增强材料.pptx
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1、v增强材料概述增强材料概述 定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则v几类常用的增强材料几类常用的增强材料 纤维、晶须、颗粒纤维、晶须、颗粒 制备方法、特性、应用制备方法、特性、应用主要内容主要内容1一、增强材料概述一、增强材料概述v结合在基体内、用以提高基体力学等性能的结合在基体内、用以提高基体力学等性能的高强度材料高强度材料,称为称为增强材料增强材料(reinforcements reinforcements),也称为,也称为增强体增强体、增强增强相相、增强剂增强剂等。等。v增强材料就象树木中的纤维、混凝土中的钢筋一样,是复增强材料就象树木中的纤维、
2、混凝土中的钢筋一样,是复合材料的重要组成部分,并起到非常重要的作用。合材料的重要组成部分,并起到非常重要的作用。1、定义:、定义:22、分类:、分类:3增增强强材材料料纤维增强材料纤维增强材料(连续纤维、短(连续纤维、短纤维、编织纤维)纤维、编织纤维)金属纤维(金属纤维(W、Mo等)等)无机纤维(无机纤维(C、B、SiC、Al2O3等)等)有机纤维(芳纶、聚乙烯、尼龙等)有机纤维(芳纶、聚乙烯、尼龙等)晶须增强材料晶须增强材料金属晶须(金属晶须(Fe、Cu等)等)陶瓷晶须(陶瓷晶须(TiC、SiC、Al2O3等)等)颗粒增强材料颗粒增强材料氧化物颗粒(氧化物颗粒(SiO2、Al2O3等)等)非
3、氧化物颗粒(非氧化物颗粒(TiC、B4C、SiC等)等)硅酸盐颗粒(高岭土、滑石等)硅酸盐颗粒(高岭土、滑石等)3、增强材料的结构类型:、增强材料的结构类型:增强材料在复合材料中的分布形式:增强材料在复合材料中的分布形式:v分散状增强结构分散状增强结构v单向增强结构单向增强结构v层状增强结构层状增强结构v网络状增强结构网络状增强结构4颗粒增强型颗粒增强型非连续纤维增强型非连续纤维增强型连续纤维增强型连续纤维增强型板状增强型板状增强型v 分散状增强结构分散状增强结构B4C原位增强原位增强ZrCN陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料含有原位生成含有原位生成的短纤维、晶的短纤维、晶须、颗粒须、颗粒XDMMC
4、的的显微组织结构显微组织结构 也称为也称为不连续增强复合材料不连续增强复合材料的结构,即增强材料在基体中的结构,即增强材料在基体中呈呈分散分散状,主要是短纤维、颗粒、晶须。状,主要是短纤维、颗粒、晶须。5v 单向增强结构单向增强结构SiCf/Ti单向增强复合材料单向增强复合材料SiCfTi基体基体界面及界界面及界面反应层面反应层 指增强材料指增强材料一维平行排列一维平行排列分布在基体中。分布在基体中。SiCfSiCf/Cu钨纤维(丝)单向增强高温合金显微组织钨纤维(丝)单向增强高温合金显微组织6v 层状增强结构层状增强结构 增强材料以增强材料以织物方式织物方式增强,增强,或双向正交、或铺层方式
5、分布或双向正交、或铺层方式分布在复合材料基体中。在复合材料基体中。SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料原位生成陶瓷基复合材料喷涂法制备的喷涂法制备的Al2O3与高温合金与高温合金复合的层状复合材料复合的层状复合材料7 网络状增强结构一般通过编织方式将纤维编织成网络状增强结构一般通过编织方式将纤维编织成三维三维预制体,但各预制体,但各个方向的纤维含量可以相同或不同。个方向的纤维含量可以相同或不同。v 网络状增强结构网络状增强结构三维正交增强结构三维正交增强结构8v基本特性基本特性高强度、高模量、低密度、耐热性、耐磨性等;高强度、高模量、低密度、耐热性、耐磨性等;v增强材料与基体材料的相容性
6、增强材料与基体材料的相容性浸润性、弹性匹配(弹性模量)、浸润性、弹性匹配(弹性模量)、热匹配(热膨胀系数)、互溶性等;热匹配(热膨胀系数)、互溶性等;v高化学稳定性高化学稳定性v优良的性能再现性和一致性优良的性能再现性和一致性v增强材料的形状、尺寸增强材料的形状、尺寸v容易制造,性能容易制造,性能/价格比。价格比。4、增强材料的选择原则:、增强材料的选择原则:对对结构复合材料结构复合材料,首先考虑的是增强材料的,首先考虑的是增强材料的强度强度、模量模量和和密度密度。增强体与基体增强体与基体相容性相容性主要反映主要反映界面作用界面作用和和影响影响。9二、纤二、纤 维(维(fiber)重点介绍:重
7、点介绍:有机纤维:有机纤维:Kevlar纤维纤维,聚乙烯纤维,尼龙,聚乙烯纤维,尼龙无机纤维:玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、无机纤维:玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、纤维、Al2O3纤维纤维10v碳纤维属于高新技术产品,它不仅具有碳素材料的特性,如质碳纤维属于高新技术产品,它不仅具有碳素材料的特性,如质量轻,强度高(量轻,强度高(7GPa),耐热,耐腐蚀,而且具有金属的),耐热,耐腐蚀,而且具有金属的特性,如导电性。特性,如导电性。v具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能,是一种很具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能,是一种很有发展前景的高性能纤维。有发展前景的高性能纤维。v碳
8、纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着生产碳纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着生产规模的扩大、其价格由原来的数千元规模的扩大、其价格由原来的数千元/kg,降至数百元,降至数百元/kg。v碳纤维可以进行编织成各种碳纤维布,或制成碳纤维毡使用。碳纤维可以进行编织成各种碳纤维布,或制成碳纤维毡使用。1、碳纤维(、碳纤维(Carbon fiber,CF)(1)、引言、引言11(2)、碳纤维分类、碳纤维分类12人造丝基人造丝基聚丙烯腈(聚丙烯腈(PAN)基基沥青基沥青基原原丝丝力力学学性性能能碳碳纤纤维维低性能级碳纤维低性能级碳纤维高性能级碳纤维高性能级碳纤维强强度度模模量量中强
9、型中强型(MT)高强型高强型(HT)超高强型超高强型(UHT)中模型中模型(IM)高模型高模型(HM)超高模型超高模型(UHM)v最早使用的是人造丝炭化而成的碳纤维,性能较差,强度、模最早使用的是人造丝炭化而成的碳纤维,性能较差,强度、模量均低,但耐烧蚀性能好,制造运载火箭头部的耐烧蚀部件。量均低,但耐烧蚀性能好,制造运载火箭头部的耐烧蚀部件。v19591959年日本首先发明了用聚丙烯腈纤维年日本首先发明了用聚丙烯腈纤维(PAN)(PAN)制取碳纤维的方制取碳纤维的方法;在法;在6060年代,对年代,对PANPAN原丝组成及纺丝条件作了系统研究,制原丝组成及纺丝条件作了系统研究,制得质量稳定的
10、得质量稳定的高性能碳纤维高性能碳纤维;在;在7070年代得到年代得到高速发展高速发展;8080年代年代技术更加完善,技术更加完善,强度与模量均有明显提高强度与模量均有明显提高,并发展出不同性能,并发展出不同性能的系列产品。的系列产品。v我国于我国于6060年代初开始研究年代初开始研究PANPAN基碳纤维,基碳纤维,7070年代由国家统一组年代由国家统一组织,协同攻关取得较大进展。目前碳纤维的生产织,协同攻关取得较大进展。目前碳纤维的生产规模小规模小,产量产量低低,产品,产品品种单一品种单一,性能(强度、模量、密度)均低于国外同,性能(强度、模量、密度)均低于国外同类产品,关键性产品所需碳纤维仍
11、严重依赖进口。类产品,关键性产品所需碳纤维仍严重依赖进口。PAN基碳纤维(基碳纤维(PANCF)13v与与PANCF相比,沥青基碳纤维(相比,沥青基碳纤维(PitchCF)发展较为缓慢。发展较为缓慢。v1963年日本以沥青为原料成功地研制了碳纤维,年日本以沥青为原料成功地研制了碳纤维,v1970年日本吴羽化学公司建成每月年日本吴羽化学公司建成每月10t规模规模通用级通用级碳纤维,碳纤维,v1976年美国联合炭化物公司从沥青得到年美国联合炭化物公司从沥青得到高性能高性能碳纤维,建成碳纤维,建成230t规模规模装置,但由于技术难度大,其开发受阻。装置,但由于技术难度大,其开发受阻。v1985年日本
12、在这方面有了新的突破性进展,三菱化成公司建成年产年日本在这方面有了新的突破性进展,三菱化成公司建成年产500t高性能高性能沥青基碳纤维装置,这标志着沥青基碳纤维已处于向工业沥青基碳纤维装置,这标志着沥青基碳纤维已处于向工业化过渡的新阶段。化过渡的新阶段。沥青基碳纤维沥青基碳纤维发展历史:发展历史:14v沥青基碳纤维根据前驱体分为沥青基碳纤维根据前驱体分为石油沥青碳纤维石油沥青碳纤维与与煤沥青碳纤维煤沥青碳纤维。煤沥青碳纤维虽价格低、但强度更低。目前应用主要是石油沥煤沥青碳纤维虽价格低、但强度更低。目前应用主要是石油沥青碳纤维。青碳纤维。v沥青碳纤维主要应用在沥青碳纤维主要应用在宇航领域宇航领域
13、制作高模量、不变形的构件,制作高模量、不变形的构件,模量达模量达620850GPa,强度约,强度约36003800MPa。另外,也用于。另外,也用于各种轴辊、船桅、舱体以及桥梁、建筑物修补等,模量约各种轴辊、船桅、舱体以及桥梁、建筑物修补等,模量约350550GPa,强度,强度20003000MPa。种类和用途:种类和用途:沥青基碳纤维沥青基碳纤维15(3)、碳纤维的制备、碳纤维的制备PAN碳纤维碳纤维 16200-300C空气空气1000-1500C氮气氮气碳化碳化2000-3000C氩气氩气碳纤维碳纤维表面处理表面处理交联、环化、氧化、脱氢交联、环化、氧化、脱氢交联、环化、缩聚交联、环化、
14、缩聚vP PANAN是制造碳纤维是制造碳纤维最主要最主要和和最有前途最有前途的原丝,成品率高、的原丝,成品率高、工艺简单、成本低工艺简单、成本低空气氧化法制备空气氧化法制备PAN基碳纤维流程示意图基碳纤维流程示意图提高模量提高模量600GPa沥青基碳纤维流程示意图沥青基碳纤维流程示意图碳纤维的制备碳纤维的制备沥青碳纤维沥青碳纤维 17v成本最低成本最低v石墨化处理后具有石墨化处理后具有很高的模量很高的模量(4)、碳纤维的结构、碳纤维的结构18碳纤维微观结构主要为碳纤维微观结构主要为乱层乱层结构,石墨片层结构,石墨片层排列排列方向与方向与原丝轴向原丝轴向平行。平行。人造丝人造丝基碳纤维,除纤维表
15、面碳层排列稍整齐外,基本为基碳纤维,除纤维表面碳层排列稍整齐外,基本为乱层结构;乱层结构;PAN基基碳原子层排列相对整齐,但石墨微晶尺寸相对碳原子层排列相对整齐,但石墨微晶尺寸相对较大;而经较大;而经石墨化石墨化处理后的处理后的沥青基沥青基碳纤维,碳原子层碳纤维,碳原子层排列整齐排列整齐,接近理想石墨的结构。接近理想石墨的结构。l PAN基碳纤维基碳纤维日本东丽(日本东丽(TORAY)公司生产的公司生产的PAN基碳纤维的型号与性能基碳纤维的型号与性能由由70年代初的年代初的T200、T300和和M40发展到当前的发展到当前的4大系列十几个品种,大系列十几个品种,特别是特别是T800、T1000
16、高强度产品高强度产品代表当今世界的代表当今世界的发展水平发展水平。(5)、碳纤维的性能、碳纤维的性能 19(5.1)(5.1)、碳纤维的力学性能、碳纤维的力学性能 PAN基碳纤维性能基碳纤维性能美国阿莫科(美国阿莫科(AMOCO)公司)公司PAN基基碳纤维产品牌号及性能碳纤维产品牌号及性能 20 沥青基碳纤维的性能沥青基碳纤维的性能 日本三菱化成公司PitchCF产品牌号及性能 美国Amoco公司PitchCF产品牌号及性能 21(5.2)(5.2)、碳纤维的物理性能、碳纤维的物理性能22n密度小:密度小:1.52.0 g/cm3之间,石墨化程度越高,密度越大;之间,石墨化程度越高,密度越大;
17、n热膨胀系数小:轴向热膨胀系数小:轴向(-1.5-0.5)10-6/K 横向(横向(5.58.4)10-6/Kn导热率:轴向导热率:轴向16.74W/(mK)横向横向0.837 W/(mK)n导电性好:高模量导电性好:高模量CF比电阻比电阻755cm 高强度高强度CF比电阻比电阻1500cmn拉伸强度高,拉伸强度高,7GPa;n弹性模量弹性模量900GPa;(5.3)(5.3)、碳纤维的化学性能、碳纤维的化学性能23n抗氧化性好:除能被强氧化剂氧化外,对抗氧化性好:除能被强氧化剂氧化外,对一般酸碱一般酸碱是是惰性惰性的。的。在空气中,温度高于在空气中,温度高于400时出现明显的时出现明显的氧化
18、氧化,生成,生成CO和和CO2;n耐热性:在耐热性:在不接触空气不接触空气和和氧化氧化气氛时,气氛时,惰性气氛中热稳定性高(2000还能承载),在空气中400开始开始下降下降;n耐油、抗放射、吸收有毒气体等耐油、抗放射、吸收有毒气体等(6)、碳纤维的应用、碳纤维的应用做为高性能增强纤维,应用在各类复合材料中(做为高性能增强纤维,应用在各类复合材料中(PMC、MMC、CMC和和C/C),广泛应用于),广泛应用于v航空航天、军事:航空器的主承力结构材料,如主翼、尾航空航天、军事:航空器的主承力结构材料,如主翼、尾翼、机体;翼、机体;C/C刹车片;防热及结构材料:火箭喷嘴、防热层;刹车片;防热及结构
19、材料:火箭喷嘴、防热层;卫星天线、太阳能翼片底板,等等;卫星天线、太阳能翼片底板,等等;v交通运输;汽车车体、传动轴、底盘等;快艇、巡逻艇等;交通运输;汽车车体、传动轴、底盘等;快艇、巡逻艇等;v体育用品:网球、羽毛球球拍;棒球杆、高尔夫球杆;自体育用品:网球、羽毛球球拍;棒球杆、高尔夫球杆;自行车;滑雪板等;行车;滑雪板等;v生物材料、医疗器具等各行各业。生物材料、医疗器具等各行各业。242、硼纤维(、硼纤维(Boron fiber,BF)(1)、引言、引言v硼纤维是由美国最早开发、且最早应用于硼纤维是由美国最早开发、且最早应用于MMC的高强、高模的陶瓷纤维。的高强、高模的陶瓷纤维。v早在上
20、世纪早在上世纪60年代,年代,B纤维增强铝用于航天飞机纤维增强铝用于航天飞机的主舱中,使航天飞机减重达的主舱中,使航天飞机减重达44%。v我国在我国在70年代初开始研制,但仍处于实验室阶段。年代初开始研制,但仍处于实验室阶段。25(2)、硼纤维的结构、硼纤维的结构 B纤维表面呈鱼鳞或玉米粒状,沉积纤维表面呈鱼鳞或玉米粒状,沉积B为无定为无定形的非晶结构,但也有人认为是微晶结构,晶粒形的非晶结构,但也有人认为是微晶结构,晶粒尺寸为尺寸为500nm左右。左右。26硼纤维的表面形貌硼纤维的表面形貌硼纤维的断面形貌硼纤维的断面形貌(3)、硼纤维的制备、硼纤维的制备 B纤维是采用纤维是采用化学气相沉积化
21、学气相沉积法,法,B沉积在沉积在钨钨(W)芯或芯或碳碳(C)芯上。因此分为芯上。因此分为W芯与芯与C芯芯B纤维。纤维。27n将将所所需需金金属属或或非非金金属属的的化化合合物物盐盐(主主要要为为挥挥发发性性卤卤化化物物)气气化化,与与H H2 2等等气气体体一一起起加加热热,并并与与原原丝丝接接触触。由由于于热热分分解解或或还还原原反反应应,使使金金属属或或化化合合物物在在原原丝丝上上析析出出。该该过过程程成成为为化化学学气气相沉积相沉积,或,或CVD(Chemical Vapor Deposition)。B是经是经BCl3气体与气体与H2气体经高温(气体经高温(1350)气相反应生成:气相反
22、应生成:2BCl3(g)3H2(g)2B(s)6HCl(g)制备工艺参数:制备工艺参数:vW芯的表面质量芯的表面质量W丝表面缺陷会引起纤维表面缺陷丝表面缺陷会引起纤维表面缺陷vH2和和BCl3气体的混合比气体的混合比影响沉积速度影响沉积速度v反应气体的流量反应气体的流量影响沉积速度影响沉积速度vW丝通过沉积室速度丝通过沉积室速度控制控制B纤维直径纤维直径28制备工艺参数:制备工艺参数:v反应温度:反应温度:W芯芯B纤维,反应温度在纤维,反应温度在11001350之间,并随之间,并随W丝长度变化而变化。温度过低,沉积速度慢,不均匀;温丝长度变化而变化。温度过低,沉积速度慢,不均匀;温度过高,沉积
23、度过高,沉积B形成粗大节瘤状表面,严重降低纤维强度。形成粗大节瘤状表面,严重降低纤维强度。v反应气体的利用率仅反应气体的利用率仅2,因此未反应气体的回收很重要,因此未反应气体的回收很重要,需要经需要经-80 冷凝回收。因此,冷凝回收。因此,B纤维的生产成本极高,价格纤维的生产成本极高,价格昂贵,约数百美元昂贵,约数百美元/kg,不利于,不利于B纤维的推广应用。纤维的推广应用。29(4)、硼纤维的后处理、硼纤维的后处理1 1)化学处理)化学处理除去纤维表面缺陷,可采用化学溶剂浸蚀或抛光。除去纤维表面缺陷,可采用化学溶剂浸蚀或抛光。2 2)表面处理)表面处理 在与某些金属(如钛及钛合金)复合时会产
24、生界面反应,在与某些金属(如钛及钛合金)复合时会产生界面反应,改改善善B纤维的抗氧化性纤维的抗氧化性,同时也,同时也还起还起优化界面优化界面的作用的作用。v SiC涂层;涂层;vB4C涂层;涂层;采用采用CVD法沉积涂层,主要用于法沉积涂层,主要用于B纤维增强纤维增强Ti复合材料。复合材料。30(5)、硼纤维的性能:、硼纤维的性能:31v密度为密度为2.42.6 g/cm3,与玻璃纤维相当,比,与玻璃纤维相当,比CVD-SiC纤维低纤维低30。v拉伸强度为拉伸强度为3.45.2GPa,模量则达模量则达400GPa,为玻璃纤为玻璃纤维的维的46倍倍,具有很高的比模量和比强度。,具有很高的比模量和
25、比强度。v膨胀系数小:膨胀系数小:1.5 10-6/K。(6)、硼纤维的应用:、硼纤维的应用:32硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱vCVD(化学气相沉积化学气相沉积)法法使用使用钨芯钨芯或或碳芯碳芯采用采用CVD法制备出法制备出SiC纤维,美国纤维,美国Texton公司商品名公司商品名SCS-2、SCS-6、SCS-8等,以及英国的等,以及英国的Sigma11140+。该方法生产的碳化硅纤。该方法生产的碳化硅纤维的密度为维的密度为3.5 g/cm3,性能高强、高模,抗拉强度为,性能高强、高模,抗拉强度为2.23.9GP
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