第一章聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展-2.ppt

复合材料,2,课程简介,一、课程性质与地位 单一聚合物材料往往难以满足社会对聚合物材料愈来愈高的要求，多相复合材料成为当前材料研究的重要对象。聚合物基复合材料是目前研究最为深入、工艺最为成熟、品种最为齐全、应用最为广泛的一类复合材料。它已经成为航空、航天、兵器等领域的骨干材料之一，其在化工、船舶、桥梁、体育用品、建筑等领域已经获得广泛的应用。,3,二、课程教学目标 本课程是材料科学与工程专业扩大知识面的一门专业必修课，它为以后从事复合材料生产、研发等工作奠定了一定的基础。本课程的主要任务是让学生能够对聚合物基复合材料的基本概念、组分材料、界面特征及复合材料的成型工艺有所了解和掌握。能够对聚合物复合材料的基本知识及其在国民经济中的用途有全面的了解，同时具有初步的复合材料设计能力，为学生今后在复合材料领域的深造和专门研究奠定较坚实的基础。,课程简介,4,课程简介,教材： 王汝敏等编，聚合物基复合材料（第二版），科学出版社， 2011年 教学参考书： 黄丽等编，聚合物复合材料，中国轻工业出版社 吴人洁等编，复合材料，天津大学出版社 沃丁柱等编，复合材料大全，化学工业出版社 陈祥宝等编，高性能树脂基体，化学工业出版社 课程教学形式: 以课堂讲授为主，作业: 习题和查阅资料。 考试课程，考试形式是闭卷，考试成绩按平时成绩(30%)和卷面成绩 (70%)综合计算。,5,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.1 前言：,一、材料的发展与人类社会的进步 材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。 当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的四大支柱，它会将人类物质文明推向新的阶段。 20世纪出现的高性能塑料和复合材料，以历史上少有的发展速度渗透到国民经济和人们生活的各个领域，成为传统材料的替代品，并显示出奇特的优异性能。 二十一世纪将是一个新材料时代。,6,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,二、 复合材料的提出 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。 很明显，传统的单一材料无法满足以上综合要求，当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料虽然仍在不断日新月异地发展，但是以上这些材料由于其各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。 复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。,1.1 前言：,7,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,三、复合材料的发展历史和意义 1、复合材料的发展历史 6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用； 20世纪40年代，美国用碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材，发展成为玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种广泛应用的比较现代化复合材料。,1.1 前言：,8,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,2、复合材料的意义 现代高科技的发展更是离不开复合材料。例如：火箭壳体材料对射程的影响:,1.1 前言：,9,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,碳/碳复合材料 以碳纤维或碳化硅纤维(或织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。碳基复合材料有两种制备方法： 一是浸渍法，即用增强体浸渍熔融的石油或沥青，再经碳化和石墨处理，它的基体是石墨碳，呈层状条带结构，性能是各向异性的。还有用增强体浸渍糠醇(呋喃甲醇)或酚醛等热固性树脂，只经碳化处理，它的基体是玻璃碳，即无定型碳结构，性能是各向同性的； 另一是CVD法，即把烃类化合物的热解碳沉积在增强体上来进行复合，这种方法的碳基体是类似玻璃碳的热解碳。碳/碳复合材料不耐氧化，所以有时需要加抗氧化涂层。,10,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,印刷电路板(玻璃钢)，轮胎（纤维增强橡胶） 雷达罩（玻璃纤维增强树脂） 火箭外壳（碳纤维/树脂）（碳/碳复合材料） 人造卫星天线（碳纤维/镁合金） 航天飞机框架（硼纤维/铝合金） 网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇 休闲 汽车活塞、连杆、自行车飞轮等 民用工业,3、复合材料举例,面广,尖端,1.1 前言：,11,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,人类第一架全 复合材料飞机,1.1 前言：,12,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,复合材料制品,羽毛球拍 高尔夫球杆,机器零件,1.1 前言：,13,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.2 复合材料简介,composite material：定义 由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料（通常是增强材料和基体材料）通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又显示了原组分材料所没有的新性能。,14,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,特征： （1）微观上是非均相材料，组分材料间有明显的界面； （2）组分材料性能差异很大； （3）组成复合材料后性能有较大的改进； （4）组分材料的体积分数应大于10%。 三种基本的物理相： （1）基体相：连续的 （2）增强相：分散的、被基体所包容 （3）界面相：增强相与基体相之间的交界面,1.2 复合材料简介,15,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.3 复合材料的命名及分类,按基体材料类型命名： 金属基复合材料、无机非金属基复合材料、聚合物基复合材料 以增强纤维的类型来命名： 玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、混杂复合材料 例： 玻璃/环氧复合材料：玻璃纤维环氧树脂复合材料 （环氧玻璃钢） 碳/金属复合材料：碳纤维和金属基体构成的复合材料 碳/碳复合材料（C/C复合材料）：碳纤维和碳基体构成的复合材料,16,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.3 复合材料的命名及分类,分散相形态 (1)连续纤维增强 (2)纤维织物增强 (3)片状材料增强 (4)短纤维增强 (5)颗粒增强 (6)纳米增强,基体材料类型 (1)金属基 (2)无机非金属基 陶瓷基 碳基 (3)聚合物基 热固性树脂基 热塑性树脂基,增强纤维的类型 (1)碳纤维 (2)玻璃纤维 (3)有机纤维 (4)硼纤维 (5)碳化硅 (5)混杂纤维,1,3,2,17,以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称为玻璃纤维增强塑料，或称为玻璃钢。(国际公认的缩写符号为GFRP),由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。,玻璃钢是一种品种繁多，性能各别用途广泛的复合材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而成的一种功能型的新型材料。,玻 璃 钢 简 介,18,玻璃钢 用玻璃纤维作筋骨 用合成树脂（酚醛塑料、环氧树脂及聚酯树脂）作肌肉,钢筋混凝土 用钢材作筋骨 (钢材耐拉) 水泥砂石作肌肉(水泥块耐压),玻 璃 钢 简 介,19,目前生产的玻璃钢主要指热固性而言。,热塑性,热固性,树脂,塑料,热塑性,热固性,如果用玻璃纤维去增强热塑性塑料，可称为热塑性玻璃钢,如果用玻璃纤维去增强热固性塑料，就叫做热固性玻璃钢,返回,玻 璃 钢 简 介,20,（1）轻质高强,相对密度在1.52.0之间，只有碳钢的1/41/5，可是拉伸强度却接近，而比强度可以与高级合金钢相比。,玻 璃 钢 简 介,21,（2）耐腐蚀性能好,FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力,（3）电性能好,是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。已广泛用于雷达天线罩。,（4）热性能良好,FRP热导率低，只有金属的1/1001/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000以上承受高速气流的冲刷。,玻 璃 钢 简 介,22,1.玻璃钢材料是一种具有可设计性的材料品种: 可以根据不同的使用环境及特殊的性能要求，自行设计复合制作而成，因此只要选择适宜的原材料品种，基本上可以满足各种不同用途对于产品使用时的性能要求。 2.玻璃钢产品，制作成型时的一次性: 只要根据产品的设计，选择合适的原材料铺设方法和排列程序，就可以将玻璃钢材料和结构一次性地完成，避免了金属材料通常所需要的二次加工，从而可以大大降低产品的物质消耗，减少了人力和物力的浪费。,与常用的金属材料相比，它还具有如下三个特点：,玻 璃 钢 简 介,23,3.玻璃钢材料，还是一种节能型材料: 若采用手工糊制的方法，其成型时的温度一般在室温下，或者在100以下进行，因此它的成型制作能耗很低。,返回,玻 璃 钢 简 介,24,不足之处,（1） 弹性模量低 FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×106）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。 可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。 （2） 长期耐温性差 一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50以上强度就明显下降，一般只在100以下使用；通用型环氧FRP在60以上，强度有明显下降。但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200300是可能的。 （3） 老化现象 老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外线、风纱雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。 （4） 层间剪切强度低 层间剪切强度是靠树脂来承担的，所以很低。可以通过选择工艺、使用偶联剂等方法来提高层间粘结力，最主要的是在产品设计时，尽量避免使层间受剪。,玻 璃 钢 简 介,25,生产方法,如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、RTM法(树脂传递模塑成型技术)、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。,目前世界上使用最多的成型方法有以下四种。 手糊法：主要使用国家有挪威、日本、英国、丹麦等。 喷射法：主要使用国家有瑞典、美国、挪威等。 模压法：主要使用国家有德国等。 RTM法：主要使用国家有欧美各国、日本。,玻 璃 钢 简 介,26,玻璃钢的应用,它的应用范围相当广泛，主要有以下应用领域： 1.化工、制药、石油等行业 2.船舶行业 3.汽车、摩托车及自行车行业 4.航空航天、军工业 5.运动娱乐制品及设施 6.电气、电子、电器、通信行业 7.交通、物流行业 8.工艺品 9.建筑行业 10.暖通、空调及水工程 11.其他,27,28,29,玻璃钢制的花盆,30,可视电话罩壳,格栅,垃圾筒,31,玻璃钢游艇,32,玻璃钢在汽车中的应用,33,板材,玻璃钢门,电表箱,34,管道,冷却塔,容器,35,玻璃钢制的浮雕工艺品,高压电缆护罩,36,在轨道交通车辆中的应用,1、 机车导流罩 2、 司机室 3、 外顶板 4、 上顶板和下层地板 5、 内墙板 6、 通过台 7、 卫生间 8、 外部门板 9、 设备保护外壳 10、 内板家具 和座椅 11、 行李箱 12、 内板隔板和门板,37,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.4 复合材料的成型方法,38,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.5 复合材料的特性,1.5.1 比强度、比模量高,比强度 = 强度/密度；比模量 = 模量/密度。 碳纤维树脂基复合材料：较高的比模量和比强度 玻璃纤维由于模量相对较低、密度较高，其玻璃纤维树脂基 复合材料的比模量略低于金属材料,39,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.5 复合材料的特性,1.5.2 耐疲劳性能好、破损安全性能高 金属材料的疲劳破坏：没有明显预兆的突发性破坏； 复合材料：纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展逐步进行，时间长，破坏没有明显的预兆。 金属材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的30-50%，聚合物基复合材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的70-80%,40,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.5 复合材料的特性,1.5.3 阻尼减振性好 复合材料有较高的自振频率，不易产生共振。基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力。 1.5.4 具有多种功能性 （1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好 （2）优异的电绝缘性能和高频介电性能 （3）良好的摩擦性能（碳纤维：低摩擦系数和自润滑性） （4）良好的耐腐蚀性 （5）有特殊的光学、电学、磁学的特性,41,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,1.5.5 良好的加工工艺性 （1）材料具有可设计性 （2）根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法 （3）可整体成型，减少装配零件的数量，节省工时、材料、质量 1.5.6 各向异性和性能的可设计性 纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种类和体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层次序和层数密切相关。,1.5 复合材料的特性,42,缺点和问题： 工艺方法的自动化、机械化程度低 材料性能的一致性和产品质量的稳定性差 质量检测方法不完善 长期耐高温和环境老化性能不好,1.5 复合材料的特性,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,43,1.6 复合材料的应用 1.6.1 在航空航天工业中的应用,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,增韧石墨,石墨,混杂复合材料,玻璃纤维,44,芳纶/杜邦聚酰胺,芳纶/泡沫芯板,碳纤维/杜邦聚酰胺,碳纤维/环氧树脂,碳纤维/芳纶/环氧树脂,玻璃纤维增强塑料,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,45,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,46,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,47,GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,48,大推力、高涵道比涡扇发动机大量运用了复合材料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,49,B-2隐形轰炸机 除主体结构是钛复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射。,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,50,轻巧的碳/碳复合材料,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,51,全复合材料机身：轻型机的价格，中型机的宽敞客舱，客舱内站立高度为1.65米。,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,52,目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%，而某些直升机早已达到90%,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,53,荷兰计划研发新型绿色环保飞机 外形将酷似飞碟，另一个设想就是使用复合材料，如纤维增强塑料。这种复合材料强度可与金属媲美，而重量却比金属轻得多，可以节省燃油。,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,54,1.6.2 复合材料在其他行业上的应用,复合材料 军用吉普车,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,55,超级跑车 车身大量应用碳纤维复合材料,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,56,生产充气船及其胶布制品，采用国际上先进的A级RTP复合材料,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,57,新型日光温室复合材料 温室骨架和纵拉杆全部采用复合材料制成,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,58,绿可木，生态木塑复合材料，木塑复合材料吸音板,复合材料（玻璃钢）制品,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,59,采用高分子复合材料制作浮雕和雕塑,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,60,碳纤维/树脂复合材料,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,61,碳/碳复合材料,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,62,生物医学制品和体育运动,复合材料被用来预防受伤，矫正生理机能，和帮助病人复原。,生物医学制品和以体育运动器材为主的碳纤维复合材料制品,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,63,热塑性复合材料在近20年中，增长速率持续较快，是热固性的3倍。,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,64,JS系列自润滑复合材料与部件,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,65,三维纺织预成型技术和RTM技术是研制和开发高性能复合材料结构件的关键技术。RTM成型的复合材料头盔。,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,66,聚合物纳米复合材料,传统的 复合材料,插入的 纳米复合材料,片状剥离的 纳米复合材料,聚合物,层状粘土,第一章 聚合物基复合材料的概念、特性、应用与进展,67,1.7 复合材料的进展 降低纤维价格和开发新纤维； 扩大复合材料的应用； 发展新的设计、制备方法和新的复合技术； 发展混杂纤维复合材料； 发展功能、多功能、机敏、智能复合材料； 发展纳米复合材料和仿生复合材料 复合材料在21世纪中的重要作用,