材料化學第15講-復合材料

1、Teacher: Ph. D. Tengyun Zhang(張騰云) E-mail: peroxytyzhang20072008 學年第 2 學期第十五講材料化學導論-第八章高性能復合材料-AHigh Performance Composite Materials1主要內(nèi)容： 8.1 復合材料的概念、組成與 結構 定義與分類 復合材料組成 復合材料結構 復合材料結構 8.2 常見復合材料2復合材料？什么東東？3復合材料無所不在！史上最牛的釘子戶4我們住在復合材料里5樹木也是一種復合材料木質素纖維素6海膽：家在喜馬拉雅山上海膽最大的特征是那帶有刺的硬殼。那些硬刺用作保護，可能含有毒液，引致火燒一

2、般的疼痛。海膽有五片刀片般的牙齒，合在一起像組大鋼牙，正好長在腹部中央。它的食物是海藻，大鋼牙像除草機般，將海底藻類刮得干干凈凈 7進化的復合材料-海膽牙齒8進化的復合材料-貝殼9燕子窩：泥土-草復合材料10近代科學技術的迅速發(fā)展，對材料提出更加苛刻的特殊的要求和效能，使材料研究正逐步擺脫靠經(jīng)驗和摸索的方法研究材料的軌道，向著按預定性能設計材料的方向發(fā)展。用金屬、非金屬和高分子材料通過一定的工藝方法制成的復合材料，能保留原有組分的優(yōu)點，克服某些缺點，并顯示一些新性能。這種復合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，就是材料設計的一個典型例子。復合材料材料可設計性11復合材料與單質材料的力學性能比較128.1 復合材

3、料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類1. 定義 兩種或兩種以上性能不同的材料組合在一起而形成的一種具有新性能的材料 復合材料應具有以下幾個特征：細觀上看是非均相材料，組分間有明顯的界面；組分材料性能差異較大；各組分混合后，性能有明顯變化；組分的體積含量10%。簡言之：復合材料由連續(xù)基體相M(matrix phase)和分散增強相F(disperse phase)及界面相I(interface phase)所構成(三相)138.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類在復合材料中，三種物理相均發(fā)揮其獨特的作用增強分散相F增強作用，主要的承載者連續(xù)相M基體通過界面將應力傳遞到纖維

4、界面相I良好的界面粘結使基體發(fā)揮作用；適當?shù)慕缑嬲辰Y使在一定的應力下，發(fā)生界面脫粘、纖維拔出、摩擦功等機理，提高復合材料韌性。1. 定義14F與M的復合的實質是產(chǎn)生獨立的新相界面層I Interface,interphase,界面界面層的性質優(yōu)劣成為評價“復合”效果的內(nèi)在指標 通過對界面層實施設計與控制，獲得預期的“復合”效果 8.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類1. 定義15復合材料的含義現(xiàn)代材料科學所討論的復合材料是指纖維增強、薄片增強、顆粒增強或自增強的聚合物基、陶瓷基或金屬基復合材料。 復合材料的本質是采用增強劑增強，纖維增強劑的增強效果最好 工業(yè)上，復合材料通常是

5、指高強度、高模量、脆性的增強劑與低強度、低模量、韌性的基體材料經(jīng)過一定的成型加工方法而制成綜合性能優(yōu)異的材料。 8.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類1. 定義168.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類2. 分類 根據(jù)基體類型分類：金屬基CM；聚合物基CM（熱固性樹脂基復合材料、 熱塑性樹脂基復合材料）；無機非金屬基CM（陶瓷基復合材料、C/C 復合材料）。178.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類2. 分類 根據(jù)基體類型分類188.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類2. 分類 (2)根據(jù)增強體類型分類玻璃纖維復合材料；碳

6、纖維復合材料；有機纖維復合材料；硼纖維復合材料；碳化硅纖維復合材料；混雜纖維復合材料等。198.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類2. 分類(2) 根據(jù)增強體類型分類208.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類2. 分類 (3)根據(jù)分散相形態(tài)分類連續(xù)纖維增強復合材料；纖維織物、編織體增強復合材料；片狀材料增強復合材料；短纖維或晶須增強復合材料；顆粒增強復合材料等218.1 復合材料的組成與結構8-1-1復合材料定義及分類3. 命名復合材料可根據(jù)增強材料和基體材料類型命名。按基體材料類型命名有金屬基復合材料、鋁基復合材料、聚合物基復合材料、環(huán)氧樹脂基復合材料、陶

7、瓷基復合材料等。對于聚合物基復合材料，常以纖維類型命名，如玻璃纖維復合材料（俗稱玻璃鋼）、碳纖維復合材料、混雜纖維復合材料；更具體地，按組分材料，增強材料的名稱在前，基體材料名稱在后，再加上“復合材料”而構成。如E-玻璃纖維和環(huán)氧樹脂構成的復合材料，可命名為“E-玻璃纖維環(huán)氧樹脂復合材料”，簡稱（寫）為“E-玻璃/環(huán)氧復合材料”（俗稱環(huán)氧玻璃鋼）。228.1 復合材料的組成與結構8-1-2復合材料組成組成 F+M+I 238.1 復合材料的組成與結構8-1-2復合材料組成基體即連續(xù)相1.基體(matrix)基體材料不同有：金屬基CM、聚合物基CM、無機非金屬基CM248.1 復合材料的組成與結

8、構8-1-2復合材料組成1.基體(matrix)聚合物基體熱固性樹脂，熱塑性樹脂；金屬基體Al，Ni，Ti，Cu等；無機非金屬基體陶瓷基，碳基（C/C）等。 強度低、模量低主要作用： 把纖維粘結成一個整體，使纖維能共同承載； 支撐纖維，使復合材料承受壓縮載荷； 通過界面?zhèn)鬟f應力等。258.1 復合材料的組成與結構8-1-2復合材料組成2.增強材料(reinforcement)是一個龐大的材料體系、品種繁多，結構與性能呈多樣化，復合體系的系統(tǒng)組合、排列給予復合材料的巨大的發(fā)展空間，原則上，基體與增強體結構與性能差異越大，愈具復合價值，但更為重要的是基體與增強體之間的匹配。 作用：增強作用，承擔力

9、（載荷） 纖維比基體強度高268.1 復合材料的組成與結構8-1-2復合材料組成2.增強材料(reinforcement)278.1 復合材料的組成與結構8-1-2復合材料組成3.界面(interface)纖維與基體的粘結面CM存在大量的界面； 正是由于界面存在，賦予復合材料許多特殊性能； 界面的特性直接影響復合材料的性能； 界面非常重要，確切講復合材料中是個界面層(區(qū)、相)288.1 復合材料的組成與結構8-1-2復合材料組成298.1 復合材料的組成與結構8-1-2復合材料組成308.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構 無規(guī)分散（彌散）增強結構 （含顆粒、晶須、 短纖維）(ra

10、ndomly oriented) 連續(xù)長纖單向增強結構（單向板）(aligned) 層合(板)結構(二維織布或連續(xù)纖維鋪層，每層 不同)(laminate) 體增強結構 (三維編織braided fabric or filament winding) 夾層結構（蜂窩夾層等）(sandwich constructure) 混雜結構(hybrid constructure)1.結構類型318.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構引入相的“連通性”概念，理論上可將復合材料結構劃分為 0-3型、1-3型2-2型、2-3型、3-3型等幾種典型結構1.結構類型32三維編織纖維結構 三維正交非織造

11、的纖維結構 (a)非線性法平面增強 (b) 一種開式格狀結構 (c）一種柔性結構管、容器的螺旋纏繞平面纏繞線型1.結構類型33單向及準各向同性板的鋪層結構1. 結構類型348.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構PCM、MCM、CCM、C/CCM等復合材料體系對界面要求各不相同，它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點，使復合材料界面形成過程十分復雜，理論上可分為三個階段。2.界面形成過程（1）第一階段：增強體表面預處理或改性階段。 i) 界面設計與控制的重要手段 ii) 改性層成為最終界面層的重要組成部分 iii) 為第二階段作準備（2）第二階段：增強體與基體在一組份為液態(tài)（或粘

12、流態(tài)） 時的接觸與浸潤過程 i)接觸吸附與浸潤交互擴散化學結合或物理結合?；瘜W結合可 看作是一種特殊的浸潤過程 ii) 界面形成與發(fā)展的關鍵階段358.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構2.界面形成過程3）第三階段：液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的固化過程，即凝固或 化學反應 i) 界面的固定（亞穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)） ii) 界面的穩(wěn)定（穩(wěn)態(tài)、平衡態(tài)）在復合材料界面形成過程中涉及： i) 界面間的相互置換：如，潤濕過程是一個固- 液界面置換固-氣表面的過程 i i)界面間的相互轉化：如，固化過程是固-液 界面向固-固界面轉化的過程 后處理過程：固-固界面自身完善與平衡的過程368.1 復合材料的

13、組成與結構8-1-3復合材料結構3.界面處理（1）玻纖的表面處理有機硅烷類偶聯(lián)劑有機酸氯化鉻絡合物偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑的作用(functions of coupling agent)： 在兩相界面形成化學鍵，大幅度提高界面粘接強度 改善了界面對應力的傳遞效果 提供了一個可塑界面層，可部分消除界面殘余應力 提供了一個防水層，保護了界面，阻止了脫粘和腐蝕的生。 偶聯(lián)劑對不同復合體系具有較強的選擇性378.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構3.界面處理偶聯(lián)劑的功能： （a）有機硅烷水解形成硅醇；（b）硅醇的羥基與玻璃表面之間的氫鍵合；（c）結在玻璃表面的聚硅氧烷；（d）與聚合物反應的官能R基團3

14、88.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構3.界面處理（2）碳纖維的表面處理氧化處理氧等離子氣體的干法氧化 化學或電解進行的濕法氧化碳纖維氧化處理后： 能改善碳纖維表面與基體的浸潤性、相容性 能在表面形成許多活性官能團，這些官能團能與樹脂基體形成化學鍵合398.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構3.界面處理（2）碳纖維的表面處理碳纖維表面官能團與樹脂之間相互作用示意圖 408.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構3.界面處理（2）碳纖維的表面處理非氧化處理表面沉積無定型碳化學氣相沉積（CVD）法加涂 碳化硅、碳化硼、碳化鉻等等離子體氣體聚合及共聚涂層 改性高效晶

15、須化非氧化處理，主要用于C/C復合、CCM、MCM復合體系。418.1 復合材料的組成與結構8-1-3復合材料結構3.界面處理（3）有機纖維的表面處理終極防彈材料 “凱芙拉” kevlar纖維的結構特征，使對其進行表面處理的效果不明顯。即使能有效改善界面的浸潤和粘接強度，但其復合材料的宏觀破壞，強度難有大幅度提高，除非改善纖維的內(nèi)在微結構，以產(chǎn)生更均勻和各向同性的纖維。處理方法： 不同氣氛下等離子體處理，若在NH3中，可引入-NH2，與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應；若用可聚合單體氣分，可在纖維表面接枝聚合物。 纖維金屬化(略)428.1 復合材料的組成與結構8-1-4復合材料性能1、比強度、比模量高比強度

16、和比模量是指單位密度材料所具有的強度和模量：*/，E/， 量綱：長度，CM，M*結構材料的減重，用最輕重量獲得最大強度或模量強度：指材料失效時的最大應力值。單位：MPa或GPa。失效有斷裂和屈服兩種情況。抗拉強度：指外力是拉力時的強度極限。受拉斷裂時的最大應力值稱為抗拉強度。彈性模量：在彈性范圍內(nèi)外力隨變形成比例增長，即所受應力與應變成正比，比例系數(shù)稱為彈性模量。是材料剛度的指標。434445468.1 復合材料的組成與結構8-1-4復合材料性能材料密度（g/cm3）拉伸強度（Gpa）彈性模量（102Gpa）比強度（106）比模量（108）鋼7.81.032.11.32.7鋁合金2.80.47

17、0.751.72.6鈦合金4.50.961.142.12.5玻璃纖維復合材料2.01.060.45.32.0碳纖維/環(huán)氧復合材料1.451.501.410.39.7碳纖維/環(huán)氧復合材料1.61.072.46.715有機纖維/環(huán)氧復合材料1.41.400.81.05.7硼纖維/環(huán)氧復合材料2.11.382.16.610硼纖維/鋁基復合材料2.651.02.03.87.5478.1 復合材料的組成與結構8-1-4復合材料性能2、耐疲勞性能好，破損安全性高瞬時耐高溫性、耐燒蝕性好優(yōu)異的電絕緣性和高頻介電性能良好的摩擦性能優(yōu)良的耐腐蝕性有特殊的光學、電學、磁學特性3、阻尼減振性好4、具有多種功能性488.1 復合材料的組成與結構8-1-4復合材料性能可根據(jù)制品的使用條件、性能要求選擇原材料（纖維、樹脂）可根據(jù)制品的形狀、大小、數(shù)量選擇加工成型方法材料、結構的制備在同一工藝過程完成即可整體成型，減少裝配零件的數(shù)量，節(jié)省工時、節(jié)省材料、減輕重量5、良好的加工工藝性6、各向異性和性能的可設計性FRCM的力學、物理性能除了由纖維、基體的種類和含量（Vf）而定外，還與纖維的排列方向、鋪層序列等有關；可根據(jù)工程結構的載荷分布及使用