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材料表面与界面名词解释和简答题

材料表面与界面

1、材料表界面对材料整体性能具有决定性影响,材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等,无不与材料的表界面密切有关。

2、应用领域:a. 航空和航天器件;b.民用;c.特种表面与界面功能材料;d.界面是复合材料的重要特征。

3、隐形涂料:这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料,依靠其自身自由电子的重排来消耗雷达波的能量。

4、表面与界面概念:常把从凝聚相(固相、液体)过渡到真空的区域称为表面; 从一个相到另一个相之间的区域称为界面.

5、表界面尺寸:可以是一个原子层或多个原子层,其厚度随材料的种类不同而不同。

6、在物质的气、液、固三态中,除了两种气体混合能完全分散均匀而不能形成界面外,三种相态的组合可构成五种界面:液-气,液-液,固-气,固-液,固-固。

7、物质的分类。从形态上:固体,液体,气体,胶体,等离子体。从结构上:晶体,无定形。

8、固体表面的分类:理想表面;清洁表面(高温热处理,离子轰击加退火,真空解理。真空沉积。场致蒸发等)。吸附表面。

9、清洁表面发生的常见重要物理化学现象:(a)表面弛豫;(b)重构;(c) 偏析又称偏聚或分凝;(d)台阶化;(e) 形成化合物;(f)吸附

10、表面处离子排列发生中断,体积大的负离子间的排斥作用,使C1-向外移动,体积小的Na+则被拉向内部,同时负离子易被极化,屏蔽正离子电场外露外移,结果原处于同一层的Na+和C1-分成相距为0.020 nm的两个亚层,但晶胞结构基本没有变化,形成了弛豫。

11、重构:表面原子重新排列,形成不同于体相内部的晶面。

12、偏析又称偏聚或分凝指化学组成在表面区域的变化但结构不变。

13、台阶化表面附近的点阵常数不变,晶体结构也不变,而形成相梯度表面。

14、形成化合物:指表面化学组成和结构都发生改变,在表面有新相生成。

15、吸附指表面存在周围环境中的物种。分类:物理吸,附和化学吸附。

16、物理吸附:外来原子在固体表面上形成吸附层,由范德华力作用力引起,则此吸附称为物理吸附。特点:物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学键的生成和破坏,没有原子重排等等,产生吸附的只是范德华力。物理吸附的作用力是范德华力,包括:定向力/偶极力、诱导力、色散力;作用力。

17、化学吸附:外来原子在固体表面上形成吸附层由化学键作用力引起,则此吸附称为化学吸附。特点:表面形成化学键;有选择性;需要激活能;吸附热高(21- 42 KJ/mol)。吸附的物种可以是有序=也可以是无序=吸附在表面,也可以是单层=,也可以是多层=吸附。因表面的性质和被吸附的物种而定。

18、表面产生吸附的根本原因:(1)电荷在凝聚相表面发生迁移,包括负电荷的电子迁移和正电荷的离子迁移。(2)表面存在可以构成共价键的基团:A、过渡金属原子空的d轨道如Pt(5d96s1);B、化学反应成键。

19、固体的表面特性:①表面粗糙度r : 实际表面积与光滑表面积之比值。表面粗糙度测定方法:1)干涉法:适合测量精密表面;2)光学轮廓法;3)探针法;4)比较法;5)感触法。

20、干涉法: 空间的多束光传播时,在它们的重叠区域会发生干涉,两束光迭加后其光强的分布并非均匀,光强随光程差D 的变化按余弦规律变化,从一个亮条纹到另一个亮条纹, 具有相同光程差的点必然分布在同一条纹上. 因此,只要知道光波的波长就可以测得表面微观不平度。

21、在研究多孔固体物理吸附时,常常出现逐渐增加气体压力时得到的等温线与吸附后逐渐降低压力时得到的脱附等温线不相重合,这就是所谓的滞后现象。滞后圈存许多不同的形状,分别对应于不同的孔结构。

22、Θ=(bp )/(1+bp)=V/Vm ;此式称为Langmiur 吸附等温式,b 称为吸附系数。以p/V~p 作图,可得一直线,从直线的斜率和截距可以求出Vm 和b 。

1、扩散是材料中存在有浓度梯度时产生的原子定向运动。

2、扩散机理:在固体中原子扩散, 主要通过原子利用缺陷位置进行运动。如填隙原子、空位和原子团互换位置。

3、表面扩散分类:(a)原子浓度梯度引起的表面扩散;(b)毛细管作用力引起的表面扩散。

4、表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功,也可以理解为表面能。

5、把两本体相的界面,从其平衡位置可逆地分离到无限远时则需做一份外功,称之为粘附功。

6、拉普拉斯方程:r p /2γ=?。表面弯曲的液体在表面张力作用下受到一定的附加压力,附加压力的大小总是指向曲率中心。

7、液体的表面和界面张力的测定方法,有液滴法、悬滴法、毛细管上升法、气泡最大压力法、滴重法、吊片法和环吊法等等,原则上也适应于测定熔融和液态高聚物的表面张力。

8、影响界面张力的因数:①温度增高,表面张力下降。②两相极性相同时,表面张力越小;③分子量

9、固体表面张力的测定方法:1)Zisman 法;2)熔体表面张力外推至 室温方法。

1、润湿作用是一种流体置换表面上另一种流体的过程。润湿作用主要是指液体取代固体表面上的空气。

2、固体表面三种润湿过程:(a )粘附润湿(b)铺展润湿(c)浸渍润湿。

3、沾湿过程:失去一个“液-气”界面和一个“固-气”界面,形成一个“固-液”界面。

4、浸湿过程:将固体浸入到液体中谓之浸湿。“气-固”界面为“液-固”界面所取代。

5、铺展润湿:将一滴液体置于固体表面上,在恒温恒压条件下,液滴在固体表面上自动展开形成液膜的过程谓之铺张润湿。固气界面消失而形成了“固-液”界面和“液-气”界面。

6、杨氏方程和接触角:lg /)(cos γγγθsl sg -=。粘湿:θ≤180°,Wa ≥0。 浸湿:θ≤90°,Wi ≥0。铺展:θ=0或不存在,S ≥0 。θ>90°为不润湿;θ<90°为润湿,且θ愈小润湿就愈好,θ=0时为完全润湿。

7、影响固体表面润湿行为的主要因素:①与构成表面材料本身的物理化学特性

有关;②与构成表面形貌和结构密切相关;③与外部条件有关如温度等。

8、θ<90°时,θ'<θ,即在润湿的前提下,表面粗糙化后θ' 变小,更易为液体所润湿。

θ>90°时,θ'>θ,即在不润湿的前提下,表面粗糙化后θ'变大,更不易为液体所润湿。

9、在固-液界面扩展过程中存在一个前进角,以θa 表示,和收缩后的接触角称为后退角,以θr 表示.一般,前进角往往大于后退角,两者之差值(θa-θr)称为接触角滞后现象。

10、引起接触角滞现象的原因:固体的表面粗糙不平、不均匀、表面受污染等。

11、高能表面材料的表面张力远远大于一般液体的表面张力.因此,一般液体均能在高能表面上自动铺展润湿。

12、低能表面的润湿规律:只有表面张力等于或小于固体的γc 值的液体才可能在该固体表面铺展润湿。

13、接触角的测定方法:①躺滴法/投影-切线法;②吊板法;③Bartell 静态法,称:位移压力法;④Washburn 动态法。

1、材料结构和性能的表征:材料的形貌、化学组成、相组成、晶体结构、缺陷等。

2、表征材料形貌的仪器:光学显微镜;扫描电子显微镜;原子力显微镜;扫描隧道显微镜;透射电子显微镜;高分辨率透射电子显微镜。

3、检测化学组成的仪器:X-Ray 光电子能谱, 测组成和价态;红外光谱;核磁共振谱。

4、检测相组成、晶体结构:X-ray 衍射;拉曼光谱;精细X-ray 衍射谱。

5、表面、界面、薄墨中的偏析、吸附扩散、粘附等特性用俄歇电子谱;二次离子质谱;离子散射谱 检测。

6、扫描电子显微镜(SEM )主要特点:①电磁物镜的特点;②高真空下观察样品形貌;③样品分辨率高;④样品需要导电,对于不导电的样品需要先溅射上一层金或者铂金;⑤环境扫描电镜。

7、TEM 特点:①电子透过样品有散射和衍射等现象;②电磁物镜的特点;③高真空下观察样品形貌,对于不同材料在同一聚集体中显出不同的衬度,是研究符合材料非常有效的手段;④样品分辨率高;⑤样品不需要导电。

8、扫描隧道显微镜(STM )特点:①只能得到表面的微结构,不能得到成分;②分辨率可达: 0.1 ~ 0.01 nm ;③可以在真空、大气、溶液条件下进行表面分析,图象的质量与针尖非常密切相关;④样品要有一定的导电性。

布拉格方程:λθn d hkl =sin 2 。

9、Raman (拉曼)效应产生于入射光的电场与介质表面上振动的感生偶极子的相互作用,导致分子的旋转或振动模式的跃迁变化。特点:①Raman 光谱研究分子结构时与红外光谱互补;②Raman 光谱研究的结构必需要有结构在转动或者振动过程中的极化率变化(红外光谱研究的结构必需要有有结构在转动或者振动过程中偶极矩差异);③可以测定物质的晶体结构和晶相判断,但只能是研究光能到达的表面区域;④样品可以是固态、液体或者气体。

10、光电发射定律:当能量为hv 的光激发原子或者分子时,光子的能量被吸收,

轨道上的电子被激发,使其脱离原子,即产生一个离子。

1、电子的特点:高速;概论出现(电子云);能量不连续(能级);薛定谔方程。

2、本征半导体:纯净的、不含杂质的半导体。杂质半导体:N型半导体和P型半导体两类。

3、N型半导体(施主)中的多数载流子(多子)为电子。空穴为少数载流子(少子)。

4、P型半导体(受主)中的多数载流子(多子)为空穴。电子为少数载流子(少子)。

5、扩散运动:载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流:载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。浓度差→扩散运动→扩散电流;扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比。

6、漂移运动:载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流:载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。电位差→漂移运动→漂移电流;漂移电流大小与电场强度成正比。

7、pn结定义:把一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起,由于P、N区载流子浓度不等,N区电子浓度向P区扩散,P区空穴向N区扩散,结果在交界面处积累电荷形成电偶极层,将该结构称为p-n结。

8、PN结基本特性:在内建电场作用下,电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。在无外加电压的情况下,载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡,电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。

9、单向导电性(整流):PN结加正向电压:流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升,PN结呈现为小电阻。该状态称为PN结正向导通状态。PN结加反向电压:流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS),PN结呈现为大电阻。该状态称为PN结反向截止状态。

10、p-n结电容特性:一个p-n结在低频电压下,能很好地起整流作用,但是当电压频率增高时,其整流特性变坏。p-n结上外加电压的变化,引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用,导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化,这和一个电容器的充放电作用相似。这种p-n结的电容效应称为势垒电容。由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应,称为p-n结的扩散电容。

11、平衡p-n结的空间电荷区两端间的电势差,称为p-n结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量称为p-n结的势垒高度。

12、表面势:在空间电荷区内便存在一定的电场,造成能带弯曲,使半导体表面和内部之间存在电势差,即表面势。

13、表面态:在表面与界面处,晶体的周期性势场突然发生中断或明显的畸变,这种明显区别于体内的特殊势场,经薛定谔方程会形成或产生,了一些电子的附加状态,称为表面态或界面态。(本征表面态和非本征表面态)

14、表面电导:平行于表面的某一方向加上一外电场,表面区域存在着载流子将作定向运动,从而对电导作出贡献,这就是表面电导。

15、MIS(指金属—绝缘层—半导体)结构满足以下条件:①金属与半导体间功函数差为零;②在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电;③绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。

16、光电功能器件:LED(发光二极管);太阳能电池;气体传感器。

17、晶界势垒:晶界处集聚有杂质、缺陷和偏析相。离子(陶瓷)在晶界上的凝集,则会引起晶界带电。晶界带电和空间电荷层的形成,引起晶界附近能带弯曲。

18、半导体的功函数:在绝对零度时,一个起始能量等于费米能级的电子,由半导体内部逸出到真空中所需要的最小能量。

19、表面势垒:半导体表面形成一个正的空间电荷区,电场体内指向表面;半导体表面电子的能量高于体内,能带向上弯曲,形成表面势垒。势垒空间中空间电荷由电离施主形成,电子浓度比体内小,形成一个阻挡层。

1、纳米材料是三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。包括:纳米微粒、纳米结构、纳米复合材料;

2、纳米效应:表面效应(界面和表面的悬键)、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应。

3、纳米材料的基本单元包括:零维:纳米尺寸的粒子。一维:纳米粗细尺寸的棒、碳管、线。二维:指空间一维处于纳米尺度,如超薄膜、多层膜、超晶格对应称为:量子点、量子线、量子阱。三维:纳米尺寸晶粒的三维块材料。

4、表面效应:粒子直径减少到纳米级,表面原子数和比表面积、表面能都会迅速增加;处于表面的原子数增多,使大部分原子的周围(晶场)环境和结合能与大块固体内部原子有很大的不同:表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质,易与其它原子相结合,故具有很大的化学活性。

5、量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到一定值时, 颗粒的周期性边界条件消失,在声、光、电磁、热力学等奇异效应. 金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象,纳米半导体微粒存在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

6、体积效应:超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件被破坏,导致声、光、磁、热、力等特性呈现新的效应。

7、宏观量子隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近来年,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。

8、界面相关效应:由于纳米结构材料中有大量的界面,与单晶材料相比,纳米结构材料具有反常高的扩散率,它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响;可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂,并可使不混溶金属形成新的合金相;出现超强度、超硬度、超塑性等。

9、纳米材料的特殊性质:光学性质;磁性质;催化性质;增强、增韧性质;润滑性质等。

10、纳米材料制备方法:①化学方法;②液相法:化学沉淀法(均匀沉淀法, 共沉淀法);水解法(醇盐,卤化物);溶胶-凝胶法;水热法;③化学法气相法:气溶胶法;激光法;等离子法;裂解法;氧化法;④物理法;⑤气相法;⑥固相法:高能球磨法;搅拌磨法;震动磨法。

11、超微粒材料的特点:表面积大;表面能大;活性高;颗粒之间作用强;容易聚集;容易失活等特点。

12、影响粉体性能的基本因素:粉末材料的化学成分;表面官能团;表面酸碱性;粉末材料的晶体结构:晶态、非晶态、准晶态;粉末材料的形貌特征;粒径、粒

径分布、形状;粉末材料的表面性质;表面能、表面张力、表面化学位。

13、纳米粉体表面改性:改变表面组成、极性、空间位阻、能量。

14、粉体的表面及界面性质的参数:比表面积;表面能;表面官能团;表面润湿性(接触角);表面电性能。

15、超微粒子的表面修饰的方法: ①表面物理修饰:a. 吸附、涂敷、包覆的特征是通过范德华力将异质材料吸附在纳米微粒的表面,防止超微粒子的团聚,或者改善超微粒子的表面特性。b. 表面沉积方法:将需要的物质沉积到超微粒子表面的方法(真空蒸镀、磁控溅射、液相沉积)。②表面化学修饰:通过化学反应进行的表面改性(酯化反应法、偶联剂法超微粒子表面与偶联剂反应、表面接肢改性方法)。

16、二氧化硅的特点及其存在的问题:较高的机械强度;较窄的粒径分布;不同的孔径分布;大比表面积,可高达1000m2/g;可进行较好的表面修饰。

17、直接填充纳米SiO2存在问题:(1) 有机相-无机相之间相溶性差;(2) 难分散,易团聚;(3) 稳定性差。解决方法:对纳米SiO2进行表面有机化改性。18、二氧化硅改性后的特点:空间位阻作用;强碱性金属氧化物表面涂层法;聚合物涂敷。

19、粉体其它表面改性剂:表面活性剂(离子型、非离子型)。

20、粉末分散的难易程度:决定加工能耗与时耗。分散粉体的稳定性:决定储存稳定性及最终实用性能。

21、纳米作用能(Fn):纳米粒子间氢键、静电作用产生的吸附;纳米粒子间的量子隧道效应、电荷转移和界面原子的局部耦合产生的吸附;纳米粒子巨大的比表面产生的吸附,纳米作用能是纳米粒子易团聚的内在因素。

22、粒子的分散原理:粒子的浸湿实际上是一个固-气界面消失,固-液界面形成的过程。因此,球形粒子自发进入液体的热力学条件是润湿角为零。

23、影响粉末分散性的基本因素:①不可更改因素:粉体材料的化学成分;粉体形貌;粒径与粒径分布。②可更改因素(提高分散性的手段):干燥工艺;表面处理剂;润湿分散剂。24、分散基本过程:润湿过程;破碎过程;稳定过程。

25、润湿分散剂的作用机理:降低液/ 固界面张力;电荷稳定机理;空间稳定机理。

26、润湿分散剂的常见类型:①水性体系(聚磷酸盐、表面活性剂、水溶性聚合物)②非水分散体系(天然高分子、合成高分子、偶联剂)

27、颗粒分散技术:机械分散;超声波分散;高能分散;化学方法分散。

28、超微粒子的应用:(1)利用超微粒子的表面有效反应中心多的特点,可以制备高效催化剂;(2)超微粒子制作高性能高密度的磁记录材料;(3)超微粒子表面积大、灵敏度高可以制备传感器。

1、自组装:通过弱的和较小方向性的非共价键,如氢键、范德华键和弱的离子键协同作用把原子、离子、分子或团族连接在一起构筑成一个有序纳米结构或有序纳米结构的花样。

2、纳米结构的自组装体系的形成有两个重要的条件:有足够数量的非共价键或氢键存在;自组装体系能量较低。

3、纳米结构主要可以归纳如下:纳米棒;纳米管.;单层膜;多层膜.;复杂三维有序结构。

4、自组装过程所需要的条件是:①硬球排斥;②统一的粒径;③粒子间的范德华

力;④体系逐渐的去稳定。

5、自组装方法:(1)胶体晶体法自组装有序纳米结构;(2) 模板合成纳米材料;

6、自组装单分子膜:通过表面活性剂的头基和基底之间产生化学吸附,在界面上自发形成有序的单分子层,是一种新型的有机成膜技术。

7、自组装体系主要划分成3个层次:第一,通过有序的共价键,首先结合成结构复杂的、完整的中间体;第二,由中间体通过弱的氢键、范德华力及其他非共价键的协同作用,形成结构稳定的大的聚集体;第三,由一个或几个聚集体作为结构单元,多次重复自组织排成纳米结构体系.

2、聚合物表面改性:高分子材料表面能低、化学惰性、表面污染、弱的边界层等原因,往往难于其他材料结合,因此要对其进行表面改性。一般来说,表面改性只引起表面层的物理、化学改性,不影响材料整体的性能。

3、聚合物表面改性的方法:电晕放电处理、火焰处理和热处理、化学改性、光化学改性、等离子体表面改性、偶联剂处理、射线辐射改性等。

1、复合材料是由两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

2、复合材料中存在两种或者两种以上的物理相,可以是连续的,也可以是不连续的。其中连续的物理相称之为基体材料,而不连续的物理相以独立的形式分散在连续的基体中,即分散相。如果它对材料起到增强作用,则称增强材料。

3、基体的作用:基体通过界面和纤维成为一个整体。①以剪应力的形式向增强体传递载荷;

②保护增强体免受外界环境的化学作用和物理损伤;③基体像隔膜一样将增强体彼此隔开。

④复合材料的横向拉伸性能、压缩性能、减切性能、耐热性能和耐介质性能等都与基体有着密切关系。

4、增强材料作用:增强增韧;提高使用温度;提高耐磨性能;提高其光电功能性能等。

5、界面定义: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。

6、界面组成:基体组分、增强物组分、反应组分、杂质。

7、复合材料的界面效应:阻断效应;不连续效应;散射和吸收效应;感应效应;界面结晶效应;界面化学效应。

8、阻断效应:起到阻止裂纹扩展,中断材料破坏,减缓应用力集中等。

9、不连续效应:在界面上引起的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象。

10、散射和吸收效应:光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收,加透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。

11、感应效应:在界面产生的感应效应,特别是应变、内部应力和由此而引起的现象。感应(或诱导)可以是一种物质(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出了诱导作用而改变。

12、界面结晶效应:基体结晶时易在界面上形核,界面形核诱发了基体结晶。

13、界面化学效应:基体与增强材料间的化学反应,官能团、原于分子之间的作用。

14、复合材料界面理论:化学键理论;浸润理论;极性理论;酸碱理论;扩散层理论;变形层理论;约束层理论。

15、浸润理论:基体在增强剂表面良好浸润将导致增强剂和基体的界面粘接强度大于基体的内聚强度,否则因浸润不良将在界面产生空隙,在受力时导致应集中,发生破坏。(基体的表面张力必须小于增强剂的临界表面张力)。

16、极性理论:界面张力具有加和性,其大小与温度、聚合物分子量和添加物有关。界面张力包含极性部分和非极性部分。

17、复合材料的分类:①按材料作用分类:结构复合材料。特点:具有良好的力学性能,用于建造和构造结构的材料。功能复合材料。特点:以功能性为主导,如电学、磁学、光学、热学、放射等性能。②按增强材料的形态分类:连续纤维复合材料;短纤维复合材料;粒状填充复合材料;片状填充复合材料;编织复合材料;缠绕复合材料。③按基体分类:高分子CM;金属CM;陶瓷CM;同质物质CM。④依据增强材料的种类,则可分:玻璃纤维复合材料;碳纤维复合材料;有机纤维增强复合材料;金属纤维复合材料(不锈钢);陶瓷纤维复合材料——氧化铝、碳化硅、硼纤维。

18、复合材料的现代应用:建筑工业上的应用;交通运输业;船舶和近海工程;防腐工程;电子/电气工业;航天航空和国防工业。

19、粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中,使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属基体)和分子链运动(聚合物基体)。

20、纳米粉体分散:纳米粒子团聚体分散成单个纳米粒子的过程。当纳米粒子浸入液体中,由于纳米粒子的表面能大,容易产生润湿效应。这种润湿效应实质是纳米粒子固气界面消失,固液界面形成过程。

21、粒子增强原理:(1)无机纳米粒子作为聚合物分子链的铰链点,对复合材料的抗拉强度有贡献;(2)无机纳米粒子具有能量传递效应,使基体树脂裂纹扩展受阻和钝化,以免被破坏;(3)无机纳米粒子具有应力集中与应力辐射的平衡效应;(4)无机纳米粒子使用过多,使复合材料应力集中明显而易于宏观开裂,使材料性能下降。

22、传统颗粒增强复合材料的粒子要求:①粒子的尺寸为1~50 μm以下。其它参数粒子间距为1~25μm,体积分数为0.05~0.5。②粒子具有亲水表现粒子的极性;③粒子的化学成分、制备方法、晶型、颗粒形状、粒度分布、比表面积、表面结构、杂质含量。

23、填料有碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、碳素和金属粒子等等。

24、纳米粉体与聚合物基体的作用机理:无机纳米粉体对聚合物材料即具有增强强度又具有增强韧性双重作用。主要原因:粒子的本身的物化特性、粒子大小、表面结构、体积因素等综合作用的结果。通常认为:粒子越小,表面积越大,表面物理化学缺陷越多,粒子与高分子链发生物理化学结合机会越多,材料强度越大。

25、颗粒的大小;形貌;数量,表面特性,粒子分布,以及聚合物的分子结构、复合与成型工艺对材料的强度有重要的影响。

26、填充型复合材料有5种制备方式:(1)固体纳米粉体-聚合物粉体直接混合;特点:机械作用力简便;但各自容易团聚效果差,不适合金属粉体。(2)固液混合分散法;(3)液体-液体混合分散;(4)固-液混合分散;(5)与聚合物熔体混合分散。

27、纳米AlN填充复合材料:无机纳米微粒AIN是一种高导热性和低热延展性的陶瓷粉末在纳米复合材料中起到增加硬度、降低热延展性、增加热导性的作用。

28、纳米CaCO3填充复合材料:CaCO3表面结构比较简单,对聚合物呈现化学

惰性,纳米CaCO3对有机聚合物具有增强增韧双重效果,是一种较为通用的纳米粉体材料。

29、纳米炭黑填充复合材料:纳米炭黑是实际应用最早的纳米粉体材料,其应用于橡胶补强。纳米炭黑的表面效应(如小尺寸效应、量子效应、不饱和价效应、电子隧道效应等)引起与橡胶分大子间的作用力提高,甚至会在一定程度上弥补界面区常规化学作用的缺乏。

30、纳米SiO2填充复合材料:纳米SiO2填充复合材料还处于理论研究阶段:研究合成机理,工艺条件,结构表征以及性能应用。(单体原位聚合形成SiO2复合材料、预聚体固化形成SiO2复合材料、填充聚合物形成的SiO2复合材料)。

31、层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料。这种材料是各向异性的(层内两维同性)。如碳化硼片增强钛、胶合板等。

1、杂化复合材料:复合材料由有机单体和无机单体共同聚合而成。通常是通过溶胶-凝胶(sol-gel)技术制备的。这种材料在有机-无机相之间无特定界面。

2、分散相:以颗粒状态存在的不连续相称为分散相,颗粒又称分散质。

3、分散质所处的介质称为分散介质,为连续相。

4、分散质在某个方向上的尺度介于1-100 nm时这种分散体系称为胶体体系,称为胶体。

5、如果胶体是流动性的称为溶胶(sol),若缺少流动性,处于软固体状态称为凝胶(gel)。

6、影响纳米微粒前驱体水解、缩聚的因素:①催化剂:酸性条件下,亲电取代为主,碱性条件下,亲核取代为主。②金属离子的相对活性;③溶胶-凝胶的介质:常用的介质是水、醇、酰胺类、酮、卤代烃等,它们有的既是溶剂,又是参与反应的组分。

7、采用sol-gel技术制备杂化复合材料的方法:(1)硅氧烷为前驱体的分散体系。

(2) 金属烷氧化物为前驱体的分散体系原位生成杂化复合材料。(3)分散质在大分子分散剂中原位生成纳米复合材料。

8、SiO2杂化材料:以聚合物前躯体或其预聚体或聚合物的形式,通过溶胶—凝胶技术形成的Si02纳米杂化材料。

9、Si02-聚碳酸酯杂化复合材料:TEOS为纳米Si02的前驱体,PC的CHCl3溶液中进行酸性水解和缩聚,经净化处理,最后高温成型纳米Si02相复合聚碳酸酯杂化材料。特点:无色透明状态;Si02均形成粒径为300-400 nm左右的颗粒,并均匀分散在聚碳酸酯连续相中;纳米Si02颗粒边界非常模糊;由于无机纳米SiO2网络的存在,杂化材料的玻璃化温度有了明显的提高。

10、Si02·聚丙烯酸酯杂化复合材料:甲基丙烯酸甲酯+TEOS;甲基丙烯酸环氧丙酯和氨丙基三乙氧基硅烷改性剂;Si02-聚丙烯酸酯杂化复合材料。

11、Si02-聚硅氧烷杂化复合材料:聚硅氧烷是一类杂原子链高分子弹性材料,高柔性材料。在溶胶—凝胶技术制备Si02玻璃态材料时,利用二甲基硅氧烷或甲基硅氧烷参与硅氧烷的溶胶—凝胶过程中的水解和缩聚,形成有机-无机杂化材料。

12、TiO2杂化材料:纳米Ti02粒子是一种稳定的无毒紫外光吸收剂,对有机聚合物材料具有抗紫外辐射,防止高分子链降解的稳定化作用。利用溶胶-凝胶技术可以将纳米Ti02均匀有效地分散在聚合物基体中。

13、TiO2-聚丙烯酸酯杂化复合材料:TICl4+油酸为表面活性剂+甲基丙烯酸甲酯;

Ti02-甲基丙烯酸甲酯杂化材料。具有明显的抗紫外辐射特性,在长期的太阳光照晒中,材料的光泽度不变。

14、Ti02-聚对苯乙炔杂化复合材料:聚对苯乙炔(PPV)是高分子电致发光材料,发光效I率低、亮度小、单色性差等不足,严重制约了它的实用化. TiCl4醇溶液+PPV的醇溶液,惰性环境高温成膜,Ti02-PPV纳米杂化材料。

15、杂化材料特点:(1)有机分子与无机分子间以化学键键合,具有良好的物化性能及光学性能,兼备无机材料和有机材料的性质;(2) 合成反应处于液相分子状态,所得材料结构均匀,人们可按照预定性质“定做”玻璃杂化材料;(3)有机改性玻璃是由无机物和有机物在原子或分子尺度上复合而成的,其中的无机网络具有优良的抗磨性能,而良好的塑性则归之于其中的有机基团;(4) 影响材料的光学透明性,提高复合材料的硬度、抗磨性。

16、插层复合材料,纳米级粘土与高分子有机化合物以某种方式形成的复合材料。作为工程塑料用于制造汽车零部件等。

17、对于制备纳米复合材料的粘土,应具有以下特殊性质:①粘土层状的矿物。

②粘土的纯度。③可以通过有机阳离子和无机金属离子的离子交换反应来调节粘土的表面化学特性。④粘土稳定性好粘土的典型结构。

18、粘土矿物的结构由四面体配位阳离子(Si 4+,Al 3+,Fe 3+)和八面体配位阳离(Al 3+,Fe 3+,Fe 2+,Mg 2+)结合成层状格子或链状格子。粘土大多数属于2:1型的层状或片状硅酸盐矿物,主要结构单元是二维排列的硅氧四面体和二维排列的铝氧八面体。

19、粘土的种类:高岭土、蒙脱土、伊利土、凹凸棒石、海泡石等。

20、几种典型粘土的结构:①高岭土:化学式为Al(Si4010)(OH)8。一层硅氧四面体和一层铝氧八面体通过共同的氧互相连接形成一个晶层单元,所以称为1:l型层状硅酸盐。②海泡石:海泡石属斜方晶系,为链层状水镁硅酸盐或镁铝硅酸盐矿物,化学式为Mg3[Si1203](OH)4(H20)4·8H20,结构单元晶层由2层硅氧四面体之间夹一层金属阳离子八面体组成,为2:1构型。③蒙脱土:蒙脱土的最简单化学成分是A1203·4Si02·3H20, 属于2:1型的3层结构的粘土矿物。21、粘土的有机化处理:粘土因层间有大量无机离子,对有机化合物呈疏性。利用粘土晶层间金属离子的可交换性,以有机阳离子交换金属离子,使粘土有机化。粘土被有机阳离子处理后,与插层的有机聚合物或有机分子化合物有了良好的亲和性,有机化合物可以较容易地插层到粘土的层间。

22、插层纳米复合材料的结构可以分为插层型结构和剥离型结构两种。前者是在粘土硅酸盐的层间插入一层能伸展的聚合物链,从而获得聚合物层与粘土硅酸盐晶层交替叠加的高度有序的多层体,层间域的膨胀相当于伸展链的半径;剥离型结构是粘土硅酸盐晶层剥离并分散在连续的聚合物基质中。

23、插层复合材料性能:与传统填料复合材料相比具有许多不同的性能,无机含量少,粘土能使复合材料的机械性能、热稳定性、气密性、电学性能和光学性能显著提高。

24、插层复合材料应用:(1)聚乙烯插层复合材料;(2)环氧树脂插层复合材料;(3)聚苯乙烯插层复合材料;(4)聚酯插层复合材料;(5)聚苯胺插层复合材料。

1、复合材料按基体分类:金属基复合材料;无机非金属基复合材料(陶瓷基、水泥基、玻璃基);聚合物基复合材料(热塑性聚合物基、热固性聚合物基)

2、聚合物(树脂)基复合材料:由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳

化硅纤维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组成的基体组成的复合材料。特点:比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、阻尼性好。广泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电子等。

3、增强纤维:璃纤维;碳纤维;硼纤维;芳纶纤维(Kevler纤维);陶瓷纤维。

4、玻璃纤维增强塑料,俗称玻璃钢,有玻璃纤维和基体树脂组成。特点:玻璃纤维赋予复合材料强度和刚度,基体则对复合材料的压缩强度、弯曲强度、剪切、耐辐射、耐腐蚀、电性能等密切相关。

5、玻璃纤维的结构和组成:玻璃是由硅氧原子为主组成的不规则网络,网络间存在空穴,空穴中填充着Na+,K+、Ca2+、Mg2+等金属离子。

6、增强型浸润剂:骨架氧化物;改性氧化物;助熔氧化物。

7、常用玻纤:无碱E玻纤;中碱A玻纤。

8、玻璃纤维的物理性能:①“冻结的液体”:各向同性,无固定熔点,近程有序,远程无序;②光滑的圆柱体,直径5~20μm,密度 2.4~2.7g/cm3.;③拉伸强度1500~4000MPa,直径越细,强度越高。④模量7×104,只有钢铁的1/3.。

9、玻璃纤维的化学性能:E玻纤耐水性优于A玻纤,A玻纤耐酸性优于E玻纤。玻纤直径越小,化学稳定性越差。

10、玻璃纤维表面处理方法。偶联剂:偶联剂是分子中含有两种不同性质基团的化合物,其中一种基团可与增强材料发生化学或物理的作用。另一种基团可与基体发生化学或物理作用。通过偶联剂的偶联作用,使基体与增强材料实现良好的界面结合。

11、硅烷偶联剂作用机理:①X基团水解,形成硅醇:②硅醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基与玻纤表面硅羟基之间形成氢键。③硅羟基之间脱水形成-Si-O-Si-键。

12、硅烷偶联剂处理玻璃纤维通常经历以下四个阶段:(1)开始时在偶联剂Si上的三个不稳定X一基团发生水解;(2)缩合成低聚体;(3)然后这些低聚体与基质表面上的-OH形成氢键;(4)最后干燥或固化过程,与基质表面形成共价键和伴随着少量的水。

13、有机硅烷偶联剂结构对复合材料性能的影响:1)基质表面区域反应数目;2)有机硅烷偶联剂的类型有关;3)玻璃纤维/树脂复合有良好的性能,选择合理的碱反应、互穿网络的形成和共价键形成等。

14、偶联剂提高树脂的粘结强度与下列因素有关:润湿性、表面能、边界层吸附、极性吸附、酸-碱反应、网络的形成和共价键等。

15、设计理想的界面粘结状态要求:①估计纤维和树脂各自对各种偶联剂的敏感性;②控制有机硅烷偶联剂上可水解的X基团的数目。

16、有机硅烷R-基团的影响:①有机硅烷R-基团中带有极性基团(-NH2, -OH,-SH 等)处理后的玻璃纤维的表面能高; 极性分子有较强的取向作用和色散作用②R-基团带有不饱和的双键,则处理后的玻璃纤维具有中等地表面能; ③R-基团带有不含极性的饱和链烃则处理后的玻璃纤维具有低的表面能非极性分子只有色散作用,没有取向作用和诱导作用;④带长链烃基比用带短链烃基的硅烷偶联剂处理后的玻璃纤维的表面能较高。

17、几种常用的硅烷偶联剂:A151 乙烯基三乙氧基硅烷;A172 乙烯基三(β-甲氧乙氧基硅烷);A174、KH570 γ-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷;A1100(KH550)γ-胺丙基三乙氧基硅烷;A1120(KH843)胺乙基胺丙基三甲氧基硅烷;A187(KH560)γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷。

18、新型硅烷偶联剂:叠氮硅烷偶联剂;过氧化型硅烷偶联剂。

19、钛酸酯类偶联剂:单烷氧基类钛酸酯;螯合型钛酸酯;配位型(RO)4Ti(-X-R’)2。

20、不饱和聚酯:不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸(或酸酐),不饱和二元酸(或酸酐)与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单体(如苯乙烯)中的溶液。

21、环氧树脂:环氧树脂是指分子结构中含有2个或2个以上环氧基的化合物。环氧基可在分子链末端,也可在分子链的中间。

22、酚醛树脂:由酚类和醛类合成的树脂。酚类一般是苯酚,醛类主要是甲醛。

23、热固性酚醛树脂:以碱为催化剂,甲醛/苯酚摩尔比大于1,反应到一定阶段停止,加热固化。

24、热塑性酚醛树脂:以酸为催化剂,甲醛/苯酚摩尔比小于1,加入六次甲基四胺等固化剂材能固化。

25、先进复合材料的界面:钢铁材料高强、高模,但密度大,易锈蚀。陶瓷材料耐高温、高强,但性脆;玻纤增强塑料强度高,比重轻,但模量不足。

26、碳纤维:高强度、高模量、耐高温和低比重的“三高一低的特性。碳纤维具有耐高温2000℃以上,仍能保持强度的唯一材料,高比强度、高比模量、热膨胀系数最小、尺寸外急定性好、耐于化学腐蚀,并有导热和导电等系列的综合性能,故碳纤维及共复合材料在航空、航天等尖端技术领域具有特别重要意义。27、碳纤维的分类:①按原料分类:聚丙烯腈(PAN)系碳纤维;沥青系碳纤维;粘胶系碳纤维;其他有机纤维系碳纤维。②按性能分类:高强度碳纤维(HS);高模量碳纤维(HM);普通碳纤维;石墨纤维

28、碳纤维的性能:①物理性能:密度:1.5~2.0;热膨胀系数:小,平行纤维方向有小的负值;摩擦系数小,具有润滑性;具有导电、导热性。②力学性能:石墨理论强度180GPa,碳纤维3GPa,最高不超过10GPa。模量:200~400GPa;强度和模量与纤维热处理温度有关。碳纤维的耐化学腐蚀性:吸水率低;耐酸、耐碱、耐化学药品;优良的热稳定性,在惰性气氛中1000~2000℃强度也不下降。

29、碳纤维的缺点:脆性,断裂延伸率低。断裂前没有前兆。复合材料界面结合差;高温下易氧化;碳纤维与基体作用力弱。

30、碳纤维的表面处理的作用:消除表面杂质。增大比表面积;增大表面能,提高对基体树脂的润湿性;引进反应性官能团,与基体形成化学键;形成界面过渡区。

31、表面清洁处理:在惰性气氛中加热到一定温度保温,清除纤维表面吸附的水分和杂质。

32、气相氧化处理:加热下用空气、氧气、臭氧、二氧化碳及等离子等处理碳纤维,使纤维表面产生含氧基团。优点:设备简单,反应时间短,易连续化;缺点:反应难控制,重复性差,纤维损伤大。

33、液相氧化法:用液态氧化剂进行氧化:采用含氧酸溶液氧化法。优点:氧化效果好,对纤维损伤小;缺点:处理时间长,难连续化,有废酸处理问题。34、阳极氧化法:以碳纤维为阳极,用电解产生的新生氧对碳纤维进行氧化。操作简便,易控制,可连续化,已工业化;有活性衰退现象:表面放电生成新生态氧继而使其氧化,生成羟基、羧基等含氧官能团。同时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀。

35、低温等离子处理特点:对纤维损伤小;处理效果好;无三废问题;须高真空,难连续化。

36、低温等离子处理:①通过等离子的UV辐射使纤维在纺丝过程中形成的表面弱结合层交联,从而提高PE表面内聚强度。②等离子处理使纤维表面产生了羟基,羧基,酯键和羰基等活性基团,有利于纤维基体树脂的化学结合。③等离子处理可提高纤维的表面能,有利于基体树脂对纤维的浸润。④处理后纤维表面形成沟槽,表面粗糙度提高,有利于基体的机械锚合。

37、碳纤维经过氧化处理后,使其表面出现化学效应和物理效应。化学效应:产生各种含氧的活性官能团,如羧基(一C00H)、羟基(一OH)、羰基(C=0)、、醚基(一O—)、内酯基等。物理效应:改变碳纤维表面的表面积;结晶大小;表面形态和表面能。

38、表面涂层法:①有机物涂层:电聚合涂层、等离子体接技聚合涂层及化学接枝反应等;②无机物涂层:采用溶液-还原法形成碳涂层、化学气相沉积法形成碳、FeC或SiC涂层、或形成SiC晶须。

39、表面涂层的作用:a)涂层可保护纤维免受损伤,提高纤维的集束性,有利于发挥纤维的强度;b)涂层可改变纤维表面性能,提高纤维对基体树脂的浸润性;c)涂层中若有反应性官能团则有助于纤维表面与基体树脂的化学结合;d)涂层可保护表面处理后纤维表面活性的消失。

40、电聚合处理:以碳纤维为阳极或阴极,在电解质溶液中使乙烯基单体聚合在碳纤维表面上。电解液:10%丙烯酸加0.1M的硫酸溶液。

41、有机纤维不足之处:表面惰性,表面能低;复合材料界面结合差,层间剪切强度低。

42、辐照处理。优点:辐照与接枝过程同时进行,操作比较简便。缺点:体系在发生接枝聚合的同时也会发生单体的均聚反应,降低了接枝效率,而且生成的均聚物粘附在基材上,去除困难。

43、设计纤维增强型复合材料主要考虑的因素:①复合材料树脂基体的断裂伸长率应为纤维断裂伸长率的2—3倍为宜;②纤维和树脂复合过程界面的充分接触和浸润,以及复合材料的界面效应不仅与纤维表面状态特征有关,而且与树脂本身的特性密切相关;③树脂的结构和力学性能及热性能都将影响复合材料的界面的性能和破坏机理。

44、纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维无规排列时,能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采用正交编织,相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织,可获得各方向力学性能均优的材料。

45、纤维增强陶瓷复合材料:陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化,但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强,能大幅度提高强度,改善韧性,并提高使用温度。陶瓷中增韧纤维受外力作用,因拔出而消耗能量,耗能越多材料韧性越好。

46、陶瓷基复合材料:由碳纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体组成的复合材料。耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨,但存在严重的脆性。纤维、晶须、金属丝与陶瓷基体的复合,在于改善陶瓷材料的韧性。用于发动机、高性能燃气轮机,提高热机效率。陶瓷刀具。

47、纤维增强陶瓷基复合材料增韧增强机制:陶瓷基复合材料的破坏过程大致可分为三个阶段:①应力水平较低,复合材料处于线弹性状态。②随着应力的提高,基体裂纹越来越大。③纤维脱粘、纤维断裂和纤维拔出等过程,基体开裂、基体裂纹逐渐向纤维与基体间界面扩展。

48、纤维增韧、增强树脂的原理:应力在基体中的传播、界面的形变、纤维脱粘、纤维断裂和纤维拔出等复杂过程吸收大量外在能量,从而达到增韧增强目的。49、界面的粘结形式主要有两种:机械粘结;化学粘结。

50:界面的作用:对于陶瓷基复合材料来讲,界面粘结性能影响陶瓷基体和复合材料的断裂行为。对于陶瓷基复合材料的界面来说,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,陶瓷基复合材料的界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。因此,陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度。

51、平面断裂主要是由于纤维的弹性模量不是大大高于基体,因此在断裂过程中,强的界面结合不产生额外的能量消耗。若界面结合较弱,当基体中的裂纹扩展至纤维时,将导致界面脱粘,其后裂纹发生偏转、裂纹搭桥、纤维断裂以致最后纤维拔出。裂纹的偏转、搭桥、断裂以致最后纤维拔出等,这些过程都要吸收能量,从而提高复合材料的断裂韧性,避免了突然的脆性失效。

52、界面性能的改善:为获得最佳的界面结合强度,我们常常希望完全避免界面间的化学反应或尽量降低界面间的化学反应程度和范围。在实际应用中,除选择纤维和基体在加工和使用期间能形成稳定的热力学界面外,最常用的方法就是在与基体复合之前,往增强材料表面上沉积一层薄的涂层。C和BN是最常用的涂层,此外还有SiC、ZrO2和SnO2涂层。

53、涂层的选择取决于纤维、基体、加工和服役要求。

54、陶瓷基复合材料的成型加工:①纤维增强陶瓷基复合材料的加工;②晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工。

55、纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素,如基体、纤维及二者之间的结合等。从基体方面看,与气孔的尺寸及数量,裂纹的大小以及一些其它缺陷有关;从纤维方面来看,则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关;从基体与纤维的结合情况上看,则与界面及结合效果、纤维在基体中的取向,以及载体与纤维的热膨胀系数差有关。

56、目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型主法主要有以下几种:①泥浆烧铸法:这种方法是在陶瓷泥浆中分散纤维。然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老,不受制品形状的限制。但对提高产品性能的效果不显著,成本低,工艺简单,适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。②热压烧结法:将特长纤维切短(<3mm),然后分散并与基体粉末混合,再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。这种方法中,纤维与基体之间的结合较好,是目前采用较多的方法。这种短纤维增强体在与基体粉末混合时取向是无序的,但在冷压成型及热压烧结的过程中,短纤维由于在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动,所以导致了在最终制得的复合材料中,短纤维沿加压面而择优取向,这也就产生了材料性能上一定程度的各向异性。③浸渍法:这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状,然后用陶瓷泥浆浸渍,干燥后进行焙烧。浸渍法的优点是纤维取向可自由调节,如单向排布及多向排布等。浸渍法的缺点则是不能制造大尺寸的制品,而且所得制品的致密度较低。

57、Kevlar纤维的“皮-芯”结构:皮层是刚性大分子链伸直呈现为棒状,紧密排列,沿轴向成纤维状结构;芯部沿轴向较松散排列的串晶聚集体组成。

58、Kevlar纤维表面处理方法:芳纶纤维等离子处理;表面接枝;辐照处理。

1、金属基复合材料性能:在结构材料方面,强度高,重量轻,应用在航空航天

领域。金属的熔点高,故高强度纤维增强后的金属基复合材料(MMC)可以使用在较高温的工作环境之下。

2、常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。

3、作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维;Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。

4、金属基粒子复合材料又称金属陶瓷,是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。

5、碳化物金属陶瓷:称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂,WC、TiC等作为强化相。硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。

6、硬质合金性能:硬度极高,且热硬性、耐磨性好,一般做成刀片,镶在刀体上使用。

7、金属基复合材料MMC:以金属或合金为基体的复合材料。增强物主要有高性能增强纤维、晶须、颗粒等为增强体。性能:高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性好、高导热导电性、低膨胀、高阻尼、耐磨性。用于高性能结构件、电子、仪器、汽车等工业。

8、金属基复合材料(MMC)界面类型:①增强体与基体不反应,不相溶;②不反应,相溶;③互相反应生成界面反应物。

9、MMC界面结合形式分五种:①机械结合:无化学作用的I类界面,作用力为粗糙表面的机械铆合和基体的收缩应力包紧纤维产生的摩擦结合。特点:界面粗糙度对结合力起决定作用,因此,表面刻蚀的增强体比光滑表面构成的复合材料强度大2-3倍。载荷平行于界面时承担的应力大,而垂直与界面时承担的应力非常小。②溶解和润湿结合—II类结合。特点:作用力短,只有几个原子距离;增强体存在氧化物膜,使增强体与基体不润湿,需要破坏氧化物层才能使增强体与基体润湿并产生一定的结合力;在增强体表面能很小时,采用表面镀层处理使两相之间的接触角小于90,产生润湿,形成一定的结合作用力。③反应结合——形成Ⅲ类界面。其特征是在界面上生成新的化合物层。④氧化结合:这是一种特殊的化学反应结合,因为它是增强体表面吸附的空气所带来的氧化作用。⑤混合结合。

10、金属基复合材料的主要特点在于它能比树脂基复合材料的使用温度高。

11、对金属基复合材料的界面要求:在高温条件,长时间保持稳定。

12、影响MMC界面稳定性两类因素:①物理不稳定因素:不稳定因素主要表现为增强体与基体在高温条件下发生溶解现象。界面上的溶解作用有时还会出现先溶解又析出的现象。②化学不稳定因素:化学不稳定因素主要是复合材料在加工工艺和使用过程中发生的界面化学作用所致,包括:连续界面反应;界面交换反应;暂稳态界面。

13、连续界面反应:增强体的原子通过界面层向基体扩散或者是基体原子通过界面层向增强体扩散的反应。

14、交换式界面反应的不稳定因素:主要发生在当基体为含有两个或两个以上元素的合金时:第一步: 增强体与合金中所有能与之起反应的元素形成一些化合物。因此该元素的化合物将富集于界面层中,同时化合物的元素与基体中的元素不断交换直到平衡。第二步造成在界面层附近的合金基体中缺少在化合物中富集的某元素起反应,从而使非界面化合物的其它元素在界面层附近富集起来,这是一个扩散入和排斥出界面层的过程。

15、暂稳态界面的变化是一种较少的不稳定因素,一般是由于增强剂表面局部存

在氧化物所致。

16、按基体分类:铝基复合材料;镍基复合树树;钛基复合材料

17、铝基复合材料这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。有易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点。

18、镍基复合树树这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良,因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。

19、钛基复合材料:钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。此外,钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。可用于飞机结构设计当中。钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维,这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近。

20、按增强体分类:颗粒增强复合材料;层状复合材料;纤维增强复合材料

21、颗粒增强复合材料:这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20%的复合材料,而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。此外,颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大,一般大于1um。增强相是主要的承载相,而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比,但是基体性能也很重要。这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。

22、层状复合材料:这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中,含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近,而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。

23、纤维增强复合材料:金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须,它们均属于一维增强体。因此,由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。

24、金属基复合材料的界面表征:界面结合状态;微结构特征(界面的相组成和微结构、界面区的成分及其分布、近界面基体一侧的位错密度及其分布);应力状态。

25、界面微区形貌\结构和成分分析的手段:分析电镜(AEM);x 射线能谱(EDS);电子能量损失谱(EELS)。

26、界面区的位错分布:界面区近基体侧的位错分布是界面层表征的重点之一。界面良好的结合下,增强体与基体热膨胀系数的明显差异,将导致界面处产生位错,且多集中在近基体侧。①热循环开始340 k,在SiC晶须和析出相周围有较多的位错;②经过810 k退火后位错大部分消失;③冷却430 k位错重新大量产生。

27、结合状态:不良结合;结合适中;结合稍强;结合过强。

1、生物世界为了适应复杂的自然环境,表面形成了一套复杂的、多样的、完善的系统。①生物运动系统既可以使摩擦最小化,而在另一个极端又可以使摩擦最大化;②对外界信息具有高灵敏感知性能;③对能量的利用具有高效性。

2、生物表面与界面的相关内容:①生物表面与光学特性(伪装(拟态)、警戒色、对光的调控);②生物表面与粘附特性:(自清洁效应;超级润湿性能;摩擦减阻);

③微结构控制传感与传动;④生物软体材料(soft materials)的超级功能。

3、生物表面的粘附系统:生物表面与基质相互作用过程中,为了适应运动而形成的一套运动系统,其中包括由纤维素、多聚糖、蛋白质、脂肪酸、磷脂等组成的钩、锁或卡、夹、垫、吸盘等粘附结构,该结构表面具有微纳米有序的微结构组成,其通过负压吸入、机械互锁、毛细作用、分子粘附以及静电作用,使其与

表面作用达到最大或者最小。

4、生物增加摩擦的系统:①植物表面复制机制(连接在表面的粘附装置、“吸管”);②蜥蜴垫的移动粘附。

5、昆虫的摩擦装置:鳞翅目昆虫足的末节、头部制动系统、鳞翅类苍蝇的口器腱膜,以及蝴蝶和双翼目蛾的甲膜,往往都有摩擦装置。

6、表皮微观结构的作用:空气动力学表面的作用;清洗身体的作用;发声作用;磨碎食物;过滤装置;流体动力学表面的作用;空气调节;控温;体色。

7、昆虫附着装置的原理的八种基本类型:钩;锁或卡;夹;垫;吸盘;膨胀锚;粘性分泌物;摩擦。

8、生物表面的抗粘附机制:①大多数植物和有些动物被疏水性表皮覆盖,疏水性表皮由聚酯基质中的类脂构成。②表皮表面经常被细胞生长物(毛状体)、折痕所刻蚀或被蜡晶体覆盖。疏水植物表面的粗糙度会降低润湿性,与相同组成的光滑表面相比,水滴的接触角更大。③污染植物表面的颗粒比那些疏水蜡更易湿润。污垢通常都停滞在表面结构的末端,以至于颗粒和植物表面间真正的接触面积很小。这些颗粒容易被表面滚下来的水滴除掉。由于颗粒和植物表面间的真实接触面积较小,颗粒和水滴间的粘附将大于颗粒和植物表面间的粘附。④在光滑植物表面,污染颗粒和表面间的真实接触面积是足够大,以至于颗粒不会粘附到滚下的水滴上。