普通化学――复合材料(2015)

《普通化学》主讲：梅崇珍复合材料复合材料概述定义：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质采用适当的工艺组合而成的一种多相固体材料。这种多相固体材料的性能比单一材料的性能优越。一、复合材料（Compositematerials）的定义复合材料概述天然复合材料：竹子、木材、动物皮肤、贝壳等。最原始的人工复合材料：6000年前，我国古代劳动人民使用的土坯砖建筑材料是用粘土和稻草组成的。古代金属基复合材料：越王剑用的是一种金属包层复合材料，在潮湿的环境中埋藏了几千年，出土时仍光亮夺目，锋利无比。复合材料概述小飞守角制作古代用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。复合材料的历史复合材料发展第一代：1942~1960年，玻璃纤维增强塑料时代。复合材料发展第二代：1960~1980年，先进复合材料发展时代，主要研究增强材料，英国研制碳纤维，美国研制了Kevlar纤维（凯芙拉，一种新型复合材料聚对苯二甲酰对苯二胺）。用于飞机、火箭的主承力构件。复合材料发展第三代：1980~1990年，纤维增强金属基复合材料时代，其中铝基复合材料应用最广泛；同时陶瓷基复合材料也得到研究和发展。复合材料发展第四代：1990~至今，主要发展多功能复合材料，梯度功能材料、纳米复合材料、仿生复合材料。复合材料概述二、复合材料的组成组成：复合材料由基体(matrix)、增强体(reinforcement)和两者之间的界面组成。基体：处于连续相的材料为基体；增强体：分散在基体中的粒子或纤维称为增强材料，又叫分散材料。主要有纤维、晶须和颗粒。复合材料概述三、复合材料的命名及表示方法1、强调基体材料时以基体材料命名，如金属基复合材料。2、强调增强材料时以增强材料命名，如碳纤维增强复合材料。3、强调基体材料和增强材料时，两者并用，如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。纤维增强高分子复合材料复合材料概述1、增强材料/基体材料如WC/Co（读作：由碳化钨增强的钴基复合材料）；SiC（P）/Al（读作：由碳化硅颗粒增强的铝基复合材料）；C（F）/EP（读作：由碳纤维增强的环氧树脂复合材料）。2、英文编号的缩写如FRP：纤维增强塑料（FiberReinforcedPlastics）；PMC：聚合物基复合材料；MMC：金属基复合材料；CMC：陶瓷基复合材料；FRC：纤维增强复合材料；三、复合材料的命名及表示方法复合材料概述四、复合材料的分类按基体材料分类1、聚合物基复合材料（PolymerMatrixComposites，简写PMC）2、金属基复合材料（MetalMatrixComposites，简写MMC）3、陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites，简写CMC）4、碳碳基复合材料（Carbon-CarbonComposites，简写C/C）复合材料概述按增强材料的形状分类1、纤维增强复合材料：将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。2、夹层增强复合材料：由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。3、颗粒增强复合材料：将硬质细颗粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。4、混杂复合材料：由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。四、复合材料的分类复合材料概述小飞守角制作总之，按不同的标准和要求，复合材料通常有以下几种分类法：1.按基体材料分类2.按增强相形状分类3.按复合材料的性能分类小飞守角制作•复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。非金属无机材料金属复合材料小飞守角制作（一）按复合材料基体材料分类氟金云母TPD钻头井盖聚合物基陶瓷基金属基复合材料小飞守角制作（二）按复合材料增强相形状分类复合材料纤维增强粒子增强材料和层状玻璃纤维垃圾桶塑料增韧剂钛标准件小飞守角制作（三）按复合材料性能分类复合材料结构功能消防衣防火性能结构件的环氧碳纤维1、高比强度、高比模量（刚度）：比强度=强度/密度单位：MPa/(g/cm3),比模量=模量/密度单位：GPa/(g/cm3)。2、良好的高温性能：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350C；金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在3501100C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C；碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。五、复合材料的基本性能（优点）复合材料概述3、良好的尺寸稳定性：加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。4、良好的化学稳定性：如聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。5、良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善。6、良好的功能性能。五、复合材料的基本性能（优点）复合材料概述小飞守角制作与传统材料（如金属、木材、水泥等）相比，复合材料是一种新型材料。它具有许多优良的性能，并且其成本在逐渐下降，成型工艺的机械化、自动化程度也在不断地提高。因此，复合材料的应用领域日益广泛。六、复合材料的应用复合材料概述小飞守角制作1、复合材料在建筑上的应用例如：房屋建筑、亭体建筑、采光建筑、园林建筑与造景、塔建筑、室内设计装饰等上海东方明珠电视塔——电视塔大堂屋盖玻璃钢结构，玻璃钢是一种很好的复合材料，有着作为艺术材料服务于建筑造型的优越性。小飞守角制作2、复合材料在交通工具上的应用陆地：火车、汽车、摩托车、自行车、滑板车等；航海：轮船、游艇、军舰等；航空：客机、战机、直升飞机等；航天：火箭，宇宙飞船等。直升飞机——它的桨叶采用玻璃纤维或碳纤维布等不同结构形成，具有抗疲劳性，使直升飞机在高空中保持稳定，平行，充分发挥复合材料的结构特性。小飞守角制作3、复合材料在医疗上的应用例如：假肢、关节、CT设备、身心保健设备、超声诊断仪装置、磁共振诊断装置、残疾人辅助工具等残疾人轮椅——它采用玻璃纤维增强尼龙树脂，特殊加气加压成型，轻质高强、造型轻便、外观灵巧，便于残疾人士生活自理。小飞守角制作4、复合材料在体育用品上的应用例如：体育场馆，体育设施，体育器材等篮球板——玻璃钢篮球板表面光滑、富有弹性、耐磨、抗冲击力好，是代替木质篮板的良好选择。1、玻璃纤维(GF)：无机纤维，便宜耐热。是用量最大的增强材料。主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、B2O3、MgO、Na2O等，根据玻璃中碱含量的多少，可分为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维和高碱玻璃纤维。（1）E-玻璃：亦称无碱玻璃，好的电气绝缘性及机械性能，缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境；（2）C-玻璃：亦称中碱玻璃特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差；（3）A-玻璃：亦称高碱玻璃，耐水性很差；（4）高强玻璃纤维：其特点是高强度、高模量。一、纤维类增强体2、碳纤维(CF)由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。按最终碳化温度分为：（1）A型纤维：即普通型（900~1000℃），成本低，拉伸强度中等、弹性模量偏低；（2）碳纤维II型：1200~1400℃，抗拉强度最大，弹性模量居中，综合性能较好；（3）碳纤维I型：2500℃以上，又称石墨纤维，含碳量99%以上，弹性模量最高，抗拉强度较低。碳纤维的特点：低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性，此外，还具有纤维的柔曲性和可编织性。但价格较贵，一般用于高级文体用品及航空航天工业。一、纤维类增强体3、硼纤维：硼是熔点在2000℃以上的高熔点半导体元素，硬度仅次于金刚石。用氢气还原三氟化硼并沉淀在高温炉（1000-1200℃）中的钨丝上，得到硼钨纤维，直径约1000μm，强度高，耐高温，但难于批量生产，成本比碳纤维更高。4、金属纤维：有不锈钢、钨和钼等高熔点金属纤维。一、纤维类增强体5、陶瓷纤维：由铝硅酸盐制成的人工纤维，包括碳化硼、氮化硼、氧化铝、碳化硅、氮化硅纤维。碳化硅纤维的最高使用温度达1200℃，其耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，主要用作耐高温材料和增强材料。已用于制造航天飞机部件、高性能发动机等高温结构材料。氧化铝纤维是当今国内外最新型的超轻质高温绝热材料之一，有较好的耐热稳定性，其导热率是普通耐火砖的1/6。可用作核反应堆及航天飞机的隔热材料。一、纤维类增强体纤维增强体复合原则材料复合的目的是获得最佳的强度、刚度等机械性能。（1）纤维是材料的主要承载组成，因此应该具有最高的强度和刚度。（2）基体起粘结纤维的作用，因此必须对纤维有润湿性；本身具有一定的塑性和韧性，且能保护纤维表面。（3）纤维与基体之间应该有高的且合适的结合强度。（4）纤维与基体的热膨胀性能应有较好的协调和配合。（5）纤维必须有合理的含量、尺寸和分布。一、纤维类增强体性状：颗粒增强复合材料增强颗粒的尺寸一般很小，直径约为100~2500Å，并且大都为硬质颗粒，可以是金属或非金属，最常见的是氧化物（Al2O3、ZrO2）、碳化物(SiC、TiC、ZrC)等。作用机理：这些弥散于金属或合金基体中的颗粒，可以有效地阻碍位错的运动，或在聚合物基体中，颗粒可阻碍大分子链的运动；或在陶瓷基体中，颗粒对裂纹可起到屏蔽作用，进而产生显著的强化效果。性能：实践表明，复合材料的性能显著受到颗粒大小的影响，为提高增强效果，通常选择尺寸较小的颗粒，并且尽可能地使其均匀分布在基体中。二、颗粒增强体纤维增强复合材料一、纤维增强塑料纤维增强塑料中的增强体主要有玻璃纤维、碳纤维；基体主要有树脂。热固性树脂：常用作强度材料，优点是耐热性高，受压不易变形，耐试剂性和蠕变性强；其缺点是韧性较差。热固性树脂主要有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等；热塑性树脂：优点是加工成型简便，具有较高的机械能。缺点是耐热性和刚性较差。1.GFRPGFRP（GlassfiberReinforcedPlastic)也叫GRP或FRP,中文名玻璃纤维增强塑料，俗称玻璃钢,是一种有机非金属跟无机非金属复合的塑料基复合材料，包含基体和增强体两部分。GFRP具有良好的电绝缘性能和粘结性能，较高的机械强度和耐热性，可塑性极强，成型收缩率小，体积较轻，施工方便。纤维增强复合材料一、纤维增强塑料1.GFRP增强剂：玻璃纤维（主要是SiO2），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。粘结剂（基体）：热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。性能（与基体相比）：(比)强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。用途：轴承，轴承架，齿轮，车身。纤维增强复合材料一、纤维增强塑料纤维增强塑料GFRP的其他特点：1.具有可设计性；2.一次成型性；3.节能型材料CFRP：碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer/Plastic)的缩写。特点是轻质高强。CFRP被广泛运用于工程中，如桥梁加固、维修，还被广泛应用在军事，航空，体育用品，赛车等领域。纤维增强复合材料一、纤维增强塑料2.CFRP增强剂：碳纤维(石墨)，强度和弹性模量高，且2000℃以上保持不变；-180℃不变脆。粘结剂（基体）：环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。性能（与基体相比）：强度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。用途：火箭外壳，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器。纤维增强复合材料一、纤维增强塑料2.CFRPCFRP优点：具有韧性好，强度高而质轻的特点，耐疲劳，即可循环受力。二.纤维增强金属基体：金属材料，有铝合金、钛合金和镁合金；增强体：连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维。注意：1、因加工温度高，不能让纤维产生损伤、老化及与金属发生反应；2、金属要