1、聚合物復合材料,Review,第3章 復合材料的增強材料 3.1 玻璃纖維 3.2 碳纖維 3.3 有機高分子纖維 3.4 陶瓷纖維 3.5 金屬纖維 3.6 晶須 3.7 粉體增強材料,Content,第4章 纖維復合材料及其制造方法 4.1 聚合物基復合材料 4.2 碳基復合材料 4.3 混雜纖維復合材料 4.4 其它復合材料,4.1 聚合物基復合材料, 概述,聚合物基復合材料（Polymer Matrix Composites， PMC） 聚合物為基體的復合材料 發(fā)展最早、研究最多、應用最廣、規(guī)模最大 聚合物基復合材料分為： 樹脂基復合材料（熱固、熱塑） 橡膠基復合材料,比強度大，比模量

2、大 耐疲勞性能好 減震性好 耐燒蝕性能好 工藝性好,聚合物基復合材料性能特點, 聚合物基體,熱固性樹脂 不飽和聚酯 環(huán)氧樹脂 酚醛樹脂 聚酰亞胺樹脂 其他熱固性樹脂 呋喃樹脂 有機硅樹脂,熱塑性樹脂 聚烯烴 聚酰胺 聚碳酸酯（PC） 聚甲醛（POM） 聚苯醚（PPO） 聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和乙二醇酯（PET） 氟樹脂 聚砜（PSF） 聚苯硫醚（PPS） 聚醚醚酮（PEEK）,橡膠基體： 天然橡膠 丁苯橡膠 氯丁橡膠 丁基膠 丁腈膠 乙丙橡膠 聚丁二烯橡膠 聚氨酯橡膠, 聚合物基復合材料的制造方法,1） 聚合物基復合材料的工藝特點 材料的形成與制品的成型同時進行 樹脂基復合材料的成型比

3、較方便,2） 聚合物基復合材料的制造技術 預浸料的制造 制件的鋪層 固化 制件的后處理與機械加工,按增強體的紡織形式分為 預浸帶、預浸布、無紡布等 按纖維的排布方式分為 單向預浸料、織物預浸料 按纖維類型分為 玻璃纖維預浸料、碳纖維預浸料、有機纖維預浸料,預浸料是將樹脂體系浸涂到纖維或纖維織物上，通過一定的處理過程后貯存?zhèn)溆玫陌氤善贰?（1） 預浸料及其制造方法,a） 熱固性預浸料的制備 按照浸漬設備或制造方式分為 轉鼓纏繞法和列陳排鋪法 按照浸漬樹脂狀態(tài)分為 濕法（溶液預浸法）和干法（熱熔預浸法）,b） 熱塑性預浸料的制造 按照樹脂狀態(tài)分為 預浸漬技術 溶液預浸 熔融預浸 后浸漬技術 膜層疊

4、 粉末浸漬 纖維混雜 纖維混編,（2） 手糊成型工藝（Hand Lay-up）,最簡單，勞動密集型工藝 設備投資少 生產(chǎn)效率低，制品質量難以控制 能生產(chǎn)大型和復雜形狀制品,特點：半自動化成型工藝 根據(jù)使用噴射壓力分為 高壓機和低壓機 根據(jù)樹脂和固化劑的混合方式有機樹脂和纖維的混合方式分為 槍內(nèi)混合和槍外混合,（3） 噴射成型工藝（Spray-up）,低壓無氣噴射成型,（4） 袋壓成型工藝（Bag-molding）,預浸料成型工藝中最早及最廣泛 分類：真空袋，壓力袋和熱壓罐成型 特點：構件尺寸穩(wěn)定、準確 可制非等厚層壓板 周期長，袋材料昂貴（尼龍膜） 應用：高性能FRP（熱壓罐法）,適合尺寸精度

5、要求高，量大的制品生產(chǎn),（5） 模壓成型工藝（Compression Molding）,先將增強體置于模具中形成一定形狀，再將樹脂注射進入模具，浸漬纖維并固化。,樹脂傳遞模塑（樹脂遷移成型）工藝 （Resin Transfer Molding, RTM）,特 點 污染小，為閉模操作系統(tǒng)； 制品可設計性，綜合性能優(yōu)異 樹 脂 各種液態(tài)的粘度低于1000CP的熱固性樹脂,將浸漬樹脂的紗或絲束纏繞在回轉芯模上，常壓在室溫或較高溫度下固化成型。 適用于生產(chǎn)各種尺寸回轉體,（6） 纏繞成型工藝（Filament Winding）,特 點 纖維鋪放的高度準確性和重復性 纖維含量高（70-75%） 原材料浪

6、費少，無廢料 樹脂揮發(fā)份，粘度，適用期有要求,纏繞成型示意圖,濕法纏繞; 干法纏繞; 半干法纏繞,環(huán)向; 縱向; 螺旋,特點：連續(xù)恒定截面，高效，自動化 工藝: 纖維輸送-纖維浸漬-成型與固化- 夾持與拉拔-切割 應用:桿，棒，空心管，型材等,（7） 拉擠成型工藝（Pultrusion）,拉擠成型示意圖, 聚合物基復合材料的基本性能,1）力學性能 比強度高 各向異性 彈性模量和層間剪切強度低 性能分散性大 2）疲勞性能 3）沖擊性能 4）蠕變性能 5）物理性能 電性能、溫度特性、阻燃性能、光學性能、老化性能,4.2 碳基復合材料, 概述,基體為碳的復合材料，主要為C/C復合材料,1958年 碳

7、基體復合材料； 20世紀60年代中期-70年代末期 火箭發(fā)動機噴管喉襯 20世紀80年代 軍用-民用,研究熱點：低成本; 抗氧化, 制備工藝, 碳纖維與基體的選擇,碳纖維： 堿金屬等雜質含量盡量低 高強度、高模量和較大的斷裂伸長 表面處理（根據(jù)實際情況確定）,浸漬用的基體樹脂： 殘?zhí)悸矢?有粘性 流動性好 與碳纖維良好的物理相容性, 預成形體（坯體）,通過長纖維（或帶）纏繞、碳氈、短纖維模壓或噴射成型、石墨布疊層的z向石墨纖維針刺增強以及多向織物等方法制得。,1）化學氣相沉積工藝（C V D）,最早采用的C/C復合材料致密化工藝 原料 低分子量的易揮發(fā)烴類（甲烷、丙烷、苯等） 工藝過程 1）反

8、應氣體擴散至沉積襯底邊界層； 2）反應氣體被吸附，發(fā)生反應； 3）氣體產(chǎn)物解吸附，擴散； 4）產(chǎn)生的氣體被排除。, 制備工藝,影響因素 1）反應溫度和壓力 低溫低壓下，反應動力學控制； 高溫高壓下，擴散為主。 2）氣體流量，載氣流量，分壓 影響擴散/沉積的平衡 3）擴散速度與沉積速度,2）液態(tài)浸漬法,3）化學氣相浸滲工藝（CVI）,指氣體在增強體坯體的孔隙內(nèi)發(fā)生化學反應和沉積反應物的工藝。 CVD只在基質表面發(fā)生（表面沉積）,分為等溫等壓CVI工藝（ICVI） 溫度-壓力梯度CVI工藝（FCVI）,4）快速致密化工藝,采用液態(tài)低分子有機物為碳源前軀體，將坯體浸入其中后，加熱至液體沸騰，達到碳源

9、的分解溫度后，熱解碳先在坯體內(nèi)部沉積，而后逐漸外移，直到坯體內(nèi)外熱梯度消失，致密化過程結束。,碳沉積速率 比傳統(tǒng)的等溫CVI工藝高兩個數(shù)量級,5）預成紗工藝,6）自燒結性焦燒結法, C/C復合材料的性能,1）力學性能 2）熱物理性能 3）化學穩(wěn)定性 4）抗氧化防護,C/C復合材料抗氧化途徑 a. 873K以下, 采用抑制劑法 b. 大于873K,采用高溫抗氧化涂層法 1773K以下: SiC 和 Si3N4硅類陶瓷 1773K-2073K的抗氧化防護 硅基復合涂層: Si2O3/SiC(外層/內(nèi)層) c. 更高溫度，采用復合涂層法, C/C復合材料的應用,1）航天領域 2）剎車片 3）航空發(fā)動

10、機 4）其他軍事領域 5）生物醫(yī)學,4.3 混雜纖維復合材料,混雜纖維復合材料 兩種或兩種以上纖維混雜增強一種基體構成的復合材料,采用混雜纖維復合材料 節(jié)約成本 通過優(yōu)化，達到較寬范圍的物理和機械性能 可以得到獨特的單項和組合的性質, 混雜纖維復合材料的結構形式,層內(nèi)混雜復合材料A型 兩種纖維按一定混雜比均勻分散在同一基體中 層間混雜復合材料B型 兩種纖維復合材料層按不同比例及方式交替鋪疊在一起 夾層結構C型 一種纖維復合材料作為芯層，一種纖維復合材料作為表層 層內(nèi)/層間混雜復合材料AB型 由A型和B型兩種結構形式疊加而成 超混雜混雜復合材料D型 金屬材料、各種單一復合材料組成, 混雜纖維復合

11、材料的特性,沖擊強度和斷裂韌性顯著提高 混雜纖維增強復合材料的成本明顯降低 提高疲勞強度 改善剛度性能 特殊的熱膨脹性能, 混雜纖維復合材料的應用,在航空、航天工業(yè)中的應用 在船舶工業(yè)中的應用 在汽車工業(yè)中的應用 在建筑設施中的應用 在體育和醫(yī)療衛(wèi)生領域中的應用,4.4 其它復合材料, 功能復合材料,導電復合材料、磁性復合材料 壓電復合材料、摩擦功能復合材料 含能復合材料、隱身復合材料 電磁屏蔽復合材料 抗聲納復合材料 抗X射線輻射復合材料 燒蝕復合材料, 生體復合材料,人工關節(jié)和人工骨 齒科材料 抗血栓功能材料 其他, 智能復合材料,能變軟變硬的材料 能向外部告知狀態(tài)的材料 能產(chǎn)生新陳代謝的材料,Summary & Problem,聚合物基復合材料 制備工藝、結構、性能、界面和應用 各種成型工藝的特點 碳/碳復合材料 制備工藝、結構、性能、界面和應用 各種成型工藝的特