復(fù)合材料的性能

1、復(fù)合材料的性能第1頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo):導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m K)，表征材料的導(dǎo)熱能力。 材料本身的特性 溫度的函數(shù) 5.1PMC的熱性能 第2頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能 第3頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能 第4頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能 第5頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能

2、 第6頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.1熱傳導(dǎo)5.1PMC的熱性能 第7頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.2比熱定義：單位質(zhì)量的物質(zhì)升溫 1 所需的熱量稱之。與別的性質(zhì)不同，復(fù)合材料的比熱與組材料的比熱間的關(guān)系比較簡單，符合加和性原理：5.1PMC的熱性能 第8頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.2比熱比熱的測試方法主要有卡計法、電脈沖加熱法與比較法。5.1PMC的熱性能 圖 5-2 下落等溫銅卡計比熱測試法 裝置原理圖第9頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.2

3、比熱測試溫度為T的試樣及度樣筒在很短的時間內(nèi)落入溫度為 TK的銅卡計中，若試樣筒與銅卡計達成熱淚盈眶平衡后的溫度為TB，則試樣及試樣筒的總熱焓的減少量等于銅卡計的熱焓增加量，即：（mCP + mT CPT) (T-TB) = mk CPK (TB -TK)其中，m試樣的質(zhì)量；CP試樣的比熱； mT 試樣筒的質(zhì)量； CPT 試樣筒的比熱； mk 銅卡的質(zhì)量； CPK 銅卡的比熱。空白試驗中試樣筒與銅卡計達成熱平衡后的溫度為TB，則有： mT CPT (T- TB ) = mk CPK (TB -TK)CP = （mk CPK /m) (TB - TB )/ (T-TB) 5.1PMC的熱性能 第

4、10頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.2比熱5.1PMC的熱性能 復(fù)合材料的比熱的復(fù)合效應(yīng)與其復(fù)合狀態(tài)無關(guān)，而只與組分材料因素有關(guān)，表現(xiàn)為最簡單的平均效應(yīng)。第11頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能熱膨脹系數(shù)：表征材料受熱時線度或體積的變化程度。=（L/T）P/L=（V/T）P/V =(L/T)/L =(V/T)/V = 1+ 2 + 3 = 3 5.1PMC的熱性能 第12頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能負膨脹系數(shù)和零膨脹系數(shù)材料5.1PMC的熱性能 第13頁，共58

5、頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能5.1PMC的熱性能 第14頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能5.1PMC的熱性能 第15頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能 復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響因素 組成材料因素: 材料的熱膨脹系數(shù)， 組成材料含量與模量的乘積 5.1PMC的熱性能 第16頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.3熱膨脹性能 復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響因素復(fù)合狀態(tài)的影響：增強材料在基體中的分布、排布方式，纖維預(yù)應(yīng)力 使用條件因素：使用溫

6、度，熱循環(huán)5.1PMC的熱性能 第17頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.1.3耐熱性能PMC的耐熱性能主要決定于其聚合物基體的耐熱性能。5.1PMC的熱性能 第18頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 復(fù)合材料的力學(xué)性能主要包括靜態(tài)性能（拉、壓、彎、扭等）和動態(tài)性能（斷裂韌性、蠕變性能、疲勞、沖擊等）。聚合物基的復(fù)合材料種類可能非常多，但決定一種復(fù)合材料性能的主要因素是纖維類型、纖維體積分數(shù)、纖維形式及基體類型等。5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能PMC 一般直到斷裂都是完全彈性的，沒有屈服點或塑性區(qū)。此外，PMC的斷裂應(yīng)變很小，與金屬相比，斷裂功小、韌

7、性差。5.2PMC的力學(xué)性能 第19頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能 第20頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能 第21頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.2.1靜態(tài)力學(xué)性能5.2PMC的力學(xué)性能 第22頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.2.3疲勞性能所有材料在低于靜態(tài)強度極限的動載荷作用下，經(jīng)過不同時間都要破壞的現(xiàn)象稱為疲勞。通常用疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）N 或疲勞強度 SN 來表示材料的疲勞性能，并

8、以所加應(yīng)力幅值或最大應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線（S-N曲線）形式給出。PMC的 S-N曲線的影響因素：纖維類型及體積分數(shù)基體類型鋪層方式界面性質(zhì)載荷形式平均應(yīng)力交變應(yīng)力頻率環(huán)境條件5.2PMC的力學(xué)性能 第23頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.2.3疲勞性能5.2PMC的力學(xué)性能 第24頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.2.3疲勞性能5.2PMC的力學(xué)性能 第25頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.2.4沖擊韌性評價復(fù)合材料沖擊韌性最普通的方法是通過測量破壞一個標準試樣所需能量來確定沖擊韌性。5.2PMC

9、的力學(xué)性能 第26頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.2.4沖擊韌性5.2PMC的力學(xué)性能 第27頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.3.1電性能體積電阻率：RV = V d / s5.3PMC的其他性能 第28頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.3.1電性能表面電阻率：RS = S d / aa材料表面的導(dǎo)電寬度。5.3PMC的其他性能 第29頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.3.2光學(xué)性能PMC波形板和平板的透光性最好，其全透光率為 85 - 90 %，接近普通玻璃的透光率。但

10、由于其散射光占全透光很大的比例，因此，沒有普通平板玻璃那樣透明。影響透光性的主要因素： 玻璃纖維與樹脂基體的透光性； 玻璃纖維與樹脂基體的折射率； 其他因素（表面形狀與光滑程度、纖維的含量與形態(tài)、固化劑的種類和用量、著色劑、填料的種類與含量等）。5.3PMC的其他性能 第30頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 5.3.3老化性能PMC在長期的使用過程中，由于物理和化學(xué)因素的作用，面發(fā)生物化性能的下降或變差的現(xiàn)象稱為老化。造成PMC老化的因素有：陽光、高能幅射、工業(yè)廢氣、鹽霧、微生物等。老化性能測試： 戶外測試（戶外曝曬） 棚內(nèi)老化試驗 人工加速老化5.3PMC的其他性能

11、 第31頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二第六章 碳/碳復(fù)合材料 碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維（或石墨）為增強纖維，以碳（或石墨）為基體的復(fù)合材料。特點： 優(yōu)異的熱性能，高的導(dǎo)熱性、低的熱膨脹系數(shù)、抗熱沖擊。 優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，高溫下的高強度和模量、低蠕變、高斷裂韌性。高溫時隨溫度的升高強度也升高。 是目前唯一可用于達 2800 的復(fù)合材料。6.1簡介第32頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 6.1簡介第33頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 6.1簡介圖 6-2 碳/碳復(fù)合材料制造的剎車零件 第34頁，共58頁，2022年

12、，5月20日，13點21分，星期二 6.2.1預(yù)成型體的制備基本思路：先將碳增強材料預(yù)先制成預(yù)成型體，然后再以基體碳填充逐漸形成致密的碳/碳復(fù)合材料。與聚合物基復(fù)合材料一樣可制成單向、二維或三維的織物。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第35頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 6.2.2基體碳的制備目前碳/碳復(fù)合材料的基體碳主要是通過化學(xué)氣相沉積（CVD）和液態(tài)浸漬含碳化率高的高分子物質(zhì)的碳化來獲得。一、化學(xué)氣相沉積工藝化學(xué)氣相沉積原理：通過氣相的分解或反應(yīng)生成固態(tài)物質(zhì)，并在某固定基體（基底）上成核、生長。CH4(g) 加熱 C(s) + 2 H2(g)作為分解或反應(yīng)的氣體

13、有甲烷、丙烷、丙烯、乙炔、天燃氣、汽油等。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第36頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 6.2.2基體碳的制備一、化學(xué)氣相沉積工藝反應(yīng)氣體通過層流向沉積襯底的過界層擴散。 沉積襯底表面吸附反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體產(chǎn)生反應(yīng)并形成固態(tài)產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物。 所產(chǎn)生 的氣體產(chǎn)物解吸附，并沿一邊界層區(qū)域擴散。 產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物排出。化學(xué)氣相沉積的主要工藝參數(shù)是反應(yīng)溫度與壓力。在獲得碳/碳復(fù)合材料的基體碳時，其溫度都在 950 以上。具體的工藝有等到溫工藝、壓力梯度工藝和溫度梯度工藝。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第37頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21

14、分，星期二 6.2.2基體碳的制備一、化學(xué)氣相沉積工藝6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第38頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 6.2.2基體碳的制備二、液態(tài)浸漬-碳化工藝用該工藝可獲得基體碳中的樹脂碳和瀝青碳。為了達到 碳/碳復(fù)合材料的要求，一般需要經(jīng)過多次浸漬-碳化過程。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第39頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 6.2.2基體碳的制備二、液態(tài)浸漬-碳化工藝 500 時主要是縮水，形成水蒸氣逸出，體積收縮 約40%。 600 - 700 時，樹脂熱解出甲烷與CO，體積收縮至約50%。 隨溫度的升高只是脫氫，因此體積收

15、縮趨于穩(wěn)定。 1700 之后，樹脂碳趨于石墨化，由于收縮造成的裂縫的綜合作用，體積收縮會有所增加。6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第40頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 6.2.2基體碳的制備二、液態(tài)浸漬-碳化工藝6.2碳/碳復(fù)合材料的制備工藝第41頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二6.3碳/碳復(fù)合材料的性能第42頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二6.3碳/碳復(fù)合材料的性能第43頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二碳/碳復(fù)合材料是目前耐高溫工程結(jié)構(gòu)材料的理想材料，但碳/碳復(fù)合材料在高于370 時就會發(fā)

16、生氧化，氧化保護極為重要。在制備碳/碳復(fù)合材料過程中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑 在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入6.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護第44頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二在制備碳/碳復(fù)合材料過程中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑采用碳/碳復(fù)合材料內(nèi)含硼或硼化物類抑制劑，可將其氧化開始溫度提高到 600 ，當溫度再高時只能應(yīng)用高溫抗氧化涂層的方法。6.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護第45頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度低于1500時SiC和 Si3N4陶瓷是較好的抗氧化陶瓷涂層。它

17、們具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，相對較低的蒸氣壓和氧的擴散滲透率，與碳相容性好，熱膨脹系數(shù)低。6.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護第46頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度介于1500 - 1800時采用如 SiO2 + SiC的復(fù)合涂層。6.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護第47頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二在碳復(fù)合材料的表面涂覆耐高溫涂層，阻隔氧侵入溫度高于 1800時采用如ZrO2 HO2 Y2O3 和 ThO2的復(fù)合涂層。它們在2000 以上時仍有所需的熱穩(wěn)定性。Al2O3則可用于1800 - 2000 。6

18、.4碳/碳復(fù)合材料的氧化保護第48頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二第七章 PMC的應(yīng)用 試驗表明，人造衛(wèi)星的重量如果減少 1公斤，則用于其發(fā)射的火箭重量可減少200公斤以上。衛(wèi)星天線、支撐結(jié)構(gòu)與殼體等基本上都是PMC材料。另一個原因是由于聚合物基復(fù)合材料優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。美國航天飛機中使用PMC材料后的減重超過了1200公斤，主要有KF/EP復(fù)合材料制的壓力容器等，其艙門就使用了CF/EP復(fù)合材料 1452公斤。此外，“三叉戟I”、MX型導(dǎo)彈殼體等都是采用了K-49/EP復(fù)合材料。7.1在宇航工業(yè)中的應(yīng)用第49頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二

19、第七章 PMC的應(yīng)用 7.1在宇航工業(yè)中的應(yīng)用第50頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二第七章 PMC的應(yīng)用 航空工業(yè)是聚合物基復(fù)合材料使用最早、用量最多的部分之一。7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用第51頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用第52頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用第53頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 7.2在航空工業(yè)中的應(yīng)用第54頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 7.3在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用由于聚合物基復(fù)合材料具有突

20、出的耐酸、耐堿和耐其他介質(zhì)腐蝕等特點，已在石油化工設(shè)備和化學(xué)防腐工程上獲得了廣泛應(yīng)用。采用聚合物基復(fù)合材料代替不銹鋼、銅、鉛、鈦、鎳合金制造的各種貯罐、容器、冷卻塔、酸洗槽、液體輸送管道、煙囪等因質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、維修方便、使用壽命長等特點取得了明顯的經(jīng)濟效益。美國各大石油公司的公路加油站所用的汽油貯罐已采用玻璃鋼制造，容量為 22.5 m3, 美國最大的玻璃鋼貯罐已達 3000 m3 。美國用玻璃鋼管代替 2000多米鋼管輸送苛性鉀生產(chǎn)中的殘液，質(zhì)量減輕60 %，成本降低 1/3，壽命由原來的6-9個月提高到 2-5 年。第55頁，共58頁，2022年，5月20日，13點21分，星期二 7.4在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括車輛制造及造船工業(yè)上的應(yīng)用。在汽車制造方面，現(xiàn)在已用聚合物基復(fù)合材料制造了各種轎車、大型客車、拖車、