復合材料期末復習資料.doc

復合材料復習資料1復合材料的定義？復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。復合后的產物為固體時才稱為復合材料，若為氣體或液體，就不能成為復合材料。2復合材料的分類：1） 按基體材料類型分為：聚合物基復合材料；金屬基復合材料；無機非金屬基復合材料。（始終有基字）2） 按增強材料分為：玻璃纖維復合材料；碳纖維復合材料；有機纖維復合材料；金屬纖維復合材料；陶瓷纖維復合材料（始終有纖維二字）3） 按用途分為：功能復合材料和結構復合材料。（兩種的區(qū)別）結構復合材料主要用做承載力和此承載力結構，要求它質量輕、強度和剛度高，且能承受一定溫度。功能復合材料指具有除力學性能以外其他物理性能的復合材料，即具有各種電學性能、磁學性能、光學性能、聲學性能、摩擦性能、阻尼性能以及化學分離性能等的復合材料。3復合材料的基體：金屬基-對于航天與航空領域的飛機、衛(wèi)星、火箭等殼體和內部結構，要求材料的質量小、比強度和比模量高、尺寸穩(wěn)定性好，選用鎂、鋁合金等輕金屬合金做基體。對于高性能發(fā)動機，要求材料具有高比強度、高比模量、優(yōu)良的耐高溫性能，同時能在高溫、氧化環(huán)境中正常工作，可以選擇鈦基鎳基合金以及金屬間化合物作為基體材料；對于汽車發(fā)動機，選用鋁合金基體材料；對于電子集成電路，選用銀銅鋁等金屬為基體。輕金屬基體鋁基、鎂基，使用溫度在450左右或以下使用，用于航天及汽車零部件。連續(xù)纖維增強金屬基采用純鋁或單相鋁合金，顆粒、晶須增強采用高強度鋁合金。鈦基，使用溫度在650（450-700），用作高性能航天發(fā)動機鎳基、鐵基鈷基及金屬間化合物，使用溫度在1200（1000以上），耐高溫4聚合物基體 一）簡答題（各自優(yōu)缺點）聚合物基復合材料的聚合物基主要有：不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等熱固性樹脂。各自優(yōu)缺點：聚合物基優(yōu)點缺點用途不飽和聚酯樹脂總量最多，工藝性良好，能在室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡單；固化后的樹脂綜合性能良好，但力學性能不如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂；價格比環(huán)氧樹脂低，比酚醛樹脂略貴固化時體積收縮率大、耐熱性差很少用于碳纖維復合材料的基體材料，主要用于民用工業(yè)和生活用品環(huán)氧樹脂目前最普遍使用的樹脂基體，電性能好、耐熱性好、穩(wěn)定性好、力學性能好、尺寸穩(wěn)定性好，固化收縮率小。低溫固化時耐溫性較差用于碳纖維復合材料及其他纖維復合材料酚醛樹脂最早實現(xiàn)工業(yè)化的樹脂，在加熱條件下即能固化，無須添加固化劑，酸堿對固化反應起促進作用樹脂在固化過程中有小分子析出，故樹脂固需要在高壓下進行，已固化的樹脂有良好的壓縮性能，；良好的耐水、耐化學介質和耐燒蝕性能固化時體積收縮率大，樹脂對纖維的粘附性不好，斷裂延伸率低，脆性大大量用于粉狀壓塑料、短纖維增強塑料，碳纖維和有機纖維復合材料中很少使用二）聚合物基體的作用 選擇題：a . 將纖維黏在一起；b.分配纖維間的載荷；c .保護纖維不受環(huán)境的影響5陶瓷基 特點：比金屬更高的熔點和硬度，化學性質非常穩(wěn)定，耐熱性、抗老化性好，但脆性大，韌性差。需要加入第二相顆粒、晶須以及纖維進行增韌處理。常用的陶瓷基主要包括玻璃（非晶態(tài)固體）、玻璃陶瓷（多晶固體）、氧化物陶瓷（Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，莫來石，熔點均在2000以上）、非氧化物陶瓷（氮化物，碳化物，硼化物，硅化物）、無機膠凝材料（水泥，石膏，菱苦土和水玻璃 研究最多的是纖維增強水泥增強塑料）6 復合材料界面定義：復合材料中增強體和基體接觸構成的界面，是一個具有一定厚度（納米以上）、結構隨基體和增強體而異，與基體和增強體有明顯差別的新相-界面相。起“紐帶”和“橋梁”作用。7復合材料界面的作用？界面的作用歸納為幾種效應：傳遞效應，界面能傳遞力，能將外力傳遞給增強體，在基體和增強體間起“橋梁”作用。阻斷效應，結合適當的界面有阻止裂紋擴展、中斷材料破壞、減緩應力集中的作用。不連續(xù)效應，在界面上產生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)等現(xiàn)象，比如抗電性、尺寸穩(wěn)定性等。散射和吸收效應，光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性等。誘導效應，一種物質（增強體）的表面結構使另一種（聚合物基體）與之接觸的物質的結構由于誘導作用而發(fā)生改變，由此產生一些現(xiàn)象，如強的彈性、低的膨脹性等。聚合物基復合材料：8界面的形成P14-15：聚合物基復合材料界面的形成分為兩個階段：第一階段是基體與增強纖維的接觸與浸潤過程。由于增強纖維對基體分子的各種基團或基體中各組分的吸附能力不起著同，它總是要吸附那些能夠降低其表面能的物質，并優(yōu)先吸附那些能較多降低表面能的物質，因此，界面聚合層在結構上與聚合物本體是不同的。第二階段是聚合物的固化階段。在此過程中聚合物通過物理的或化學的變化而固化，形成固定的界面層。界面層的包括:界面的結合力、界面的厚度和界面的微觀結構等幾個方面。9 界面作用機理？界面對復合材料特別是其力學性能起著極為重要的作用。如果界面很脆及斷裂應變很小而強度很大免責纖維的斷裂可能引起裂紋沿垂直與纖維方向擴展，誘發(fā)相鄰纖維相繼斷裂，這種復合材料的斷裂韌性很差。如果界面結合強度較低，則纖維斷裂引起的裂紋可以改變方向而沿界面擴展，遇到纖維缺陷或薄弱環(huán)節(jié)時，裂紋再次跨越纖維，繼續(xù)沿界面擴展，形成曲折的路徑，需要較多的斷裂功。因此，如果界面和基體的斷裂應變都較低時，從提高斷裂韌性的角度出發(fā)，適當減弱界面強度和提高纖維延伸率是有利的。10界面作用機理運用的理論 （選擇題）：界面吸附理論、化學鍵理論、物理吸附理論、變形層理論、擴散層理論金屬基復合材料：11加工時在界面附近區(qū)域會產生熱殘余應力，往往超過基體的屈服強度，容易導致附近區(qū)域的缺陷。纖維增強 金屬基 復合材料界面的類型（選擇。出一種纖維與基體判斷類型）纖維與基體不反應不溶解鎢絲/銅、氧化鋁纖維/銅、氧化鋁纖維/銀、硼纖維（表面涂）/鋁、不銹鋼絲/鋁、碳化硅纖維/鋁、硼纖維/鋁、鎂界面平坦，只有分子厚度，除原組裝物質外，基本上不含其它物質纖維與基體不反應但溶解鍍鉻的鎢絲/銅、碳纖維/鎳、鎢絲/鎳、合金共晶體絲/統(tǒng)一合金界面為原組裝組織的犬牙交錯的溶解擴散界面纖維與基體反應形成界面層鎢絲/銅鈦合金、碳纖維/鋁、氧化鋁纖維/鈦、硼纖維/鈦、硼纖維/鋁鈦合金、碳化硅纖維/鈦、SiO2纖維/鋁界面含有亞微級左右的界面反應產物層12 比強度、比模量：比模量是材料的模量與密度之比，比強度是材料的強度與密度之比。是度量材料承載能力的一個指標，比強度越高，同一零件的自重越小，比模量越大，零件的剛性越大。第二章：復合材料的復合原理及界面1增強機理包括：顆粒增強原理、纖維增強原理、短纖維（晶須）增強原理顆粒增強原理根據增強粒子的尺寸大小分為：彌散增強原理和顆粒增強原理。微粒尺寸越小，體積分數越高，彌散強化效果越好。2混合法則的定義？Ec=Ef*Vf+Em*Vm,表明纖維、基體對復合材料平均性能的貢獻正比于它們各自的體積分數。3 臨界纖維長度的定義？Lc是載荷傳遞長度的最大值，稱為臨界纖維長度，在這個長度上纖維承載應力小于最大纖維強度。當纖維長度小于臨界長度時，最大纖維應力小于纖維平均斷裂強度，纖維不會斷裂。當纖維長度大于臨界長度時，纖維應力可以達到平均強度，當纖維應力等于其強度是，纖維將發(fā)生斷裂。4界面相的定義？復合材料中增強體與基體接觸構成的界面，是一層具有一定厚度（納米以上）、結構隨基體和增強體而異的、與基體有明顯差別的新相界面相（層）。5 適當的界面結合強度。（簡答）聚合物基復合材料增強體與聚合物基體之間形成較好的界面粘結，才能保證應力從基體傳遞到增強材料。充分發(fā)揮數以萬計單根纖維同時受力的作用。界面黏合強度不僅與界面的形成過程有關，還取決于界面粘結形式（物理機械結合、化學結合）。物理機械結合，即通過等離子體刻蝕或化學腐蝕使增強體表面凹凸不平，基體擴散嵌入到增強體表面的凹坑、縫隙和微孔中，增強材料則“錨固”在聚合物基體中；化學結合，即基體與增強體之間形成化學鍵，可以設法使增強體表面帶有極性基團，使之與基體間產生化學鍵或其他相互作用力（如氫鍵）。界面粘結太弱，復合材料在應力作用下容易產生界面脫粘破壞，纖維不能充分發(fā)揮增強作用。出現(xiàn)韌性斷裂。界面粘結太強，復合材料在應力作用下破裂產生的正在增長的裂紋容易擴散到界面，直接沖擊增強材料而呈現(xiàn)脆性斷裂。金屬基復合材料-連續(xù)纖維增強金屬基復合材料，增強纖維具有很高的強度和模型，當復合材料中某一根纖維發(fā)生斷裂產生的裂紋到達相鄰纖維的表面時，裂紋尖端的應力作用在界面上，如果界面結合適中，則纖維與基體在界面處脫粘，裂紋沿界面發(fā)展，短話了裂紋尖端，當主裂紋越過纖維繼續(xù)向前擴展時，纖維呈“橋接”現(xiàn)象。當界面結合很強時，界面處不發(fā)生脫粘，裂紋繼續(xù)發(fā)展穿過纖維，造成“脆斷”。第三章 復合材料的增強材料-玻璃纖維增強材料1玻璃纖維增強材料按其原料組成分為：1）無堿玻璃纖維、有堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、特種玻璃纖維。Ps：無堿玻璃纖維又稱“電氣玻璃”，化學穩(wěn)定性好，耐強堿，不耐酸，電性能好。 有堿玻璃纖維：用于窗玻璃，對潮氣侵蝕很敏感，很少用。 中堿玻璃纖維： 耐酸性好，用于耐腐蝕領域，價格便宜。2 玻璃纖維（非結晶型無機纖維）的化學組成：二氧化硅、三氧化二硼、氧化鈣、三氧化二鋁。Ps：堿性氧化物能夠降低玻璃的熔化溫度和熔融溫度，排除玻璃液中的氣泡，還有助熔作用。3 玻璃纖維的拉伸強度與直徑和長度有關，直徑和長度越大，強度越??；含堿量越大，強度越小。Ps：存放時間越長，強度越低。拉伸強度：高強玻璃纖維無間玻璃纖維有堿玻璃纖維4玻璃纖維的制造方法：坩堝法和池窯拉絲法。填空5 浸潤劑作用是：潤滑作用，防止纖維間的磨損，使纖維得到保護；粘結作用，使單絲集束成原紗或絲束；紡織纖維表面聚集靜電荷；使纖維獲得能與基體材料良好粘結表面性質。常用的潤滑劑：石蠟乳液和聚酯酸乙烯酯。石蠟乳液屬紡織型，主要有石蠟、凡士林、硬脂酸、變壓器油、固色劑、表面活性劑和水。使用時要經過脫蠟處理。而聚酯酸乙烯酯豬油有成膜劑、偶聯(lián)劑、潤滑劑、抗靜電劑，易使玻璃纖維起毛。6 玻璃纖維紗分為加捻紗和無捻紗。Ps：加捻紗是通過退繞、加捻、并股、絡紗而制成的玻璃纖維品紗。無捻紗是不經退繞、加捻、直接并股、絡紗而成。有捻紗常用石蠟乳劑作為潤滑劑；無捻紗用聚酯酸乙烯酯作潤滑劑，成本低，但易磨損起毛。碳纖維增強材料7 碳纖維的制造方法分為：氣相法和有機纖維碳化法。Ps：氣相法只能制造晶須或短纖維，不能制造連續(xù)長絲。而有機纖維碳化法適合制造連續(xù)長絲。8 有機纖維碳化法 工藝過程的目的？（簡答）制備碳纖維的四個階段及目的。有機纖維碳化法是先將有機纖維經過穩(wěn)定處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中，在高溫下進行烘燒碳化，使有機纖維失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。制作碳纖維的主要原材料有三種：人造絲（粘膠纖維）、聚丙烯腈纖維、瀝青基碳纖維。Ps：瀝青基碳纖維有高模量的各向異性。制造高強度、高模量碳纖維多選用聚丙烯腈。工藝過程包括：噴絲預氧化處理碳化處理石墨化處理。噴絲：可用濕法、干法或熔融狀態(tài)三種，聚丙烯腈噴絲后得到的原纖維稱為“先驅絲”。 預氧化處理：在氧化氣氛中預氧化處理，使鏈狀聚丙烯腈分子發(fā)生交聯(lián)、環(huán)化、氧化、脫氫等化學反應，放出H2O，HCN、NH3和H2等分解產物，形成耐熱的梯形結構。 碳化處理：在高純氮氣中慢速加溫，以除去其中的非碳原子。（ps：影響碳化質量的因素有：氮氣純度、碳化溫度和碳化速率） 石墨化處理：在高純氬氣保護下快速升溫，纖維中的碳發(fā)生石墨結晶，可以得到高強度的石墨纖維。 Ps：晶粒越小，強度越大。碳化硅纖維9 制備方法分為兩種：化學氣相沉積法、先驅體轉化法。P64-65化學氣相沉積法制備碳化硅纖維時，是在管式反應器中采用汞電極直接用直流電或射頻加熱，將鎢絲或碳絲載體加熱到1300作用，在氫氣中清潔其表面，在進入圓柱形反應室，在反應室中通入氫氣和氯硅烷氣體混合物，在灼熱的芯絲表面上反應生成碳化硅并沉積在芯絲表面。結構由纖維中心向外依次為芯絲、富碳的碳化硅層、碳化硅層、外表面富硅涂層。先驅體轉化法制備碳化硅纖維時，將有機硅聚合物（聚二甲基硅烷）轉化成可砂性的聚碳硅烷，經熔融紡絲或溶液紡絲制成先驅絲，用電子束照射等手段使之交聯(lián)，最后在惰性氣氛或真空中高溫燒結成碳化硅纖維。芳綸纖維 主分？什么是？10 主分：聚合物大分子的主鏈有芳香環(huán)和酰胺鍵構成。CPhCNPhN?打不出，需手抄化學式代表：聚對苯二甲酰對苯二胺纖維（PPTA） 防彈衣。晶須11 定義：晶須是以單晶結構生長的直徑小于3m的短纖維，其內部結構完整，原子排列高度有序，缺陷少，纖維中強度最高。第四章：聚合物基復合材料1 聚合物基復合材料（定義）：由一種或多種細小形狀（直徑為微米級）的材料分散于聚合物塑料中組成。屬微米級復合材料。2 聚合物基體分為：熱固性基體和熱塑性基體。3 材料設計（定義）：材料設計是指通過理論與計算預測新材料的組分、結構與性能，或者說，通過理論設計來“訂做”具有特定性能的新材料。Ps：按研究對象的空間尺度分為三個層次：微觀設計層次、連續(xù)模型層次、工程設計層次。4聚合物基復合材料結構設計。（簡答）-定義，步驟復合材料結構設計是選用不同材料綜合各種設計（如層合板設計、典型結構設計、連續(xù)設計等）的反復過程。過程分為三個步驟：1）明確設計條件，如性能要求、載荷情況、環(huán)境條件、條件限制等。2）材料設計，包括原材料選擇、鋪層性能的確定、復合材料層合板的設計等。3）結構設計，包括復合材料典型結構件的設計，以及復合材料結構的設計。5聚合物基復合材料飛制作工藝和方法（只理解，不重要）？原材料：纖維等增強體和聚合物基體材料。制造方法分類：熱固性復合材料的制造方法，如手工成型法、噴涂成型法、壓縮成型法、注射成型法、SMC壓縮成型法、第五章：金屬基復合材料1金屬基復合材料（定義）（MMC）是一類以金屬或合金為基體，以金屬或非金屬線、絲、纖維、晶須或顆粒狀組分為增強相的非均質混合物。2 金屬基復合材料的基體材料選擇（理解）在連續(xù)纖維增強金屬基復合材料中，纖維是主要的承載體，基體的作用是保證纖維的性能充分發(fā)揮，并不需要基體有高強度和高模量，也不需要基體金屬具有熱處理強化等性質，但要求有好的塑性和纖維良好的相容性。3 金屬基復合材料的加工方法分為：初加工和精加工填空4連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的纖維表面處理是指對纖維表面涂覆適當的薄涂層，目的是：為了防止或抑制界面反應，已獲得合適的界面結構和結合強度；改善增強體與基體間在復合過程中的潤濕與結合；有助于纖維的規(guī)則排列；減少纖維與基體之間的應力集中。選擇5固態(tài)法（定義）：是指在金屬基復合材料中基體處于固態(tài)下制造金屬基復合材料的方法。分為粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓法、拉拔法和爆炸焊接法。液態(tài)法（定義）：是指在金屬基復合材料中基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強物復合的方法。分為：鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法、液態(tài)模鍛法、共噴沉積法和熱噴涂法。第六章：陶瓷基復合材料1 陶瓷基復合材料的分類 按組成化合物元素的不同，分為：氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、SiO2、MgO）、碳化物陶瓷（SiC、B4C、TiC）、氮化物陶瓷（BN、Si3N4）、混合氧化物（3Al2O32SiO2）。2 纖維、晶須增韌機制增韌機理，簡答 各種機制的定義纖維和晶須的引入不僅提高了陶瓷材料的韌性，更重要的是使陶瓷材料的斷裂行為發(fā)生的根本性變化，由原來的脆性斷裂變?yōu)榉谴嘈詳嗔?。材料的斷裂過程為：基體中出現(xiàn)裂紋、纖維、晶須與基體發(fā)生界面解離（也成為“脫粘”）、纖維、晶須的斷裂和拔出。而纖維、晶須的增韌機制有裂紋偏轉；纖維、晶須拔出；脫粘；橋聯(lián)。裂紋偏轉：在擴展裂紋尖端應力場中的增強體會導致裂紋發(fā)生彎曲和偏轉，從而干擾應力場，致使應力強度降低，起到阻礙裂紋擴展的作用?；w中的裂紋很難穿過纖維或晶須，在原來的擴展方向進行擴展，相對的，更容易繞過纖維或纖維并盡量貼近纖維或晶須表面進行擴展，即發(fā)生裂紋偏轉。偏轉后的裂紋受到的拉應力往往低于偏轉前，由于裂紋擴展呢路徑增長，裂紋擴展中需要更多的能量，因此通過裂紋擴展路徑的增長起到增韌作用。增強體的長徑比越大，增韌效果越好。脫粘增韌：脫粘是指在復合材料中，纖維與基體產生解離，產生了新的表面，盡管單位面積的表面能很小，但是所有脫粘纖維總的表面能很大。脫粘可以使基體的內部應力釋放，從而起到增韌的作用。纖維、晶須的拔出：是指靠近裂紋尖端的纖維在外應力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。前提必須發(fā)生脫粘。當纖維、晶須上的拉伸應力小于斷裂強度，剪切應力大于基體界面結合強度時，發(fā)生脫粘而出現(xiàn)纖維、晶須的拔出。纖維、晶須拔出會使裂紋尖端的應力松弛，從而減緩了裂紋的擴展，起到增韌作用。晶須橋聯(lián)：對于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉，只能沿著原來的擴展方向繼續(xù)擴展，這時，緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩邊搭起小橋，此時裂紋表面產生一個壓應力，以消除外加拉應力的作用，起到增韌作用。3 陶瓷基復合材料的成型方法主要有四類：傳統(tǒng)的混合方法和粘合液浸漬方法；化學合成技術；熔融浸漬方法；化學反應形成的方法（如化學氣相沉積、化學氣相浸潤、反應結合法）Ps：傳統(tǒng)的對耐熱基體不適合，化學合成可以用于涂敷纖維，加工溫度比1低。熔融浸漬要求熔點不能太高?；瘜W反應形成結構的速率低。第七章：水泥基復合材料1 水泥基復合材料的定義：是由水硬性凝膠材料與水發(fā)生水化、硬化后形成的硬化水泥漿體作為基材，與各種無機、金屬、有機材料所組成的材料。由硅酸鹽水泥、水、砂和石組成的普通混凝土是應用最廣泛的水泥基復合材料。2水泥基復合材料分為兩類：纖維增強水泥基復合材料、聚合物混凝土復合材料。聚合物混凝土復合材料分為：聚合物混凝土、聚合物浸漬混凝土和聚合物改性混凝土。各種的不同 聚合物混凝土中全部以聚合物代替水泥做膠結材料，與骨料結合而成復合材料。聚合物浸漬混凝土是降低粘度的有機物單體、預聚體、聚合物等浸漬到已硬化的混凝土孔隙中，再經聚合等步驟使水泥混凝土與聚合物成為一個整體。聚合物改性混凝土是以水泥和聚合物為膠結材料與骨料結合而成混凝土，即在混凝土的組成中加入聚合物。Ps：聚合物混凝土用于搶修中。3 高性能混凝土中，水和水泥拌成的水泥漿起到膠結作用，砂、石集料起到骨架作用，見P169圖配制高性能混凝土時必須摻高效減水劑，否則不可能具有合適的工作性。高性能減水劑有四類：磺化萘甲醛縮合物、磺化三聚氰胺甲醛縮合物、聚羧酸鹽、改性木質磺酸鹽。高效減水劑與水泥的相容性很重要。Ps：配制高性能混凝土的要點：摻入與水泥具有相容性的減水劑以降低水灰比，摻入細摻合料、選用合適的集料，尤其是粗集料。4 纖維增強水泥基復合材料（定義）：也稱“纖維增強混凝土”，指以水泥、水、細的（或粗細混合）集料形成的混合物為基體，以各種有機、無機或非金屬的不連續(xù)短切纖維為增強體組成的材料。 5 混凝土基纖維復合材料的制備工藝簡答1）配合比，包括纖維的體積分數和基準混凝土的配合比，又涉及膠合料的用量、水灰比以及水的用量。2）投料順序與施工工藝：注漿法，將流動性砂漿注入事先放置于模板中纖維骨架中，或在振動的同時向模