现代复合材料1－4章

null现代复合 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 现代复合材料材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 　主讲人：索进平 　TEL：87544307 什么是材料什么是材料　　　经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为“原料”，把经过工业加工的原料成为“材料”。 材料是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础,是人类活动不可缺少的东西 材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平 现代一个国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、信息的发展第一章　复合材料概述第一章　复合材料概述复合材料的定义和分类 复合材料的性能 复合材料的用途第一节　复合材料的定义和分类第一节　复合材料的定义和分类什么是复合材料： 　　国际标准化组织曾在塑料名词术语的定义中，把复合材料定义为：“由两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相体系”。（偏重性能） 　　有人认为：“由连续相的基体(如聚合物—树脂、金属、陶瓷等)与分散相的增强材料(如各种纤维、织物及粉末填料等)组合的多相材料称为复合构料”。（偏重结构） 材料的优缺点组合示意图材料的优缺点组合示意图复合材料的特点复合材料的特点 　(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面（相界面）。 　(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的 优良持殊性能。 　（3）复合材料具有可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 性。复合材料的分类复合材料的分类　按基体分类 聚合物基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 石墨基复合材料（碳/碳复合材料） 水泥基复合材料 　按增强相种类分 颗粒 晶须 纤维无机非金属基复合材料复合材料的分类复合材料的分类　按增强相的形状分 零维（颗粒） 一维（纤维） 二维（片状或平面织物） 三维（立体织物） 　按用途分 结构复合材料 功能复合材料 智能复合材料 　复合材料性能特点复合材料性能特点比强度和比模量高 　比强度＝强度/密度　比模量＝模量/密度 化学稳定性好 减摩、耐摩和自润滑性能好 耐热性高 高韧性和高抗热冲击性、导电和导热性 其它特殊性能：优良的电器绝缘材料复合材料性能比较: (1)强度和模量复合材料性能比较: (1)强度和模量复合材料性能比较:(1)强度和模量复合材料性能比较:(1)强度和模量(2)化学稳定稳定性(2)化学稳定稳定性金属材料不耐酸、Cl-腐蚀 金属材料不耐硫化腐蚀 塑料具有良好的耐腐蚀性能 陶瓷具有良好的耐硫腐蚀性能(3)减摩、耐磨和自润滑性能(3)减摩、耐磨和自润滑性能　　碳纤维可以增加石棉的摩擦系数，也可以降低塑料的摩擦系数。还可以增强聚合物材料耐磨性能 PVC增加3.8倍 PTFE增加3倍 PP增加2倍(3)耐热性能(3)耐热性能 耐热性是指材料在一定的温度上限内能长期使用，而其力学性能保持不低于80％的一种性能指标。 目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 ℃，金属基复合材料的耐温性较好，350－1100℃。 SiC Al2O3/陶瓷复合材料：1200－1400℃ SiC/Si3N4复合材料：1500℃ 复合材料的用途复合材料的用途机械 汽车 化学化工 航空航天 建筑 日常生活第二章　增强相第二章　增强相增强相的种类增强相的种类纤维及织物：有机和无机纤维、金属纤维 晶须：氧化物、氮化物和硼化物 颗粒：陶瓷和金属第一节　纤维第一节　纤维单丝(Monofilament)——指拉丝漏板每个孔中拉出的丝 原纱(strand)——指多根单丝(数目由漏板的孔数决定)从漏板拉出汇集而成的单丝束，也称纤维束丝〔Tow)、单股纱或原丝 捻度(Twist)——亦称捻数，指有捻纱或其它纱线在每米长度沿着轴向的捻回效(螺旋匝数)。S为左捻，逆时针，Z为右捻，顺时针 细度——指单丝的直径，一般用微米 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。 　　表示方法：重量法：用一克原纱的长度来表示，称为支数。 定长法：是目前国际上统一使用的方法，单位为Tex，系指1000米长原纱的克数。 null 粗纱(Roing)——由若干单股有捻纱、原纱或单股无捻纱以无捻或少捻平行集束而成。 无捻粗纱——有多股连续单股原纱并排合股而成(不加捻)以纱束，以构成原纱的股数和支数表示，如40支40股、40支20股等。一段来讲，无捻粗纱适于制作预浸料，因为它易于浸透树脂，有捻纤维适于编织。 短切纤维(Short fiber)——将原丝、无捻粗纱或加捻纱切断成或拉断成长度为35—150m(有的书中为0.6—60mm)的纤维，也称为短纤维。 长径比——短纤维长度与直径之比。 null 短纤维毡——由不规则的短切纤维随意交叉重叠铺成毡状簿片，随机器的移动均匀排列，用树脂粘结而成。 连续纤维毡——由纤维本身的卷缠而形成并由少量粘合剂粘合。这种毡蓬松而具有弹性。 纤维织物(c1oth)——用加了捻的纤维以不同方式编织的织物，依织法不同可以分为平纹布、斜纹布、缎纹布和单向布等。 无纬布——用胶液将平行的纤维连在一起的布．不加任何纬向纤维。横向粘结强度由树脂决定。 预浸料(Prepreg)——用于制造复合材料浸渍树脂基体的纤维或其织物经烘干或预聚的一种中间材料。 一、有机纤维一、有机纤维1、kevlar纤维：芳香族酰胺纤维 特点：高强度、高模量，韧性好，密度低 Kevlar49：聚对苯撑对苯二甲胺 Kevlar29：聚对苯酰胺 nullnull具有高的结晶度和取向度 具有垂直于纤维轴的层状结构Kevlar纤维的物理性能Kevlar纤维的物理性能Kevlar纤维的化学稳定性Kevlar纤维的化学稳定性2、超高分子量聚乙烯纤维2、超高分子量聚乙烯纤维特点：高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。但熔点较低(约135)，高温容易蠕变 用途：缆绳、武器装甲、防弹背心、航天航空部件null UHMWPE纤维的冲击强度几乎与尼龙相当，在高速冲击下的能量吸收是芳纶纤维（PPTA）、尼龙纤维的两倍。这种并疲劳性能非常适合制作防弹材料。 二、无机纤维二、无机纤维玻璃纤维：有碱(>12%),中碱()6-12%,低碱(2-6%)，无碱(<2%) 特点：耐腐蚀、高温；便宜；不耐磨、易折断 碳纤维：热膨胀系数小；耐高温蠕变；自润滑、导电性高；价格高 硼纤维：在钨丝表面沉积B 氧化铝纤维：耐热性和抗氧化性好；密度大 SiC纤维玻璃纤维的结构玻璃纤维的结构玻璃纤维的化学成分和结构玻璃纤维的化学成分和结构玻璃纤维的物理性能玻璃纤维的物理性能玻璃纤结的力学性能影响因素玻璃纤结的力学性能影响因素碳纤维的结构碳纤维的结构目前广泛采用的方法是在隔绝空气和水分的情况下，加热至1000℃左右分解碳化聚丙烯脂、黏胶纤维或沥青纤维。层与层之间的距离叫层间距，可用d表示，一股约为0.35nm[图a]。由数层到数十层组成石墨微晶，即碳纤维的二级结构单元[见图b]。再由石墨微晶组成原纤维[图c]，其直径为50nm左右，长度达数百纳米，这是碳纤维的三级结构单元。最后由原纤维组成碳纤维的单丝直径一般为6—8um。 碳纤维的性能碳纤维的性能 碳纤维的热膨胀系数呈各向异性。平行于纤维方向是负值，为-(0.72~0.90)×10-6/℃,垂直于纤维方向是正值。碳纤维的热导率也有方向性，平行纤维方向的热导率约为1.6w/(m·K)；垂直于纤维方向的热导率约为0.08w/(m·K) 。热导率随温度升高而下降，此外，碳纤维具有良好的导电性。碳纤维的性能碳纤维的性能热处理温度的影响热处理温度的影响 随着热处理温度的提高，碳纤维的电阻率随之降低。碳纤维属于半导体性质而石墨纤维的导电性比铝、铜还要高。 低热膨胀系数使碳纤维制品具有高度的尺寸稳定性。 氧化铝纤维的性能氧化铝纤维的性能SiC纤维的性能SiC纤维的性能金属纤维金属纤维金属纤维 钢纤维 　　　特点：导电性和导热性好，塑性和抗冲击性能好。nullnull纤维性能比较纤维性能比较 纤维的柔韧性及断裂 　都没有屈服 　Kevlar49是韧性断裂， 　其它为脆性断裂 比性能 　 CF的比模量最高 　GF的比模量最低 　PE的比强度和比模量配合最好　 热稳定性 　CF的耐高温性能最好 　Kevalr49最差 第二节　晶须第二节　晶须晶须(wisker)是指具有一定长径比(—般大于10)和截面积小于52×10－5cm2的单晶纤维材料。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。 晶须的生长机制晶须的生长机制VLS机制(V表提供的气体原料，L为液体触媒，S为固体晶须） 系统中存在的触媒液滴而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，直到停止生长第三节　　颗粒第三节　　颗粒刚性颗粒增强体或陶瓷颗粒增强体。具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、细金刚石等。 　 作用：提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。 延性颗粒增强体，主要为金属颗粒。 　　作用：增强材料的韧性。但高温力学性能会有所下降。颗粒增韧机制颗粒增韧机制 颗粒增强体可以通过三种机制产生增韧效果 当材料受到破坏应力时，裂纹尖端处的颗粒发生显著的物理变化，如晶型转变、体积改变、裂纹产生与增殖等，它们均能消耗能量，从而提高复合材料的韧性。这种增韧机制称为相变增韧和微裂纹增韧。 复合材料中的第二相颗粒使裂纹扩展路径发生改变，如裂纹偏转、弯曲、分叉、裂纹桥接或裂纹钉扎等，从而产生增韧效果。 以上两种机制同时发生，此时称为混合增韧。 null第四节　增强材料的表面处理第四节　增强材料的表面处理　作用：改善增强材料与基体的浸渍性相与界面的结合强度 聚合物基复合材料 　（1）偶联剂处理：有机硅烷，钛酸脂 　（2）等离子处理： 　（3）氧化处理 金属基复合材料 　　 对于金属基复合材料，对纤维进行表面处理的目的主要是改善纤维的浸润性，抑制纤维与金属基体之间界面发生反应形成界面反应层，如利用化学气相沉积技术在硼纤维表面沉积形成碳化硅或碳化硼涂层，可以抑制热压成型时硼纤维与钱之间的界面反应。对氧化铝纤维表面则可沉积镍或镍合金层。 第三章　复合理论第三章　复合理论第一节　复合原则第一节　复合原则材料组元的选择 依据：复合材料的性能 1、颗粒增强复合材料的原则 (1)颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体)或分子链的运动(聚合物基体)。 (2)颗粒直径的大小要合适，因为颗粒直径过大会引起应力集中或本身破碎导致材料强度降低；颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一般粒径为几微米到几十微米。 (3)颗粒的数量一般大于20％，数量太少，达不到最佳的强化效果。null2．纤维增强复合材料的原则 (1)纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高模量和高强度，因为除个别情况外，在多数情况下承载主要是靠增强纤维。 (2)纤维与基体之间要有一定的粘结作用，两者之间结合要保证所受的力通过界面传递给纤维。 (3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大。 (4)纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引起纤维性能降低而失去强化作用。 (5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。null制备方法的选择 原则： (1)所选的工艺方法对材料组元的损伤最小 (2)能使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)均匀分布或按预设计要求规则排列； (3)使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各单元组元仍保留着固有的特性。 第二节 复合材料的界面设计原则第二节 复合材料的界面设计原则 复合材料的界面，并不是个理想的几何面。实验证明，复合材料相与相之间的两相交接区是一个具有相当厚度的界面层，两相的接触会引起多种界面效应，随界面层的结构和性能不同于它两侧邻两侧相的结构和性质，具有如下特点： 具有一定厚度 性能在厚度方向上有梯度变化 随环境条件变化而改变 界面效应界面效应界面层的存在，导致界面效应的发生 (1)分割效应：—个连续体被分割成许多小区域，从而对基体力学性能造成影响。 (2)不连续件止：在界面上引起的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象，如电阻，介电特性，耐热性，尺寸稳定性等。 (3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收. (4)感应效应：在界面上产生的感应效应，特别是应变、内应力和由此引出的现象 界面设计原则 界面设计原则 适度粘接的界面层 　界面的作用： 　（1）把施加在整体上的力，由基体通过界面层传递到增强材料组元。 　（2）在一定的应力条件下能够脱粘，以及使增强纤维从基体拔出并发生摩擦。这样就可以借助脱粘增大表面能、拔出和摩擦功等形式来吸收外加载荷的能量以达到提高其抗破坏能力。 合适性质的界面层 　 一种是界面层的模量应介于增强材料与基体材料之间，最好形成梯度过渡。另一种观点是界面层的模量低于增强材料与基体，最好是一种类似橡胶的弹性体，在受力时有较大的形变。界面对性能的影响界面对性能的影响null 聚合物基复合材料的界面设计 关健：增强界面的浸润性 金属基复合材料的界面设计 关健：（1）对增强材料进行表面处理，增强浸　　　　渍性和防止界面反应 　　　 （2）选择金属元素。改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。 陶瓷基复合材料的界面设计 关健：需要一种既能提供界面粘接又能发生脱粘的界面层，这样才能充分改善陶瓷材料韧性差的缺点。 第三节 复合材料界面理论第三节 复合材料界面理论浸润性热力学原理：体系自由能减小 力平衡原理 null界面粘结 　　 粘结(或称粘合、粘着、粘接)是指不同种类的两种材料相互接触并结合在一起的一种现象。 1、机械作用理论 　　　机械作用机理如下图所示，当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。表面越粗糙，互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。 null2、静电作用理论 　当复合材料的基体及增强材料的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力。静电互作用的距离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。null3、化学作用理论 　　化学作用是指增强材料表面的化学基团(图中标有x面)与基体表面的相容基团(标有R面)之间的化学粘结。化学作用理论最成功的应用是偶联剂利用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。null4、界面反应或界面扩散理论 　　　复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。 第四节 力学性能复合原理第四节 力学性能复合原理颗粒增强 纤维增强 晶须增强4.1颗粒增强原理 4.1颗粒增强原理 弥散增强原理 弥散增强复合材料是由弥散微粒与基体复合而成。其增强机理与金属材料析出强化机理相似，可用位错（链段）绕过理论解释。载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错（链段）运动，微粒阻碍总体位错（链段）运动能力越大，增强效果愈大。 4.2颗粒增强原理4.2颗粒增强原理颗粒增强复合材料是由尺寸较大(＞1um)的坚硬颗粒与基体复合而成，其增强原理与弥散增强原理有区别。在颗粒增强复合材料中，虽然载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好。在外载荷的作用下，基体内位错滑移在基体／颗粒界面上受到阻滞，并在颗粒上产生应力集中，其值为 σi = n σ null 根据位错理论，应力集中因子为 因此 Gm为基体的剪切模量， b为柏氏矢量 Df为颗粒之间的距离为 null 如果σi ＝ σ P (颗粒强度)时，颗粒开始破坏，产生裂纹，引起复合材料变形 σ P =Gp/C (C为常数) 颗粒增强复合材料的屈服强度为 将体视学关系式代入得到 4.3单向连续纤维增强原理4.3单向连续纤维增强原理复合材料性能与组分性能、组分分布以及组分间的物理、化学作用有关。复合材料性能可以通过实验测量确定，理论和半实验的方法可以用于预测复合材料中系统变量的影响，但是不十分可靠，特别在单向复合材料的横向性能方面不准确。然而，数学模型在研究某些单向复合材料纵向性能方面相当精确的。 null4.3.1 纵向强度和刚度 (1)复合材料应力—应变曲线的初始阶段 连续纤维增强复合材料层板受沿纤维方向的拉伸应力作用，假设纤维性能和直径是均匀的、连续的并全部相互平行；纤维／基体之间的结合是完美的，在界面无相对滑动发生；忽略纤维和基体之间的热膨胀系数、泊松比以及弹性变形差所引起的附加应力。整个材料的纵向应变可以认为是相同的，即复合材料、纤维和基体具有相向的应变 在沿纤维方向的外加载荷由纤维和基体共同承担，应有 null 对于平行纤维的复合材料，体积分数等于面积分数 复合材料、纤维、基体的应变相同．对应变求导数，得到 d σ /de表示在给定应变时相应应力—应变曲线的斜率。如果材料的应力—应变曲线是线性的。则斜率是常数，可以用相应的弹性模量代人，得到 null(2)复合材料初始变形后的行为 一般复合材料的变形有4个阶段：①纤维和基体均为线弹性变形；②纤维继续线弹性变形，基体非线性变形；③纤维和基体都是非线性变形；④随纤维断裂，复合材料断裂。对于合属基复合材料来说，由于基体的塑性变形，第二阶段可能占复合材料的应力—应变曲线的相当部分。 null(3)断裂强度 对于纵向受载的单向纤维复合材料，当纤维达到其断裂应变值时，复合材料开始断裂。当基体断裂应变大于纤维断裂应变时，理论计算时一般假设所有的纤维在同一应变值断裂，如果纤维的断裂应变值比基体的小，在纤维体积分数足够大时，基体不能承担纤维断裂转移的全部裁荷，则复合材料断裂。这种条件下，复合材料纵向断裂强度可以认为与纤维断裂应变值对应的复合材料应力相等，从混合法则，得到复合材料纵向断裂强度 是纤维的强度． 是对应纤维断裂应变值的基体应力null在纤维体积分数很小时，基体能够承担纤维断裂后所转移的全部载荷，随基体应变增加，基体进一步承载，并假设在复合材料应变高于纤维断裂应变时纤维完全不能承载。这时复合材料的断裂强度为 式中 是基体强度。联立以上二式，得到纤维控制复合材料断裂所需的最小体积分数 null 当基体断裂应变小于纤维断裂应变时，纤维断裂应变值比基体大的情况与纤维增强陶瓷基复合材料的情况一致。在纤维体积分数较小时，纤维不能承担基体断裂后所转移的载荷，则在基体断裂的同时复合材料断裂，由混合法则得到复合材料纵向断裂强度 为对应基体断裂应变时纤维承受的应力 当纤维维体积分数较大时，纤维能够承担基体断裂后所转移的全部载荷．假如基体能够继续传递载荷，则复合材料可以进一步承载，直至纤维断裂，这时复合材料的断裂强度为 同样的方法，可以得到控制复合材料断裂所需的最小纤维体积分数为 4.3.2横向刚度和强度4.3.2横向刚度和强度(1)Halpin—Tsia 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 复合材料横向弹性模量 其中 ξ是与纤维几何、堆积几何及载荷条件有关的参数，纤维截面为圆形和正方形时等于2，矩形纤维为2a/b,a/b是截面尺寸，a处理加载方向 null(2)横向强度 与纵向强度不同的是，纤维对横向强度不仅没有增强作用，反而有相反作用，使得复合材料的断裂应变比未增强基体低得多。 如果复合材料的横向强度受基体强度控制，即基体的横向强度乘以衰减因子S，那么S可以看作是应力集中系数SCF或者应变集中系数SMF，在忽略泊松效应时为： 第五节 其它物理性能的复合原理第五节 其它物理性能的复合原理目前尚未掌据所有物理性能的复合规律。已经了解得比较清楚的是一些单纯加和性(符合线性法则)的简单物理性能，如密度、比热容、介电常数、导磁率等。其中导电率、电阻、导磁率和热传导等物理性能的复合法则与力学性能一样，混合物定律大致是成立的。 6.1热导率6.1热导率（1）单向复合材料 纵向和横向的热导率可按以下两式估算 式中，K为热导率；下标L、T分别表示纵向和横向；f、m分别表示纤维和基体 (2)二维随机短纤维复合材料 纤维排布平面法线方向的热导率为 式中，S11为形状因子，与短纤维的形状有关。如果短纤维是椭圆形截面的粒状体(a1,a2<