轻型结构材料课上使用

轻型结构材料课上使用第1页，共33页，2023年，2月20日，星期四分类铝锂合金纤维材料第2页，共33页，2023年，2月20日，星期四一、铝锂合金铝锂合金发展史：1.1825年丹麦的奥斯特以无水三氯化铝与钾汞齐作用，在蒸发去汞后得到金属铝。2.1854年德维尔用金属钠还原氯化钠和氧化铝的熔盐，也能制得金属铝。3.1886年美国霍尔和法国埃鲁分别发明的电解氧化铝和冰晶石熔盐的制铝法。4.1983年在巴黎国际航空博览会上，世界上两家最大的铝合金生产企业——英国阿尔康铝业公司和美国阿尔考铝业公司，同时宣布研制成功新的革命性材料——铝锂合金。专家们认为，铝锂合金是从1943年发明铝锌系高强合金以来，铝合金研究和开发的又一个里程碑。第3页，共33页，2023年，2月20日，星期四铝锂合金的特点密度低比强度比刚度高耐热性和抗应力低温性能好具有良好的耐腐蚀性能具有非常好的超塑性第4页，共33页，2023年，2月20日，星期四新材料是航空航天技术的重要基础，航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。铝锂合金是航空技术一种新材料

第5页，共33页，2023年，2月20日，星期四铝锂合金的航空应用Al-Li合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用，主要用于机身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。第6页，共33页，2023年，2月20日，星期四二、纤维材料玻璃纤维碳纤维碳化硅纤维等其他无机纤维芳酰胺纤维金属纤维晶须第7页，共33页，2023年，2月20日，星期四1、玻璃纤维玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料。优点：是绝缘性好耐热性强抗腐蚀性好机械强度高缺点：性脆，耐磨性较差第8页，共33页，2023年，2月20日，星期四现状前景玻璃纤维是非常好的金属材料替代材料，随着市场经济的迅速发展，玻璃纤维成为建筑、交通、电子、电气、化工、冶金、环境保护、国防等行业必不可少的原材料。由于在多个领域得到广泛应用，因此，玻璃纤维日益受到人们的重视。全球玻纤生产消费大国主要是美国、欧洲、日本等发达国家，其人均玻纤消费量较高。欧洲仍然是玻璃纤维消费的最大地区，用量占全球总用量的35%。第9页，共33页，2023年，2月20日，星期四2、碳纤维碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。材料的比强度高，构件自重愈小材料的比模量高，构件的刚度大第10页，共33页，2023年，2月20日，星期四应用领域碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天以及超级跑车领域。第11页，共33页，2023年，2月20日，星期四碳纤维中碳原子呈层状结构，它的制造过程就是从有机聚合物制成层状结构聚合物的过程。

第12页，共33页，2023年，2月20日，星期四碳纤维的特性图表第13页，共33页，2023年，2月20日，星期四3、碳化硅纤维等其他无机纤维

碳化硅纤维等其他无机纤维是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结构的无机纤维,属陶瓷纤维类。性能及应用

耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，强度达1960～4410MPa，在最高使用温度下强度保持率在80％以上，模量为176.4～294GPa，化学稳定性也好。

碳化硅纤维主要用作耐高温材料和增强材料，还可用做体育用品，其短切纤维则可用做高温炉材等。第14页，共33页，2023年，2月20日，星期四

由于碳化硅纤维是由均匀分散的微晶组成，内聚力极大，应力能沿着致密的粒子界面消散，因此纤维的抗拉强度和拉伸模量大，用先驱体法制得的纤维抗张强度2.5GPa，模量200GPa，而用CVD法纤维的，抗张强度3.4GPa，模量400GPa。

碳化硅纤维增强铝基复合材料可作为飞机结构材料使用，代替钛合金，制作发动机、机翼、起落架及滑雪板、高尔夫球杆等体育用品。优异的力学性能

第15页，共33页，2023年，2月20日，星期四SiC纤维的力学性能

纤维密度/g/cm3拉伸模量/Gpa拉伸强度/MPa比模量GPa/（g/cm3）

比强度MPa／(g/cm3)Nicalon2.55250280098.01098CVD—钨芯3.464062760～4460122～129798～1289CVD—碳芯3.004002410～3400117～133803～1133Ｔyranno2.402802000116.7833β－晶须3.15700～10002000~35000220~3301000~3320第16页，共33页，2023年，2月20日，星期四氮化硼纤维是60年代由美国研制成功的。氮化硼纤维制造方法主要有B2O3先驱体纤维在800℃高温氨蒸汽中处理，然后在2000℃下热牵伸烧结而成的无机先驱体转化法。（1）.氮化硼纤维第17页，共33页，2023年，2月20日，星期四氮化硼的结构类似于石墨，又称为“白色石墨”，而耐氧化性能优越于石墨，石墨(碳)纤维在空气中400℃时开始氧化性能降低，而氮化硼纤维在850～900℃的空气中开始氧化。石墨(碳)纤维被氧化时不形成表面的保护层，而氮化硼纤维在氧化过程中会形成氧化硼保护层，防止进一步被氧化。在惰性或还原气氛中，纤维性能直到2500℃仍是稳定的。氮化硼纤维的强度和模量近于玻璃纤维，但是它的多晶性质使它具有较好的抗腐蚀能力，它的密度只有1.4～2.0g／cm3，是用它制造轻质结构材料的最大优点。第18页，共33页，2023年，2月20日，星期四氮化硼纤维作为复合材料的增强纤维，增强纤维，在很大程度上取决于纤维的表面特征，由于纤维表面上孔隙率很低且呈封闭状态，纤维很难为树脂润湿。氮化硼纤维与有机基体制备复合材料的界面结合主要是靠摩擦力的作用。所以在以氮化硼纤维或其编织物制备复合材料的过程中，重点要解决纤维与基体浸润性问题。第19页，共33页，2023年，2月20日，星期四（2）氧化铝纤维

氧化铝纤维是Al2O3多晶连续纤维。Al2O3纤维的种类有α-Al2O3、γ-Al2O3和δ-Al2O3连续纤维以及

短纤维。除优异的力学性能，稳定的化学性质外，还有优越的热性能。多用于高温结构材料和高温绝缘滤波器材料。其应用前景广阔，尤其在航天航空领域，作为增强金属、陶瓷是最有希望的纤维品种之一。第20页，共33页，2023年，2月20日，星期四（3）硼纤维硼的原子序数为5，熔点在2000°C以上，为高熔点半导体元素，硬度仅次于金刚石。1958年C.P.Talley首先用化学气相沉积法(CVD)将无定形硼沉积在钨丝上或碳纤维上制成硼纤维。60年代后期，在美国仅有AVCO公司和Hamiltion－Standard公司进行硼纤维的生产及其复合材料的研究，用CVD法在芯丝上制得硼纤维的方法主要有硼的氢化物热分解法和硼卤化物的还原法。

第21页，共33页，2023年，2月20日，星期四4、芳酰胺纤维定义：泛指由酰胺基团直接与两个苯环基团连接而成的线形高分子制造的纤维，称作芳香族聚酰胺纤维（Aramid纤维）。在我国，芳香族聚酰胺纤维称作芳纶，间位Aramid纤维称做芳纶1313，对位Aramid纤维称做芳纶1414。第22页，共33页，2023年，2月20日，星期四芳酰胺纤维的化学结构

第23页，共33页，2023年，2月20日，星期四性能特点

①机械性质：芳纶1414是目前使用的有机纤维中强度最高的，其强度可达193.6cN/tex，断裂伸长率为4%。②纤维密度：为1.43~1.44g/cm3。③热学性质：纤维的热稳定性远高于其它纤维，在150℃下纤维的收缩率为0，在较高的温度下仍能保持很高的强度。熔点为600℃，最高使用温度为232℃。第24页，共33页，2023年，2月20日，星期四④化学性能：具有良好的耐碱性，耐酸性好于锦纶，具有良好的耐有机溶剂、漂白剂以及抗虫蛀和霉变。对橡胶具有良好的粘附性。第25页，共33页，2023年，2月20日，星期四对位芳香族聚酰胺纤维的一般物理性能纤维种类

密度（g/cm3）强度(cN/tex)伸度（%）弹性模量（cN/tex

）含水率（%）PPTAKevlar291.43202.93.648517.0Kevlar491.45195.82.474974.5Kevlar1191.44211.74.437937.0Kevlar1291.44233.73.367036.5Kevlar1491.47158.81.597901.5Technora1.392474.652032.0E玻璃

2.5484.74.02646—钢7.8301.72469—第26页，共33页，2023年，2月20日，星期四5、金属纤维金属纤维不同于塑料纤维和陶瓷纤维，它具有很好的粘合性，在适度表面处理时，和其它材料的接合性非常好，适用于任何一种复合素材。第27页，共33页，2023年，2月20日，星期四金属纤维的特性纤维密度/g.cm-3直径/um弹性率/GPa抗张强度/MPa钨19.4134104100钼10.2253652200不锈钢7.9------1770-2250钢丝7.74132004200钢琴丝7.8801993430SUS3047.880196520第28页，共33页，2023年，2月20日，星期四第29页，共33页，2023年，2月20日，星期四6、晶须晶须（Whiskers）是一种纤维状单晶体，横断面几乎一致，内外结构高度完整，长径一般在5-1000以上，直径通常在200nm-100um之间。第30页，共33页，2023年，2月20日，星期四在什么条件下，晶体易朝纵向方向生长？为什么？(1)合成温度是影响晶须质量最主要的因素，晶须在1000℃左右开始大量合成，随着合成温度的升高，晶须直径明显呈增大趋势，而长径比则呈减少趋势；(2)升温速率对晶须质量影响较显著，在晶核形成之后升温速度应当适中。(3)保温时间对晶须质量影响较小，时间太短或过长会一定程度上影响到晶须的均匀性，但晶须形态差别不太明显；(4)六钛酸钾晶须的最优制备工艺为：合成温度为1000℃，保温1h