第七节 复合材料.pptVIP

材料科学与工程导论 主讲人：黄艳琴 南京邮电大学材料科学与工程学院 2011年12月21日 复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。 比强度和比模量高 比强度是指材料的抗拉强度与密度之比；比模量是指材料的弹性模量与密度之比。复合材料的比强度及比模量普遍远高于金属材料。 例如：碳纤维环氧树脂复合材料比强度大约是钢的7倍，比模量是钢的3倍。因此，制造强度和刚度相同的构件时，选用复合材料可使物体更轻巧。 抗疲劳和断裂安全性好 　复合材料对缺口及应力集中的敏感性小，纤维与基体界面能阻止疲劳裂纹的扩展，改变裂纹扩展的方向，因此具有较高的疲劳强度。 实验表明碳纤维环氧树脂的疲劳强度约为抗拉强度的70～80％，而钢的疲劳强度只有抗拉强度的40～50％。 纤维增强复合材料中存在大量相对独立的纤维（平均每平方米几千到几万根纤维），即使有少数纤维断裂亦不会影响到其承载能力，故断裂安全性好。 减振性能好 复合材料的自振频率高，一般工作状态下很难达到这样的高频率，可避免构件在工作状态下产生共振； 纤维与基体界面有吸收振动能量的作用，振动会很快衰减； 因此，纤维增强复合材料具有很好的减振性能，在精密控制和精密检测的仪器、仪表方面得到广泛应用。 高温性能优良 　 增强材料的熔点大多较高，而且在高温下仍保持高的强度，所以它们增强的复合材料有较高的高温强度和弹性模量。如铝合金在400℃时弹性模量已降至近于0，而碳纤维增强后，在此温度下强度和弹性模量基本未变。 人类很早用麦秸/泥巴复合制成的土坯是最原始的建筑用复合材料； 混凝土由水泥、石块、沙子和水组成，是建筑工程不可缺少的复合材料； 国外对复合材料的研究开发起步较早。20世纪40年代，美国首次研制了玻璃纤维增强聚酯树脂——玻璃钢； 20世纪60年代，人们研制出许多新型纤维和晶须，如碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、氧化铝晶须等； 近年来复合材料的基体从树脂发展到金属和陶瓷，人们在迅速开发研究适于高温工作的纤维、颗粒增强的金属基和陶瓷基复合材料。 金属延展性好，是韧性基体，复合的主要设计目标是提高室温和高温下的强度和弹性。 最早应用于哥伦比亚号航天飞机的骨架：硼纤维/Al，由于硼纤维太昂贵，现在基本用碳纤维/Al复合材料来替代硼纤维/Al。 耐高温（400-1200度使用)、不燃烧、不吸湿、耐老化和高导热性。 金属基体从铝、镁发展到钛、铜、锌、铁等金属。 增强效果最明显、应用最广。主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等。 1. 玻璃纤维 密度2.4～2.7，与铝相近，但比强度约是钢丝的2.5倍，比模量也略高于钢丝； 不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等，在建筑装饰上应用日益广泛； 耐蚀性好，除氢氟酸、浓碱外，对大多数化学介质有良好的稳定性； 缺点：耐热性低，250℃以上开始软化，不宜用来增强金属基复合材料；脆性大，表面光滑，不易与基体结合。 复合材料－玻璃钢 2. 碳纤维 将有机纤维（如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、沥青纤维等）在惰性气氛中经高温碳化而制成的纤维； 2. 碳纤维 密度比玻璃纤维低，比强度比玻璃纤维略高，比模量约为玻璃纤维的6倍多； 高低温性能好，高温达2000℃时强度不降低，低温至-180℃时脆性也不增高 ； 化学稳定性高，能耐浓酸；导电性、自润滑性好； 缺点：脆性大，表面光滑，与树脂结合力比玻璃纤维还差，常需要通过表面氧化处理来改善与基体的结合力。 3. 硼纤维 将元素B用蒸汽沉积的方法沉积到耐热金属丝－（钨丝）上制得的一种复合纤维； 比强度与玻璃纤维接近，但比模量较玻璃纤维高5倍多； 熔点高（2300℃）； 良好的耐蚀性； 缺点：密度较大，直径较粗，生产工艺复杂，成本高； 不及玻璃纤维和碳纤维应用广泛。 4. 芳纶纤维 是一种将聚合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的聚芳酰胺类纤维； 密度很小，仅为1.44左右，比强度超过碳纤维和硼纤维，但比模量低一些； 韧性好，不象玻璃纤维、碳纤维那样脆，-196℃ 的低温下也不变脆； 优良的抗疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。 因为纤维本身是聚合物，与树脂基体相容性好。 期终考核 请以下面的题目作为论文题目： 对当前生活中易见的金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料和先进材料制品各举一例，并结合本课程的理论知识，分别谈谈这些材料应用在其相应制品中的原因、优缺点，以及在材料的设计或加工上如何改进能够获得使用性能更好的制品。 要求： 体现自己的思考和认识； 2500字左右； A4纸打印； 格式：论文题目（宋体，四号字加粗）；姓名、学号、日期（宋体，小四）；正文（宋体，小四，单倍行距） 1月5