現(xiàn)代復(fù)合材料導(dǎo)論

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)成即簡單，又具有強韌度的硬性材料；內(nèi)側(cè)組織粗造柔軟，外側(cè)組織致密堅硬；細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－木頭天然纖維的結(jié)構(gòu)劍麻葉片的橫截面劍麻天然纖維的細胞結(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)習的技巧1.實例都是無機物或有機物使用纖維堅固的復(fù)合材料；

2.天然復(fù)合材料的優(yōu)勢：

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?千年前的夏時代已開始出現(xiàn)漆器，用絲、麻等天然纖維作增強劑，用大漆作粘結(jié)劑；秦漢以后對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。）漆樹在秦漢時期主要分布在黃河流域，后來由于中原氣候變冷，漆樹現(xiàn)主要分布在四川盆地。鑒真漆佛像鄭和寶船復(fù)合材料的分類按增強劑的形態(tài)、排列分：基體中分布長纖維：定向的、隨機的；基體中分布短纖維：定向的、隨機的；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。增強相形狀示意圖復(fù)合材料顆粒增強層壓復(fù)合材料纖維增強復(fù)合材料長纖維增強短纖維增強定向排布混亂排布取向性排布復(fù)合材料的分類按聚合物（樹脂）分：熱固性樹脂復(fù)合材料；熱塑性樹脂復(fù)合材料。按聚合物種類分：聚酯樹脂基復(fù)合材料；環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料；酚醛樹脂基復(fù)合材料；等等。各種樹脂基體不飽和聚酯：各種樹脂基體酚醛樹脂：各種樹脂基體環(huán)氧樹脂：樹脂基復(fù)合材料的特性優(yōu)點：輕質(zhì)高強：玻璃鋼的比強度是鋼材的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)腐蝕；電性能好，絕緣性高；熱導(dǎo)率低，線膨脹系數(shù)??；成型工藝優(yōu)越，結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活。缺點：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－基體疊層實物生活FRP，合成皮革，CFRC（外壁材），體育用具輪胎，制動器，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、人造血管樹脂基纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用行業(yè)實例飛機制造汽車制造造船化工家具與設(shè)備電氣工業(yè)運動器材機翼、機身、起落架、直升飛機旋翼葉片；車身、燈殼罩、前后護板、保險橫桿、板彈簧、座椅架、驅(qū)動軸；船殼體、甲板、桅桿；管道、儲油罐、壓力容器；各種臺板、住房、椅子、桌子、梯子；儀表面盤、配電盤、絕緣材料；魚桿、高爾夫球桿、游泳池、滑雪板、游艇人類第一架全復(fù)合材料飛機復(fù)合材料制品復(fù)合材料制品復(fù)合材料汽車第二章纖維的復(fù)合－先進復(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，如玻璃纖維，因為急速冷卻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－碳纖維纖維素材－芳綸纖維各種纖維的比較各種纖維的比強度和比模量基體素材1、基體－聚合物、金屬、陶瓷、碳基體；聚合物基體包括：熱固性樹脂：如不飽和樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等；熱塑性樹脂：聚烯烴、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮等；

金屬基體包括：鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金；

陶瓷基體包括：氧化鋁、氧化硅、碳化硅、氮化硼、玻璃、水泥、石灰、磚瓦等。A階、B階、C階的概念復(fù)合定律1、力學(xué)中的混合定律：Xc=XmVm+Xf1Vf1+Xf2Vf2+…單向連續(xù)纖維增強復(fù)合材料：縱向彈性模量：EcL=EfVf+Em(1-Vf)縱向拉伸強度：

cu=

fuVf+

m*(1-Vf)各向異性材料的得失材料設(shè)計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階段樹脂的中間基材－預(yù)浸料，再加熱加壓使樹脂固化成型；不做中間基材，使纖維浸漬樹脂后，直接進入成型階段；復(fù)合材料的制造工藝1、熱固性樹脂預(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（團狀模塑料）：由短切玻璃纖維、樹脂、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：Glassmatreinforcedthermoplastic優(yōu)點：生產(chǎn)過程無污染；成型周期短；廢品可回收。手糊成型（敞開）噴射工藝（敞開）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、修整等幾個主要步驟。模壓成型樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型生產(chǎn)效率高；可生產(chǎn)形狀復(fù)雜產(chǎn)品；對環(huán)境污染少；樹脂轉(zhuǎn)移模塑增強劑預(yù)成型纖維復(fù)合材料的應(yīng)用一。在機械工業(yè)的應(yīng)用：主要用于閥、泵、齒輪、風機、葉片、軸承及密封件；優(yōu)勢在于耐腐蝕、重量輕、價格便宜。如酚醛玻璃鋼閥門使用壽命長于不銹鋼，而價格便宜的多。二、在化學(xué)工業(yè)的應(yīng)用化學(xué)工業(yè)存在的主要問題是腐蝕嚴重；玻璃鋼主要用于各種槽、罐、釜、塔、管道等；價格低于不銹鋼，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)計成流線型。是電動汽車的發(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AstonMartinV12Vanquish的碳纖維車架Cadillac超級概念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；美國空軍主力戰(zhàn)斗機中所使用的復(fù)合材料重量達到50％左右；噴氣客機的重量每減輕450克，使用期內(nèi)可節(jié)省1000美元；二次結(jié)構(gòu)首先實用化：輔助翼、整流罩、門板、內(nèi)飾等；一次結(jié)構(gòu)逐漸擴大范圍：主翼、尾翼、機身等。力學(xué)設(shè)計：蜂窩－表皮結(jié)構(gòu)和支肋結(jié)構(gòu)機械加工與連接連接方法與強度多維編織的立體組織航天領(lǐng)域尤其需要比強度和比模量高、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同步通訊衛(wèi)星的太陽能電池框架、反射天線；航天飛機的鼻錐、機翼和尾翼的前緣；固體火箭發(fā)動機的噴管等；五、在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用例如：玻璃纖維增強水泥復(fù)合材料制做的建筑物外墻；碳纖維增強聚合物復(fù)合材料用于修補加固鋼筋混凝土橋板、橋墩。環(huán)氧樹脂碳纖維布HEX-3R國外補強工程案例美國華盛頓威力美特橋-美國加利福尼亞州立大學(xué)一種復(fù)合材料滑動內(nèi)襯管修復(fù)一個主要的地下管道，以離心灌注生產(chǎn)的玻璃纖維增強聚酯滑動內(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)用來做一個新飯店的前檐。世界上最大的風力發(fā)動機葉片？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)和高強度/重量比使其成為木材，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、釣魚桿、高爾夫球棒、滑雪板等；家用電器外殼，開關(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度30MPa彎曲強度5MPa拉伸強度3MPa標準混凝土的強度拉伸強度很低！鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土針對混凝土拉伸和彎曲強度差的問題，通常采用鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的施工方案。纖維補強水泥石棉與水泥的混合很早就使用了；短纖維與水泥混合，應(yīng)用于建筑物的表面－混合法、噴射法；碳纖維補強水泥（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，通過提高流動性、尺寸穩(wěn)定性、分散性等，來提高加工性；（3）改善經(jīng)濟性，通過利用廉價的聚合物及填料和（1）（2）來增加經(jīng)濟性。聚合物混合體的調(diào)制方