复合材料总结

定义：由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。分类：1.按用途分类结构复合材料和功能复合材料2.按基体类型分类聚合物基、金属基、无机非金属基复合材料3.按增强体形式分类颗粒增强型、纤维增强型、片材增强型、层叠式性能：1.比强度与比模量高（有利于材料减重）2.良好的抗疲劳性能3.减振性能好4抗腐蚀性好5高温性能好6导电导热性能好7耐磨性好8容易实现制备与形成一体化比强度和比模量是用来衡量材料承载能力的性能指标。比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。影响复合材料性能的主要因素：增强材料的性能；基体材料的性能；含量及其分布状况；界面结合情况；作为产品还与成型工艺和结构设计选择基体金属的原则①根据金属基复合材料的使用要求②根据金属基复合材料组成特点③基体金属与增强物的相容性（尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应）金属基体的温度范围：1.用于450°C以下的轻金属基体，主要是铝基和镁基复合材料2.用于450-700C的复合材料的金属基体，主要是钛合金基体复合材料3.用于600-900C的复合材料的金属基体，主要是铁和铁合金4用于1000C以上的金属基体，主要是镍基耐热合金和金属间常用的陶瓷基体主要有：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等。不饱和聚酯树脂的组成：主要成分：不饱和聚酯树脂，按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。辅助材料：交联剂、引发剂和促进剂交联剂：烯类单体，既是溶剂，又是交联剂。能溶解不饱和聚酯树脂，使其双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。常用的交联剂：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯等。引发剂：一般为有机过氧化物，在一定的温度下分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂的固化。常用的引发剂：过氧化二异丙苯[C6HsC（CH）2]2O2.过氧化二苯甲酰（C6H5CO）2O2。促进剂：把引发剂的分解温度降到室温以下。对过氧化物有效的促进剂：二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等。对氢过氧化物有效的促进剂：具有变价的金属钻：环烷酸钻、萘酸钻等。固化过程：（a）胶凝阶段（b）硬化阶段（c）完全固化阶段环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的那一类有机高分子化合物。分类：.缩水甘油醚类缩水甘油酯类缩水甘油胺类线型脂肪族类脂环族类固化原理：连接在伯胺氮原子上的氢原子和环氧基团反应，转变成仲胺，再由仲胺转变成叔胺。酚醛树脂：酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂，一般指苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂，它是最早合成的一类热固性树脂。环氧值=100/环氧当量（环氧值=2X100/环氧树脂分子量即Ev=2X100/M环氧基含量=43X100/环氧当量即Ec=43X100/En）热塑性树脂如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚飒、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。热塑性聚合物基复合材料与热固性树脂基复合材料相比，在力学性能、使用温度、老化性能方面处于劣势，但是它具有工艺简单、工艺周期短、成本低、比重小等方面占优势。热固性树脂定义：低分子物在引发剂、促进剂作用下生成的三维体形网状结构聚合物。固化物加热不软化，不溶不融。热固性基体（主要是不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂）一直在连续纤维增强树脂基复合材料中占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的80%，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。聚合物基体的种类：按树脂热行为可分为热固性及热塑性两类。按聚集态结构不同，这类固态高分子有非晶（或无定形）和结晶两类按树脂特性及用途分为：一般用途树脂、耐热性树脂、耐候性树脂、阻燃树脂等。按成型工艺分为：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕用树脂、拉挤用树脂等。聚合物基体的作用：1把纤维黏在一起2分配纤维间的载荷3使纤维不受环境影响有关纤维的专业术语单丝：拉丝漏板每个孔中拉出的丝原纱：多根单丝从漏板拉出汇集而成的单丝束捻度（捻数）：指有捻纱或其它纱线在每米长度沿着轴向的捻回数（螺旋匝数）根据加捻的方向分为Z：右捻，顺时针方向，S：左捻，反时针方向细度：直径，微米表示，一般，直径越细，抗拉强度就越高工业上：重量法1g原纱的长度，称支数，e.g.80支纱，即1g原纱的长度为80米定长法：国际上统一使用，1000米长原纱的克数500Tex:1000米长，重500g,Tex值越大，单丝越粗。粗纱：由多股平行的原丝拼合而成的F无捻纱：一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成。G有捻纱：则多用纺织型浸润剂，由原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成玻璃纤维的化学组成：主要为二氧化硅和其他氧化物玻璃纤维的物理结构：无色透明脆性固体无定形物体，各向同性的均质材料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。微晶结构假说：由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”所组成，之间由硅酸盐过冷溶液填充微晶子是结构上高度变形的晶体网络结构假说：二氧化硅的四面体，铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则的三维网络，网络间空隙由Na,K,Ca,Mg等阳离子填充。玻璃纤维性能：1.力学性能微裂纹假说：其理论强度很高，但实测强度很低微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内。玻璃纤维比玻璃的强度高得多，玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的几率也减少2.物理性能低线膨胀系数、低导热系数、良好的热稳定性3.化学性能不燃烧，化学稳定性好影响玻璃纤维强度的因素1、 化学组成：不同的玻璃纤维（不同系统），强度有很大差别。一般来说，含碱量越高（K2O、PbO），玻璃纤维的强度越低。2、 玻璃纤维的直径和长度：随着玻璃纤维的直径和长度的减小，微裂纹的数量和尺寸相应地减小，从而提高了玻璃纤维的强度。3、 存放时间：玻璃纤维存放一定时间后，由于空气中的水分对玻璃纤维的侵蚀，导致强度下降。4、 施加负荷时间：玻璃纤维的拉伸强度随着施加负荷时间的增加而降低，当环境湿度较高时更加明显。原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，加速微裂纹的扩展，从而导致强度降低。、简述玻璃纤维制造过程中浸润剂的作用。简述浸润剂的种类及其特点。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。浸润剂的类型：1、纺织型浸润剂：主要成分：石蜡、凡士林、硬酯酸、变压器油、固色剂、表面活性剂、水。能满足纺织加工的需要，但严重地阻碍树脂对玻璃布的浸润，影响树脂与玻璃纤维的粘结。含有石蜡乳剂的玻璃纤维及其制品使用时，要经过脱蜡处理。2、增强型浸润剂：主要成分：成膜剂（水溶性树脂和树脂乳液）、偶联剂、润滑剂、润湿剂、抗静电剂等。这类浸润剂对玻璃钢的性能影响不大，浸胶（浸润树脂）前不需要清除。这种浸润剂在纺织时易使玻璃纤维起毛，一般用于生产无捻粗纱、无捻粗纱织物及短切纤维、短切纤维毡。碳纤维的原料与组成方法制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（PAN）纤维和沥青（Pitch）等经过分为五个阶段：1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。2）牵伸：通常在100〜300°C范围内进行，控制着最终纤维的模量。3）稳定：在400°C加热氧化。显著地降低热失重，保证高度石墨和取得更好的性能。4）碳化：在1000〜2000°C范围内进行。5）石墨化：在2000〜3000°C范围内进行芳纶纤维主链由芳香环和酰胺基构成，每个重复单元中酰胺基的氮原子和羰基均直接与芳环中的碳原子相连接的聚合物称为芳香族酰胺树脂，由其纺成的纤维称为芳香族聚酰胺纤维 芳纶纤维②制备PPTA：以对苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺为原料，在强极性溶剂（含有LiCl2或CaCl2增容剂的N一甲基毗咯烷酮）中，低温溶液缩聚或直接缩聚反应i大共轭的苯环难以内旋转，大分子链一一线型刚性伸直链一一高强度，高模量ii酰胺基一极性，H可与另一分子链的羰基形成氢键一一梯形聚合物一一良好规整性一一高度结晶性纺丝一一向列型液晶态，聚合物呈一维取向有序排列，成纤时，易沿作用方向取向iii单斜晶系iv具有微纤结构，皮芯结构，空洞结构等不同形态的超分子结构⑵力学性能一一拉伸强度高，单丝3773MPa，是Al的5倍⑶热稳定性：良好，耐火而不熔，487r不熔化，但开始碳化，高温下，直到分解不发生变形，180°C长期使用热膨胀系数各向异性⑷化学性能良好的耐介质性能，对中性化学药品的抵抗力一般是很强的，但易酸腐蚀耐水性不好酰胺基复合材料的设计应遵循的原则：材料组元的选择，明确对材料性能的要求，复合材料的各组元之间的相容性，这包括物理、化学、力学等性能的相容，要考虑复合材料各组元之间的浸润性，还应联系到整个复合材料的结构来考虑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。特点界面相的化学组成、结构和物理性能与增强材料和基体的均不相同，对复合材料的整体性能产生重大影响。界面具有一定的厚度（约几个纳米到几个微米），厚度不均匀。材料特性在界面是不连续的，这种不连续性可能是陡变的，也可能是渐变的。材料特性包括元素的浓度、原子的配位、晶体结构、密度、弹性模量、热膨胀系数等。界面的机能（为什么说界面是复合材料的特征）：（1）传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。（2） 阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。（3） 不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。（4） 散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。（5） 诱导效应：一种物质（通常是增强物）的表面结构使另一种（通常是聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象所选处理增强材料表面的偶联剂应既含有能与增强材料起化学作用的官能团，又含有与聚合物基体起化学作用的官能团。如玻璃纤维使用硅烷作为偶联剂可使复合材料的性能大大改善，陶瓷增韧机理：裂纹偏转、裂纹的桥联、纤维脱粘与拨出、颗粒增韧等陶瓷增韧方法纤维晶须增韧（裂纹偏转、裂纹的桥联、纤维脱粘与拨出），颗粒增韧陶瓷基复合材料的界面粘结形式机械粘结、化学粘结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横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出界面性能改善纤维表面涂层处理复合材料主要特性1）性能可设计性2）力学性能3）物理性能4）工艺特性如何改善聚合物的耐热性能？产生交联结构（对于热固性树脂、有机硅树脂等，工艺条件影响聚合物的交联密度）。增加高分子链的刚性（引进不饱和共价键或环状结构（脂环、芳环、杂环）、引入极性基团）。提高聚合物分子链的键能，避免弱键的存在（例：以C-F键完全取代C-H键，可大大提高聚合物的热稳定性）。形成结晶聚合物，结晶聚合物的熔融温度大大高于相应的非结晶聚合物。试讨论玻璃纤维的表面处理中偶联剂用量的确定及影响表面处理效果的因素。偶联剂的用量会影响最后处理效果，在实际应用中起偶联作用的是偶联剂单分子层。过多地使用偶联剂是不必要和有害的。每种偶联剂的实际最佳用量，多数要从实验中确定。偶联剂用量也可采用计算法求得：100g给定被处理的增强材料的表面积，被1g硅烷偶联剂的最小涂覆面积除，即得该硅烷偶联剂在100g此种被处理材料上涂覆一单分子层时所需要的量。偶联剂在被处理材料表面上的涂覆并非只是单分子层，被处理材料单丝之间的间隙中往往比表面上含有更多的偶联剂，也不能保证偶联剂分子全部涂覆在被处理材料的表面上，所以，偶联剂的实际用量应高于上述计算值。影响处理效果的因素：处理方法的影响：不同的处理方法会影响处理效果。一般来说，前处理法的效果最为明显。烘焙温度的选择：温度过低不起反应，达不到应有的偶联效果；温度过高会引起偶联剂分解和自聚等不良后果，以致严重影响偶联效果。烘焙时间的选择:烘焙时间应选择在一定烘焙温度下偶联剂与玻璃纤维表面的偶联反应能充分进行。随着烘焙时间的延长，被处理玻璃纤维的憎水性有所提高，但是处理时间过长生产效率就低。一般采用高温短时间的烘焙制度。处理液的配制及使用：直接影响处理效果，应该严格控制处理液的pH值，以抑制水解产物的自行缩合。在整个处理过程中，对处理液的pH值应不断调节。二十一、试述碳纤维的表面处理方法及作用效果：1、 表面浸涂有机化合物：采用类似纺织中的浆纱工艺，在碳纤维表面涂覆含有反应性端基的树脂（羟端基的丁二烯/丙烯酸共聚物等），以改善碳纤维的界面粘结性。2、 表面涂覆无机化合物：表面上沉积无定形碳：在高模量结晶型碳纤维表面加涂一层低模量无定形碳，无定形碳活性大，易与树脂浸润，提高界面粘结力，能显著提高碳纤维复合材料的层间剪切强度。加涂碳化物：用化学气相沉积（C