复合材料概论

复合材料概论

王荣国武卫莉谷万里主编

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第一章总论

复合材料定义：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；在复合材料中通常有一个相为连续相，称为基体，另一相为分散相，陈伟增强材料。

生产量较大，适用面广，性能相对较低的为常用复合材料，高精尖的为先进复合材料。

复合材料的命名：玻璃纤维环氧树脂复合材料、玻璃/环氧复合材料，玻璃纤维复合材料，环氧树脂复合材料，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。

常用的分类方法：

1．按增强材料形态分类〔连续纤维复合、短纤维复合、颗粒复合、编织复合〕

2．按增强材料纤维种类分类〔玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维、混合〕3．按基体材料分类〔聚合物基、金属基、无机非金属基〕

4．按材料作用分类〔结构复合材料、功能复合材料〕

复合材料的共同特点：

1．可综合发挥各组成材料的优点

2．可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造〔最大特点！！〕

3．可制成所需的任意形状的产品

聚合物基复合材料的主要性能：

1．比强度、比模量大

2．耐疲劳性能好

3．减震性能好

4．过载时平安性能好

5．具有多种功能性

6．良好的加工工艺性

金属基复合材料的主要性能

1．高比强度、比模量

2．导热导电性能优良

3．热膨胀系数小、尺寸稳定

4．良好的高温性能

5．耐磨性好

6．良好的疲劳性能

7．不吸潮、不老化、气密性好

陶瓷基复合材料的主要性能：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下抗磨损性能好、耐化学腐蚀性优良、热膨胀系数和相对密度较小；断裂韧性低，限制其为结构材料使用。

复合材料力学性能取决于增强材料的性能、含量和分布，取决于基体材料的性能和含量

第二章复合材料的基体材料

1 基体材料是金属基复合材料的主要组成，起着固结增强物、传递和承受各种载荷〔力热电〕的作用。

2 金属基：铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等

3 在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性，而并不要求基体本身有很高的强度。

4 对于非连续增强金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。

5 铁、镍等元素是促进碳石墨化的元素，用铁镍作为基体，碳〔石墨〕纤维作为增强物不可取。

6 结构复合材料的基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体。

7 450℃以下轻金属：铝基，镁基复合材料；450℃--700℃：钛合金；1000℃以上：镍基铁基耐热合金

8 无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等

9 镁水泥复合材料广泛采用的是玻璃纤维、石棉纤维和木质纤维增强材料，为改善性能添加粉状填充料及抗水外加剂。

10 陶瓷材料包括：硅酸盐材料、氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等

11 常用的陶瓷基体主要包括玻璃、玻璃陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等

12 玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，非晶态结构是其特征之一。

13 无机玻璃通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态——反玻璃化。

14 复合材料基体作用：把纤维粘在一起；分配纤维间载荷；保护纤维不受环境影响。

15由于分子结构上的差异，使热塑性树脂在力学性能上有如下特点：具有明显的力学松弛现象；在外力作用下，形变较大，当应变速度不太大时，可具有相当大的断裂延伸率；抗冲击性能好。

16 热固性树脂：不饱和聚酯树脂、环氧树脂〔双酚A〕、酚醛树脂、其他热固性树脂〔有机硅〕；热塑性树脂〔可重复加热成型〕：聚酰胺〔尼龙〕、聚碳酸酯、聚砜

第三章复合材料的增强材料

在复合材料中，但凡能提高基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。

纤维增强复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量、使用状态。

玻璃纤维的分类：

1．以玻璃原料成分分类：无碱玻璃纤维〔E玻纤〕；中碱玻璃纤维；有机玻璃纤维〔A玻璃〕；

特种玻璃纤维

2．以单丝直径分类：30μm粗纤维；20μm初级纤维；10-20μm中级纤维；3-10μm高级纤维〔纺织纤维〕，＜4μm超细纤维

3．以纤维外观分类：无捻粗纱、有捻细纱、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉、磨细纤维4．以纤维特征分类：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维〔无碱及中碱玻璃纤维〕

玻璃结构近似有序！

玻璃纤维的化学组成：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝〔填空题〕

玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。

玻璃纤维高强的原因：微裂纹假说，玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的时机减少。此外，玻璃纤维断面较小，微裂纹存在的几率也较小从而使纤维强度增高。

影响玻璃纤维强度的因素：直径越小拉伸强度越高；纤维长度越短拉伸强度越高；化学组成〔含碱量越低拉伸强度越高〕；存放时间越短拉伸强度越高；施加负荷时间越短拉伸强度越高〔纤维疲劳〕；玻璃纤维成型方法和成型条件对强度的影响〔硬化速度越快强度越高〕

玻璃纤维的耐折性很差。

影响玻璃纤维化学稳定性的因素：中碱玻璃纤维对酸稳定，对水不稳定；无碱玻璃纤维耐酸性差，耐水性好；二者耐碱性接近。

纤维支数：重量法：1克重原纱长度纤维支数=纤维长度/纤维重量；定长法〔国际统一〕单位TEX，1000m长原纱克重量。

碳纤维是由有机纤维经固相反响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，比模量高，而且耐热性高，以及化学稳定性好〔除硝酸以外，几乎对所有药品均稳定〕。在航空航天，军事，体育用品和工业方面用途广泛。根据碳纤维的性能分类：高性能碳纤维，低性能碳纤维〔耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维〕根据碳纤维功能分类：受力结构用···，耐焰···，活性···〔吸附性〕，导电用···，润滑用···，耐磨用···

碳纤维的制造：气相法，有机纤维碳化法

气相法是在惰性气氛中小分子有机物在高温下沉积成纤维。只能制造晶须和短纤维，不能制造连续长丝。

有机纤维碳化法是将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气体中，于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去局部碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法可制造连续长纤维。

制作碳纤维的原料有三种：人造丝〔粘胶纤维〕，聚丙烯晴〔PAN〕纤维，沥青。

原丝纤维制造纤维：拉丝、牵伸、稳定、碳化、石墨化

碳纤维的应力应变曲线为一直线，伸长小，断裂过程在瞬间完成，不发生屈服。

碳纤维的膨胀系数与其他类型纤维不同，具有各向异性特点。

碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生电化学腐蚀。

碳纤维具有突出的耐热性，还有良好的耐低温性能，在液氮温度下也不脆化。

芳纶纤维的特点是拉伸强度高。

芳纶纤维的热膨胀系数和碳纤维一样具有各向异性的特点。

芳纶纤维作为增强材料，树脂作为基体的增强塑料，简称KFRP，它在航空航天方面的应用仅次于碳纤维。

碳化硅纤维主要用于增强金属和陶瓷，制成耐高温的金属或陶瓷基复合材料。

碳化硅纤维的制造方法主要有两种----化学气相沉积法和烧结法〔有机聚合物转化法〕。

A(pfw)/B p颗粒；w 晶须；f 纤维状

碳化硅纤维具有良好的耐热性能，超过1300℃性能开始下降。

碳化硅纤维具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射的三耐性能，是一种理想的耐热材料。

硼纤维具有良好的比强度和比模量，密度小。

晶须是目前纤维中强度最高的一种，原因：直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。

晶须分为陶瓷晶须和金属晶须两类，用作增强材料的主要是陶瓷晶须。

氧化铝纤维缺乏之处在于密度较大，3.2g/cm3是所介绍纤维中密度最大的。

第四章复合材料的界面

〔论述？〕复合材料的复合原那么：

1．材料组元的选择：①挑选适宜组元，根据性能要求选材；②各组元之间的相容性〔物、化、力学〕③各组元间的浸润性/润湿性〔结合强度过高影响断裂能量吸收，易脆断〕2．材料制备方法选择：①对组元损伤较小的工艺选择②能使任何形式的增强材料均匀或按照设计要求分布③能使复合材料在性能上发挥各组元的作用，且能保存各组元固有属性

④性价比要高

〔论述？简答？〕纤维增强原那么：1.强度、模量高于基体 2.粘结作用 3.纤维与基体的热膨胀系数相差不能过大 4.不能发生有害的化学反响5.纤维分布适宜

颗粒增强：颗粒大小、颗粒数量、颗粒粘结作用。

〔简答题〕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。它包含了1。基体和增强物的局部原始接触面；2。基体与增强物相互作用生成的反响产物；3。此产物与基体及增强物的接触面；4。基体和接触物的互扩散层；5。增强物上的外表涂层；6。基体和增强物上的氧化物及它们的反响产物等。连续纤维增强作用大于短纤维增强作用。

界面的机能、效应〔填空题〕：传递效应、阻断效应、不连续效应、散射和吸收效应、诱导效应

界面区域示意图：外力场····

界面最正确态的衡量是当受力

发生开裂时，这一裂纹能转为区

域化而不进一步界面脱粘。

界面浸润理论：

θ为接触角，当θ＞90°，液体

不能润湿固体；θ＝180°，液

体完全不能润湿固体外表，呈球

状；θ＜90°，液体能润湿固体；

θ=0，完全润湿固体。

界面作用机理相关理论：

界面浸润理论、化学键理论、物

理吸附理论、变形层理论、拘束层理论、扩散层理论、减弱界面局部应力作用理论。

〔简答题P66〕金属基体纤维复合材料界面的类型：类型1，纤维与基体互不反响亦不溶解，界面平整，厚度仅为分子层的厚度，除原组成成分外，界面上不含有其他物质；类型2，纤维与基体不反响但相互溶解，由原组成成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面；类型3，纤维与基体相互反响形成界面反响层，含有亚微级左右的界面反响物质〔界面反响层〕。

金属基纤维复合材料的界面结合形势可以分成以下几种形式：物理结合〔类型1〕，溶解和浸润结合〔类型2〕，反响结合〔类型3〕。

第五章聚合物基复合材料

1 玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料作为基体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢〔GFRP〕，分为玻璃纤维增强环氧树脂、玻璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂。

2 GFRP的突出特点是比重小，比强度高。比重为1.6-2.0，比强度比高级合金还高——玻璃钢。

3 玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种，这是与它的基体材料环氧树脂分不开的；玻璃纤维增强酚醛树脂是各种GFRP中耐热性最好的一种，可以在200℃下长期使用，甚至可以在1000℃短期使用；玻璃纤维增强聚酯树脂最突出的特点是加工性能好，树脂中参加引发剂和促进剂后，促进成型。

4 热塑性塑料包括：聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料。

5 玻璃纤维增强热塑性塑料除了具有纤维增强塑料的共同特点之外，还具有更轻的比重，比强度高，蠕变性能大大改善。

6 硼纤维增强塑料是指硼纤维增强环氧树脂，是高强度、高模量纤维增强塑料中性能最好的

一种。

7 聚合物材料结构设计步骤：明确设计条件、材料设计、结构设计

8 复合材料结构设计条件：结构性能要求、载荷情况、环境条件、结构的可靠性和经济性。

9 成型固化工艺包括两方面的内容：成型，将预浸料根据产品的要求铺成一定的形状〔产品的形状〕；固化，将形状固定，并到达预计的性能要求。

10 经常采用的成型方法：手糊成型-湿法铺层成型、喷射成型、模压成型、注射成型、拉挤成型。

11 手糊工艺是聚合物基复合材料制造中最早采用和最简单的方法。

12注射成型时根据金属压铸原理开展起来的一种成型方法，该方法是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内加热融化和混合均匀，并以一定的挤出压力注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却成型后，开模便得到复合材料制品。

第六章金属基复合材料

1．金属基复合材料与传统的金属材料相比，具有较高的比强度和比刚度，而与树脂基复合材料相比，又具有优良的导电性与耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有高韧性和高冲击性能。

2 按基体材料可分为铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料等；按增强体来份可分为颗粒增强复合材料、层状复合材料、纤维增强复合材料等。

3 铝基复合材料是金属基复合材料中应用最广的一种。

4 复合材料强度同组分性能间的关系公式：σ*C=σF·V F+σM·V M

5 基体和增强体的热膨胀系数：基体热膨胀系数高于增强体；因为膨胀系数较高的相，通常受到较高温度冷却时受到张应力。

7 各种增强方式：固溶强化、晶界强化、纤维增强、第二相强化——位错绕过、位错切过

8 铝是应用最广的基体材料。

9 目前普遍选用的铝合金有变形铝合金、铸造铝、焊接铝及烧结铝等。

10 铝基复合材料的二次加工：成型、连接、机械加工、热处理。

11硼基复合材料纵向弹性模量E11=E F·V F+E M·V M

12 复合材料弹性模量：E11=E F·V F+E M·V M

13 金属基复合材料应用于燃气涡轮发动机叶片。

14 单晶氧化铝增强的突出特点是高弹性模量、低密度、纤维形态的高强度、高熔点、良好的高温强度和抗氧化性。

按照增强体的生成方式：外加法和原位合成法；粉末冶金、熔铸、机械合金法、快速凝固法第七章陶瓷基复合材料

1．陶瓷基复合材料中的增强体通常称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维〔长、短〕、晶须和颗粒三类。

2．碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常用的纤维之一；另一常用纤维是玻璃纤维；还有一种常用的是硼纤维。

3．陶瓷材料另一种增强体为晶须。

4．在陶瓷材料中参加第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。

5．单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。

6．晶须与颗粒对陶瓷材料的增韧均有一定作用，且各有利弊，晶须的增强增韧效果好，但含量高时会使致密度下降，颗粒可克服晶须的这一弱点但其增强增韧效果不如晶须。

7．陶瓷基复合材料的成型加工技术：混料、成型、烧结。

8．陶瓷材料具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性好等特点，但其脆性大的弱点限制其

作为结构材料使用。

9．〔综述？〕陶瓷基复合材料强韧化机理：

自增韧——1.相变增韧，应力诱发相变，相变韧化，产生两种增韧机理，相变增韧和微裂纹增韧；2.纤维增韧，纤维分担大局部外加应力，同时阻止裂纹扩展，通过拔出、桥联等方式消耗能量；3.晶须增韧，晶须拔出、桥联、断裂、裂纹的偏转；4.第二相颗粒增韧，应力又到为开裂增韧、剩余应力场增韧、裂纹偏转及桥联等。

第八章水泥基复合材料

1．凡细磨成粉末状，参加适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂石等散粒或纤维状材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。

2．水泥按其性能和用途可分为：通用水泥、专用水泥及特性水泥等。

3．水泥是建筑工业三大根本材料之一。

4．向水泥加水充分搅拌后放置，开始有流动性，随后流动困难，最后凝固，该过程——凝结。

5．水泥硬化时间：1周-1月

6．水泥硬化条件：原料配比、搅拌、养生〔凝结、硬化的过程中，在到达某种程度的强度期间，从促进水化反响，保护混凝土不受来自外部的有害影响所作的工作——最简单的具体方法是用垫子把混凝土盖上，从上面浇水，或者放在水中〕。

7．水泥基复合材料的种类：混凝土、纤维增强水泥基复合材料、聚合物改性混凝土

8．混凝土构成

混

9．凝土的应用：

1，轻集料混凝土应用；

2，粉煤灰混凝土应用；3，高

强混凝土的应用

第九章碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳,或石墨化的树脂碳(或沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形成的复合材料,是具有特殊性能的新型工程材料,也被称为碳纤维增强碳复合材料.

第十章混杂纤维复合材料

目前我们主要研究的混杂纤维复合材料的含义是指由两种或两种以上的连续增强纤维增强同一种树脂基体的复合材料.它是当前复合材料开展的重要方向之一