复合材料增强体的种类与性能.ppt

高性能树脂及复合材料,——增强材料的种类与性能,复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。,复合材料,,多相材料,,增强相：起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用,基体相：是连续相材料，作用是把改善性能的增强相材料固结成一体，并传递应力,The most important parts include:,Reinforced materials,Matrix materials,Interface between them,Matrix materials,Polymer (Resin) matrix Metal matrix Ceramic matrix,纤维增强树脂基材料中基体的主要作用有： 将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维之间传递载荷，并使载荷均衡； 决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、剪切性能、耐介质性能(如耐水性、耐化学性)等； 决定复合材料的成型工艺方法及工艺参数的选择； 保护纤维免受各种损伤。 此外，对复合材料如横向性能、纵向拉伸、压缩性能、疲劳性能、断裂韧性等也有一定的影响。,界面的基本概念和粘结理论,界面是复合材料的三要素之一。 对于纤维增强复合材料来说，没有一个良好结合的界面，纤维增强作用和基体应力转移过程就无从谈起。 界面结构和性质上的复杂性以及界面本身表征的难度，有必要对界面的基本概念和界面内的作用作些概述。,通常认为界面不是一个单一的结合面，而是有一定厚度和不同作用区域的界面层。许多研究表明，纤维增强复合材料的界面是一个界面层。,由纤维表面层、纤维与基体相互作用和渗透部分、以及基体表面层构成的多层过渡层。,,如上图(a)所示的三个层区。 如果存在粘结剂涂层时，在理论上可以将其分成两个界面区，即基体与粘结剂界面区和粘结剂与纤维界面区。但更为实用和方便的解释模型如图(b)所示，是将原相互作用区扩展为一个多层的粘结区，或称为相互作用区。,,在宏观上，表面、界面或接触面的概念都十分明确，边界也很容易确定；但在讨论接触面之间的相互作用时，却是一个微观层次的概念。 其相互作用区可能是一种物理或化学的作用，也可能是一种分子相互纠缠的区域。这些在微观上是很难区分其边界。,界面的粘结强度与分子的极性、相互作用力大小以及实际产生纠缠的分子数量有关。 对低分子物来说，可以因为分子或原子在界面的位移或换位，使物质转移和相互渗透。这也会产生一扩散的过渡层，形成两物质间的粘结，其粘结强度取决于分子之间的作用力。,界面间作用,扩散缠结 纤维增强复合材料大都是高聚物间的复合粘结。两种高聚物表面的大分子头端或支链的伸出端，会在其间作用面上产生相互的扩散、纠缠，形成分子网络，如图(a)所示。,(a),化学键的作用 化学键的作用形式如图(b)所示，是带有A基团的物质与具有B基团的物质相互接触时，因A、B基团的化学反应，使两物质以化学键接形式结合在一起，构成界面。该界面的强度直接取决于化学键的数量与类型。由于化学键的结合能量较高，因此这类界面的相对稳定性较好，不易破坏。,(b),,,静电吸引 静电吸引是两个相互靠近的表面间因各自所带电荷的极性不同而产生的相互吸引作用。这种作用从广义上说，既可以是持久静态作用，也可以是瞬间变化作用，属范德华力的作用。由静电吸引产生的界面粘结效果，在很大程度上取决于表面电荷的密度和两表面相互接触的程度，其作用形式如图(c)所示。,(c),许多高聚物表面，或经改性后的表面，或带有涂层剂的表面，都会存在许多游离或伸出的官能团。这些官能团的正、负极性端会吸附在相应的阴离子或阳离子表面上，构成相互作用区，如图(d)所示。,静电吸引作用较化学键要弱得多，但在良好接触的极性表面间，或能够形成较多的次价键作用时，对界面强度的提高，就是不可忽视的一种作用形式。,(d),机械锁结 见图(e)。如只考虑两相结合面上的机械物理作用，界面的强度主要取决于表面锁结点的多少，即表面粗糙度和材料的剪切屈服强度。,(e),如图(e)所示的情形，两物质相切移动时，或其间为剪切作用时，界面的抗剪粘结强度较高， 两物质相离运动时，即界面拉伸分开时，其粘结强度较低。 事实上，机械锁结是一种宏观现象，在微观的接触面上，必定存在前述三种作用形式，故大多数高聚物间的界面作用形式是这里所述几种形式的复合。,增强材料，是聚合物基复合材料的骨架。是复合材料中能提高基体材料力学性能的组元物质，它是决定复合材料强度和刚度的主要因素。,增强体材料的种类和性能,碳纤维,玻璃纤维,硼纤维,晶须,金属纤维,无机纤维,,碳纤维：是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物， 或是纤维化学组成中碳元素占总质量90％以上的纤维。,NOTE：只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作为CF的原料；有些纤维要经过予氧化处理后才能符合要求。,根据原丝类型,根据碳纤维性能,根据碳纤维的功能,根据制造条件和方法,,,,,,CF分类方法,,Carbon fiber,,聚丙烯腈基 粘胶基 沥青基 木质素纤维基 其他有机纤维基,根据原丝类型,高强度CF (HS)、 高模量CF (HM)、超高强CF (UHS)、超高模CF (UHM)、高强－高模CF、中强－中模CF 等,,通用级CF：,高性能CF,根据碳纤维性能,拉伸强度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa,Carbon fiber,,受力结构用CF 耐焰用CF 导电用CF 润滑用CF 耐磨用CF 活性CF,根据碳纤维的功能,Carbon fiber,碳纤维：碳化温度1200～1500oC，碳含量95％以上。 石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含量99％以上。 活性碳纤维：气体活化法，CF在600～1200oC，用水蒸汽、CO2、空气等活化。 气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维－晶须或短纤维。,根据制造条件和方法,Carbon fiber,表面沉积物,表面机械损伤,表面裂纹,表面毛纤,碳纤维存在多种缺陷，这些缺陷大致可分为表面和内部缺陷两大类型。,脆性材料 易在裂纹尖端产生应力集中以裂纹迅速传播和扩展来形成新的表面，使集中的应力得以消除，导致在较低应力下就发生断裂。裂纹是制约强度的主要因素之一。,内裂纹,内孔洞,石墨晶体结构与乱层结构图 a—石墨晶体的重叠状态；b—乱层结构的重叠状态,Carbon fiber,碳纤维的结构,,,碳纤维的结构,石墨层片,石墨微晶 （乱层结构）,石墨原纤 （条带结构）,碳纤维,,一级结构单元,La<20nm,二级结构单元,数张或数十张,三级结构,乱层结构； 层片之间的距离比理想晶体的大,普通型 高强度型 高模量型,碳纤维的结构模型,拉伸强度与微晶尺寸的平方根成反比， 细晶化是提高材料强度的主要措施之一。 原因：,减缓了在晶界处产生的残余应力，这也就减缓了产生裂纹的力； 裂纹在穿越晶界继续扩张时要改变方向，消耗较多能量； 晶界面积较大，塑性变形能大，裂纹在扩张过程中也需要消耗较大能量；,碳纤维强度与微晶的大小,碳纤维的力学性能,密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密度越大； 热膨胀系数：纤维向(-1.5～-0.5) ×10-6/K 垂直纤维向（5.5～8.4）× 10-6/K 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 垂直纤维向0.837 W /(m·K) 导电性好：高模量CF比电阻755μΩ·cm 高强度CF比电阻1500μΩ·cm,碳纤维的物理性能,碳纤维的化学性能,抗氧化性好：除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，温度高于400℃时出现明显的氧化，生成CO和CO2； 耐热性：在不接触空气和氧化气氛时，碳纤维要在1500 ℃强度才开始下降； 耐油、抗辐射、吸收有毒气体、减速中子等。,Carbon fiber,玻璃纤维：将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细丝而成。 质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布，玻璃带等织物。,玻璃纤维无捻粗纱,短切纤维,Glass fiber,SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离子结构物质。 （1） SiO2：作用：形成基本骨架，高熔点。 （2） 金属氧化物 Al2O3、 CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3等， 作用： ① 改善制备玻璃纤维的工艺条件： Na2O、 K 2O； ②使玻纤具有一定特性。 BeO：提高模量； B2O3：提高耐酸性，改善电性能，降低熔点、黏度。但模量和强度下降。,玻璃纤维的组成,按化学组成分为（碱金属氧化物含量） 有碱玻璃纤维 >12%; 中碱玻璃纤维 6% ~12%； 低碱玻璃纤维 2% ~ 6% ； 微碱玻璃纤维 <2%（无碱玻璃纤维） 按纤维使用特性分为 普通玻璃纤维（A-GF） 电工用玻璃纤维（E玻璃纤维） 高强型玻璃纤维（S 玻璃纤维） 高模量型玻璃纤维（M-GF） 耐化学药品玻璃纤维（C玻璃纤维） 耐碱玻璃纤维（ AR玻璃纤维：alkali-resistant ） 低介玻璃纤维（ D玻璃纤维：dielectric ） 高硅氧玻璃纤维 石英玻璃纤维,玻璃纤维的分类,典型GF的力学性能,密度：2.4～2.9； 耐磨性和耐折性：都很差； 热性能：导热率小0.035W/（m·K），隔热性好—优良的绝热材料；耐热性好，软化点为550～580℃；热膨胀系数4.8×10-6/K 电性能：优良的电绝缘材料； 光学性能：优良的透光材料；,玻璃纤维的物理性能,C-玻纤：对酸的稳定性好，但对水的稳定性差； E-玻纤：耐酸性较差，但耐水性较好； C-玻纤和E-玻纤耐碱性接近，耐碱性好； S-玻纤和M-玻纤的耐酸性和耐水性好，耐碱性也好于C-玻纤和E-玻纤。,玻璃纤维的化学性能,玻璃钢应用于体育用品,有机纤维,芳纶纤维,超高分子量聚乙烯纤维,聚酯纤维,芳纶纤维（Kevlar纤维)是芳香族聚酰胺类纤维的总称。最常用的为Kevlar-49。 主要性能： 高强度：3773MPa 高模量：127～158GPa 抗冲击性好：约为石墨纤维的6倍、硼纤维的3倍； 低密度：1.44～1.45，只有铝的一半； 热膨胀系数：纤维向-2×10-6/K，横向59×10-6/K。,芳纶纤维,也称Kevlar或芳纶，即芳香族聚酰胺纤维 1）1960年，美国杜邦研制出Nomex——聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，即芳纶1313，耐热纤维 2）1965年，杜邦研制出Kevlar——聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，即芳纶1414，高强高模量纤维 3）1974年，美国联邦通商委员会把全芳香族聚酰胺命名为Aramid。,芳纶纤维发展历史,芳纶纤维布,芳纶手套,芳纶绳索、环形带（套管）,Kevlar纤维的制造,芳香族聚酰胺是由酰胺键与两个芳环连接而成的线性聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的首称聚对苯二甲酰对苯二胺(Poly-p-phenylene terephthalamide)，简称PPTA。,高聚物溶液的特性： 1）高聚物溶液不溶于一般的溶剂，仅溶于强酸，如硫酸、氯酸、硝酸等。一般用硫酸； 2）高聚物溶液呈液晶高聚物的特点。体积分数20%,高取向的液晶,各向异性； 3）聚合物体积分数18-22%，温度90℃处于可纺性良好的低粘度区。,Kevlar纤维的制造,超高分子量聚乙烯,超高分子量聚乙烯UHMW—PE (Ultra--high molecular weight polyethylene) 1 ）20世纪30年代提出超强聚乙烯基础理论 2）1979年荷兰DSM公司发明了凝胶纺丝法并申请专利； 3） 1990年开始商业化生产； 4）1998年宁波大成化纤集团公司、中国石化总公司与中国纺织大学材料学院联合研制成超高强高模聚乙烯纤维。,优点：世界上最坚韧的纤维 密度较小，一般为0.97g／cm3，比强度、比模量都较高。 断裂伸长为3％～6％。利用高强聚乙烯纤维制作的复合材料，在受到高速冲击作用时，能吸收大量能量，因此适于做防护材料。以高强聚乙烯纤维为基体的复合材料，多用作轻重量的物件，如浮筒、船舶、雷达透波结构件、安全帽、防护服等。 在弯折状态下，高强聚乙烯纤维不易折断，摩擦系数小，只有0.07-0.11，且具有良好的自润滑性，耐磨性好，特别适于纺织加工。 高强聚乙烯纤维具有较好的抗紫外线辐射性能，在日光下照射1000h，其强度保持率为70％。 高强聚乙烯纤维具有较强的耐化学性，电磁波透过性好。,超高分子量聚乙烯,超高分子量聚乙烯,难加工，生产效率低，成本高。 耐热性差，熔点较低，约为150℃，使用温度一般应控制在70℃。 粘结性能差：e.g.高强聚乙烯与热固性树脂的粘结性较差，可以通过树脂的改性来解决。 综合机械强度差，易蠕变: 在恒定载荷下，该材料会有相当高的蠕变，采用交联方法，或电子束辐射，可以有效地改善材料的抗蠕变性能。 不阻燃，使用时严禁接触明火。,类型：用作强度材料的主要为陶瓷晶须。 主要性能： 高强：在纤维中强度最高，原因是它的直径非常小，容纳不下使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。 耐高温：Al2O3晶须在2070 ℃下仍能保持7000 MPa的拉伸强度。 应用：由于价格高，目前主要应用在空间和尖端技术领域。,晶须,晶须的基本性能,化学气相沉积（CVD）法 溶胶—凝胶法 气液固（VLS）法 液相生长法 固相生长法 原位生长法。,晶须的制备方法,晶须的生长机制,VLS机制(V为提供的气体原料，L为液体触媒，S为固体晶须） 系统中存在的触媒液滴是气体原料和固体产物之间的媒介，形成晶须的气体原料通过气—液界而输入到小液滴中，使小液滴成为含有晶须气体原料的熔体，当熔体达到一定的过饱和度时析出晶体，并沉积在液滴与接体的界面上。随着气源的连续供给，晶须连续长出，而将小液滴抬起，直到停止生长。,颗粒增强物,颗粒增强物：主要有Al2O3、SiC、Si3N4、TiC、B4C、石墨和CaCO3等 主要用途：陶瓷颗粒常用于MMC和CMC，而石墨、CaCO3常用于RMC。,如在Al合金中加入体积为30％，粒径为0.3 μm的Al2O3颗粒，材料在300 ℃时的拉伸强度仍可达220 MPa，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。 　　在Si3N4陶瓷中加入体积为20％的TiC颗粒，可使其韧性提高5％。,The end of this section,