《復合材料》課件

復合材料概述復合材料是由兩種或更多種不同的材料合成而成的新型材料。它們結(jié)合了各種材料的優(yōu)勢,具有獨特的性能特點,廣泛應用于航天、汽車、電子等領(lǐng)域。復合材料簡介定義復合材料是由兩種或多種材料組成的新型材料,具有優(yōu)于單一材料的性能。優(yōu)勢復合材料可以根據(jù)需求進行設(shè)計和優(yōu)化,具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕等特點。應用廣泛應用于航天航空、汽車制造、體育用品等行業(yè),為各領(lǐng)域帶來革新。發(fā)展復合材料技術(shù)不斷進步,材料種類和性能也在不斷創(chuàng)新和改進。復合材料的基本概念1復合材料的定義復合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料組合而成的新型材料,具有原材料所無法單獨具備的優(yōu)異性能。2復合材料的組成復合材料由基體材料和增強材料組成,基體材料用于固定和傳遞應力,增強材料用于承擔主要負荷。3復合材料的分類根據(jù)基體材料的不同,復合材料可分為金屬基、陶瓷基和高分子基三大類。4復合材料的優(yōu)勢相比于傳統(tǒng)材料,復合材料具有高強度、高剛性、低密度、耐腐蝕等特點,廣泛應用于航空、航天等領(lǐng)域。復合材料的分類金屬基復合材料金屬基復合材料以金屬材料為基體,通過添加增強相如陶瓷或纖維來提高強度和剛度。應用廣泛,常見于航空航天和汽車工業(yè)。陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料以陶瓷為基體,通過引入金屬或有機增強相來改善其耐熱、耐磨等性能。廣泛應用于航天、能源等領(lǐng)域。高分子基復合材料高分子基復合材料以塑料或橡膠為基體,添加纖維、顆粒等增強相。優(yōu)點是成本低、制造簡單,應用于日用品、交通工具等。復合材料的特點復合材料具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異特性,可根據(jù)應用需求進行定制。它們兼具各種材料的優(yōu)點,是一類高性能、多功能的先進工程材料。同時復合材料的制造成本相對較低,制造工藝靈活多樣。金屬基復合材料金屬基復合材料是以金屬為基體,添加各種增強相而形成的復合材料。它們具有高強度、高剛度、耐高溫和抗腐蝕性能。主要包括鋁基、鈦基、鎳基和鋼基等復合材料。這些材料廣泛應用于航空航天、汽車、機械等領(lǐng)域。陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料是一種由陶瓷基體與增強相組成的多相復合材料。它們具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化和耐腐蝕性能。陶瓷基復合材料廣泛應用于航空航天、發(fā)動機部件、熱防護系統(tǒng)等領(lǐng)域。主要的陶瓷基體包括氧化鋁、碳化硅、氮化硅等。常見的增強相有連續(xù)纖維、短纖維和顆粒等。通過優(yōu)化基體和增強相的配比及微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計可以大幅提升性能。高分子基復合材料高分子基復合材料是一種由高分子材料作為基體材料，與其他材料如金屬、陶瓷、纖維等復合而成的新型復合材料。它具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、電絕緣等優(yōu)良性能。廣泛應用于航天、汽車、體育等領(lǐng)域。高分子基復合材料可以采用熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為基體材料，與增強材料如碳纖維、玻璃纖維等復合而成。通過不同的制造工藝如壓縮成型、注射成型等可生產(chǎn)出各種復雜構(gòu)件。纖維增強復合材料碳纖維碳纖維是最常見的增強材料之一,具有高強度和剛度,廣泛應用于航空、航天和汽車行業(yè)。玻璃纖維玻璃纖維也是一種常見的增強材料,制造成本較低,適用于大型結(jié)構(gòu)件的制造。芳綸纖維芳綸纖維具有出色的抗拉伸和抗沖擊性能,常用于制造防彈裝備和工程塑料。層狀復合材料層狀復合材料由多種材料沿垂直于主面方向堆疊而成,具有良好的力學性能和耐環(huán)境性。它們通常由金屬、陶瓷或高分子基體材料增強,廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。層狀結(jié)構(gòu)可以有效改善材料的強度、剛度和熱穩(wěn)定性,同時還能提升抗沖擊和減震性能。制造工藝包括熱壓、真空袋成型等。夾層結(jié)構(gòu)復合材料夾層結(jié)構(gòu)復合材料由兩層或多層不同材料的板材組成,通過粘接或機械連接的方式固定在一起。這種結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、強度高、抗彎曲和抗沖擊等優(yōu)異性能,在航空航天、汽車制造和建筑等領(lǐng)域廣泛應用。夾層結(jié)構(gòu)的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝是關(guān)鍵技術(shù)。合理的材料組合和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以顯著提升復合材料的綜合性能?？勺兘孛鎻秃喜牧?特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計可變截面復合材料采用結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性,可根據(jù)不同的應用需求調(diào)整截面形狀,實現(xiàn)針對性的性能優(yōu)化。2重量和強度優(yōu)化通過可變截面的設(shè)計,可以在保證結(jié)構(gòu)強度的同時降低整體重量,提高材料利用效率。3制造工藝靈活可變截面復合材料可采用多種成型工藝,如注射成型、纏繞成型等,滿足不同應用場景的需求。預浸料制備1基體預浸將基體材料如環(huán)氧樹脂與促進劑混合均勻2浸漬增強將增強材料如碳纖維等浸漬于基體樹脂中3烘干固化通過加熱使預浸料中的樹脂完全固化4切割分片將固化的預浸料切割成所需尺寸的片狀預浸料制備是復合材料成型的關(guān)鍵步驟之一。通過精心的基體預浸、浸漬增強、烘干固化和切割分片等工序,可以得到高性能、高可靠性的復合材料預浸料,為后續(xù)的成型工藝奠定基礎(chǔ)。熱壓成型工藝預浸料鋪貼將預浸料一層一層地鋪在成型模具上。加熱加壓在高溫和高壓力作用下,預浸料在模具中成型。冷卻成型完成成型后,在模具中自然冷卻,直到成品完全凝固。注射成型工藝1材料準備將復合材料制成可注射的顆?；蚍勰?模具設(shè)計根據(jù)產(chǎn)品需求設(shè)計合適的注射模具3注射成型將材料加熱熔融后注入模具冷卻固化注射成型是一種高效、高產(chǎn)、自動化程度高的復合材料成型工藝。它通過精密的注射模具和嚴格的工藝參數(shù)控制來實現(xiàn)復雜形狀的零件成型。該工藝適用于生產(chǎn)大批量、尺寸精度要求高的復合材料制品。纏繞成型工藝11.模具制作根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計制作專用模具22.料帶鋪放將連續(xù)的增強材料料帶纏繞在模具上33.纏繞成型機械控制料帶的張力和纏繞路徑44.固化處理采用熱壓或真空袋等方式固化成型纏繞成型是一種常見的復合材料制造工藝。它利用機械控制裝置將連續(xù)增強材料料帶纏繞在旋轉(zhuǎn)的模具表面上,然后采用熱壓或真空袋等方式固化成型。該方法可以制造出復雜形狀的大尺寸零件,適用于管道、容器等產(chǎn)品的制造。真空袋成型工藝1準備首先將增強材料和基體材料置于模具中,蓋上真空袋并密封。抽真空機會自動抽除模具內(nèi)的空氣,使增強材料和基體材料緊貼模具表面。2加熱固化保持真空狀態(tài)的同時,通過加熱使基體材料逐步固化成型。這種工藝適用于制造大型、復雜形狀的熱固性復合材料構(gòu)件。3冷卻取出待固化完成后,關(guān)閉加熱并自然冷卻至室溫。然后將成型件從真空袋中取出,完成整個成型過程。自動化成型工藝自動化上料先進的自動化系統(tǒng)可以精確地將原料送入成型設(shè)備中,提高效率和重復性。自動化成型機器人手臂和智能模具可以自動完成整個成型過程,大幅提高生產(chǎn)速度。自動化脫模成型后的制品可以由機器人自動取出,避免人工操作帶來的損傷。自動化檢測先進的視覺識別系統(tǒng)可以對產(chǎn)品進行全面檢測,確保質(zhì)量穩(wěn)定可靠。熱塑性復合材料成型工藝1薄片壓制熱塑性復合材料首先被壓制成薄片或板材2預熱成型預熱使材料柔軟可塑，有利于后續(xù)成型3模具成型將預熱的材料置于模具中進行成型4冷卻固化成型件冷卻后即可完成熱塑性復合材料成型熱塑性復合材料的成型通常包括將材料壓制成薄片或板材、對材料進行預熱使其柔軟可塑、將材料放入模具中進行成型、最后經(jīng)過冷卻固化而完成整個成型過程。整個過程簡單高效、適合大批量生產(chǎn)。熱固性復合材料成型工藝熱壓成型將熱固性樹脂和增強材料預浸料放入模具內(nèi),在加熱和高壓力下固化成型?？芍圃鞆碗s外形的產(chǎn)品。注射成型將熱固性樹脂和增強材料混合后,以高壓注入模具并在加熱下固化。適用于大批量生產(chǎn)簡單外形的復合材料件。纏繞成型將連續(xù)纖維預浸料纏繞在旋轉(zhuǎn)模具上,并在加熱下固化。用于制造管道、容器等中空復合件。真空袋成型將預浸料放于模具上,用真空袋密封并抽真空?？捎行獠⑻岣弋a(chǎn)品質(zhì)量，適用于大型復合件。復合材料的力學性能抗拉強度復合材料的抗拉強度通常大于其組成成分單獨的強度。這得益于纖維材料的高強度以及與基體材料良好的結(jié)合。不同種類和配比的纖維使復合材料具有廣泛的抗拉強度范圍?？箟簭姸葟秃喜牧系目箟簭姸纫矁?yōu)于組成材料的單一抗壓強度。這主要得益于復合材料具有良好的剛性和承載能力。復合材料在受壓時可以避免局部塑性變形和整體失穩(wěn)?？箯潖姸葟秃喜牧贤ǔ＞哂懈叩目箯潖姸群蛣傂浴＿@主要歸功于纖維材料在受力時能夠有效地承擔拉應力和壓應力。合理的纖維排布和基體材料的選擇可以進一步提高復合材料的抗彎性能?？箾_擊性能與傳統(tǒng)材料相比,復合材料具有更高的抗沖擊性能。這是因為復合材料可以通過纖維的撕裂和基體材料的塑性變形來吸收沖擊能量,從而提高整體的抗沖擊性。復合材料的化學性能1耐腐蝕性復合材料由于其獨特的化學結(jié)構(gòu),通常具有優(yōu)異的耐腐蝕性,能夠抵御酸、堿等化學腐蝕。2耐化學品性復合材料能夠抵御各種化學品的侵蝕,保持原有的機械性能和外觀。3耐候性復合材料對紫外線、溫度、濕度等環(huán)境因素具有優(yōu)異的耐候性,能夠長期暴露在戶外而不會劣化。4絕緣性某些復合材料具有良好的絕緣性,適用于電力、電子等領(lǐng)域。復合材料的耐高溫性能優(yōu)秀的耐高溫性能復合材料可以在高溫環(huán)境下長時間使用,不會發(fā)生變形或損壞。這得益于其獨特的材料組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計。良好的隔熱性能復合材料可以有效隔熱,減少熱量的傳導和輻射,在高溫環(huán)境中提供可靠的保護。卓越的抗熱沖擊性復合材料能抵抗瞬間高溫沖擊,不會因溫度驟變而導致?lián)p壞。這在航天航空等領(lǐng)域應用廣泛。復合材料的耐沖擊性能優(yōu)異的抗沖擊性復合材料具有比傳統(tǒng)材料更出色的吸收沖擊力的能力。由于其復雜的微觀結(jié)構(gòu)和組分搭配,能夠有效分散和吸收沖擊載荷,減少損傷。高韌性設(shè)計通過調(diào)整增強材料和基體材料的配比,可以設(shè)計出更高韌性的復合材料。這種材料在遭受沖擊時不會輕易破壞,能夠提供足夠的安全余量。實踐應用憑借優(yōu)異的耐沖擊性能,復合材料廣泛應用于航空航天、汽車、體育等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件,為使用者提供更好的安全保障。復合材料的耐腐蝕性化學穩(wěn)定性復合材料通常具有出色的抗化學腐蝕性,能夠抵抗酸堿溶液、有機溶劑等環(huán)境的侵蝕。環(huán)境適應性復合材料可以根據(jù)應用環(huán)境的化學特性,選擇合適的基體和強化相,提高整體的耐腐蝕性。表面處理通過涂層、表面改性等方法,可以進一步增強復合材料的抗化學腐蝕能力。優(yōu)異性能復合材料不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性,還往往具備輕質(zhì)、耐磨、高強度等特點。復合材料的抗疲勞性疲勞性能試驗通過疲勞試驗可以評估復合材料在長期循環(huán)載荷下的性能表現(xiàn),了解其抗疲勞能力。試驗過程中還可以分析材料發(fā)生疲勞斷裂的機理。疲勞斷裂分析復合材料在重復受力下容易出現(xiàn)疲勞斷裂。通過對斷口的微觀分析,可以發(fā)現(xiàn)導致疲勞失效的關(guān)鍵因素,為改善材料抗疲勞性提供依據(jù)。疲勞特性曲線通過繪制S-N曲線可以直觀展現(xiàn)復合材料在不同應力振幅下的疲勞壽命。這種特性曲線對設(shè)計和預測復合結(jié)構(gòu)的疲勞性能非常重要。復合材料的制造質(zhì)量控制原材料檢測對各種原材料進行嚴格的檢測,確保其質(zhì)量符合要求。包括纖維、樹脂、填料等關(guān)鍵原材料的性能指標。制造工藝監(jiān)控全程監(jiān)控復合材料的成型工藝,如溫度、壓力、時間等各個關(guān)鍵參數(shù),確保工藝穩(wěn)定可控。制品檢驗對成品復合材料零件進行全面的物理機械性能檢測,確保其性能指標達到設(shè)計要求。質(zhì)量保證體系建立完善的質(zhì)量管理體系,從原材料采購到最終產(chǎn)品出廠全程嚴格控制,確保產(chǎn)品質(zhì)量可靠。復合材料的應用領(lǐng)域航空航天復合材料因其高強度、低重量和出色的耐高溫性能,廣泛應用于飛機、火箭和衛(wèi)星等航空航天領(lǐng)域。汽車工業(yè)復合材料在汽車車身、底盤和內(nèi)飾等部位得到廣泛應用,提高了汽車的整體性能。建筑工程復合材料憑借其耐腐蝕、耐候性好等特點,被用于橋梁、隧道和高層建筑的建造。體育休閑復合材料被廣泛應用于高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車等運動裝備,