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500g Tex 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NaK CaMg 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 100 300 C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 10002000 C 范围内进行。 5）石墨化：在 2000 3000C 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，它们的分子两端通常含有性质不同的基团，一端的基团与增强体表面发生化学作用或物理作

用，另一端的基团则能和基体发生化学作用或物理作用，从而使增强体和基体很好地偶联起来，获得良好的界面粘结，改善了多方面的性能，并有效地抵抗了水的侵蚀。所选处理增强材料表面的偶联剂应既含有能与增强材料起化学作用的官能团，又含有与聚合物基体起化学作用的官能团。如玻璃纤维使用硅烷作为偶联剂可使复合材料的性能大大改善。复合原则：1、材料组元的选择原则：根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的基体材料和增强材料考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，这包括物理、化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用要考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之间达到比较理想的具有一定结合强度的界面。2、混合定律：简单的混合法则即单层性能与体积含量呈线性关系的法则，仅适用于复合材料密度和单向铺层方向上的弹性模量等一类特殊情况的性能

复合材料结构设计过程：（1）明确设计要求：性能要求，载荷要求、环境条件，形状限制等2材料设计：原材料选择，铺层性能确定，复合材料层合板的设计（3）结构设计:典型结构件的设计等

复合材料结构设计条件：（1）结构性能要求；（2）载荷情况；（3）（4）结构的可靠性与经济性环境条件；

陶瓷基复合材料的界面：一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度；另一方面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出界面性能改善纤维表面涂层处理强韧化机理1、晶须和纤维增韧：吸收能量。裂纹扩展受阻：当增强体（纤维或颗粒）的断裂韧性大于基体中某些区域的断裂韧性时，纤维受到的残余应力为拉应力，具有收缩趋势，可以使基体裂纹压缩并闭合，阻止裂纹的扩展。纤维（或晶须）拔出：具有较高断裂韧性的纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力集中导致结合较弱的纤维与基体之间的界面解离，在进一步应变时，将导致纤维在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中拔出。纤维（或晶须）桥联：在基体开裂后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹面之间架桥。桥联的纤维对基体产生使裂纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大材料的韧性。

2、相变增韧：发生体积膨胀和切变，在裂纹尖端产生了一种封闭裂纹的应力，减少了集中在裂纹尖端的拉伸应力，使裂纹扩展困难，达到增韧效果。

3、颗粒增韧：（1）非相变第二相颗粒增韧，热膨胀系数不同导致冷却收缩程度不同在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场使陶瓷得到；（2）延性颗粒增韧增韧增韧机理包括由于裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性颗粒形成的延性裂纹桥；（3）纳米

颗粒增强增韧增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配与残余应力是纳米复合材料中的重要增强、增韧机理。

纳米效应：表面效应；小尺寸效应；量子尺寸效应；宏观量子隧道效应纳米复合材料：指分散相尺度至少有一相小于 100nm 的复合材料

聚合物基纳米复合材料的制备方法：溶胶-凝胶法、插层法、共混法和填充法