工程材料与成形技术基础第2版教学课件作者庞国星第七章非金属材料与新型材料7第三节新型工程材料简介课件.ppt

第三节 新型工程材料简介 一、复合材料 由两种以上组分、具有明显界面和特殊性能的人工合 成多相固体材料。 在要求强度高、密度小、比刚度和比强度要求高的结 构件上，具有突出的优点。成功应用于航天、交通工具、 娱乐设备及日常生活中。 1. 复合材料的优点 （1） 改善和克服了组成材料的弱点，可充分地发挥它们的优点，达到各独立组元无法达到的性能。 （2） 可按构件的结构与受力要求进行最佳设计。 （3） 可以制备在同一时间内发挥不同功能的材料，这是单一材料不易具备的功能。 2. 复合材料的分类 复合材料的分类 3、复合材料的性能 1.具有比金属材料高得多的比强度（?b／?）和比模量（E／?） 2. 抗疲劳性能好，一般金属的疲劳强度?-1是抗拉强度?b的40% ～ 50%，而复合材料为70% ～80%左右。 3. 减振性好 4. 高温性能好。高温合金最高工作温度一般不大于900℃，而陶瓷复合材料可达1200℃，瞬时可达2000℃的高温。 5. 工作安全性好 4. 典型复合材料 （1）纤维增强复合材料 增强相的形状呈纤维状，基体相可以是金属、陶瓷或高聚物。 性能既取决于基体相和增强相的各自性能、各自的体积百分数，还决定于增强相的形状、尺寸、分布状态和排列方向以及基体相与增强相之间的界面状态与结合力等。 作为增强体要求纤维必须满足有较高的硬度、弹性模 量、强度和较小的密度，纤维表面有较高的表面质量 。 充分利用尺寸效应，尺寸愈小，缺陷愈少，强度愈高 复合材料常用纤维有三类： 1） 玻璃纤维树脂复合材料---玻璃钢 增强相：玻璃纤维（SiO2+其他氧化物）----比强度 和比模量高（如40%玻璃纤维增强尼龙的强度大于铝合 金），耐高温，化学稳定性好，电绝缘性较好。 玻璃纤维可分为连续纤维和断续纤维 连续纤维——制造管子、箱体、压力容器等 断续纤维——制造具有自由位相纤维专用的低成本造型 构件（如建筑薄板、板材、轻型船体及各种罩盖结构） 连续纤维和断续纤维增强材料的性能比较 ①热固性玻璃钢 基体相：热固性树脂---酚醛树脂， 环氧树脂（不饱和聚酯树脂，有机 硅树脂） 特点：加热软化、成型、冷却固化 后得到坚硬的制品；再加热则不再 软化、熔融，不能再成型。 性能：轻，比强度高(高于铜合金和铝 合金，有高于合金钢)，耐蚀性好,介电 性能优越,成型性能良好刚度较差，易 老化，易蠕变 用途：用于要求自重轻的受力结构件， 如汽车的车身、直升飞机旋翼，氧气瓶、 耐海水腐蚀的结构件和轻型船体等。 ②热塑性玻璃钢 基体相：热塑性树脂----尼龙、聚烯 烃类、聚苯乙烯类、(热塑性聚脂， 聚碳酸脂)-----机械性能、介电性能、 耐热性和抗衰老性能较好 特点：加热软化、熔融，可制成一定 形状的制品，冷却后变硬；重新加热 后又可软化、再成型，可反复重塑。 性能：（与基体材料相比） i 强度和疲劳性能提高2-3倍以上 ii 冲击韧性提高2-4倍(脆性材料) iii 蠕变抗力提高2-5倍 用途：用于轴承、轴承架、齿轮等精 密零件，汽车仪表盘、前后灯、照相 机、收音机的壳体等。 2）碳纤维复合材料 增强剂：碳纤维（石墨）--- 高强度、高弹性模量且2000℃ 以上保持不变；-180 ℃ 不变脆。 基体相：金属、陶瓷或高聚物 ①碳纤维树脂复合材料 基体：环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯 性能：普遍优于玻璃钢， 比铝轻，比 钢强，E 比铝合金和钢大，疲劳强度 高，冲击韧性高，耐水和湿气，化学 稳定性高，摩擦系数小，导热性好， 耐X射线，纤维和树脂粘结力不够，各 向异性大，耐高温性能有差距。 用途：航天材料-----飞行器，火箭外 层材料，天线支架，壳体，机架，齿轮， 轴承，活塞，密封圈，化工容器。 ②碳纤维碳复合材料 基体相：碳或石墨 性能：可承受极高的温度、极快的 加热速度、较好的耐热冲击性。强 度和冲击韧性比石墨高5-10倍， 刚度高，耐磨性、化学稳定性、尺 寸稳定性好。 用途：用于高温、有耐蚀要求的环 境，如化工和核反应装置中，飞船 的前缘，超音速飞机制动装置等。 ③碳纤维金属复合材料 基体：金属(主要为熔点较低的金属或合金，如碳纤/铝 锡合金) 性能：高强度、高弹性模量、高 导电性、低摩擦系数、高的耐磨 性等。 用途：碳纤/铝锡合金--高强度 高级轴承（减磨性能优于铝锡 合金） ④碳纤维陶瓷复合材料 基体：陶瓷（如：石英玻璃） 性能：提高陶瓷的强度和弹性模量，提高抗热振性， 改善陶瓷的脆性且在高温下不受氧化。 用途： a. 碳纤/SiC——可在1400℃ 的高温下长期作用，可作