复合材料.ppt1

1、二、复合材料的分类二、复合材料的分类功能复合材料功能复合材料（注重物理性能）（注重物理性能）结构复合材料结构复合材料（注重力学性能）（注重力学性能）三三. . 复合材料的性能比较复合材料的性能比较裂纹扩展示意图裂纹扩展示意图各种材料的比强度和比模量各种材料的比强度和比模量层合体设计层合体设计BBAAffCOOHCHHOOCn)(2OHCHHOm)(2COOHCHCHHOOCmnCHOCOCHOCO)()(22OCOCHCHOCOb.b.固化：固化： 固化剂固化剂 - - 乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。乙烯、苯乙烯、丁二烯等单体。 引发剂引发剂 - - 过氧化物（加热固化）过氧化物（加热固化） 促

2、进剂促进剂 - - 苯胺类和有机钴。室温固化。苯胺类和有机钴。室温固化。c.c.特点特点 粘度低，工艺性好。粘度低，工艺性好。 综合性能好，价廉，用量约占综合性能好，价廉，用量约占80% 80% 。 苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度 和模量较低。和模量较低。 一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制一般不与高强度的碳纤维复合，与玻璃纤维复合制 作次受力件。作次受力件。环氧氯丙烷环氧氯丙烷二酚基化合物二酚基化合物碱碱O O通式：线性预聚体通式：线性预聚体 CHCH2 2 - CH - CH- CH - CH2 2 O - - R - -

3、 O O - - R - - O n nO O其中其中R: R: CHCH3 3- C - C -CHCH3 3A A 丙基丙基- CH- CH2 2 - - F F 亚甲基亚甲基O O- S - S -O OS S 砜砜 双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。度低的树脂。耐热性好，强度高，韧性差。固化特点：固化特点： 环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。b. b. 非双酚型非双酚型 链内含有环氧基，交联密度高，结合强度及耐热性均提高。链内含有环氧基，交联密度高，结合

4、强度及耐热性均提高。 三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。环氧树脂固化：环氧树脂固化： 环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。种固化剂交联，形成网状结构。 常用固化剂：常用固化剂： 二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑二元胺类、二元酸酐类。若选用芳香族胺或咪唑类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性会有一定的影响。会有一定的影响。 潜伏剂：潜伏剂： 单组份产品可加入潜伏剂，如双氰胺，室温下可单组份产品可加入潜

5、伏剂，如双氰胺，室温下可存放存放6 6个月，个月，145 145 165165下，下，80min80min可固化。可固化。环氧树脂特点：环氧树脂特点： 粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料 强度高，尺寸稳定。强度高，尺寸稳定。 电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。 耐酸碱耐溶剂性强。耐酸碱耐溶剂性强。 热稳定性良好。热稳定性良好。O OH H C - H C - HOHOH1 15 53 3特点：特点： 耐热性高，可达耐热性高，可达315315。价格最低。粘附性较。价格最低。粘附性较 差，收缩率大差，收

6、缩率大, ,气孔率高，性脆。气孔率高，性脆。改性：改性： 引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛引入柔性链。如：聚乙烯醇缩丁醛 降低树脂中降低树脂中 -OH -OH 基的含量。如：以苯胺或二甲基的含量。如：以苯胺或二甲 苯取代部分苯酚。提高电性能。苯取代部分苯酚。提高电性能。 硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能硼酸改性酚。吸水性、耐热性、脆性和电学性能 均提高。均提高。 O- O- C- -O-CC- -O-C + NaCl+ NaClCHCH3 3CHCH3 3O ONaO- -C- -ONa + Cl-C-Cl NaO- -C- -ONa + Cl-C-Cl CHCH3 3CHCH3 3O

7、 O二二. . 金属基材料金属基材料三三. . 陶瓷材料陶瓷材料金属和陶瓷基金属和陶瓷基一一. . 玻璃纤维玻璃纤维GFGF 粗纱粗纱 30m 30m 无捻粗纱、无纺布无捻粗纱、无纺布 初级纱初级纱 20m 20m 短切纤维、纤维毡短切纤维、纤维毡 中级纱中级纱 101020m 20m 高级纱高级纱 3 310m 10m 纺织纺织 浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有： 石蜡乳液石蜡乳液 复合前须清除复合前须清除 聚醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯 不必清除不必清除 改性有机硅类改性有机硅类 不必清除不必清除碳纤维编织布碳纤维编织布碳纤维板碳纤维板碳纤维

8、碳纤维碳纤维编织环碳纤维编织环碳管碳管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原料选择原则：原料选择原则： 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。 易于交联、环化，碳收率高。易于交联、环化，碳收率高。 主链内含有环状结构、硬性、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。N- -N-C- -CN- -N-C- -CH HO OH HO ONH- -CONH- -COn n 结构与尼龙相似，含大量的高极性酰胺键，结构与尼龙相似，含大量的高极性酰胺键， 但含苯环硬性链。但含

9、苯环硬性链。 型型型型三三. . 芳纶纤维芳纶纤维KFKF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、航天器航空、航天器EA2104796基体基体纤维纤维- - SiSi O O - - SiSiOHOHOHOH、聚酯玻璃钢、聚酯玻璃钢 加工性能最好加工性能最好。低粘度，可室温固化；价低，用。低粘度，可室温固化；价低，用量占量占80% 80% 。、环氧玻璃钢、环氧玻璃钢 综合力学性能最好综合力学性能最好，耐蚀性好；粘度大，施工困，耐蚀性好；粘度大，施工困难。难。酚醛玻璃钢酚醛玻璃钢 耐热性最好耐热性最好, , 350350长期使用，

10、短期可达长期使用，短期可达10001000；电学性能好，耐电弧。电学性能好，耐电弧。 玻璃钢采光板玻璃钢采光板玻璃钢汽车保险杠玻璃钢汽车保险杠玻璃钢型材玻璃钢型材透光型玻璃钢透光型玻璃钢体育馆采光体育馆采光赛艇、帆船壳体赛艇、帆船壳体3 3、高强度纤维增强塑料、高强度纤维增强塑料 、C C纤维增强塑料纤维增强塑料 比强度，比模量最高的材料；耐腐蚀耐热都很比强度，比模量最高的材料；耐腐蚀耐热都很 好。抗冲击性差，价格昂贵。好。抗冲击性差，价格昂贵。 、芳纶纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料 与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。与塑料相容性好，价格适中，应用前景广泛。 抗拉强度与抗拉强度与C C纤

11、维相当，冲击强度远高于纤维相当，冲击强度远高于C C纤维；纤维； 振动衰减是玻璃钢的振动衰减是玻璃钢的4 45 5倍。倍。 抗压性能差。抗压性能差。碳纤维头盔碳纤维头盔地铁闸瓦地铁闸瓦芳芳纶纶纤纤维维增增强强C C纤纤维维增增强强 三、三、聚合物基聚合物基复合材料设计复合材料设计确定设计条件确定设计条件原料选择原料选择单层单层设计设计层合板设计层合板设计结构设计结构设计实验校核实验校核材料设计材料设计结构设计结构设计使用使用性能性能成分成分/ /结构结构加工加工工艺工艺材料材料性能性能静载静载 - - 强度，刚度。强度，刚度。动载动载 - - 抗冲击强度。抗冲击强度。交变交变 - - 疲劳强度

12、。疲劳强度。、刚度预测与核定、刚度预测与核定 理论推测，实验核定。理论推测，实验核定。、强度预测与核定、强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。横向强度预测困难，以实验为准。 纵向拉伸强度纵向拉伸强度 （纤维延伸率小，首先断裂。）（纤维延伸率小，首先断裂。）mmcmmffcVVVmaxmax纤维量多，取决于纤维纤维量多，取决于纤维纤维量少，取决于基体纤维量少，取决于基体 纵向压缩强度纵向压缩强度 )1 (32fmfffcVEEVVfmcVG1取计算结果小者取计算结果小者最后以实验校核为准最后以实验校核为准4 4、层合板设计、层合板设计 内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。内容包括

13、：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。0/+45/90/-450/+45/90/-45 0/900/90 0 0 4545 冲击载荷冲击载荷分散应力分散应力主承载主承载可拆分件可拆分件旋旋翼翼与与旋旋毂毂可可合合并并四四. . 成型加工成型加工蜡型脱模剂蜡型脱模剂、胶液配方、胶液配方手糊玻璃钢赛舟手糊玻璃钢赛舟聚脂、聚脂、环氧树脂环氧树脂酚醛、酚醛、热塑性树脂热塑性树脂计算机控制的缠绕机计算机控制的缠绕机玻璃钢固化玻璃钢固化玻璃钢管道玻璃钢管道4. 4. 拉挤成型拉挤成型 挤压法挤压法 生产横截面相同的线型型材。生产效率高，自动化程度高，生产横截面相同的线型型材。生产效率高，自动化程度高，纤维含

14、量可高达纤维含量可高达404080% 80% 。 塑塑 - - 木木 复复 合合二、制造方法及关键技术二、制造方法及关键技术 纤维的均匀分布。纤维的均匀分布。 控制界面反应。控制界面反应。 六、六、C C纤维增强金属基复合材纤维增强金属基复合材料料2 2、解决方法、解决方法 电镀电镀TaTa、NiNi、AgAg包覆包覆 涂覆涂覆SiCSiC、TiCTiC、B B4 4C C等等 压渗法压渗法 复合纤维制备复合纤维制备 C纤维具有很好的力学、热学、电学和自润滑性纤维具有很好的力学、热学、电学和自润滑性能，价格也较能，价格也较B纤维有优势，应用前景光明。纤维有优势，应用前景光明。C C纤维压渗纤维

15、压渗AlAl涂涂NiNi碳纤维拉丝复合碳纤维拉丝复合AlAl七、自增强金属基复合材料七、自增强金属基复合材料铝木复合板铝木复合板铜包钢导线铜包钢导线镍镍/ /不锈钢不锈钢钛钛/ /铜复合铜复合陶瓷陶瓷/ /钢复合管钢复合管铝蜂窝复合板铝蜂窝复合板金属基复合材料实例金属基复合材料实例三、成型工艺三、成型工艺3 3浸渍法浸渍法 长纤维编织或缠绕成型，浸渍陶瓷浆，干燥烧结。长纤维编织或缠绕成型，浸渍陶瓷浆，干燥烧结。 工艺简单，烧结密度低。工艺简单，烧结密度低。 四四 应用领域及发展方向应用领域及发展方向二、水泥基复合材料种类二、水泥基复合材料种类 聚合物部分取代水泥。要求聚合物具有亲水性，在聚合物

16、部分取代水泥。要求聚合物具有亲水性，在水中或能溶解或能分散成乳液。水中或能溶解或能分散成乳液。 加入状态可以是单体、聚合物乳液、聚合物粉末。加入状态可以是单体、聚合物乳液、聚合物粉末。最终配方满足耐久性要求最终配方满足耐久性要求2 2、纤维增强水泥的成型、纤维增强水泥的成型 (1)(1)、直接喷射法、直接喷射法 砂浆配比：砂浆配比：W/C = 0.3W/C = 0.30.4 0.4 ； S/C =0.5S/C =0.51 1 耐碱短切纤维：耐碱短切纤维：121250mm 50mm ；含量约；含量约3 35% 5% 。 (3)(3)、预混料浇铸法、预混料浇铸法 纤维与砂浆混合，铸模成型。纤维与砂

17、浆混合，铸模成型。(4)(4)、压力法、压力法 预混料铸模后预混料铸模后，加压脱水。，加压脱水。(5)(5)、离心成型法、离心成型法 离心成型离心成型 + + 脱水。脱水。 适合于回转体构件，纤维可进行表面集中增强。适合于回转体构件，纤维可进行表面集中增强。三向编织坯体三向编织坯体三向增强毡坯体三向增强毡坯体 短纤维：与树脂混合，热压成型，或调浆喷射成型。短纤维：与树脂混合，热压成型，或调浆喷射成型。喷涂成型工艺喷涂成型工艺2 2、基体的获得、基体的获得(1)(1)、沥青基、沥青基 沥青中含大量苯环，含碳高，碳化收率高。沥青中含大量苯环，含碳高，碳化收率高。 沥青液化沥青液化 浸渍浸渍 碳化碳

18、化 石墨化石墨化(2)(2)、树脂基、树脂基 结构特点：分子链含大量苯环和杂环结构，固结构特点：分子链含大量苯环和杂环结构，固 化后呈交联网状耐高温树脂。化后呈交联网状耐高温树脂。 优点：优点： 低粘度低粘度 （低温、低压、工艺性好）（低温、低压、工艺性好） 纯度高，结构稳定。纯度高，结构稳定。 含碳量高，碳化收率大。含碳量高，碳化收率大。热梯度法沉积示意图热梯度法沉积示意图压差法沉积示意图压差法沉积示意图脉冲法沉积示意图脉冲法沉积示意图碳素材料性能比较碳素材料性能比较碳素材料强度与温度的关系碳素材料强度与温度的关系2 2 热学性能热学性能 热膨胀系数小，导热性好，耐热冲击性极好。热膨胀系数小，导热性好，耐热冲击性极好。3 3 烧蚀性能烧蚀性能 表面烧蚀温度高，通过辐射和升华带走大量热；表面烧蚀温度高，通过辐射和升华带走大量热；烧蚀率低，且均匀。烧蚀率低，且均匀。 不同材料的有效烧蚀热不同材料的有效烧蚀热三、混杂实例三、混杂实例 飞机机翼、直升机旋翼，可选价廉的飞机机翼、直升机旋翼，可选价廉的GFGF制作整体，用制作整体，用CFCF或或KFKF补强补强 翼尖、翼缘。翼尖、翼缘。 快艇船壳用快艇船壳用GFGF，边缘用，边缘用KFKF提