复合材料概论课件 王国荣 第三章 复合材料的增强材料课件

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1、第三章复合材料的增强材料定义：复合材料中凡能提高基体材料力学性能的物质。纤维：在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。可使复合材料的强度、刚度以及耐热性、韧性得到较大幅度提高，且可减小收缩。例如：PS塑料中加入玻璃纤维后拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa,弹性模量可从3GPa提高到8GPa，热变形温度可从85℃提高到105℃，使-40℃下的冲击强度提高10倍。能明显提高基体某种所需的性能，如比强度、比模量、耐热性、耐磨性或低膨胀性等良好的化学稳定性；良好的浸润性；复合材料的增强材料应具备的基本特性3.1增强体的分类按纤维形状分类按纤维组成分类1）按纤维形状分

2、类纤维类增强体颗粒类增强体晶须类增强体片状物增强体：主要为陶瓷薄片，用于陶瓷薄片叠压成型CMC。纤维类增强体连续纤维增强体：分单丝、束丝（数百至几万根单丝组成）长度>100m，一般直径在1～20μm，直径越小强度越高。短纤维增强体：长度几十毫米，分单丝、和束丝短纤维增强体。短纤维增强复合材料的强度、刚度低于连续纤维复合材料。颗粒类增强体作用：以很细的粉状（<50μm)加到基体中起到提高强度、模量、增韧、耐磨、耐热等作用。按材料组成分为无机非金属颗粒：如碳化硅、氧化铝、碳化钛、碳化硼、石墨、金刚石、碳酸钙；聚合物颗粒：聚乙烯、氟树脂、聚丙烯、聚酰胺颗粒；金属颗粒：铁、铜

3、、铝颗粒。晶须类增强体晶须：是人工制造出的细小单晶，一般呈棒状，其直径为0.2～1μm，长度为几十微米。性质：由于细小组织结构、缺陷少，具有很高的强度和模量。类型：SiC、Al2O3、Si3N4等陶瓷晶须。2)按纤维组成分类无机非金属纤维：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维；有机纤维：芳纶纤维（Kevlar纤维）、超高分子聚乙烯纤维等；金属丝：钨丝、铍丝、钢丝等。3.2碳纤维概述：碳（石墨）纤维是由C元素组成的高性能纤维。最高强度已达7000MPa，最高模量达900GPa，而其密度约为1.8～2.1，具有低热膨胀、高导热、耐高温等优异的性能。

4、制造：以有机物为原料采用气相法和有机纤维碳化法。主要类型：1）聚丙烯晴(PAN)碳纤维2）黏胶碳纤维3）沥青碳纤维3.2.1.碳纤维的性能力学性能物理性能化学性能1）碳纤维力学性能牌号拉伸强度（MPa)弹性模量（GPa)延伸率（%）密度（g/cm3）T300-600035302301.51.76T400HB-600044102501.81.8T700SC-1200049002302.11.8T800HB-1200054902941.91.81T1000GB-1200063702942.21.8M35JB-1200047003431.41.75M40JB-1200

5、044003771.21.75M46JB-1200040204360.91.84M55JB-600040205400.81.91M60JB-600038205880.71.93M30SC-1800054902941.91.732）碳纤维的物理性能密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密度越大；热膨胀系数：纤维向(-1.5～-0.5)×10-6/K垂直纤维向（5.5～8.4）×10-6/K导热率：纤维向16.74W/(m·K)垂直纤维向0.837W/(m·K)导电性好：高模量CF比电阻755μΩ·cm高强度CF比电阻1500μΩ·cm3）化学性能抗氧化性好：除能被

6、强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，温度高于400℃时出现明显的氧化，生成CO和CO2；耐热性：在不接触空气和氧化气氛时，碳纤维要在1500℃强度才开始下降；耐油、抗放射、吸收有毒气体、减速中子等3.2玻璃纤维基本特点：使用量最大、成本低、性能好；分类：以原料成分分类无碱GF（E玻纤）：碱金属含量不大于0.5%。强度较高、耐热性和电性能优良，化学稳定性好（不耐酸）。中碱GF（C玻纤）：碱金属含量11.5%～12.5%，耐酸性好、价格低，但强度不如无碱GF；有碱GF（A玻纤）：碱金属含量>14%，强度低、耐湿热性差；特种GF：高强GF（S玻纤）—由纯镁铝硅三元

7、组成，抗拉强度2800MPa；高模量GF（M玻纤）—在低铝的钙镁硅酸盐系统中加入铬、钽、铌等氧化物，其E=120GPa。表3-1典型GF的力学性能纤维种类密度拉伸强度MPa弹性模量GPaE-玻纤2.54350072S-玻纤2.44470087M-玻纤2.893700118棉纤维1.5300～40010～12铝合金2.740～460723.2.1物理性能密度：2.4～2.9；耐磨性和耐折性：都很差；热性能：导热率小0.035W/（m·K），隔热性好—优良的绝热材料；耐热性好，软化点为550～580℃；热膨胀系数4.8×10-6/K电性能：优良的电绝缘材