復(fù)合材料 第八章 先進(jìn)復(fù)合材料課件

第8章先進(jìn)復(fù)合材料

8.1碳/碳復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維（石墨纖維）為增強(qiáng)體，以碳（石墨）為基體的復(fù)合材料，具有一系列的特殊性能，也稱為碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料。

8.1.1碳/碳復(fù)合材料概述C/C的發(fā)現(xiàn)是帶有偶然性的。1958年美國一家航空公司研究所在進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外之中將樹脂碳化，得到一種碳材料，并開發(fā)出一系列C/C復(fù)合材料。各種碳無機(jī)材料

8.1.2碳/碳復(fù)合材料的制造工藝碳纖維預(yù)制體滲入基體石墨化碳纖維的選擇基體先驅(qū)體的選擇致密化工藝石墨化工藝抗氧化保護(hù)工藝碳纖維編織方法設(shè)計(jì)

(1)碳纖維的選擇根據(jù)材料的性能要求，合理選擇碳纖維的種類和編制參數(shù)。常用的碳纖維先驅(qū)體有聚丙烯腈纖維、瀝青基纖維和粘膠纖維等。

(2)碳纖維預(yù)制體的制備C/C復(fù)合材料制備的基本思路是將碳纖維編織成一定形狀，在將其組合成多孔隙的預(yù)制體。預(yù)制體（Preform，或預(yù)成型體）是采用編織方式成2維、3維或多維，帶30～70％孔隙的碳纖維層、板、體等形狀。三維正交碳纖維增強(qiáng)的C/C及其顯微結(jié)構(gòu)導(dǎo)彈、火箭鼻錐、噴管預(yù)制體編織車間導(dǎo)彈、火箭鼻錐、噴管預(yù)制體編織

②低壓過程：為保證樹脂充分浸漬預(yù)制體，在3-5MPa的壓力下，加熱至一定溫度（50℃），進(jìn)行制備。③高壓過程：使基體樹脂發(fā)生固化，在7-100MPa的壓力下，加熱至一定溫度（700℃），進(jìn)行制備。2）化學(xué)氣相沉積法（CVD）

(4)石墨化

對完成致密化的碳/碳材料進(jìn)行2400℃-2800℃的高溫處理，使N、H、O、K、Na、Ca等元素逸出，碳發(fā)生晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其晶格結(jié)構(gòu)接近石墨，這一過程稱為石墨化。

第一階段：1000－1500℃，所有殘留下來的脂肪鏈等都在這時(shí)斷裂，亂層結(jié)構(gòu)層面間的C、H、O、N、S等單質(zhì)或簡單化合物也在排出。原來的界面能以熱能的形式放出，作為促進(jìn)碳六角網(wǎng)格有序化的動(dòng)力。第二階段：1500－2100℃，隨著溫度的上升，碳原子的熱振動(dòng)頻率增加，振幅增大，網(wǎng)格層面向三維排列的石墨方向過渡，層間距離縮小。第三階段：2100℃以上，發(fā)生再結(jié)晶過程，此時(shí)，碳平面分子內(nèi)部或分子間的碳原子移動(dòng)，進(jìn)行晶格的完善化和三維排列。碳層面尺寸增加，三維有序堆疊也進(jìn)一步增加，層間距也進(jìn)一步縮小并趨向于石墨的層間距。

(5)抗氧化保護(hù)碳/碳復(fù)合材料在氧氣氛下，400℃以上發(fā)生顯著的氧化，性能發(fā)生嚴(yán)重下降，高溫抗氧化能力差也是碳/碳復(fù)合材料最主要的缺點(diǎn)之一。解決高溫氧化問題主要有兩個(gè)途徑：1）表面抗氧化涂層，在碳/碳復(fù)合材料表面進(jìn)行陶瓷涂層處理；2）抑制劑法，在樹脂基體中預(yù)先添加硼化物抑制劑，起到填充內(nèi)部空隙，阻斷氧的通道的作用。

(2)碳／碳復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能在非氧化性氣氛中，碳/碳復(fù)合材料可以在2800℃下仍然保持其強(qiáng)度。高溫下，碳/碳復(fù)合材料的強(qiáng)度甚至還有所提高。

(4)碳／碳復(fù)合材料的耐磨性碳／碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性。摩擦系數(shù)高（0.2-0.3），可調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)，且高溫下耐磨性好。(5)碳／碳復(fù)合材料的一些特殊性能1)抗熱震性能抗熱震性：指材料在承受急劇溫度變化時(shí)，評價(jià)其抗破損能力的重要指標(biāo)。2)抗燒蝕性能燒蝕：在大氣層熱流作用下，由熱化學(xué)和機(jī)械過程引起的固體表面質(zhì)量消耗現(xiàn)象。衡量抗燒蝕性能的指標(biāo)：燒蝕溫度、燒蝕率、外形完整度。8.1.4碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用

(1)在軍事、航空航天工業(yè)方面的應(yīng)用（高強(qiáng)度、高模量、高溫力學(xué)性能、抗熱震性能、抗燒蝕性能）(2)在民用工業(yè)上的應(yīng)用（高強(qiáng)度、高模量、耐磨性）(3)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用（耐腐蝕性能、生物相容性）航天飛機(jī)端頭帽航天飛機(jī)機(jī)翼前緣人造心臟瓣膜材料人造關(guān)節(jié)材料

8.2納米復(fù)合材料8.2.1概述8.2.2納米復(fù)合材料的分類納米材料：尺度為1-100nm的微小顆粒經(jīng)壓制、燒結(jié)或?yàn)R射而形成的凝聚態(tài)固體材料。納米復(fù)合材料納米半導(dǎo)體復(fù)合材料納米金屬基復(fù)合材料納米陶瓷基復(fù)合材料納米聚合物基復(fù)合材料

8.2.3聚合物基納米復(fù)合材料及其制備技術(shù)(1)聚合物基納米復(fù)合材料(2)聚合物基納米復(fù)合材料制備技術(shù)

1)滲入—吸收法2)原位夾層聚合法3)層間插入4)模板合成法

8.2.4陶瓷基納米復(fù)合材料及制備技術(shù)(1)陶瓷基納米復(fù)合材料1)增韌納米復(fù)相陶瓷2)超塑性①Al2O3/SiC、MgO/SiC納米復(fù)合材料

②Si3N4／SiC納米復(fù)合材料

③Si3N4/TiN納米復(fù)合材料

④Al2O3／ZrO2納米復(fù)合材料

⑤長纖維強(qiáng)化SiAlON/SiC納米復(fù)合材料

⑥Al2O3/Ni、MgO/Fe、ZrO2/Ni系納米復(fù)合材料

⑦Pb(Zr,Ti)O3(PZT)/金屬系納米復(fù)合材料

⑧原子團(tuán)簇(cluster)復(fù)合材料/分子復(fù)合材料

(2)陶瓷基納米復(fù)合材料的制備1)等離子相合成2)化學(xué)氣相沉積

3)離子濺射

4)溶膠—凝膠

5)有機(jī)金屬熱分解

6)燃燒合成

7)固態(tài)方法

8.2.5金屬基納米復(fù)合材料及成型技術(shù)(1)金屬基納米復(fù)合材料(2)金屬基納米復(fù)合材料制備技術(shù)

1)擠出法

2)非晶態(tài)合金納米結(jié)晶化法3)機(jī)械合金研磨結(jié)合加壓成塊法4)循環(huán)塑性變形細(xì)化晶粒法5)燒結(jié)法8.2.6納米復(fù)合材料的應(yīng)用(1)聚合物基納米復(fù)合材料的應(yīng)用(2)陶瓷基納米復(fù)合材料的應(yīng)用(3)金屬基納米復(fù)合材料的應(yīng)用

粒徑為10nm的TiO2/PP(聚丙烯)復(fù)合體系薄膜的彎曲模量比純PP提高20％，沖擊強(qiáng)度提高40％。含5％納米TiO2時(shí)，納米TiO2/EP(環(huán)氧樹脂)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為純EP的485％，彎曲強(qiáng)度為純EP的245％，缺口沖擊強(qiáng)度為純EP的878％。納米TiO2/PP材料沖擊斷口納米TiO2/PS材料沖擊斷口

添加納米SiO2的橡膠的彈性、耐磨性明顯優(yōu)于常規(guī)白炭黑橡膠，輪胎側(cè)面的抗折性能由10萬次提高到50萬次。納米Al2O3添加到PS(聚苯乙烯)中，體積含量15％時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為純PS的4倍，沖擊強(qiáng)度為純PS的3倍。

納米改性PA(尼龍)具有尺寸穩(wěn)定性好、相對密度低、比強(qiáng)度高、韌性好、易成型等特點(diǎn)，還具有優(yōu)良的耐熱、耐沖擊性能。納米尼龍是高功能突擊式自動(dòng)步槍用材料良好的升級換代品，還可用于坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的彎管接頭、高壓行桿軸套、進(jìn)排氣管密封墊、搖箱、風(fēng)扇、汽缸蓋、定時(shí)齒輪箱、炮塔內(nèi)貯箱等。性能斷裂延伸率%拉伸強(qiáng)度MPa熱變形溫度℃抗彎強(qiáng)度MPa彎曲模量GPa缺口沖擊強(qiáng)度J/mPA63075-85651153.040nc-PA610-2095-105235-160130-1603.5-4.535-60

納米晶須SiC提高Al2O3陶瓷的斷裂韌性。隨溫度提高，無納米晶須增強(qiáng)的Al2O3陶瓷的斷裂韌性呈下降趨勢。

芬蘭技術(shù)研究中心用磁控濺射法成功地在碳鋼上涂上納米復(fù)合涂層(MoSi2/SiC)，熱處理后涂層硬度達(dá)20.8GPa，比碳鋼提高幾十倍，而且有良好的抗氧化、耐高溫性能，同時(shí)克服單層納米MoSi2容易開裂的缺點(diǎn)。復(fù)合系統(tǒng)抗拉強(qiáng)度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3

比強(qiáng)度MPa比模量GPaAl2O3P/Al9001302.931045SiCP/Al5101002.818836SiCf/Al9001102.643642軋制+熱處理LY12合金435———2.9150——

高速飛行的飛行器與空氣摩擦生成大量的熱，使殼體溫度升高。為及時(shí)散熱，可把金屬鎢制成納米介孔骨架保證強(qiáng)度，用低熔點(diǎn)的銅或銀等填充在孔隙中，制成金屬發(fā)汗材料。溫度升高，銅和銀熔化、沸騰和蒸發(fā)，及時(shí)帶走大量的熱，保證火箭正常遠(yuǎn)行。

8.3功能復(fù)合材料

8.3.1功能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則(1)調(diào)整復(fù)合度

(2)調(diào)整連接方式

(3)調(diào)整對稱性

(4)調(diào)整標(biāo)度

(5)調(diào)整周期性

8.3.2壓電復(fù)合材料

(1)壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(2)壓電復(fù)合材料的制備方法1)混合法2)復(fù)型法3)Burps工藝4)注入法5)切割法6)鉆孔法(3)壓電復(fù)合材料及其應(yīng)用1)0-3型壓電復(fù)合材料2)1-3型壓電復(fù)合材料3)3-0型壓電復(fù)合材料4)3-1型和3-2型壓電復(fù)合材料5)3-3型壓電復(fù)合材料

8.3.3導(dǎo)電復(fù)合材料(1)導(dǎo)電復(fù)合材料的組成(2)導(dǎo)電復(fù)合材料的制備(3)導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理(4)導(dǎo)電復(fù)合材料的應(yīng)用1)用于屏蔽的導(dǎo)電復(fù)合材料2)用于靜電損耗的導(dǎo)電復(fù)合材料

8.3.4磁性復(fù)合材料

(1)聚合物基磁性復(fù)合材料

(2)無機(jī)磁性材料與液態(tài)物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料

(3)軟磁粉末復(fù)合材料

1)軟磁粉末復(fù)合材料的原材料

①純鐵

②鐵—硅

③鐵—磷

④鐵鎳⑤磁介質(zhì)材料2)軟磁粉末復(fù)合材料的生產(chǎn)①標(biāo)準(zhǔn)密度和高密度生產(chǎn)工藝②燒結(jié)+熱等靜壓生產(chǎn)工藝(4)納米晶復(fù)合磁性材料(5)磁性復(fù)合材料的應(yīng)用1)永磁性復(fù)合材料的應(yīng)用2)軟磁性復(fù)合材料的應(yīng)用3)吸波材料的應(yīng)用4)磁流變體復(fù)合材料的應(yīng)用8.3.5摩擦功能復(fù)合材料

(1)摩阻復(fù)合材料1)金屬基摩阻復(fù)合材料2)聚合物基摩阻復(fù)合材料3)碳基摩阻復(fù)合材料(2)減摩復(fù)合材料8.3.6阻尼功能復(fù)合材料8.3.7機(jī)敏復(fù)合材料與智能復(fù)合材料(1)機(jī)敏復(fù)合材料簡介機(jī)敏復(fù)合材料有以下主要組成部分：①傳感材料

②執(zhí)行材料

③信息處理系統(tǒng)

1)自診斷機(jī)敏復(fù)合材料

目前自診斷復(fù)合材料主要有3類，即導(dǎo)電式、光纖埋置式和壓電式自診斷復(fù)合材料。①導(dǎo)電式自診斷復(fù)合材料

②光纖埋置式自診斷復(fù)合材料

③壓電式自診斷復(fù)合材料

2)自適應(yīng)或自調(diào)節(jié)機(jī)敏復(fù)合材料自適應(yīng)或自調(diào)節(jié)功能就是材料對外界的刺激做出相應(yīng)反應(yīng)的功能。①機(jī)敏形狀記憶復(fù)合材料②智能窗③機(jī)敏阻尼復(fù)合材料3)自修復(fù)機(jī)敏復(fù)合材料(2)智能復(fù)合材料簡介

8.4梯度功能復(fù)合材料

概念：選擇幾種材料，連續(xù)控制材料的組成、結(jié)構(gòu)、空隙等微觀因素，使得不同材料的界面組成和組織連續(xù)變化，性能連續(xù)變化，目的在于使材料內(nèi)部的熱應(yīng)力緩和。8.4.1梯度功能材料的設(shè)計(jì)