復合材料概念

1、1總論1）復合材料概念、命名、分類及其基本性能。概念：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。命名：將增強材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，再加上復合材料”。（連續(xù)纖維復合材料按增強材料形態(tài)V短纖維復合材料粒狀填料凝合材料I編織復合材料（玻璃纖維復合材料碳纖維復合材料I按增強纖維種類有機纖維復合材料分類金屬纖維發(fā)合材料I陶瓷纖維復合材料（聚合物基復合材料按基體材料（金屬基發(fā)合材料無機非金屬法復合材料計".此e/結構克合材料按材料作叫功能&合材料基本性能：可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點，使一種材料具有多種性能，具有大然材料所沒有的性

2、能。可按對材料性能的需要進行材料的設計和制備?？芍瞥伤璧娜我庑螤畹漠a(chǎn)品。性能的可設計性是復合材料的最大特點。2）聚合物基復合材料的主要性能比強度、比模量大；耐疲勞性能好；減震性好；過載時安全性好；具有多種功能性；有很好的加工工藝性。3）金屬基復合材料的主要性能高比強度、高比模量；導熱、導電性能好；熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好；良好的高溫性能；耐磨性好；良好的疲勞性能和斷裂韌性；不吸潮、不老化、氣密性好。4）陶瓷基復合材料的主要性能強度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下抗磨損性好、耐化學腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和相對密度較小5）復合材料的三個結構層次一次結構：由基體和增強材料復合而成的單層材料，其

3、力學性能決定于組份材料的力學性能、相幾何和界面區(qū)的性能。二次結構：單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何。三次結構：工程結構或產(chǎn)品結構，其力學性能決定于層合體的力學性能和結構幾何。6）復合材料設計的三個層次單層材料設計：包括正確選擇增強材料、基體材料及其配比，該層次決定單層板的性能。鋪層設計：包括對鋪層材料的鋪層方案做出合理安排，該層次決定層合板的性能。結構設計：確定產(chǎn)品結構的形狀和尺寸。2基體材料1）金屬基體材料選擇基體的原則、金屬基結構復合材料的基體、金屬基功能復合材料的基體原則：金屬基復合材料的使用要求；金屬基復合材料組成特點；集體金屬與增強物的相容性。結

4、構復合材料的基體可大致分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類。金屬基功能復合材料的基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等。2）無機膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。研究和應用最多的是纖維增強水泥基增強塑料與樹脂相比，水泥基體材料的特征特征：水泥基體為多孔體系，其孔隙尺寸可由十分之幾納米到數(shù)十納米；纖維與水泥的彈性模量比不大；水泥基材的斷裂延伸率較低；水泥基材種含有粉末或顆粒狀的物料，與纖維呈點接觸，故纖維的摻量受到很大的限制。水泥基材呈堿性，對金屬纖維可起保護作用，但對大多數(shù)礦物纖維不利3）陶瓷材料常用的陶瓷基體、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷種類基體：玻璃，玻璃陶瓷，氧化物陶瓷，非

5、氧化物陶瓷。氧化物陶瓷種類：I-非氧化物陶瓷種類：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物3增強材料1）玻璃纖維分類（玻璃原料成分）這種分類方法主要用于連續(xù)玻璃纖維，一般以不同的含堿量來區(qū)分。無堿玻璃纖維，中堿玻璃纖維，有堿玻璃（A玻璃）纖維，特種玻璃纖維2）玻璃結構兩個假說微晶結構假說認為，玻璃是由硅酸塊和或二氧化硅的微晶子”組成，在微晶子之間由硅酸塊過冷溶液所填充。網(wǎng)絡結構假說認為，玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡，網(wǎng)絡間的空隙由Na,K,Ca,Mg等陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結構是決定玻璃性能的基礎，填充的Na,Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡改性物。

6、3）玻璃纖維的化學組成玻璃纖維的化學組成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化鈣、三氧化二鋁等。4）玻璃纖維高強的原因及影響因素（*）微裂紋假說認為，玻璃的理論強度取決于分子或原子間的引力，其理論強度很高,可達至U200012000Mpa直徑：直徑變細，拉伸強度增加。纖維的長度：長度增加，拉伸強度顯著下降?；瘜W組成：含堿量越高，強度越低。纖維的老化，纖維的疲勞成型方法與成型條件：玻璃硬化速度越快，纖維強度越高。5）影響玻璃纖維化學穩(wěn)定性的因素有哪些？玻璃纖維的化學成分，纖維表面情況對化學穩(wěn)定性的影響，侵蝕介質體積和溫度對玻璃纖維化學穩(wěn)定性的影響，玻璃纖維紗的規(guī)格及性能。6）中堿玻璃纖維與無堿玻璃纖維

7、耐酸性那個好，為何？中堿纖維含N妹0,K20比無堿纖維高二十幾倍，受酸作用后，首先從表面上，有較多的金屬氧化物侵析出來，但主要是NdO,KaO的離析、溶解；另一方面酸與玻璃纖維中硅酸鹽作用生成硅酸，而硅酸迅速聚合并凝成膠體，結果在玻璃表面上會形成一層極薄的氧化硅保護膜，這層膜使酸的侵析與離子交換過程迅速緩慢，使強度下降也緩慢。實踐證明NO,K上。有利于這層保護膜的形成，所以中堿纖維比無堿纖維的耐酸性好。7）玻璃纖維織物有哪些種類？玻璃纖維布：平紋布，斜紋布，緞紋布，方格布，單向布，無紡布玻璃纖維氈：短切纖維氈，表面氈，連續(xù)纖維氈玻璃纖維帶8）在制造玻璃纖維原絲的過程中為何要用浸潤劑，浸潤劑起到

8、什么作用，常用的浸潤劑有哪些？1.原絲中的纖維不散亂而能相互粘附在一起；2,防止纖維間的磨損；3.原絲相互間不粘結在一起；4,便于紡織加工等。石蠟乳劑和聚醋酸乙烯酯。9）碳纖維概念、性能特點、制造方法、主要原料及其五個階段。碳纖維是由有機纖維經(jīng)固相反應轉變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料碳纖維性能優(yōu)異，不僅重量輕，比強度大，模量高，而且耐熱性好，化學穩(wěn)定性好。具制品具有非常優(yōu)良的X射線透過性，阻止中子透過性，還可賦予塑料以導電性和導熱性。制造方法：氣相法、有機纖維碳化法。原料：人造絲，PAN纖維，瀝青階段：拉絲，牽伸，穩(wěn)定，碳化，石墨化。10）纖維的老化、疲勞關于存放時間對纖維強度的影響

9、，當纖維存放一段時間后，會出現(xiàn)強度下降的現(xiàn)象，稱為纖維的老化。關于施加復核時間對纖維強度的影響，玻璃纖維的疲勞一般是指纖維強度隨施加負荷時間的增加而降低的時間。11）晶須為何具有圖強度？主要是由于它的直徑非常小，容納不下能使晶體削弱的空隙、位錯和不完整的等缺陷。晶須材料的內(nèi)部結構完整，使它的強度不受表面完整性的嚴格限制。第四章復合材料的界面1）簡述復合材料界面的定義、結構、特點、作用以及界面的結合方式。復合材料的界面是指基體與增強體之間化學成分有顯著變化的構成彼此結合的，能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面的結構：由五個亞層組成：樹脂基體基體表面相互滲透區(qū)增強劑表面區(qū)增強劑及外力場特點：界面雖然很

10、小，但是它是有尺寸的，約幾個納米到幾個微米，是一個區(qū)域或一個帶，或一個層，厚度不均勻。它包含里基體和增強物的部分原始接觸面?；w與增強物相互作用生成的反應產(chǎn)物，此產(chǎn)物與基體及增強物的接觸面等。在化學成分上有基體等元素外還有其他雜質，因此界面上的化學成分和相結構是很復雜的。作用：界面是復合材料的特征，可將界面的技能歸納為以下幾種效應：傳遞效應阻斷效應不連續(xù)效應散射和吸收效應誘導效應1、機械結合：基體與增強體材料之間不發(fā)生化學反應，借助增強纖維表面凹凸不平的形態(tài)而產(chǎn)生的機械較合和基體與纖維之間的摩擦阻力形成。2、溶解與浸潤結合：基體潤濕增強材料相互之間發(fā)生原子擴散和溶解形成結合。液態(tài)或是粘流態(tài)基體

11、對增強纖維的侵潤，而產(chǎn)生的作用力，作用范圍只有若干原子間距大小。3、反應結合：基體與增強體材料間發(fā)生化學反應，在界面上生成化合物，以化學鍵連接基體和增強體，是基體和增強材料結合在一起?；w與纖維之間形成界面反應層。4、交換反應結合：基體與增強材料間發(fā)生化學反應，生成化合物，且還通過擴散發(fā)生元素交換，形成固溶體而使兩者結合。5、混合結合：上述幾種形式的混合結合方式。3）描述聚合物基復合材料界面的形成過程。簡述聚合物基復合材料界面作用機理。界面的形成可分為兩個階段：第一階段是基體與增強纖維的接觸與潤濕過程。增強體對基體分子中不同基團或基體各組分的吸附能力不同；聚合物的界面結構與本體不同。這一階段是

12、界面形成與發(fā)展的關鍵階段。第二階段是聚合物的固化階段。聚合物通過物理或化學過程固化形成固定界面層。第一階段與第二階段往往是連續(xù)的，有時是同時進行的。界面作用機理：浸潤吸附理論：浸潤是形成復合材料界面的基本條件之一，浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，易因應力集中而開裂，完全浸潤則將提高符合材料的強度化學鍵理論：該理論認為基體樹脂表面的活性官能團與增強體表面的官能團能其化學反應，在界面形成共價鍵結合物理吸附理論：也稱機械作用理論：認為增強纖維與樹脂基體之間的結合屬于機械較合和基于次價鍵作用的物理吸附過渡層理論：為消除內(nèi)應力，界面區(qū)應存在一個過渡層，起到應力松弛作用拘束層理論：該理論也認為在基體和增強體之

13、間存在一個松弛應力的過渡層，但是該過渡層并非柔性的變形層擴散層理論：這種物理結合是指復合材料的增強體和基體的原子或分子越過兩組成物的邊界相互擴散而形成的界面結合減弱界面局部應力作用理論：認為處于基體與增強體界面間的偶聯(lián)劑提供了一種“自愈能力”的化學鍵，這種化學鍵在外載荷作用下處于不斷形成和斷裂的動態(tài)平衡狀態(tài)靜電吸引理論：合適的偶聯(lián)劑使復合材料的基體和增強體的表面帶有異性電荷，引起相互吸引，從而形成界面結合力，靜電引力引起的界面強度取決于電荷密度。4）簡述金屬基復合材料界面的類型、結合形式、影響其界面穩(wěn)定性的因素以及界面控制方法。I類界面（纖維與基體互不反應亦不溶解）是平整的，厚度為分子層的程度

14、，除原組分外，界面不含其他物質。n類界面（纖維與基體不反應，但相互溶解）是由原組分構成的犬牙交錯的溶解擴散型界面m類界面（纖維與基體相互反應形成界面反映層）含有亞微級左右的界面反應物質（界面反應層）結合方式：物理結合：指借助材料表面的粗糙形態(tài)而產(chǎn)生的機械絞合，以及借助基體收縮盈利包緊纖維時產(chǎn)生的摩擦結合？溶解和浸潤結合：纖維與基體的相互作用力是極短程的，只有若干原子間距？反應結合：特征是在纖維與基體之間形成新的化合物層，即界面反應層影響界面的穩(wěn)定因素：包括物理和化學兩個方面。物理方面的不穩(wěn)定因素主要指在高溫條件下增強纖維與基體間的熔融?；瘜W方面的不穩(wěn)定因素主要與復合材料在加工和使用過程中發(fā)生的

15、界面化學作用有關，包括連續(xù)界面反應，交換式界面反應和暫穩(wěn)態(tài)界面變化等幾種現(xiàn)象。界面控制方法：增強體表面涂層處理，金屬基體合金化，優(yōu)化制備方法和工藝參數(shù)。5）玻璃纖維的表面處理劑種類？用表面處理劑處理玻璃纖維的方法目前主要有哪三種？試簡述之。有機絡合物類表面處理劑，是有機酸與氯化銘的絡合物，該類處理劑在無水條件下結構式為Ao有機銘絡合物的品種較多，其中以甲基丙烯酸氯化銘配合物應用最為廣泛，具結構式為Bo前處理法：用既能滿足抽絲和紡織工藝要求，又能促使纖維和樹脂浸潤與粘接的處理劑代替紡織型浸潤劑，在玻璃纖維抽絲過程中，涂覆到玻璃纖維上。后處理法：先除去抽絲過程涂覆在玻璃纖維表面的紡織浸潤劑，纖維經(jīng)

16、處理劑浸漬、水洗、烘干，使玻璃纖維表面上覆上一層處理劑。遷移法：將化學處理劑加入到樹脂膠粘劑中，在纖維浸膠過程中，處理劑與經(jīng)過熱處理后的纖維接觸，當樹脂固化后產(chǎn)生偶聯(lián)作用。7）對碳纖維進行表面處理的方法有哪些？氧化法、沉積、電聚合、電沉積、等離子體處理第五章聚合物基復合材料1什么是聚合物？什么是聚合物基復合材料？聚合物是指那些由眾多原子或原子團主要以共價鍵結合而成的相對分子量在一萬以上的化合物。聚合物基復合材料是以郵寄聚合物為載體，連續(xù)纖維為增強材料組合而成的2聚合物基復合材料中聚合物基體的選擇原則是什么？良好的綜合性能，對增強材料具有較大的粘附力，良好的工藝性，低毒性，低刺激性，價格合理3聚

17、合物基復合材料的基本性能有哪些？較高的比強度和比模量，抗疲勞性能好，減振性能好，高溫性能好，安全性好，可設計性強、成型工藝簡單。4聚合物基復合材料噴射成型對原材料有哪些要求？噴射成型的特點是什么？在樹脂體系的粘度應適中，容易噴射物化、脫除氣泡和浸潤纖維，以及不帶靜電等?？梢猿尚捅容^復雜形狀的制品，但其厚度和纖維含量都較難精確控制，樹脂含量一般在60%以上，孔隙率較高，制品強度較低，施工現(xiàn)場污染和浪費較大。5聚合物基復合材料成型加工技術有哪些？手糊成型一濕法鋪層成型，真空袋壓法成型，壓力袋成型，樹脂注射和樹脂傳遞成型，噴射成型，真空輔助樹脂注射成型，夾層結構成型，模壓成型，注射成型，擠出成型，纖

18、維纏繞成型，拉擠成型，連續(xù)板材成型，層壓或卷制成型，熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型，離心澆鑄成型。6簡述模壓成型工藝的具體工藝過程。將定量的模數(shù)量或顆粒狀樹脂與短纖維的混合物放入敞開的金屬對模中，閉模后加熱使其融化，并在壓力作用下充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制物，再經(jīng)加熱使樹脂進一步發(fā)生交聯(lián)反應而固化，或者冷卻使熱塑性樹脂固化，脫模后得到復合材料制品。7連續(xù)纏繞成型工藝對樹脂基體及模芯材料有什么要求？并簡述其具體工藝過程。將纖維或帶狀織物浸漬樹脂后纏繞在芯模上，或者先將纖維或帶狀織物纏好后再浸漬樹脂。目前普遍采用前者。纏繞機類似一部機床、纖維通過樹脂槽后，用軋輾除去纖維中多余的樹脂。纖維應具有

19、較高的強度和模量，容易被樹脂浸潤，纖維紗的張力均勻和纏繞時不起毛、不斷頭。所使用的芯模應具有足夠的強度和剛度，能夠承受成型加工過程中各種載荷如纏繞張力、固化時的熱應力、自重等。第六章金屬基復合材料1分類按基體：鋁基復合材料、鍥基復合材料、鈦基復合材料按增強體：顆粒增強復合材料、層狀復合材料、纖維增強復合材料2簡述金屬基復合材料中纖維狀增強體的共性高強度，高模量，容易制造和價格低廉，化學穩(wěn)定性好，纖維的尺寸和形狀，性能的再現(xiàn)性與一致性，抗損傷或抗磨損性能3簡述鋁基復合材料的制造及二次加工工藝？纖維排列、復合材料組分的組裝壓合和零件層壓。二次加工是指對基本的復合材料型件如平板、梁和管等所進行的加工

20、、包括成型、連接機械加工和熱處理等工藝過程。第七章陶瓷基復合材料1陶瓷基復合材料的增強體也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維、晶須和顆粒。2纖維增強陶瓷基復合材料分類及其增韌機理按纖維排布方式的不同，可將其分為單向排布長纖維復合材料和多向排布纖維復合材料。單向：當外加應力進一步提高時，由于基體與纖維間的界面的離解，同時又由于纖維的強度高于計提的強度，進而使纖維可以從基體中拔出。當拔出的長度達到某一臨界值時，會使纖維發(fā)生斷裂。因此裂紋的擴展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，這使得材料的斷裂更加困難，從而起到了增韌的作用。實際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主

21、裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉向。這也同樣會使裂紋的擴展阻力增加，從而使韌性進一步提高。多向：機理與單向排布纖維復合材料一樣，主要靠纖維的拔出與裂紋轉向機制，使其韌性及強度比基體材料大幅度提高。3纖維增強陶瓷基復合材料的成型方法泥漿澆鑄法：在陶瓷泥漿中把纖維分散，然后澆鑄在石膏模型中。熱壓燒結法：將長纖維切短，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結的方法即可制得高性能的復合材料。浸漬法：首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后再進行焙燒。4晶粒和晶須增強陶瓷基復合材料的制造工藝流程。（*）配料：濕法和干法。一般采用濕法，濕法主要采用水作溶劑，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系的原料混合時，為防止原料的氧化則使用有機溶劑?；旌涎b置一般采用專用球磨機。成型：金屬模成型法和橡皮模成型法，注射成型法，擠壓成型法。燒結：從生胚中除去粘合劑后的陶瓷素坯