复合材料定义

复合材料定义：由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。复合材料的几个发展阶段：天然复合材料、传统复合材料、通用复合材料、先进复合材料、复合材料分类：1.按用途分类结构复合材料和功能复合材料2.按基体类型分类聚合物基、金属基、无机非金属基复合材料3.按增强体形式分类颗粒增强型、纤维增强型、片材增强型、层叠式增强纤维种类：、碳纤维（CF）按纤维组成分类:无机纤维：玻璃纤维（GF）、硼纤维（BF）、碳化硅纤维、氧化铝纤维等；有机纤维：芳纶纤维KF、聚酯纤维、聚乙烯纤维等复合材料性能：优点：1.比强度与比模量高（有利于材料减重）2.良好的抗疲劳性能3.减振性能好4抗腐蚀性好5高温性能好6导电导热性能好7耐磨性好8容易实现制备与形成一体化比强度和比模量是用来衡量材料承载能力的性能指标。比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。缺点：稳定性稍差，耐温和老化性差，层间剪切强度低等比强度：材料的抗拉强度与材料比重之比叫做比强度。比模量：材料的模量与密度之比。比强度和比模量是用来衡量材料承载能力的性能指标。比强度越高，同一零件的自重越小；比模量越高，零件的刚性越大。影响复合材料性能的主要因素：增强材料的性能；基体材料的性能；含量及其分布状况；界面结合情况；作为产品还与成型工艺和结构设计有关选择基体金属的原则①根据金属基复合材料的使用要求②根据金属基复合材料组成特点③基体金属与增强物的相容性（尽可能在复合材料成型过程中抑制界面反应）金属基体的温度范围：1.用于450℃以下的轻金属基体，主要是铝基和镁基复合材料2.用于450-700℃的复合材料的金属基体，主要是钛合金基体复合材料3.用于600-900℃的复合材料的金属基体，主要是铁和铁合金4.用于1000℃以上的金属基体，主要是镍基耐热合金和金属间化合物常见陶瓷基体：玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等聚合物基体的种类：热固性树脂（不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂）及各种热塑性聚合物聚合物基体的作用：1把纤维黏在一起2分配纤维间的载荷3使纤维不受环境影响热固性树脂：低分子物在引发剂、促进剂作用下生成的三维体形网状结构聚合物。固化物加热不软化，不溶不融。热固性基体主要是不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂一直在连续纤维增强树脂基复合材料中占统治地位。不饱合聚酯树脂、酚醛树脂主要用于玻璃增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的80％，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。热塑性树脂：具有线型或支链型结构的有机高分子化合物。这类聚合物可以反复受热软化或熔化，而冷却后变硬。属于热塑性聚合物的有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、聚苯硫等。热塑性聚合物基复合材料与热固性树脂基复合材料相比，在力学性能、使用温度、老化性能方面处于劣势，但是它具有工艺简单、工艺周期短、成本低、比重小等方面占优势。热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料在性能和加工工艺上的区别是什么？答：热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的有机高分子化合物，热固性树脂是以不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等为主的高分子化合物。性能上：热塑性树脂—柔韧性大，脆性低，加工性能好，但刚性、耐热性、尺寸稳定性差热固性树脂—刚性大，耐腐蚀性、耐热性、尺寸稳定性好，不易变形，成型工艺复杂，加工较难加工工艺上：热塑性树脂—受热软化或熔融，可进行各种线型加工，冷却后变得坚硬。再受热，又可进行熔融加工，具有可重复加工性。热固性树脂—受热熔融的同时发生固化反应，形成立体网状结构，冷却后再受热不熔融，在溶剂中不溶解，不具有重复加工性。不饱和聚酯树脂体系，各组分及其作用如下：主要成分：不饱和聚酯树脂，按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。交联剂：通过引发剂作用使线性聚酯分子交联成三维网状的体型大分子结构。常用的交联剂：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯等。引发剂：打开交联剂分子和不饱和聚酯分子链上的双键，形成自由基，发生自由共聚反应，达到交联固化的目的。引发剂一般为过氧化物。常用的引发剂：过氧化二异丙苯C6H5CCH322O2、过氧化二苯甲酰C6H5CO2O2。促进剂：使引发剂降低分解活化能，降低引发温度。对过氧化物有效的促进剂：二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等。对氢过氧化物有效的促进剂：具有变价的金属钴：环烷酸钴、萘酸钴等。阻聚剂：增加不饱和聚酯树脂的贮存稳定性，调节适用期。增稠剂：调节不饱和聚酯树脂的粘度。不饱和聚酯树脂的固化：放热反应，过程分三个阶段a胶凝阶段b硬化阶段c完全固化阶段如何改善聚合物的耐热性能？产生交联结构（对于热固性树脂、有机硅树脂等，工艺条件影响聚合物的交联密度）。增加高分子链的刚性（引进不饱和共价键或环状结构（脂环、芳环、杂环）、引入极性基团）。提高聚合物分子链的键能，避免弱键的存在（例：以C-F键完全取代。C-H键，可大大提高聚合物的热稳定性）形成结晶聚合物，结晶聚合物的熔融温度大大高于相应的非结晶聚合物。环氧树脂：是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的那一类有机高分子化合物。分类：根据分子结构，环氧树脂大体可分为五大类：1.缩水甘油醚类2.缩水甘油酯类3.缩水甘油胺类4.线型脂肪族类5.脂环族类环氧值和环氧当量是环氧树脂的主要质量指标，它们的定义分别是指每100克环氧树脂中含有的环氧基的当量数和含有一定当量环氧基的环氧树脂克数环氧值100/环氧当量（环氧值2×100/环氧树脂分子量即Ev2×100/M环氧基含量43×100/环氧当量即Ec43×100/En）环氧树脂胺固化原理：连接在伯胺氮原子上的氢原子和环氧基团反应，转变成仲胺，再由仲胺转变成叔胺。酚醛树脂：酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂，一般指苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂，它是最早合成的一类热固性树脂。有关纤维的专业术语单丝：拉丝漏板每个孔中拉出的丝原纱：多根单丝从漏板拉出汇集而成的单丝束捻度：（捻数）指有捻纱或其它纱线在每米长度沿着轴向的捻回数（螺旋匝数），根据加捻的方向分为Z：右捻，顺时针方向，S：左捻，反时针方向细度：直径，微米表示，一般，直径越细，抗拉强度就越高工业上：重量法1g原纱的长度，称支数，e.g.80支纱，即1g原纱的长度为80米定长法：国际上统一使用，1000米长原纱的克数500Tex:1000米长，重500gTex值越大，单丝越粗。粗纱：由多股平行的原丝拼合而成的无捻纱:一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成。有捻纱:则多用纺织型浸润剂，由原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成增强材料的作用简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。填充：廉价、颗粒状填料，降低成本。例：PVC中添加碳酸钙粉末。增强：纤维状或片状增强体，提高复合材料的力学性能和热性能。效果取决于增强体本身的力学性能、形态等。例：TiC颗粒增强Si3N4复合材料、碳化钨/钴复合材料，切割工具；碳/碳复合材料，导弹、，端头帽、鼻锥、喷管的喉衬。宇航工业的防热材料（抗烧蚀）赋予功能：赋予复合材料特殊的物理、化学功能。作用取决于功能体的化学组成和结构。增强体分类：1.按纤维形状分类：纤维类增强体；颗粒类增强体；晶须类增强体；片状物增强体2.按纤维组成分类：无机非金属纤维：碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维；有机纤维：芳纶纤维（Kevlar纤维）、超高分子聚乙烯纤维等；金属丝：钨丝、铍丝、钢丝等。玻璃纤维的化学组成：主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等玻璃纤维的物理结构：无色透明脆性固体，无定形物体，各向同性的均质材料玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍，但经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃相同。微晶结构假说：由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”所组成，之间由硅酸盐过冷溶液填充微晶子是结构上高度变形的晶体网络结构假说：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的三维网络，网络间空隙由NaKCaMg等阳离子填充。玻璃纤维性能：1.力学性能高微裂纹假说：其理论强度很高，但实测强度很低微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内。玻璃纤维比玻璃的强度高得多，玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的几率也减少2.物理性能低线膨胀系数、低导热系数、良好的热稳定性3.化学性能不燃烧，化学稳定性好影响玻璃纤维强度的因素：A、一般情况，玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而拉伸强度增加；B、拉伸强度也与纤维的长度有关，随着长度增加拉伸强度显著下降；Ｃ、化学组成对强度的影响，一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低；D、纤维老化的影响，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；E、纤维的疲劳影响，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情况；F、成型方法和成型条件强度的影响玻璃纤维制造中浸润剂的作用：使纤维束粘合集束，润滑耐磨，消除静电，保证拉丝和纺织工序的顺利进行。碳纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维和沥青（Pitch）原料：有人造丝（粘胶纤维）等生产：分为五个阶段：1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。2）牵伸：通常在100300C范围内进行，控制着最终纤维的模量。3）稳定：在400C加热氧化。显著地降低热失重，保证高度石墨和取得更好的性能。4）碳化：在10002000C范围内进行。5）石墨化：在20003000C范围内进行表面处理：处理机理：清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积，从类似石墨层面改性成碳状结构以增加碳纤维表面能，或者引入具有极性或反应性的官能团以形成与树脂起作用的中间层。处理的方法：1表面浸涂有机化合物2表面涂覆无机化合物①表面上沉积无定形碳②加涂碳化物，用化学气相沉积CVD的方法加涂碳化硅、加涂碳化硼、加涂碳化铬、涂卤化金属或硼氮化合物等3表面化学处理，酸处理、臭氧氧化法、氨处理、盐溶液处理4电解氧化处理5等离子体处理，有高温和低温两种。芳纶纤维原料：对苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺制造方法：低温溶液缩聚或直接缩聚结构与性能：由芳香环和酰胺基组成的大分子链，酰胺基连接在芳环对位上，大分子主链间由氢键做横向连接。ⅰ大共轭的苯环难以内旋转，大分子链－－线型刚性伸直链－－高强度，高模量ⅱ酰胺基－极性，可与另一分子链的羰基形成氢键－－梯形聚合物H－－良好规整性－－高度结晶性纺丝－－向列型液晶态，聚合物呈一维取向有序排列，成纤时，易沿作用方向取向ⅲ单斜晶系，具有规整的晶体结构，因此具有化学稳定性、高温尺寸稳定性、不发生高温分解以及在很高温度下不致热塑化等特点。ⅳ具有微纤结构，皮芯结构，空洞结构等不同形态的超分子结构芳纶纤维是一种沿轴向排列的有规则的褶叠层结构，横向强度比纵向强度低。复合材料的界面：是指基体与增强物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。界面的机能（为什么说界面是复合材料的特征）特点：1传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。2阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。3不连续效应：在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。4散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。5诱导效应：一种物质通常是增强物的表面结构使另一种通常是聚合物基体与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象界面上产生的这些效应，是任何一种单体材料所没有的特性，它对复合材料具有重要作用，因此说界面是复合材料的特征。增强材料表面处理或表面改性的定义：表面处理是在增强材料的表面涂覆上表面处理剂（包括浸润剂、偶联剂、助剂等物质），它有利于增强材料与基体间形成良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。偶联剂的作用机理：偶联剂是这样的一类化合物，它们的分