復(fù)合材料概念

1、1總論1）復(fù)合材料概念、命名、分類及其基本性能。概念：復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。命名：將增強(qiáng)材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，再加上復(fù)合材料”。（連續(xù)纖維復(fù)合材料按增強(qiáng)材料形態(tài)V短纖維復(fù)合材料粒狀填料凝合材料I編織復(fù)合材料（玻璃纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料I按增強(qiáng)纖維種類有機(jī)纖維復(fù)合材料分類金屬纖維發(fā)合材料I陶瓷纖維復(fù)合材料（聚合物基復(fù)合材料按基體材料（金屬基發(fā)合材料無機(jī)非金屬法復(fù)合材料計".此e/結(jié)構(gòu)克合材料按材料作叫功能&合材料基本性能：可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有大然材料所沒有的性

2、能。可按對材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計和制備。可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品。性能的可設(shè)計性是復(fù)合材料的最大特點(diǎn)。2）聚合物基復(fù)合材料的主要性能比強(qiáng)度、比模量大；耐疲勞性能好；減震性好；過載時安全性好；具有多種功能性；有很好的加工工藝性。3）金屬基復(fù)合材料的主要性能高比強(qiáng)度、高比模量；導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好；熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好；良好的高溫性能；耐磨性好；良好的疲勞性能和斷裂韌性；不吸潮、不老化、氣密性好。4）陶瓷基復(fù)合材料的主要性能強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗氧化，高溫下抗磨損性好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)和相對密度較小5）復(fù)合材料的三個結(jié)構(gòu)層次一次結(jié)構(gòu)：由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其

3、力學(xué)性能決定于組份材料的力學(xué)性能、相幾何和界面區(qū)的性能。二次結(jié)構(gòu)：單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)性能和鋪層幾何。三次結(jié)構(gòu)：工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。6）復(fù)合材料設(shè)計的三個層次單層材料設(shè)計：包括正確選擇增強(qiáng)材料、基體材料及其配比，該層次決定單層板的性能。鋪層設(shè)計：包括對鋪層材料的鋪層方案做出合理安排，該層次決定層合板的性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計：確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸。2基體材料1）金屬基體材料選擇基體的原則、金屬基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體、金屬基功能復(fù)合材料的基體原則：金屬基復(fù)合材料的使用要求；金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)；集體金屬與增強(qiáng)物的相容性。結(jié)

4、構(gòu)復(fù)合材料的基體可大致分為輕金屬基體和耐熱合金基體兩大類。金屬基功能復(fù)合材料的基體是純鋁及鋁合金、純銅及銅合金、銀、鉛、鋅等。2）無機(jī)膠凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。研究和應(yīng)用最多的是纖維增強(qiáng)水泥基增強(qiáng)塑料與樹脂相比，水泥基體材料的特征特征：水泥基體為多孔體系，其孔隙尺寸可由十分之幾納米到數(shù)十納米；纖維與水泥的彈性模量比不大；水泥基材的斷裂延伸率較低；水泥基材種含有粉末或顆粒狀的物料，與纖維呈點(diǎn)接觸，故纖維的摻量受到很大的限制。水泥基材呈堿性，對金屬纖維可起保護(hù)作用，但對大多數(shù)礦物纖維不利3）陶瓷材料常用的陶瓷基體、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷種類基體：玻璃，玻璃陶瓷，氧化物陶瓷，非

5、氧化物陶瓷。氧化物陶瓷種類：I-非氧化物陶瓷種類：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物3增強(qiáng)材料1）玻璃纖維分類（玻璃原料成分）這種分類方法主要用于連續(xù)玻璃纖維，一般以不同的含堿量來區(qū)分。無堿玻璃纖維，中堿玻璃纖維，有堿玻璃（A玻璃）纖維，特種玻璃纖維2）玻璃結(jié)構(gòu)兩個假說微晶結(jié)構(gòu)假說認(rèn)為，玻璃是由硅酸塊和或二氧化硅的微晶子”組成，在微晶子之間由硅酸塊過冷溶液所填充。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說認(rèn)為，玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na,K,Ca,Mg等陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)，填充的Na,Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。

6、3）玻璃纖維的化學(xué)組成玻璃纖維的化學(xué)組成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化鈣、三氧化二鋁等。4）玻璃纖維高強(qiáng)的原因及影響因素（*）微裂紋假說認(rèn)為，玻璃的理論強(qiáng)度取決于分子或原子間的引力，其理論強(qiáng)度很高,可達(dá)至U200012000Mpa直徑：直徑變細(xì)，拉伸強(qiáng)度增加。纖維的長度：長度增加，拉伸強(qiáng)度顯著下降?；瘜W(xué)組成：含堿量越高，強(qiáng)度越低。纖維的老化，纖維的疲勞成型方法與成型條件：玻璃硬化速度越快，纖維強(qiáng)度越高。5）影響玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的因素有哪些？玻璃纖維的化學(xué)成分，纖維表面情況對化學(xué)穩(wěn)定性的影響，侵蝕介質(zhì)體積和溫度對玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的影響，玻璃纖維紗的規(guī)格及性能。6）中堿玻璃纖維與無堿玻璃纖維

7、耐酸性那個好，為何？中堿纖維含N妹0,K20比無堿纖維高二十幾倍，受酸作用后，首先從表面上，有較多的金屬氧化物侵析出來，但主要是NdO,KaO的離析、溶解；另一方面酸與玻璃纖維中硅酸鹽作用生成硅酸，而硅酸迅速聚合并凝成膠體，結(jié)果在玻璃表面上會形成一層極薄的氧化硅保護(hù)膜，這層膜使酸的侵析與離子交換過程迅速緩慢，使強(qiáng)度下降也緩慢。實(shí)踐證明NO,K上。有利于這層保護(hù)膜的形成，所以中堿纖維比無堿纖維的耐酸性好。7）玻璃纖維織物有哪些種類？玻璃纖維布：平紋布，斜紋布，緞紋布，方格布，單向布，無紡布玻璃纖維氈：短切纖維氈，表面氈，連續(xù)纖維氈玻璃纖維帶8）在制造玻璃纖維原絲的過程中為何要用浸潤劑，浸潤劑起到

8、什么作用，常用的浸潤劑有哪些？1.原絲中的纖維不散亂而能相互粘附在一起；2,防止纖維間的磨損；3.原絲相互間不粘結(jié)在一起；4,便于紡織加工等。石蠟乳劑和聚醋酸乙烯酯。9）碳纖維概念、性能特點(diǎn)、制造方法、主要原料及其五個階段。碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料碳纖維性能優(yōu)異，不僅重量輕，比強(qiáng)度大，模量高，而且耐熱性好，化學(xué)穩(wěn)定性好。具制品具有非常優(yōu)良的X射線透過性，阻止中子透過性，還可賦予塑料以導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。制造方法：氣相法、有機(jī)纖維碳化法。原料：人造絲，PAN纖維，瀝青階段：拉絲，牽伸，穩(wěn)定，碳化，石墨化。10）纖維的老化、疲勞關(guān)于存放時間對纖維強(qiáng)度的影響

9、，當(dāng)纖維存放一段時間后，會出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，稱為纖維的老化。關(guān)于施加復(fù)核時間對纖維強(qiáng)度的影響，玻璃纖維的疲勞一般是指纖維強(qiáng)度隨施加負(fù)荷時間的增加而降低的時間。11）晶須為何具有圖強(qiáng)度？主要是由于它的直徑非常小，容納不下能使晶體削弱的空隙、位錯和不完整的等缺陷。晶須材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，使它的強(qiáng)度不受表面完整性的嚴(yán)格限制。第四章復(fù)合材料的界面1）簡述復(fù)合材料界面的定義、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、作用以及界面的結(jié)合方式。復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著變化的構(gòu)成彼此結(jié)合的，能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面的結(jié)構(gòu)：由五個亞層組成：樹脂基體基體表面相互滲透區(qū)增強(qiáng)劑表面區(qū)增強(qiáng)劑及外力場特點(diǎn)：界面雖然很

10、小，但是它是有尺寸的，約幾個納米到幾個微米，是一個區(qū)域或一個帶，或一個層，厚度不均勻。它包含里基體和增強(qiáng)物的部分原始接觸面?；w與增強(qiáng)物相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物，此產(chǎn)物與基體及增強(qiáng)物的接觸面等。在化學(xué)成分上有基體等元素外還有其他雜質(zhì)，因此界面上的化學(xué)成分和相結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的。作用：界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的技能歸納為以下幾種效應(yīng)：傳遞效應(yīng)阻斷效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)1、機(jī)械結(jié)合：基體與增強(qiáng)體材料之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，借助增強(qiáng)纖維表面凹凸不平的形態(tài)而產(chǎn)生的機(jī)械較合和基體與纖維之間的摩擦阻力形成。2、溶解與浸潤結(jié)合：基體潤濕增強(qiáng)材料相互之間發(fā)生原子擴(kuò)散和溶解形成結(jié)合。液態(tài)或是粘流態(tài)基體

11、對增強(qiáng)纖維的侵潤，而產(chǎn)生的作用力，作用范圍只有若干原子間距大小。3、反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)體材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上生成化合物，以化學(xué)鍵連接基體和增強(qiáng)體，是基體和增強(qiáng)材料結(jié)合在一起?；w與纖維之間形成界面反應(yīng)層。4、交換反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)材料間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物，且還通過擴(kuò)散發(fā)生元素交換，形成固溶體而使兩者結(jié)合。5、混合結(jié)合：上述幾種形式的混合結(jié)合方式。3）描述聚合物基復(fù)合材料界面的形成過程。簡述聚合物基復(fù)合材料界面作用機(jī)理。界面的形成可分為兩個階段：第一階段是基體與增強(qiáng)纖維的接觸與潤濕過程。增強(qiáng)體對基體分子中不同基團(tuán)或基體各組分的吸附能力不同；聚合物的界面結(jié)構(gòu)與本體不同。這一階段是

12、界面形成與發(fā)展的關(guān)鍵階段。第二階段是聚合物的固化階段。聚合物通過物理或化學(xué)過程固化形成固定界面層。第一階段與第二階段往往是連續(xù)的，有時是同時進(jìn)行的。界面作用機(jī)理：浸潤吸附理論：浸潤是形成復(fù)合材料界面的基本條件之一，浸潤不良會在界面上產(chǎn)生空隙，易因應(yīng)力集中而開裂，完全浸潤則將提高符合材料的強(qiáng)度化學(xué)鍵理論：該理論認(rèn)為基體樹脂表面的活性官能團(tuán)與增強(qiáng)體表面的官能團(tuán)能其化學(xué)反應(yīng)，在界面形成共價鍵結(jié)合物理吸附理論：也稱機(jī)械作用理論：認(rèn)為增強(qiáng)纖維與樹脂基體之間的結(jié)合屬于機(jī)械較合和基于次價鍵作用的物理吸附過渡層理論：為消除內(nèi)應(yīng)力，界面區(qū)應(yīng)存在一個過渡層，起到應(yīng)力松弛作用拘束層理論：該理論也認(rèn)為在基體和增強(qiáng)體之

13、間存在一個松弛應(yīng)力的過渡層，但是該過渡層并非柔性的變形層擴(kuò)散層理論：這種物理結(jié)合是指復(fù)合材料的增強(qiáng)體和基體的原子或分子越過兩組成物的邊界相互擴(kuò)散而形成的界面結(jié)合減弱界面局部應(yīng)力作用理論：認(rèn)為處于基體與增強(qiáng)體界面間的偶聯(lián)劑提供了一種“自愈能力”的化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵在外載荷作用下處于不斷形成和斷裂的動態(tài)平衡狀態(tài)靜電吸引理論：合適的偶聯(lián)劑使復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體的表面帶有異性電荷，引起相互吸引，從而形成界面結(jié)合力，靜電引力引起的界面強(qiáng)度取決于電荷密度。4）簡述金屬基復(fù)合材料界面的類型、結(jié)合形式、影響其界面穩(wěn)定性的因素以及界面控制方法。I類界面（纖維與基體互不反應(yīng)亦不溶解）是平整的，厚度為分子層的程度

14、，除原組分外，界面不含其他物質(zhì)。n類界面（纖維與基體不反應(yīng)，但相互溶解）是由原組分構(gòu)成的犬牙交錯的溶解擴(kuò)散型界面m類界面（纖維與基體相互反應(yīng)形成界面反映層）含有亞微級左右的界面反應(yīng)物質(zhì)（界面反應(yīng)層）結(jié)合方式：物理結(jié)合：指借助材料表面的粗糙形態(tài)而產(chǎn)生的機(jī)械絞合，以及借助基體收縮盈利包緊纖維時產(chǎn)生的摩擦結(jié)合？溶解和浸潤結(jié)合：纖維與基體的相互作用力是極短程的，只有若干原子間距？反應(yīng)結(jié)合：特征是在纖維與基體之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層影響界面的穩(wěn)定因素：包括物理和化學(xué)兩個方面。物理方面的不穩(wěn)定因素主要指在高溫條件下增強(qiáng)纖維與基體間的熔融?；瘜W(xué)方面的不穩(wěn)定因素主要與復(fù)合材料在加工和使用過程中發(fā)生的

15、界面化學(xué)作用有關(guān)，包括連續(xù)界面反應(yīng)，交換式界面反應(yīng)和暫穩(wěn)態(tài)界面變化等幾種現(xiàn)象。界面控制方法：增強(qiáng)體表面涂層處理，金屬基體合金化，優(yōu)化制備方法和工藝參數(shù)。5）玻璃纖維的表面處理劑種類？用表面處理劑處理玻璃纖維的方法目前主要有哪三種？試簡述之。有機(jī)絡(luò)合物類表面處理劑，是有機(jī)酸與氯化銘的絡(luò)合物，該類處理劑在無水條件下結(jié)構(gòu)式為Ao有機(jī)銘絡(luò)合物的品種較多，其中以甲基丙烯酸氯化銘配合物應(yīng)用最為廣泛，具結(jié)構(gòu)式為Bo前處理法：用既能滿足抽絲和紡織工藝要求，又能促使纖維和樹脂浸潤與粘接的處理劑代替紡織型浸潤劑，在玻璃纖維抽絲過程中，涂覆到玻璃纖維上。后處理法：先除去抽絲過程涂覆在玻璃纖維表面的紡織浸潤劑，纖維經(jīng)

16、處理劑浸漬、水洗、烘干，使玻璃纖維表面上覆上一層處理劑。遷移法：將化學(xué)處理劑加入到樹脂膠粘劑中，在纖維浸膠過程中，處理劑與經(jīng)過熱處理后的纖維接觸，當(dāng)樹脂固化后產(chǎn)生偶聯(lián)作用。7）對碳纖維進(jìn)行表面處理的方法有哪些？氧化法、沉積、電聚合、電沉積、等離子體處理第五章聚合物基復(fù)合材料1什么是聚合物？什么是聚合物基復(fù)合材料？聚合物是指那些由眾多原子或原子團(tuán)主要以共價鍵結(jié)合而成的相對分子量在一萬以上的化合物。聚合物基復(fù)合材料是以郵寄聚合物為載體，連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料組合而成的2聚合物基復(fù)合材料中聚合物基體的選擇原則是什么？良好的綜合性能，對增強(qiáng)材料具有較大的粘附力，良好的工藝性，低毒性，低刺激性，價格合理3聚

17、合物基復(fù)合材料的基本性能有哪些？較高的比強(qiáng)度和比模量，抗疲勞性能好，減振性能好，高溫性能好，安全性好，可設(shè)計性強(qiáng)、成型工藝簡單。4聚合物基復(fù)合材料噴射成型對原材料有哪些要求？噴射成型的特點(diǎn)是什么？在樹脂體系的粘度應(yīng)適中，容易噴射物化、脫除氣泡和浸潤纖維，以及不帶靜電等。可以成型比較復(fù)雜形狀的制品，但其厚度和纖維含量都較難精確控制，樹脂含量一般在60%以上，孔隙率較高，制品強(qiáng)度較低，施工現(xiàn)場污染和浪費(fèi)較大。5聚合物基復(fù)合材料成型加工技術(shù)有哪些？手糊成型一濕法鋪層成型，真空袋壓法成型，壓力袋成型，樹脂注射和樹脂傳遞成型，噴射成型，真空輔助樹脂注射成型，夾層結(jié)構(gòu)成型，模壓成型，注射成型，擠出成型，纖

18、維纏繞成型，拉擠成型，連續(xù)板材成型，層壓或卷制成型，熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型，離心澆鑄成型。6簡述模壓成型工藝的具體工藝過程。將定量的模數(shù)量或顆粒狀樹脂與短纖維的混合物放入敞開的金屬對模中，閉模后加熱使其融化，并在壓力作用下充滿模腔，形成與模腔相同形狀的模制物，再經(jīng)加熱使樹脂進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化，或者冷卻使熱塑性樹脂固化，脫模后得到復(fù)合材料制品。7連續(xù)纏繞成型工藝對樹脂基體及模芯材料有什么要求？并簡述其具體工藝過程。將纖維或帶狀織物浸漬樹脂后纏繞在芯模上，或者先將纖維或帶狀織物纏好后再浸漬樹脂。目前普遍采用前者。纏繞機(jī)類似一部機(jī)床、纖維通過樹脂槽后，用軋輾除去纖維中多余的樹脂。纖維應(yīng)具有

19、較高的強(qiáng)度和模量，容易被樹脂浸潤，纖維紗的張力均勻和纏繞時不起毛、不斷頭。所使用的芯模應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受成型加工過程中各種載荷如纏繞張力、固化時的熱應(yīng)力、自重等。第六章金屬基復(fù)合材料1分類按基體：鋁基復(fù)合材料、鍥基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料按增強(qiáng)體：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、層狀復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料2簡述金屬基復(fù)合材料中纖維狀增強(qiáng)體的共性高強(qiáng)度，高模量，容易制造和價格低廉，化學(xué)穩(wěn)定性好，纖維的尺寸和形狀，性能的再現(xiàn)性與一致性，抗損傷或抗磨損性能3簡述鋁基復(fù)合材料的制造及二次加工工藝？纖維排列、復(fù)合材料組分的組裝壓合和零件層壓。二次加工是指對基本的復(fù)合材料型件如平板、梁和管等所進(jìn)行的加工

20、、包括成型、連接機(jī)械加工和熱處理等工藝過程。第七章陶瓷基復(fù)合材料1陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體也稱為增韌體。從幾何尺寸上可分為纖維、晶須和顆粒。2纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料分類及其增韌機(jī)理按纖維排布方式的不同，可將其分為單向排布長纖維復(fù)合材料和多向排布纖維復(fù)合材料。單向：當(dāng)外加應(yīng)力進(jìn)一步提高時，由于基體與纖維間的界面的離解，同時又由于纖維的強(qiáng)度高于計提的強(qiáng)度，進(jìn)而使纖維可以從基體中拔出。當(dāng)拔出的長度達(dá)到某一臨界值時，會使纖維發(fā)生斷裂。因此裂紋的擴(kuò)展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，這使得材料的斷裂更加困難，從而起到了增韌的作用。實(shí)際材料斷裂過程中，纖維的斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面，這樣主

21、裂紋還將沿纖維斷裂位置的不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向。這也同樣會使裂紋的擴(kuò)展阻力增加，從而使韌性進(jìn)一步提高。多向：機(jī)理與單向排布纖維復(fù)合材料一樣，主要靠纖維的拔出與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制，使其韌性及強(qiáng)度比基體材料大幅度提高。3纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的成型方法泥漿澆鑄法：在陶瓷泥漿中把纖維分散，然后澆鑄在石膏模型中。熱壓燒結(jié)法：將長纖維切短，然后分散并與基體粉末混合，再用熱壓燒結(jié)的方法即可制得高性能的復(fù)合材料。浸漬法：首先把纖維編織成所需形狀，然后用陶瓷泥漿浸漬，干燥后再進(jìn)行焙燒。4晶粒和晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝流程。（*）配料：濕法和干法。一般采用濕法，濕法主要采用水作溶劑，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系的原料混合時，為防止原料的氧化則使用有機(jī)溶劑?；旌涎b置一般采用專用球磨機(jī)。成型：金屬模成型法和橡皮模成型法，注射成型法，擠壓成型法。燒結(jié)：從生胚中除去粘合劑后的陶瓷素坯