复合材料概论重点.doc

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，最佳结构设计一增强体与基体性能的叠加互补一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一一结构材料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a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；11、耐热性较差；111、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；I、双键活性大，易与不饱和双键共聚，生成均匀共聚物；I、固化后物理性能较好；W、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：CH3(n+2)H2C—CHCH2C1+(n+2)Na0H+(n+l)H0OHcH3CH3CH3H2C—chch2—ocH3[0—CH2—CH—CH2—00HcH3—0—CH2-HC-ch2PF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、耐折性一一差(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一一(无纺、平纹、斜纹、单向)布等玻纤制造方法一一玻璃球法(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°C预氧化-1000—1800°C碳化-碳纤维-2000°C—3000°C石墨化-石墨纤维制造CF时，为什么PAN原丝需经过预氧化处理？1) TgvlOO°C,分解前会软化熔融，不能直接在惰性气体中进行碳化；(2) 使PAN结构转化为稳定梯形六元环结构，不易熔融；(3) 纤维吸氧，形成PAN纤维分子间化学键纤维预氧化处理中颜色变化：白—黄—棕—黑碳化：1000—1800C惰性气氛中进行特点：除去N、0、H等非碳元素，改变原PAN纤维结构石墨化2000—3000C下对碳纤维热处理作用：进一步脱除氮、氢等，六角碳网平面环数增加，转化为类石墨结构贯穿生产全过程重要工艺：牵伸作用：微晶沿轴向择优取向，堆积紧密，密度、模量提高三种主要原材料性能比较粘胶基PAN基沥青基碳化率/%20—30%40—60%80—90%主要特性耐烧蚀，隔热材料高强中模量，综合力学性能高模量，光学各向异性影响CF强度重要因素：纤维中缺陷缺陷主要表现形式：直径不均匀、杂质、表面污染、各种裂缝、空穴、气泡CF缺陷主要来源：(1)原丝带来；(2)氧化、碳化过程中化学反应产生非C以气体溢出，有空洞和缺陷CF物理性能密度d=1.5—2.2粘胶基<聚丙烯腈基<沥青基吸水率较低0.03—0.05%热膨胀系数特点：各向异性a1=—0.72——.90X10-6/C(平行纤维轴向)aT=32—22X10-6/C(垂直纤维轴向)导热率特点：方向性电导性芳纶纤维AF芳香族聚酰胺类纤维芳纶纤维结构特点：（1）分子主链由芳香苯环和酰胺基按一定规律排列构成；（2）85%的酰胺基直接连在苯环对位上；（3）氢键使分子定向排列；（4）规整性，高度结晶性沿纤维方向强共价键，横向弱氢键——力学性能各向异性AF力学性能：低密度、高强度、高模量、韧性好比强度高：芳纶三CF>GF为什么芳纶具有高模量、高强度？结构对其性能有何影响？芳环结构、分子链难旋转、不能折叠——棒状结构——高模量线性分子规整、堆砌密度大——高强度缺点：耐光性差；吸湿性强用途：芳纶增强环氧、聚酯和其他树脂其他纤维碳化硅纤维三耐性能耐高温、耐腐蚀、耐幅射硼纤维（BF）价格昂贵：（1）工艺复杂，生产率很低（5m/min）,成本高；（2）表面特殊处理金属纤维限制应用原因：（1）密度较高（2）增强聚合物时，粘结力差晶须性能：（1）强度最高——直径小，原子结构排列高度有序，结构完整，含缺陷很少单晶第四章复合材料的界面化学组成和物理性能与增强体、基体均不相同，使基体与增强体结合成为一个整体，传递应力作用的微小区域界面五大效应：传递、阻断、不连续、散射和吸收、诱导效应。