复合材料学复习纲要

复合材料学复习纲要本复习纲要结合课本和教师所给复合材料学思考题内容编写第一章绪论复合材料学的定义：复合材料是由两种和两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料〔ISO〕 多种定义的一种。复合材料相的划分：命名： “增加材料的名称+基体材料”复合材料如玻璃/环氧复合材料分类：复合材料的特点：可设计性材料与构造的同一性发挥复合效应的优越性材料性能对复合工艺的依靠性复合材料的基体材料金属基体的选择原则：金属基复合材料的使用要求工业集成电路需要高导热率、低膨胀系数和高比强度、比模量等金属基复合材料作为散热元件和基板。金属基复合材料组成特点颗粒增加铝基复合材料一般选用高强度的铝合金为基体，如A365基体金属与增加物的相容性铁、镍元素在高温时能促使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的构造，使其丧失了原有的强度〔相容性不好〕构造复合材料金属基体的分类：轻金属基体、耐热合金基体常用金属基体材料：(<450℃铝基和镁基)〔450℃~700℃钛及钛合金〔>1000℃镍基、铁基耐热材料和金属间〕功能金属基复合材料主要金属基体种类：纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等金属。常用陶瓷基体分类及常用基体材料：氧化物陶瓷 氧化铝和氧化锆非氧化物陶瓷 不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物玻璃 硼硅玻璃、铝硅玻璃、高硅氧玻璃玻璃 铝锂硅、镁铝硅无机凝胶材料的分类水泥的分类：按化学成分分：硅酸盐系、铝酸盐系、硫铝酸盐系、磷酸盐系按混合分类法分：一般水泥、快硬高强水泥、水工水泥及耐侵蚀水泥、膨胀水泥、油井水泥及耐高温水泥、装饰水泥、地方性水泥硅酸盐水泥生产、组成及硬化机理两磨一烧”主要由以下四种矿物组成：硅酸三钙(3CaO·SiO，CS)2 3硅酸二钙(2CaO·SiO，CS)2 2铝酸三钙〔3CaO·AIO2

，CA)3 3铁铝酸四钙〔4CaO·A10·FeO，CAF)23 2 3 4硬化机理水化和硬化过程，放热反响镁质胶凝材料分类及原料苛性苦土〔MgO〕 主要原料是自然菱镁矿苛性白云石〔主要成分是MgO和CaCO。 主要原料是自然白云石3不饱和聚酯树脂合成原理：性能特点：聚酯树脂的优点：工艺性良好，它能在室温下固化，常压下成型，工艺装置简洁，这是与环氧、酚醛树脂相比最突出的优点。固化后的树脂综合性能良好，但力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。它的价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。不饱和聚酯树脂的缺点：固化时体积收缩率大;耐热性差等。它很少用作碳纤维复合材料的基体材料，主要用于一般民用工业和生活用品中。环氧树脂酸酐固化原理固化剂用量计算：酚醛树脂的合成与固化热固性酚醛树脂合成：加成反响、缩聚反响热固性酚醛树脂的固化A.加热固化〔160~250℃〕B.酸固化〔室温固化〕热塑性酚醛树脂的合成与固化常见热塑性塑料的构造和性能特点：聚乙烯(PE)聚丙烯(PP) 拉伸强度、弹性模量及硬度都优于HDPE165~170150℃也不变形聚氯乙稀(PVC) 结晶度在5%以下，软化点为80℃，于130℃开头分解变色，并析出氯化氢。聚苯乙烯(PS)ABS树脂聚酰胺(PA)、尼龙聚甲醛〔POM〕聚碳酸酯(PC)聚对苯二甲酸乙二醇酯〔PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯〔PBT〕常见橡胶构造式、性能特点不饱和烃、非极性橡胶、具自然橡胶(NR)不饱和烃、非极性橡胶、具有自补强性、良好的综合性能①丁苯橡胶具有中等丁苯橡胶〔SBR〕①丁苯橡胶具有中等NR。优点：①弹性好，通用橡胶顺丁二烯橡胶(BR)优点：①弹性好，通用橡胶g为,自然橡胶为-73℃，丁苯橡胶为-60℃。④较好的耐磨性.缺点：①拉伸强度和撕裂强度NRSBR。②抗湿滑性不良，在车速高，路面平滑或湿路面使用轮胎易打滑丁基橡胶〔IIR〕IIRIIR气〔1〔1〕异的耐臭氧老化性，好的耐热老化性能，优秀的耐天候老化性〔2〕优秀的耐化学药品性〔3〕有卓越的耐水性〔4〕优异的电绝缘性能，体积电阻比NRSBR1～2个数量级。〔1〕〔1〕NBR的极性与丙烯腈含量NBR15%～35%CAN含量增大，分子极性增大，分子间的作用力增大，内聚能密度增大〔2〕随CAN含量增大，NBR的耐热氧、臭氧、天候等老化NBRSBR〔3〕丁腈橡胶的耐油性在通用NBR的耐非极性介质最好。氯丁橡胶氯-1，3-CH2=CCl-CH=CH2的乳液聚合物〔1〕NRBR、SBR、NBR等二烯类橡胶〔2〕氯丁橡胶的力学性能CRNR简洁结晶，有良好的自补强性，再加上它的极性分子间的作用力较大，所以CRNR比照NRNRNR〔3〕具有阻燃性各协作剂的作用：硫化剂是一类将橡胶由线型分子转变为网状大分子的物质，转变过程称为硫化。促进剂不仅大大地缩短了硫化时间，削减了硫黄用量，降低了硫化温度，节约了能耗，提高了硫黄利用率，而且橡胶的工艺性能和物理机械性能也显著提高。增塑剂，降低分子链之间的作用力使粉末状协作剂与生胶很好的浸润，从而改善炼胶工艺，使协作剂分散均匀，混炼时间缩短，耗能低，并能减小混炼过程中的第三章增加材料：在复合材料中，但凡能提高基体材料力学性能的物质，均称为增加材料。增加材料有纤维状增加材料、片状增加材料、颗粒状增加材料玻璃纤维的分类以玻璃原料成分分类：以含碱量来分无碱玻璃纤维〔通称E玻纤〕 纤维强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性也好〔但不耐酸，最大的特点是电性能好，因此也把它称做电气玻璃中碱玻璃纤维〔C玻纤〕 耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高特种玻璃纤维AR玻璃纤维R玻璃 耐水性比无碱玻纤改善7～8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少D玻璃 介电强度好的低介电玻璃纤维以单丝直径分类粗纤维：30μm；初级纤维：20μm；中级纤维：10～20μm；高级纤维3μ〔亦称纺织纤维超细纤维: 4μm以纤维外观分类有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱〔用于纺织、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。以纤维特性分类依据纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、一般玻璃纤维〔指无碱及中碱玻璃纤维〕玻璃纤维高强的缘由微裂纹理论：裂纹扩展，玻璃被破坏。微裂纹尺寸越大，越多，应力集中越严峻，导致强度越低。块状玻璃比玻璃纤维尺寸大，其内部和外表存在微裂纹的概率更大，所以块状玻璃比玻璃纤维的强度低得多。分子取向理论：玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大影响玻璃纤维强度的因素：玻纤的拉伸强度随直径变细增加。玻璃纤维拉伸强度随长度增加显著下降。玻纤的强度与化学成分关系亲热放时间对纤维强度的影响—纤维的老化玻璃纤维织物的品种：玻璃纤维纱、玻璃纤维布、玻璃纤维毡、玻璃纤维带等。玻璃纤维的制造方法主要有坩埚法和直接熔融法〔池窑法)拉丝过程：坩埚法：铂金坩埚是一个小型的电加热玻璃熔窑，用来将玻璃球熔化成玻璃液，然后从铂金坩埚底部漏板的小孔中流出，拉制成玻璃纤维。拉丝机的机头上套有卷筒，由马达带动作高速转动。将玻璃纤维端头缠在卷筒上后，由于卷筒的高速转动使玻璃液高速度地从铂金坩埚底部的小漏孔中拉出，并经速冷而成玻璃纤维。池窑法是将玻璃协作料直接投入窑内熔融、澄清、均化后，经铂铑漏板之漏孔流出，依据制品性能要求，单丝被涂敷不同类型的浸润剂，单丝集束或分槽集束后，被拉丝机卷绕成丝饼与坩埚法相比，池窑法省去了制球及二次熔化的过程。因此，用池窑法生产玻璃纤维时所消耗的能量，比坩埚法要节约50％左右，其玻璃化学稳定性和热稳定性好，作业稳定，产量高。浸润剂的作用原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起；防止纤维间的磨损；原丝相互间不粘结在一起；便于纺织加工等。浸润剂的种类常用：石蜡乳剂〔纺织型、聚醋酸乙烯酯〔增加型〕去除纺织型浸润剂的方法：热处理、溶液洗涤法碳纤维Carbon fiber,CF〕是由不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶的型无机非金属材料CFCFCFCF、高性能CF〔高强、超高强、高模、超高模〕CFCFCFCFCFCF碳纤维的制造方法：气相法、有机纤维碳化法〔常用〕制造阶段包括：①拉丝②牵伸③预氧化④碳化〔乱层石墨构造〕⑤石墨化〔石墨片层构造〕碳纤维的性能特点：力学性能强度高，模量大〕物理性能(r≈1.5~2.0g/c3)；③热膨胀系数〔平行纤维轴为负，垂直纤维轴为正；④导电性好；⑤自润滑性化学性能①氧化性〔200℃以上在空气中氧化〕②耐腐蚀性好〔耐酸碱、耐水〕芳纶的性能特点：3%高的比强度与比模量。芳纶纤维的热稳定性：良好的热稳定性、热膨胀系数具有各向异性芳纶纤维的化学性能：良好的耐介质性能、对紫外线较敏感PPTA的制造过程：第一阶段：对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩聚成聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)；其次阶段：将聚合体溶解在溶剂中再进展纺丝，制成所需要的纤维材料。处理玻璃纤维外表的作用机制：沃兰：1.沃兰水解2。玻璃纤维外表吸水，生产羟基3与吸水的玻璃纤维外表反响硅烷：1.2.3.醇硅与吸水的玻璃纤维外表反响碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维。具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性。主要制造方法有：化学气相沉积法〔CVD法〕烧结法〔有机聚合物转化法〕强度与韧性接近于硼纤维/优良的耐热性能/良好的耐化学性能/具有良好的吸波性能硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝或其它纤维外表制成的高性能制造方法：高温化学气相法度高、模量高。200℃左右性能根本不变在室温下，化学稳定性好，但外表具有活性硼纤维密度小直径大0μ0μ，μ，大直径纤维综合性能好，并有利于降低价格，但直径大，缺陷多晶须是在人工把握条件下生长的细小单晶0.2-1μm,强度高。玻璃纤维外表处理方法：前处理法：促使纤维和树脂浸润与粘接的增加型浸润剂代替纺织型浸润剂，在玻璃纤维抽丝过程中，涂覆到玻璃纤维上。纤维经处理剂浸渍、水洗、烘干，使玻璃纤维外表上覆上一层处理剂。后处理法：先除去拉丝过程涂覆在玻璃纤维外表的纺织浸润剂。纤维经处理剂浸渍、水洗、烘干，使玻璃纤维外表上覆上一层处理剂。迁移法：将化学处理剂参与到树脂胶粘剂中，在纤维浸胶过程中，处理剂与经过热处理后的纤维接触，当树脂固化时产生偶联作用碳纤维外表处理：氧化、沉积、电聚合与电沉积、等离子体处理第四章填料填料是用以改善复合材料性能，并能降低本钱的固体添加剂。填料的主要有如下作用：低成型制件的收缩率，提高制品的尺寸稳定性；提高制品的光滑度、平滑性；填料是树脂粘度有效的调整剂可满足不同性能要求可提高颜料的着色效果某些填料具有极好的光稳定性和耐化学腐蚀性。有增容作用，可降低本钱，提高产品在市场上的竞争力气。填料的作用机理：由于填料的存在，基体材料的分子链就不能再占据原来的全部空间，使得相连的链段在某种程度上被固定化，并可能引起基体聚合物的取向。由于填料粒子的尺寸稳定性，在填充的聚合物中，聚合物界面区域的分子链运动受到限制，而使玻璃化温度上升，热变形温度提高，收缩率降低，弹性模量、硬度、刚度、冲击强度提高。〔友情补充〕触变现象是指加有触变剂的树脂胶液，在静态时不易流淌，受到外力时就易流淌，除去外力后，又变为不易流淌的现象第五章复合材料的界面界面指基体与增加物之间化学成分有显著变化的，构成彼此结合的，能起载荷传递作用的微小区域。界面理论：界面浸润性理论：认为填充剂被液态树脂良好浸润是格外重要的，假设浸润不好会在界面上产生孔隙，易使应力集中而使复合材料开裂，假设两组组分完全浸润，则树脂与填充剂之间的黏结强度将超过基体的内聚强度。化学键理论：认为要使两相之间实现有效的结合，两相外表应含有能相互发生化学反响的活性官能团，通过它们的反响以化学键结合形成界面。物理吸附理论：认为增加体与基体之间结合属于机械咬合和基于次价键的物理吸附。偶联剂的作用主要是促进基体与增加体外表完全浸润。过渡层理论：变形层理论、优先吸附理论和柔性层理论拘束层理论：认为界面区的弹性模量介于基体与增加体之间时，可很均匀地传递应力。集中理论减弱界面局部应力作用理论界面的类型：4类：化学结合，它是由金属基体与增加体两相之间发生界面反响形成化学键，由化学键供给结合力；物理结合，它是以范德华力结合；集中结合，它是指基体与增加体虽无界面反响但发生原子的相互集中作用，该作用也可供给确定的结合力；机械结合，它是指某些增加体外表粗糙，当与熔融的金属基体浸润而凝固后，消灭机械的咬合作用金属基复合材料的界面是以化学结合为主，有时也会几种界面结合方式并存。物理方面的不稳定因素主要是：在高温条件下增加体与基体之间的熔融化学方面的不稳定性主要与复合材料在加工使用过程中的界面化学反响有关。它包括连续式界面反响、交换式界面反响和暂稳态界面变化等现象连续式界面反响对复合材料力学性能的影响最大。交换式界面反响的不稳定因素主要消灭在含有两种或两种以上元素的合金基体暂稳态界面变化是由于增加体外表局部存在氧化膜陶瓷基复合材料的界面结合方式：与金属基复合材料根本一样。包括化学结合、物理结合、机械结合和集中结合界面反响类型：体与增加体材料之间不生成化合物，只形成固溶体。假设在界面形成化合物，当其到达确定的厚度时，复合材料的强度可能会大幅度降低。界面的把握转变增加体外表的性质向基体添加特定的元素第六章聚合物基复合材料GFRP分成三类：玻璃纤维增加环氧树脂：综合性能最好。界面剪切强度最高，机械强度高尺寸稳定性最好，很少发生鼓泡现象玻璃纤维增加酚醛树脂：耐热性最好。耐高温，耐烧蚀，耐电弧性，价格比较廉价。性能较脆，机械强度不如环氧树脂。尺寸不稳