复合材料概论重点

第一章 总论

尖端科学技术对材料要求：减轻重量、提高强度、降低成本

玻璃钢（GFRP）玻璃纤维增强树脂基复合材料

基体材料：UP(不饱和聚酯)、EP（环氧树脂）、PF（酚醛树脂）

主要缺点：模量小，温度低

复合材料定义：由两种或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

复合目的：通过复合产生单一材料所不具有的新性能

CM组成：基体（连续相）；界面相；增强材料（分散相）纤维、颗粒状、片状

命名原则：增强材料+基体材料+复合材料

分类 按性能高低，通用、先进

按增强材料形态， 连续纤维、短纤维、粒状或碎片状、编织

材料作用，结构（作为承力结构，主要使用其力学性能的复合材料）

功能（除力学性能外还提供其它物理性能的复合材料）

基体材料 聚合物基复合材料（热固性树脂、热塑性树脂、橡胶）

金属基复合材料（铝基、钛基、镁基、铁基）

无机非金属基复合材料（陶瓷、玻璃、水泥）

碳基复合材料

CM优点 1叠加效应，最佳结构设计—增强体与基体性能的叠加互补—新的独特的多种性能材料

（最大特点）2 性能具有可设计性 改变材料的组分、结构、工艺方法、工艺参数等调节材料的性能

3 材料与构件制造的一致性 ——意义：减少零件数目，避免接头过多 ，降低应力集中；减轻质量，减少制造工序和加工量，降低成本

一次成型：根据构件形状设计模具，再根据铺层设计铺设增强体，使基体材料与增强体组合、固结后获得复合材料构件的制造过程。

二次加工：构件的连接；机械切削加工及坯件的进一步塑性变形

CM不足：（1）增强体和基体可供选择的范围有限;

（2）工艺比较复杂，质量重复性不能完全保证;

（3）成本较高

PMC（聚合物基）优点

（1） 比强度、比模量大 （纤维增强树脂基复合材料

（2） 耐疲劳性能好 ———————— (基体强韧性降低裂纹扩展速度

(纤维对裂纹阻隔作用，使裂纹尖端变纯或改变方向

（3） 减振性能好 原因：1自振频率高，不容易出现因共振而快速脆断的现象;

2 振动阻尼性强-非均质多相体系-纤维与基体界面-反射、吸收振动能量-振动很快衰减 （4） 过载安全性好纤维复合材料中，有大量独立纤维。当过载少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配，构件不会在瞬间完全失去承载能力而断裂

（5） 具有多种功能性耐烧蚀、摩擦、电绝缘、耐腐性等

（6） 很好的加工工艺性 多种生产成型方法：手糊、模压、缠绕、注射、拉挤、喷射、真空袋压法、离心浇铸、层压成型等

FRP：纤维增强热固性树脂复合材料 ——结构材料

FRTP：纤维增强热塑性树脂复合材料 ——功能材料

树脂基复合材料主要缺点：耐热性、老化、变质、传热性、尺寸稳定性较差

金属基MMC

定义：以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料

增强材料无机非金属——陶瓷、碳、石墨、硼纤维 金属丝——W、Mo、Al、不锈钢

性能

（1） 高比强度、高比模量 在纤维增强金属基复合材料中，MMC的比强度、比模量明显优于金属材料

（2） 导热、导电性能好可使局部的高温热源和集中电荷很好扩散消除

（3） 热膨胀系数小，尺寸稳定性好 使用α小的材料不会因温度差造成变形

（4） 良好的高温性能 对温度变化和热冲击的敏感性低

（5） 耐磨性 陶瓷增强材料耐磨、硬度高、性能稳定

（6） 良好的疲劳性能和断裂韧性

（7） 不吸潮、不老化、气密性好

陶瓷基复合材料及主要性能（CMC）

制备CMC的主要目的，提高陶瓷的韧性

三种复合材料性能比较

使用温度 CMC >MMC > PMC

耐自然老化性能 CMC > MMC > PMC

导热性能 MMC > CMC > PMC

耐化学腐蚀性 CMC、PMC较好；MMC较差

成本 CMC>MMC>PMC

生产工艺 CMC>MMC>PMC

第二章 复合材料的基体材料

2．1金属材料

金属基复合材料组成特点 按增强材料不同分为连续增强型和非连续增强型

连续增强型

增强材料（长纤维）主要作用：承载组分

金属基体主要作用：粘接纤维、传递应力

基体选择原则：基体和纤维是否很好相容，能否最大限度发挥增强纤维的性能、作用 非连续增强型：

金属基体主要作用：主要承载组分，影响复合材料性能

基体选择原则：高强度基体

基体及合金元素选择原则：选择有利于基体与增强材料之间具有良好的润湿性、粘着力强，有利于界面均匀，同时又有利于形成一个适合的稳定界面的合金元素

控制界面反应的措施：

（1） 增强材料的表面改性如表面涂覆

（2） 基体合金法改性; 使界面反应时的反应速度常数尽可能小

（3） 选择适宜的成型方法、条件，缩短在高温下复合时间

2.2无极凝胶材料

定义：一类粉末材料。当其与水或水溶液拌合后所形成的浆体，经过一系列物理、化学作用后能够逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石

无机胶凝复合材料主要解决问题：由于应力开裂导致的脆性破坏问题

2.3陶瓷材料

陶瓷主要优点：化学稳定性、耐高温性、耐磨损、高熔点、高硬度

陶瓷最大缺点：脆性大、韧性低、对裂纹、气孔和夹杂物等缺陷敏感，易碎裂

制备CMC主要目的之一：提高陶瓷韧性

CMC增强体 从几何尺寸上分类： 纤维（长、短）、晶须、颗粒

纤维增强CMC是改善陶瓷材料韧性重要手段

2.4 聚合物材料

主要基体种类：热固性树脂（UP 、EP、PF ）、热塑性树脂

基体的作用

（１） 将纤维粘合成整体，使位置固定；在纤维间传递载荷并使载荷均衡；

（２） 决定复合材料的一些性能如高温使用、剪切、耐介质等

（３） 决定复合材料成型工艺方法及工艺参数的选择

（４） 保护纤维不受环境影响，免受各种损伤

UP-不饱和二元酸、饱和二元酸与二元醇经缩聚反应得到分子量不高的线型缩聚产物

加入饱和二元酸目的：共缩聚，调节聚酯不饱和度，UP良好综合性能

UP主要优点Ⅰ、 良好工艺性能Ⅱ、 固化后良好综合性能Ⅲ、 价格低廉

UP主要缺点 Ⅰ、体积收缩率较大；Ⅱ、耐热性较差；Ⅲ、强度、模量较低，气味、毒性

在UP中，为什么常采用苯乙烯作为交联剂使用？

Ⅰ、低粘度液体，与UP良好混溶性，很好溶解引发剂、促进剂；

Ⅱ、双键活性大，易与不饱和双键共聚，生成均匀共聚物 ；

Ⅲ、固化后物理性能较好；

Ⅳ、价格便宜 UP单靠加热固化缺点：

诱导期长，反应放热量大，难以控制；

反应开始后速度快，粘度突然增大，反应不易完全

UP固化过程三个阶段: 凝胶、硬化、完全固化

UP增粘特性：碱土金属氧化物或氢氧化物和树脂反应后，粘度大幅度增加

EP-分子中含有两个或两个以上环氧基团的高聚物

双酚A环氧型树脂反应方程式：

PF 突出特点：耐高温烧蚀性能、改性

热塑性树脂

优点：（1）高断裂韧性（最重要优点），更高损伤容限

（2）预浸料不需冷藏，贮存期长；

（3）成型周期短，易于修补、可再生利用

缺点：（1）使用温度、力学、老化性能差；

（2）熔体、溶液粘度高，纤维浸渍困难；

（3）预浸料制备、制品成型需在高温、高压下进行

第三章 增强材料

增强材料：粘结在基体内，能提高基体材料力学性能物质的统称

分类（1）纤维及织物 无机纤维： GF、CF、BF 有机纤维: 芳纶、PE、尼龙

（2）晶须

（3）粉体

三大应用纤维 芳纶，GF, CF

(n+2)H2CCHCH2ClO+(n+2)NaOH+(n+1)HOCOHCH3CH3OCHCH2H2COCH3CH3C[O CH2CH CH2CCH3CH3O]n CH2O HCCH2OOH玻璃纤维GF

各种金属氧化物的硅酸盐类或硼酸盐类，熔融后以极快速度抽丝而成的纤维

玻璃纤维结构及化学组成

结构-短距离网络结构的非晶结构

Na2O、K2O 含量对玻纤性能有什么影响：助熔氧化物，可降低玻璃熔化温度、粘度，有利气泡排出；但含量过高，使性能下降

微裂纹假说理论

微裂纹易产生应力集中，使强度下降；玻纤高温成型，减少玻璃溶液不均一性，使微裂纹产生机会减少；

玻纤微小断面，减少微裂纹存在几率，使强度提高

物理性能

（１） 拉伸强度，玻纤力学性能最大特点：拉伸强度高

（２） 弹性模量。最大缺点，弹性模量低

（３） 耐磨、耐折性——差

（４） 导热系数小，隔热性能好；耐热性能好；不燃的无机纤维

（５） 电绝缘材料，无碱玻纤

玻纤织物品种——（无纺、平纹、斜纹、单向）布等

玻纤制造方法——玻璃球法（坩埚拉丝法）和直接熔融法（池窑拉丝法）

浸润剂主要作用 ：

① 原丝中纤维不散乱、相互粘合在一起，使多根单丝集中成股；

② 防止纤维间磨损，增加原纱耐磨性，提高拉伸强度；

③ 原丝相互间不粘结在一起；

④ 保护纤维免受大气和水分侵蚀作用；

⑤ ⑤ 便于纺织加工

纺织型浸润剂：满足纺织工序要求

主要品种：石蜡、凡士林、硬脂酸矿物酯类石蜡乳剂

纺织型浸润剂特点： 润滑性、集束性好，但影响与树脂粘结，浸胶 前需除去

增强型浸润剂主要品种：聚醋酸乙烯酯

增强型浸润剂特点：可直接使用；纺织时较容易使玻纤起毛

碳纤维CF、

制造碳纤维主要原料：人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（PAN）纤维、沥青

以PAN为原料制备碳纤维工艺流程

PAN原丝- 200—300℃ 预氧化 - 1000—1800℃ 碳化 -碳纤维 - 2000℃—3000℃ 石墨化 -石墨纤维