材料學高分子精簡

1、材料學高分子精簡第1頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四本章內(nèi)容復合材料概述復合材料分類復合材料的基體復合材料的增強相復合材料的復合原理(key point)復合材料的成型工藝第2頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四（一） 復合材料概述三大材料：金屬無機非金屬有機高分子復合材料取長補短協(xié)同作用產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能無機非金屬材料有機高分子材料金屬材料復合材料第3頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四、復合材料的定義 什么是復合材料 (Composition Materials , Composite) ? 要給復合材料下一個

2、嚴格精確而又統(tǒng)一的定義是很困難的。概括前人的觀點，有關復合材料的定義或偏重于考慮復合后材料的性能，或偏重于考慮復合材料的結構 。 第4頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 復合材料的特點：1、復合材料的組分和相對含量是由人工選擇和設計的；2、復合材料是以人工制造而非天然形成的（區(qū)別于具有某些復合材料形態(tài)特征的天然物質）；3、組成復合材料的某些組分在復合后仍然保持其固有的物理和化學性質（區(qū)別于化合物和合金）；4、復合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同。復合材料具有新的、獨特的和可用的性能，這種性能是單個組分材料性能所不及或不同的；5、復合材料是各組分之間被明顯界面區(qū)分的多相材

3、料。第5頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四基體、增強材料、界面（key point）Matrix , Reinforcement, Interface基體連續(xù)相增強材料分散相也稱為增強體、增強劑、增強相等顯著增強材料的性能多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強度較基體大?？梢允抢w維及其編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料。在基體和增強體之間存在著界面。第6頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四Schematic illustration of composite constituents第7頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四（二）復合材

4、料的分類按增強材料形態(tài)分類1、纖維增強復合材料： a.連續(xù)纖維復合材料：作為分散相的長纖維的兩個端點都位于復合材料的邊界處； b.非連續(xù)纖維復合材料：短纖維、晶須無規(guī)則地分散在基體材料中；2、顆粒增強復合材料：微小顆粒狀增強材料分散在基體中；3、板狀增強體、編織復合材料：以平面二維或立體三維物為增強材料與基體復合而成。其他增強體：層疊、骨架、涂層、片狀、天然增強體 第8頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四纖維增強復合材料種類 玻璃纖維復合材料； 碳纖維復合材料； 有機纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復合材料； 金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復合材料；

5、陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復合材料?；祀s復合材料：兩種或兩種以上增強體與同一基體制成的復合材料可以看成是兩種或多種單一纖維或顆粒復合材料的相互復合，即復合材料的“復合材料”。第9頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四按基體材料分類 聚合物基復合材料:以有機聚合物（熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠等）為基體； 金屬基復合材料：以金屬（鋁、鎂、鈦等）為基體； 無機非金屬基復合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體。第10頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四按材料作用分類 結構復合材料：用于制造受力構件； 功能復合材料：具備各種特殊性能（如阻尼、導電

6、、導磁、摩擦、屏蔽等）。同質復合材料（增強材料和基體材料屬于同種物質，如碳/碳復合材料）異質復合材料（復合材料多屬此類）。第11頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四復合材料系統(tǒng)組合分散相連續(xù)相金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料金屬材料金屬纖維纖維/金屬基復合材料鋼絲/水泥復合材料增強橡膠金屬晶須晶須/金屬基復合材料晶須/陶瓷基復合材料金屬片材金屬/塑料板無機非金屬材料陶瓷纖維纖維/金屬基復合材料纖維/陶瓷基復合材料晶須晶須/金屬基復合材料晶須/陶瓷基復合材料顆粒彌散強化合金材料粒子填充塑料玻璃纖維纖維/樹脂基復合材料顆粒碳纖維碳纖維/金屬基復合材料碳纖維/陶瓷基復合材料碳

7、纖維/樹脂基復合材料炭黑顆粒/橡膠；顆粒/樹脂基有機高分子材料有機纖維纖維/樹脂基復合材料塑料金屬/塑料橡膠第12頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四各種材料的發(fā)展狀況玻璃鋼和樹脂基復合材料 非常成熟 廣泛的應用 金屬基復合材料 開發(fā)階段 某些結構件的關鍵部位 陶瓷基復合材料及功能復合材料等 有不少科學技術問題有待解決第13頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四復合材料的設計從常規(guī)設計向仿生設計發(fā)展仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點，成功地制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型鋼基耐磨梯度復合材料。仿照鮑魚殼的結構，西雅圖華盛頓大學的研究人員利用由

8、碳、鋁和硼混合成陶瓷細帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復合材料比其原材料堅固40。仿照骨骼的組織特點，人們制造了類似結構的風力發(fā)電機和直升飛機的旋翼，外層是剛度、強度高的碳纖維復合材料，中層是玻璃纖維增強復合材料、內(nèi)層是硬泡沫塑料。第14頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四（三） 復合材料的基體材料 基體材料金屬材料陶瓷材料聚合物材料第15頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四3.1 金屬基體材料（key point）3.1.1 選擇基體的原則目前用作金屬基復合材料的金屬有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁金屬間

9、化合物等?；w材料成分的選擇對能否充分組合和發(fā)揮基體金屬和增強物性能特點，獲得預期的優(yōu)異綜合性能，滿足使用要求十分重要。 第16頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 金屬基復合材料的使用要求金屬基復合材料構件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。在航天、航空技術中高比強度和比模量以及尺寸穩(wěn)定性是最重要的性能要求。作為飛行器和衛(wèi)星的構件宜選用密度小的輕金屬合金鎂合金和鋁合金作為基體，與高強度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁復合材料。第17頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四Some properties of commer

10、cially pure metals第18頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四高性能發(fā)動機：要求復合材料不僅有高比強度和比模量，還要具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅/鈦、鎢絲/鎳基超合金復合材料可用于噴氣發(fā)動機葉片、轉軸等重要零件。在汽車發(fā)動機中要求其零件耐熱、耐磨、導熱、一定的高溫強度等，同時又要求成本低廉，適合于批量生產(chǎn)，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基復合材料。如碳化硅/鋁復合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁復合材料可制作發(fā)動機

11、活塞、缸套等零件。第19頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四工業(yè)集成電路需要高導熱、低膨脹的金屬基復合材料作為散熱元件和基板。選用具有高導熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復合成具有低熱膨脹系數(shù)和高導熱率、高比強度、高比模量等性能的金屬基復合材料，可能成為解決高集成電子器件的關鍵材料。第20頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 金屬基復合材料組成特點連續(xù)纖維增強金屬基復合材料，纖維是主要承載物體. 纖維本身具有很高的強度和模量，而金屬基體的強度和模量遠遠低于纖維。連續(xù)纖維增強金屬基復合材料中基體的主

12、要作用應是以充分發(fā)揮增強纖維的性能為主，基體本身應與纖維有良好的相容性和塑性，而并不要求基體本身有很高的強度。 第21頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四如碳纖維增強鋁基復合材料中純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強度鋁合金要好得多，使用后者制成的復合材料的性能反而低。 在研究碳鋁復合材料基體合金優(yōu)化過程中，發(fā)現(xiàn)鋁合金的強度越高，復合材料的性能越低，這與基體和纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有關。第22頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四對于非連續(xù)增強（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復合材料，基體是主要承載物，基體的強度對復合材料具有決定

13、性的影響。因此要獲得高性能金屬基復合材料必須選用高強度鋁合金作為基體，這與連續(xù)纖維增強金屬基復合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強鋁基復合材料一般選用高強度鋁合金（如A365，6061，7075）為基體。第23頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 基體金屬與增強物的相容性 金屬基復合材料需要在高溫下成型，制備過程中，處于高溫熱力學非平衡狀態(tài)下的纖維與金屬之間很容易發(fā)生化學反應，在界面形成反應層。界面反應層大多是脆性的，當反應層達到一定厚度后，材料受力時將會因界面層的斷裂伸長小而產(chǎn)生裂紋，并向周圍纖維擴展，容易引起纖維斷裂，導致復合材料整體破壞。 第24頁，共88頁，2022

14、年，5月20日，22點8分，星期四因此，選擇基體時應充分注意與增強物的相容性（特別是化學相容性），并盡可能在復合材料成型過程中抑制界面反應。例如，對增強纖維進行表面處理 在金屬基體中添加其他成分 選擇適宜的成型方法 縮短材料在高溫下的停留時間等。 第25頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四3.1.2 結構復合材料的基體分為輕金屬基體和耐熱合金基體 用于450以下的輕金屬基體目前最廣泛、最成熟的是鋁基和鎂基復合材料，用于航天飛機、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動機零件、剎車盤等 用于450700的復合材料的金屬基體鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強度高等特點，可在450700使用

15、，用于航空發(fā)動機等零件。 用于1000以上的高溫復合材料的金屬基體基體主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復合材料尚處于研究階段。 第26頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四3.1.3 功能用金屬基復合材料的基體要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能，如同時具有高力學性能、高導熱、低熱膨脹、高導電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要靠優(yōu)化設計和先進制造技術將金屬與增強物做成復合材料來滿足需求。主要的金屬基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。第27頁，共88頁，20

16、22年，5月20日，22點8分，星期四微電子技術的電子封裝集成電路：需用熱膨脹系數(shù)小、導熱性好的材料做基板和封裝零件，以便將熱量迅速傳走，避免產(chǎn)生熱應力，來提高器件可靠性。用于電子封裝的金屬基復合材料有：高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復合材料，高模、超高模石墨纖維增強鋁基、銅基復合材料，金剛石顆?；蚨嗑Ы饎偸w維增強鋁基、銅基復合材料，硼/鋁基復合材料等第28頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四耐高溫摩擦的耐磨材料碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬及其合金的金屬基復合材料。高導熱和耐電弧燒蝕的集電材料和觸頭材料碳（石墨）纖維、金屬絲、陶瓷顆粒增

17、強鋁、銅、銀及合金等金屬基復合材料。耐腐蝕的電池極板材料等第29頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四3.2 陶瓷基體（供了解）在陶瓷基體中添加其他成分（如陶瓷粒子、纖維或晶須）可提高陶瓷的韌性。粒子增強雖能使陶瓷的韌性有所提高，但效果并不顯著。高強度的碳化硅晶須容易摻混在陶瓷基體中，增強陶瓷的作用明顯。用作基體材料的陶瓷一般應具有優(yōu)異的耐高溫性質、與纖維或晶須之間有良好的界面相容性以及較好的工藝性能等。第30頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四陶瓷基復合材料（CMC） 第31頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四3.3 聚合物基體（供了

18、解） 9.3.3.1 聚合物基體的種類不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物等。 不飽和聚酯樹脂是制造玻璃纖維復合材料的一種重要樹脂。在國外，聚酯樹脂占玻璃纖維復合材料用樹脂總量的80%以上。第32頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四聚酯樹脂特點：工藝性良好，室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡單。樹脂固化后綜合性能良好，力學性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。價格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。不飽和聚酯樹脂的缺點是固化時體積收縮率大、耐熱性差等。主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中第33頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 鄰苯型不飽和聚酯：

19、間苯型不飽和聚酯：雙酚型不飽和聚酯：第34頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四環(huán)氧樹脂特點：在加熱條件下即能固化，無須添加固化劑。 酸、堿對固化反應起促進作用；已固化的樹脂有良好的壓縮性能，良好的耐水、耐化學介質和耐燒蝕性能；樹脂固化過程中有小分子析出，故需在高壓下進行；固化時體積收縮率大，樹脂對纖維的粘附性不夠好，但斷裂延伸率低，脆性大。第35頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 雙酚型環(huán)氧樹脂：酚醛環(huán)氧樹脂：第36頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四酚醛樹脂優(yōu)點：比環(huán)氧樹脂價格便宜缺點：吸附性不好、收縮率高、成型壓力高、制品空隙含

20、量高等。大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強塑料，少量用于玻璃纖維復合材料、耐燒蝕材料等，很少使用在碳纖維和有機纖維復合材料中。第37頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四3.3.2 聚合物基體的作用（供了解）把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護纖維不受環(huán)境影響。用作基體的理想材料，其原始狀態(tài)應該是低粘度的液體，并能迅速變成堅固耐久的固體，足以把增強纖維粘住。盡管纖維增強材料的作用是承受載荷，但是基體材料的力學性能會明顯地影響纖維的工作方式及其效率。 第38頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四例如，在沒有基體的纖維束中大部分載荷由最直的纖維承受，基體使得應力較

21、均勻地分配給所有纖維，這是由于基體使所有纖維經(jīng)受同樣的應變，應力通過剪切過程傳遞，這要求纖維和基體之間有高的膠接強度，同時要求基體本身也具有高的剪切強度和模量。當載荷主要由纖維承受時，復合材料總的延伸率受到纖維的破壞延伸率的限制，這通常為1%1.5%?；w的主要性能是在這個應變水平下不應該裂開。在纖維的垂直方向，基體的力學性能和纖維與基體之間的膠接強度控制著復合材料的物理性能。由于基體比纖維弱得多，而柔性卻大得多，所以在結構件設計中應盡量避免基體直接橫向受載。第39頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四在高膠接強度體系（纖維間的載荷傳遞效率高，但斷裂韌性差）與較低膠接強度體系

22、（纖維間的載荷傳遞效率不高，但韌性較高）之間需要折衷。在應力水平和方向不確定情況下使用或在纖維排列精度較低情況下制造的復合材料往往要求基體比較軟。在明確應力水平情況下使用和在嚴格控制纖維排列情況下制造的先進復合材料，應通過使用高模量和高膠接強度的基體以更充分地發(fā)揮纖維的最大性能。 第40頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四（四） 復合材料的增強相（主要是供了解內(nèi)容）增強材料（增強體、增強劑等）分散在基體內(nèi)以改進其機械性能的高強度材料分類纖維及其織物晶須顆粒小片狀、板狀第41頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四Types of reinforced com

23、posites第42頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四4.1 纖維增強體天然纖維植物纖維（棉花、麻類）、動物纖維（絲、毛）和礦物纖維（石棉）。強度較低現(xiàn)代復合材料的增強材料用合成纖維有機纖維無機纖維。第43頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四Types of fiber reinforcement orientationone-dimensionaltwo-dimensionalthree-dimensional第44頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四1）有機纖維 芳香族酰胺纖維Aromatic Polymide Fibre, K

24、evlar, KFKEVLAR纖維第45頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四芳綸纖維的性能特點A 、芳綸纖維的力學性能； 、 芳綸纖維的熱穩(wěn)定性； 、芳綸纖維的化學性能。第46頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四A 、芳綸纖維的力學性能芳綸纖維的特點是拉伸強度高。單絲強度可達3773 MPa；254mm長的纖維束的拉伸強度為2744 MPa，大約為鋁的5倍。芳綸纖維的沖擊性能好，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維0.8倍。第47頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四芳綸纖維的彈性模量高，可達1.27 1.577 MPa，比

25、玻璃纖維高一倍，為碳纖維0.8倍。芳綸纖維的斷裂伸長在3左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。芳綸纖維與碳纖維混雜將能大大提高纖維復合材料的沖擊性能。 芳綸纖維的密度小，比重為1.44 1.45，只有鋁的一半。因此，它有高的比強度與比模量。第48頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四下表為芳綸纖維的基本性能第49頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四、 芳綸纖維的熱穩(wěn)定性芳綸纖維有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，當溫度達487 時尚不熔化，但開始碳化。因此，芳綸纖維在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。如，能長期在180下使用；在150下作用一周后強度、模量不會下降；

26、即使在200下，一周后強度降低15，模量降低4；另外，在低溫(-60)不發(fā)生脆化亦不降解。第50頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四和碳纖維一樣，芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點。如，芳綸纖維的縱向熱膨脹系數(shù)在0 100時為-2 10 -6 / ；在100 200時為-4 10 6 /。橫向熱膨脹系數(shù)為59 10 -6 /第51頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四、芳綸纖維的化學性能 芳綸纖維具有良好的耐介質性能，對中性化學藥品的抵抗力一般是很強的，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強酸的侵蝕； 芳綸纖維的耐水性也不好，這是由于在分子結構中存在著極性酰氨

27、基；濕度對纖維的影響，類似于尼龍或聚酯。在低濕度(20相對濕度)下芳綸纖維的吸濕率為1，但在高濕度(85相對濕度)下，可達到7。第52頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 聚乙烯纖維（Polyethylene, PE）目前國際上最新的超輕、高比強度、高比模量纖維，成本也比較低。通常分子量大于106，拉伸強度為3.5GPa，彈性模量為116GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。具有高比強度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。不足之處是熔點較低（約135）和高溫容易蠕變。因此僅能在100以下使用，可用于制做武器裝甲、

28、防彈背心、航天航空部件等第53頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四2）無機纖維 玻璃纖維（Glass Fibre, GF或Gt）由含有各種金屬氧化物的硅酸鹽類，經(jīng)熔融后以極快的速度抽絲而成。由于質地柔軟，因此可以紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。價格便宜，品種多，適于編織各種玻璃布，作為增強材料廣泛用于航空航天、建筑領域及日常用品。缺點是不耐磨，易折斷，易受機械損傷，長期放置強度下降。第54頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四Example無捻玻璃纖維 55第55頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四種類：按用途高強度纖維、低介電纖維、耐

29、化學藥品纖維、耐電腐蝕纖維、耐堿纖維；按化學成分堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維、無堿玻璃纖維；按單絲直徑可分為：粗纖維、初級纖維、中級纖維、高級纖維。第56頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四7.4.1 聚合物基玻璃鋼天線反射面玻璃鋼建筑材料用于上海東方明珠電視塔大堂裝潢57第57頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四(1)GFRP玻璃鋼應用于體育用品58第58頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 碳纖維（Carbon Fibre, CF或Cf）（需適當關注）纖維中含碳量在95%左右的碳纖維和含碳量在99%左右的石墨纖維。生產(chǎn)碳

30、纖維的原料主要為人造絲（粘膠纖維）、聚丙烯腈和瀝青三種，其中以聚丙烯腈最為主要。按力學性能可將碳纖維分成高強度碳纖維、高模量碳纖維和普通碳纖維。第59頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四碳纖維片材（復合材料）用于建筑物補強加固60第60頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四Pyrolysis（熱解） of polyacrylonitrile (聚丙烯腈，PAN) to form carbon fibers第61頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四(2)CFRP碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP） CFRP在民用飛機中的應用CFRP在空

31、間站大型結構以及太陽能電池支架中的應用62第62頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四碳纖維的特點：強度和模量高、密度?。痪哂泻芎玫哪退嵝?；熱膨脹系數(shù)小，甚至為負值具有很好的耐高溫蠕變性能，一般在1900以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形。摩擦系數(shù)小、潤滑性好、導電性高。碳纖維的缺點：價格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時會生成二氧化碳。第63頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 硼纖維（Boron Fibre，BF或Bf）通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面通過化學反應沉積硼層。硼纖維的直徑有100m、140m、200m幾種。硼纖維的特點硼

32、纖維具有很高的彈性模量和強度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.42.65g/cm3，拉伸強度為3.25.2GPa，彈性模量為350400GPa。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。第64頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四硼纖維的缺點工藝復雜，不易大量生產(chǎn)，其價格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結果表明，碳心硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質，但在高溫下易與金屬反應，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復合材料。第65

33、頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四硼纖維增強鋁基復合材料用于航天飛機主艙體支柱66第66頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 氧化鋁纖維Aluminia Fibre，AF多晶連續(xù)纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。優(yōu)點：具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到370強度仍下降不大。缺點：在所有纖維中密度最大。用途：主要用于金屬基復合材料。第67頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四 碳化硅纖維Silicon Carbide Fibre，SF目前SiC纖維的生產(chǎn)有有機合成法和CVD法兩種。特點：高強度高模量有良好的耐化學腐蝕性、耐高溫

34、和耐輻射性能。比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。具有半導體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復合材料。第68頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四- 碳化硅69第69頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四4.2 晶須增強體晶須（Wisker）：具有一定長徑比（一般大于10）和截面積小于5210-5cm2的單晶纖維材料。具有實用價值的晶須直徑約為110m，長度與直徑比在51000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強度接近其純晶體的理論強度。第70頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四分類：金屬晶須（如Ni、Fe、Cu、Si

35、、Ag、Ti、Cd等）氧化物晶須（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等）陶瓷晶須（如碳化物晶須SiC、TiC、ZrC、WC、B4C）氮化物晶須（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等）無機鹽類晶須（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。第71頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四晶須的制備方法：化學氣相沉積（CVD）法溶膠凝膠法氣液固（VLS）法液相生長法固相生長法原位生長法。第72頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四新型氧化鋅晶須在眾多種類的晶須中，新型氧化鋅晶須（ Zinc Oxide Whisker,

36、 簡寫為ZnOw）以其獨特的結構而倍受注目。第73頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四4.3 顆粒增強體 Particle Reinforcement顆粒增強體：用以改善基體材料性能的顆粒狀材料顆粒增強體的特點是選材方便，可根據(jù)不同的性能要求選用不同的顆粒增強體。顆粒增強體成本低，易于批量生產(chǎn)。第74頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四具有高強度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒如碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨、細金剛石等。剛性顆粒增強體（Ragid Particle Reinforcement）第75頁，共88頁，202

37、2年，5月20日，22點8分，星期四顆粒增強體以很細的粉末（一般在10m以下）加入到金屬基和陶瓷基中起提高耐磨、耐熱、強度、模量和韌性的作用在Al合金中加入體積為30%，粒徑為0.3m的Al2O3顆粒,材料在300時的拉伸強度仍可達220MPa，并且所加入的顆粒越細，復合材料的硬度和強度越高。在Si3N4陶瓷中加入體積為20%的TiC顆粒，可使其韌性提高5%。第76頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四延性顆粒增強體（Ductile Particle Reinforcement）主要為金屬顆粒，加入到陶瓷基體和玻璃陶瓷基體中增強其韌性如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。

38、金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，但高溫力學性能會有所下降。第77頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四復合材料的復合原理，是反映各種因素對復合材料性能的影響規(guī)律。影響復合材料性能的因素：工藝因素基體和增強材料的性能增強材料的形狀、含量、分布增強材料的以及與基體的界面結合、結構按照復合原理，可以對所需要研究和開發(fā)的復合材料的性能，包括力學、物理、化學性能等進行設計、預測和評估。 （五） 復合材料的復合原理（KEY POINT）第78頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四在復合材料中，在已知各組分材料的力學性能、物理性能的情況下，復合材料的力學性能和物理性能主要取決于組成復合材料的材料組分的體積百分比（vol.%）：5.1 混合法則 （mixing rule）Pc ：復合材料的某性能，如強度、彈性模量、熱導率等；Pi ：各組分材料的對應復合材料的某性能；V ：組成復合材料各組分的體積百分比；i：表示組成復合材料的組分數(shù)。第79頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四SiC/硼硅玻璃復合材料的強度隨纖維體積含量線性增加80第80頁，共88頁，2022年，5月20日，22點8分，星期四顆粒增強復合材料的彈性模量與顆粒體積分量的關系81第81頁，共88頁，2022年，5月20日，22