第10章复合材料的表界面上VIP

第十章复合材料的界面,10.1复合材料概述,三大材料：金属无机非金属有机高分子复合材料：取长补短协同作用产生原来单一材料本身所没有的新性能,2,复合材料的定义,国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。材料大词典：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。,3,材料科学技术百科全书：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。,氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦,复合材料的应用,美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料,先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰,赛车上使用的特殊轮胎,人工肾脏,(1)在航空、航天方面的应用(2)在交通运输方面的应用(3)在化学工业方面的应用(4)在电气工业方面的应用(5)在建筑工业方面的应用(6)在机械工业方面的应用(7)在体育用品方面的应用,复合材料的应用,基体连续相增强材料分散相在基体和增强体之间存在着界面。,基体和增强材料MatrixandReinforcement,基体和增强体各有什么作用,Schematicillustrationofcompositeconstituents,11,复合材料的分类,12,按增强材料形态分类1、纤维增强材料;2、颗粒状增强材料;3、片状增强材料。,Classesofcomposites,纤维增强复合材料种类玻璃纤维复合材料；碳纤维复合材料；有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）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；功能复合材料。,各种材料的发展状况玻璃钢和树脂基复合材料非常成熟广泛的应用金属基复合材料开发阶段某些结构件的关键部位陶瓷基复合材料及功能复合材料等尚处于研究阶段有不少科学技术问题有待解决,聚合物基复合材料的一般特性轻质高强；电性能好；耐腐蚀性能好；热性能好；性能具有可设计性。,聚合物基复合材料的分类用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。,10.1.1聚合物基复合材料基体,热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚酮等。,热塑性聚合物的形态特征,热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等。,热固性聚合物的形态特征,10.1.1聚合物基复合材料基体,1.不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80%以上。主要用于一般民用工业和生活用品中。,特点,邻苯型不饱和聚酯：,间苯型不饱和聚酯：,双酚型不饱和聚酯：,双酚型环氧树脂：,酚醛环氧树脂：,2.环氧树脂,特点,3.酚醛树脂大量用于短纤维增强塑料等，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。,特点,聚合物基复合材料基体的作用：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。,增强材料（增强体、增强剂等）分散在基体内以改进其机械性能的高强度材料。,10.1.2增强材料,10.1.3复合材料的界面,复合材料的界面是指基体与增强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。,界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应。(1)传递效应(2)阻断效应,(3)不连续效应(4)散射和吸收效应,(5)诱导效应,10.2玻璃纤维增强塑料界面,10.2.1玻璃纤维概述,玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的物理性能玻璃纤维的化学性能,玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的结构玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍，但经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃相同。,玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。以二氧化硅为主的称为硅酸盐破璃，以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。,玻璃纤维的物理性能,外观和比重表面积玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的耐磨性与耐折性玻璃纤维的热性能玻璃纤维的电性能,外观和比重一般天然或人造的有机纤维，其表面都有较深的皱纹；而对于玻璃纤维来说，其表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎都是完整的圆形。,玻璃纤维直径从1.525um，大多数为414um。玻璃纤维的密度为2.164.30gcm3。此外，一般情况下，无碱玻璃纤维的比重大于有碱纤维。,表面积由于玻璃纤维的表面积大，使得纤维表面处理的效果对性能的影响很大。,玻璃纤维的力学性能1)玻璃纤维的拉伸强度一般玻璃制品的拉伸强度只有40100MPa，而直径39um的玻璃纤维拉伸强度则高达15004000MPa。,1)玻璃纤维的拉伸强度2)影响玻璃纤维强度的因素3)玻璃纤维的弹性,几种纤维和金属材料的强度如下表所示：,几种纤维材料和金属材料的强度,2)影响玻璃纤维强度的因素A、一般情况，玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而拉伸强度增加，如下表所示：,A-F,玻璃纤维拉伸强度与直径的关系,B、拉伸强度也与纤维的长度有关，随着长度增加拉伸强度显著下降。如下表所示：,、化学组成对强度的影响纤维的强度与玻璃化学成分关系密切。而改变系统(即改变它的基本组分)，强度会产生大幅度地变化。,D、纤维老化的影响,E、纤维的疲劳影响,F、成型方法和成型条件强度的影响,3)玻璃纤维的弹性A、玻璃纤维的延伸率玻璃纤维的延伸率比其它有机纤维的延伸率低，一般为3左右。,B、玻璃纤维的弹性模量玻璃纤维的弹性模量约为7104MPa，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。,玻璃纤维的耐磨性与耐折性玻璃纤维这两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。,玻璃纤维的热性能1）玻璃纤维的导热性,玻璃的导热系数为0.61.1千卡/米度时，但拉制成玻璃纤维后，其导热系数只有0.03千卡米度时。,导热性耐热性,2）破璃纤维的耐热性玻璃纤维耐热性较高，软化点为550580，其热膨胀系数为4.8106/。,玻璃纤维的电性能玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多。玻璃纤维的电阻率随着温度的升高而下降。,虽然玻璃纤维的吸附能力较小，但空气湿度对玻璃纤维的电阻率影响很大。湿度增加，电阻率下降。如下表所示：,空气湿度对玻璃布电阻率影响,玻璃纤维的化学性能,玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，但拉制成玻璃纤维后，其性能远不如玻璃。这主要是由于玻璃纤维的比表面积大所造成的。,10.2.2偶联剂,偶联剂按化学组成，偶联剂主要可分为有机铬和有机硅两大类，此外还有钛酸酯等。,何为偶联剂？,(1)有机酸氯化铬络合物类偶联剂有机酸氯化铬络合物简称铬络合物，这类络合物通常是用碱式氯化铬与羧酸反应而制得。2Cr(OH)Cl2+RCOOHRCOOCr2(OH)Cl4+H2O,这类铬络合物无水时的结构式为：,沃兰(Vo1an)，结构式为：,(2)有机硅烷类偶联剂,有机硅烷是一类品种很多，效果也很显著的表面处理剂，其一般结构通式为：RnSiX4-nX基团与玻璃纤维表面的作用机理：硅烷偶联剂处理玻璃纤维通常经历四个阶段：,R为有机基团，是可与合成树脂作用形成化学键的活性基团,如不饱和双键、环氧基、氨基等；,X为易水解的基团，如甲氧基、乙氧基等。,n1，2，3绝大多数n1,(3)钛酸酯偶联剂结构通式：,(RO)mTi-(O-X-R-Y)n,m、n为官能团数。n2时为多官能团的钛酸酯，可与多官能团的热塑性及热固性树脂起作用。,(4)玻璃纤维表面处理方法,(1)玻璃纤维表面处理方法,后处理法,前处理法,迁移法,处理意义,后处理法：使用纺织型浸润剂的玻璃纤维及制品，在使用前原则上都采用此法处理。目前普遍采用的一种方法。,前处理法是适当改变浸润剂配方，使之既能满足拉丝、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂基体对玻璃纤维的浸润和粘结。将偶联剂加入到上述的浸润剂中，在拉丝过程中表面处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。用这种被覆了增强型浸润剂的纤维织成的玻璃布称为前处理布。,迁移法将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体掺和，在浸胶的同时将偶联剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液中到纤维表面的“迁移”作用而与纤维表面发生反应，从而在树脂固化过程中产生偶联作用。,10.3先进复合材料的界面,10.3.1高性能增强纤维,1.碳纤维碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。碳纤维不属于有机纤维范畴，但从制备方法上看，它又不同于普通无机纤维。,碳纤维的分类当前，国内外巳商品化的碳纤维种类很多，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和碳纤维的用途等三种方法进行分类。,根据碳纤维的性能分类(1)高性能碳纤维在高性能碳纤维中，有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。(2)低性能碳纤维这类碳纤维中，有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。,2根据原丝类型分类(1)聚丙烯腈基纤维；(2)粘胶基碳纤维；(3)沥青基碳纤维；(4)木质素纤维基碳纤维；(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。,3根据碳纤维功能分类(1)受力结构用碳纤维(2)耐焰碳纤维(3)活性碳纤维(吸附活性)(4)导电用碳纤维(5)润滑用碳纤维(6)耐磨用碳纤维,碳纤维的制造在制备碳纤维的过程中，无论采用什么原材料，都要经过原丝预氧化（拉丝、牵伸、稳定）、碳化以及石墨化等五个阶段，所产生的最终纤维，其基本成分为碳。,碳纤维的结构与性能碳纤维的结构碳纤维的物理性能碳纤维的化学性能.其他性能,用x射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。,结构,碳纤维的物理性能碳纤维的比重在1.5-2.0之间，这除了与原丝结构有关外，主要还决定于碳化处理的温度。一般情况下，经过高温(3000)石墨化处理，比重可达2.0。,碳纤维的热膨胀系数与其它类型纤维不同，它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72-0.9010-6/)，而垂直于纤维方向是正值(322210-6/)。,碳纤维的比热一般为7.12l0-1kJ(kg)。导热率有方向性，平行于纤维轴方向导热率为0.04卡/秒厘米度，而垂直于纤维轴方向为0.002卡/秒厘米度。导热率随温度升高而下降。,碳纤维的比电阻与纤维的类型有关。在25时，高模量碳纤维为775ucm，高强度碳纤维为1500ucm。碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生电化学腐蚀。,碳纤维的化学性能碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，当温度高于400时，则会出现明显的氧化，生成CO和CO2。,在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。,其他性能,另外，碳纤维还有良好的耐低温性能、耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。,2.有机纤维高性能的有机纤维包括：Kevlar纤维、聚酯纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维等。有机纤维的特点：(1)低密度、高强度、高模量(2)刚性链、高度取向、分子链堆砌密度大(3)分子链排列呈表芯结构,碳纤维的表面处理碳纤维表面处理的机理清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积，从类似石墨层面改性成碳状结构以增加碳