第六章 复合材料.ppt

1、第六章所谓复合材料，是指通过合理复合两种以上宏观上不同的材料，在新制成的材料中，原本各材料的特性得到充分应用，得到单一材料所没有的新特性，从微观上看，我们使用的材料很少不复合，这里所说的复合材料如上所述进行复合复合材料船体，第一节概要，复合材料的起源可以追溯到古埃及人在粘土中加入植物纤维的土块。 从约100万年前开始，以砂为骨料，用水和水泥加固的混凝土被使用，成为现代建筑领域不可缺少的材料。 混凝土具有一定的抗压强度，但比较脆，容易因张力而破裂。 混凝土加入钢筋，大幅度提高了材料的抗拉能力，成为广泛应用的钢筋混凝土。 在橡胶中加入纤维/钢丝，在维持橡胶柔软性的同时，提高了材料的强度和耐磨耗性。

2、 第一节概述，现代复合材料的发展始于1942年美国空军用于制造飞机零件的玻璃纤维增强和聚酯，即玻璃钢，随后，提高玻璃纤维性能的工作得到了很大发展，硼纤维/碳纤维/碳化硅纤维/各种耐热氧化物纤维和乌复合材料的复合目的提高3360材料强度，得到热性能/电性能/磁性能和其他各种性能的优化。根据第一节概述，复合材料的基体差异和发展历史：玻璃纤维增强塑料(GFRP )是第一代复合材料硼纤维和碳纤维增强塑料(BFRP，BRP ) 硼纤维、玻璃纤维、碳纤维、第一节概述、现代科学技术的发展对材料性能提出了更严格的要求，特别是在航空宇宙等高新技术领域，不断提出耐高温、强度高于新材料的要求。 工程材料(Si3N4

3、、SiC等)所具有的优良性能可以满足很多方面的要求。 陶瓷材料存在的最大缺点：脆性限制了其实际工程应用范围内陶瓷材料工程应用亟待解决的重点：提高和改善陶瓷材料的韧性。 第一节概述，目前用于改善陶瓷脆性的方法主要是相变强化粒子强化纤维强化(晶须)。 ZrO2的强化可以大幅度提高陶瓷的韧性，但该强化方法在高温条件下的使用有很大限制，添加延性粒子时常遇到高温氧化条件下的稳定性问题。 纤维(包括晶须)强化陶瓷和复合材料，在可以强化和强化的同时，有可能是能够在比较高的温度下维持材料的强韧化的方式。 第1节概要、无机纤维和晶须、无机纤维、第1节概要、无机玻璃钢基布、第1节概要、碳化硅晶须、微米级硫酸钙晶须

4、、第1节概要、主要用于需要高温高强度应用材质的强化场合。 例如宇宙材料、高速切削工具等。 现在的性能价格比非常高。 Si 3 N 4晶须具有高强度、高模量、高介电性、耐高温、化学稳定性好等特点，是性能优良的陶瓷材料增强增强剂。 第一节是60年代末期，人们首先随机开展了面向耐热金属短纤维强化陶瓷类复合材料的研究，也发现了高强度高韧性的材料系列，但得到的复合材料密度高，环境适应性和高温抗氧化性能差，无法进一步发展。 原位晶须增强陶瓷基复合材料的研究表明，原位生长得到的晶须数量少，直径小，难以达到理想的增强效果。第一节概述了70年初，出现了高强度高模量、低成本的碳纤维，促进了纤维增强陶瓷复合材料的研

5、究与发展，碳纤维增强陶瓷复合材料所具有的优异性能在航天、武器等领域得到了应用。 碳纤维过滤器由碳纤维布缠绕而成，具有较强的吸附效果，有效去除水中的佝氯、异味、恶臭，去除率达到99%。 碳纤维刹车片，第一节概要，第一节概要，70年代初期，性能出色的SiC纤维登场，根据Si具有的高温抗氧化性能，SiC纤维强化锂铝硅酸盐玻璃陶瓷系复合材料在1000时配合弯曲强度基体，其他基体的热性能化学性能等的第一节是作为高温复合材料的强化成分使用的纤维的基本要求：化学上由单一物质构成，原子量小的原子以共价键结合的分子，典型的成分是工程陶瓷SiC和Si3N4物理上由纤维微细粒子构成，它们的结晶生长的可能性如果具备这

6、些基本条件，在化学上可以得到耐腐蚀性、耐热性、轻量的品质。在物理上可以得到高强度和弹性模量。 第1节的概要、复合材料的分类1、按基材分类的话，可以分为聚合物基、陶瓷基、金属基复合材料。 2 .按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。 3 .复合材料按性能分为结构复合材料和功能复合材料。 第1节概要、复合材料的特点1、在比强度和比弹性模量高中纤维强化复合材料最高。 2 .抗疲劳性能好是因为纤维对疲劳裂纹的发展有阻碍作用。 3、减振性能良好的复合材料中的许多界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。 4、高温性能好。 第一部分概述，主要因素由三个方面组成。 一个是基

7、体和增强体或功能体的性能；二个是复合材料的结构和成形技术；三个是复合材料中的增强体或功能体和基体的结合状态(物理和化学)及其产生的复合效果。 这三个方面都可以成为复合材料的弱点。 第二节基本理论，1 .影响复合材料性能的因素对于复合材料来说，这里所说的界面不是理想的几何方面，复合材料中相与相之间两相的交接区域是相当厚的界面层(纳米以上)，两相的接触会引起多种界面效应，界面层的结构和性能，第二节基本理论， 从物理化学的观点可知，不同相的多相共存系统在各相之间的边界总是存在一个界面，即相互间接触面。 2、界面效应、界面是强化相与基体之间的联系，也是应力和其他信息传递的桥梁。 复合材料中的增强体无论

8、是微纤维、晶须、粒子还是纤维，与基体在成形过程中都会发生不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。 复合材料中两相在交接面上的相互作用可以随着环境条件的变化而变化。 温度变化，可以改变相互作用，改变界面的厚度、化学结构、界面效应等。 根据第二节的基本理论，基体和增强体在一个成分与液体(或粘流动状态)接触或湿润的两个成分在某种条件下液体(或粘流动状态)的分散、接触及湿润过程两个固体成分分散的条件下发生物理及化学变化而结合，视为特殊的湿润过程。 这样的湿润过程是加强体和基体的紧贴界面良好地结合的必要条件。 3、复合材料界面形成过程。 第二节基本理论一般可分为两个阶段。 第一阶段基体和加强体的湿

9、润过程。为了形成复合材料增强体和基体的稳定界面键，不管是什么材料(金属/非金属/聚合物)，都必须经过物理或化学的硬化过程(凝固或化学反应引起的硬化)。 此时，增强体和基体分子能量最低，结构成为稳定的状态，复合材料中的界面固定而稳定。 这两个工艺大多是连续的，几乎同时进行的情况很多，用固体制造的非金属或金属系复合材料很难区分这两个工艺。 第二节基本理论，第二阶段是液态(或粘流动状态)组成的固化过程，表面自由能：物质表面所具有的性质是由于表面分子的位置状态和相内分子的位置状态的不同而引起的。 由物理化学可知，物质表面层上的分子能量比相内分子高，因此相内分子的移动不消耗功能，使相内分子向表面移动时，

10、抵抗分子间的吸引而发挥功能。 因此，如果将大块材料粉碎成小粒子，或者将大液滴分成小液滴，就需要对材料进行工作，消耗的能量就会转换成表面自由能。 一定的材料，粉碎程度越大，表面积越大，具有的表面能越高。 超微粒由于表面积巨大，具有相当高的表面自由能，其表面特性与本体材料相比变化较大。 第二节基本理论，4 .表面和界面化学的基础、表面张力、表面自由能及比表面能、表面张力是物质的特性。 这是物质内部分子间相互作用的表现。 表面张力与物质的结构、性质有关。 根据物质不同，分子间相互作用力也不同，分子间作用力越大，相互的表面张力也越大。 通常，金属离子键物质(氧化物熔体/熔融盐)极性分子物质(水等)弱极

11、性物质非极性物质(液状H2/Cl2等)； 第二节基本理论、物质表面张力与其接触的其他相物质有关。 与不同性质的物质接触时，表面层受到的力场不同的表面张力因温度而异，一般温度上升，表面张力下降。 温度上升，物质的体积膨胀，即分子间距离变大，分子间作用变小。 根据热力学概念，在恒温、恒压条件下，任何物质都有向自由能减少的方向自动移动的倾向，表面能也有自动减少的倾向。 要降低表面能，一方面可以自动收缩表面积，另一方面也可以通过降低比表面能来实现。 第二节基本理论、固体表面特性之一是吸附气体或吸附溶液中的溶质，这是一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面的现象。 这种现象称为吸附。 为什么有吸附现象？

12、 物体表面质点具有力场的不平衡状态，即表面能，该不平衡力场为了趋向平衡状态，需要吸附其他物质进行补偿，为了降低表面能(表面自由能)，固体表面会自动吸附降低这些表面能的物质。 它可分为物理吸附(由于没有选择性，固体表面吸附的分子可以是一层也可以是多层，速度快，可以是低温吸附)和化学吸附(固体表面原子的原子价没有完全饱和时，有剩馀的结合能力，吸附剂和吸附物之间有电子转移生成化学键)。 第二节基本理论、5 .表面吸附作用是当复合材料界面发生两种材料的扩散混合时，相容性成为粘接界面的重要因素。 增强体的表面特性和对复合材料界面结合的影响。 在纤维增强高分子复合材料、复合材料中，增强体的表面特性是影响复

13、合材料界面特性和材料特性的重要因素，它通常指三个方面：增强体表面的物理特性增强体表面的化学特性增强体的表面能。 第二节基本理论、6、固体的相容性和粘接。 增强体的表面特性和界面结合。 增强体的表面物理特性主要是指其比表面积、表面形态结构、多孔性、表面极性、表面结构的均匀性。增强体的巨大比表面是导致复合材料中巨大表面效应的根本原因。 增强体的比表面越大，增强体与基体的粘接的物理界面越大，因此对粘接强度的贡献越大。 另一方面，强化体的表面也存在一些空穴，这些空穴中存在气体，在复合材料的制造过程中，一部分空穴被填充到基体中，排除气体，呈现机械嵌件。 第二节基本理论是液体基体对增强体的浸润是常压或压力

14、下的毛细浸润过程，浸润效果的好坏直接影响复合材料的性能。 第二节基本理论、加强体的表面极性、均匀性。 增强体的极性取决于分子的结构、物质结构和外场的作用。 通常，极性的基体与极性的加强体有强的界面结合，所以也有强的界面强度基复合材料强度。 增强体表面的均匀性实质上是指增强体表面的活性点分布的均匀性，包含物理化学活性点及化学活性点。 这种活性点的分布影响增强体表面与基体的物理化学键和化学键效应。 第二节基本理论、强化体表面的化学特性和界面结合。 增强体的化学特性包括其表面化学组成和结构、表面反应特性等，其中增强体的表面反应特性是最重要的，增强体是否进行表面处理，能否与基体形成化学键，是否容易与环

15、境形成接触反应，影响复合材料性能的稳定性。 第二节基本理论、PE、PP等无极性塑料表面能低，可能难以用极性的聚氨酯胶粘剂粘接，这可以通过多种方法对聚烯烃塑料进行表面处理来解决。 一种方法是用冠状病毒处理使表面氧化、增加极性的：第二节基本理论、1、复合材料的结构和性能复合材料的结构通常有一个相是连续相，是基体，另一个相是在整个连续相中以独立形态分布的分散相，为了显着增强材料的性能，多称为增强体。 在许多情况下，色散比基质硬，刚性和强度比基质大。 分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或分散的填料。 在基体和增强体之间存在界面。 第3节为了复合材料的基本特性，复合材料由2种以上的成分和它们的界

16、面构成。 成分材料主要是指增强体和基体，这些也称为复合材料的增强相和基体相。 强化相和基体相的界面区域，由于其特殊的结构组成，也可以看作复合材料中的“相”，即界面相。 第3节复合材料的基本特性、强化相和基体相根据这些成分的物理化学性质和最终复合材料的形态来区分。 其中一种成分为长丝(连续或短切)、薄片或颗粒状，具有高强度、弹性模量、硬度和脆性，是复合材料承受外载荷时的主要载体相，称为增强相或增强体。 强化相或强化体在复合材料中呈分散形，被基体相的隔离包围，因此也被称为分散相。 第三节复合材料的基本特性，复合材料的另一种成分包围强化相，是比较柔硬的贯连材料，被称为基体相(matrix phase

17、 )。 复合材料的各种形态在图中示意性地表示：第3节复合材料的基本特性、复合材料及其强化相的各种形态、纤维状、颗粒状、层状、片状、填充状、复合材料在制造前的基材的形状可以是片、粉末、块或不定形的流体，如果该状态可以是固体的基材与强化相固定，则基材相在复合材料中被强化因此，基质相也被称为连续相。 基体相具有支撑和保护加强相的作用，在复合材料受到施加负荷时，基体相主要以剪切变形的方式向加强相分配负荷并进行传递。第3节复合材料的基本特性是，在复合材料中，强化相和基体相之间存在明显的接合面。 位于强化相和基体相之间，将两相相互连接，化学成分和力学性质明显区别于邻接的两相，是发挥在邻接的两相间传递负荷的作用的区域，被称为复合材料的界面(interface )。 第三节复合材料的基本特性是复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下，但界面层的总面积在复合材料中较大，复合材料的界面