第6章复合材料的制备名师编辑PPT课件.ppt

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1、2023-11-15/22:49:38材料合成与制备材料合成与制备22023-11-15/22:49:39第第6 6章章 复合材料的制备复合材料的制备 Preparation of Composite Materials32023-11-15/22:49:396.1 6.1 复合材料的基本概念和性能复合材料的基本概念和性能 复合材料是由两种或两种以上复合材料是由两种或两种以上单一材料构成的，具有一些新性单一材料构成的，具有一些新性能的材料能的材料 由两个或两个以上独立的物理由两个或两个以上独立的物理相，包含粘结材料（基体）和粒相，包含粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的一料、纤维或片

2、状材料所组成的一种固体产物。种固体产物。定义定义Composite Materials42023-11-15/22:49:40行业行业实例实例飞机制造飞机制造机翼，机身，起落架，垂直尾翼机翼，机身，起落架，垂直尾翼汽车制造汽车制造车身，灯壳罩，保险杠车身，灯壳罩，保险杠造船造船船壳体，甲板，桅杆船壳体，甲板，桅杆化工化工管道，储油罐，压力容器管道，储油罐，压力容器家具家具椅子，桌子，梯子，台板，住房椅子，桌子，梯子，台板，住房电气工业电气工业仪器面盘，配电盘，绝缘材料仪器面盘，配电盘，绝缘材料运动器材运动器材钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇复合材料的应用复合材料

3、的应用 52023-11-15/22:49:40 复合材料的基本结构模式复合材料的基本结构模式 复合材料由复合材料由基体基体和和增强剂增强剂两个组分构成：两个组分构成：基体：构成复合材料的基体：构成复合材料的连续相连续相；增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分布在整个基体中的分散相分散相，这种分散相的性能优越，会，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。使材料的性能显著改善和增强。E 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒

4、状或弥散状。或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。E 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。62023-11-15/22:49:40复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)a)层叠复合层叠复合 b)b)连续纤维复合连续纤维复合 c)c)细粒复合细粒复合 d)d)短切纤维复合短切纤维复合72023-11-15/22:49:40v复合材料的复合材料的命名命名 复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。增强增强材料材料的名称放在前面，的名称放在前面，基体材料基体材料的名称放在后面，再加上的名称放在后面，再

5、加上“复合材料复合材料”。如。如“玻璃纤维环氧树脂复合材料玻璃纤维环氧树脂复合材料”碳碳/环氧复合材料环氧复合材料 碳碳/金属复合材料金属复合材料 碳碳/碳复合材料碳复合材料为书写简便，也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称，中间加一斜线隔开，后面再加“复合材料”。如玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料，也可写做“玻璃环氧复合材料”。以及左面例82023-11-15/22:49:41 国外还常用国外还常用来表示，如来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材）表示金属基复合材料，料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维）表示纤维增强

6、塑料，而玻璃纤维增强塑料，而玻璃纤维/环氧则表示为环氧则表示为GF/Epoxy,或或G/Ep(G-Ep)92023-11-15/22:49:41复合材料分类复合材料分类 102023-11-15/22:49:41材料的优缺点组合示意图材料的优缺点组合示意图112023-11-15/22:49:42因此复合材料必须通过对因此复合材料必须通过对原材料的选择原材料的选择，各组分分布的设计各组分分布的设计和和工艺条件的保证工艺条件的保证等，以使等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的料的使之出现新的性能，最大限度地使之出现新的性能，最大限度地发挥优势

7、。发挥优势。122023-11-15/22:49:42 复合材料应具有以下三个特点：复合材料应具有以下三个特点：(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通通过宏观或微观复合过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着形成的一种新型材料，组元之间存在着明明显的界面显的界面。(2)复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性而且可而且可最最大限度发挥各种材料组元的特性大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。具备的优良持殊性能。(3)复合材料具有复合材料

8、具有。132023-11-15/22:49:42 通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：组元是人们根据材料设计的基本原则组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择有意识地选择，至，至少包括两种物理或化学性能不同的少包括两种物理或化学性能不同的独立组元独立组元，其中一组元的，其中一组元的体积分数一般不低于体积分数一般不低于20，第二组元通常为纤维、晶须或颗，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；粒；复合材料是复合材料是人工制造人工制造的，而非天然形成的。的，而非天然形成的。复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应复合材料的性质取决于组元性质的

9、优化组合，它应优于优于独立组元独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。142023-11-15/22:49:421.1.高比强度、高比模量（刚度）：高比强度、高比模量（刚度）：比强度比强度 =强度强度/密度密度 MPa/(g/cmMPa/(g/cm3 3),),比模量比模量 =模量模量/密度密度 GPa/(g/cmGPa/(g/cm3 3)复合材料的基本性能（优点）复合材料的基本性能（优点）集束箭弹小箭集束箭弹小箭钨基合金箭头钨基合金箭头铁基合金尾翼铁基合金尾翼152023-11-15/22:49:42 2 2、良好的高温性能：、良好的高温性

10、能：目前已经达到的水平：目前已经达到的水平：C 聚合物基复合材料的最高耐温上限为聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 350 C C；C 金属基复合材料按不同的基体性能，金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在其使用温度在350 350 1100 1100 C C范围内变动；范围内变动；C 陶瓷基复合材料的使用温度可达陶瓷基复合材料的使用温度可达14001400 C C；C 碳碳/碳复合材料的使用温度最高可达碳复合材料的使用温度最高可达28002800 C C。复合材料的基本性能（优点）复合材料的基本性能（优点）162023-11-15/22:49:43 3 3、良好的尺寸稳定性：、良好

11、的尺寸稳定性：加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变合材料度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。复合材料的基本性能（优点）复合材料的基本性能（优点）172023-11-15/22:49:434 4、良好的化学稳定性：、良好的化学稳定性：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。5 5、良好的抗疲劳、蠕变、良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：冲击和断裂韧性：陶瓷基复合

12、材料的脆性得到明显改善陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 6 6、良好的功能性能、良好的功能性能 复合材料的基本性能（优点）复合材料的基本性能（优点）182023-11-15/22:49:436.2 6.2 几种复合材料几种复合材料聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料（纤维聚合物基复合材料（纤维-树脂复合材料树脂复合材料 Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Composite）是复合材料中发）是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料，以此为例说明。展最迅速、应用最广泛的一类复合材料，以此为例说明。聚合物基复合材

13、料的特性聚合物基复合材料的特性 1)比强度、高比模大比强度、高比模大 192023-11-15/22:49:43Glass fiber reinforced composites Carbon fiber reinforced composites Boron fiber reinforced composites玻璃纤维玻璃纤维复合材复合材料有较高的比强料有较高的比强度、比模量，而度、比模量，而碳纤维碳纤维、硼纤维硼纤维、有机纤维有机纤维增强的增强的聚合物基复合材聚合物基复合材料的比强度相当料的比强度相当于钛合金的于钛合金的3 35 5倍，它们的比模倍，它们的比模量相当于金属的量相当于金属的

14、4 4倍之多。倍之多。202023-11-15/22:49:442)2)耐疲劳性能好：耐疲劳性能好：疲劳破坏的种类不同：疲劳破坏的种类不同：金属金属 突发性破坏突发性破坏 极限极限=抗张强度抗张强度20%20%50%50%聚合物基复合材料聚合物基复合材料 有预兆破坏有预兆破坏 极限极限=抗张强度抗张强度70%70%80%80%3)3)减震性好：减震性好：受力结构的自振频率有关因素：受力结构的自振频率有关因素：结构形状比模量的平方根结构形状比模量的平方根.同时，复同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高 4)4)各向异性和可

15、设计性：各向异性和可设计性：可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料及可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料及铺层设计满足既定的要求。铺层设计满足既定的要求。FRCFRC的这一特点可以实现制件的优化设计，做的这一特点可以实现制件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。到安全可靠、经济合理。5)5)材料与结构的统一性材料与结构的统一性 制造材料的同时，获得了制件。复杂制件一次成型。件数目减少制造材料的同时，获得了制件。复杂制件一次成型。件数目减少-减轻了部件质量降低了应力集中。减轻了部件质量降低了应力集中。212023-11-15/22:49:44p 聚合物基复

16、合材料存在的缺点：聚合物基复合材料存在的缺点：H 材料工艺的稳定性差材料工艺的稳定性差 H 材料性能的分散性大材料性能的分散性大 H 长期耐高温与环境老化性能不好长期耐高温与环境老化性能不好 H 抗冲击性能低抗冲击性能低 H 横向强度和层间剪切强度不够好横向强度和层间剪切强度不够好222023-11-15/22:49:44金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能1)1)高比强度、比模量高比强度、比模量 由于在金属基体中加入了适量的由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低高强度、高模量、低密度密度的纤维、晶须、颗粒等增强物，明显提高了复合材的纤维、晶须、颗粒等增强物，明显提高了复合材料的料的比强度和比模量比强度和比模量，特别是高性能连续纤维，特别是高性能连续纤维 硼纤硼纤维、碳维、碳(石墨石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。用高比强度、比模量复合材料制成的构件强度和模量。用高比强度、比模量复合材料制成的构件重量轻、刚性好、强度高，是航空、航天技术领域中理重量轻、刚性好、强度高，是航空、航天技术领域中理想的结构材料。想的结构材料。