轻型结构材料

《轻型结构材料》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

轻型结构材料10应化（1）班魏美秀、陈小霞、许文华2012-11-21 分类铝锂合金纤维材料 一、铝锂合金铝锂合金发展史：1.1825年丹麦的奥斯特以无水三氯化铝与钾汞齐作用，在蒸发去汞后得到金属铝。2.1854年德维尔用金属钠还原氯化钠和氧化铝的熔盐，也能制得金属铝。3.1886年美国霍尔和法国埃鲁分别发明的电解氧化铝和冰晶石熔盐的制铝法。4.1983年在巴黎国际航空博览会上，世界上两家最大的铝合金生产企业——英国阿尔康铝业公司和美国阿尔考铝业公司，同时宣布研制成功新的革命性材料——铝锂合金。专家们认为，铝锂合金是从1943年发明铝锌系高强合金以来，铝合金研究和开发的又一个里程碑。 铝锂合金的特点密度低比强度比刚度高耐热性和抗应力低温性能好具有良好的耐腐蚀性能具有非常好的超塑性 铝锂合金优点锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点，吸引着许多科学家对它进行研究，铝锂合金的开发事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了。 新材料是航空航天技术的重要基础，航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。铝锂合金是航空技术一种新材料 铝锂合金的航空应用Al-Li合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用，主要用于机身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。早在20世纪50年代，美国就开发了x2020铝锂合金后来用来取代7075用于RA-SC预警机。美国一公司将C-155铝锂合金用于波音777和空中客车A330/340飞机的垂尾和平尾，该合金比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和高的强度。其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg，可使飞机减重达4250kg，可以提高有效载荷及降低燃料消耗。麦道公司的C-17运输机使用了铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构，用量达2.8t，比用普通铝合金减重208kg，法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金，其成本低于热固塑料和金属基复合材料Al-Li合金在俄罗斯的航天业中也有很多的应用。俄罗斯在1450合金基础上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金，有更优良的性能，将其应用于大型运载火箭“能源号”的结构件上。此外，还用在其它火箭、“暴风雪”号航天飞机和空间站的结构件上。 二、纤维材料玻璃纤维碳纤维碳化硅纤维等其他无机纤维芳酰胺纤维金属纤维晶须 1玻璃纤维glass-fiber用玻璃制成的纤维，成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。。玻璃纤维具有耐高温、不可燃、吸湿性小、抗拉强度高、伸长率小、电绝缘性能良好、不腐烂、化学稳定性好等优点，但性脆、耐磨性差。 生产玻璃纤维的主要原料是石英砂、氧化铝和叶蜡石、石灰石、白云石、硼酸、纯碱、芒硝、萤石等。生产方法分为两类，一类是将熔融玻璃直接制成纤维；另一类是将熔融玻璃先制成直径20毫米的玻璃球或棒，再以多种方式加热重熔后制成直径3～8微米的纤维。 玻璃纤维按形态和长度，可分为连续纤维、定长纤维和玻璃棉；按根据玻璃中碱含量的多少，可分为无碱、高碱、中碱等玻璃纤维。 通过铂合金板以机械拉丝方法拉制的无限长玻璃纤维，称为连续玻璃纤维，通称长纤维。通过辊筒或气流制成的非连续玻璃纤维，称为定长玻璃纤维，通称短纤维。借离心力或高速气流制成的细、短、絮状玻璃纤维，称为玻璃棉。无碱玻璃纤维（氧化钠0～2％，属铝硼硅酸盐玻璃）、中碱玻璃纤维（氧化钠8％～12％，属含硼或不含硼的钠钙硅酸盐玻璃）和高碱玻璃纤维（氧化钠13％以上，属钠钙硅酸盐玻璃）。 2碳纤维含碳量在90％以上的高强度高模量纤维，含碳量在99％以上的称为石墨纤维。碳纤维具有元素碳的各种优良性能，如比重小、耐热性极好、热膨胀系数小、导热系数大、耐腐蚀性和导电性良好等。同时，它又具有纤维般的柔曲性，可进行编织加工和缠绕成型。碳纤维最优良的性能是比强度和比模量高，它和树脂形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝合金还高3倍左右。碳纤维复合材料应用在宇宙飞船、导弹和飞机上，可以显著减轻重量，提高有效载荷，改善性能，是航天工业的重要结构材料。 碳纤维中碳原子呈层状结构，它的制造过程就是从有机聚合物制成层状结构聚合物的过程。 目前各国工业用的碳纤维原料有聚丙烯腈纤维、粘胶丝和沥青纤维三种。聚丙烯腈基碳纤维性能好，炭化得率较高(50～60％)，因此以聚丙烯腈制造的碳纤维约占总碳纤维产量的95％。以粘胶丝为原料制碳纤维炭化得率只有20～30％，这种碳纤维碱金属含量低，特别适宜作烧蚀材料。以沥青纤维为原料时，炭化得率高达80～90％，成本最低，是正在发展的品种。根据使用要求和热处理温度的不同，碳纤维分为耐燃纤维、碳纤维和石墨纤维。例如300～350℃热处理时得耐燃纤维；1000～1500℃热处理时得碳纤维，含碳量为90～95％；碳纤维经2000℃以上高温处理可以制得石墨纤维，含碳量高达99％以上。 碳纤维是将原料纤维在一定的张力、温度下,经过一定时间的预氧化、炭化和石墨化处理等过程制成的。以聚丙烯腈纤维为原料的碳纤维，在预氧化过程中，聚丙烯腈原丝中含氧化合物是炭化初期分子间交链反应的主因，氧是环化反应的催化剂，加热形成热稳定性的梯形结构。 碳纤维耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。 3、碳化硅纤维等其他无机纤维碳化硅纤维等其他无机纤维是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结构的无机纤维,属陶瓷纤维类。性能及应用耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，强度达1960～4410MPa，在最高使用温度下强度保持率在80％以上，模量为176.4～294GPa，化学稳定性也好。碳化硅纤维主要用作耐高温材料和增强材料，还可用做体育用品，其短切纤维则可用做高温炉材等。 一、碳化硅纤维碳化硅纤维是典型的陶瓷纤维，在形态上有晶须和连续纤维两种。连续碳化硅纤维按制法的不同分为两种：一种是在连续的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化硅的化学气相沉积法(CVD)，另一种是有机合成物烧结法，即用有机硅烷加热(300～500℃)加压纺丝成先驱体，然后在1000～1500℃高温下烧结而成SiC纤维。烧结时，施加一定的张力可使纤维获得较好的取向，防止纤维发生扭曲。化学气相沉积法所得纤维的直径为95～140µm，烧结法为10µm。 60年代中期，GeneralTechnologies公司首先制成了钨芯碳化硅连续纤维。1972年美国AVCO公司制备出大直径碳单丝后，又开发出性能更好、成本更低的碳芯碳化硅连续纤维。1975年日本东北大学矢岛圣用有机硅聚合物——聚碳硅烷作为先驱体，将它纺成纤维后经低温交联处理，再经高温裂解制得高性能β碳化硅纤维。 日本碳公司于1983年底完成连续碳化硅纤维批量生产，是目前烧结法碳化硅纤维的重要生产厂家。1984年，日本宇部兴产公司在矢岛圣的基础上，以低分子硅烷化合物与钛系化合物为原料合成的有机金属聚合物作为先驱体，经纺丝和先驱体烧结，制成性能非常优越的含钛碳化硅纤维，“Tyranno”。 优异的力学性能由于碳化硅纤维是由均匀分散的微晶组成，内聚力极大，应力能沿着致密的粒子界面消散，因此纤维的抗拉强度和拉伸模量大，用先驱体法制得的纤维抗张强度2.5GPa，模量200GPa，而用CVD法纤维的，抗张强度3.4GPa，模量400GPa。碳化硅纤维增强铝基复合材料可作为飞机结构材料使用，代替钛合金，制作发动机、机翼、起落架及滑雪板、高尔夫球杆等体育用品。 SiC纤维的力学性能纤维密度/g/cm3拉伸模量/Gpa拉伸强度/MPa比模量GPa/（g/cm3）比强度MPa／(g/cm3)Nicalon2.55250280098.01098CVD—钨芯3.464062760～4460122～129798～1289CVD—碳芯3.004002410～3400117～133803～1133Ｔyranno2.402802000116.7833β－晶须3.15700～10002000~35000220~3301000~3320 SiC纤维的其它性能SiC纤维具有极好的耐高温氧化性、耐化学腐蚀性、耐热冲击性、良好的抗蠕变性能以及与陶瓷基体良好的相容性等一系列的优异性能。 二其他无机纤维（1）氮化硼纤维氮化硼纤维是60年代由美国研制成功的。氮化硼纤维制造方法主要有B2O3先驱体纤维在800℃高温氨蒸汽中处理，然后在2000℃下热牵伸烧结而成的无机先驱体转化法。1976年日本京都纤维工艺大学木村良晴研制的以含有B－N主键结构的高分子化合物为先驱体，经熔融纺丝及交联后经高温处理获得氮化硼纤维。以有机先驱体出发制得的氮化硼纤维，先驱体可根据目标产物的结构和性能要求，实现先驱体分子结构设计，通过改变分子结构和组成得到性能相异的纤维。 氮化硼纤维的典型性能由于具有许多特异性能，同时综合性能也很优越，例如优良的机械性能、耐温性、抗氧化性、耐腐蚀性以及独特的电性能等，是陶瓷基、金属基及树脂基复合材料的重要增强纤维。其复合材料可以作为电池隔膜材料、透微波材料、绝缘材料、绝热保温材料以及中子吸收材料等。 氮化硼的结构类似于石墨，又称为“白色石墨”，而耐氧化性能优越于石墨，石墨(碳)纤维在空气中400℃时开始氧化性能降低，而氮化硼纤维在850～900℃的空气中开始氧化。石墨(碳)纤维被氧化时不形成表面的保护层，而氮化硼纤维在氧化过程中会形成氧化硼保护层，防止进一步被氧化。在惰性或还原气氛中，纤维性能直到2500℃仍是稳定的。氮化硼纤维的强度和模量近于玻璃纤维，但是它的多晶性质使它具有较好的抗腐蚀能力，它的密度只有1.4～2.0g／cm3，是用它制造轻质结构材料的最大优点。 纤维对酸、碱是惰性的，并不受800℃的熔融铝和1400℃的熔融铁浸蚀。特别是纤维直到2000℃均表现出最好的绝缘性。氮化硼还有很低的介电损耗和介电常数，是抗烧蚀天线窗的理想材料。氮化硼纤维与碳纤维混杂编织的试样有低的烧蚀速率和低的背面温度，所以它在空间工程方面的潜在应用除天线窗外，还可作电绝缘器件、防护布、重返大气层的降落伞等。 氮化硼纤维作为复合材料的增强纤维，增强纤维，在很大程度上取决于纤维的表面特征，由于纤维表面上孔隙率很低且呈封闭状态，纤维很难为树脂润湿。氮化硼纤维与有机基体制备复合材料的界面结合主要是靠摩擦力的作用。所以在以氮化硼纤维或其编织物制备复合材料的过程中，重点要解决纤维与基体浸润性问题。 （2）氧化铝纤维氧化铝纤维是Al2O3多晶连续纤维。Al2O3纤维的种类有α-Al2O3、γ-Al2O3和δ-Al2O3连续纤维以及短纤维。除优异的力学性能，稳定的化学性质外，还有优越的热性能。多用于高温结构材料和高温绝缘滤波器材料。其应用前景广阔，尤其在航天航空领域，作为增强金属、陶瓷是最有希望的纤维品种之一。 （3）硼纤维硼的原子序数为5，熔点在2000°C以上，为高熔点半导体元素，硬度仅次于金刚石。1958年C.P.Talley首先用化学气相沉积法(CVD)将无定形硼沉积在钨丝上或碳纤维上制成硼纤维。60年代后期，在美国仅有AVCO公司和Hamiltion－Standard公司进行硼纤维的生产及其复合材料的研究，用CVD法在芯丝上制得硼纤维的方法主要有硼的氢化物热分解法和硼卤化物的还原法。 硼的结构形式有两种：菱形六面体和四方晶系，前者为主要形式，但硼纤维的结构和性能关键取决于沉积温度和沉积速度。在1300℃以上用CVD法得到的是β-菱形六面体，低于1300℃时为α-菱形六面体。硼纤维具有其它连续陶瓷纤维难以相比拟的强度、模量和密度。它的密度仅2.4~2.6g.cm-3,拉伸弹性模量高达400Gpa，是普通玻璃纤维的5～7倍，拉伸强度超过钢的强度，大于3.45Gpa,是制备高性能复合材料用的优秀的增强纤维。但其性能受沉积条件和纤维直径的影响。 由于硼纤维在常温下虽然为惰性物质，但在高温下也易于金属反应，为避免与金属复合时产生不良的界面反应，通常在纤维表面用碳化物、硼化物等作涂覆处理。涂覆后硼纤维的拉伸强度明显高于普通的硼纤维。 硼纤维与几种连续纤维性能比较 硼纤维和金属复合时，易达到高的纤维体积分数，增强效果明显，抗压强度高。纤维表面带有碳化硼或碳化硅的涂层对硼纤维有良好的保护作用。例如涂有碳化硼涂层的硼纤维，在550℃空气中l小时，强度基本不变；碳化硅涂层的硼纤维，在600℃空气中加热1000小时，无明显强度下降。而无涂层的硼纤维在400℃以上就会与金属发生反应而劣化。硼纤维的缺点是工艺复杂，不易规模生产，价格昂贵。 除了在航天工业中用作结构材料外，对重量和刚度要求高的航空飞行器的部件，如在F－14、F－15和B－1洲际战略轰炸机中已有使用，以增强钛合金的部件。硼纤维增强铝基复合材料及增强环氧树脂复合材料，可用于发动机的风扇或压缩机的叶片、导弹和航天飞机上的各种零部件，可减重20％～66％。可用作中子的减速剂，用于原子能和防中子弹；还可制成各种钻头、超离心设备、超导发电机及其它高速、高受力旋转的机械设备。 4、芳酰胺纤维定义：泛指由酰胺基团直接与两个苯环基团连接而成的线形高分子制造的纤维，称作芳香族聚酰胺纤维（Aramid纤维）。在我国，芳香族聚酰胺纤维称作芳纶，间位Aramid纤维称做芳纶1313，对位Aramid纤维称做芳纶1414。 芳酰胺纤维的化学结构 性能特点①机械性质：芳纶1414是目前使用的有机纤维中强度最高的，其强度可达193.6cN/tex，断裂伸长率为4%。②纤维密度：为1.43~1.44g/cm3。③热学性质：纤维的热稳定性远高于其它纤维，在150℃下纤维的收缩率为0，在较高的温度下仍能保持很高的强度。熔点为600℃，最高使用温度为232℃。 ④化学性能：具有良好的耐碱性，耐酸性好于锦纶，具有良好的耐有机溶剂、漂白剂以及抗虫蛀和霉变。对橡胶具有良好的粘附性。 对位芳香族聚酰胺纤维的一般物理性能纤维种类密度（g/cm3）强度(cN/tex)伸度（%）弹性模量（cN/tex）含水率（%）PPTAKevlar291.43202.93.648517.0Kevlar491.45195.82.474974.5Kevlar1191.44211.74.437937.0Kevlar1291.44233.73.367036.5Kevlar1491.47158.81.597901.5Technora1.392474.652032.0E玻璃2.5484.74.02646—钢7.8301.72469— 5、金属纤维金属纤维不同于塑料纤维和陶瓷纤维，它具有很好的粘合性，在适度表面处理时，和其它材料的接合性非常好，适用于任何一种复合素材。另外，各种金属各自拥有的热传导性，导电性，耐腐蚀性，屏蔽电磁波和吸收电波等机能。是电子、汽车、飞机、集装箱、建筑等领域的机能性复合材料素材中非常值得期待的新素材。为适应当今社会的各领域的需求，持续开发出了更加优秀的金属纤维。 6、晶须晶须（Whiskers）是一种纤维状单晶体，横断面几乎一致，内外结构高度完整，长径一般在5-1000以上，直径通常在200nm-100um之间。 在液相或固相反应中，晶须的生长受哪些因素所控制？固相：1.反应温度的影响2.反应时间的影响3.升温速率的影响液相：温度的影响pH值的影响浆料浓度的影响反应时间的影响 在什么条件下，晶体易朝纵向方向生长？为什么？(1)合成温度是影响晶须质量最主要的因素，晶须在1000℃左右开始大量合成，随着合成温度的升高，晶须直径明显呈增大趋势，而长径比则呈减少趋势；(2)升温速率对晶须质量影响较显著，在晶核形成之后升温速度应当适中。(3)保温时间对晶须质量影响较小，时间太短或过长会一定程度上影响到晶须的均匀性，但晶须形态差别不太明显；(4)六钛酸钾晶须的最优制备工艺为：合成温度为1000℃，保温1h～1．5h，升温至U800％之后保持3℃／min升温速度。 钛酸钾晶须结构图 晶须及其复合材料开发应用现状据不完全统计，目前晶须的年生产总量已超过万吨。在国际市场上已有出售的晶须主要有钛酸钾晶须及其导电晶须、镁盐(碱式硫酸镁)晶须、碳化硅晶须、硼酸铝晶须、氧化锌晶须、石墨晶须和氧化钛晶须等。其中钛酸钾晶须用量最大，约占整个晶须市场的一大半。 谢谢！