复合材料复习资料

1、1、 什么是复合材料学：是由两种或以上物理和化学性质不同的原料结合而成的多相固体材料。在复合材料中, 通常有一相为连续相,我们称它为基体。能提高基体材料力学性能的材料, 称为增强材料, 或强化材料。在复合材料中包含有基体，强化材和界面三要素。2、 复合材料的分类：按来源分天然和人工合成复合材料。3、 人工复合材料-用途分：结构复合材料：即传统的复合材料，以提高力学性能为主要目的，作为结构材料使用。功能复合材料：包括功能梯度复合材料，是指通过复合工艺，使制得的材料具有特别的功能 。智能复合材料：对环境变化能作出智能响应，并具有促发功能的新材料。如SMP，SMA等。-基材分：聚合物基复合材料、金属

2、基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料。-强化材的形式分：纤维状复合材料、颗粒状复合材料、积层状、薄片状、填充状。4、 复合材料的性能：一般性能：1、具有较高的比强度和比模量。2、抗疲劳性能好，3、减振性能好，4、耐高温性能好，5、可设计性强，成型工艺简单。特殊性能：特殊的力学性能、功能性、智能型5、 应用：航空航天、汽车制造、制船业、建筑业、化工业、体育业、医疗6、 基体：在复合材料中, 通常有一相为连续相,我们称它为基体。7、 基体的作用：固结增强相，均衡载荷和传递应力,保持基体性质,保护增强材料。8、 基体的种类：金属基体、无机胶凝基体、陶瓷基体、高分子基体9、 陶瓷：是氧化物、碳化

3、物、 氮化物和硅酸盐等无机化合物的总称。陶瓷复合目的：增韧10、 陶瓷的特点：耐高温、耐腐蚀、强度高、硬度大但呈脆性。11、 陶瓷的种类：玻璃: 是通过无机材料高温烧结而成的具有非晶态结构的一种陶瓷.2. 玻璃陶瓷: 将无机玻璃通过特定的反玻璃化过程,形成无残余应力的微晶玻璃. 3. 氧化陶瓷: 含有三氧化二铝,氧化镁等氧化物的陶瓷4. 非氧化陶瓷:不含有氧化物的陶瓷12、 聚合物基体种类：不饱和聚脂树脂、环氧树脂, 酚醛树脂等热固性树脂和有机玻璃(PMMA)、聚醚亚胺等各种热塑性树脂。13、 基体组分:基体往往为混合组分，除了主要的聚合物组分外,还含有固化剂、增韧剂、稀释剂14、 基体的作用

4、:把强化材粘结在一起的粘接作用, 分配纤维间载荷的作用，保护增强材不受环境影响的保护作用和根据需要合成所需要形状的成型作用。15、 聚合物的分子链结构是指单个聚合物分子的化学结构和立体化学结构,包括重复单元的本身,端基的本身,可能的支化和交链与结构顺序中缺陷的本身以及高分子的大小和形态等。聚合物分子的聚集态结构是指聚合物材料本体内部结构,包括晶体结构,非晶态结构，取向结构等。16、 性能：力学性能：包括强度,伸长率,模量,疲劳等。耐热性能：引入C-F键可提高聚合物的耐热性.耐腐蚀性能：包括耐水、酸、碱和耐有机溶剂等。介电性能：极性越大,则介电常数也越大,电阻率越小,介质损耗角越大,介电性能越差

5、。17、 热固性树脂:聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜。热塑性树脂：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂。18、 不饱和树脂：是指有线型结构的,主链上同时具有重复脂键及不饱和双键的一类聚合物。19、 交联剂:为了改善不饱和树脂的固化性能，常把不饱和树脂溶于烯类单体中，使聚脂中的双键间发生共聚反应，得到体型产物。应用最广的是苯乙烯。20、 引发剂：提供始自由基，通过自由基传递，使不饱和聚脂树脂成为自由基，发动聚合反应；常用引发剂为有机过氧化物。如BPO。21、 促进剂：加快引发剂释放自由基的速度。常用促进剂为具有变价的金属钴。如环烷酸钴等。22、 固化过程：胶凝阶段-硬化阶段-完全固化阶段23、 增粘特性:

6、在碱土金属氧化物或氢氧化物等作用下，不饱和聚脂树脂很快稠化，形成凝胶状物,这种能使不饱和聚脂树脂粘度增加的物质,称为增粘剂。这一过程称为增粘过程。利用该特性可用来制造片状或团状模压料。24、 环氧树脂:凡是含有二个以上环氧基的高聚物统称为环氧树脂。属于热固性的基体树脂25、 环氧树脂特点： 1、粘附力好，韧性较好，收缩率低。复合材料强度高，尺寸稳定。2、电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料。3、耐酸碱耐溶剂性强。4、热稳定性良好。26、 玻璃纤维：玻璃纤维是一种以天然矿石为原料，经过对各原料成分的科学计算和合理配比后，进行粉磨均化、高温熔制、拉丝、络纱、织布等工序最后形成各类产品。玻璃纤

7、维单丝的直径从几个微米，到二十几微米，相当于一根头发丝的1/201/5，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维的突出特点是比强度大，弹性模量高，伸长率低，同时还具有电绝缘、耐腐蚀等优点，通常作为复合材料中的增强材料27、 玻璃纤维的分类：按原料分-无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、有碱、无硼、特种。按直径-粗纤维30微米、初级纤维20微米、中级纤维1020微米、高级纤维310微米、超细纤维4微米以下。按外观分-连续纤维、短纤维、磨碎纤维。按特性分-高强纤维、高模纤维、耐高温、耐酸、耐碱、普通28、 碳纤维：是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500以上所形成的纤维状碳材料,主要由碳元素

8、组成，其含碳量随种类不同而异，一般在90以上。29、 碳纤维的分类：按性能-高性能、低性能。按原丝类型-聚丙烯腈基纤维、黏胶基纤维、沥青基、木质素纤维基、其他有机。按功能-结构用、耐焰、活性炭、导电用、润滑用、耐磨用。30、 碳纤维的等级：1、高模碳纤维(HM Fiber)500GPa2、高强碳纤维(HT Fiber)3GPa3、中模碳纤维(IM Fiber), 强度1-2GPa, 模数100-500GPa4、低模碳纤维(LM Fiber), 模数100-200GPa5、一般级(GP), 模数100GPa, 强度1GPa31、 碳纤维的性能：碳（石墨）纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗

9、化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性，此外，还具有纤维的柔曲性和可编性，比强度和比模量优于其它纤维增强体。32、 有机纤维的主要代表为芳纶纤维(Aramid fiber),也叫凯夫拉（Kevlar),属于聚芳酰胺纤维。芳纶纤维为对苯二甲酰对苯二胺的聚合体(PPD-T)，经溶解转为液晶纺丝而成。具有较高的各向异性。传统的合成路线为二烃基酰胺溶剂内苯撑(PPD)和对苯二酰氯(TCl)低温缩聚。芳纶纤维具有高结晶和高取向的分子结构。在纵向有周期性的叠层结构。另外，芳纶纤维还具有皮芯结构。33、 其它纤维：作为强化材的其他纤维的主要有碳化硅纤维,硼纤维、氧化铝纤维34、 复合材料的

10、界面是指基体与强化材之间化学成分有显著变化、构成彼此结合、能起载荷传递作用的微小过渡区域。35、 界面效应：传递效应: 将外力传递给增强物, 起到基体和增强物间的桥梁作用。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的现象。如抗电性、耐热性等。散射和吸收效应: 光波,声波等在界面产生散射和吸收。诱导效应: 一种物质(通常是增强物)的表面结构使另 一种与使之接触的物质(通常是基体)的结构由于诱导作用而发生的一些改变,由此产生一些现象。如弹性等。36、 聚合物基复合材料界面的形成：界面的形成可分为两个阶段:

11、第一阶段是基体与增强物的接触与浸润过程.由于增强体对基体分子的各种基团或基体中各组分的吸附能力不同,它总是要吸附那些能降低其表面能的物质,并优先吸附那些能较多降低其表面能的物质。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或化学的变化而固化, 形成固定的界面层。固化阶段受第一阶段影响, 同时它直接决定界面层的结构。37、 界面间作用：(1)扩散缠结作用:两种高聚物表面的大分子头端或支链的伸出端,会在其间作用面上产生相互的扩散,纠缠,形成分子网络。界面的粘结强度显然与伸出分子端的数量，分子极性及相互作用力的大小，实际产生纠缠的分子数量有关。2）

12、化学键的作用：化学键的作用形式如图，是带有A基团的物质与带有B基团的物质相互接触时，因A，B基团的相互反应，使两物质以化学键形式结合在一起。构成界面。该界面的强度直接取决于化学键的数量与类型。由于化学键的结合能量较高，因此，这类界面的相对稳定性较好。（3）静电吸引：是两个相互作用的表面间因各自所带电荷的极性不同而产生的相互作用力。属于范德华力的作用。界面粘结的强度在很大程度上取决于表面电荷的密度和两表面相互接触的程度。许多高聚物的表面，或经改性后的表面，或带有涂层剂的表面都会存在许多游离或伸出的官能团，这些官能团的正负极性端会吸附在相应的阴离子或阳离子表面上构成相互作用区。（4）机械锁结：机械

13、锁结是指基体对填充体的流动浸润，并按填充体表面形状固化定形后的一种作用形式。如只考虑两相结合面上的机械物理作用，界面的结合强度主要取决于表面锁结点的多少。即表面的粗糙程度。两物质相切移动时，或其间为剪切作用时，界面的抗剪粘结强度较高，两物质相离远动时，即界面拉伸分开时，界面粘结强度较低。38、 粘结机理：A: 界面浸润理论：是基于液态树脂对纤维表面的浸润亲和，即物理和化学吸附作用。填充剂被液体树脂良好浸润是极其重要的,浸润不良会在界面上产生空隙,导致界面缺陷和应力集中而使复合材料发生开裂,如果完全浸润,则基体与填充剂间的粘合强度大于基体的内聚强度.B:化学键理论, 认为复合材料的纤维-基体界面

14、是由化学键作用完成其间黏着或吸附的，这种作用的基础是界面层中的化学键接形式。最典型的是玻璃纤维与基体间的偶联剂。偶联剂是涂覆在玻璃纤维表面的一层物质，具有双官能团的特征。即一部分官能团能与玻璃纤维形成化学共价键，而另一部分又与基体形成化学键，在玻璃纤维与基体间起桥梁的作用。C: 物理吸附理论, 增强材与基体之间的结合属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附。D：变形层理论：复合材料大都由高强低伸的纤维和低强高伸的基体复合而成，这样纤维于基体的热膨胀性差异就很大，当基体固化成型后，就会在界面区产生残余应力，损伤界面，从而导致复合材料性能下降。另外，在外力作用下，复合后界面会因此产生应力集中现象，导

15、致界面缺陷和微裂纹的发展。变形层理论认为，如果纤维表面处理后，能在纤维表面覆上一层塑性层，再经基体复合成型后，这层塑性层即界面就会收缩内应力，发生松弛，以减少界面中的应力集中现象。E拘束层理论：认为表面处理剂是界面的一个部分，界面区的模量介于树脂和增强材之间，可均匀地传递应力，减缓应力集中。这时吸附在硬质增强材上的聚合物基体要比本体更为紧密。且聚集密度随离界面区距离的增大而减少。F扩散层理论：认为粘结是由化学键和分子扩散共同作用的，并在一定的厚度的界面层中相互穿插网络联接。G减弱界面局部应力作用理论：认为基体与增强材之间的处理剂，提供了一种具有自愈能力的化学键。在载荷作用下，它处于不断形成于断

16、裂的动态平衡状态。39、 聚合物基复合材料界面强度的评价：1、显微观察法：用SEM，TEM，偏光显微镜等对其结构进行观察分析。确定是黏结破坏还是内聚破坏。2、力学测量法：（1）单纤维抽拔试验：是将单纤维包埋在基体中，然而，将单纤维从基体中抽拔出来。并记录抽拔力及位移量。（2） 临界纤维长度测量：又称拉伸碎断法。是将纤维包埋于一工字形基体中，当模块受拉伸时，基体会伸长，由此将伸长形变以剪应力形式通过基体与纤维界面传递给纤维，使纤维伸长，直到作用于纤维上的剪应力大于纤维某部位的拉伸断裂应力时，纤维发生断裂，形成一些碎段。成为L长度的短纤维。(3) 短梁剪切法，用于测试一方向复合材料的层间剪切强度。

17、采用的是传统的三点弯曲试验, 只是跨度缩小,满足:L6%10%的原则、铺设顺序原则、冲击载荷区设计原则、防边缘分层破坏设计原则、抗局部屈曲设计原则、连接区设计原则、变厚度设计原则。（2）等代设计法:用相同形状的复合层板来代替其他材料（3）层合板排序设计法59、 聚合物基复合材料的加工技术:成型和固化.成型是将预浸料根据产品的要求铺置成一定的形状，一般为产品的形状。固化是利用温度。60、 分类：手工成型法、喷涂成型法、压缩、注射、SMC压缩、RTM压缩、真空热压成型61、 金属基复合材料是以金属为基体,以高强度的第二相为增强体而制得的材料。按基体分:铝基复合材料,镍基复合材料,钛基复合材料。按增

18、强体分: 颗粒增强复合材料,层状复合材料,纤维增强复合材料。力学性能:各向异性。62、 金属基复合材料界面结合方式：物理结合、溶解与津润结合、反应结合，物理结合是借助于材料表面的粗糙形态产生的机械锁结作用以及因基体固化收缩包紧纤维所产生的摩擦阻力。结合强度的大小取决于材料表面的粗糙程度以及材料表面的抗剪强度。如经等离子处理的不锈钢纤维与基体的结合强度比未处理的高23倍。溶解与津润结合是一种界面两侧的物质以扩散渗透，交错互溶的形式构成的有一定厚度的界面。这种形式的关键是增加金属对纤维的浸润性。方法有：除去纤维表面的氧化膜，增大液态金属的流动性。反应结合是指在一定条件下纤维与基体在相互紧密接触中产

19、生具有新的化合物的层面，并随反应的发展，形成具有一定厚度的反应层。反应层介于纤维与基体之间，故称界面反应层。63、 铝基复合材料特点：由于铝具有较小的比重，铝基复合材料作为轻量高强的复合材料而广泛地用于航空航天业中。其中应用最多的是硼-铝复合材料.64、 铝基复合材料的制造：分为三个阶段，纤维排列，复合材料的组装压合和零件层压。65、 铝基复合材料的二次加工：二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、管等所进行的加工。包括成型加工、连接机械加工和热处理等工艺过程。66、 镍基复合材料：特点：镍有很好的耐热性能，被广泛用于复合材料的基体中，常用的有：镍-蓝宝石复合材料，该材料高弹性模量、低密度、高

20、强度,高熔点,具有良好的高温强度和抗氧化性。制造：主要方法为热压法，也叫扩散结合，将纤维夹在金属板之间进行加热。67、 钛基复合材料：特点：钛基复合材料的使用温度超过塑料基体的极限。即工作温度高。高的抗损伤性和耐腐蚀性，较高的比强度和较小的各相异性。问题点：相容性问题-界面反应层。研制：解决相容性问题的办法之一是采用高速工艺。目前常用的方法为采用连续带材法。发展方向：连续制造法68、 石墨纤维增强金属基复合材料：种类：石墨-铝复合材料，石墨-镍复合材料，石墨-镁复合材料。制造方法：金属粉末法、容压法、扩散结合法、热挤压法、金属箔法、熔压法、扩散结合法、金属溶液法、压力注入法、抽吸通过法、电镀、

21、真空蒸发、化学气相沉积69、 陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等许多优良的性能，但脆性。陶瓷基复合材料改善其脆性。陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，属于无机化合物、而不是单质。陶瓷基复合材料的增强体通常也称为增韧体,可分为纤维、晶须和颗粒三类。70、 纤维增强陶瓷基复合材料的成型方法：1、泥浆浇铸法：在陶瓷泥浆中，将纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。适用于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。2、热压烧结法：将长纤维切短（3mm)，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法制成复合材料。3、浸渍法：把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后，进行焙烧。适用于长纤维增强陶瓷基复合材料的制作。71、

22、晶须：是一种针状单晶体材料，其直径为零点几至几个微米，长度为几微米至数百微米。在单晶体中的原子排列非常整齐，几乎没有多晶材料中存在的各种缺陷。晶须特点：晶体结构十分完整，使其具有惊人的力学强度，作为塑料、金属和陶瓷等类物质的改型添加剂，显示出极佳的物理化学性质和优异的机械性能。直径为16微米（只有发丝粗细的 150l40）的铁晶须抗拉强度高达 13 400兆帕，是工业纯铁的70多倍。72、 种类：有金属、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、无机盐等外观：白色松软状粉末73、 水泥的定义：凡细磨成粉末状，加入适量水后成塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将沙、石等散粒或纤维材料等牢固地结

23、合在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。是建筑工业的三大基本材料之一。74、 水泥的种类：通用水泥（也叫标准水泥，建筑常用水泥），专用水泥（专门用途的水泥），特性水泥（某种性能比较突出的一类水泥）。75、 水泥的制造：分为原料的调合工序，烧成工序，精加工工序。76、 水泥的成分：碳酸钙化合物、孔隙相物质、和石膏。77、 水泥基复合材料是指以水泥为基体与其他材料组合而得到的材料。可分为混凝土、纤维增强水泥基复合材料和聚合物改性混凝土等。78、 混凝土:由水泥、水、砂和石子所组成，经浇捣成型后硬化而成的。79、 纤维增强水泥复合材料:为了提高水泥混凝土制品的拉伸强度和许用应变，在混凝土中加入纤维材料

24、，形成纤维强化水泥基复合材料。其目的是提高混凝土的抗弯强度和韧性。80、 聚合物改性混凝土:聚合物应用于水泥混凝土主要有三种方式(1)聚合物浸渍混凝土; (2)聚合物混凝土; (3)聚合物水泥混凝土。81、 水泥混凝土的性质：1、和易性：综合技术性质，包括流动性、黏聚性和保水性。2、流动性：在本身自重或机械振捣的外力作用下，产生流动或塌落，能均匀密实地填满模板的性质。3、黏聚性：混合料的黏聚力，在运输或浇筑过程中，不致出现分离曾，使混凝土保持整体均匀的性能。4、保水性是指在施工过程中具有保水能力。保水性好不易产生严重泌水现象，抗渗性和抗冻性好。82、 水泥基复合材料的成型工艺：图混凝土设计与施

25、工设计过程：原料选择 工程计算 实验校核调整初定配方：水 : 灰 : 砂 : 石 0.5 : 1 : 1.5 : 3实验校核：强度实验与和易性实验调整：提高水泥标号或用量，可提高强度。 提高水量、降低石料用量，可提高和易性。最终配方中水泥用量、W/C需满足耐久性要求83、 水灰比计算：1）、选择水泥品种，确定混凝土试配强度R=Rst+1.645s2）、确定水灰比R=0.46Rc(C/W-0.52) ，Rc=K*水泥标号3）、选取用水量4）、选取砂率5）、计算砂石用量 (体积法、质量法)84、 钢筋混凝土的成型工艺：预先施加压缩力的方法和现场施工结构件的方法85、 纤维增强水泥成型工艺：直接喷射法、喷射脱水法、预混料浇铸法、压力法、离心成型法、抄造法。86、 复合材料：纳米复合材料、智能复合材料、梯度复合材料、碳/碳复合材料87、 纳米复合材料种类：聚合物基纳米复合材料、半导体基、陶瓷基、金属基