复合材料复习总结 (1)

复合材料复习总结1 什么是复合材料复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的整体性能应超过组分材料，保留了所期望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。

复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料，以物理形式结合而成的复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。

2 复合材料的特点1、复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的；2、复合材料是以人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；3、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；4、复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。

复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。

3 复合材料的命名1）强调基体时以基体材料的名称为主。

如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。

（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。

如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。

（3）基体材料名称与增强体材料并用。

习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。

4 复合材料的分类1 按基体的性质分类金属基复合材料树脂基复合材料陶瓷基复合材料2 按增强材料形态分为以下三类纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。

其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体5 纤维增强复合材料分为以下五种：①玻璃纤维复合材料；②碳纤维复合材料；③有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；④金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；⑤陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。

6 混合定律当复合材料满足以下条件: (连续纤维增强）（1）复合材料宏观上是均质的，不存在内应力；（2）各组分材料是均质的各向同性及线弹性材料；（3）各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。

复合材料力学性能同组分之间的关系Xc = Xm Vm + XfVf 或Xc = XfVf + Xm（1 - Vf）式中：X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等；V：材料的体积百分比；下脚标c、m、f 分别代表复合材料、基体和纤维。

7 界面定义界面是指基体与增强相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。

界面是一个多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。

界面效应：传递效应阻断效应不连续效应散射和吸收效应诱导效应8 相变增韧相变增韧是由于第二相粒子在裂纹尖端附近发生相变而引起体积膨胀，从而降低裂纹尖端的应力集中，所以提高了复合材料的韧性增韧的分类：延性相增韧脆性纤维和晶须增韧相变增韧微裂纹增韧9碳/碳复合材料由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的树脂碳以及化学气相沉积碳所形成的复合材料。

（碳纤维增强碳复合材料）该材料由三种组分：树脂碳、碳纤维和热解碳10 纳米复合材料纳米复合材料(Nanocomposites)：分散相(增强相)至少有一维小于100nm的复合材料。

分类：纳米聚合物基材料纳米陶瓷基复合材料纳米金属基复合材料纳米半导体基复合材料11 复合材料的分类12 复合材料的组成及其作用复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；起到将材料粘结为一个整体，并赋予材料一定形状、传递外界作用力、保护增强体免受外界环境侵蚀的作用而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的强度增加和性能改善作用，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。

在基体与增强体之间存在着界面。

（极为重要的微结构）。

界面的作用，相互置换与转化13 聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料的基本性能聚合物基：高比刚度、高比强度、耐腐蚀、耐疲劳、已成型，但是耐热性差，发烟燃烧、成型速度慢、表面易损伤等金属基：高强度，高弹性模量，高韧性，热冲击敏感性低，表面缺陷敏感性低，导电导热性好等陶瓷基：耐热性，耐磨性，抗氧化，抗腐蚀以及高温力学性能等方面都具有不可替代的优点，但是有脆性大的缺点。

14 界面效应传递效应阻断效应不连续效应散射和吸附效应诱导效应15 复合材料的界面结构①界面的结合力：存在于两相之间，并由此产生复合效果和界面强度。

它又可以分为宏观结合力和微观结合力，前者主要指材料的几何因素，如表面的凹凸不平、裂纹、孔隙等所产生的机械铰合力，后者包括化学键和次价键。

②界面的区域（厚度）：界面区由基体和增强材料的界面再加上基体和增强材料表面的薄层而构成。

③界面的微观结构16 碳/碳复合材料应用领域先进飞行器上的应用固体火箭发动机喷管上的应用刹车领域的应用C/C 复合材料用作高温结构材料涡轮发动机涡轮机及燃气系统(已成功地用于燃烧室，导管、阀门)中的静止件和转动件方面内燃发动机发热元件作为生物医用材料（在军事、航空航天工业方面的应用、在民用工业的应用、在生物医学方面的应用）17 纳米复合材料的复合方式晶内晶间晶内—晶间纳米—纳米18 颗粒和晶须增强材料的原理颗粒增韧：1热膨胀失配增韧2 裂纹偏转增韧3 裂纹侨联增韧4 相变增韧5微裂纹增韧晶须增韧的机理：1桥接机理2裂纹偏转机理3纤维晶须拔出机理4 脱粘增韧19 复合材料的界面结构以及性能特点20影响玻璃纤维强度的因素1 纤维直径和长度2 化学组成3 玻璃液质量4 成型条件5 表面处理6 存放时间7 施加负荷时间21解释玻璃纤维的强度远大于玻璃强度的原因是因为玻璃纤维高温时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少，另外，玻璃纤维的断面较小，微裂纹存在的概率也减少，从而使得纤维强度高。

22陶瓷材料的增韧机理反应材料韧性的本质是裂纹扩展性质。

固体中裂纹扩展的临界条件是弹性应变能释放效率等于裂纹扩展单位面积所需的断裂能。

增韧效果取决于: 增强体的尺寸大小、形状、界面结合情况、基体与增强体的力学和热膨胀性能及相变情况颗粒增韧，纤维，晶须增韧，延性相增韧相变增韧，微裂纹增韧23 层状复合陶瓷的增韧机理弱界面裂纹偏转增韧延性夹层裂纹桥接增韧（金属、延性树脂）塑性变形界面残余应力增韧（残余压应力）叠加互补增韧24纳米复合陶瓷的强韧化机理组织的细化，抑制晶粒长大微裂纹的产生使韧性提高晶粒内产生亚晶界，使基体再细化，提高强度残余应力的产生使晶粒内破坏为主要形式高温时阻止位错运动，提高高温性能25 复合材料的断裂过程及脆性类型断裂过程：形成微观裂纹微观裂纹稳定扩展，与其它微观裂纹相接而达到宏观裂纹尺度；在临界应力水平下宏观裂纹不稳定扩展。

脆性断裂共有三种类型：(1) 接力破坏机理：当一根纤维断裂引起邻近纤维应力集中而过载，后者断裂，依次类推，最终复合材料整体破坏。

(2) 脆性粘接断裂机理：断裂的纤维在其周围基体中形成应力集中，使基体破坏，并最终导致材料整体破坏。

(3) 最弱环节机理：与基体粘接强的纤维的一旦断裂，立即引起复合材料的整体破坏。

1、复合材料的设计步骤和遵循的原则设计步骤：(1)环境与负载的要求:机械负载,热应力,潮湿环境(2)选择材料:基体材料,增强材料,几何形状(3)成型方法:工艺,过程优化设计(4)代表性单元性能考察:有限元方法,实验力学方法,结构宏观性能(5)复合材料响应:应力场,温度场,设计变量优化(6)损伤及破坏分析:强度准则,损伤机理,破坏过程要想制备一种好的复合材料，首先应根据所要求的性能进行设计，这样才能成功地制备出性能理想的复合材料。

原则：A. 材料组元的选择：（1）功能性：应明确各组元在使用中所应承担的功能，也就是说，必须明确对材料性能的要求。

因此，必须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。

（2）相容性：应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。

在任何使用环境中，复合材料的各组元之间的伸长、弯曲、应变等都应相互或彼此协调一致。

（3）浸润性：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。

适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料，以充分发挥其增强作用。

B. 制备方法的选择：制备方法的选择主要应考虑以下四个方面：（1）所选的工艺方法对材料组元的损伤最小，尤其是纤维或晶须掺入基体之中时，一些机械的混合方法往往造成纤维或晶须的损伤；（2）能使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)均匀分布或按预设计要求规则排列；（3）使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各组元仍保留着固有的特性；（4）在制备方法的选择上还应考虑性能／价格比，在能达到复合材料使用要求的情况下，尽可能选择简便易行的工艺以降低制备成本。

2、聚合物基复合材料改性的目的界面优化的目标：形成有效传递载荷、调节应力分布、阻止裂纹扩展的稳定的界面结构。

（1）改善树脂基体对增强材料的浸润程度;（2）适度的界面粘结;（3）减少复合材料成型中形成的残余应力;（4）调节界面内应力、减缓应力集中。

3、池窑拉丝制备玻璃纤维的优点池窑拉丝连续玻璃纤维生产的一种新工艺方法，是将玻璃配合料投入溶窑熔化后直接拉制成各种支数连续玻璃纤维。

该技术特点是，采用重油或燃气加热单元窑，粉料直接熔化成玻璃，经燃气加热的成型通路，由多台（数十到上百台）漏板同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。

具有生产规模大、效率高、能耗低、产品质量好等优点，能适应800至4000孔大漏板拉丝成型的要求，是生产高质量、低成本玻璃纤维材料的最佳方法。

池窑拉丝与坩埚拉丝相比较，具有如下优点：（1）省去制球工艺，简化工艺流程，效率高（2）池窑拉丝一窑可安装几块到上百块漏板，熔量大，生产能力高（3）易实现自动化（4）适于多孔大漏板生产玻璃钢适用的粗纤维（5）生产的废砂便于回炉4、采用腈纶制备碳纤维的主要过程聚丙烯腈基碳纤维为人造合成纤维，俗称人造羊毛。

生产碳纤维不采用民用腈纶，而是采用特殊组分且性能优良的专用PAN基纤维。

PAN 原丝经一系列热处理后，由有机合成纤维转化为含碳量在92﹪以上的无机碳纤维。