复合材料期末复习资料

复合材料C复习

第一章概论

1.复合材料的定义？

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

三要素：基体（连续相）增强体（分散相）界面（基体起粘结作用并起传递应力和增韧作用）复合材料的特点：（明显界面、保留各组分固有物化特性、复合效应，可设计性）

（嵌段聚合物、接枝共聚物、合金：是不是复合材料？？）

2、复合材料的命名

f（纤维），w（晶须），p（颗粒）比如：TiO2p/Al

3.复合材料的分类：

1)按基体材料类型分为：

3)按增强材料分为：

玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料；有机纤维增强复合材料；晶须增强复合材料；陶瓷颗粒增强复合材料。

3)按用途分为：功能复合材料和结构复合材料。

结构复合材料主要用做承载力和此承载力结构，要求它质量轻、强度和刚度高，且能承受一定温度。

功能复合材料指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料，即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。

第二章增强体

1、增强体

定义：结合在基体内、用以改进其力学等综合性能的高强度材料。

要求：1)增强体能明显提高基体某种所需性能；2)增强体具有良好的化学稳定性；3)与基体有良好润湿性。

2、纤维类增强体

特点：长径比较大；柔曲性；高强度。

玻璃纤维

主要成分：SiO2

性能：拉伸强度高；较强耐腐蚀；绝热性能好。（玻璃纤维高强的原因（微裂纹）及影响因素（强度提升策略：减小直径、减少长度、降低含碱量，缩短存储时间、降低湿度等））

分类：无碱（E玻璃）、有碱（A玻璃）

制备：坩埚法（制球和拉丝）、池窑法（熔融拉丝）。

浸润剂作用：(i)粘结作用，使单丝集束成原纱或丝束；(ii)防止纤维表面聚集静电荷；(iii)进一步加工提供所需性能；(iv)防止摩擦、划伤。（无偶联剂作用）

玻璃纤维表征：(i)定长法：“tex”（含义）；(ii)质量法：“支”（含义）

硼纤维

制备：化学沉积（CVD）法原料：卤化硼或氢化硼

形貌：玉米棒状（W芯）光滑（C芯）

表面涂层：SiC（防止脆性相的产生or便于与基体结合）

目前比模量和比强度最高的陶瓷增强纤维

碳纤维

1)制备：有机纤维碳化法

有机纤维前驱体满足条件：碳化过程不熔融，保持纤维形态，碳化收率高··

三种重要的前驱体：聚丙烯腈；黏胶纤维（人造丝）；沥青纤维。

以PAN为例(制造高强度、高模量碳纤维多选用聚丙烯腈)：拉丝--牵引--稳定化--碳化--石墨化

拉丝：即PAN原纤维制备，湿法纺丝、干法纺丝，不能熔融纺丝；PAN特性：受热分解不熔融。施加牵伸力目的在于使纤维产生择优取向，提高强度和模量。

石墨纤维和碳纤维的区别：处理温度不同、C含量不同、晶型不同

碳纤维结构：乱层石墨结构。

特性：导热系数较高、线膨胀系数具有负的温度效应（可以抵消热胀冷缩现象）

例1)碳纤维增强复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体，具有韧性好等特点，下列物质中可用于制造的是（）。

A、电话亭和餐桌椅

B、网球拍和钓鱼竿

C、飞机用隔热瓦

2)在PAN法制备CF的工艺过程中，为什么要进行预氧化、碳化和石墨化三个处理过程？（P20）

聚丙烯腈纤维（PAN）是线性高分子结构，耐热性差，高温会裂解，不能经受碳化的高温得到碳纤维，预氧化可避免直接碳化处理时爆发产生有害的闭环和脱氢等放热反应，防止后续工序中纤维熔并。碳化是在N2保护下进行热解反应，将结构中不稳定部分与非碳原子裂解出去，同时进行分子间的缩合，形成碳素缩合环。石墨化处理可以使碳纤维发生石墨化结晶，形成石墨纤维，以较大幅度提高碳纤维的模量

SiC纤维

1)特点：高比强度、高比模量、高温抗氧化性、优异的耐烧蚀性、耐热冲击性和吸波隐身性能等。

2)碳纤维增强铝基复合材料可用于飞机、导弹、发动机的高性能结构件。

碳化硅纤维增强聚合物基复合材料，可以吸收或透过部分雷达波；作为雷达天线罩、火箭、导弹和飞机等飞行器部件的隐身结构材料，和航空、航天、汽车工业的结构材料与耐热材料。

3)制备：(i)化学气相沉积法CH3SiCl3→SiC↓+3HCl↑

(ii)先驱体法：(Nicalon)制备聚碳硅烷、熔融纺丝、不熔化处理和高温烧成。

3、晶须

1)晶须与纤维的区别：①晶须是单晶；纤维可以是非晶、单晶或多晶；②晶须直径<3μm;纤维直径几微米至几十微米。③晶须较纤维缺陷少，强度高（机械强度近似相邻原子之间的作用力）、模量大。

2)晶须主要分陶瓷晶须(Al2O3、SiC)和金属晶须两大类。

3)唯一一种具有空间结构的晶须：ZnO晶须

4、颗粒

颗粒增强体（炭黑）与填料（滑石粉、CaCO3）的区别：前者以增强为主要目的，后者以填充体积为主要目的。

刚性颗粒增强体：指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化钛、氮化硅、石墨、细金刚石等。

延性颗粒增强体：主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性，如Al2O3中加入Al，W C中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显着提高，但高温力学性能会有所下降。

例：下列哪一项不是颗粒增强体的特点（）。

A、选材方便

B、力学性能取决于颗粒的形貌、直径、结晶完整度、体积分数等

C、成本高

5、有机高分子纤维

Kevlar纤维（芳纶纤维）：聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成。

（PPTA）

合成方法：1)PPTA分子合成（P42）；2)纺丝：湿纺、干喷和干喷—湿纺(溶致液晶)

可用来制备防弹衣

Kevlar纤维化学结构特点：含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体。苯环与酰胺键交替排列对称性好，结晶性好。分子间有氢键。

芳香族聚酯纤维：可以进行熔融纺丝。

UHMW-PE ：密度最低的高性能纤维。

第三章复合理论

?

? 复合理论：包括组分相（基体、增强体）的合理设计、组分相间的复合机理（复合效应与增

强原理）。

1、复合材料设计的原理

复合材料为什么具有可设计性？

2、复合材料的复合效应 ?

? 线性效应(平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应)

?

? 蒇平均效应： 密度、单向纤维复合材料的纵向杨氏模量等

单向纤维复合材料的横向杨氏模量等

()

11()c i i i c i

K K K K φφ==∑∑并联模型串联模型

例：SiC f /硼硅玻璃复合材料的强度随增强纤维体积含量线性增加反映的是复合线性效应中的（）

A 、平均效应

B 、平行效应

C 、相补效应

D 、相抵效应

?

?

平行效应：c i K K ?

即：复合材料的某项性能与某一组分的该项性能相当。（如玻璃纤维增强环氧树脂的耐蚀性能与基体相当）

?

? 相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上互补，从而提高了综合性能，显示出相补效应。

?

? 相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，组分间性能相互制约，限制了整体性能提高（性能低于混合定律的预测值），则复合后显示出相抵效应。

（脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂）

?

? 非线性效应(相乘效应、诱导效应、系统效应、共振效应)

?

?

相乘效应：(/)(/)/X Y Y Z X Z ?=

例:用作温度自控发热体的石墨粉/聚合物复合材料，可以达到自动控温的效果，其利用的是复合

?

?诱导效应：诱导另一相材料产生特殊的界面层，传递载荷，改变功能。

（在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作用。）

?

?系统效应：复合材料具有单个组分不具有的某种性能。（涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和）?

?共振效应（强选择性效应）：A组分的大多数性能受到抑制，而其某一项性能充分发挥。(导电不导热)

例：彩色胶卷仅含有三种感光乳剂层却能记录各种颜色，利用了复合效应中的（）

A、诱导效应

B、系统效应

C、相补效应

3、复合材料的增强机制

?

?颗粒增强机制（颗粒切过、颗粒未切过）

?

?颗粒切过增强机制

1)适用于：颗粒的尺寸较大(>1μm)，自身强度不高，结合力较强

2)受力特点：基体承担主要的载荷，颗粒阻止位错的运动，并约束基体的

变形。

3)位错切过强化：（有序增强机制、界面强化机制、共格应变强化机制等）

4)颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。

?

?颗粒未切过增强机制（颗粒较小，<1μm）

●

●低温、高外加应力----位错绕过理论（Orowan机制）（注意：有位错环）

1)硬质颗粒如Al2O3，TiC，SiC阻碍基体（金属基）中的位错运动或分子链（高聚物基）运

动。

2)载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。

3)颗粒尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。一般V p为1%~15%，d p为0.001μm~0.1μm。

●

●高温、低外加应力----位错攀移机制

1)形式：局部攀移和整体攀移

●

处发生偏转（消耗更多能量），起到增韧补强复合材料。

●

●影响颗粒增强因素：颗粒的性质、基体性质、结合界面、制备工艺（P61）。

?

?纤维增强机制

受力特点：高强度、高模量的纤维承受载荷，基体只是作为传递和分散载荷的媒介。

●

●单向排列连续纤维增强原理（单向长纤维）纵向：

1)初始阶段(纤维、基体、复合材料具有相同的应变)

纤维/基体弹性模量的比值↑，纤维体积含量↑，则纤维承载比↑。

袅2)断裂顺序和断裂强度：（会分析，判断谁先断裂，然后该材料断裂后另一种材料能否承受全部载荷）

?

?纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质、二者的结合强度、纤维在基体中的排列方式。

?

?为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则：（简答题）

1)纤维的强度和弹性模量应远高于基体（使纤维尽可能多的承担外加负荷）；

防止脆性断裂；

3)纤维的排列方向要与构件的受力方向一致；

4)纤维与基体的热胀系数应匹配（纤维的热膨胀系数略大于基体）；

5)纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应；

6)纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。

?

?复合材料的物理性质

1)热膨胀系数：满足平均效应。

一般无机材料的热膨胀系数较聚合物的要小得多，所以，以无机材料为增强体的聚合物基复合材料其热膨胀系数要较纯聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。

2）导热系数：不满足平均效应，复合材料的导热系数小于组分的导热系数

空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，而以碳纤维、金属粉等为增强体的复合材料则可作为导热性复合材料使用。

3)阻燃性质：

i)氧指数：聚合物着火后刚够维持燃烧时的氧气在试验气体(氧、氮混合气体)中的最小百分含量。(聚合物阻燃性的判据)

ii)阻燃增强体：三氧化二锑（与有机卤化物合用）；钼化物（高效抑烟）；磷化物；氢氧化铝

iii)满足以下条件的才能成为有效的阻燃剂：产生不燃性气体的温度略低于聚合物热分解温度；在复合塑料的混炼、成型温度下不产生不燃性气体。

第四章界面理论

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?复合材料的界面：复合材料的界面是指基体与增强体之间化学成分有显着变化、能够彼此结合、传递载荷的微小区域。（界面结构与性质都不同于两相中的任何一相）界面起“纽带”和“桥梁”作用。

?

?界面的种类：1)机械结合界面(钢筋混凝土中钢筋表面有螺纹的作用：表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效)；

2)溶解和润湿结合界面（基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成结合；在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材科的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提）；

3)反应结合界面（偶联剂）；

5)混合结合界面

?

?界面的作用：（传递效应；阻断效应；不连续效应；散射和吸收效应；诱导效应）

例1：复合材料的界面有哪些作用？

界面的作用归纳为几种效应：传递效应：界面能传递力，能将外力传递给增强体，在基体和增强体间起“桥梁”作用。阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现等现象，比如抗电性、尺寸稳定性等。散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性等。诱导效应：一种物质（增强体）的表面结构使另一种（聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性等。

例2：在纤维增强聚合物基复合材料中，纤维与基体界面阻止裂纹进一步扩展，从而可提高复合材料的韧性。这里界面起到的主要作用是______。

?

?界面的润湿性：

表示方法：接触角。

润湿是组分良好粘结的必要条件，并非充分条件。

?

1)聚合物基复合材料分为热塑性聚合物基复合材料和热固性聚合物基复合材料。

i)热塑性复合材料的成型分两步：①热塑性聚合物基体的熔体和增强体之间的接触与润湿；②复合后体系冷却凝固成型。

ii)热固性复合材料的成型工艺：常用预先形成预浸料(干法、湿法)的办法，以提高聚合物基体对增强体的润湿程度。

2）界面形成：聚合物基复合材料的界面在成型过程中形成。分为两个阶段。（P89）

第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。由于增强纤维对基体分子的各种基团或基体中各组分的吸附能力不起着同，它总是要吸附那些能够降低其表面能的物质，并优先吸附那些能较多降低表面能的物质，因此，界面聚合层在结构上与聚合物本体是不同的。第二阶段是聚合物的固化阶段。在此过程中聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。

3）界面层的包括:界面的结合力、界面的厚度和界面的微观结构等几个方面。

4）界面作用机理：（偶联剂的作用？？）

?

?浸润吸附理论（两相充分润湿，两相界面处产生的物理吸附主要是由范德华力的作用实现粘接；产生良好界面的条件：①液体的粘度尽量低；②?S略大于?L）

维的表面张力为38.3×10-5N/m，选用________作为玻纤增强聚合物复合材料的基体较为合适。

?

?化学键理论(基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应，大部分偶联剂的作用)

?

?物理吸附理论:机械咬合和基于次价键作用的物理吸附。

?

?变形层理论：（增强体优先吸附树脂分子在界面上形成可塑的“柔性层”，可以起到松驰界面上应力集中的作用）

?

?扩散层理论、静电吸引等

例：碳纤维复合材料，当碳纤维经过某些柔性聚合物涂层处理后，力学性能可改善。而柔性聚合物与树脂和碳纤维都不起化学反应。下列()不是此时复合材料界面的主要作用？

A.浸润吸附

B.化学键增强

C.物理吸附理论

5）改善界面结合的原则：i)改善树脂基体对增强材料的浸润程度(延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度;对增强体进行表面改性，增加表面能，提高浸润性；增强体比表面积增加，界面增大，粘合强度提高)；ii）适度的界面黏结；iii）减少复合材料成型中形成的残余应力；iv）调节界面内应力、减缓应力集中。

增强体的表面处理：

1)玻璃纤维（偶联剂的定义）

?

?表面处理剂主要分为有机铬络合物和有机硅烷两大类。

i)有机铬络合物(沃兰)

作用机理（P100）

ii)有机硅烷（P101）

2)碳纤维

?

?表面处理机理：

i)表面粗糙度：增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械粘合。

ii)石墨微晶大小：微晶越小，活性碳原子的数目就越多，越有利于纤维与树脂的粘合。

iii)碳纤维表面官能团种类与数量：官能团如-OH、-NH2、-COOH等。

经表面处理后，碳纤维表面石墨微晶变细，不饱和碳原子数目增加，极性基团增多，这些都有利于复合材料性能改善。

聚合物基复合材料的特点：高的比强度、比模量；抗疲劳性能好；减振性好；耐烧蚀性卓越；

可设计性强，成型工艺简单；过载安全性好。

聚合物的基体：

热固性：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等

（优点：良好的工艺性；宜于在常温常压下浸渍纤维；固化后具有良好的耐化学药品性和抗蠕变性。缺点：预浸料需低温冷藏且贮存期有限；成型周期长和材料韧性差）

热塑性：聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等

（优点：具有高断裂韧性(高断裂应变和高冲击强度)；预浸料不需冷藏且贮存期无限、成型周期短、可再成型、易于修补、废品及边角料可再生利用。缺点：熔体或溶液粘度很高，成型要在高温高压下进行；成品耐热性、抗蠕变性）

聚合物基复合材料结构包括：链结构及聚集态结构。

基体材料的作用：i)均衡载荷、传递载荷；ii)保护纤维，防止纤维磨损；iii)决定复合材料一些性能，如耐热性、耐腐蚀性、耐溶剂、抗辐射及吸湿性、横向性能、剪切性能；iv)决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择；v)对复合材料的一些性能有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能、疲劳性能、断裂韧性等。

不饱和聚酯树脂

1、组成：不饱和二元酸或酸酐、饱和二元酸或酸酐与二元醇缩聚得到的低分子量聚合物。

2、合成：

3、原材料：

二元酸：不饱和二元酸+饱和二元酸

不饱和酸：顺丁烯二酸酐（顺酐）、反丁烯二酸（反酸）（作用：提供不饱和度，改善固化速率）

饱和酸：邻苯二甲酸酐，间苯二甲酸酐、己二酸（作用：①调节分子链中的双键密度，降低树脂的脆性，增加柔顺性；②改善聚酯在烯类单体中的溶解度，并降低成本。）

二元醇：常用乙二醇、丙二醇、二乙二醇和二丙二醇

交联剂：烯类单体，既是溶剂，又是交联剂。能溶解不饱和聚酯树脂，使其双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能

（苯乙烯：与UP相容性良好，固化时与聚酯中的不饱和双键能很好的共聚，固化树脂物理性能良好，价格便宜，是最常见的交联单体）