复合材料原理

绪论1•复合材料定义发展历史：原始复合材料现代意义上的复合材料玻璃钢的特点复合材料类型复合材料中的材料设计和结构设计1•从工程应用的角度分类结构复合材料功能复合材料各相的作用复合材料区别单一材料的特点高强度材料选用 高模量结构选用 高温下使用的结构复合材料选择 化工防腐蚀的玻璃纤维增强塑料，根据介质的不同采取不同的复合方式聚合物基体的性能特点增强体或功能体在复合材料中的作用复合材料区别于一般混合材料的重要标志--复合材料的复合效应分类复合材料的结构与复合效果1•分散质分散相复合材料的性质取决于…连通性概念连通结构6.0-3型结构3型结构2型结构3型结构3型结构材料的符合效果组分效果六边形阵列四方形阵列结构效果形状效果取向效果尺度效果界面效果了解和掌握复合材料的符合原理的目的材料模型化的方法复合材料的模型建立材料的微观模型往往包含两方面的内容： 结构模型的确立物理模型的确立同心球壳模型同轴圆柱模型片状模型复合材料的性质与一般规律分类计算阻力系数复合材料的界面状态解析复合材料性能的主要影响因素：基体和增强体或功能体的性能复合材料的结构和成型技术复合材料中增强体或功能体与基体的结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应界面效应19页1•界面的分类复合材料中相与相的两相交接区是一个具有相当厚度的界面层，两相的接触会引起多种界面效应，使界面层的结构和性能不同于他两侧临近的结构和性质。为了改善两相的相容性和结合力，在两相的界面上加入微量的改性剂。如：--复合材料的特点界面效应的分类界面的研究对彖增强体表面的有关问题表面处理物质的有关问题表面处理的最优化技术粉体材料在基体中的分散复合技术的优化及其机理材料粘结的破坏形式表面及界面化学基础表面张力产生原因 是固体表面现彖发生的依据比表面积--表示粉碎程度表面张力的影响因素表面张力与物质结构•性质有关。不同物质性质结构的分子间相互作用力不同，分子间作用力越大，相应的表面张力越大。物质的表面张力与他相接触的另一相物质有关。表面张力随温度不同而不同，一般温度升高，表面张力下降。恒温恒压下，任何物质都有自动向自由能减小的方向移动的趋势，表面能也有自动减小的趋势。降低表面能的方法通过自动收缩表面积实现通过降低比表面能来实现表面吸附作用定义固体吸附的原因按作用力分类（定义，特点）物理吸附化学吸附粘附功与内聚功;都是分离物质接触角不均匀表面的接触角接触角和表面张力都是表征物质表面的重要参数滞后效应=前进角-后退接触角产生滞后效应的原因污染…化学实验洗涤仪器亚稳态固体表现的粗糙度表面的化学不均匀性固体表面的临界表面张力指定固体的特征量一种总结润湿性质的有用方法-内插法增强体或功能体的表面张力必须人于基体的表面张力才能实现增强体与基体相互间良好的侵润。侵润的热效应-将洁净的固体表面侵入液体-量热法测定侵润热大小测定条件复合材料中，作为细微的粉状粒子的侵润热未必与块状固体的相同侵润热是不以向固体中渗透，扩散和溶解为前提而讨论的界面的相容性与粘结-…相容性的判定界面特性对复合粘结体系性能的影响-…填料与基体的界面问题1•在复合材料成型时，粘结剂体系中加入辅助材料组成复合粘结体系或将增强体表面处理的情况很多：为防止橡胶的硫化，不饱和聚酯树脂中加入触变剂—SIO2为防止渗透，在麻醛树脂中加入蛋白粉作触变剂为减少树脂用量，加入——粉末偶联剂处理时偶联剂官能团的特性作用…热分析-力学损耗作用：在粘结剂复合固化过程中，可以引起体系固化速度的改变同一官能团对不同固化体系的固化速度的改变时不同的偶联剂的峰：官能团参与反应（增加浓度或阻聚）优先吸附引起的现彖偶联剂分子结构及偶联结构的影响--32页1•钛酸酯偶联剂在增强体表面是线性的结合，而硅烷偶联剂是一种刚性网络结合。增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响1•增强体表面特性的分类增强体表面的物理特性与界面结合-决定界面粘结的好坏比表面积及多孔性比表面积的影响多孔性的影响增强体表面的极性•均一性.结晶特性及表面能极性的取决因素均一性的实质结晶特性表面能增强体表面的化学特性与界面结合一决定界面粘结的效果包括其表面化学组成和结构，表面的反应特性（最重要，关系到增强体是否要进行表面处理，与基体能否形成化学结合，是否容易与坏境接触反应而影响到复合材料性能的稳定性）增强体的表面能玻璃纤维的表面化学组成，结构及反应性组成不同玻璃纤维结构：三度空间的不规则连续网络所构成，网络是由多3.4•面体构筑起来的玻璃纤维表面表面吸附有一层水的原因多面体中心表面情况吸湿性玻璃表面的吸附水与玻璃组成中的碱金属或碱土金属作用，并在玻璃表面上形成-OH玻璃纤维中含碱量愈高，吸附水对sio2股价的破坏愈人，纤维强度下降就愈人玻璃纤维表面的三种结构碳纤维及其他纤维表面的化学组成，结构及反应性一37页对碳纤维的表面改性，一方面是使其表面晶核尺寸减小，增加比表面积另一方面，作为最重要的途径是力图使其表面增加含氧基团复合体系的界面结合特性1•复合材料界面形成过程：（界面是怎样形成的）润湿固化按照怎样固化分类：有固化剂引发树脂官能团反应固化以树脂本身官能团进行反应固化胶束（胶粒）：密度大胶絮：密度小树脂抑制层：增强体表面形成的有序树脂胶束层界面区定义：基体与增强体接触界面和两者薄层构成的一定厚度的范围界面区的作用：使基体与增强体结合形成材料整体，并在外力场作用下的应力传递以连续纤维为增强体的树脂基复合材料，增强体沿纤维的轴向是连续的，但其界面的微观结构与非连续纤维为增强体的复合材料仍是一致的树脂基复合材料的界面结合理论润湿理论：要使树脂对增强体紧密接触，就必须使树脂对增强体表面很好的侵润内容优点不足完全润湿的前提条件：液态树脂的表面张力小于增强体表面的临界表面张力化学键理论：偶联剂-架桥剂内容：优点：在偶联剂应用于玻璃纤维复合材料中得到了很好的证明，也被界面研究的实验多证实。不足：聚合物不具备活性基团不具备与树枝反应的集团，但仍能让偶联剂达到良好处理效果硅烷偶联剂中双键的作用：当硅烷偶联剂分子结构带有不饱和双键时，由于不饱和双键可与聚酯树脂反应，故提高了聚酯玻璃钢的强度（E「2）-41页总结：不能单纯以一种化学偶联或者单纯以一种物理化学现象来解释优先吸附理论：为解释化学键理论不能解释的现象内容：防水层理论提出背景内容不足：与实际有出入可逆水解理论内容：在玻璃纤维增强的的复合材料中，偶联剂不是阻止水分进入界面，而是当有水存在时，偶联剂与水在玻璃表面上竞争结合。由于硅烷偶联剂与玻璃表面的SI-OH形成氢键的能力比水强，足以与水分子竞争表面，故驱去水而与玻璃表面键合。建立了两个可逆反应。可逆反应的作用：对水产生排斥作用由于这种动态平衡，使界面上应力松地这种键的形成-断裂-形成的动态结合状态使树脂表面始终保持一定的粘合强度。摩擦理论非树脂基复合材料的基体与界面结构晶态非树脂基复合材料的结构特性晶格的周期性对称性和方向性晶体的结合力固定的熔点非树脂基复合材料的界面类型非树脂基复合材料的界面结合形式机械结合溶解与浸润结合反应界面结合为能达到化学相容性，使界面处于稳定状态，可采取的办法:在复合温度下使其热力学平衡利用退化反应的化学动能与化学势能相平衡使特殊表面能的影响最小控制凝聚作用使总表面能最小氧化结合混合结合树脂基复合材料界面的破坏机理•矛盾的假设能量流散概念：在裂纹的扩张的过程中，将随着裂纹的发展逐渐消耗能量，并且由于能量的流散而减缓裂纹的发展，对于垂直纤维的裂纹峰还将减缓对纤维的冲击树脂在玻璃纤维界面上生成的键分类复合材料界面破坏机理理论微裂纹的影响介质（水）引起界面破坏的机理:复合材料界面优化设计材料的应用要求制品首先要满足强度问题、制品的工作环境制品的生产成本，使用寿命弹性模量的设计界面相的模量应当介于增强体和基体之间在保证相当的粘结程度下，界面想的模量应是最低的部分，即是韧性的柔性的材料的残余应力如何减弱复合材料界面的残余应力在材料中如何利用残余应力基体与增强体的相容性材料的动力学效果偶联剂的性能界面分析技术界面性质取决于界面的结合状态，微结构特征以及应力状态微观方法：宏观方法：常规分析主要测量界面应力状态和粘结强度的模型试验和宏观力学方法拔脱实验-适用于测定界面粘结强度的普遍方法顶出法-适用于测定相对界面粘结强度临界长度法-适用于热塑性基体或延伸率较高的基体界面黏结能法力学性能测试方法-定性分析电子显微镜观测法X射线衍射法-用于分析增强材料表面的晶相结构光电子能谱分析法ESCA特点：8其他界面分析方法复合体系的典型界面反应基材间的粘结性直接相关因素：无机…有机1•玻璃纤维-聚合物体系进行表面处理的目的：表面处理结构：表面处理剂一般都带有能与硅疑基起化学反应的活性疑基以硅烷偶联剂为例来说明这种反应的历程：4•碳纤维■聚合物体系-常用极性表面官能团来解释碳纤维的表面特性5•碳纤维氧化处理，氧化过程：6•胺固化的坏氧树脂中的胺基可能与纤维表面的竣酸形成氢键，坏氧树脂的坏氧基也能与疑基和竣基形成氢键，在过量单体尤其是在较高温度时，这些氢键就转变成共价键。通过各种途径来改变表面官能团的种类和数屋，就有可能使纤维和树脂形成更好的粘结而提高其复合材料的综合性能。填充材料-炭黑，水合二氧化硅，玻璃纤维。9•在微粒炭黑表面形成接枝的方式：无机-无机1•纤维增韧陶瓷•水泥基复合材料玻璃纤维增强混凝土石灰石■浆体界面发生的化学反应:目的：两种类型的侵蚀:改善措施:3•碳纤维增强混凝土，经处理的碳纤维有富集CA2+的作用，这种作用的影响：可能导致纤维表面的水泥早期水化，表现为碱处理-水泥浆体的屈服应力及表观粘度增大。无机--金属1•复合材料的界面必须保持良好的结合状态，且在使用的高温条件下保持长时间的化学稳定性，使之不能因发生化学反应而降低力学性能。有机-有机有机纤维…芳纶纤维芳纶纤维的特点：本身表面惰性，也是用来增强高性能树脂复合材料的界面处理技术目的：为了获得好的界面粘结，通常要对增强材料的表面进行有针对的处理，以改善其表面性能，获得与基体的良好界面粘结。增强材料的表面处理表面处理的定义：目的：处理机处理与否对提高制品的耐候性是十分明显的。偶联剂的定义：偶联剂的分类有机酸氯化铭络合物类偶联剂：碱式氯化馅+竣酸反应——铭络合物沃兰处理剂：有机硅烷类偶联剂X集团与玻璃纤维表面的作用机理R集团与树脂基体的作用机理新品种硅烷偶联剂耐高温型硅烷偶联剂过氧化物型硅烷偶联剂特点：阳离子型硅烷偶联剂水溶型硅烷偶联剂叠氮型硅烷偶联剂偶联剂的品种玻璃纤维表面处理方法后处理法前处理法迁移法偶联剂的用量：在实际应用中真正起偶联作用的是微量的偶联剂单分子层偶联剂用量计算公式；影响处理效果的因素钛酸酯偶联剂的结构钛酸酯偶联剂按偶联机理分类：钛酸酯偶联剂的应用方法基体材料的改性技术1•通过对树脂的基体的改性同