第1章 复合材料概论课件

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1、第1章　复合材料概论1.1　复合材料的定义与分类1.2　复合材料的结构形式与制造方法1.3　复合材料的特性及分析方法1.4　复合材料在工程中的应用1.1.1　复合材料的定义复合材料(Compositematerilas)是由两种或两种以上异质、异性、异形的材料，在宏观尺度上复合而成的一种完全不同于其组成材料的新型材料。复合材料的定义包括如下四个含义：(1)它包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料。(2)它可以通过将几种分离的材料混合在一起而制成。(3)复合后的性能优于各单独的组成材料，并

2、在某些方面可能具有组成材料所没有的独特性能。(4)通过选取不同的组成材料、改变组成材料的含量与分布等微结构参数，可以改变复合材料的性能，即材料性能具有可设计性并拥有最大的设计自由度。1.1　复合材料的定义与分类增强体分为:(1)纤维(Fibre)。(2)颗粒。(3)片材。基体主要分为：(1)有机聚合物。(2)金属。(3)陶瓷。(4)水泥。(5)碳(石墨)等。1、按基体材料分树脂基：聚酯、环氧、聚碳酸酯、聚酰亚胺等60年代金属基：Al、Ti、Ni、Mg、Zn、Co及其合金70年代陶瓷基：Al2

3、O3、ZrO2及非氧化物80年代2、按增强相形状分颗粒均布、各向同性纤维（长、短纤维和晶须）各向异性或同性☆层片各向异性1.1.2　复合材料的分类3.按应用目的分树脂基<250℃金属基<600℃陶瓷基<1500℃碳/碳～3000℃水泥基换能热电、光电、声电等阻尼吸声导电导磁屏蔽摩擦磨耗烧蚀功能复合材料（注重物理性能）结构复合材料（注重力学性能）图1-1　结构复合材料按不同基体分类图1-2　结构复合材料按不同增强体形式分类1.品种有碱玻璃纤维ANa-Ca-Si系普通玻璃（Na2O>15%）中碱玻璃纤维N

4、a2O(10.5～12.5%)用量少无碱玻璃纤维ECa-Al-B-Si系用量大高强玻璃纤维SMg-Al-Si系或B2O3系高弹玻璃纤维MS系中加入BeO一.玻璃纤维GF1.1.3　几种常用纤维2. GF的制备→制玻璃球→铂金坩埚熔融→小漏孔拉丝（102、204、408孔）→涂浸润剂→并股成纱→纺织成布、毡或带。粗纱30μm无捻粗纱、无纺布初级纱20μm短切纤维、纤维毡中级纱10～20μm高级纱3～10μm纺织浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。常用的有：石蜡乳液复合前须清除聚醋酸乙烯酯不必清除改性有机硅

5、类不必清除3.GF的性能(1).力学性能•抗拉强度：比块玻璃高一个数量级；直径d↘,强度↗；长度↗，强度↘。•弹性模量：与铝相当，为钢的1/3倍。因密度低～2.5，比模量高。•断裂延伸率：低～3%(2).热学性能•导热系数：比块玻璃低1～2个数量级•耐热性：普通Na-Ca-Si玻纤<500℃;耐热玻纤(石英，高硅氧)<1200℃(3).电性能碱玻璃电绝缘性差，随温度、湿度↗，绝缘性↘。无碱玻璃电绝缘性好。(4).耐蚀性纤维比表面积大，化学稳定性差。加入网络形成体可改善耐蚀性。•无碱玻璃耐水性好。•中碱

6、玻璃耐酸性好。•无碱和中碱玻纤耐碱性相近。二、碳纤维CF由有机纤维经高温固相反应（脱氢、交联、环化、石墨化）而得，主要成分为碳的无机纤维。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、化学稳定性好等特点。由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构件，如航天航空、高档体育器材中。碳纤维编织布碳纤维板碳纤维碳纤维编织环碳管碳纤维高尔夫球杆碳纤维结构件碳纤维自行车碳纤维齿轮C/C轴承止推环1．品种分高强、高模、中模和低性能碳纤维•聚丙烯腈基纤维高、中性能碳纤维•人造丝基(粘胶)纤维

7、•沥青基纤维低性能碳纤维•其它(多环结构的天然纤维)原料选择原则：C链结构，杂链结构只能成碳黑。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。2．制备方法⑴．碳化法——生产长纤维拉丝：制有机长纤维牵伸：规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。氧化稳定：低温，～400℃，防止热塑化。碳化：1000～2000℃，保护性气氛下，脱氢、交联、环化，得乱层环状石墨。石墨化：2000～3000℃，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成聚合碳结晶，并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增高，热膨胀系

8、数下降。但温度过高强度反而下降。⑵．气相法——生产短纤维高温分解小分子有机物，气相沉积纤维结晶。3.CF性能⑴．力学性能•强度约为GF的2倍•模量约为GF的3～5倍•密度低1.7～2，所以比强度、比模量高。•断裂延伸率0.5～2%⑵．热学性能升华温度高达3800℃，耐高温性好。热膨胀系数小，纵向为负。⑶．物理性能导热、导电、自润滑。⑷．化学性能耐酸碱性强，高温抗氧化性差。C纤维电极电位为正，与金属复合易引起电偶腐蚀。图1-3　各种纤维增强材料的抗拉强度和