复合材料原理09第2讲课件.ppt

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1、复合材料原理课程学科分类：材料学课程授课人：成来飞殷小玮超高温结构复合材料国防科技重点实验室2009.3-5第二讲复合材料学基础1.纤维2.聚合物为甚么要复合？3.金属和金属间化合物为什么要复合？4.陶瓷为什么要复合？5.碳基为什么要复合？1.纤维增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的组元物质复合材料的重要组成部分起着提高基体的强度、韧性、模量、耐热、耐磨等性能的作用1.1增强体材料的作用和特性具有能明显提高基体某种所需特性的性能，如高的比强度、比模量、高热导率、耐热性、低热膨胀系数等具有良好的化学稳定性。在复合材料制备、使用过程中其组织

2、结构性能不发生明显变化和退化，与基体具有良好的化学相容性，不发生严重的界面化学反应与基体具有良好润湿性，或通过表面处理能与基体良好润湿，以保证增强体与基体良好地复合和均匀分布1.纤维1.1增强体材料的作用和特性1.2增强体材料的分类纤维Fibers晶须Whiskers颗粒Particles1.纤维1.2.1增强体材料--颗粒颗粒增强体高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷等无机非金属颗粒SiC、Al2O3、Si3N4、TiN、BN等1.纤维1.2.2增强体材料--晶须晶须:人工条件下制造细小单晶棒状SiC、Al2O3、Si3N4等组

3、织结构细小（直径:0.2-1m长度:几十m）缺陷少复合材料的性能基本上是各向同性1.纤维1.2.3纤维类增强体的分类纤维尺寸连续长纤维：连续长度超过数百米短纤维：几十毫米（喷射）纤维组分无机纤维：C、Si3N4、SiC、B、BN、xAl2O3ySiO2、Glass有机纤维：刚性分子链、柔性分子链1.纤维1.2.3纤维类增强体的种类增强纤维有机纤维无机纤维刚性分子链柔性分子链碳纤维碳化硅纤维氧化铝纤维玻璃纤维芳伦聚芳酯聚苯并噁唑聚乙烯聚乙烯醇聚丙烯腈基沥青基SiCO高硅氧石英粘胶基SiMCO氧化铝硅氧化铝钇SiCC︵W︶1.

4、纤维碳纤维(高强)碳纤维(高模)氧化铝纤维01002003004005006007008001234567弹性模量（GPa）拉伸强度（GPa）聚脂玻璃聚乙烯聚芳酯硼酸铝硼纤维聚苯并噁唑碳化硅1.纤维1.2.3纤维类增强体的种类E型:很好的电绝缘性能最常见产量最大>90%S型:开发较晚高强度高刚度力学、热稳定性以及耐腐蚀好成本高C型:耐酸腐蚀1.3.1.1玻璃纤维1.纤维1.3连续纤维1.3.1无机纤维1.3.1.2碳纤维碳元素组成的一种高性能增强纤维聚丙烯腈基纤维（PAN）聚丙烯腈基碳纤维沥青沥青基碳纤维人造丝黏胶基碳纤维高强、高

5、模拉丝牵引稳定碳化石墨化1.纤维1.3.1无机纤维碳纤维外层区的微晶层面沿圆周向排列有一定择优取向内层是无规则排列外层沿周向排列，而内层和中心区呈径向排列纤维内外层都是沿周向排列横截面结构微晶层的取向分布不同结构与原料和制备工艺（预氧化）有关碳纤维的微结构1.纤维1.3.1.2碳纤维1.3.1无机纤维微晶尺寸碳纤维性能热处理+对纤维的牵引微晶取向孔洞缺陷弹性模量拉伸强度导电/热性碳纤维的微结构1.3.1.2碳纤维1.3.1无机纤维1.纤维碳纤维的拉伸强度（）弹性模量（E）材料的固有弹性模量（E0）纤维的轴向取向度（）结晶厚度（d）、碳化处

6、理的反应速度常数（K）碳纤维的晶粒取向度碳纤维表面微晶沿纤维轴向的取向度越高，碳纤维的弹性模量越大E=E0(1-)-1=K[(1-)]-1碳化处理温度提高可提高碳纤维的强度1.3.1.2碳纤维1.3.1无机纤维1.纤维SiC纤维高强度高模量高化学稳定性良好高温性能CVD先驱体法单丝直径：95-140m单丝直径：10-14m1.3.1.3SiC纤维1.3.1无机纤维1.纤维Al2O3纤维:氧化铝含量>70%xAl2O3ySiO2纤维:<70%Al2O3+SiO2短纤维:熔喷法和离心甩丝法制造可批量生产，成本低连续纤维:烧结法、先驱

7、体法和熔融仿丝法1.3.1.3Al2O3纤维1.3.1无机纤维1.纤维芳香族聚酰胺类纤维（AromaticPolyamideFibers，缩写成AramidFibers）的通称国外商品牌号叫凯芙拉（Kevlar）纤维，我国命名为芳伦(纺纶)纤维，有时也称有机纤维。1.3.2.1芳伦纤维1.3.2有机纤维1.纤维1968年美国杜邦公司开始研究芳伦纤维1973年研究成功一类全对位芳香族聚酰胺纤维，开始命名为ARAMID纤维，后改名为凯芙拉纤维共有三个品种：Kevlar、Kevlar-29、Kevlar-49。凯芙拉纤维是一种高强度、高模量、耐高温

8、、耐腐蚀、低密度的有机纤维。由于它具有很多优异性能，在很多工业领域获得了广泛的应用1.3.2.1芳伦纤维1.3.2有机纤维1.纤维拉伸强度高，单丝强度达3773MP