輕型結構材料課上使用

1、輕型結構材料課上使用第1頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三分類鋁鋰合金纖維材料第2頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三一、鋁鋰合金鋁鋰合金發(fā)展史：1.1825年丹麥的奧斯特以無水三氯化鋁與鉀汞齊作用，在蒸發(fā)去汞后得到金屬鋁。2.1854年德維爾用金屬鈉還原氯化鈉和氧化鋁的熔鹽，也能制得金屬鋁。3. 1886年美國霍爾和法國埃魯分別發(fā)明的電解氧化鋁和冰晶石熔鹽的制鋁法。4. 1983年在巴黎國際航空博覽會上，世界上兩家最大的鋁合金生產(chǎn)企業(yè)英國阿爾康鋁業(yè)公司和美國阿爾考鋁業(yè)公司，同時宣布研制成功新的革命性材料鋁鋰合金。專家們認為，鋁鋰合金是從1943年

2、發(fā)明鋁鋅系高強合金以來，鋁合金研究和開發(fā)的又一個里程碑。 第3頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三鋁鋰合金的特點密度低比強度比剛度高耐熱性和抗應力低溫性能好具有良好的耐腐蝕性能具有非常好的超塑性第4頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三 新材料是航空航天技術的重要基礎，航空航天技術的發(fā)展又不斷對材料科學提出新的問題和要求。鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個領域。鋁鋰合金是航空技術一種新材料第5頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三鋁鋰合金的航空應用Al-Li合金已經(jīng)在軍用飛機、民用客機和直升飛機上使用或試用，主要用

3、于機身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等等。 第6頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三二、纖維材料玻璃纖維碳纖維碳化硅纖維等其他無機纖維芳酰胺纖維金屬纖維晶須第7頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三1、玻璃纖維玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料。優(yōu)點：是絕緣性好耐熱性強抗腐蝕性好機械強度高缺點：性脆，耐磨性較差第8頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三現(xiàn)狀前景玻璃纖維是非常好的金屬材料替代材料，隨著市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展，玻璃纖維成為建筑、交通、電子、電氣、化工、冶金、環(huán)境保護、國防等行業(yè)必不可少的原材

4、料。由于在多個領域得到廣泛應用，因此，玻璃纖維日益受到人們的重視。全球玻纖生產(chǎn)消費大國主要是美國、歐洲、日本等發(fā)達國家，其人均玻纖消費量較高。歐洲仍然是玻璃纖維消費的最大地區(qū)，用量占全球總用量的35%。 第9頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三2、碳纖維碳纖維是由有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。材料的比強度高，構件自重愈小材料的比模量高，構件的剛度大第10頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三應用領域碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅動軸

5、等。碳纖維廣泛用于民用，軍用，建筑，化工，工業(yè)，航天以及超級跑車領域。第11頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三碳纖維中碳原子呈層狀結構，它的制造過程就是從有機聚合物制成層狀結構聚合物的過程。 第12頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三碳纖維的特性圖表第13頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三3、碳化硅纖維等其他無機纖維碳化硅纖維等其他無機纖維是以有機硅化合物為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有-碳化硅結構的無機纖維,屬陶瓷纖維類。性能及應用 耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維，強度達 19604410MPa，在最高使用溫度下強度保

6、持率在 80以上，模量為176.4294GPa，化學穩(wěn)定性也好。 碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和增強材料，還可用做體育用品，其短切纖維則可用做高溫爐材等。第14頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三 由于碳化硅纖維是由均勻分散的微晶組成，內(nèi)聚力極大，應力能沿著致密的粒子界面消散，因此纖維的抗拉強度和拉伸模量大，用先驅體法制得的纖維抗張強度2.5GPa，模量200GPa，而用CVD法纖維的，抗張強度3.4GPa，模量400GPa。碳化硅纖維增強鋁基復合材料可作為飛機結構材料使用，代替鈦合金，制作發(fā)動機、機翼、起落架及滑雪板、高爾夫球桿等體育用品。優(yōu)異的力學性能第15頁，共33

7、頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三SiC纖維的力學性能 纖 維 密度/g/cm3拉伸模量/Gpa 拉伸強度/MPa 比模量GPa/（g/cm3） 比強度MPa(g/cm3) Nicalon2.55250280098.01098CVD鎢芯3.46406276044601221297981289CVD碳芯3.00400241034001171338031133yranno2.402802000116.7833晶須3.15700100020003500022033010003320第16頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三氮化硼纖維是60年代由美國研制成功的。氮化

8、硼纖維制造方法主要有B2O3先驅體纖維在800 高溫氨蒸汽中處理，然后在2000 下熱牽伸燒結而成的無機先驅體轉化法。 （1）.氮化硼纖維第17頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三氮化硼的結構類似于石墨，又稱為“白色石墨”，而耐氧化性能優(yōu)越于石墨，石墨(碳)纖維在空氣中400時開始氧化性能降低，而氮化硼纖維在850900 的空氣中開始氧化。石墨(碳)纖維被氧化時不形成表面的保護層，而氮化硼纖維在氧化過程中會形成氧化硼保護層，防止進一步被氧化。在惰性或還原氣氛中，纖維性能直到2500仍是穩(wěn)定的。氮化硼纖維的強度和模量近于玻璃纖維，但是它的多晶性質使它具有較好的抗腐蝕能力，它

9、的密度只有1.42.0gcm3，是用它制造輕質結構材料的最大優(yōu)點。第18頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三氮化硼纖維作為復合材料的增強纖維，增強纖維，在很大程度上取決于纖維的表面特征，由于纖維表面上孔隙率很低且呈封閉狀態(tài)，纖維很難為樹脂潤濕。氮化硼纖維與有機基體制備復合材料的界面結合主要是靠摩擦力的作用。所以在以氮化硼纖維或其編織物制備復合材料的過程中，重點要解決纖維與基體浸潤性問題。第19頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三（2）氧化鋁纖維 氧化鋁纖維是Al2O3多晶連續(xù)纖維。Al2O3纖 維的種類有-Al2O3、-Al2O3 和-Al2O3 連

10、續(xù)纖維以及 短纖維。除優(yōu)異的力學性能，穩(wěn)定的化學性質外，還有優(yōu)越的熱性能。多用于高溫結構材料和高溫絕緣濾波器材料。其應用前景廣闊，尤其在航天航空領域，作為增強金屬、陶瓷是最有希望的纖維品種之一。第20頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三（3）硼 纖 維硼的原子序數(shù)為5，熔點在2000C以上，為高熔點半導體元素，硬度僅次于金剛石。1958年首先用化學氣相沉積法(CVD)將無定形硼沉積在鎢絲上或碳纖維上制成硼纖維。60年代后期，在美國僅有AVCO公司和HamiltionStandard公司進行硼纖維的生產(chǎn)及其復合材料的研究， 用CVD法在芯絲上制得硼纖維的方法主要有硼的氫化物

11、熱分解法和硼鹵化物的還原法。 第21頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三4、芳酰胺纖維定義：泛指由酰胺基團直接與兩個苯環(huán)基團連接而成的線形高分子制造的纖維，稱作芳香族聚酰胺纖維（Aramid纖維）。在我國，芳香族聚酰胺纖維稱作芳綸，間位Aramid纖維稱做芳綸1313，對位Aramid纖維稱做芳綸1414。第22頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三芳酰胺纖維的化學結構第23頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三性能特點 機械性質：芳綸1414是目前使用的有機纖維中強度最高的，其強度可達193.6cN/tex，斷裂伸長率為4%。纖維

12、密度：為1.431.44g/cm3。熱學性質：纖維的熱穩(wěn)定性遠高于其它纖維，在150下纖維的收縮率為0，在較高的溫度下仍能保持很高的強度。熔點為600，最高使用溫度為232。第24頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三化學性能：具有良好的耐堿性，耐酸性好于錦綸，具有良好的耐有機溶劑、漂白劑以及抗蟲蛀和霉變。對橡膠具有良好的粘附性。第25頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三對位芳香族聚酰胺纖維的一般物理性能纖維種類 密度（g/cm3）強度(cN/tex)伸度（%）彈性模量（ cN/tex ）含水率（%）PPTA Kevlar29 1.43 202.9 3

13、.6 4851 7.0 Kevlar49 1.45 195.8 2.4 7497 4.5 Kevlar119 1.44 211.7 4.4 3793 7.0 Kevlar129 1.44 233.7 3.3 6703 6.5 Kevlar149 1.47 158.8 1.5 9790 1.5Technora 1.39 247 4.6 5203 2.0E玻璃 2.54 84.7 4.0 2646 鋼 7.8 30 1.7 2469 第26頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三5、金屬纖維金屬纖維不同于塑料纖維和陶瓷纖維，它具有很好的粘合性，在適度表面處理時，和其它材料的接合性

14、非常好，適用于任何一種復合素材。第27頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三金屬纖維的特性纖維密度/g.cm-3直徑/um彈性率/GPa抗張強度/MPa鎢19.4134104100鉬10.2253652200不銹鋼7.9-1770-2250鋼絲7.74132004200鋼琴絲7.8801993430SUS3047.880196520第28頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三第29頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三6、晶須晶須（Whiskers）是一種纖維狀單晶體，橫斷面幾乎一致，內(nèi)外結構高度完整，長徑一般在5-1000以上，直徑通常在200nm-100um之間。第30頁，共33頁，2022年，5月20日，11點13分，星期三在什么條件下，晶體易朝縱向方向生長？為什么？(1)合成溫度是影響晶須質量最主要的因素，晶須在1 000左右開始大量合成，隨著合成溫度的升高，晶須直徑明顯呈增大趨勢，而長徑比則呈減少趨勢；(2)升溫速率對晶須質量影響較顯著，在晶核形成之后升溫速度應當適中。(3)保溫時間對晶須質量影響較小，時間太短或過長會一定程度上影響到晶須的均勻性，但晶須形態(tài)差別不太明顯；(4)六鈦酸鉀晶須的最優(yōu)制備工藝為：合成溫度為1000，保溫1h15h，升溫至U800之后保持3min升