复合材料作业范文

复合材料作业范文 复合材料的基本性能（优点）是什么？请简答6个要点1)比强度，比模量高（强度/密度，模量/密度）2)良好的高温性能3)良好的尺寸稳定性热膨胀系数下降.石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零。 4)良好的化学稳定性聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。 5)良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善。 6)良好的功能性能包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。 复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？P 81、复合材料的三个结构层次 2、复合材料设计的三个层次一次结构单层材料微观力学一次结构(单层材料设计二次结构层合体宏观力学二次结构(铺层设计三次结构产品结构结构力学三次结构(结构设计复合材料中聚合物基体的主要作用是什么？1)把纤维粘在一起；2)分配纤维间的载荷；3)保护纤维不受环境影响。 用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。 尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。 7、碳纤维的制造方法有几种？P51碳纤维的主要性能是什么？1)强度和模量高、密度小；2)具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值3)具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900以上才呈现出永久塑性变形。 4)摩擦系数小、润滑性好、导电性高。 芳纶纤维主要有几种？作为增强材料的芳纶纤维有何主要性能特点？芳香族酰胺纤维聚乙烯纤维芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。 这种高密度的聚合物具有较高的强度芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。 这种芳环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有高的模量。 常用的增强材料(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等)的表面如何处理可改善复合材料的界面效果?有机纤维复合树脂基体时候，采用不同气体下等离子体处理表层玻璃纤维与树脂基体复合时候用偶联剂（或者浸润剂）B纤维与树脂基体复合可不用表面处理；与金属基体复合采用陶瓷涂层。 C纤维:与树脂基体复合主要采用等离子体处理、沉积法或氧化法处理；与金属基体复合主要采用陶瓷涂层。 复合材料的复合法则混合定律？在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）什么是复合材料的相容性？相容性分为哪两种？各指什么？相容性指复合材料在制造、使用过程中各组分之间相互协调、配合的程度。 相容性关系到复合材料中的各组分材料能否有效发挥其作用以及复合材料整体的结构和性能能否长期稳定。 相容性包括物理相容性和化学相容性。 物理相容性 （1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 （2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。 （3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合及各类性能产生重要的影响。 化学相容性主要指基体与增强体之间有无化学反应。 常用的三种GFRP（玻璃纤维增强的三种常用塑料）的主要性能如何？玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。 不足环氧树脂粘度大，加工不便玻璃纤维增强酚醛树脂，耐热性最好！不足性能较脆，机械强度不如环氧树脂。 有刺激性玻璃纤维增强聚酯树脂加工性能好。 不足固化时收缩率大如何去解决金属基复合材料的界面反应问题？3种方式增强剂的表面改性处理金属基体改性（添加微量合金元素）优化制备工艺参数，采用新工艺。 常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有哪些？SiC纤维富碳涂层、SCS涂层等；硼纤维SiC涂层、B4C等；碳纤维TiB2涂层、C/SiC复 16、什么是C/C复合材料？有何主要特性？为什么要对碳碳复合材料进行抗氧化保护？定义C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。 主要优点抗热冲击和抗热诱导能力极强，具有一定的化学惰性，高温形状稳定，升华温度高，烧蚀凹陷低，在高温条件下的强度和刚度可保持不变，抗辐射，易加工和制造，重量轻缺点非轴向力学性能差，破坏应变低，空洞含量高，纤维与基体结合差，抗氧化性能差，制造加工周期长，设计方法复杂，缺乏破坏准则。 第一章总论1.2复合材料的定义(Composition Materials,Composite)复合材料是由两种或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。 复合材料=基体(连续相)+增强材料(分散相)1.4复合材料的分类按增强材料形态分类:连续纤维复合材料、短纤维复合材料、粒状填料复合材料、编织复合材料、其他:层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体按增强纤维种类分类:玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维复合材料、陶瓷纤维复合材料、混杂复合材料。 按基体材料分类:聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料按材料作用分类;结构复合材料、基体材料和增强体材料、功能复合材料1.5复合材料的基本性能复合材料的特点:1.可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能;2.可按对材料性能的需要进行材料设计和制造;3.可制成所需的任意形状的产品。 复合材料性能的影响因素:取决于增强相的性能、含量及分布状况，基体相的性能、含量，以及它们之间的的界面结合、成型工艺、结构设计等。 烧蚀是指材料在高温时，表面发生分解，引起气化，与此同时吸收热量，达到冷却的目的，随着材料的逐渐消耗，表面出现很高的吸热率。 耐烧蚀性好;有良好的耐磨性能;高度的电绝缘性能;优良的耐磨蚀性能;有特殊的光学、电学、磁学特性。 2.1金属基体材料金属基复合材料学科主要涉及材料表面、界面、相变、凝固、塑性形变、断裂力学等。 金属基复合材料中，基体主要是各种金属或金属合金。 2.1.1选择基体的原则A 1、Mg、Ti、Ni、Cu、Fe、Zn、Pb及其合金，金属间化合物(TiAl、NiA1等)。 1、金属基复合材料的使用要求金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。 航天航空:高比强度和比模量以及尺寸稳定性选轻金属，Al、Mg及其合金高性能发动机高比强度和比模量，耐高温性能选Ti、Ni及其合金汽车发动机:耐热、耐磨、导热、成本低廉选A1台金集成电路:高导热、低膨胀选Ag、Cu、Al 22、金属基复合材料组成特点 (1)连续纤维增强的复合材料基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性禾塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。 选用塑性较好的基体。 (2)非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)的复合材料基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定性的影响。 选用高强度合金作为基体。 3、基体金属与增强物的相容性化学性质稳定，润湿性好，膨胀系数差要小，以确保两相界面具有足够的结合力。 抑制界面反应。 2.1.2结构复合材料的基体结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。 1.用于450以下的轻金属基体:铝、镁及其合金2.用于450-700的复合材料的金属基体:钛及其合金3.用于1000以上的高温复合材料的的金属基体:镍基、铁基耐热合金和金属间化合物2.1.3功能复合材料的基体主要的金属基体是Al及其合金、Cu及其合金、Ag、Pb、Zn等。 电子封装:Al和Cu.耐磨零部件:Al、Mg、Zn、Cu、Pb等金属及合金。 集电和电触头:A 1、Cu、Ag及合金。 2.2陶瓷材料用作基体材料用的陶瓷一般应具有优异的耐高温性质、与纤维或晶须之间有良好界面相容性及较好的工艺性能等。 2.聚合物的性能 (1)聚合物的力学性能热固性树脂:固化后的力学性能不高，决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力。 热塑性树脂:1)具有明显的力学松弛现象;2)在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率;3)抗冲击性能较好。 (2)聚合物的耐热性能a)聚合物的结构与耐热性材料耐热性能，聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。 b)聚合物的热稳定性聚合物热稳定性途径:提高聚合物分子链的键能,避免弱键存在;在聚合物链中引入较大比例的芳环和杂环。 (3)聚合物的耐蚀性能复合材料的耐化学腐蚀性能与树脂的类别、性能、含量(尤其是表面)有很大的关系。 (4)聚合物的介电性能聚合物具有良好的电绝缘性能。 -般而言，树脂大分子的极性越大，则介电常数越大、电阻率越小、击穿电压越小、介质损耗角越大，材料的介电性能越差。 (5)聚合物的其他物理性能3.聚合物基体的作用复合材料中的基体有三种主要作用: (1)把纤维粘在一起; (2)分配纤维间的载荷; (3)保护纤维不受环境影响。 4.聚合物基体的选择聚台物基体的选择应遵循下列原则: (1)能够满足产品的使用需要; (2)对纤维具有良好的浸润性和粘接力; (3)容易操作; (4)低毒性、低刺激性。 (5)价格合理。 固化是一放热反应，其过程可分为三个阶段:胶凝阶段 (2)硬化阶段 (3)完全固化阶段d.特点 (1)粘度低，工艺性好。 (2)综合性能好，价廉，用量约占80% (3)苯乙烯等挥发大有毒，体积收缩大，耐热性、强度和模量较低。 (4)一般不与高强度的碳纤维复台，与玻璃纤维复台制作次受力件。 双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，只能用聚合度低的树脂。 耐热性好，强度高，韧性差。 固化特点:环氧活性基都在链两端，固化交联度不高。 b.非双酚型链内含有环氧基交联密度高,结合强度及耐热性均提高。 三聚氰酸环氧含三氮杂环，有自熄性，耐电弧性好。 C.胺基环氧结构中含高极性的酰胺键(-NHCO-)，粘结性好，力学性能较高;但耐水性差，电性能有所下降。 d.脂环族环氧结构中不含苯环，含脂环稳定性更高，热学性能好，耐紫外线，不易老化。 粘度低，工艺性好。 e.脂肪族环氧一高韧性环氧无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。 环氧树脂固化:环氧树脂分子中都含有活泼的环氧基团，可与多种固化剂交联，形成网状结构。 常用固化剂:二元胺类、二元酸酐类。 若选用芳香族胺或咪唑类固化剂，强度及耐热性可进一步提高，但冲击韧性会有一定的影响。 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。 42.3.4热塑性树脂与热固性聚合物相比: (1)力学性能、耐热性、抗老化性等较差。 (2)工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。 4.聚砜在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。 以纤维特性分类;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、普通玻璃纤维23.1.2玻璃纤维的性能 1、力学性能a.抗拉强度:比块玻璃高一个数量级;直径d，强度;长度，强度。 b.弹性模量:与铝相当，为钢的1/3倍。 因密度低2.5，比模量高。 c.断裂延伸率:低3%2.2.热学性能a.导热性:导热系数比块玻璃低12个数量级。 b.耐热性:普通Na-Ca-Si玻纤KFCF. (3)弹性模量高，CFKFGF。 (4)断裂延伸率在3%左右。 (5)密度小1.441.45，比强度和比模量高。 2.热学性能:长期使用20%，粒径、粒间距1m。 层状增强复合材料与大尺寸增强物的性能接近，增强物缺陷成为裂纹核心。 纤维增强复台材料各向异性。 基体性能对横向影响大。 6.3.2硼铝复合材科1.增强纤维对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。 硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氧化硼制成的。 由于硼纤维的表面具有高的残余压应力，因此纤维易操作处理，并对表面麅损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意义的特性。 此外，硼纤维还具有良好的高溫性能。 2.基体铝合金具有良好的综合性能。 目前普遍使用的铝合金有变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝等。 其中最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。 硼一铝复合材料的缺口不敏感性和断裂韧性是突出的，研究中观察到两种缺口钝化机理。 6.4镍基复合材料熔点高，耐氧化性好，使用温度可达1000C。 .BF、CF耐氧化性差，多选用a-A1203晶须。 制备方法:热压法、液态渗透法、粉末冶金法。 为提高润湿性，可使晶须表面金属化。 如溅射或电镀。 6.5钛基复合材料钛及其合金是比强度、比刚度最好的基材，耐蚀性和耐高温性也很好，易做耐热件。 (低于相变温度)但钛薄难制，化学活性高，与C纤维和B纤维反应生成TiC和TiB2白亮层。 解决办法:高速工艺一缩短高温停留时间。 低温工艺一830C热压15分钟表面包覆涂siC合金化提高基体稳定性6.6石墨纤维增强金属基复合材料C纤维具有很好的力学、热学、电学和自润滑性能，价格也较B纤维有优势，应用前景光明。 6.7自增强金属基复合材料原位生长晶须。 采用控制熔体冷凝速度，在金属基体内生长出晶须。 如:Al基:Al 203、AIN;Ti基:TiN。 TiC优点:a.增强纤维分布均匀b.基体与纤维结合力强c.热稳定性好d.易于加工，直接铸造成型第七章陶瓷基复合材料7.1陶瓷基复合材料的基体与增强体1.陶瓷基复合材料的基体常用的陶瓷基体主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等，目前研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们具有耐高温、耐腐蚀。 高强度。 重量轻2.陶瓷复合材料的增强体陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。 从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短)、晶须和颗粒三类。 纤维增强体:常用的有碳纤维、玻璃纤维、硼纤維等。 晶须增强体常用的有siC.Al203及Si3N4等。 颗粒增强体常用的有siC、Si3N4等。 7.2陶瓷基复合材料的成型加工技术陶瓷基复合材料的制造方法分传统的制备技术和新的制备技术。 传统技术包括冷压-烧结法、反应烧结法、热压法等。 新技术如渗透、直接氧化、以化学反应为基础的CVD、CVI、溶胶-凝胶、聚合物热解、自蔓延高濕合成(SHS)等。 7.3陶瓷基复合材料的界面和界面设计1.界面的特点陶瓷基复合材料往往在高温下制备，由于增强体与基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。 此时其界面是具有一定厚度的反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。 2.界面的作用陶瓷基复合材料的界面一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度;另一方面要弱到足以沿界面发生慣向裂紋及裂纹偏转直到纤维的拔出。 3.界面性能的改善为获得最佳的界面结合强度，希望完全避免界面反应或尽量降低界面间的化学反应程度和范围。 因此，经常采用涂层的方法限制界面反应的发生，防止界面结合过强和脆性界面层的形成。 4.增韧机理a.颗粒增韧非相变第二相颗粒增韧假设第二相颗粒与基体不存在化学反应，热膨胀系数失配在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场是陶瓷存在问题解决方法浸润性差，难渗透电镀Ta、Ni、Ag包覆易曲折，热压难涂覆SiC、TiC、B4C等相容性差压渗法电偶腐蚀复合纤维制备得到增韧的主要根源之一。 延性颗粒增韧在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒能明显提高材料的断裂韧性，其增韧机理包括由于裂紋尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥。 研究表明当基体与延性颗粒的a、E相等时，利用延性裂纹桥可达最佳增韧效果。 但当a和E值相差足够大时，裂纹发生偏转绕过金属颗粒，增韧效果较差。 纳米颗粒增强增韧将纳米颗粒加入到陶瓷中时，材料的强度和韧性大大改善。 增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配与残余应力是纳米复合材料中的重要增强、增韧机理。 相变增韧当将氧化锆颗粒加入其它陶瓷基体中时，氧化错的相变使陶瓷的韧性增加。 b.纤维、晶须增韧裂紋偏转由于纤维周围的应力场，基体中的裂纹-般难以穿过纤维，相对而言它更易绕过纤维并尽量贴近纤维表面扩展，即裂紋偏转。 裂紋偏转可绕蓍增强体倾斜偏转或扭转偏转。 偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂紋，而且裂纹的扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量因而起到增韧作用。 脱粘(De-bonding)复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要能量。 尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。 纤维拔出(Pull-out)纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。 纤维首先脱粘才能拔出。 纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减緩了裂纹的扩展。 纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用。 纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧效果要比纤维脱粘更强。 因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。 纤维桥接(Fiber Bridge)对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿蓍原来的扩展方向继续扩展。 这时紧靠裂紋尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。 这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。 7.4陶瓷基复合材料的性能1.室温力学性能 (1)拉伸强度及弹性模量单向连续纤维增强陶瓷基复合材料的拉伸失效