12级复合材料复合材料原理复习资料

复合材料原理参考资料复合材料与工程考试形式笔试闭卷考试时间和地点时间：2014年12月24日8:20-10:00地点：材料学院A108题型与分数分布一．选择题二．填空题三．简答题四．论述题一、绪论1.复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。一相为连续相，称为基体；起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。一相为分散相，称为增强体（增强相）或功能体。是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。（分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料）主要起承受载荷的作用，赋予复合材料以一定的物理、化学功能。2.复合材料分类：A按基体分：B按照形态分：C按增强体材料种类分类：玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维。D按用途分类：结构复合材料：用于制造受力构件的复合材料。功能复合材料：指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料3.复合材料的特点复合材料的定义复合材料的定义•特点复合材料的性能有重要的改进。复合材料可以是一个连续的物理相与一个连续分散相的复合;也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合。复合后的产物为固体时才称为复合材料。复合材料既可以保持原材料的某些特点,又能发挥组合后的新特征。不是增强剂表面和基体表面简单结合的二维边界,而是还包含着两个表面之间的过渡区域而形成三维界面相二、复合规律1颗粒强化和弥散强化原理：（1）弥散强化原理：弥散强化复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成。在聚合物基体中阻碍分子链的运动。dp为0.001∽0.1μm。此时，载荷主要由基体承担，弥散颗粒阻碍聚合物基体分子链的运动。微粒阻碍基体分子链运动能力越大，增强效果愈大。微粒的尺寸越小，在一定范围内，体积分数越高，强化效果越好。一般Vp为0.01∽0.15。（2）颗粒强化原理颗粒增强复合材料是由尺寸较大（粒径大于1μm）的坚硬颗粒与基体复合而成，其增强原理与弥散增强原理有区别。在颗粒增强原理复合材料中，虽然载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体分子链变形的能力越大，增强效果越好。颗粒直径为1∽50μm，颗粒体积分数为5%∽50%2纤维增强原理①增强纤维抗张强度明显高于基体,载荷主要由纤维承受.②基体与增强体界面黏结良好,当复合材料受载荷时,由基体将载荷传递给增强体,使增强体均匀受力.③基体的塑性阻止裂纹的扩展.④纤维受力断裂时断口往往不出现在同一平面上,要使复合材料断裂,则必须将许多纤维从基体中拔出,克服基体对纤维黏结力,使复合材料断裂强度明显提高.纤维增强机理纤维增强机理3.结构复合材料的复合原则包括方面：①纤维应具有高强度和高模量.②基体材料具有一定塑性和韧性,对裂纹有致偏或抑制作用,能有效地保护纤维表面.③增强纤维与基体之间能够形成具有一定结合强度比较完整的界面,④增强体的含量,尺寸及分布必须适宜.⑤纤维与基体的热膨胀性能匹配.⑥纤维与基体的断裂伸长也要匹配.4.复合材料的复合效应线性效应非线性效应平均效应（最典型）平行效应（均保留本身的作用，既无制约，也无补偿）相补效应（基体和增强体，在性能上能互补，从而提高材料的综合性能）相抵效应：组分间性能相互制约,限制了整体性能的提高。相乘效应（两种具有转换效应的材料复合在一起）诱导效应（通过诱导作用使另一组分材料的结构改变整体性能或产生新的效应）共振效应（在一定条件下会产生机械的或电的,磁的共振）系统效应5.根据“连通性”概念，例举五种常见的两相结构复合材料连通结构形态。“连通性”：复合体系的任何相，在空间的零维、一维、二维、或三维方向上是连通的。孤立的颗粒连通性为0（零维材料）；纤维状材料连通性为1（一维材料）片状材料连通性为2（二维材料）；网络状连续材料连通性为3（三维材料）!3!)!3(nnCn35,4;20,3;10,2nnnCnCnCn复合材料中联通结构数与相之间的关系：（2.4）例如：两相复合体系有10种可能的连通性复合材料结构，分别为：0-0，0-1，0-2，0-3，1-1，1-2，1-3，2-2，2-3，3-3。几种典型的复合材料结构两相结构复合材料的几种常见的连通结构形状：0-3型颗粒—基体1-3型短纤---基体（各向同性）；长丝---基体（各向异性）2-2型“胶合板”2-3型云母---聚合物3-3型三维编织物6.复合材料相结构产生的复合效果。A组分效果：在复合材料的基体和增强体的物理机械性能确定的情况下，仅仅把相对组成作为变量，不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量的影响时产生的效果。B结构效果a几何形态效果（形状效果）：该效果也可表示出相的连续和不连续效果；其决定因素是组成中的连续相。零维颗粒增强复合材料性能取决于基体，当分散相为一维连续相时，若其性质与基体有较大差异时，分散质的性能可能会显示出对复合材料性能的支配作用。b分布状态效果（取向效果）：1-3、2-2乃至3-3型复合结构，增强体的几何取向对复合材料性能有明显的影响。对于1-3型的结构，在增强体的轴向和径向，复合材料性能有着明显的差异，短纤维状的增强体在复合材料中分散状态，往往受到复合材料成形过程中剪切应力的影响。而对于2-3型和2-2型结构的复合材料，在增强体或功能体的平面平行方向和平面垂直方向上其性能完全不同。ffmmcEVEVE1ffmmcVEVEE而在平行于增强体平面上施加外力时，则成为并联式结构，此时的弹性模量为：以2-2型复合结构的材料而言，在增强体所在平面的垂直方向施加外力时，成为串联式结构，则弹性模量为：上二式中，E为弹性模量，V为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体（或功能体）。C尺度效果：分散质尺度的大小，会导致其表面物理及化学性质的变化。诸如比表面、表面自由能以及它们在复合材料中的表面应力分布和界面状态，而使复合材料性能发生变化。例如：当SiO2粉末分散于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基体中复合材料。SiO2尺度500nm(0.5μm)，硅烷偶联剂处理的增强效果优于未处理的。SiO2尺度500nm(0.5μm)，不处理的优于处理的。分析：当其尺度500nm，由于表面积和表面能显著↑，其表面活性大大↑，使之与基体的结合强度强于硅烷偶联剂对基体和SiO2的结合。D界面效果：复合材料的界面效果是基体与增强体复合效果的主要因素。只有界面效果的存在，才能充分地显示复合材料的各种优越性能。界面结构的（物理结构和化学结构）变化会引起复合材料性能的明显变化。界面除了可以作为复合材料的一个组分而对材料有各种物理性能影响外，其物理结构、化学结构及其尺度的变化都会有不同于其它组分相的作用。7.微观结构模型主要内容a材料的几何结构模型b材料的物理模型，即计算场量理论和方法。建立模型需注意的问题：A首先应确立坐标系和材料的主轴方向,通常以主轴方向为参考坐标。B结构模型和物理模型两个系统,有时是统一的,有时则并不统一.C在建立材料的结构模型时,主要以材料的相几何形态和性能规律为依据。D物理模型的确立要以结构模型为依据,针对某一物理性能和结构特征,进行场量计算.8、复合材料有哪几种性质？a.固有性质：指复合材料在各相之间不互相作用所表现出来的材料性质。复合材料的性质是各相组分按含量的加和性，而与各相的几何状态、分析状态无关。b.传递性质材料的传递性质是材料在外作用场作用时，表征某通量通过材料阻力大小的物理量，诸如：导热性质（导热系数）、导电性质（电阻率）等。c.强度性质：材料的强度特性是材料承受外作用场极限能力的表征，材料的力学强度是材料承受外力的极限能力，如拉伸强度、冲击强度等。材料对电场的承受能力，则为电击穿强度。对于非均质的复合材料，材料对外作用场的承载能力不是各组分相承载力的叠加，而与外作用场的分布、各组分相之间的相互作用有关。d.转换性质：指材料在一种外场作用下，转换产生另一种新场量。表征两种场量的相互关系则称为转换关系。如材料在电场作用下产生热量，在热作用下产生光，在应力作用下产生变化，都是材料的转换性质。三、聚合物基体a不饱和聚酯树脂(热固性聚合物)：不饱和聚酯是由不饱和二元羧酸（或酸酐）饱和二元羧酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成。热固性聚合物热固性聚合物——不饱和聚酯不饱和聚酯顺酐＋邻苯酐＋丙二醇→HCHCCOOCO+OCOCO+H2COHCHOHCH3*OCHCH3H2COCOHCHCCOOCHCH3CH2OCOCO*n2.2结构特征：mnCHOCOCHOCO)()(22OCOCHCHOCO饱和二元酯结构不饱和二元酯结构•合成过程遵循线型缩聚反应的历程173.1固化过程1.固化：粘流态树脂体系发生交联反应而转变成不溶、不熔的具有体型网络结构的固态树脂的全过程。宏观：硬化微观：固化均包括物理、化学变化ABC粘流态的树脂凝胶UPR的B阶段不明显形成不熔，不溶的坚硬固体时间长2.UPR的固化特征：2.UPR的固化特征：热固性聚合物热固性聚合物——不饱和聚酯不饱和聚酯3.3.不饱和聚酯树脂的固化不饱和聚酯树脂的固化•游离基型共聚反应热固性聚合物热固性聚合物——不饱和聚酯不饱和聚酯(1)有机过氧化物的种类（P15）通式：R-O-O-H或R-O-O-RCCH3CH3OOHH3CCOCH3CH3OCCH3CH3CH3COOCOOCOOCCH3CH3CH3OH3CCHOCOOCOCHCH3CH3OOCH3①R-O-O-H烷基（或芳基）过氧化氢②R-O-O-R过氧化二烷基（或芳基）RCOOCROO③过氧化二酰基RCOOR'O④过酸酯⑤过碳酸二酯ROCOOCOROO⑥酮过氧化物：一种过氧化物的混合物，其中包含有一羟基氢过氧化物，一羟基过氧化物，二羟基过氧化物和二过氧化物，如过氧化甲乙酮和过氧化环己酮.热固性聚合物热固性聚合物——不饱和聚酯不饱和聚酯在有促进剂存在的情况下，有机过氧化物可在其临界温度以下产生游离基.•有机过氧化物促进剂只对氢过氧化物有效的：具有变价的金属皂（如环烷酸钴钒锰等）促进剂的分类只对过氧化物有效的：叔胺对前两种都有效的：十二烷基硫醇等•(2)有机过氧化物的特性•①活性含氧量：有机过氧化物的有效成分的标志。•②临界温度：受热分解形成具有引发活性的游离基时所需要的最低温度。•③半衰期：在给定温度下，有机过氧化物分解一半所需要的时间，常用来评价其活性大小。b环氧树脂(热固性聚合物)：是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类高聚物的总称。由于其官能团－环氧基具有极强的化学活泼性，固可与多种类型的固化剂发生开环，固化交联反应，形成不溶、不熔性三维网状聚合物。热固性聚合物热固性聚合物——不饱和聚酯不饱和聚酯不饱和聚酯只加热也可使树脂固化，但有两缺点：用引发剂固化的优点：3.3不饱和聚酯用引发剂•①低温固化慢，高温难控制;•②固化反应起动的瞬间速度极快，最终又不易固化完全。•①可以有效的控制反应速度；•②最终固化可趋于完全，固化产物性能稳定；•③再配以适当的促进剂，可以满足各种固化工艺的要求。热固性聚合物热固性聚合物2.1双酚基丙烷型环氧树脂:CH3CH3HOOHHCH2CO[n+1][n+2][n+2]NaOHCH2ClOHCH2CH2COCH3CH3O[n+2]NaCl[n+2]H2OH2CCHH2COHOCH3CH3OH2CHCOCH2n2.几种常见类型的环氧树脂固化特点：环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。•双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，耐热性好，强度高，韧性差。热固性聚合物热固性聚合物2.4缩水甘油胺类环氧树脂可从脂肪族或芳香族伯胺或仲胺和环氧氯丙烷合成，工业上常用三聚氰胺和苯胺等，各自结构如下：特点：多官能度，所以固化后结构紧密，固化物有优异的耐高温性，分子本体为三氮杂环，有良好的化学稳定性，优良的耐紫外光，耐气候性和耐油性，还有良好的耐电弧性。从三聚氰胺得(a)NCNCNCNNNH2COH2COH2CO从苯胺得(b)OH2CNH2COCH2OCH2OH2CO热固性聚合物热固性聚合物2.