维具有独特的功能纤维具有独特的功能，使之广泛应，使之广泛应用到用到军工军工和和国民经济国民经济各个部门。各个部门。1、芳纶纤维、芳纶纤维上海大学材料学院电子信息材料系51NH- -CONH- -COn nN- -N-C- -CN- -N-C- -CH HO OH HO On（1）芳纶纤维的）芳纶纤维的结构结构上海大学材料学院电子信息材料系52（2）芳纶纤维芳纶纤维的性能特点的性能特点u 芳纶纤维的芳纶纤维的力学性能力学性能u 芳纶纤维的芳纶纤维的热稳定性热稳定性u 芳纶纤维的芳纶纤维的化学性能化学性能上海大学材

20、料学院电子信息材料系53A、芳纶纤维的、芳纶纤维的力学性能力学性能 拉伸强度高拉伸强度高；冲击性能好；冲击性能好；弹性模量高弹性模量高; (CFKFGF)断裂伸长断裂伸长:3，接近玻璃纤维，高于其他纤维，接近玻璃纤维，高于其他纤维; 密度小密度小.上海大学材料学院电子信息材料系54返回返回上海大学材料学院电子信息材料系55B、芳纶纤维的、芳纶纤维的热稳定性热稳定性 良好的热稳定性良好的热稳定性，耐火而不熔，耐火而不熔; 在低温在低温(-60)不发生脆化不发生脆化亦不降解亦不降解; 和碳纤维一样，芳纶纤维的和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数热膨胀系数 具有各向异性具有各向异性的特点的特点;返回返

21、回上海大学材料学院电子信息材料系56C、 芳纶纤维的芳纶纤维的化学性能化学性能 良好的良好的耐介质耐介质性能；性能； 耐水性不好耐水性不好； 湿度湿度影响；影响；上海大学材料学院电子信息材料系57o 航天航空：航天航空：温度不高的高强度结构受力件温度不高的高强度结构受力件o 军事军事：防弹器件：防弹器件o 工业民用：工业民用：高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、高弹轻质体育用品，缆索、轮胎、 皮带的加强纤维。皮带的加强纤维。（3）芳纶纤维的）芳纶纤维的用途用途上海大学材料学院电子信息材料系58芳纶编织布芳纶编织布芳纶复合防弹衣芳纶复合防弹衣芳纶纤维芳纶纤维防弹头盔防弹头盔自行车链轮自行车链轮航空、航

22、天器航空、航天器上海大学材料学院电子信息材料系592、 聚乙烯纤维聚乙烯纤维 （Polyethylene fiber, PEf）l 超超 轻轻l 高比强度高比强度l 高比模量高比模量l 成本较低成本较低 聚乙烯纤维聚乙烯纤维作为目前作为目前国际上最新的国际上最新的一一种有机纤维，它具有以下种有机纤维，它具有以下四个特点四个特点：上海大学材料学院电子信息材料系60 优点：优点：不足不足： 耐热性较差；耐热性较差； 耐光性较差；耐光性较差； 高温容易蠕变；高温容易蠕变； 高比强度、高比模量高比强度、高比模量 耐冲击、耐磨、自润滑耐冲击、耐磨、自润滑 耐腐蚀、耐紫外线、耐低温耐腐蚀、耐紫外线、耐低温

23、 电绝缘电绝缘等等 上海大学材料学院电子信息材料系61 通常情况下，通常情况下，的的大于大于106，纤，纤 维的维的为为3.5 GPa，弹性模量弹性模量为为116 GPa，为为3.4%，为为0.97 g / cm3。 可用于制做可用于制做武器装甲武器装甲、防弹背心防弹背心、航天航天航空部件航空部件等。等。上海大学材料学院电子信息材料系62聚聚乙乙烯烯纤纤维维上海大学材料学院电子信息材料系63高性能纤维的性能高性能纤维的性能纤维纤维 强度强度GPa GPa 模量模量GPa GPa 断裂应变断裂应变% % 密度密度碳纤维碳纤维 2.57.06 230640 0.72.4 1.72.0 2.13.0

24、 380910 0.10.5 1.82.1硼纤维硼纤维 3.5 400 2.5碳化硅碳化硅 3.4 400 3.1氧化铝氧化铝 1.4 3.2 200370 0.51.1 2.73.75玻璃纤维玻璃纤维 3.43 72.5 4.8 2.54芳伦纤维芳伦纤维 2.83.4 96.6109 2.53.3 1.45聚乙烯纤维聚乙烯纤维 3.4 98 4.0 0.96(3) 各种纤维的比各种纤维的比较较上海大学材料学院电子信息材料系643.3 晶须增强体晶须增强体3.1 前前 言言 （Whiskers）是在人工控制条件下，）是在人工控制条件下，以单晶形以单晶形式式生长成的一种纤维。生长成的一种纤维。

25、的直径一般为几微米，长几十微米，是一种的直径一般为几微米，长几十微米，是一种无无缺陷的理想完整晶体缺陷的理想完整晶体。 由于晶须的由于晶须的，所以，所以不适合容纳不适合容纳在大晶体在大晶体中常出现的中常出现的，因而，因而 近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。上海大学材料学院电子信息材料系653.2 晶须的分类：晶须的分类：（1）金属晶须金属晶须（如（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等）等）（2）非金属晶须：非金属晶须： 氧化物晶须氧化物晶须（如（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、 Y2O3、Cr2O3等）等） 陶瓷晶须陶瓷晶须（如碳化物晶须（如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC、B4C） 硼化物晶须硼化物晶须（如（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）等） 无机盐类晶须无机盐类晶须（如（如K2Ti6O13和和Al18B4O33）。）。 碳晶须碳晶须：C上海大学材料学院电子信息材料系66晶晶 须须 强度强度GPa 模量模量GPa 密度密度SiC 6.934.5 482 3.15Al2O3 13.827.6 480 3.9AlN 13.82