材料化学 课件 10-1.复合材料的概论

2023年8月8日高等材料化学教育部新材料领域工程硕博士核心课程单位：复旦大学主讲人：于志强教授第十一章：复合材料制备01

复合材料概论02聚合物基复合材料制备03

金属基复合材料制备04

陶瓷基复合材料制备05

有机-无机杂化材料制备01

复合材料概论11.1复合材料概述复合材料(CompositeMaterials)概念：两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学原理结合在一起，组成具有新

宏观性能的材料组成：基体相(Matrix):连续相，保护、固结增强相，传递荷载，阻止裂纹扩展

增强相(Reinforcement):分散相，承受荷载和显示功能界面相(Interface):通过化学键和物理键将基体和增强体有机地组合条件：

复合材料是人类为了某些需求制造的，而不是天然就存在的；

复合材料至少包含两种物理或化学性能不同的独立组元；

复合材料的性能取决于自身组元性质的优化结合11.1复合材料概述特点：

复合材料是一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；

复合材料中各组元保持各自的固有特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；

复合材料具有可设计性；

复合材料的组分在复合后仍保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；

复合材料的性能取决于各组成相性能的协同11.1.1复合材料分类图11.1

复合材料的分类11.1复合材料概述11.1.2复合材料命名按基体材料类型：聚合物基、金属基、陶瓷基、碳基例如：环氧树脂基复合材料、铝基复合材料、氧化铝基复合材料、碳基复合材料命名基体材料增强体材料基体和增强体材料按增强体材料类型：纤维增强、颗粒增强、晶须增强例如：碳纤维增强复合材料、碳化硅颗粒增强复合材料、氧化铝晶须增强复合材料按增强体和基体材料名称：纤维(颗粒或晶须)增强树脂基复合材料例如：碳纤维增强环氧树脂基复合材料、碳化硅颗粒增强铝基复合材料、氧化铝晶须增强碳化硅基复合材料

书写：Cf/Epoxy、SiCp/Al、Al2O3w/SiC（增强体/基体）02

聚合物基复合材料制备11.2聚合物基复合材料制备11.2.1聚合物基复合材料概述聚合物基复合材料基本特点

比强度、比模量高，通常为金属材料的3倍多

耐疲劳性能好，破损安全性能高，疲劳强度极限最高可达到抗张强度80%

过载时安全性好，其构件不会突然失去承载能力

阻尼减振性好：复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振

具有多种功能性：瞬时耐高温、耐烧蚀性好；优异的电绝缘性能和高频介电性能；

良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性能；有特殊的光、电学特性

良好的加工工艺性：

根据制品使用条件、性能要求选择纤维、基体，具有可设计性

根据制品形状、大小、数量选择加工成型方法

可整体成型，减少装配零件的数量，节省材料和工时11.2.2预浸料/预混料的制备11.2聚合物基复合材料制备聚合物基复合材料的制备

选择相应的成型工艺，使半成品形成有形的成品

预浸料/预混料的制备预浸料：连续纤维浸渍树脂后的半成品预混料：非连续纤维与树脂浸渍或混合后的半成品（1）预浸料制造热固性预浸料：由连续纤维或织物及树脂（包括固化剂等添加组分）组成，一般没有其他填料。根据浸渍设备或制造方式不同，热固性预浸料制造分为轮鼓缠绕法和阵列排铺法，按浸渍树脂状态又分为湿法（溶液预浸）和干法（热熔体预浸）热塑性预浸料：根据树脂状态的不同，可分为预浸渍技术和后浸渍技术。预浸渍技术特点是预浸料中树脂完全浸渍纤维，而后预浸技术的特点是树脂以粉末、纤维、或包层等形式存在于预浸料中，对纤维的完全浸渍是后续成型过程中完成的11.2聚合物基复合材料制备（2）预混料制造片状模塑料和团状模塑料：是一类可直接进行模压成型，不需要事先进行固化、干燥等其他工序的纤维增强热固性模塑料通常根据片状模塑料和团状模塑料、玻璃毡增强热塑性塑料、注射模塑料这三种不同形态的塑料来分别进行预混料的制造玻璃毡增强热塑性塑料：是一种类似于热固性片状模塑料的半成品，它的力学性能与热固性片状模塑料相似，甚至会更好，

具有生产过程无污染、成型周期短、废品及制品可回收利用等优点注射模塑料：一般使用双螺杆挤出机制造，将连续纤维纱束与熔融态树脂基体混合后挤出，然后由切割机切成长度为3~6mm

颗粒，便于后期注射成型11.2.3聚合物基复合材料的成型工艺聚合物基复合材料的制备方法有很多，其中较为重要的有手糊成型工艺、模压成型工艺、喷射成型工艺、挤出成型工艺、树脂传递成型工艺11.2聚合物基复合材料制备图11.2

聚合物基复合材料制备方法11.2.3.1聚合物基复合材料制备成型特点1聚合物基复合材料合成与制品成型是同时完成，该材料的制备过程也就是其制品生产过程

在复合材料成型过程中，增强体的形状变化不大，但基体的形状有较大的变化;

成型工艺对制品的性能有很大的影响，如制备过程中的材料的界面黏结、气孔率等对材料的层间结合

强度有主要的影响;

根据制品结构和使用时受力状况来选择成型工艺;大型制品可一次整体成型，简化制品结构，减少

组成零件和连接件数量，减轻制品重量如，单向受力杆件和梁应采用拉挤法，因拉挤成型可保证制品在顺着纤维方向具有最大的强度和刚度；薄壳构件可采用连续纤维缠绕工艺，以满足各个方向具有不同的强度和刚度要求2树脂基复合材料成型比较方便：树脂在固化前具有一定的流动性，纤维又很柔软，依靠模具容易形成要求形状和尺寸；一种复合材料可用多种方法成型，综合考虑，选择最简单和最经济成型方法11.2聚合物基复合材料制备11.2.3.2成型工艺流程11.2聚合物基复合材料制备图11.3

复合材料制品生产流程1手糊成型工艺(HandLay-up)(1)工艺特点及基本流程概念：手糊成型工艺又称接触成型工艺。是手工作业把增强纤维织物和树脂交替铺在模具上，然后固化成型特点：优点

成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂的产品的生产；

设备简单、投资少、

见效快；

工艺简单、生产技术易掌握；

易于满足产品设计需要，可在产品不同部位任意增补增强材料

缺点

生产效率低、速度慢、生产周期长、不宜大批量生产、性能稳定性不高；

生产环境差、气味大、加工

时粉尘多，易对施工人员造成伤害11.2聚合物基复合材料制备图11.4

手糊成型工艺流程图(2)手糊成型的制造过程a)模具准备模具是手糊成型中的主要设备。设计时，要综合考虑各方面因素。模具必须要符合制品设计的精度要求以及有足够的刚度和强度，要容易脱模，造价要便宜模具结构形式

阴模阳模

敞口式对模模具材料主要有木模、石膏模、树脂模、玻璃模和金属模等，其中金属模应用较多b)涂脱模剂根据所用树脂类型、制品形状与结构等因素选择脱模剂。所选用的脱模剂应确保制品固化后能顺利脱模，保持制品表面光洁、平整，又可保证模具完好，且可重复使用，涂脱膜剂要均匀涂抹，不得漏涂c)胶衣制备为了改善制品的表面质量，延长其使用寿命，通常要为制品制备一层胶衣。它可以是纯胶衣树脂，也可以是表面毡增强树脂制成。胶衣层厚度通常为0.3~0.4mm，可以用喷涂方法或刷涂方法制得d)裱糊铺层可分为干法手糊和湿法手糊。干法手糊就是将预浸胶布按样板剪裁，裱糊时稍加热使树脂软化，然后裱贴在模具上。湿法手糊是一边刷胶一边在模具上铺布裱贴，它可以使胶液浸透增强材料并有利于增强材料与模具贴合e)固化成型通常采用无压常温固化。制品从凝胶到具备一定硬度和定型，一般需要较长的固化时间，成型后达到脱模强度通常要用24h，若要达到更高使用强度，固化时间要长达一个月之久f)脱模和修整当制品固化到脱模强度（即制品已具有维持自己形状的强度）时便可进行脱模，如手糊聚酯树脂制品，一般在成型24h可达到脱模强度。脱模后的制品要进行机械加工，除去飞边、毛刺、修补表面及内部缺陷