复合材料 第八章 先进复合材料课件

第8章先进复合材料

8.1碳/碳复合材料碳/碳复合材料是以碳纤维（石墨纤维）为增强体，以碳（石墨）为基体的复合材料，具有一系列的特殊性能，也称为碳纤维增强碳复合材料。

8.1.1碳/碳复合材料概述C/C的发现是带有偶然性的。1958年美国一家航空公司研究所在进行碳纤维增强树脂基复合材料实验时，意外之中将树脂碳化，得到一种碳材料，并开发出一系列C/C复合材料。各种碳无机材料

8.1.2碳/碳复合材料的制造工艺碳纤维预制体渗入基体石墨化碳纤维的选择基体先驱体的选择致密化工艺石墨化工艺抗氧化保护工艺碳纤维编织方法设计

(1)碳纤维的选择根据材料的性能要求，合理选择碳纤维的种类和编制参数。常用的碳纤维先驱体有聚丙烯腈纤维、沥青基纤维和粘胶纤维等。

(2)碳纤维预制体的制备C/C复合材料制备的基本思路是将碳纤维编织成一定形状，在将其组合成多孔隙的预制体。预制体（Preform，或预成型体）是采用编织方式成2维、3维或多维，带30～70％孔隙的碳纤维层、板、体等形状。三维正交碳纤维增强的C/C及其显微结构导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织车间导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织

②低压过程：为保证树脂充分浸渍预制体，在3-5MPa的压力下，加热至一定温度（50℃），进行制备。③高压过程：使基体树脂发生固化，在7-100MPa的压力下，加热至一定温度（700℃），进行制备。2）化学气相沉积法（CVD）

(4)石墨化

对完成致密化的碳/碳材料进行2400℃-2800℃的高温处理，使N、H、O、K、Na、Ca等元素逸出，碳发生晶格结构转变，其晶格结构接近石墨，这一过程称为石墨化。

第一阶段：1000－1500℃，所有残留下来的脂肪链等都在这时断裂，乱层结构层面间的C、H、O、N、S等单质或简单化合物也在排出。原来的界面能以热能的形式放出，作为促进碳六角网格有序化的动力。第二阶段：1500－2100℃，随着温度的上升，碳原子的热振动频率增加，振幅增大，网格层面向三维排列的石墨方向过渡，层间距离缩小。第三阶段：2100℃以上，发生再结晶过程，此时，碳平面分子内部或分子间的碳原子移动，进行晶格的完善化和三维排列。碳层面尺寸增加，三维有序堆叠也进一步增加，层间距也进一步缩小并趋向于石墨的层间距。

(5)抗氧化保护碳/碳复合材料在氧气氛下，400℃以上发生显著的氧化，性能发生严重下降，高温抗氧化能力差也是碳/碳复合材料最主要的缺点之一。解决高温氧化问题主要有两个途径：1）表面抗氧化涂层，在碳/碳复合材料表面进行陶瓷涂层处理；2）抑制剂法，在树脂基体中预先添加硼化物抑制剂，起到填充内部空隙，阻断氧的通道的作用。

(2)碳／碳复合材料的高温力学性能在非氧化性气氛中，碳/碳复合材料可以在2800℃下仍然保持其强度。高温下，碳/碳复合材料的强度甚至还有所提高。

(4)碳／碳复合材料的耐磨性碳／碳复合材料具有优异的耐磨性。摩擦系数高（0.2-0.3），可调节摩擦系数，且高温下耐磨性好。(5)碳／碳复合材料的一些特殊性能1)抗热震性能抗热震性：指材料在承受急剧温度变化时，评价其抗破损能力的重要指标。2)抗烧蚀性能烧蚀：在大气层热流作用下，由热化学和机械过程引起的固体表面质量消耗现象。衡量抗烧蚀性能的指标：烧蚀温度、烧蚀率、外形完整度。8.1.4碳/碳复合材料的应用

(1)在军事、航空航天工业方面的应用（高强度、高模量、高温力学性能、抗热震性能、抗烧蚀性能）(2)在民用工业上的应用（高强度、高模量、耐磨性）(3)在生物医学方面的应用（耐腐蚀性能、生物相容性）航天飞机端头帽航天飞机机翼前缘人造心脏瓣膜材料人造关节材料

8.2纳米复合材料8.2.1概述8.2.2纳米复合材料的分类纳米材料：尺度为1-100nm的微小颗粒经压制、烧结或溅射而形成的凝聚态固体材料。纳米复合材料纳米半导体复合材料纳米金属基复合材料纳米陶瓷基复合材料纳米聚合物基复合材料

8.2.3聚合物基纳米复合材料及其制备技术(1)聚合物基纳米复合材料(2)聚合物基纳米复合材料制备技术

1)渗入—吸收法2)原位夹层聚合法3)层间插入4)模板合成法

8.2.4陶瓷基纳米复合材料及制备技术(1)陶瓷基纳米复合材料1)增韧纳米复相陶瓷2)超塑性①Al2O3/SiC、MgO/SiC纳米复合材料

②Si3N4／SiC纳米复合材料

③Si3N4/TiN纳米复合材料

④Al2O3／ZrO2纳米复合材料

⑤长纤维强化SiAlON/SiC纳米复合材料

⑥Al2O3/Ni、MgO/Fe、ZrO2/Ni系纳米复合材料

⑦Pb(Zr,Ti)O3(PZT)/金属系纳米复合材料

⑧原子团簇(cluster)复合材料/分子复合材料

(2)陶瓷基纳米复合材料的制备1)等离子相合成2)化学气相沉积

3)离子溅射

4)溶胶—凝胶

5)有机金属热分解

6)燃烧合成

7)固态方法

8.2.5金属基纳米复合材料及成型技术(1)金属基纳米复合材料(2)金属基纳米复合材料制备技术

1)挤出法

2)非晶态合金纳米结晶化法3)机械合金研磨结合加压成块法4)循环塑性变形细化晶粒法5)烧结法8.2.6纳米复合材料的应用(1)聚合物基纳米复合材料的应用(2)陶瓷基纳米复合材料的应用(3)金属基纳米复合材料的应用

粒径为10nm的TiO2/PP(聚丙烯)复合体系薄膜的弯曲模量比纯PP提高20％，冲击强度提高40％。含5％纳米TiO2时，纳米TiO2/EP(环氧树脂)复合材料拉伸强度为纯EP的485％，弯曲强度为纯EP的245％，缺口冲击强度为纯EP的878％。纳米TiO2/PP材料冲击断口纳米TiO2/PS材料冲击断口

添加纳米SiO2的橡胶的弹性、耐磨性明显优于常规白炭黑橡胶，轮胎侧面的抗折性能由10万次提高到50万次。纳米Al2O3添加到PS(聚苯乙烯)中，体积含量15％时，复合材料拉伸强度为纯PS的4倍，冲击强度为纯PS的3倍。

纳米改性PA(尼龙)具有尺寸稳定性好、相对密度低、比强度高、韧性好、易成型等特点，还具有优良的耐热、耐冲击性能。纳米尼龙是高功能突击式自动步枪用材料良好的升级换代品，还可用于坦克发动机的弯管接头、高压行杆轴套、进排气管密封垫、摇箱、风扇、汽缸盖、定时齿轮箱、炮塔内贮箱等。性能断裂延伸率%拉伸强度MPa热变形温度℃抗弯强度MPa弯曲模量GPa缺口冲击强度J/mPA63075-85651153.040nc-PA610-2095-105235-160130-1603.5-4.535-60

纳米晶须SiC提高Al2O3陶瓷的断裂韧性。随温度提高，无纳米晶须增强的Al2O3陶瓷的断裂韧性呈下降趋势。

芬兰技术研究中心用磁控溅射法成功地在碳钢上涂上纳米复合涂层(MoSi2/SiC)，热处理后涂层硬度达20.8GPa，比碳钢提高几十倍，而且有良好的抗氧化、耐高温性能，同时克服单层纳米MoSi2容易开裂的缺点。复合系统抗拉强度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3

比强度MPa比模量GPaAl2O3P/Al9001302.931045SiCP/Al5101002.818836SiCf/Al9001102.643642轧制+热处理LY12合金435———2.9150——

高速飞行的飞行器与空气摩擦生成大量的热，使壳体温度升高。为及时散热，可把金属钨制成纳米介孔骨架保证强度，用低熔点的铜或银等填充在孔隙中，制成金属发汗材料。温度升高，铜和银熔化、沸腾和蒸发，及时带走大量的热，保证火箭正常远行。

8.3功能复合材料

8.3.1功能复合材料的设计原则(1)调整复合度

(2)调整连接方式

(3)调整对称性

(4)调整标度

(5)调整周期性

8.3.2压电复合材料

(1)压电复合材料的结构设计(2)压电复合材料的制备方法1)混合法2)复型法3)Burps工艺4)注入法5)切割法6)钻孔法(3)压电复合材料及其应用1)0-3型压电复合材料2)1-3型压电复合材料3)3-0型压电复合材料4)3-1型和3-2型压电复合材料5)3-3型压电复合材料

8.3.3导电复合材料(1)导电复合材料的组成(2)导电复合材料的制备(3)导电复合材料的导电机理(4)导电复合材料的应用1)用于屏蔽的导电复合材料2)用于静电损耗的导电复合材料

8.3.4磁性复合材料

(1)聚合物基磁性复合材料

(2)无机磁性材料与液态物质构成的复合材料

(3)软磁粉末复合材料

1)软磁粉末复合材料的原材料

①纯铁

②铁—硅

③铁—磷

④铁镍⑤磁介质材料2)软磁粉末复合材料的生产①标准密度和高密度生产工艺②烧结+热等静压生产工艺(4)纳米晶复合磁性材料(5)磁性复合材料的应用1)永磁性复合材料的应用2)软磁性复合材料的应用3)吸波材料的应用4)磁流变体复合材料的应用8.3.5摩擦功能复合材料

(1)摩阻复合材料1)金属基摩阻复合材料2)聚合物基摩阻复合材料3)碳基摩阻复合材料(2)减摩复合材料8.3.6阻尼功能复合材料8.3.7机敏复合材料与智能复合材料(1)机敏复合材料简介机敏复合材料有以下主要组成部分：①传感材料

②执行材料

③信息处理系统

1)自诊断机敏复合材料

目前自诊断复合材料主要有3类，即导电式、光纤埋置式和压电式自诊断复合材料。①导电式自诊断复合材料

②光纤埋置式自诊断复合材料

③压电式自诊断复合材料

2)自适应或自调节机敏复合材料自适应或自调节功能就是材料对外界的刺激做出相应反应的功能。①机敏形状记忆复合材料②智能窗③机敏阻尼复合材料3)自修复机敏复合材料(2)智能复合材料简介

8.4梯度功能复合材料

概念：选择几种材料，连续控制材料的组成、结构、空隙等微观因素，使得不同材料的界面组成和组织连续变化，性能连续变化，目的在于使材料内部的热应力缓和。8.4.1梯度功能材料的设计