現(xiàn)代復(fù)合材料導(dǎo)論課件

1、現(xiàn)代復(fù)合材料導(dǎo)論天然復(fù)合材料骨頭膠原纖維/磷酸鈣的復(fù)合材料；膠原纖維非常合理地向抵御外力的方向取向；海綿質(zhì)抵御外力，致密質(zhì)變成骨髓腔，構(gòu)成即簡(jiǎn)單，又具有強(qiáng)韌度的硬性材料；內(nèi)側(cè)組織粗造柔軟，外側(cè)組織致密堅(jiān)硬；細(xì)胞壁是由微纖維與木質(zhì)素和半纖維素構(gòu)成； 微纖維賦予木材強(qiáng)度，木質(zhì)素給木材以剛度。天然復(fù)合材料木頭天然纖維的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成某些纖維的組成CottonJuteSisalCellulose82.764.465.8Hemi-cellulose5.712.012.0Lignin-11.89.9從天然復(fù)合材料學(xué)習(xí)的技巧1. 實(shí)例都是無(wú)機(jī)物或有機(jī)物使用纖維堅(jiān)固的復(fù)合材料； 2. 天然復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)：

2、 具有巧妙的組織； 具有自身修復(fù)性；由可再生成分組成； 合成過(guò)程利用了生物工藝學(xué)。 復(fù)合材料的歷史 7千年前，新石器時(shí)代半坡村遺址中（西安），發(fā)現(xiàn)用草摻泥制成的墻壁和磚坯等建筑材料； 5千年前，中東用瀝青作為蘆葦?shù)酿ず蟿┰齑?4千年前的夏時(shí)代已開(kāi)始出現(xiàn)漆器，用絲、麻等天然纖維作增強(qiáng)劑，用大漆作粘結(jié)劑；秦漢以后對(duì)底胎和面漆的改革出現(xiàn)了中空漆佛像。復(fù)合材料的歷史最早的涂料生漆（國(guó)漆、大漆、土漆）主成分是具有雙鍵側(cè)鏈的漆酚，經(jīng)氧化后聚合成高分子鏈。漆（木汁如水滴而下，形象表現(xiàn)割漆的情形。）漆樹(shù)在秦漢時(shí)期主要分布在黃河流域，后來(lái)由于中原氣候變冷，漆樹(shù)現(xiàn)主要分布在四川盆地。復(fù)合材料的分類 按增強(qiáng)劑的形

3、態(tài)、排列分：基體中分布長(zhǎng)纖維：定向的、隨機(jī)的；基體中分布短纖維：定向的、隨機(jī)的；基體中分布顆粒（球形、片形、不規(guī)則形等）；基體中顆粒彌散強(qiáng)化：顆粒尺寸小于10-8m;層狀結(jié)構(gòu)；骨架式或穿插式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（三維復(fù)合材料）；多種纖維或顆粒等。復(fù)合材料的分類 按聚合物（樹(shù)脂）分： 熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料； 熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料。 按聚合物種類分： 聚酯樹(shù)脂基復(fù)合材料； 環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料； 酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料；等等。各種樹(shù)脂基體 酚醛樹(shù)脂：各種樹(shù)脂基體 環(huán)氧樹(shù)脂：樹(shù)脂基復(fù)合材料的特性 優(yōu)點(diǎn)：輕質(zhì)高強(qiáng)：玻璃鋼的比強(qiáng)度是鋼材的4倍；抗疲勞性能好：鋼材40，纖維復(fù)合材料70；減震性好，阻尼高；破損安全性好;耐化學(xué)腐

4、蝕；電性能好，絕緣性高；熱導(dǎo)率低，線膨脹系數(shù)?。怀尚凸に噧?yōu)越，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活。 缺點(diǎn)：模量低、可燃、耐熱性低、老化等。復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)成纖維基體粒子基體疊層實(shí)物生活FRP，合成皮革，CFRC （外壁材），體育用具輪胎，制動(dòng)器，混凝土，燒結(jié)磁鐵層合板、搪瓷、層壓箔片、夾網(wǎng)玻璃航空航天CFRP、CFRM、C/C、ArFRP、各種結(jié)構(gòu)材料透明耐熱膠片功能超導(dǎo)電線感壓導(dǎo)電橡膠壓電材料非線性電阻傳感陶瓷照片膠卷、分離膜、記錄磁帶、光導(dǎo)纖維、人造血管樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用行業(yè)實(shí)例飛機(jī)制造汽車制造造船化工家具與設(shè)備電氣工業(yè)運(yùn)動(dòng)器材機(jī)翼、機(jī)身、起落架、直升飛機(jī)旋翼葉片；車身、燈殼罩、前后護(hù)板、保險(xiǎn)橫桿

5、、板彈簧、座椅架、驅(qū)動(dòng)軸；船殼體、甲板、桅桿；管道、儲(chǔ)油罐、壓力容器；各種臺(tái)板、住房、椅子、桌子、梯子；儀表面盤(pán)、配電盤(pán)、絕緣材料；魚(yú)桿、高爾夫球桿、游泳池、滑雪板、游艇復(fù)合材料制品復(fù)合材料制品第二章 纖維的復(fù)合先進(jìn)復(fù)合材料1、為什么采用纖維的形狀？ 一采用纖維的形狀，即使相同的素材也變得格外結(jié)實(shí)，如玻璃纖維，因?yàn)榧彼倮鋮s造成大量的高密度表面； 纖維可以自由彎曲，所以可以編織布； 用粘結(jié)劑將纖維加固則成為復(fù)合材料，可以制成板、管等各種成型物。纖維素材玻璃纖維纖維素材芳綸纖維各種纖維的比較各種纖維的比強(qiáng)度和比模量復(fù)合定律1、力學(xué)中的混合定律：Xc = XmVm + Xf1Vf1 + Xf2Vf2

6、 + 單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：縱向彈性模量：EcL = EfVf + Em (1-Vf)縱向拉伸強(qiáng)度：cu = fuVf + m* (1-Vf)各向異性材料的得失材料設(shè)計(jì)使用織物使用織物的效果成型加工方法分為兩種： 先制造含B階段樹(shù)脂的中間基材預(yù)浸料，再加熱加壓使樹(shù)脂固化成型； 不做中間基材，使纖維浸漬樹(shù)脂后，直接進(jìn)入成型階段；復(fù)合材料的制造工藝1、熱固性樹(shù)脂預(yù)浸料的制備方法分成：干法（熱熔預(yù)浸）與濕法（溶液預(yù)浸）兩種：2、熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸料的制備方法：干法、濕法、膜層疊、粉末浸漬（硫化床）、懸浮浸漬（造紙法）、纖維混編等；制取中間基材預(yù)浸料SMC（片狀模塑料）、BMC（團(tuán)狀模塑料）：由短切玻

7、璃纖維、樹(shù)脂、固化劑、催化劑、填料、內(nèi)脫模劑、顏料、增稠劑、低收縮添加劑等組成：制取中間基材預(yù)混料GMT：Glass mat reinforced thermoplastic優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染；成型周期短；廢品可回收。手糊成型（敞開(kāi)）噴射工藝（敞開(kāi)）熱壓罐成型（袋壓成型）纏繞成型 纏繞成型 拉擠成型模壓成型分為配料模壓、SMC模壓、以及BMC模壓，工藝包括在模具上涂脫模劑、SMC裁剪、裝料、熱壓固化成型、脫模、修整等幾個(gè)主要步驟。模壓成型樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成型 生產(chǎn)效率高；可生產(chǎn)形狀復(fù)雜產(chǎn)品；對(duì)環(huán)境污染少；樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑增強(qiáng)劑預(yù)成型纖維復(fù)合材料的應(yīng)用一。在機(jī)械工業(yè)的應(yīng)用：主要用于閥、泵、齒輪、風(fēng)機(jī)、

8、葉片、軸承及密封件；優(yōu)勢(shì)在于耐腐蝕、重量輕、價(jià)格便宜。如酚醛玻璃鋼閥門(mén)使用壽命長(zhǎng)于不銹鋼，而價(jià)格便宜的多。二、在化學(xué)工業(yè)的應(yīng)用化學(xué)工業(yè)存在的主要問(wèn)題是腐蝕嚴(yán)重；玻璃鋼主要用于各種槽、罐、釜、塔、管道等；價(jià)格低于不銹鋼，但只能常壓、低溫下使用。三。在汽車工業(yè)及交通運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用：減輕重量，節(jié)省燃油和排放;降低成本：多部件集成、低工具成本;抗腐蝕與沖擊，抗壓痕與劃痕;設(shè)計(jì)上的自由度大;特別適宜敞篷車和周期性變化的造型，可設(shè)計(jì)成流線型。是電動(dòng)汽車的發(fā)展方向早期復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的部分部件Aston Martin V12 Vanquish 的碳纖維車架Cadillac超級(jí)概念

9、車與跑車具碳纖維車體超輕碳纖維車體節(jié)省重量60！設(shè)計(jì)成流線型和美學(xué)方面更讓人滿意的形狀四、在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用減輕重量是航空與航天技術(shù)的關(guān)鍵之一；美國(guó)空軍主力戰(zhàn)斗機(jī)中所使用的復(fù)合材料重量達(dá)到50左右；噴氣客機(jī)的重量每減輕450克，使用期內(nèi)可節(jié)省1000美元；二次結(jié)構(gòu)首先實(shí)用化：輔助翼、整流罩、門(mén)板、內(nèi)飾等；一次結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)大范圍：主翼、尾翼、機(jī)身等。力學(xué)設(shè)計(jì)：蜂窩表皮結(jié)構(gòu)和支肋結(jié)構(gòu)機(jī)械加工與連接連接方法與強(qiáng)度多維編織的立體組織航天領(lǐng)域尤其需要比強(qiáng)度和比模量高、耐摩擦和耐高溫的材料；太空的氣候條件變化大，要求材料能夠承受極端條件，如C/C耐燒蝕復(fù)合材料。圖 6-2 碳/碳復(fù)合材料制造的剎車零件

10、同步通訊衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池框架、反射天線；航天飛機(jī)的鼻錐、機(jī)翼和尾翼的前緣；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管等；五、在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用例如：玻璃纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料制做的建筑物外墻；碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料用于修補(bǔ)加固鋼筋混凝土橋板、橋墩。環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維布HEX-3R國(guó)外補(bǔ)強(qiáng)工程案例美國(guó)華盛頓威力美特橋 - 美國(guó)加利福尼亞州立大學(xué)一種復(fù)合材料滑動(dòng)內(nèi)襯管修復(fù)一個(gè)主要的地下管道，以離心灌注生產(chǎn)的玻璃纖維增強(qiáng)聚酯滑動(dòng)內(nèi)襯管道荷蘭首都阿姆斯特丹，片狀模塑料覆層系統(tǒng)已經(jīng)用來(lái)做一個(gè)新飯店的前檐。世界上最大的風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)葉片？拉擠結(jié)構(gòu)用于輸電和照明已有十幾年的歷史了，他們的高抗腐蝕與抗老化性，介電性質(zhì)和高強(qiáng)度/重量比使其成為

11、木材，鋼鐵和混凝土柱子的理想替代品。六、在其它領(lǐng)域的應(yīng)用 在船舶業(yè)，玻璃鋼船體耐海水腐蝕、抗海生物吸附； 在生物醫(yī)學(xué)方面，C/C復(fù)合材料具有良好的生物相容性，用作外科植入物、牙科植入體、人工關(guān)節(jié)等； 體育器材，如網(wǎng)球拍、釣魚(yú)桿、高爾夫球棒、滑雪板等； 家用電器外殼，開(kāi)關(guān)和絕緣閘合、微波爐餐具等； 澡盆、桑那房等衛(wèi)浴產(chǎn)品第三章 混合復(fù)合材料水泥與聚合物混合體壓縮強(qiáng)度30 MPa彎曲強(qiáng)度5 MPa拉伸強(qiáng)度3 MPa標(biāo)準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度很低！鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土 針對(duì)混凝土拉伸和彎曲強(qiáng)度差的問(wèn)題，通常采用鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的施工方案。纖維補(bǔ)強(qiáng)水泥 石棉與水泥的混合很早就使用了； 短纖維

12、與水泥混合，應(yīng)用于建筑物的表面混合法、噴射法； 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)水泥（CFRC）作為建筑的外裝材料已經(jīng)使用化。c = f 1 - ( lc/2l ) Vf + m* (1-Vf)fu (d2/4) = dlc/2纖維加入水泥后，使其由脆性變成韌性聚合物混合體聚合物混合體的制作目的：（1）改善物性，力求功能化、高性能化，以提高耐久性；（2）改善加工性，通過(guò)提高流動(dòng)性、尺寸穩(wěn)定性、分散性等，來(lái)提高加工性；（3）改善經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)利用廉價(jià)的聚合物及填料和（1）（2）來(lái)增加經(jīng)濟(jì)性。聚合物混合體的調(diào)制方法：利用化學(xué)反應(yīng)的混合：接枝共聚合、嵌段共聚合、IPN、反應(yīng)擠壓等物理混合：溶液混合、熔融混合、乳液混合等混合

13、聚合物的結(jié)構(gòu)混合聚合物性能改善的原理共混原理的成功應(yīng)用：工程塑料ABS樹(shù)脂的制造工藝聚合物混合體結(jié)構(gòu)的大小第四章、疊層復(fù)合技術(shù)功能性復(fù)合材料疊層技術(shù)（1）在一種素材薄膜上涂覆另一種素材的溶液之后，干燥；（2）粘結(jié)兩片薄膜；（3）在一種素材薄膜之上蒸鍍另一種素材。疊層技術(shù)-涂覆與粘結(jié)熔融擠壓疊層法表面處理與鍍膜電阻加熱、高頻介質(zhì)加熱、電子束加熱等食品包裝用層壓箔片外層：分擔(dān)機(jī)械強(qiáng)度（PET、PA、PP等）；中層：控制氣體滲透；內(nèi)層：分擔(dān)熱密封性。人工肺用中空纖維復(fù)合的目的與復(fù)合效果環(huán)境復(fù)合材料（ecocomposites）: 可循環(huán)利用，環(huán)境安全，材料廢棄時(shí)環(huán)境負(fù)擔(dān)小。綠色復(fù)合材料（green

14、composites）: 完全循環(huán)利用或完全可降解減少環(huán)境負(fù)擔(dān)和對(duì)石油資源的依賴?？缮锝到鈴?fù)合材料cradle-to-grave designThe ever-growing worldwide litter problem has raised environmental consciousnessWhite pollutionBlack pollutionThe automotive industry is in the driving seat of green compositesThe hollow and cellular nature of natural fiber perf

15、orm well as acoustic and thermal insulatorsThe use of biodegradable and environment-friendly plant based lignocellulosic fibers has been a natural choice for reinforcing (or filling) polymers (plastics) to make them greener.Greener composite alternativesFully biodegradable green composites by combining natural fibers with biodegradable resinsThe best examples: cellulosic plastics polylactides (PLA) starch plastics soy-based plastics. Fully green composites 20% oil 40% protein: soy flour, soy isolate, and soy concentrate.開(kāi)發(fā)優(yōu)秀復(fù)合材料所面臨的問(wèn)題纖維系：（1）高性能纖維的開(kāi)發(fā)；（2）具有適當(dāng)物性基體的開(kāi)發(fā)；（3）纖維與基體的適當(dāng)界面設(shè)計(jì)