復(fù)合材料概論教案

1、中原工學(xué)院教案專用紙 第 1 頁(yè)授課題目：第一章 總論教學(xué)目的與要求：熟悉復(fù)合材料的概念，了解材料的分類，掌握不同復(fù)合材料的性能比較以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：不同復(fù)合材料的性能比較。難點(diǎn)：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。教學(xué)基本內(nèi)容：1. 復(fù)合材料的發(fā)展概況2. 復(fù)合材料的命名和分類3. 復(fù)合材料的基本性能4. 復(fù)合材料的設(shè)計(jì)教學(xué)方法及手段：用多媒體課件演示教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生有一個(gè)具體、清晰的認(rèn)知。小結(jié)： 了解復(fù)合材料是獨(dú)立于其他三大固體材料（金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料）的第四種材料。1.1復(fù)合材料（composite material）的發(fā)展概況信息、生命和材料是新技

2、術(shù)革命的三大分支。材料學(xué)分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料三大基本類型尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，對(duì)材料性能提出了越來(lái) 越高的要求，傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足實(shí)際需要，復(fù)合材料可以結(jié)合不同單一類型材料的性能優(yōu)點(diǎn)從而達(dá)到新的使用性能，對(duì)復(fù)合材料的需求越來(lái)越大，相應(yīng)的研究也越來(lái)越多。1.1.1復(fù)合材料的概念復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的一種多相固體材料。在復(fù)合材料中，通常有一相為連續(xù)相，稱為基體; 另一相為分散相，稱為增強(qiáng)材料。分散相是以獨(dú)立的形態(tài)存在于連續(xù)相中，兩相之間存在相界面，分散相可以是增強(qiáng)纖維，也可以是顆?；驈浬⒌奶盍?。1.1.2復(fù)合材料的意義復(fù)合材料中各組分之間

3、取長(zhǎng)補(bǔ)短的協(xié)同作用，極大地彌補(bǔ)了單一材料的缺點(diǎn)，產(chǎn)生了組成它的單一相所不具有的新性能。復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，也是材料設(shè)計(jì)方面的一個(gè)突破。它綜合了各種單一材料的優(yōu)點(diǎn)，按需要設(shè)計(jì)、復(fù)合成為綜合性能優(yōu)異的新型材料。未來(lái)一方面新的單一材料不斷涌現(xiàn)，另一方面，各種復(fù)合材料將會(huì)越來(lái)越多，以滿足不斷發(fā)展的社會(huì)需要。1.1.3復(fù)合材料的發(fā)展歷史常用復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料：低性能樹(shù)脂基復(fù)合材料高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料金屬基和陶瓷基復(fù)合材料1940年代：玻璃纖維復(fù)合材料出現(xiàn)，1960年代，纖維復(fù)合材料技術(shù)趨于成熟，取代了很多金屬材料1970年代，耐熱纖維與金屬、特別是輕金屬的復(fù)合：金屬基復(fù)

4、合材料1980年代，陶瓷基復(fù)合材料金屬間化合物與合金的差別。1.2復(fù)合材料的命名和分類1.2.1 命名根據(jù)增強(qiáng)材料和基體材料的名稱來(lái)命名。將增強(qiáng)材料的名稱放在前面，基體本材料的名稱放在后面中，再加上“復(fù)合材料”如：玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料也可以在兩者之間加隔線：碳/金屬?gòu)?fù)合材料1.2.2 分類1）按增強(qiáng)材料形態(tài)分類（1）連續(xù)纖維復(fù)合材料（2）短纖維復(fù)合材料：（3）粒狀填料復(fù)合材料：（4）編織復(fù)合材料；中原工學(xué)院教案專用紙 第2 頁(yè)2）按增強(qiáng)纖維種類分類（1）玻璃纖維復(fù)合材料（2）碳纖維復(fù)合材料：（3）有機(jī)纖維復(fù)合材料：（4）金屬纖維復(fù)合材料（5）陶瓷纖維復(fù)合材料混雜復(fù)合材料：用兩種或兩種以上的

5、纖維增強(qiáng)同一基體制成的復(fù)合材料（Hybrid composite materials）3) 按基體材料分類（1）聚合物基復(fù)合材料（2）金屬基復(fù)合材料（3）無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料4）按材料作用分類（1）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（2）功能復(fù)合材料還有同質(zhì)和異質(zhì)復(fù)合材料：增強(qiáng)與基體材料屬于同一種物質(zhì)的為同質(zhì)，復(fù)合材料大多為異質(zhì)。1.3 復(fù)合材料的基本性能復(fù)合材料的共同特點(diǎn)是：（1） 可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料：鋼材的強(qiáng)度，塑料的絕緣性和耐腐蝕性（2） 可按對(duì)材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造。（3） 可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，避免多次加工工序其中性能的可設(shè)計(jì)性

6、是復(fù)合材料最大的優(yōu)點(diǎn)。1.3.1聚合物基復(fù)合材料的主要性能1）比強(qiáng)度、比模量大（見(jiàn)表1.1）：因比重小2）耐疲勞性能好：內(nèi)部相界面可阻止裂紋擴(kuò)展3）減震性好：因比模量大，自振頻率高，內(nèi)相界面吸波，使振動(dòng)阻尼高4）過(guò)載安全性好5）具有多種功能性（P4）6)有很好的加工工藝性1.3.2 金屬基復(fù)合材料的主要性能1）高比強(qiáng)度，高比模量構(gòu)件重量輕、剛性好、強(qiáng)度高，是航天、航空領(lǐng)域理想的結(jié)構(gòu)材料。2）導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好3）熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好：因加入了低或負(fù)熱膨脹系數(shù)纖維以抵消金屬的熱膨脹性。碳，硼纖維等的低熱膨性。4）良好的高溫性能：添加的纖維或陶瓷粒是耐溫很好的材料。整體與高分子比高溫性能好得多。

7、5）耐磨性好6）良好的疲勞性能和斷裂韌性7）不吸潮、不老化、氣密性好中原工學(xué)院教案專用紙 第3 頁(yè)1.3.3 陶瓷基復(fù)合材料的主要性能強(qiáng)度高，硬度大，耐高溫、抗氧化、 高溫下抗磨性好、耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和相對(duì)密度都較小。用高強(qiáng)度，高模量的纖維或晶須增強(qiáng)后，其高溫強(qiáng)度和韌性可大大提高。1.3.4 水泥基復(fù)合材料的主要性能高壓縮強(qiáng)度、耐熱性好，但抗拉伸強(qiáng)度低1.3.5不同復(fù)合材料的性能比較在使用溫度和材料硬度方面，三類復(fù)合材料有著明顯的區(qū)別是：樹(shù)脂基：60-250，金屬基：400-600，陶瓷基：1000-1500，硬度也依次遞增，耐老化性亦然。導(dǎo)熱性順序則是：金屬基（50-65W/(

8、m·K)）>陶瓷基（0.7-3.5W/(m·K)）>樹(shù)脂基（0.35-0.45W/(m·K)）耐化學(xué)腐蝕性：陶瓷基>樹(shù)脂基>金屬基制造工藝復(fù)雜性：陶瓷基>金屬基>樹(shù)脂基1.4 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.4.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)對(duì)于纖維增強(qiáng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，從固體力學(xué)角度，其結(jié)構(gòu)分為三個(gè)結(jié)構(gòu)層次：一次結(jié)構(gòu)：基體和增強(qiáng)材料組成的單層結(jié)構(gòu)；二次結(jié)構(gòu)：由單層結(jié)構(gòu)層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層體材料的力學(xué)性能和鋪層幾何三次結(jié)構(gòu)：指工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將單層材料作為結(jié)構(gòu)來(lái)分析，必須研究材料的多相性其各相材料的相互關(guān)系。這種研究方法叫微觀力學(xué)方法

9、，以預(yù)示材料的宏觀力學(xué)性能。它解釋機(jī)理，發(fā)掘材料本質(zhì)。宏觀力學(xué)方法：假定單層材料是均勻的，將各相材料的表現(xiàn)當(dāng)作復(fù)合材料的平均表現(xiàn)性來(lái)考慮，相應(yīng)的材料參數(shù)稱為表觀參數(shù)。1.4.2復(fù)合材料的設(shè)計(jì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)分為三個(gè)層次：?jiǎn)螌硬牧显O(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須同時(shí)進(jìn)行。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分析理論和力學(xué)分析理論為基礎(chǔ)，三者有機(jī)統(tǒng)一，不可分割。中原工學(xué)院教案專用紙 第4 頁(yè)第二章 復(fù)合材料的基體材料2.1 金屬材料1）航空、航天、電子、汽車及先進(jìn)武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對(duì)金屬基復(fù)合材料提出了要求如航天技術(shù)對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的要求非常強(qiáng)烈。大規(guī)模集成電路對(duì)電子封裝材料要求

10、低熱膨脹而高熱傳導(dǎo)。單一的金屬、陶瓷及高分子材料都難以滿足相關(guān)要求。高強(qiáng)度、高模量的硼、碳纖維增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料，既保留了鋁、鎂合金的輕質(zhì)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，又充分發(fā)揮了增強(qiáng)纖維的高強(qiáng)度、高模量，獲得高比強(qiáng)度、高比模量、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、熱膨脹系數(shù)小的金屬基復(fù)合材料。2）金屬基復(fù)合材料中基體的成分多大于增強(qiáng)材料，故基體的選擇對(duì)復(fù)合材料的性能有決定性的作用。金屬基體的密度、強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、耐熱性、抗腐蝕性等均影響復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比剛度、耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等性能2.1.1 基體的選擇原則1）金屬基復(fù)合材料的使用要求（1）航空航天材料要求輕質(zhì)高強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定。故而選取輕質(zhì)的鎂合金和鋁合金作為基體

11、，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成復(fù)合材料，可用于航天飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件。（2）高性能發(fā)動(dòng)機(jī)則要求在高溫下保持化學(xué)穩(wěn)定及好的力學(xué)性能，常選擇碳化硅/鈦、鎢絲鎳基超合金復(fù)合材料用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片轉(zhuǎn)軸等重要部件。（3）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱，而且要成本低廉，故選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維復(fù)合（4）集成電路封裝材料要求高散熱、低膨脹的金屬基復(fù)合材料，則選高散熱的銀銅鋁為基體，選低膨脹高強(qiáng)度的石墨纖維、金剛石纖維等作為增強(qiáng)材料經(jīng)綜合二者的性能。2）金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)由于增強(qiáng)物的性質(zhì)及增強(qiáng)機(jī)理的不同，在基體的選擇原則上有很大差別。對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，纖維本身

12、有很大的強(qiáng)度，是力的承載體，而金屬基的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于纖維，故而要求與纖維有很好的相容性的基體，這時(shí)選取強(qiáng)度大的金屬基體得到的復(fù)合材料強(qiáng)度可能反而不行。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料就是實(shí)例。對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須和短纖維等）金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載物，基體的強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度具有決定性的影響。所以要獲得高強(qiáng)復(fù)合材料就得選取高強(qiáng)的基體。如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。3）基體金屬與增強(qiáng)物的相容性高溫復(fù)合時(shí)界面層的問(wèn)題?；w中合金元素與增強(qiáng)物的浸潤(rùn)性問(wèn)題。關(guān)鍵：選擇基體時(shí)要充分注意與增強(qiáng)物的相容性，盡量抑制界面反應(yīng)，如對(duì)增強(qiáng)物進(jìn)行表面處理，或在基體中加入某些其它組分，還可選擇適當(dāng)?shù)某尚头椒s短材料在高溫

13、下的停留時(shí)間。2.1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料-高比強(qiáng)度，高比剛度，高的結(jié)構(gòu)效率，故選取鎂、鋁等輕合金作基體金屬。鋁、鎂復(fù)合材料使用溫度450鈦合金復(fù)合材料-650鎳鈷基合金復(fù)合材料-1200中原工學(xué)院教案專用紙 第5 頁(yè)用于450以下的輕金屬基體鋁基和鎂基復(fù)合材料：廣泛用于航天器、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、剎車盤(pán)等，已形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。用于450-700的復(fù)合材料的金屬基體-鈦合金。鈦合金相對(duì)密度小、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。與高性能碳化硅纖維，碳硼化鈦等增強(qiáng)合金，可獲得更高的高溫性能。      

14、;        用于1000以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體鎳基、鈦基高溫合金材料及金屬間化合物用鎢絲，釷鎢絲增強(qiáng)基合金可以大幅度提高了基高溫性能-高溫持久性能和高溫蠕變性能2.1.3 功能用金屬基復(fù)合材料的基體電子封裝材料舉例。還有電池極板材料，高溫摩擦材料。2.2 無(wú)機(jī)膠凝材料2.2.1 概述無(wú)機(jī)膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。無(wú)機(jī)膠凝材料作為基體的復(fù)合材料中，研究最多的是纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料2.2.2 水泥基體材料與相應(yīng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料相比纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料有下列特點(diǎn)：（1） 水泥基體為多孔

15、體系，孔隙存在不僅會(huì)影響基體本身的性能，也影響纖維與基體的界面粘結(jié)。（2） 纖維與水泥的彈性模量比不大，應(yīng)力傳遞不好。（3） 水泥基材的斷裂延伸率較低，在纖維未撥出斷裂前，水泥基材即行開(kāi)裂。（4） 由于水泥與纖維呈點(diǎn)接觸，故纖維與水泥的結(jié)合性有限，纖維的摻入量不能太大。（5） 水泥基材呈堿性，對(duì)金屬纖維起保護(hù)作用，但對(duì)大多數(shù)礦物纖維則有腐蝕作用。2.2.3氯氧鎂水泥也稱鎂水泥，至今有120年的歷史。它是MgO-MgCl2-H2O三元體系。氯氧鎂復(fù)合材料從輕型屋面材料到復(fù)合地板，玻璃瓦、浴缸和風(fēng)管等多種制品。菱鎂礦MgCO3于800-850煅燒得到菱苦土（MgO）是主要的成分。相應(yīng)的增強(qiáng)材料為玻

16、璃纖維、石棉纖維和本質(zhì)纖維等。2.3 陶瓷材料1)陶瓷的性質(zhì):比金屬更高的硬度和熔點(diǎn)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱性和抗老化性好，通常為絕緣體。最大的弱點(diǎn)是脆性強(qiáng)，可加工性差。2）加入纖維和晶須增強(qiáng)，能提高陶瓷的韌性。3）作為基體使用的陶瓷應(yīng)有耐高溫性，和纖維或晶須之間有良好的界面相容性及較好的工藝性能等。常用的陶瓷基體有玻璃，玻璃陶瓷，氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。2.3.1 玻璃玻璃為非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。玻璃化溫度Tg軟化溫度Tf2.3.2 玻璃陶瓷即微晶玻璃。具有熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)性能好和導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)。中原工學(xué)院教案專用紙 第6 頁(yè)2.3.3 氧化物陶瓷主要有Al2O3, MgO, SiO2, ZrO2等。

17、2.3.4 非氧化物陶瓷氮化物，硼化物，碳化物，硅化物等：耐熱，耐磨，硬度高，但脆性也大。2.4 聚合物材料2.4.1 聚合物基體的種類、組分和作用1）聚合物基體的種類常用的有：不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂及各種熱塑性聚合物聚酯樹(shù)脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹(shù)脂的80%以上。因其工藝性良好，室溫下固化，常壓下成型，即制備工藝簡(jiǎn)單，而制得的復(fù)合材料綜合性能好，成本低。缺點(diǎn)是固化時(shí)收縮大，耐熱性差。力學(xué)性能不如醛酸和環(huán)氧樹(shù)脂。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂是力學(xué)性能很好的結(jié)構(gòu)材料。酚醛樹(shù)脂的延伸率低，脆性大。還有熱塑性工程樹(shù)脂。熱塑性材料除了用玻璃纖維復(fù)合外，也開(kāi)始用于碳纖維復(fù)合材料2）聚合物基體的組分除樹(shù)脂

18、外，通常還有輔助材料：固化劑、增韌劑，稀釋劑、催化劑等。3) 聚合物基體的作用：把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響（P21）。2.4.2 聚合物的結(jié)構(gòu)與性能1）聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）聚合物的分子都很大（103-105數(shù)量級(jí)的分子量），每個(gè)結(jié)構(gòu)單元是一個(gè)分子，各個(gè)結(jié)構(gòu)單元相同時(shí)叫均聚物，不同時(shí)叫共聚物，分子的結(jié)構(gòu)可以是線型的，支鏈的或網(wǎng)狀的。（2）端基的反應(yīng)性對(duì)聚合物的性能影響很重要，聚合物間很小程度的交聯(lián)，對(duì)其物理、力學(xué)性能的影響也很大。（3）聚合物分子間的作用力對(duì)于聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有密切的關(guān)系。聚合物分子的鏈結(jié)構(gòu)，包括單個(gè)聚合物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體

19、化學(xué)結(jié)構(gòu)，包括重復(fù)單元的本性、端基的本性、可能的支化與結(jié)構(gòu)順序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形態(tài)等。聚合物分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)包括聚合物材料本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、取向結(jié)構(gòu)和織態(tài)結(jié)構(gòu)等。2）聚合的性能（1）聚合物的力學(xué)性能要同時(shí)考慮：時(shí)間、溫度、環(huán)境、載荷等因素才能反映材料的性能指標(biāo)。決定聚合物強(qiáng)度的主要因素是分子內(nèi)及分子間的作用力，聚合物材料的破壞，無(wú)非是化學(xué)鍵或分子鏈間相互作用力的破壞，所以可以從分子間力及化學(xué)鍵的強(qiáng)度可以估算聚合物材料的論強(qiáng)度。一般而言，復(fù)合材料用的熱固性樹(shù)脂固化后的力學(xué)性能并不高。熱固性樹(shù)脂是體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而熱塑性樹(shù)脂是線型結(jié)構(gòu)。熱塑性樹(shù)脂性能上的特點(diǎn)：A具

20、有明顯的力學(xué)松馳現(xiàn)象，B在外力作用下，形變較大。C抗沖擊性能好?；w的粘度和模量是支配基體傳遞應(yīng)力性能的兩個(gè)最重要的因素。足夠的粘結(jié)力和模量使復(fù)合材料中的纖維表現(xiàn)為一個(gè)整體，從而使強(qiáng)度比較高。中原工學(xué)院教案專用紙 第 7 頁(yè)（2）聚合物的耐熱性能聚合物的結(jié)構(gòu)與耐熱性：聚合物的分子鍵強(qiáng)度結(jié)晶性和交聯(lián)結(jié)構(gòu)影響熱性能。提高交聯(lián)度，增加雙三鍵能提高鍵能，剛性和耐熱性提高聚合物的熱穩(wěn)定性的途徑：A提高分子量，避免弱鍵存在C-H鍵被C-F鍵取代可大大提高聚合物的熱穩(wěn)定性B引入芳環(huán)和雜環(huán)（3）聚合物的耐腐蝕性（4）聚合物的介電性能極性越強(qiáng)，介電常數(shù)就越大，電阻率也越小，更易擊穿，損耗角越大。2.4.3熱固性

21、樹(shù)脂主要有不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂。2.4.3.1不飽和聚酯樹(shù)脂不飽和聚酯樹(shù)脂概念：具有重復(fù)酯鍵和雙鍵的一類聚合物不飽和聚酯樹(shù)脂特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：A工藝性能良好，如室溫下粘度低，可以室溫固化，在常壓下成型，顏色淺，可制成各種顏色，有多種措施來(lái)調(diào)節(jié)其工藝性能; B固化后樹(shù)脂綜合性能良好，并有多種專用樹(shù)脂適應(yīng)不同用途的需要；C價(jià)格低廉，缺點(diǎn)：固化時(shí)體積收縮率較大，成型時(shí)氣味和毒性較大，耐熱性、強(qiáng)度和模量都較低，易變形。交聯(lián)劑、引發(fā)劑和促進(jìn)劑交聯(lián)劑引發(fā)劑:多為過(guò)氧化物，引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)促進(jìn)劑：把引發(fā)劑的分解溫度降到室溫以下。4）不飽和聚酯樹(shù)脂的固化特點(diǎn)膠凝硬化完全固化5）增粘劑：堿土金屬氧化物和氫氧

22、化物可使不飽和聚酯樹(shù)脂很快稠化，形成凝膠狀物，這種使不飽和聚酯樹(shù)脂粘度增加的物質(zhì)叫增粘劑。2.4.3.2 環(huán)氧樹(shù)脂1）概念：凡是含有兩個(gè)以上環(huán)氧基的高聚物統(tǒng)稱為環(huán)氧樹(shù)脂。2）特點(diǎn)：品種多，用途廣泛，可做涂料，粘結(jié)劑和各種軟硬塑料3）環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑：凡能與環(huán)氧樹(shù)脂中的環(huán)氧基發(fā)生反應(yīng)使其從線型分子變成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分子的物質(zhì)統(tǒng)稱為固化劑。2.4.3.3酚醛樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂系酚醛縮合物，主要用作膠粘劑、涂料及布、紙、玻璃布的層壓復(fù)合材料。其優(yōu)點(diǎn)是便宜，但吸附性不好，收縮率高，成型壓力高、制品空隙含量高等缺點(diǎn)，故很少用它來(lái)碳纖維復(fù)合材料。酚醛樹(shù)脂的含碳量高，用來(lái)制造燒蝕材料，成為航天飛行器的防護(hù)層，用作碳

23、/碳復(fù)合材料的基體的原料，用來(lái)制造耐高溫的玻璃纖維復(fù)合材料。2.4.4 熱塑性樹(shù)脂特點(diǎn)：加熱熔化，冷卻變硬。主要有：聚乙烯，聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、聚苯硫等。有些已用于玻璃纖維增強(qiáng)材料，但用于碳纖維增強(qiáng)材料的不多（P32-33）。中原工學(xué)院教案專用紙 第 8 頁(yè)第三章 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中，凡是能提高材料力學(xué)性能的物質(zhì)，稱為增強(qiáng)材料。纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用，是主要承力組分。它不僅能使材料顯示出較高的抗張強(qiáng)度和剛度，而且能減少收縮，提高了熱變形溫度和低溫沖擊強(qiáng)度等。復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。3.1 玻璃纖維及其制

24、品3.1.1 概述玻璃纖維是隨玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）工業(yè)的的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。我國(guó)在1950年代開(kāi)始有自己的玻璃纖維工業(yè)，現(xiàn)已接近世界先進(jìn)水平。玻璃纖維工業(yè)的不斷發(fā)展促進(jìn)了我國(guó)復(fù)合材料及尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。3.1.2 玻璃纖維的分類1）以玻璃原料成分分類，一般用不同的含堿量來(lái)區(qū)分：（1） 無(wú)堿玻璃纖維（E玻纖）：以鈣鋁硼硅酸鹽組成的玻璃纖維，其堿金屬氧化物含量不大于0.5%。是復(fù)合材料用玻璃纖維的主流類型。特點(diǎn)：強(qiáng)度較高，耐熱性和電性能優(yōu)良，能抗擊大氣侵蝕，化學(xué)穩(wěn)定性也好（但不耐酸）。也稱電氣玻璃， （2） 中堿玻璃纖維：堿金屬含量在11.5-12.5%之間。主要特點(diǎn)是耐酸性好，但強(qiáng)度不如

25、E玻璃纖維高。主要用于耐腐蝕性領(lǐng)域，價(jià)格較便宜。（3） 有堿玻璃（A玻璃）纖維：類似于窗玻璃及玻璃瓶的鈉鈣玻璃。此種玻璃由于含堿量高，強(qiáng)度低，易潮蝕，很少用作增強(qiáng)材料。（4） 特種玻璃纖維：如由純鎂硅三元組成的高強(qiáng)度玻璃纖維，硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕玻璃纖維，含鉛玻璃纖維，高硅氧纖維，石英纖維等。2）以單絲直徑分類粗纖維（30um）；初級(jí)纖維(20um); 中級(jí)纖維; 10-20um; 高級(jí)纖維：3-10um; 超細(xì)纖維（<4um）3)以纖維外觀分類：連續(xù)纖維，短切纖維，空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細(xì)纖維4）以纖維特性分類根據(jù)纖維本身具有的性能可分為：高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐高溫纖維

26、、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維（指無(wú)堿及中堿玻璃纖維）3.1.3 玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成1）玻璃纖維的結(jié)構(gòu)玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與玻璃相同。玻璃的結(jié)構(gòu)主要有兩種假說(shuō)：“微晶結(jié)構(gòu)假說(shuō)”和“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說(shuō)”微晶結(jié)構(gòu)假說(shuō)：玻璃由硅酸塊和二氧化硅的“微晶子”組成。硅酸是無(wú)序的過(guò)冷溶液網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說(shuō)：玻璃由二氧化硅的四面體、鋁氧四面體或硼氧四面體相互聯(lián)成不規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na,K,Ca,Mg等陽(yáng)離子所填充。二氧化硅的四面體的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)，填充的Na, Ca等陽(yáng)離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。大量資料證明，玻璃結(jié)構(gòu)是近似有序的。玻璃結(jié)構(gòu)中存在一定數(shù)量和大小比較有規(guī)則排列的區(qū)域，這種規(guī)

27、則性是由一定數(shù)目的多面遵循類似晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列造成的。但有序區(qū)域不是像晶體結(jié)構(gòu)那樣有嚴(yán)格的周期性，微觀上是不均勻的，宏觀上卻又是均勻的，反映到玻璃性能上是各向同性的中原工學(xué)院教案專用紙 第 9 頁(yè)2）玻璃纖維的化學(xué)組成玻璃纖維的化學(xué)組成主要是：SiO2, B3O2, CaO, Al2O3等，它們對(duì)玻璃纖維的性質(zhì)和生產(chǎn)工藝起決定性的作用。以二氧化硅為主的叫硅酸鹽玻璃，以B3O2為主的叫硼酸鹽玻璃。氧化鈉，氧化鉀等堿金屬氧化物稱為助熔氧化物，它可降低玻璃的熔化溫度和粘度，使熔體內(nèi)的氣體易于排出。堿（氧化鈉，氧化鉀等堿金屬氧化物）含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度、電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性都會(huì)相應(yīng)的降低。用C

28、aO取代SiO2可降低拉絲溫度；加入Al2O3可提高耐水性。玻璃纖維的化學(xué)組成，不僅要滿足其物理和化學(xué)性能的要求，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；另一方面要滿足制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍。3.1.4玻璃纖維的物理性能（1）外觀和比重 光滑，橫斷面呈完整的圓形，直徑1.5-30um，大多數(shù)為4-14um；密度2.16-4.30，較有機(jī)纖維大很多，但比一般的金屬密度小，與鋁相比幾乎一樣，所以在航空工業(yè)上用復(fù)合材料代替合金就成為可能。一般無(wú)堿纖維比有堿纖維的比重大。（2）表面積大。故表面處理的效果對(duì)性能的影響很大（3）玻璃纖維的力學(xué)性能玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度 玻璃纖維的最大特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度

29、高。一般玻璃制品的拉伸強(qiáng)度只有40-100MPa.而直徑3-9um的玻璃纖維拉伸強(qiáng)度則達(dá)1500-4000MPa,較一般合成纖維高約10倍，比合金鋼還高2倍（P37表3-1）。玻璃纖維高強(qiáng)的原因：微裂紋假說(shuō)，玻璃纖維高溫成型時(shí)減少了玻璃溶液的不均勻性，使微裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)減少。影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素A通常其拉伸強(qiáng)度隨直徑變細(xì)而拉伸強(qiáng)度增加B拉伸強(qiáng)度也與纖維的長(zhǎng)度有關(guān)，隨著長(zhǎng)度增加拉伸強(qiáng)度顯著下降C纖維的強(qiáng)度與玻璃的化學(xué)成分關(guān)系密切。通常含堿量越高，強(qiáng)度越低。高強(qiáng)度玻璃纖維強(qiáng)度明顯地高于無(wú)堿玻璃纖維。D存放時(shí)間對(duì)纖維強(qiáng)度的影響-纖維老化 當(dāng)纖維存放一段時(shí)間后，強(qiáng)度下降。老化程度和速度取決于對(duì)大氣水

30、分的化學(xué)穩(wěn)定性。E施加負(fù)荷時(shí)間對(duì)纖維的影響-纖維的疲勞，指纖維強(qiáng)度隨負(fù)荷時(shí)間的增加而降低的情況。原因是纖維水分吸附到裂紋中，在外力作用下，加速裂紋的擴(kuò)展F 玻璃纖維成型方法和成型條件對(duì)強(qiáng)度也有很大的影響。硬化速度快，則強(qiáng)度高。玻璃纖維的彈性A. 玻璃纖維的延伸率（斷裂伸長(zhǎng)率）是指纖維在外力作用下直到拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)百分率。玻璃纖維的延伸率比其它有機(jī)纖維低，一般為3%左右。B. 玻璃纖維的彈性模量具7×104MPa，與鋁相當(dāng)，只有普通鋼的三分之一，致使復(fù)合材料的剛度較低。加入硼、鎂能提高玻璃纖維的彈性模量。玻璃纖維在彈性形變之后即行斷裂，無(wú)塑性形變階段。（4）玻璃纖維的耐磨性與耐折性 玻璃

31、纖維的耐磨性與耐折性都很差，為提高柔性可做適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚怼Ｓ藐?yáng)離子活性劑處理表面后耐磨性提高200倍。(5)玻璃纖維的熱性能導(dǎo)熱性 玻璃纖維的導(dǎo)熱性差，為0.6-1.1千卡/米·度·時(shí), 且隨溫度變化小，是很好的優(yōu)良的隔熱材料，但受潮時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)增大。中原工學(xué)院教案專用紙 第 10 頁(yè)玻璃纖維的耐熱性 其耐熱性較高，軟化點(diǎn)：550-580，熱處理使微裂紋增加而引起強(qiáng)度下降。（6）玻璃纖維的電性能加堿使絕緣性下降大量加入氧化鐵、氧化鉛、氧化銅、氧化鉍或氧化釩，會(huì)使纖維具有半導(dǎo)體性能。表面涂敷金屬或石墨則可使其導(dǎo)電（7）玻璃纖維有良好的光學(xué)性能，可制成透明的玻璃鋼以做各種采光材料

32、，制成導(dǎo)光管成為光導(dǎo)纖維等。3.1.5玻璃纖維的化學(xué)性能不耐氫氟酸，濃堿和濃磷酸而對(duì)其它所有的化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性?？偟恼f(shuō)來(lái)，其化學(xué)穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。前者加強(qiáng)其穩(wěn)定性，后者則相反。纖維越細(xì)，溫度越高，其化學(xué)穩(wěn)定性越差纖維支數(shù)=纖維長(zhǎng)度(m)/纖維重量(g),國(guó)際上TEX指1000O米長(zhǎng)的原紗的克重量。例如4TEX指1000米原紗重4克。3.1.6 玻璃纖維織物的品種及性能品種：玻璃纖維布、玻璃纖維氈、玻璃纖維帶等幾類玻璃纖維布可分為：無(wú)捻粗紗布 平紋布、斜紋布（適于各方面都需要強(qiáng)度高的制品）、緞紋布（一個(gè)方向上的一根紗從另一個(gè)方向上的幾根

33、紗上面通過(guò)而只壓在一根紗上面）、單向布（經(jīng)紗用強(qiáng)紗，緯紗用弱紗，適于定向要求強(qiáng)度的制品）、無(wú)紡布（用粘結(jié)劑粘結(jié)到一起的） 3.1.7玻璃纖維及其制品的制造工藝1）制造原絲連續(xù)玻璃纖維及其制品的制造，一般經(jīng)過(guò)制球、拉絲和紡織三個(gè)步驟。見(jiàn)P46圖3-12)浸潤(rùn)槽液的作用（1）原絲中的纖維不散亂而能相互粘連在一起。（2）防止纖維間的磨損（3）原絲相互間不粘結(jié)在一起（4）便于紡織和加工。常用浸潤(rùn)劑有石蠟乳劑和聚醋酸乙烯兩種，前者是紡織型，后者是增強(qiáng)型。3）玻璃纖維紗的制造有捻要經(jīng)加工處理，無(wú)捻則直接并股而成4）玻璃布經(jīng)過(guò)紡織而成5）玻璃纖維制造流程P48圖 3-23.1.8 特種玻璃纖維1）高強(qiáng)度及高

34、模量玻璃纖維（1）高強(qiáng)度玻璃纖維：鎂鋁硅酸鹽（S）和硼硅酸鹽兩個(gè)系統(tǒng)（2）高模量玻璃纖維(M):Si,Ca,Mg,B,Ti,Zr等的氧化物。2）耐高溫玻璃纖維（1）石英纖維（99.95%SiO2）特點(diǎn)：軟化溫度高膨脹系數(shù)小電性能好耐酸性好，耐堿較差透光率高用于電機(jī)制造、光通訊、火箭及原子反應(yīng)堆工程等方面中原工學(xué)院教案專用紙 第 11 頁(yè)（2）高硅氧玻璃纖維（SiO2>95%）耐熱性與前者相似，強(qiáng)度稍低，便宜。（3）鋁硅酸鹽玻璃纖維（Al2O3>50%）:耐高溫，用作絕緣和隔熱材料。3）空心玻璃纖維質(zhì)輕，剛性好，電性能好，導(dǎo)熱系數(shù)低3.2碳纖維3.2.1概述1）歷史1959年聯(lián)合碳化

35、公司以粘膠纖維為原絲制得1970年日本的瀝青基碳纖維實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)2）特性重量輕，比強(qiáng)度大，模量高，耐熱性高，耐化學(xué)穩(wěn)定性好。阻止中子透過(guò)，X射線良好透過(guò)性，可導(dǎo)電導(dǎo)熱其復(fù)合材料比鋼強(qiáng)比鋁輕，用于航空航天，軍事，工業(yè)，體育器材等方面應(yīng)用廣。3.2.2碳纖維的分類1）性能分類分高性能碳纖維和低性能碳纖維2）據(jù)原絲分類聚丙烯腈基纖維粘膠基碳纖維瀝青基碳纖維木質(zhì)素纖維基碳纖維其它有機(jī)纖維基（各種天然纖維，再生纖維，縮合多環(huán)芳香族合成纖維）碳纖維3）根據(jù)碳纖維功能分類受力結(jié)構(gòu)用碳纖維耐焰碳纖維活性碳纖維導(dǎo)電用碳纖維潤(rùn)滑用碳纖維耐磨用碳纖維3.2.3碳纖維的制造氣相法和有機(jī)纖維碳化法1）氣相法是在惰性氣

36、氛中小分子有機(jī)物在高溫下沉積成纖維。用這種方法只能制造晶須和短纖維，不能制造連續(xù)長(zhǎng)絲。2）有機(jī)纖維碳化法是先將有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中，于高溫下進(jìn)行焙燒碳化，使有機(jī)纖維失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳為主要成份的纖維狀物。制作碳纖維的原料主要有三種：人造絲（粘膠纖維）、聚丙烯腈纖維和瀝青。其中聚丙烯腈纖維用來(lái)制造高強(qiáng)度高模量碳纖維。有機(jī)纖維碳化法制取碳纖維的五個(gè)階段：中原工學(xué)院教案專用紙 第 12 頁(yè)（1） 拉絲： （2） 牽伸：100-300間進(jìn)行，拉伸效應(yīng)（3） 穩(wěn)定：400加熱氧化（4） 碳化：1000-2000（5） 石墨化：2000-30003.2.4

37、 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能3.2.4.1結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能1）結(jié)構(gòu)包括化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)（1） 碳纖維形成過(guò)程中，隨原絲不同，重量損失10-90%，同時(shí)形成各種缺陷（2） 高模量碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行地取向。（3） 若干層組成微晶，微晶為亂層石墨結(jié)構(gòu)。層間距大于標(biāo)準(zhǔn)石墨。（4） 碳纖維的實(shí)際強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)小于單晶石墨的理論強(qiáng)度和模量，這是由于纖維中的缺陷造成的。（5） 碳纖維軸向伸長(zhǎng)小，斷裂在瞬間發(fā)生，不發(fā)生屈服。（6） 碳纖維軸向分子間的結(jié)合力大于石墨，所以其軸向抗張強(qiáng)度和模量都明顯高于石墨，而徑向作用力弱，抗壓性差2）碳纖維的物理性能（1） 比重：1.5-2.0.與原絲結(jié)構(gòu)及碳化處理溫度

38、有關(guān)（2） 碳纖維的熱膨脹系數(shù)各向異性，平行于纖維方向是負(fù)值，垂直于纖維方向是正值（3） 導(dǎo)熱率 也有方向性比電阻 與纖維類型有關(guān)。正電動(dòng)勢(shì)的C可氧化負(fù)電動(dòng)勢(shì)的Al而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。3）碳纖維的化學(xué)性能（1） 對(duì)一般的酸堿是惰性的（2） 溫度高于400時(shí)在空氣中氧化（3） 在惰性氣氛中耐熱性好 碳纖維強(qiáng)度在1500才開(kāi)始下降。（4） 耐低溫性好，在液氮中不脆化（5） 其它性能 耐油、抗放射線、抗輻射、吸收有毒氣體，減速中子3.3芳綸纖維指聚芳酰胺纖維，也叫有機(jī)纖維1968年杜邦公司研制1972年 B纖維產(chǎn)品1973年正式稱為芳綸進(jìn)入市場(chǎng)用于橡膠增強(qiáng)，制造輪胎，三角皮帶，同步帶，繩索，電纜，涂漆

39、織物，帶和帶狀物及防彈背心，航空，航天及造船工業(yè)用復(fù)合材料。3.3.1 芳綸纖維的性能特點(diǎn)1）力學(xué)性能芳綸纖維最大的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高，抗沖擊性能好，彈性模量高，密度小2）芳綸的熱穩(wěn)定性芳綸的熱穩(wěn)定性良好，耐火而不熔。低溫也不脆化熱膨脹系數(shù)也具有各向異性中原工學(xué)院教案專用紙 第 13 頁(yè)3）芳綸纖維的化學(xué)穩(wěn)定性良好的耐介質(zhì)性能，對(duì)中性化學(xué)藥品的抵抗力一般是很強(qiáng)的，但易受酸堿侵蝕，尤其是強(qiáng)酸，耐水性不好，因?yàn)闃O性酰胺基親水3.3.2芳綸纖維的結(jié)構(gòu)1)基本結(jié)構(gòu) 芳綸是對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉(zhuǎn)化為液晶紡絲而成。其基本結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)鏈狀聚酰胺，后者結(jié)合在芳香環(huán)上，這種剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向上

40、的高度定向的，各聚合物鏈由氫鍵橫向連結(jié)。故而縱向強(qiáng)度高，橫向強(qiáng)度低（P55）。2）芳環(huán)使芳綸具有高的模量和剛性，線性結(jié)構(gòu)使分子能密排而得到高密度，從而有高強(qiáng)度3）規(guī)整的結(jié)構(gòu)使具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。3.3.3用途43%用于輪胎簾子線，31%用于復(fù)合材料。17.5%用于繩索與防彈衣以芳綸作為增強(qiáng)材料，樹(shù)脂作為基體的增強(qiáng)塑料，簡(jiǎn)稱為KFRT,在航空航天上的應(yīng)用僅次于碳纖維（P57）3.4 其它纖維3.4.1碳化硅纖維具有良好的高溫性能、高強(qiáng)度、高模量和化學(xué)穩(wěn)定性。主要用于增強(qiáng)金屬和陶瓷，制成耐高溫的金屬和陶瓷基復(fù)合材料。制造方法：化學(xué)氣相沉積法和燒結(jié)法 美日兩國(guó)是主要生產(chǎn)國(guó)性能：高強(qiáng)度，耐

41、熱性1000以上，耐化學(xué)腐蝕（80強(qiáng)酸），和金屬有很好的浸潤(rùn)性，耐輻射及吸波性能。用途：其耐高溫，耐腐蝕，耐輻射的三耐性能，是理想的耐熱材料。用于高溫傳送帶，過(guò)濾材料，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，飛機(jī)螺旋槳等受力部件及透平主動(dòng)軸。軍用大口徑步槍套管，M-1作戰(zhàn)坦克履帶火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等。3.4.2硼纖維具有很高的比強(qiáng)度和比模量，密度?。?.5-2.65）作為航天飛機(jī)主艙框架強(qiáng)度高、剛性好，代替鋁合金節(jié)省重量44%。與樹(shù)脂相容性好。3.4.3 晶須1）晶須是目前已知纖維中強(qiáng)度最高的一種，其機(jī)械強(qiáng)度幾乎等于相鄰原子間的作用力。原因：晶須直徑非常小，結(jié)構(gòu)無(wú)缺陷。2）晶須直徑為幾個(gè)微米，斷面呈多角狀，長(zhǎng)度一般為

42、幾厘米。3）晶須兼具玻璃纖維和硼纖維的優(yōu)良性能，它有玻璃纖維的延伸率（3-4%）和硼纖維的彈性模量（4.2-7.0×105MPa），其增強(qiáng)性能很好。4）晶須無(wú)疲勞效應(yīng)5）價(jià)格昂貴，尚難以民用3.4.3 氧化鋁纖維1）以氧化鋁為主要纖維組分（>70%）的陶瓷纖維統(tǒng)稱為氧化鋁纖維2）特性：（1）耐熱性好 （2）極佳的耐化學(xué)腐蝕和抗氧化性 （3）表面活性好，與金屬其樹(shù)脂都能很好復(fù)合. （4）做成復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度高，電絕緣性好。3）缺點(diǎn)：密度大：3.2g/cm3中原工學(xué)院教案專用紙 第 14 頁(yè)第四章 復(fù)合材料的界面4.1概述1）復(fù)合材料的界面指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分顯著變化的、構(gòu)成

43、彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。約為幾個(gè)納米到幾微米，是一個(gè)帶或一區(qū)域，厚度不均勻，它包含了基體和增強(qiáng)物的部分原始接觸面、基本與增強(qiáng)物相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物、此產(chǎn)物與基體和增強(qiáng)物的接觸面，基體和增強(qiáng)物的相互擴(kuò)散層，增強(qiáng)物上的表面涂層、基體與增強(qiáng)物上的氧化物及其它的反應(yīng)產(chǎn)物。2）界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)：（1） 傳遞效應(yīng)：傳遞力（2） 阻斷效應(yīng)：阻止裂紋擴(kuò)展（3） 不連續(xù)效應(yīng)（4） 散射和吸收效應(yīng)（5） 誘導(dǎo)效應(yīng) 一種結(jié)構(gòu)對(duì)另一種結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)3）界面效應(yīng)既與界面結(jié)合狀態(tài)、形態(tài)和物理-化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與界面兩側(cè)組分材料的浸潤(rùn)性、相容性、擴(kuò)散性等密切相關(guān)。4）基體和增強(qiáng)體通過(guò)界面結(jié)合在一起

44、，構(gòu)成復(fù)合材料整體，界面結(jié)合的狀態(tài)和強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響，所以各種復(fù)合材料都要求有合適的界面結(jié)合強(qiáng)度5）層間剪切強(qiáng)度是研究界面結(jié)合強(qiáng)度的良好方法，結(jié)合斷面形貌分析可有效研究界面粘結(jié)強(qiáng)度。6）尚無(wú)有效方法可直接準(zhǔn)確定量分析界面。4.2復(fù)合材料的界面4.2.1聚合物基復(fù)合材料的界面（1） 聚合物基復(fù)合材料的界面形成可以分成兩個(gè)階段：一是基體與增強(qiáng)材料的接觸與浸潤(rùn)過(guò)程；第二階段是聚合物的固化階段（2） 界面屋的結(jié)構(gòu)大致包括：界面的結(jié)合力、界面區(qū)域的厚度和界面的微觀結(jié)構(gòu)。通常對(duì)纖維進(jìn)行表面處理以增強(qiáng)界面結(jié)合力（3） 界面作用機(jī)理A.界面浸潤(rùn)理論浸潤(rùn)角的概論。完全浸潤(rùn)將使基體與填充劑間的粘結(jié)強(qiáng)

45、度將大于基體的內(nèi)聚強(qiáng)度B.化學(xué)鍵理論：偶聯(lián)劑作用機(jī)理4.2.2金屬基復(fù)合材料的界面1）界面的類型（1） 類型：纖維與基體互不反應(yīng)亦不溶解：物理結(jié)合（2） 類型：纖維與基體不反應(yīng)但相互溶解：溶解和浸潤(rùn)結(jié)合（3） 類型：纖維與基體互相反應(yīng)形成界面反應(yīng)層：反應(yīng)結(jié)合實(shí)際的界面結(jié)合方式往往不是單一的，可能是好幾種類型的復(fù)合。2）影響界面穩(wěn)定性的因素（1） 金屬基復(fù)合物需耐比聚合物基復(fù)合物更高的溫度，所以界面在高溫下穩(wěn)定很重要（2） 高溫下增強(qiáng)材料的部分熔融是影響因素之一，但有時(shí)熔融新生成的合金強(qiáng)度更高，反而起到增強(qiáng)作用。（3） 另一種影響是界面反應(yīng)，亦影響界面結(jié)合強(qiáng)度中原工學(xué)院教案專用紙 第 15 頁(yè)（

46、4） 界面結(jié)合強(qiáng)度越大，則沿纖維方向的剪切強(qiáng)度越大。界面結(jié)合強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低都不利。就改善復(fù)合材料的疲勞性而言，為避免纖維與基體之間摩擦生熱，界面強(qiáng)度稍強(qiáng)有利。結(jié)合力<撥出功，但不能差別太大。表4-2 碳纖維增強(qiáng)鋁的抗張強(qiáng)度和斷口形貌界面結(jié)合狀態(tài) 抗張強(qiáng)度，MPa 斷口形貌結(jié)合不良 206 纖維大量撥出，長(zhǎng)度很長(zhǎng)，呈刷子狀結(jié)合適中 612 有的纖維撥出，有一定長(zhǎng)度，鋁基體發(fā)生縮頸，可觀察到劈裂狀結(jié)合稍強(qiáng) 470 出現(xiàn)不規(guī)則斷面，可觀察到很短的撥出纖維結(jié)合過(guò)強(qiáng) 224 典型的脆性斷裂，平斷口3）殘余應(yīng)力材料中出現(xiàn)裂紋或位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不在增強(qiáng)纖維上集中形成高應(yīng)力，這就要求纖維和

47、基體熱膨脹系數(shù)相匹配?；w通常熱膨系數(shù)通常高于纖維，但為了避免過(guò)高的殘余應(yīng)力，要求增強(qiáng)纖纖與基體的熱膨脹系數(shù)基本匹配，不要相差太大。4.2.3陶瓷基復(fù)合材料的界面1）陶瓷基復(fù)合材料的纖維與基體間形成反應(yīng)層，對(duì)基體和纖維都能很好地結(jié)合，但它是脆性的，當(dāng)反應(yīng)層厚度達(dá)到某一尺度時(shí)，復(fù)合材料的抗張強(qiáng)度開(kāi)始下降。厚度繼續(xù)增大到另一值時(shí)不再降低，這兩個(gè)厚度分別對(duì)應(yīng)著第一臨界厚度和第二臨界厚度（畫(huà)圖）2）不同復(fù)合材料制備工藝可得到不同結(jié)合強(qiáng)度的界面從才使材料性能不同。（P69）4.3增強(qiáng)材料的表面處理1）為了改進(jìn)增強(qiáng)纖維與基體之間的界面結(jié)構(gòu)，改善兩者間的結(jié)合性能，需要對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?）表面處理

48、的方法是在增強(qiáng)纖維表面涂覆上一種稱為表面處理劑的物質(zhì)，包括浸潤(rùn)劑、偶聯(lián)劑等其它助劑，以制造與基體間好的粘結(jié)界面。4.3增強(qiáng)材料的表面處理4.3.1改善玻璃纖維表面的偶聯(lián)劑沃蘭和有機(jī)硅烷1）沃蘭：為有機(jī)鉻合物類表面處理劑，水解使配合物中的氯原子被 羥基取代，并與吸水的玻璃纖維表面的硅羥基形成氫鍵，干燥脫水后變成化學(xué)鍵與纖維連接，沃蘭的碳?xì)滏渼t與樹(shù)脂基體反應(yīng)而聯(lián)接。2）用表面處理劑處理玻璃纖維的方法：（1） 前處理法：在玻璃纖維抽絲過(guò)程中涂覆表面處理劑（2） 后處理法：對(duì)玻璃纖維進(jìn)行后處理（3） 遷移法：將化學(xué)處理劑加入到樹(shù)脂中在復(fù)合時(shí)同時(shí)處理表面。4.3.2碳纖維的表面處理1）碳纖維的表面處理辦

49、法方法較多，有氧化、沉積、電聚合與電沉積、等離子處理等4.3.3芳綸纖維的表面處理基于化學(xué)鍵理論，通過(guò)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)和等離子處理在纖維表面形成活性基團(tuán)4.3.3超高分子量聚乙烯纖維等離子處理，聚乙烯被熱蝕，交聯(lián)很少，引入氧后形成羰基和羧基使與環(huán)氧樹(shù)脂很好結(jié)合4.3.4金屬纖維為改善界面性能須控制界面層的厚度，可改進(jìn)工藝減少反應(yīng)時(shí)間，或表面涂層減少活性。利用CVD技術(shù)在硼纖維表面形成碳化硅或碳化硼涂層可抑制界面反應(yīng)。中原工學(xué)院教案專用紙 第 16 頁(yè)第五章 聚合物基復(fù)合材料5.1 聚合物基復(fù)合材料的種類和性能（1）具有較高的比強(qiáng)度和比模量（2）抗疲勞性能好（3）減震性能好（4）高溫性能好（5）安全

50、性能好（6）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)單。5.2聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.2.1概述1.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的因素有：結(jié)構(gòu)質(zhì)量、研制成本、制造工藝、結(jié)構(gòu)鑒定、質(zhì)量控制、工藝模具的通用性及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合過(guò)程見(jiàn)圖5-1（P87）(1) 明確設(shè)計(jì)要求：性能要求，載荷要求、環(huán)境條件，形狀限制等(2) 材料設(shè)計(jì)：原材料選擇，鋪層性能確定，復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):典型結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)等3）特點(diǎn)：材料結(jié)構(gòu)一次成型2.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件（要求）1）結(jié)構(gòu)性能要求，包括:(1) 結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保使用期內(nèi)的安全(2) 對(duì)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的限制(3) 隔絕外界的環(huán)

51、境狀態(tài)而保護(hù)內(nèi)部物體2）載荷情況：靜載荷和動(dòng)載荷（瞬時(shí)作用載荷、沖擊載荷和交變載荷）3）環(huán)境條件：包括（1） 力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動(dòng)、聲音等；（2） 物理?xiàng)l件：壓力、溫度、濕度等（3） 氣象條件：風(fēng)雨、冰雹、日光等（4） 大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等4）結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性：不同應(yīng)用對(duì)此兩性的要求不同，而此兩性本身又是相互關(guān)聯(lián)的。5.2.2材料設(shè)計(jì)1.原料選擇與復(fù)合材料性能1）原材料選擇原則（1） 比強(qiáng)度、比剛度的原則（2） 材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)的原則（3） 滿足結(jié)構(gòu)的特殊性能要求的原則（4） 滿足工藝性要求的原則（5） 性價(jià)比高的原則2）纖維選擇：根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能選取能滿足

52、一定的力學(xué)、物理和化學(xué)性能的纖維(P91,表5-7）3）樹(shù)脂選擇要求：中原工學(xué)院教案專用紙 第 17 頁(yè)要求基體材料能在結(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)工作要求基體材料具有一定的力學(xué)性能要求基體的斷裂伸長(zhǎng)率大于或接近纖維的斷裂伸長(zhǎng)率要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能。要求具有一定的工藝性2.單層性能的確定：通常需要實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定1）單層樹(shù)脂含量的確定:據(jù)單層的功能來(lái)確定（表5-9）2）剛度的預(yù)測(cè)可依公式而定（表5-10）3）強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式3.復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)即按照單層的性能確定層合板中各鋪層的取向，鋪設(shè)順序，各定向?qū)酉鄬?duì)于總層數(shù)的百分比和總層數(shù)5.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）基本原則滿足強(qiáng)度和剛度，穩(wěn)定性，

53、連接接頭設(shè)計(jì)等2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除應(yīng)考慮強(qiáng)度和剛度等主要因素外，還有其它因素：熱應(yīng)力，防腐蝕，防雷擊，抗沖擊等5.3聚合物基復(fù)合材料成型加工技術(shù)1）成型固化工藝包括成型和固化兩部分。2）有十六種成型方法5.3.1手糊工藝手糊工藝是聚合物基復(fù)合材料制造中最早采用和最簡(jiǎn)單的方法。其工藝過(guò)程是先在模具上涂刷含有固化劑的樹(shù)脂混合物，再在其上鋪一層按要求剪裁好的纖維織物，用刷子壓輥刮刀壓擠使其均勻浸膠并排除氣泡后，再涂刷樹(shù)脂和鋪貼每二層纖維織物，反復(fù)上述過(guò)程到達(dá)到所需厚度為止。然后在一定的壓力作用下加熱固化成型，或自放熱固化成型。其優(yōu)點(diǎn)是不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適于少批量生產(chǎn)，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資低，缺點(diǎn)是勞動(dòng)條件

54、差，效率低，質(zhì)量難控制且不穩(wěn)定，產(chǎn)品力學(xué)性能低5.3.2模壓成型工藝1）概念：將定量的模塑料或顆粒狀樹(shù)脂與短纖維的混合物放入敞開(kāi)的金屬對(duì)模中，閉模后加熱使其熔化，并在壓力作用下充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制品，再經(jīng)加熱使樹(shù)脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化，或者冷卻使熱塑性樹(shù)脂硬化，脫模后得到復(fù)合材料制品。2）優(yōu)點(diǎn)：較高的生產(chǎn)效率，制品尺寸準(zhǔn)確，表面光潔，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，制品外觀和尺寸穩(wěn)定性好，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)和自動(dòng)化控制。3）缺點(diǎn)：模具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，壓機(jī)及模具投資高，制品尺寸受設(shè)備限制，只適合制造批量大的中小型產(chǎn)品。只適用于短切纖維。5.3.3樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）成型工藝1)

55、一種閉模成型工藝方法，其過(guò)程：將液態(tài)熱固性樹(shù)脂及固化劑由計(jì)量設(shè)備分別從儲(chǔ)桶內(nèi)抽出，經(jīng)靜態(tài)混合器混合均勻，注入事先鋪有玻璃纖維增強(qiáng)材料的密封模內(nèi)，經(jīng)固化、脫模、后加工而成制品。2）特點(diǎn)：（1） 固定設(shè)備投資少，（2） 產(chǎn)品光滑，尺寸穩(wěn)定容易組合中原工學(xué)院教案專用紙 第 18 頁(yè)（3） 設(shè)計(jì)靈活，制模時(shí)間短（4） 對(duì)樹(shù)脂和填料的適應(yīng)性廣泛（5） 安全環(huán)保（密閉無(wú)污染），低勞動(dòng)強(qiáng)度低5.3.4 噴射成型工藝1）分別將混有促進(jìn)劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹(shù)脂從噴槍兩側(cè)或噴槍內(nèi)混合噴出，同時(shí)將玻璃纖維無(wú)捻粗紗用切割機(jī)切斷并由噴槍中心噴出，與樹(shù)脂一起均勻沉積到模具上。待沉積到一定厚度，用手輥滾壓，使纖維浸透樹(shù)脂、壓實(shí)并除去氣泡，最后固化成制品（P115圖5-12）2）特點(diǎn)：成型比較復(fù)雜和大型的產(chǎn)品，施工現(xiàn)場(chǎng)污染大，機(jī)械和手機(jī)相結(jié)合,物料組成不精確，物料物性條件受限。5.3.5連續(xù)纏繞成型工藝1）將浸過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)纖維或布帶按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為增強(qiáng)塑料制品的工藝過(guò)程2）優(yōu)點(diǎn)（1） 纖維按預(yù)定要求排列的規(guī)整度和精度高，通過(guò)改變纖維排布方式、數(shù)量可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能較好地發(fā)揮增強(qiáng)材料抗張性能優(yōu)異的特點(diǎn)，制品結(jié)構(gòu)合理，比強(qiáng)度和比模量都高（2） 質(zhì)量比較穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高3）缺點(diǎn)：設(shè)備投入大，只有規(guī)模生產(chǎn)才能節(jié)省成本4