复合材料概念

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时磊 论呎―

1 总论 1 1）复合材料概念、命名、分类及其基本性能。

概念：复合材料是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。

命名：将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上 复合材 料”。

f 连续纤维复合材料按増强材料形态＜ 短纤錐复合材料

粒状填料貝合材料I 编织复合材料 「玻謫纤维复合材料

碳纤维复合材料 按瞄强纤维种类｛有机纤维复命材料 金属纤维复合材料 J 帥瓷纤维复合材料 ［聚合物基复合材料

按基体材料｛金属基以合材料 ［无机非金属基复合材料

基本性能：可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天 然材料所没有的性能。可按对材料性能的需要进行材料的设计和制备。可制成所 需的任意形状的产品。性能的可设计性是复合材料的最大特点。

2 2） 第 2 页 共 19 页 聚合物基复合材料的主要性能 比强度、比模量大；耐疲劳性能好；减震性好；过载时安全性好；具有多种功能 性；有很好的加工工艺性。

3 3）

金属基复合材料的主要性能 高比强度、高比模量；导热、导电性能好；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；良好 的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮、不老化、气密性 好。

4 4）陶瓷基复合材料的主要性能 强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热 膨胀系数和相对密度较小 5 5）

复合材料的三个结构层次 按材料作用 J结构刼合材料 1

功能复合材料

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一次结构：由基体和增强材料复合而成的单层材料， 其力学性能决定于组份材料 的力学性能、相几何和界面区的性能。

二次结构：单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能 和铺层几何。

三次结构：工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几 何。 第 3 页 共 19 页 6 6）

复合材料设计的三个层次 单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板 的性能。

铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，

该层次决定层合板的性能。

结构设计：确定产品结构的形状和尺寸。

2 基体材料 1 1）

金属基体材料 选择基体的原则、金属基结构复合材料的基体、金属基功能复合材料的基体 原则：金属基复合材料的使用要求；金属基复合材料组成特点；集体金属与增强 物的相容性。

结构复合材料的基体可大致分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。

金属基功能复合材料的基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等。

2 2）

无机胶凝材料 主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。研究和应用最多的是纤维增强水泥基 增强塑料 与树脂相比，水泥基体材料的特征 特征：

水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由十分之几纳米到数十纳米； 纤维与水泥的弹性模量比不大； 水泥基材的断裂延第 4 页 共 19 页 伸率较低； 水泥基材种含有粉末或颗粒状的物料， 与纤维呈点接触，故纤维的掺量受到很大 的限制。

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水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维不利。

3 3）陶瓷材料 常用的陶瓷基体、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷种类 基体：玻璃，玻璃陶瓷，氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷。

氧化物陶瓷种类：匚「bull; I - 非氧化物陶瓷种类：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物 3 增强材料 1 1）

玻璃纤维分类（玻璃原料成分）

这种分类方法主要用于连续玻璃纤维，一般以不同的含碱量来区分。

无碱玻璃纤维，中碱玻璃纤维，有碱玻璃（A A 玻璃）纤维，特种玻璃纤维 2 2）

玻璃结构两个假说 微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块和或二氧化硅的 微晶子”组成，在 微晶子 之间由硅酸块过冷溶液所填充。

网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互 连成不规则三维网络，网络间的空隙由 g Na,K,Ca,Mg 等阳离子所填充。二氧化硅 四面体的三维第 5 页 共 19 页 网状结构是决定玻璃性能的基础， 填充的 a Na,Ca 等阳离子称为网络 改性物。

3 3）

玻璃纤维的化学组成 玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。

4 4）

玻璃纤维高强的原因及影响因素 （* *）

微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力， 其理论强度很高, 可达到 2000~12000Mpa。

直径：直径变细，拉伸强度增加。

纤维的长度：长度增加，拉伸强度显著下降。

化学组成：含碱量越高，强度越低。

纤维的老化，纤维的疲劳 成型方法与成型条件：玻璃硬化速度越快，纤维强度越高。

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5 5）

影响玻璃纤维化学稳定性的因素有哪些？ 玻璃纤维的化学成分，纤维表面情况对化学稳定性的影响， 侵蚀介质体积和温度 对玻璃纤维化学稳定性的影响，玻璃纤维纱的规格及性能。

6 6） 第 6 页 共 19 页 中碱玻璃纤维与无碱玻璃纤维耐酸性那个好，为何？ 中碱纤维含-. i； ；

--比无碱纤维高二十几倍，受酸作用后，首先从表面上，

有较多的金属氧化物侵析出来，但主要是 b. 的离析、溶解；另一方面 酸与玻璃纤维中硅酸盐作用生成硅酸， 而硅酸迅速聚合并凝成胶体，结果在玻璃 表面上会形成一层极薄的氧化硅保护膜，这层膜使酸的侵析与离子交换过程迅速 缓慢，使强度下降也缓慢。实践证明 bull;门小门有利于这层保护膜的形成，所 以中碱纤维比无碱纤维的耐酸性好。

7 7）

玻璃纤维织物有哪些种类？ 玻璃纤维布：平纹布，斜纹布，缎纹布，方格布，单向布，无纺布 玻璃纤维毡：短切纤维毡，表面毡，连续纤维毡 玻璃纤维带 8 8）

在制造玻璃纤维原丝的过程中为何要用浸润剂，浸润剂起到什么作用，常用 的浸润剂有哪些？ 1. 原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起； 2. 防止纤维间的磨损； 3. 原丝相互间不粘结在一起； 4. 便于纺织加工等。

石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯。

9 9）

碳纤维概念、性能特点、制造方法、主要原料及其五个阶段。 第 7 页 共 19 页 碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳， 是一种非金属材料 碳纤维性能优异，不仅重量轻，比强度大，模量高，而且耐热性好，化学稳定性 好。其制品具有非常优良的 X X 射线透过性，阻止中子透过性，还可赋予塑料以 导电性和导热性。

制造方法：气相法、有机纤维碳化法。

原料：人造丝，N PAN 纤维，沥青

------------------- 时 需 Sr 彳 -------

----

---

---

阶段：拉丝，牵伸，稳定，碳化，石墨化。

10）

纤维的老化、疲劳 关于存放时间对纤维强度的影响，当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现 象，称为纤维的老化。

关于施加复核时间对纤维强度的影响，玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加 负荷时间的增加而降低的时间。

11）

晶须为何具有咼强度？ 主要是由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整的等 缺陷。晶须第 8 页 共 19 页 材料的内部结构完整，使它的强度不受表面完整性的严格限制。

第四章 复合材料的界面 1 1）简述复合材料界面的定义、结构、特点、作用以及界面的结合方式。

复合材料的界面是指基体与增强体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。

界面的结构：由五个亚层组成：⑴树脂基体⑵基体表面⑶相互渗透区⑷增强剂表 面区⑸增强剂及外力场 特点：界面虽然很小，但是它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米，是一个区域 或一个带，或一个层，厚度不均匀。它包含里基体和增强物的部分原始接触面。

基体与增强物相互作用生成的反应产物， 此产物与基体及增强物的接触面等。

在 化学成分上有基体等元素外还有其他杂质，因此界面上的化学成分和相结构是很 复杂的。

作用：界面是复合材料的特征，可将界面的技能归纳为以下几种效应：

⑴传递效 应⑵阻断效应⑶不连续效应⑷散射和吸收效应⑸诱导效应 1 1、 机械结合：基体与增强体材料之间不发生化学反应，借助增强纤维表面凹凸 不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。 第 9 页 共 19 页 2 2、 溶解与浸润结合：基体润湿增强材料相互之间发生原子扩散和溶解形成结合。

液态或是粘流态基体对增强纤维的侵润， 而产生的作用力，作用范围只有若干原 子间距大小。

3 3、 反应结合：基体与增强体材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，以化 学键连接基体和增强体，是基体和增强材料结合在一起。基体与纤维之间形成界

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面反应层。

4 4、 交换反应结合：基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，且还通过扩 散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。

5 5、 混合结合：上述几种形式的混合结合方式。

3 3）描述聚合物基复合材料界面的形成过程。简述聚合物基复合材料界面作用机 理。

界面的形成可分为两个阶段：第一阶段是基体与增强纤维的接触与润湿过程。增 强体对基体分子中不同基团或基体各组分的吸附能力不同； 聚合物的界面结构与 本体不同。这一阶段是界面形成与发展的关键阶段。 第 10 页 共 19 页 第二阶段是聚合物的固化阶段。聚合物通过物理或化学过程固化形成固定界面 层。第一阶段与第二阶段往往是连续的，有时是同时进行的。

界面作用机理：

⑴浸润吸附理论：浸润是形成复合材料界面的基本条件之一， 浸润不良会在界面 上产生空隙，易因应力集中而开裂，完全浸润则将提高符合材料的强度 ⑵化学键理论：该理论认为基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能 其化学反应，在界面形成共价键结合 ⑶物理吸附理论：也称机械作用理论：认为增强纤维与树脂基体之间的结合属于 机械铰合和基于次价键作用的物理吸附 ⑷过渡层理论：为消除内应力，界面区应存在一个过渡层，起到应力松弛作用 ⑸拘束层理论：该理论也认为在基体和增强体之间存在一个松弛应力的过渡层， 但是该过渡层并非柔性的变形层 ⑹扩散层理论：这种物理结合是指复合材料的增强体和基体的原子或分子越过两

组成物的边界相互扩散而形成的界面结合 ⑺减弱界面局部应力作用理论：认为处于基体与增强体界面间的偶联剂提供了一

种“自愈能力”的化学键，这种化学键在外载荷作用下处于不断形成和断裂的 动态平衡状态 ⑻静电吸引理论：合适的偶联剂使复合材料的基体和增强体的表面带有异性电 荷，引起相