复合材料原理PPT课件.ppt

复合材料原理复合材料原理 1 1、绪论、绪论 2、复合材料的复合效应、复合材料的复合效应 3、复合材料的界面状态解析、复合材料的界面状态解析 4、复合体系的界面结合特性、复合体系的界面结合特性 5、、复合体系的典型界面反应复合体系的典型界面反应 6、复合材料的界面处理技术、复合材料的界面处理技术主要内容主要内容27、复合材料物理和化学性能的复合规律、复合材料物理和化学性能的复合规律8 、结构复合材料、结构复合材料9 、功能复合材料、功能复合材料31 绪绪 论论 一、复合材料的起源：一、复合材料的起源：4二、复合材料的定义二、复合材料的定义 1、定义、定义2、复合材料区别于任意混合材料的一个主要特征、复合材料区别于任意混合材料的一个主要特征由两种或两种以上不同性质由两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同复合的单一材料，通过不同复合方法所得到的宏观多相材料方法所得到的宏观多相材料多相结构存在着复合效应多相结构存在着复合效应3、复合材料相区尺寸的界定、复合材料相区尺寸的界定相区尺寸大于相区尺寸大于1μm的宏观多相材料，不包括相区尺寸在的宏观多相材料，不包括相区尺寸在0.01—1μm之间的微观分相材料，但随着科学技术的发之间的微观分相材料，但随着科学技术的发展，这一概念在逐步淡化，并出现分子复合材料。

展，这一概念在逐步淡化，并出现分子复合材料 5三、复合材料的发展三、复合材料的发展♣1、几千年前，在粘土中加入稻草；、几千年前，在粘土中加入稻草；♣2、漆器：麻与大漆构成的；、漆器：麻与大漆构成的；♣3、混凝土：砂石和水泥复合得到混凝土：砂石和水泥复合得到A、原始复合材料、原始复合材料6B B、现代意义上的复合材料的发展、现代意义上的复合材料的发展☼ 1、、硫硫化化橡橡胶胶 ：：1839年年美美国国人人C．．Goodyear发发明明的的橡橡胶胶硫硫化化法法，，在在橡橡胶胶原原料料中中加加入入硫硫化化剂剂、、填填料料、、增增强强剂剂和和防防老老剂剂等助剂所制得的一种工业复合材料；等助剂所制得的一种工业复合材料；☼ 2、玻璃纤维增强塑料：上世纪、玻璃纤维增强塑料：上世纪40年代，首先在美国出现；年代，首先在美国出现； ☼ 3、、先先进进复复合合材材料料：：上上世世纪纪60年年代代相相继继出出现现了了以以碳碳纤纤维维和和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；☼ 4、、金金属属、、陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料：：上上世世纪纪70年年代代则则又又出出现现以以金金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。

属、陶瓷等为基体材料的复合材料狭义上指比刚度、比强度超过铝合狭义上指比刚度、比强度超过铝合金的碳纤维增强树脂基复合材料，金的碳纤维增强树脂基复合材料，但也有研究人员将其概念扩展到一但也有研究人员将其概念扩展到一些最新发展研制的、具有先进性能些最新发展研制的、具有先进性能的其他复合材料，如金属基复合材的其他复合材料，如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等料、陶瓷基复合材料等 7四、复合材料的分类：四、复合材料的分类：1、无机非金属基复合材料、无机非金属基复合材料2、聚合物基复合材料、聚合物基复合材料3、金属基复合材料、金属基复合材料基体材料不同基体材料不同84.1 复合材料中的材料设计和结构设计复合材料中的材料设计和结构设计工程应用的角度工程应用的角度结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料以其力学性能如强以其力学性能如强度、刚度、形变等度、刚度、形变等特性为工程所应用特性为工程所应用以其声、光、电、热、磁等物理以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，诸如压电材特性为工程所应用，诸如压电材料、阻尼材料、自控发热材料、料、阻尼材料、自控发热材料、吸波屏蔽材料、磁性材料、生物吸波屏蔽材料、磁性材料、生物相容性材料、磁性分离材料。

相容性材料、磁性分离材料91 1、复合材料的组成：、复合材料的组成： 增强体（结构复合材料）增强体（结构复合材料）基体（或基体材料）基体（或基体材料）+ + 功能体（功能复合材料）功能体（功能复合材料） 作用：作用：A、结构复合材料：、结构复合材料：增强体：在结构复合材料中主要起承受载荷的作用；增强体：在结构复合材料中主要起承受载荷的作用；基基 体：起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用体：起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用B、功能复合材料：、功能复合材料：基基 体：主要起连接作用；体：主要起连接作用； 功能体：是赋予复合材料以一定的物理、化学功能功能体：是赋予复合材料以一定的物理、化学功能10复合材料区别于单一材料的主要特点：复合材料区别于单一材料的主要特点：Ø1））不不仅仅保保持持其其原原组组分分的的部部分分优优点点，，而而且具有原组分不具备的特性；且具有原组分不具备的特性；Ø2）材料的可设计性）材料的可设计性 ；；Ø3）材料与结构的一致性）材料与结构的一致性 。

11材料材料A材料材料B优点优点缺点缺点优点优点缺点缺点组合组合1组合组合2组合组合3组合组合4材料优、缺点组合示意图材料优、缺点组合示意图最佳组合最佳组合最差组合最差组合12 复复合合材材料料必必须须通通过过对对组组分分的的选选择择、、各各组组分分分分布布设设计计和和工工艺艺条条件件的的控控制制等等，，以以期期保保证证原原组组分分材材料料的的优优点点相相互互补补充充，，同同时时利利用用复复合合材材料料的的复复合合效效应应使使之之出出现现新新的的性性能能，，最最大大限限度度地地发发挥复合的优势挥复合的优势 13Eg:1）高强度结构材料：可选用高强度纤维）高强度结构材料：可选用高强度纤维 2）高模量结构材料：应选用高模量纤维）高模量结构材料：应选用高模量纤维 3）耐高温结构复合材料：应选择耐高温材料为基体耐高温结构复合材料：应选择耐高温材料为基体 树脂基复合材料＜树脂基复合材料＜400℃)；； 碳碳-碳复合材料＜碳复合材料＜2400℃)；； 金属基复合材料金属基复合材料(400-1300℃)；； 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料(1300-1650℃)。

144））电电磁磁波波屏屏蔽蔽材材料料：：应应选选用用含含有有导导电电性性功功能能剂剂的的树树脂脂 基复合材料基复合材料5）化工防腐蚀的复合材料）化工防腐蚀的复合材料 对对于于酸酸性性介介质质：：用用中中碱碱玻玻璃璃纤纤维维为为增增强强体体和和耐耐酸酸性性良良好好的树脂的树脂(如乙烯基酯树脂如乙烯基酯树脂)为基体；为基体； 对对于于碱碱性性介介质质：：宜宜采采用用无无碱碱玻玻璃璃纤纤维维为为增增强强体体和和耐耐碱碱性性良好的树脂良好的树脂(如胺固化环氧树脂如胺固化环氧树脂) 15复合材料特性：复合材料特性：16抗拉强度与密度抗拉强度与密度之比之比比强度高的材料比强度高的材料能承受高的应力能承受高的应力弹性模量与密度之弹性模量与密度之比比比模量高说明材料比模量高说明材料轻而且刚性大轻而且刚性大17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 疲劳强度极疲劳强度极限是其拉伸强度的限是其拉伸强度的30%~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 极限为拉伸强度的极限为拉伸强度的70%~80%18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： 结构形状结构形状 比模量的平方根成正比比模量的平方根成正比同时，复合材料中的同时，复合材料中的基体界面基体界面具有吸震能力，使材料的具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减。

震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减19 在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根当过载时复合材料中即使有少量纤维断数万根当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间断裂，仍能安全使用一段时间20(1) 密度低密度低 ；；(2) 耐腐蚀；耐腐蚀；(3) 易氧化、老化；易氧化、老化；(4) 聚合物的耐热性通常较差；聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃；易燃； (6) 低的摩擦系数；低的摩擦系数；(7) 低的导热性和高的热膨胀性；低的导热性和高的热膨胀性；(8) 极佳的电绝缘性和静电积累；极佳的电绝缘性和静电积累；(9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品聚合物可以整体着色而制得带色制品10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。

21增强体和功能体在复合材料中起主导作用增强体和功能体在复合材料中起主导作用用用廉廉价价的的增增强强体体，，特特别别是是颗颗粒粒状状填填料可降低成本料可降低成本纤维状或片状纤维状或片状增强体增强体可提高可提高聚合物基复合材料的力学性聚合物基复合材料的力学性能和热性能其效果在很大能和热性能其效果在很大程度上取决于增强体本身的程度上取决于增强体本身的力学性能和形态等力学性能和形态等功能体可赋予聚合物基体功能体可赋予聚合物基体本身所没有的特殊功能本身所没有的特殊功能功能体功能体的这种作用主要取的这种作用主要取决于它的化学组成和结构决于它的化学组成和结构22 增强效果增强效果增强体增强体粒状粒状片状片状纤维状纤维状弯曲强度、弯弯曲强度、弯曲模量曲模量硅酸钙硅酸钙滑石粉、云母滑石粉、云母 玻璃纤维、碳玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、芳纶 拉伸强度，拉拉伸强度，拉伸模量伸模量 玻璃纤维、碳玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、芳纶热变形温度，热变形温度，尺寸稳定性尺寸稳定性 碳酸钙碳酸钙 滑石粉、云母滑石粉、云母玻璃纤维、碳玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、芳纶压缩强度压缩强度 云母云母玻璃纤维、碳玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、芳纶主要的增强效果和对应的功能体主要的增强效果和对应的功能体23主要的功能效果和对应的功能体主要的功能效果和对应的功能体功能效果功能效果功功 能能 体体滞燃性滞燃性碳酸钙、滑石粉、亚硫酸钙碳酸钙、滑石粉、亚硫酸钙难燃性难燃性氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、碱氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、碱式碳酸钠铝式碳酸钠铝难磨耗性难磨耗性石墨、二硫化钼、碳纤维石墨、二硫化钼、碳纤维导电性、电磁波导电性、电磁波屏蔽性屏蔽性炭黑、石墨、碳纤维、铝粉、铝纤维、炭黑、石墨、碳纤维、铝粉、铝纤维、黄铜纤维、银粉黄铜纤维、银粉磁磁 性性高铁酸钡、高铁酸锶、高铁酸镍、高铁酸钡、高铁酸锶、高铁酸镍、γγ- -FeFe2 2O O3 3、钕铁硼粉、钕铁硼粉隔音性隔音性铁粉、铅粉、氧化铁铁粉、铅粉、氧化铁导热性导热性铝粉、石墨、铝纤维、氧化铍铝粉、石墨、铝纤维、氧化铍压电性压电性钛酸铅、锆酸铅钛酸铅、锆酸铅243、界面、界面 界界面面、、界界面面效效应应对对复复合合材材料料性性能能的的巨巨大大影影响响正正是是复复合合材材料区别于一般混合材料的重要标志。

料区别于一般混合材料的重要标志 例如例如 1））玻玻璃璃纤纤维维增增强强塑塑料料的的力力学学性性能能，，特特别别是是湿湿态态力力学学性性能在很大程度上与玻璃纤维和树脂间界面的粘结状态有关能在很大程度上与玻璃纤维和树脂间界面的粘结状态有关 2））对对于于透透光光复复合合材材料料，，界界面面粘粘结结好好坏坏更更是是决决定定透透光光材材料使用寿命的依据料使用寿命的依据25 改改善善基基体体和和增增强强体体的的界界面面粘粘结结状状态态，，必必须须对对增强体进行表面处理增强体进行表面处理 表面处理的方法：表面处理的方法：1 1）用物理或化学的方法使填料表面的结构发生改变；）用物理或化学的方法使填料表面的结构发生改变；2 2））用用一一种种叫叫““偶偶联联剂剂””的的化化合合物物引引入入增增强强体体表表面面以以实实现改变增强体表面结构的目的现改变增强体表面结构的目的26 偶偶联联剂剂的的分分子子中中一一般般都都含含有有两两种种性性质质不不同同的的基基团团一一部部分分基基团团( (如如硅硅烷烷基基) )能能与与无无机机物物( (比比如如玻玻璃璃，，金金属属) )表表面面上上的的M M－－OHOH起起化化学学反反应应形形成成化化学学键键；；另另一一部部分分基基团团( (如如乙乙烯烯基基) )能能与与树树脂脂起起反反应应形形成成化化学学键键。

使使无无机机物物和和树树脂脂这这两两类类性性质质差差别别很很大大的的材材料料以以化化学学键键的的形形式式““偶偶联联””在一起，形成了一个牢固的整体在一起，形成了一个牢固的整体27玻璃表面玻璃表面乙烯基硅烷偶乙烯基硅烷偶联剂水解形成联剂水解形成的乙烯基硅醇的乙烯基硅醇28玻璃纤维表面处理方法玻璃纤维表面处理方法后处理法、前处理法和迁移法后处理法、前处理法和迁移法1) 后处理法后处理法 凡是使用纺织型浸润剂，制得的玻璃纤维及织物，在用凡是使用纺织型浸润剂，制得的玻璃纤维及织物，在用于制作玻璃钢之前原则上都采用此法进行表面处理于制作玻璃钢之前原则上都采用此法进行表面处理 分两步进行：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，分两步进行：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂面被覆上一层处理剂 特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大，特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大，玻璃纤维强度损失大．但处理效果好，比较稳定．是目前国玻璃纤维强度损失大．但处理效果好，比较稳定．是目前国内外最常使用的处理方法。

内外最常使用的处理方法满足足纺织工工序的要求序的要求单丝处理剂，当玻璃液从漏单丝处理剂，当玻璃液从漏板拉出单丝以后，涂敷在玻板拉出单丝以后，涂敷在玻璃纤维表面上，对单丝起保璃纤维表面上，对单丝起保护作用使多根单丝集中成护作用使多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提股，增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度；保护纤维免受高拉伸强度；保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用大气和水分的侵蚀作用29(2) 前处理法前处理法 适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和粘结将化学处理剂加入到浸润剂中将化学处理剂加入到浸润剂中 与后处理法比较优点：省去了复杂的处理工艺及设备，与后处理法比较优点：省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便；避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失使用简便；避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失 缺点：这种浸润剂一方面要满足拉丝、纺织工序的要缺点：这种浸润剂一方面要满足拉丝、纺织工序的要求，同时又要满足与树脂浸渍、粘结等要求，是一个比较求，同时又要满足与树脂浸渍、粘结等要求，是一个比较复杂的技术问题，目前尚需进一步研究。

复杂的技术问题，目前尚需进一步研究30 (3) 迁移法：迁移法：迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃液中进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的纤维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的“迁移迁移”作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程中作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用产生偶联作用 迁移法需要热处理后使用迁移法需要热处理后使用31应该明确：应该明确： 复复合合材材料料既既是是材材料料又又是是结结构构，，故故材材料料设设计计与与结结构构设设计计往往往往相相互互交交叉叉而而没没有有明明显显的的分分界界线线，，同同时时这这种种设设计计都都受受到到成成型型技技术术的的制制约约通通常常认认为为复复合合材材料料中中的的材材料料设设计计属属于于复复合合材材料料科科学学( (材材料料物物理理及及材材料料化化学学) )的的研研究究范范畴畴，，而结构设计则属于复合材料力学的研究范畴而结构设计则属于复合材料力学的研究范畴32 1.2 1.2 本课程研究的范围本课程研究的范围 范围：研究复合材料中的材料设计。

范围：研究复合材料中的材料设计 本本课课程程是是一一门门研研究究材材料料设设计计的的课课程程，，研研究究范范围围涉涉及及到到基基体体的的结结构构和和性性能能、、增增强强体体或或功功能能体体的的结结构构和和性性能能、、界界面面结结构构和和界界面面效效应应、、复复合合后后材材料料的的物物理理及及力力学学性性能能的的一一般般规规律和共性，复合过程的一般规律和共性律和共性，复合过程的一般规律和共性 上述研究内容正是整个复合材料工程学的理论基础上述研究内容正是整个复合材料工程学的理论基础 331.3 1.3 学习本课程的意义和要求学习本课程的意义和要求 复合材料从原材料到制品，包含的专业内容：复合材料从原材料到制品，包含的专业内容：1 1）材料设计）材料设计 2 2）结构）结构( (制品制品) )设计设计 3 3）成型工艺及设备）成型工艺及设备 4 4）产品性能检测）产品性能检测 从从材材料料性性能能的的可可设设计计性性和和材材料料与与结结构构的的一一致致性性出出发发，，从从““微微观观””或或““亚亚微微观观””水水平平开开始始，，根根据据工工程程要要求求进进行行设设计。

计34 通通过过学学习习复复合合材材料料原原理理这这门门课课程程，，将将掌掌握握材材料料设设计计的的基基础础知知识识，，能能根根据据工工程程上上对对复复合合材材料料制制品品的的要要求求，，从从微微观观或或亚亚微微观观水水平平上上选选定定合合宜宜的的基基体体和和增增强强体体或或功功能能体体，，并并确确定定合合适适的的表表面面处处理理技技术术和和成成型型工工艺艺，，使使基基体体和和增增强强体体或或功功能能体体有有良良好好的界面，从而达到预期的性能指标的界面，从而达到预期的性能指标作业：作业：1、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？2、复合材料区别于单一材料的主要特点？、复合材料区别于单一材料的主要特点？35。