复合材料,热应力.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划复合材料,热应力　　第七章生物医用复合材料　　生物医用复合材料概述　　1定义：两种或两种以上的高分子、无机非金属、金属或天然生物材料通过各种方法组合而成的生物材料　　2　　3分类：　　按基体材料分类：陶瓷基生物医用复合材料、高分子基生物医用复合材料、金属基　　生物医用复合材料　　按材料植入体内后引起的组织材料反应分类：近于惰性的生物医用复合材料、生物　　活性复合材料、可吸收生物医用复合材料　　4特点：增进材料的韧性、断裂形变或改善其生物学性能一般性能改善：比强度、比模量高、抗疲劳性能好、抗生理腐蚀性好、力学相容性好等　　生物医用复合材料的界面与复合准则　　1生物医用复合材料的界面　　复合材料的界面：复合材料中增强体与基体接触所构成的界面是一层具有一定厚度、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相——界面相或界面层　　复合材料组分　　①基体：复合复合材料中至少有两相，在复合材料中呈连续相的，为基体　　②增强相：被基体所包容的一相　　③界面相：界面附近的基体与增强体由于复合时的物理及化学等原因，具有不同于基体及增强材料的复杂结构，该部分的结构随交界面的距离而逐渐向本体结构变化。

界面附近也被独立看成一相，即界面相　　界面产生原因：增强体与基体相互接触时，在一定条件下可能发生物理化学或化学　　反应，如：①两相间组元的相互扩散、溶解，产生不同于原来两相的新相；②由于基体的固化、凝固所产生的内应力；③由于组织结构的诱导效应，导致接近增强体的基体发生结构上的变化或堆砌密度上的变化等；因而导致局部基体的性能不同于基体的本体性能，形成界面相　　界面影响　　复合材料界面相的结构与性能对复合材料整体的性能影响很大，增强体与基体构成复合材料的界面时，二者之间产生一定的物理与化学作用，若二者不具有构成良好的复合材料界面的相容性，就不会有良好的界面结合及结合强度在考虑复合材料的复合条件时，首先要对复合材料的界面性能作出评价　　①界面的浸润性　　②界面的结合力及其类型：机械结合力、物理结合力、化学结合力　　③界面的稳定性：植入体复合材料在生理体液、生理活动等环境下，要求其界面能够长期保持稳定，如果复合材料在使用或加工中变起过程由于界面发生化而使性能下降或引生物组织反应，则该复合材料没有生物医用的应用价值　　④界面的反应性：复合材料受到载荷作用时，通过界面的相互作用，把基体上的力传递到增强相上，需要考虑界面的黏结强度与界面的反应性之间的关系。

复合材料要发挥起其性能优势，要有适当的黏结强度　　⑤界面的残余应力：复合材料成型加工时产生的收缩应力及复合材料组分热膨胀系数不同形成的热应力都会形成材料的界面残余应力残余应力对复合材料的性能影响较大，既影响材料的力学性能，又影响材料的生物学性能一般应使基体处于压应力的状态以增　　强复合材料的性能　　⑥增强体形态：颗粒纤维薄片　　2生物医用复合材料的复合准则　　颗粒增强复合材料的复合准则　　在颗粒增强的复合材料中：载荷主要由基体承担，颗粒高度分散于基体中在有机聚合物基体中颗粒可阻碍高分子链的运动在陶瓷基体中颗粒有裂纹屏蔽效应等；从而起到强化基体的作用颗粒增强的效果与其在复合材料中所占的体积百分数、分布的均匀程度、粒径大小等因素有关　　颗粒增强复合材料，颗粒随机分布于基体之中，宏观上可将可将颗粒增强复合材料看成是各向同性材料复合材料的性能与有关成分的量及各成分的性质有关用混合规律可预测复合材料的某些性质　　①颗粒粒径与增强效果：~μm通常增强效果较好；大于μm颗粒周围将引起　　受力状态下的应力集中；小于μm，增强作用不大　　②材料的密度：　　ρc＝Σfiρi　　ρc＝f1ρ1＋f2ρ2＋f3ρ3＋……＋fnρn　　ρc－复合材料的密度；ρ1，ρ2，…ρn分别为复合材料中各组分的密度；f1，f2，…fn相应成分的体积分数。

　　③复合材料的硬度、强度不能用混合法则计算　　纤维增强复合材料的复合准则　　①外力沿纤维轴方向　　假设：纤维与基体间为理想粘结，在界面上不发生滑移；——→则：在外力作用下，纤维与基体处于等应变条件：εc=εf=εm　　作用在材料上的总力：纤维、基体受力的总和Fc＝Fm＋Ff；若纤维和基体呈弹性形变，则应力为：σ=Eε所以F=σA=EεA　　总载荷作用于复合材料整个横截面Ac上，则：　　纤维的体积分数可用面积分数表示：　　因此得到混合定律：σc=σfVf+σmVm　　外力很大时，基体材料开始变形，使得复合材料的应力－应变曲线偏离线性，此时，其弹性模量不再符合混合定律由于基体对复合材料刚性的贡献较小，模量可近似表示为：Ec=EfVf即外力很大，复合材料的模量仅取决于纤维　　②外力垂直于纤维轴方向　　材料中每一成分受到的应力相等；每种成分的应变量不等，总的应变量等于各成分应变量与体积分数的乘积εc=Vmεm+Vfεf　　因为σc=σm=σf所以1/Ec=Vm/Em+Vf/Ef　　③层状复合材料的复合准则　　a水平方向：密度ρc＝ΣViρi模量Ec＝ΣViEi热导率Kc＝ΣViKi电导σc＝ΣViσb垂直方向：电导1/σc=ΣVi/σi热导率1/Kc=ΣVi/Ki弹性模量1/Ec=ΣVi/Eii　　生物无机与无机医用复合材料　　分类：生物陶瓷与生物陶瓷复合材料、生物陶瓷与生物活性玻璃复合材料、生物活性涂层无机复合材料　　生物无机与无机医用复合材料的成型与制备　　无机－无机复合材料成型技术　　①成型的基本要求：坯体系统中，坯料内摩擦力小，具有良好的流动性；原料颗粒有最佳的级配、分布和分散；外加荷载系统可控，保证坯体密度及较高的强度。

　　②成型方法：模压成型法、注浆成型法、冷等静压成型法、溶胶－凝胶成型法、陶瓷原位凝固胶态成型法、涂层烧结法、高温喷涂法　　?冷等静压成型法　　利用高压泵将液体介质压入钢制高压密封容器内，弹性模套内的粉料在各个方向上同时受到液体传递的均衡压力，从而获得密度分布均匀和强度较好的压坯　　特点：该法可以成型复杂形状和尺寸的制品，摩擦、磨损小，成型压力小，模具易制作，密度均匀，可获得接近完全致密的材料与注浆法相比，不需要控制浆料的性能，不必干燥原理：遵循流体力学中的帕斯卡定律，即在一充满液体的封闭容器中，施加于流体中任一点的压力，必以相同的数值传递到容器中的任一部位等静压成型工艺是将所需压制的粉状材料，装入有弹性的模具中，并将模具口扎紧，带料的模具置于高压容器中，再将高压容器入口严封加压介质一般为变压器油，用超高压泵向高压容器注入变压器油对模具均匀加压，容器内压力可升至100～600MPa，保持一定时间后，逐渐降低压力、排出介质，打开容器入口，卸出模具，从模具中取得所成型的生坯，再进一步热处理(焙烧)及机械加工得到所需的成品设备：主要由弹性模具、高压容器、框架和液压系统组成　　弹性模具一般用橡胶或树脂合成材料制作，物料颗粒大小和形状对弹性模具寿命有较大影响，模具设计是等静压成型的关键技术问题，弹性模具与制品的尺寸和均质有密切关系。

高压容器多数是用高强度合金钢直接铸造后经机床加工而成的厚壁金属简体，　　足以抵抗强大　　的液体压力，简体结构也有多数形式，如双层组合简体、预应力钢丝缠绕加固筒体等液压系统由低压泵、高压泵和增压器及各种阀门组成，开始由流量较大的低压泵供油，达到一定压力后由高压泵供油，并由增压器进一步增加高压容器内的液体压力　　液等静压成型设备又分两种类型，即湿袋法冷等静压机和干袋法冷等静压机特点：　　(1)压出的生坯密度分布比较均匀，内部结构缺陷较少，这是其他成型工艺无法比拟的　　(2)可以生产体积密度受控制的生坯，只要调节液等静压高压容器内的压力，液等静压的压力和生坯的密度成正比　　(3)由于高压容器内的压力比一般挤压成型或模压成型高得多，因此可以进行石油焦粉末的无黏结剂成型　　(4)可以生产形状比较复杂的产品，如可直接压制球状或管状的生坯注意：等静压成型的操作比较费事，生产效率较低，生产成本高另外从等静压成型得到的生坯外形多少有些不规则，必须在焙烧后进行机械加工，因此成型时设计的模具尺寸要留出生坯热处理时的收缩余量和加工余量　　?溶胶－凝胶成型法　　将无机化合物相继形成溶液、溶胶、凝胶而固化，然后经过干燥、热处理制成陶瓷基复合材料。

溶胶－凝胶过程可分为两个途径溶胶形成凝胶的途径一：根据胶体化学中化学凝聚法原理将无机化合物制成溶胶　　①利用化学反应在适宜的条件下生成不溶物，并使它由分子分散状态逐步凝聚成含有分散介质而固化的三维空间网络结构，即凝胶；　　②然后经净化除去杂质离子；　　③最后通过干燥、热处理制成陶瓷溶胶形成凝胶的途径二：用金属醇盐作原料前驱体，加醇形成溶液，同时在酸或碱催化下进行水解或缩聚，使溶液变成溶胶，并逐步缩聚过渡到凝胶，再经干燥与热处理制成陶瓷第二相的引入方法：　　①将晶须、纤维或颗粒分散在基质化合物形成的溶胶中制备　　②将形成不同矿相的原料前驱体共同通过溶液、溶胶而形成凝胶利用溶胶－凝胶过程制备无机复合材料，　　③将形成基质的金属醇盐制成凝胶，经脱水后形成多孔的干凝胶，然后将第二相溶液渗入到干凝胶的孔内，控制浓度使其在孔隙析出晶体　　④将不同前驱体原料分别制成溶胶，交替涂层制成叠层复合材料　　?陶瓷原位凝固胶态成型法　　此法与其他胶态凝固技术的不同之处：原位凝固颗粒在悬浮液中的位置不变，依靠颗粒之间的作用力或者悬浮液内部的一些载体性质的变化使悬浮，体从液态转变为固态　　无机-无机生物复合材料的种类、性能与应用　　生物活性陶瓷与生物活性陶瓷复合材料　　①HA-TCP复合材料应用：HA、TCP作为骨修复材料。

特点：HA-TCP复合材料优于单相陶瓷材料HA的重结晶对TCP可起到改善耐断裂性的作用HA-TCP复合材料的断裂主要为穿晶断裂，晶间断裂程度也大于纯单相陶瓷材料②HA-HA晶须复合材料材料产生原因：单相HA材料的抗弯强度低，脆性大，生理环境中抗疲劳强度不高，湿环境下的断裂韧性低于/2，为典型的脆性材料因此晶须或纤维增强生物活性陶瓷材料受到关注用HA晶须增强HA提高断裂韧性和抗弯强度　　机理：通过基体的压应力作用和裂纹的偏转作用提高复合材料的韧性HA晶须单晶体沿C轴方向具有较大的热膨胀系数，复合材料烧结后，HA基体受压应力作用，而HA晶须受张应力作用HA－HA晶须复合材料中残余应力场的存在，使其具有较大的断裂韧性，同时裂纹的偏转效应也具有增韧作用　　生物活性陶瓷－生物玻璃复合材料　　改善：气孔率、比表面、生物活性、力学性能、机械强度等　　①HA－生物活性玻璃复合材料特点：HA与骨质的结合强度只有45S5生物活性玻璃的70％；45S5的生物亲和性好，弹性模量低，但抗折强度小HA—生物活性玻璃复合材料的综合性能均好于其单一组分的材料　　②HA－生物玻璃层状复合材料特点：HA晶须增韧的HA复合材料，其界面黏结强度较高，HA晶须受高温作用的影响晶须增韧的桥接作用和裂纹偏，转效应受到限制，影响复合材料的增韧效果。

机理：HA－生物玻璃层状复合材料，是以HA为基体材料，生物玻璃作为弱层材料，使复合材料中存在弱的界面结合层增韧机制：当此复合材料受到外力作用时，外层HA陶瓷产生裂纹，层间弱层材料使裂纹发生偏转并吸收能量，从而提高复合材料的断裂韧性例如：HA纳米晶粒与生物活性玻璃生物活性陶瓷－生物惰性陶瓷复合材料特点：以高强度氧化物陶瓷为基材，掺入羟基磷灰石等生物。