复合材料学复习题公开课一等奖课件省课获奖课件

《复合材料学》复习题2023-2023下学期1第1页根据ISO定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不一样物质组合而成一种多相固体。根据ISO定义，复合材料能够是一种连续物理相与一种连续分散相复合，也能够是两个或者多种连续相与一种或多种分散相在连续相中复合，复合后产物为固体时才称为复合材料，若复合产物为液体或气体时就不称为复合材料。根据ISO对复合材料定义，在复合材料中，一般有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。分散相能够是增强纤维，也能够是颗粒状或弥散填料。2第2页复合材料出现和发展，是当代科学技术不停进步成果，也是材料设计方面一种突破。复合材料分类办法大体有四种，包括：按增强材料形态分类，按增强纤维种类分类，按基体材料分类，按材料作用分类。功能用金属基复合材料所用金属基体均具有良好导热、导电性和良好力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺陷。由于硅酸盐水泥水化过程中产生大量Ca(OH)2，故其水泥石孔隙浓相碱性很强。玻璃是通过无机材料高温烧结而成一种陶瓷材料。与其他陶瓷材料不一样，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬无机材料，即具有非晶态构造是玻璃特性之一。3第3页聚合物基复合材料界面层构造大体包括：界面结协力、界面区域(厚度)和界面微观构造等几个方面。当代陶瓷材料研究最早是从对硅酸盐材料开始，随后又逐渐扩大到了其他无机非金属材料。目前被人们研究最多是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻、价格低等长处。复合材料中常用增强纤维包括：玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维。碳碳复合材料是由碳纤维或多种碳织物强碳，或石墨化树脂碳（或沥青）以及化学气相沉积碳所形成复合材料，是具有特殊性能新型工程材料，也被称为碳纤维增强碳复合材料。4第4页特种玻纤主要包括高强度及高模量玻纤、耐高温玻纤、空心玻纤.纤维增强陶瓷基复合材料性能取决于多种原因。从基体方面看，与气孔尺寸及数量，裂纹大小以及某些其他缺陷有关；从纤维方面来看，则与纤维中杂质、纤维氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关；从基体与纤维结合情况上看．则与界面及结合效果、纤维在基体中取向，以及基体与纤维热膨胀系数差有关。陶瓷基复合材料增强体也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维、晶须和颗粒。晶须及颗粒增强陶瓷基复合材料制造工艺大体分为四个步骤，依次为：配料、成型、烧结、精加工。5第5页铝基复合材料是在金属基复合材料中应用得最广一种。硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成。有硼纤维带有一定厚度碳化硅涂层，其目标是为了提升纤维抗氧化性能。硼纤维表面具有高残余压缩应力，易操作处理，对表面磨损和腐蚀不敏感。蓝宝石晶须属于迄今所发觉强度最高固体形态。目前碳纤维生产主要有两种，即高模量和低模量型。注射成型可用于热塑性及热固性聚合物基复合材料生产。6第6页石墨纤维与多数金属化学相容性很差。碳纤维与氧化镁热膨胀系数相差一种数量级，故碳纤维增强氧化镁陶瓷致密度很低。浸渍法制备陶瓷基复合材料产品致密度较低。铝基和镁基复合材料是可用于450℃下列轻金属基复合材料。酚醛树脂是最早实现工业化生产一种树脂。在以热塑性聚合物为基体复合材料中，玻纤增强种类比碳纤维增强种类要多。我国特有一种玻纤是中碱玻璃纤维。二氧化硅含量多能提升玻璃纤维化学稳定性，而碱金属氧化物含量提升作用相反。

7第7页玻纤强度比块状玻璃大很多，其耐腐蚀性较块状玻璃低很多。碳纤维不属于有机纤维。碳纤维在断裂前不会发生屈服。目前，芳纶纤维使用量最大领域是轮胎帘子布。聚合物界面不是一种几何面。复合材料由连续相和分散相组成，能够是固体，不能够是液体或者气体。不饱和聚酯树脂用于复合材料价格很便宜，比环氧树脂低许多。热固性聚合物基复合材料与热塑性聚合物基复合材料相比，在力学性能、使用温度、老化性能等方面都有优势。

8第8页连续纤维复合材料：作为分散相纤维，每根纤维两个端点都位于复合材料边界处。混杂复合材料：即用两种或两种以上纤维增强同一基体制成复合材料。其能够当作是两种或多种单一纤维复合材料互相复合，即复合材料“复合材料”。反玻璃化及玻璃陶瓷：许多无机玻璃能够通过合适热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。对于某些玻璃，反玻璃化过程能够控制，最后能够得到无残余应力微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷。呋喃树脂：凡是具有呋喃环构造树脂统称为呋喃树脂。一般包括糠醇、糠醛和糠酮及其衍生物漆糠树脂、糠醇改性酚醛树脂等。9第9页引发剂及游离基：引发剂是一种活性较大具有共价键化合物，在一定条件下，它能够分解产生游离基，游离基是一种能量很高活性物质，它能把双键打开，以游离基聚合方式进行聚合，达成交联固化目标。不饱和聚酯树脂：是指有线型构造，主链上同步具有反复酯键及不饱和双键一类聚合物。晶须：是直径非常细小结晶体，其直径经常只有数个微米，内部构造完整，强度不受晶体表面完整性严格限制，机械强度几乎等于相邻原子间作用力。脱模剂：为使制品与模具分离而附于模具成型面物质称为脱模剂。其功用是使制品顺利地从模具上取下来，同步确保制品表观质量和模具完好无损。

10第10页复合材料“一次构造”：所谓“一次构造”是指由基体和增强材料复合而成单层材料，其力学性能决定于组分材料力学性能、相几何（各相材料形状、分布、含量）和界面区性能。层状金属基复合材料：是指在韧性和成型性较好金属基体材料中具有反复排列高强度高模量片层状增强物复合材料。碳/碳复合材料：是由碳纤维或多种碳织物增强碳，或石墨化树脂碳（或沥青）以及化学气相沉积（CVD）碳所形成复合材料，也成为碳纤维增强碳复合材料。促进剂：促进剂实为活性剂，它能促使引发剂在较低温度下分解产生大量游离基，减少固化温度，加快固化度和减少引发剂用量。11第11页复合材料界面：是指基体与增强物之间化学成份有显著变化、组成彼此结合、能起载荷传递作用微小区域。热塑性聚合物：是指具有线型或支链型构造那一类有机高分子化合物，此类聚合物能够反复受热软化(或熔化)，而冷却后变硬。环氧树脂：指是分子构造中具有两个以上环氧基高聚物。芳纶纤维：是指已工业化生产并在复合材料中广泛使用聚芳酰胺纤维，有时也称有机纤维。12第12页试详述金属基纤维复合材料界面结合包括哪些形式？

(1)物理结合：物理结合是指借助材料表面租糙形态而产生机械绞合，以及借压基体收缩应力包紧纤维时产生摩擦结合。这种结合与化学作用无关，纯属物理作用，结合强度大小与纤维表面粗糙程度有很大关系。(2)溶解和浸润结合：这种结合时纤维与基体互相作用力是极短程，只有若干原子间距。由于纤维表面常存在氧化物膜，妨碍液态金属浸润，这时就需要对纤维表面进行处理。同步，液态金屑对纤维浸润性也与温度有关。(3)反应结合：其特性是在纤维与基体之间形成新化合物层，即界面反应层。界面反应层往往不是单一化合物，如硼纤维增强钛铝合金，在界面反应层内有多种反应产物。一般情况下，随反应程度增加，界面结合强度亦增大，但由于界面反应产物多为脆性物质．因此当界面层达成一定厚度时．界面上残余应力可使界面破坏，反而减少界面结合强度。另外，某些纤维表面吸附空气发生氧化作用也能形成某种形式反应结合。在实际情况中，界面结合方式往往不是单纯一种类型。13第13页聚合物基复合材料界面是如何形成？对于聚合物基复合材料，其界面形成能够提成两个阶段：第一阶段是基体与增强纤维接触与浸润过程。由于增强纤维对基体分子多种基团或基体中各组分吸附能力不一样，它总是要吸附那些能减少其表面能物质，并优先吸附那些能较多减少其表面能物质。因此界面聚合层在构造上与聚合物本体是不一样。第二阶段是聚合物固化阶段。在此过程中聚合物通过物理或化学变化而固化，形成固定界面层。固化阶段受第一阶段影响，同步它直接决定着所形成界面层构造。

14第14页作为聚合物基复合材料使用不饱和聚酯树脂主要优缺陷是什么？

主要长处是：（1）工艺性能良好，如室温下粘度低，能够在室温下固化，在常压下成型，颜色浅，能够制作彩色制品，有多种措施来调整其工艺性能等；（2）固化后树脂综合性能良好，并有多种专用树脂适应不一样用途需要；（3）价格低廉，其价格远低于环氧树脂，略高于酚醛树脂。主要缺陷是：固化时体积收缩串较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形，因此很少用于受力较强制品中。15第15页为何人们对采取合成树脂制备碳碳复合材料具有浓厚爱好？

（1）在工艺低温度和低压力下具有低粘度边—点上，合成树脂比石油或煤焦油沥青强。（2）合成树脂纯度比天然产物高，化学构造更容易判定，沥青成份常随产地和提炼办法而异。（3）比较容易得到含碳量高树脂体系，并也许转化为耐高温碳素产物。16第16页陶瓷基复合材料主要性能有哪些？

（1）陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小，这些优秀性能是一般常用金属材料、高分子材料及其复合材料所不具有。（2）陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为构造材料使用。当用高强度、高模量纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提升。（3）陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍较迟缓，主要原因一方面是制备工艺复杂，另一方面是缺乏耐高温纤维。17第17页如何改善钛基复合材料相容性？

为处理相容性问题人们提出了六种办法：(1)最大程度减小反应高速工艺；(2)最大程度减少反应低温工艺；(3)研制低活性基体；(4)研制最大程度减少反应涂层；(5)选择具有较大反应容限系列；(6)设计上尽可能减少强度减少影响。18第18页玻璃纤维高强原因是什么？

对玻璃纤维高强原因，许多学者提出了不一样假说，其中比较有说服力是微裂纹假说。微裂纹假说以为，玻璃理论强度取决于分子或原子间引力，其理论强度很高，可达成2023~12023Mpa。但实测强度很低，这是由于在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等，尺小不一样微裂纹，因而大大减少了强度。微裂纹分布在破璃或玻璃纤维整个体积内，但以表面微裂纹危害最大。由于微裂纹存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大微裂纹处，产生应力集中，从而使强度下降。玻璃纤维比玻璃强度高很多，这是由于玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液不均一性，使微裂纹产生机会减少。另外，坡璃纤维断面较小，伴随表面积减小，使微裂纹存在几率也减少，从而使纤维强度增高。19第19页纤维增强陶瓷基复合材料分为哪两类？各有什么特点？在陶瓷材料中加入第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性主要伎俩，按纤维排布方式不一样，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上纵向性能要大大高于其横向性能。只适用于单轴应力场所。多向排布纤维复合材料包括二维和三维排布纤维增韧复合材料。前者在纤维排布二维方向上力学性能优越，后者在三维方向上力学性能调整范围较大，但成型工艺复杂。20第20页对碳纤维进行表面处理办法有哪些？其大体含义是什么？（1）氧化法：这是较早采取碳纤维表面处理技术，目标在于增加纤维表面粗糙度和极性基含量。氧化法有液相氧化和气相氧化之分。液相氧化法又可提成介质直接氧化和阳极氧化两种方式。气相氧化法是用气相氧化剂对碳纤维表面进行氧化办法。（2）沉淀法：一般指在高温或还原性气氛中，使烃类、金属卤化物等以碳、碳化物形式在纤维表面形成沉积膜或生长晶须，从而实现对纤维表面进行改性目标。（3）电聚合法：是将碳纤维作为阳极，在电解液中加入带不饱和键丙烯酸酯、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等单体，通过电极反应产生自由基。在纤维表面发生聚合而形成具有大分子支链碳纤维。（4）电沉积法：是利用电化学办法使聚合物沉积和覆盖于纤维表面，改善纤维表面向基体粘附作用。

21第21页聚合物基复合材料界面结协力包括哪些类型？界面结协力存在于两相之间，并由此产生复合效果和界面强度。界面结协力又可分为宏观结协力和微观结协力，前者主要指材料几何原因，如表面凹凸不平、裂纹、孔隙等所产生机械铰协力；后者包括化学键和次价键，这两种键相对百分比取决于组成成份及其表面性质。化学键结合是最强结合，能够通过界面化学反应而产生，一般进行增强纤维表面处理就是为了增大界面结协力。水存在常使界面结协力显著削弱，尤其是玻璃表面吸附水严重削弱玻璃纤维与树脂之间界面结协力。

22第22页复合材料中使用氧化铝纤维有什么性能特点？(1)耐热性好，在空气中加热到1250℃还保持室温强度90％。(2)不被熔融金属侵蚀，可与金属较好地复合，制成多种高强轻质元件。(3)表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树脂和金属复合，层间剪切强度较高。(4)具有极佳耐化学腐蚀和抗氧化性，尤其在高温条件这些性能更为突出。(5)用氧化铝增强复合材料具有优良抗压性能和耐疲劳强度。(6)电气绝缘、电波透过性好，与玻璃钢相比，它介电常数和损耗正切小，且随频率变化小，电波透过性更加好。其缺陷主要是密度较大。23第23页晶须高强原因是什么？晶须是目前已知纤维中强度最高一种，其机械强度几乎等于相邻原子间作用力。晶须高强原因，主要由于它直径非常小，容纳不下能使晶体削弱空隙、位错和不完整等缺陷。晶须材料内部构造完整，使它强度不受表面完整性严格限制。24第24页用表面处理剂处理玻璃纤维办法目前主要