復合材料學復習綱要

復合材料學復習綱要本復習綱要結(jié)合課本和教師所給復合材料學思考題內(nèi)容編寫第一章緒論復合材料學的定義：復合材料是由兩種和兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料〔ISO〕 多種定義的一種。復合材料相的劃分：命名： “增加材料的名稱+基體材料”復合材料如玻璃/環(huán)氧復合材料分類：復合材料的特點：可設計性材料與構(gòu)造的同一性發(fā)揮復合效應的優(yōu)越性材料性能對復合工藝的依靠性復合材料的基體材料金屬基體的選擇原則：金屬基復合材料的使用要求工業(yè)集成電路需要高導熱率、低膨脹系數(shù)和高比強度、比模量等金屬基復合材料作為散熱元件和基板。金屬基復合材料組成特點顆粒增加鋁基復合材料一般選用高強度的鋁合金為基體，如A365基體金屬與增加物的相容性鐵、鎳元素在高溫時能促使碳纖維石墨化，破壞了碳纖維的構(gòu)造，使其喪失了原有的強度〔相容性不好〕構(gòu)造復合材料金屬基體的分類：輕金屬基體、耐熱合金基體常用金屬基體材料：(<450℃鋁基和鎂基)〔450℃~700℃鈦及鈦合金〔>1000℃鎳基、鐵基耐熱材料和金屬間〕功能金屬基復合材料主要金屬基體種類：純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等金屬。常用陶瓷基體分類及常用基體材料：氧化物陶瓷 氧化鋁和氧化鋯非氧化物陶瓷 不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物玻璃 硼硅玻璃、鋁硅玻璃、高硅氧玻璃玻璃 鋁鋰硅、鎂鋁硅無機凝膠材料的分類水泥的分類：按化學成分分：硅酸鹽系、鋁酸鹽系、硫鋁酸鹽系、磷酸鹽系按混合分類法分：一般水泥、快硬高強水泥、水工水泥及耐侵蝕水泥、膨脹水泥、油井水泥及耐高溫水泥、裝飾水泥、地方性水泥硅酸鹽水泥生產(chǎn)、組成及硬化機理兩磨一燒”主要由以下四種礦物組成：硅酸三鈣(3CaO·SiO，CS)2 3硅酸二鈣(2CaO·SiO，CS)2 2鋁酸三鈣〔3CaO·AIO2

，CA)3 3鐵鋁酸四鈣〔4CaO·A10·FeO，CAF)23 2 3 4硬化機理水化和硬化過程，放熱反響鎂質(zhì)膠凝材料分類及原料苛性苦土〔MgO〕 主要原料是自然菱鎂礦苛性白云石〔主要成分是MgO和CaCO。 主要原料是自然白云石3不飽和聚酯樹脂合成原理：性能特點：聚酯樹脂的優(yōu)點：工藝性良好，它能在室溫下固化，常壓下成型，工藝裝置簡潔，這是與環(huán)氧、酚醛樹脂相比最突出的優(yōu)點。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。它的價格比環(huán)氧樹脂低得多，只比酚醛樹脂略貴一些。不飽和聚酯樹脂的缺點：固化時體積收縮率大;耐熱性差等。它很少用作碳纖維復合材料的基體材料，主要用于一般民用工業(yè)和生活用品中。環(huán)氧樹脂酸酐固化原理固化劑用量計算：酚醛樹脂的合成與固化熱固性酚醛樹脂合成：加成反響、縮聚反響熱固性酚醛樹脂的固化A.加熱固化〔160~250℃〕B.酸固化〔室溫固化〕熱塑性酚醛樹脂的合成與固化常見熱塑性塑料的構(gòu)造和性能特點：聚乙烯(PE)聚丙烯(PP) 拉伸強度、彈性模量及硬度都優(yōu)于HDPE165~170150℃也不變形聚氯乙稀(PVC) 結(jié)晶度在5%以下，軟化點為80℃，于130℃開頭分解變色，并析出氯化氫。聚苯乙烯(PS)ABS樹脂聚酰胺(PA)、尼龍聚甲醛〔POM〕聚碳酸酯(PC)聚對苯二甲酸乙二醇酯〔PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯〔PBT〕常見橡膠構(gòu)造式、性能特點不飽和烴、非極性橡膠、具自然橡膠(NR)不飽和烴、非極性橡膠、具有自補強性、良好的綜合性能①丁苯橡膠具有中等丁苯橡膠〔SBR〕①丁苯橡膠具有中等NR。優(yōu)點：①彈性好，通用橡膠順丁二烯橡膠(BR)優(yōu)點：①彈性好，通用橡膠g為,自然橡膠為-73℃，丁苯橡膠為-60℃。④較好的耐磨性.缺點：①拉伸強度和撕裂強度NRSBR。②抗?jié)窕圆涣迹谲囁俑?，路面平滑或濕路面使用輪胎易打滑丁基橡膠〔IIR〕IIRIIR氣〔1〔1〕異的耐臭氧老化性，好的耐熱老化性能，優(yōu)秀的耐天候老化性〔2〕優(yōu)秀的耐化學藥品性〔3〕有卓越的耐水性〔4〕優(yōu)異的電絕緣性能，體積電阻比NRSBR1～2個數(shù)量級。〔1〕〔1〕NBR的極性與丙烯腈含量NBR15%～35%CAN含量增大，分子極性增大，分子間的作用力增大，內(nèi)聚能密度增大〔2〕隨CAN含量增大，NBR的耐熱氧、臭氧、天候等老化NBRSBR〔3〕丁腈橡膠的耐油性在通用NBR的耐非極性介質(zhì)最好。氯丁橡膠氯-1，3-CH2=CCl-CH=CH2的乳液聚合物〔1〕NRBR、SBR、NBR等二烯類橡膠〔2〕氯丁橡膠的力學性能CRNR簡潔結(jié)晶，有良好的自補強性，再加上它的極性分子間的作用力較大，所以CRNR比照NRNRNR〔3〕具有阻燃性各協(xié)作劑的作用：硫化劑是一類將橡膠由線型分子轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀大分子的物質(zhì)，轉(zhuǎn)變過程稱為硫化。促進劑不僅大大地縮短了硫化時間，削減了硫黃用量，降低了硫化溫度，節(jié)約了能耗，提高了硫黃利用率，而且橡膠的工藝性能和物理機械性能也顯著提高。增塑劑，降低分子鏈之間的作用力使粉末狀協(xié)作劑與生膠很好的浸潤，從而改善煉膠工藝，使協(xié)作劑分散均勻，混煉時間縮短，耗能低，并能減小混煉過程中的第三章增加材料：在復合材料中，但凡能提高基體材料力學性能的物質(zhì)，均稱為增加材料。增加材料有纖維狀增加材料、片狀增加材料、顆粒狀增加材料玻璃纖維的分類以玻璃原料成分分類：以含堿量來分無堿玻璃纖維〔通稱E玻纖〕 纖維強度較高，耐熱性和電性能優(yōu)良，能抗大氣侵蝕，化學穩(wěn)定性也好〔但不耐酸，最大的特點是電性能好，因此也把它稱做電氣玻璃中堿玻璃纖維〔C玻纖〕 耐酸性好，但強度不如E玻璃纖維高特種玻璃纖維AR玻璃纖維R玻璃 耐水性比無堿玻纖改善7～8倍，耐酸性比中堿玻纖也優(yōu)越不少D玻璃 介電強度好的低介電玻璃纖維以單絲直徑分類粗纖維：30μm；初級纖維：20μm；中級纖維：10～20μm；高級纖維3μ〔亦稱紡織纖維超細纖維: 4μm以纖維外觀分類有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗〔用于紡織、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細纖維等。以纖維特性分類依據(jù)纖維本身具有的性能可分為：高強玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、一般玻璃纖維〔指無堿及中堿玻璃纖維〕玻璃纖維高強的緣由微裂紋理論：裂紋擴展，玻璃被破壞。微裂紋尺寸越大，越多，應力集中越嚴峻，導致強度越低。塊狀玻璃比玻璃纖維尺寸大，其內(nèi)部和外表存在微裂紋的概率更大，所以塊狀玻璃比玻璃纖維的強度低得多。分子取向理論：玻纖在制備過程中，受到定向牽引力作用，分子排列更規(guī)整，所以玻纖強度更大影響玻璃纖維強度的因素：玻纖的拉伸強度隨直徑變細增加。玻璃纖維拉伸強度隨長度增加顯著下降。玻纖的強度與化學成分關系親熱放時間對纖維強度的影響—纖維的老化玻璃纖維織物的品種：玻璃纖維紗、玻璃纖維布、玻璃纖維氈、玻璃纖維帶等。玻璃纖維的制造方法主要有坩堝法和直接熔融法〔池窯法)拉絲過程：坩堝法：鉑金坩堝是一個小型的電加熱玻璃熔窯，用來將玻璃球熔化成玻璃液，然后從鉑金坩堝底部漏板的小孔中流出，拉制成玻璃纖維。拉絲機的機頭上套有卷筒，由馬達帶動作高速轉(zhuǎn)動。將玻璃纖維端頭纏在卷筒上后，由于卷筒的高速轉(zhuǎn)動使玻璃液高速度地從鉑金坩堝底部的小漏孔中拉出，并經(jīng)速冷而成玻璃纖維。池窯法是將玻璃協(xié)作料直接投入窯內(nèi)熔融、澄清、均化后，經(jīng)鉑銠漏板之漏孔流出，依據(jù)制品性能要求，單絲被涂敷不同類型的浸潤劑，單絲集束或分槽集束后，被拉絲機卷繞成絲餅與坩堝法相比，池窯法省去了制球及二次熔化的過程。因此，用池窯法生產(chǎn)玻璃纖維時所消耗的能量，比坩堝法要節(jié)約50％左右，其玻璃化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，作業(yè)穩(wěn)定，產(chǎn)量高。浸潤劑的作用原絲中的纖維不散亂而能相互粘附在一起；防止纖維間的磨損；原絲相互間不粘結(jié)在一起；便于紡織加工等。浸潤劑的種類常用：石蠟乳劑〔紡織型、聚醋酸乙烯酯〔增加型〕去除紡織型浸潤劑的方法：熱處理、溶液洗滌法碳纖維Carbon fiber,CF〕是由不完全的石墨結(jié)晶沿纖維軸向排列的一種多晶的型無機非金屬材料CFCFCFCF、高性能CF〔高強、超高強、高模、超高?！矯FCFCFCFCFCF碳纖維的制造方法：氣相法、有機纖維碳化法〔常用〕制造階段包括：①拉絲②牽伸③預氧化④碳化〔亂層石墨構(gòu)造〕⑤石墨化〔石墨片層構(gòu)造〕碳纖維的性能特點：力學性能強度高，模量大〕物理性能(r≈1.5~2.0g/c3)；③熱膨脹系數(shù)〔平行纖維軸為負，垂直纖維軸為正；④導電性好；⑤自潤滑性化學性能①氧化性〔200℃以上在空氣中氧化〕②耐腐蝕性好〔耐酸堿、耐水〕芳綸的性能特點：3%高的比強度與比模量。芳綸纖維的熱穩(wěn)定性：良好的熱穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)具有各向異性芳綸纖維的化學性能：良好的耐介質(zhì)性能、對紫外線較敏感PPTA的制造過程：第一階段：對苯二胺與對苯二甲酸酰氯縮聚成聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)；其次階段：將聚合體溶解在溶劑中再進展紡絲，制成所需要的纖維材料。處理玻璃纖維外表的作用機制：沃蘭：1.沃蘭水解2。玻璃纖維外表吸水，生產(chǎn)羥基3與吸水的玻璃纖維外表反響硅烷：1.2.3.醇硅與吸水的玻璃纖維外表反響碳化硅纖維是以碳和硅為主要組分的一種陶瓷纖維。具有良好的高溫性能、高強度、高模量和化學穩(wěn)定性。主要制造方法有：化學氣相沉積法〔CVD法〕燒結(jié)法〔有機聚合物轉(zhuǎn)化法〕強度與韌性接近于硼纖維/優(yōu)良的耐熱性能/良好的耐化學性能/具有良好的吸波性能硼纖維是一種將硼元素通過高溫化學氣相法沉積在鎢絲或其它纖維外表制成的高性能制造方法：高溫化學氣相法度高、模量高。200℃左右性能根本不變在室溫下，化學穩(wěn)定性好，但外表具有活性硼纖維密度小直徑大0μ0μ，μ，大直徑纖維綜合性能好，并有利于降低價格，但直徑大，缺陷多晶須是在人工把握條件下生長的細小單晶0.2-1μm,強度高。玻璃纖維外表處理方法：前處理法：促使纖維和樹脂浸潤與粘接的增加型浸潤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。纖維經(jīng)處理劑浸漬、水洗、烘干，使玻璃纖維外表上覆上一層處理劑。后處理法：先除去拉絲過程涂覆在玻璃纖維外表的紡織浸潤劑。纖維經(jīng)處理劑浸漬、水洗、烘干，使玻璃纖維外表上覆上一層處理劑。遷移法：將化學處理劑參與到樹脂膠粘劑中，在纖維浸膠過程中，處理劑與經(jīng)過熱處理后的纖維接觸，當樹脂固化時產(chǎn)生偶聯(lián)作用碳纖維外表處理：氧化、沉積、電聚合與電沉積、等離子體處理第四章填料填料是用以改善復合材料性能，并能降低本錢的固體添加劑。填料的主要有如下作用：低成型制件的收縮率，提高制品的尺寸穩(wěn)定性；提高制品的光滑度、平滑性；填料是樹脂粘度有效的調(diào)整劑可滿足不同性能要求可提高顏料的著色效果某些填料具有極好的光穩(wěn)定性和耐化學腐蝕性。有增容作用，可降低本錢，提高產(chǎn)品在市場上的競爭力氣。填料的作用機理：由于填料的存在，基體材料的分子鏈就不能再占據(jù)原來的全部空間，使得相連的鏈段在某種程度上被固定化，并可能引起基體聚合物的取向。由于填料粒子的尺寸穩(wěn)定性，在填充的聚合物中，聚合物界面區(qū)域的分子鏈運動受到限制，而使玻璃化溫度上升，熱變形溫度提高，收縮率降低，彈性模量、硬度、剛度、沖擊強度提高?！灿亚檠a充〕觸變現(xiàn)象是指加有觸變劑的樹脂膠液，在靜態(tài)時不易流淌，受到外力時就易流淌，除去外力后，又變?yōu)椴灰琢魈实默F(xiàn)象第五章復合材料的界面界面指基體與增加物之間化學成分有顯著變化的，構(gòu)成彼此結(jié)合的，能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面理論：界面浸潤性理論：認為填充劑被液態(tài)樹脂良好浸潤是格外重要的，假設浸潤不好會在界面上產(chǎn)生孔隙，易使應力集中而使復合材料開裂，假設兩組組分完全浸潤，則樹脂與填充劑之間的黏結(jié)強度將超過基體的內(nèi)聚強度?；瘜W鍵理論：認為要使兩相之間實現(xiàn)有效的結(jié)合，兩相外表應含有能相互發(fā)生化學反響的活性官能團，通過它們的反響以化學鍵結(jié)合形成界面。物理吸附理論：認為增加體與基體之間結(jié)合屬于機械咬合和基于次價鍵的物理吸附。偶聯(lián)劑的作用主要是促進基體與增加體外表完全浸潤。過渡層理論：變形層理論、優(yōu)先吸附理論和柔性層理論拘束層理論：認為界面區(qū)的彈性模量介于基體與增加體之間時，可很均勻地傳遞應力。集中理論減弱界面局部應力作用理論界面的類型：4類：化學結(jié)合，它是由金屬基體與增加體兩相之間發(fā)生界面反響形成化學鍵，由化學鍵供給結(jié)合力；物理結(jié)合，它是以范德華力結(jié)合；集中結(jié)合，它是指基體與增加體雖無界面反響但發(fā)生原子的相互集中作用，該作用也可供給確定的結(jié)合力；機械結(jié)合，它是指某些增加體外表粗糙，當與熔融的金屬基體浸潤而凝固后，消滅機械的咬合作用金屬基復合材料的界面是以化學結(jié)合為主，有時也會幾種界面結(jié)合方式并存。物理方面的不穩(wěn)定因素主要是：在高溫條件下增加體與基體之間的熔融化學方面的不穩(wěn)定性主要與復合材料在加工使用過程中的界面化學反響有關。它包括連續(xù)式界面反響、交換式界面反響和暫穩(wěn)態(tài)界面變化等現(xiàn)象連續(xù)式界面反響對復合材料力學性能的影響最大。交換式界面反響的不穩(wěn)定因素主要消滅在含有兩種或兩種以上元素的合金基體暫穩(wěn)態(tài)界面變化是由于增加體外表局部存在氧化膜陶瓷基復合材料的界面結(jié)合方式：與金屬基復合材料根本一樣。包括化學結(jié)合、物理結(jié)合、機械結(jié)合和集中結(jié)合界面反響類型：體與增加體材料之間不生成化合物，只形成固溶體。假設在界面形成化合物，當其到達確定的厚度時，復合材料的強度可能會大幅度降低。界面的把握轉(zhuǎn)變增加體外表的性質(zhì)向基體添加特定的元素第六章聚合物基復合材料GFRP分成三類：玻璃纖維增加環(huán)氧樹脂：綜合性能最好。界面剪切強度最高，機械強度高尺寸穩(wěn)定性最好，很少發(fā)生鼓泡現(xiàn)象玻璃纖維增加酚醛樹脂：耐熱性最好。耐高溫，耐燒蝕，耐電弧性，價格比較廉價。性能較脆，機械強度不如環(huán)氧樹脂。尺寸不穩(wěn)