复合材料2014复习提纲word版.doc

复合材料的定义：用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。从复合材料的组成与结构分析，其中有一相是连续的称为基体相，而另一相为分散的、被基体包容的 称为增强相。增强相与基体之间有一个交界面称为复合材料界面，界面附近一个结构与性能发生变化的微区称为界面相。因此，复合材料是由基体相、增强相和界面相组成的。 复合材料的特点：1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。先进复合材料定义： 60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106厘米（cm），比模量大于108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。使用复合材料的原因1、能提高硬度、强度和尺寸稳定性2、能提高韧性（冲击强度）3、能提高热变形温度4、能减少气体和液体的透入性5、改进电性能（提高电阻）6、能使材料在高温、应变条件下腐蚀环境下保持强度与硬度7、能减轻重量8、能减少吸水性9、能提高机械强度10、能提高耐化学腐蚀性和磨损性11、降低成本12、能降低热膨胀13、能提高再生使用和重复使用性,能减轻对环境的负面冲击14、提高了设计的灵活性碳碳复合材料: 是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的树脂碳（或沥青）以及化学气相沉积（CVD）碳所形成的复合材料，也称为碳纤维增强碳复合材料。复合材料组分树脂基体的作用：(1)粘接作用(2)隔离作用(3)保护作用(4)定型作用(5)性能的影响(6)破坏模式的影响二、基体材料:1不饱和聚酯树脂2环氧树脂3酚醛树脂4高性能树脂（聚芳醚酮）5热塑性树脂不饱和聚酯定义：是不饱和二元羧酸(或酸酐)和饱和二元羧酸或酸酐)组成的混合酸，与多元醇缩聚而成的，具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。 不饱和聚酯化学性质：不饱和聚酯是具有多功能团的线型高分子化合物，在其骨架主链上具有聚酯链键和不饱和双键，而在大分子链两端各带有羧基和羟基。1主链上的双键可以和乙烯基单体发生共聚交联反应，使不饱和聚酯树脂从可溶、可熔状态转变成不溶、不熔状态。2主链上的酯键可以发生水解反应，酸或碱可以加速该反应。若与苯乙烯共聚交联后，则可以大大地降低水解反应的发生。3在酸性介质中，水解是可逆的，不完全的，所以，聚酯能耐酸性介质的侵蚀；在碱性介质中，由于形成了共振稳定的羧酸根阴离子，水解成为不可逆的，所以聚酯耐碱性较差。4聚酯链末端上的羧基可以和碱土金属氧化物或氢氧化物例如MgO，CaO，Ca(oH)2等反应，使不饱和聚酯分子链扩展，最终有可能形成络合物环氧树脂的性能特点 环氧树脂中含有独特的环氧基，以及羟基、醚键等活性基团和极性基团，因而具有许多优异的性能。与其他热固性树脂比较，环氧树脂的种类和牌号最多，性能各异。环氧树脂固化剂的种类更多，再加上众多的促进剂、改性剂、添加剂等，可以进行多种多样的组合和组配。从而能获得各种各样性能优异的、各具特色的环氧固化体系和固化物，几乎能适应和满足各种不同使用性能和工艺性能的要求，这是其他热固性树脂所无法相比的。环氧树脂性能特点力学性能高 粘接性能优异固化收缩率小工艺性好电性能好稳定性好耐热性一般为80-100。(耐热品种可达200或更高)环氧树脂及其固化物的综合性能最好(在热固性树脂中)环氧树脂的类型1按其化学结构和环氧基的结合方式大体上分为五大类。(a)缩水甘油醚类(b)缩水甘油酯类(c)缩水甘油胺类(d)脂肪族环氧化合物(e)脂环族环氧化合物 此外，还有混合型环氧树脂，即分子结构中同时具有两种不同类型环氧基的化合物。2按官能团(环氧基)的数量分为双官能团环氧树脂和多官能团环氧树脂。3按室温下树脂的状态分为液态环氧树脂和固态环氧树脂。 环氧当量：为含1mol环氧基的环氧树脂的质量(g)，单位为g/mol。 环氧树脂的固化剂：环氧树脂本身是热塑性的线型结构，不能直接应用，必须再向树脂中加入第二组分，在一定温度条件下进行交联固化反应，生成体型网状结构的高聚物后才能使用，这个第二组分叫做固化剂。 环氧树脂通过逐步聚合反应的固化过程 酚醛树脂优缺点： 优点：1、容易制成B阶树脂，有优良的预浸渍特点2、固化物耐高温特性，特别是高温强度比不饱和聚酯好3、热变形温度高，脱模时变形小4、有优良的耐燃性5、可用水和醇的混合溶剂，操作方便6、价格低廉 缺点：1.固化比不饱和聚酯树脂慢，到完全固化需较长时间2.一般，固化物硬而脆，但经过改性能做到半硬质3.固化时有副产物产生4.固化物颜色在褐色和黑色之间，不能随意着色5.一阶树脂保存期短 热固性酚醛树脂的固化过程 Resol型树脂三个阶段可分别描述为： 甲阶(或A阶树脂)可溶解于乙醇、丙酮及碱的水溶液中，加热及加酸可促进其转变至乙阶(或B阶)树脂； 乙阶(或B阶)树脂不溶解于碱溶液中，可以部分或全部的溶于丙酮或乙醇中。加热可促进其转变至丙阶(或c阶)树脂。乙阶(或B阶)树脂又称为半熔酚醛树脂； 丙阶(或C阶)树脂为不溶不熔的固体状态树脂，已形成网状大分子结构，常被称为固化及硬化的Resoles酚醛树脂。此状态树脂已失去可加工性。 热塑性树脂与热固性树脂在结构上的差别：前者的大分子链为线型结构，而后者的大分子链为体型网状结构。力学性能差异：具有明显的力学松弛现象；在外力作用下，形变的能力较大，即当应变速度不大时，可具有相当大的断裂延伸率抗冲击性能好高性能树脂：聚芳醚酮（PEAK）定义：是一类亚苯基环通过醚键和羰基连接而成的聚合物。按分子链中醚键、酮基与苯环连接次序和比例的不同，可形成许多不同的聚合物。目前主要有聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮（PEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮（PEKEKK）等品种。三、复合材料的增强材料：1玻璃纤维 2芳纶纤维3碳纤维连续玻璃纤维生产方法：是指熔融玻璃液在恒定的温度、压力下，自漏板底部漏孔流出，被高速旋转的拉丝机拉制成一定细度纤维的生产方法。连续玻璃纤维的生产方法大致可分为两大类即坩埚法和直接熔融法(亦称池窑法)。池窑法定义是将玻璃配合料直接投入窑内熔融、澄清、均化后，经漏板之漏孔流出，根据制品性能要求，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。 坩埚法和直接熔融法(亦称池窑法)对比：由于玻璃液不存在二次加热和二次污染，因而池窑法与坩埚相比，池窑法生产工艺具有拉丝作业稳定性好，断头飞丝少，同种规格产品的单位能耗低等优点，迄今已成为全世界最主要的玻璃纤维生产技术。池窑拉丝生产工艺流程图浸润剂定义：在拉制连续玻璃纤维过程中，在单根纤维表面涂敷的一种由粘结组分、润滑组分和表面活性剂等配制而成的乳液通称为浸润剂，通常，把浸润剂分为纺织型和增强型两种。 浸润剂的作用：使玻璃纤维黏合集束；增加润滑、防止磨损；消除静电、防止玻璃纤维原丝粘结；保证拉丝和纺织工序的顺利进行。纺织型浸润剂 纺织型浸润剂纺织型浸润剂具有良好的集束性、润滑性、成膜性和抗静电性。主要用于生产玻璃纤维纺织加工制品，如玻璃纱、线和织物等。中国使用的纺织型浸润刑主要是石蜡型浸润剂,国际上广泛使用的是淀粉-油浸润剂。 石蜡型浸润剂主要组分及其作用石蜡，主要成分是含碳原子致16个以上的饱和烃类。用于浸润剂的石蜡一股选择熔点为55-60。凡士林，主要成分是碳原子数为8-20的混合烃类。一般选用滴点在45以上。机油、变压器油等矿物油，主要成分为9-16个碳的混合烃类。硬脂酸，即十八烷酸。与石蜡等组分一起使用，有助乳化的作用。 固色剂或固色粉，这是一种水溶性线型初聚体树脂。其化学成分为双氰胺甲醛。对纤维的粘结性、集束性有较好作用。平平加，是合成的一种非离子型表面活性剂的商品名称。其主要成分为聚氧乙烯脂肪酸醇。在配方中主要起乳化和润湿作用 。芳纶纤维定义：凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺链构成，且其中至少85的酰胺基直接键合在芳香环上，每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连接并置换其中的一个氢原子的聚合物称为芳香族聚酰胺树脂，由它纺成的纤维总称为芳香族聚酰胺纤维(简称芳酰胺纤维)，我国定名为芳纶纤维。碳纤维定义：是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500所形成的纤维状碳材料，其碳含量为90以上。它是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质，晶体层间距约为3.3603.440A。各平行层原子堆积不规则，缺乏三维有序，呈乱层结构。 复合材料成型工艺特点： (1)材料制造与制品成型同时完成: 一般情况下,复合材料的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。 (2)制品成型比较简便: 一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此，用这些材科生产复合材料制品，所需工序及设备要比其它材料简单的多，对于某些制品，仅需一套模具便能生产。 复合材料成型工艺选择（1）选择原则：产品外形构造及尺寸大小； 满足材料性能和产品质量要求, 如材料的物理化学性能要求, 产品强度及表面质量要求； 产品生产批量大小，供货时间；工厂设备条件，流动资金及技术水平等； 经济效益，要综合考虑生产条件，保证企业盈利。 （2）成型方法选择一般来讲,产品尺寸精度和外观质量要求高的大批量、中小型产品,应选择模压成型工艺;大型产品，如渔船、雷达等,则常采用于糊工艺；压力容器及管道，可采用缠绕成型工艺。成型工艺类型：接触低压成型工艺：1手糊成型工艺2喷射成型技术3树脂传递模塑成型模压成型工艺缠绕成型工艺连续成型工艺 接触低压成型工艺：手糊成型工艺定义：是手工作业把玻璃纤维织物和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上，然后用压辊滚压压实脱泡，最后在常温下固化成型为复合材料制品。喷射成型技术是手糊成型的改进，半机械化程度。喷射成型工艺原理：将混有引发剂和促进剂的两种聚酯树脂分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤粗纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均勾混合，沉积到模具上。喷射成型工艺优点：效率高、成本低及产品尺寸形状不受限制(1)由于使用无捻粗纱代替了手糊工艺的玻璃纤维织物，因而材料成本更低；(2)成型过程中无接缝，这使得制品的整体性和层间剪切强度更好；(3)可自由调节产品的壁厚、纤维与树脂的比例以及纤维的长度，因而满足了零部件的不同机械强度要求。(4) 射成型工艺的效率提高了24倍甚至更高。树脂传递模塑成型基本原理：将玻璃纤维增强材料铺放到闭模的模腔内,用压力将树脂胶液注入模腔，浸透玻纤增强材料，然后固化，脱模，得到两面光滑的复合材料制品。树脂传递模塑成型优点：可以制造两面光的制品；成型效率高,适合于中等规模的玻璃钢产品生产(20000件/年以上) ；RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康； 增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况合理铺放增强材料；原材料及能源消耗少;建厂投资少，上马快。适用范围：目前已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等工业领域。产 品：汽车壳体及部件、娱乐车构件、螺旋桨、8.5m长的风力发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、淋浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇等。片状模塑料( 一种模压料)-模压成型工艺 是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两边覆盖聚乙烯薄膜而制成的一类片状模压料，属于预浸毡料范围。是目前国际上应用最广泛的成型材料之一。 缠绕成型工艺及分类是将浸过树脂胶液的连续纤维(或布带、预浸纱)按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。连续制板工艺定义主要是用玻璃纤维毡、布为增强材料，连续不断地生产各种规格平板，波纹板和夹层结构板等。连续成型工艺的共同特点：生产过程完全实现机械化和自动化，生产效率高；生产过程不间断，制品长度不限；产品无需后加工，生产过程中边角废料少，节省原料和能源；产品质量稳定，重复性好，成品率高；操作方便，省人力、劳动条件好；成本低。 拉挤工艺（属于连续成型工艺）的发展趋势可以概括为： 断面几何形状趋于复杂： 断面尺寸朝着特大和特小方向发展； 拉挤速度和生产效率日趋提高，如线速度6m，一机同时拉数根型材等， 发展高性能复合材料拉挤型材； 开发热塑性复合材料型材。 拉挤成型产品的开发应用 (1) 电工领域 ; (2)防腐工程; (3)建筑工业; (4)交通领域; (5)运动娱乐领域 ; (6)其它方面的应用 （老师后加的目测重要！）增强材料的表面处理：为改善纤维表面的浸润性，提高界面结合力，对纤维进行的预处理要点：不同的复合体系应采用不同的处理方法。 树脂基 提高化学结合 金属及陶瓷基 抑制化学反应1玻璃纤维GF成分为