复合材料期末复习资料

复合材料 C 复习第一章概论1.复合材料的定义？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。

三要素：基体（连续相）增强体（分散相）界面（基体起粘结作用并起传递应力和增韧作用）复合材料的特点：（明显界面、保留各组分固有物化特性、复合效应，可设计性）（嵌段聚合物、接枝共聚物、合金：是不是复合材料？？）2、复合材料的命名f（纤维），w（晶须），p（颗粒）比如：TiO2p/Al3.复合材料的分类：1）按基体材料类型分为：聚合物基复合材料；金属基复合材料；无机非金属基复合材料（陶瓷基复合材料）。

2）按增强材料分为：玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料；有机纤维增强复合材料；晶须增强复合材料；陶瓷颗粒增强复合材料。

3）按用途分为：功能复合材料和结构复合材料。

结构复合材料主要用做承载力和此承载力结构，要求它质量轻、强度和刚度高，且能承受一定温度。

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，即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。

第二章增强体1、增强体定义：结合在基体内、用以改进其力学等综合性能的高强度材料。

要求：1）增强体能明显提高基体某种所需性能；2）增强体具有良好的化学稳定性；3）与基体有良好润湿性。

分类：f，w，p2、纤维类增强体特点：长径比较大；柔曲性；高强度。

❖玻璃纤维主要成分：SiO2性能：拉伸强度高；较强耐腐蚀；绝热性能好。

（玻璃纤维高强的原因（微裂纹）及影响因素（强度提升策略：减小直径、减少长度、降低含碱量，缩短存储时间、降低湿度等））分类：无碱（E 玻璃）、有碱（A 玻璃）制备：坩埚法（制球和拉丝）、池窑法（熔融拉丝）。

浸润剂作用：（i）粘结作用，使单丝集束成原纱或丝束；（ii）防止纤维表面聚集静电荷；（iii）进一步加工提供所需性能；（iv）防止摩擦、划伤。

（无偶联剂作用）玻璃纤维表征：（i）定长法：“tex”（含义）；（ii）质量法：“支”（含义）❖硼纤维芯材：钨、碳和石英制备：化学沉积（CVD）法原料：卤化硼或氢化硼形貌：玉米棒状（W 芯）光滑（C 芯）表面涂层：SiC （防止脆性相的产生or 便于与基体结合）目前比模量和比强度最高的陶瓷增强纤维❖碳纤维1）制备：有机纤维碳化法有机纤维前驱体满足条件：碳化过程不熔融，保持纤维形态，碳化收率高··· 三种重要的前驱体：聚丙烯腈；黏胶纤维（人造丝）；沥青纤维。

以PAN 为例（制造高强度、高模量碳纤维多选用聚丙烯腈）：拉丝--牵引--稳定化 --碳化--石墨化拉丝：即PAN 原纤维制备，湿法纺丝、干法纺丝，不能熔融纺丝；PAN 特性：受热分解不熔融。

施加牵伸力目的在于使纤维产生择优取向，提高强度和模量。

碳纤维的表面处理方法（见第4 章）石墨纤维和碳纤维的区别：处理温度不同、C 含量不同、晶型不同碳纤维结构：乱层石墨结构。

特性：导热系数较高、线膨胀系数具有负的温度效应（可以抵消热胀冷缩现象）例1）碳纤维增强复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体，具有韧性好等特点，下列物质中可用于制造的是（）。

A、电话亭和餐桌椅B、网球拍和钓鱼竿C、飞机用隔热瓦2）在PAN法制备CF的工艺过程中，为什么要进行预氧化、碳化和石墨化三个处理过程？（P20）聚丙烯腈纤维（PAN）是线性高分子结构，耐热性差，高温会裂解，不能经受碳化的高温得到碳纤维，预氧化可避免直接碳化处理时爆发产生有害的闭环和脱氢等放热反应，防止后续工序中纤维熔并。

碳化是在N2 保护下进行热解反应，将结构中不稳定部分与非碳原子裂解出去，同时进行分子间的缩合，形成碳素缩合环。

石墨化处理可以使碳纤维发生石墨化结晶，形成石墨纤维，以较大幅度提高碳纤维的模量❖SiC 纤维1）特点：高比强度、高比模量、高温抗氧化性、优异的耐烧蚀性、耐热冲击性和吸波隐身性能等。

2）碳纤维增强铝基复合材料可用于飞机、导弹、发动机的高性能结构件。

碳化硅纤维增强聚合物基复合材料，可以吸收或透过部分雷达波；作为雷达天线罩、火箭、导弹和飞机等飞行器部件的隐身结构材料，和航空、航天、汽车工业的结构材料与耐热材料。

3) 制备：(i) 化学气相沉积法CH3SiCl3 → SiC↓ +3 HCl↑(ii) 先驱体法： (Nicalon) 制备聚碳硅烷、熔融纺丝、不熔化处理和高温烧成。

3、晶须1)晶须与纤维的区别：①晶须是单晶；纤维可以是非晶、单晶或多晶；②晶须直径＜3 μm; 纤维直径几微米至几十微米。

③晶须较纤维缺陷少，强度高(机械强度近似相邻原子之间的作用力)、模量大。

2)晶须主要分陶瓷晶须(Al2O3、SiC) 和金属晶须两大类。

3)唯一一种具有空间结构的晶须：ZnO 晶须4、颗粒颗粒增强体(炭黑)与填料(滑石粉、CaCO3)的区别：前者以增强为主要目的，后者以填充体积为主要目的。

刚性颗粒增强体：指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化钛、氮化硅、石墨、细金刚石等。

延性颗粒增强体：主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性，如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。

金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。

例：下列哪一项不是颗粒增强体的特点( )。

A、选材方便B、力学性能取决于颗粒的形貌、直径、结晶完整度、体积分数等C、成本高5、有机高分子纤维❖Kevlar 纤维(芳纶纤维)：聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成。

合成方法：1) PPTA 分子合成(P42)；2) 纺丝：湿纺、干喷和干喷—湿纺(溶致液晶)可用来制备防弹衣Kevlar纤维化学结构特点：含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体。

苯环与酰胺键交替排列对称性好，结晶性好。

分子间有氢键。

❖芳香族聚酯纤维：可以进行熔融纺丝。

❖UHMW-PE：密度最低的高性能纤维。

第三章 复合理论✓ 复合理论：包括组分相（基体、增强体）的合理设计、组分相间的复合机理 （复合效应与增强原理）。

1、复合材料设计的原理复合材料为什么具有可设计性？2、复合材料的复合效应✓ 线性效应（ 平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应）✓ 平均效应： 密度、单向纤维复合材料的纵向杨氏模量等单向纤维复合材料的横向杨氏模量等 例： SiC f /硼硅玻璃复合材料的强度随增强纤维体积含量线性增加反映的是复合 线性效应中的（ ）A 、平均效应B 、平行效应C 、相补效应D 、相抵效应 K K✓ 平行效应： K c K i即：复合材料的某项性能与某一组分的该项性能相当。

（如玻璃纤维增强环氧树 脂的耐蚀性能与基体相当）✓ 相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上互补，从而提高了综合 性能，显示出相补效应。

✓ 相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，组分间性能相互制约，限制了整 体性能提高（性能低于混合定律的预测值），则复合后显示出相抵效应。

（脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者界面结合很强时，复合 材料整体显示为脆性断裂） ✓ 非线性效应（ 相乘效应、诱导效应、系统效应、共振效应）✓ 相乘效应： （X /Y ）（Y / Z ） =X / Z例: 用作温度自控发热体的石墨粉/聚合物复合材料，可以达到自动控温的效果， 其利用的是复合效应的 ____________ 。

✓ 诱导效应：诱导另一相材料产生特殊的界面层，传递载荷，改变功能。

（在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表面对基体的诱导作用，致使 界面上的结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙 或聚丙烯起着特殊的作用。

）✓ 系统效应：复合材料具有单个组分不具有的某种性能。

（涂膜的硬度大于基 体和膜层硬度之和）✓ 共振效应（强选择性效应）： A 组分的大多数性能受到抑制，而其某一项性K c = K i i （ 并联 模 型 ） 1 = 1 （ 串 联 模 型 ）能充分发挥。

（导电不导热）例：彩色胶卷仅含有三种感光乳剂层却能记录各种颜色，利用了复合效应中的（）A、诱导效应B、系统效应C、相补效应3、复合材料的增强机制✓颗粒增强机制（颗粒切过、颗粒未切过）✓颗粒切过增强机制1）适用于：颗粒的尺寸较大（> 1 μm），自身强度不高，结合力较强2）受力特点：基体承担主要的载荷，颗粒阻止位错的运动，并约束基体的变形。

3）位错切过强化：（有序增强机制、界面强化机制、共格应变强化机制等）4）颗粒的尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。

✓颗粒未切过增强机制（颗粒较小，<1 μm）⚫低温、高外加应力----- 位错绕过理论（Orowan 机制）（注意：有位错环）1）硬质颗粒如Al2O3，TiC，SiC 阻碍基体（金属基）中的位错运动或分子链（高聚物基）运动。

2）载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。

3）颗粒尺寸越小，体积分数越大，强化效果越好。

一般V p 为1%~15%，d p 为0.001 μm ~ 0.1 μm。

⚫高温、低外加应力----- 位错攀移机制1）形式：局部攀移和整体攀移⚫残余应力强化机制：增强体颗粒与基体的膨胀系数和弹性模量存在差异，使得裂纹在界面处发生偏转（消耗更多能量），起到增韧补强复合材料。

⚫影响颗粒增强因素：颗粒的性质、基体性质、结合界面、制备工艺（P61）。

✓纤维增强机制受力特点：高强度、高模量的纤维承受载荷，基体只是作为传递和分散载荷的媒介。

⚫单向排列连续纤维增强原理（单向长纤维）纵向：1）初始阶段（纤维、基体、复合材料具有相同的应变）E c =E f V f +E m V m纤维/基体弹性模量的比值↑，纤维体积含量↑，则纤维承载比↑。

2）断裂顺序和断裂强度：（会分析，判断谁先断裂，然后该材料断裂后另一种材料能否承受全部载荷）✓纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质、二者的结合强度、纤维在基体中的排列方式。

✓为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则：（简答题）1）纤维的强度和弹性模量应远高于基体（使纤维尽可能多的承担外加负荷）；2）纤维与基体间应有一定的界面结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，并防止脆性断裂；3）纤维的排列方向要与构件的受力方向一致；4）纤维与基体的热胀系数应匹配（纤维的热膨胀系数略大于基体）；5）纤维与基体不能发生使结合强度降低的化学反应；6）纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径比等必须满足一定要求。

✓复合材料的物理性质1）热膨胀系数：满足平均效应。

一般无机材料的热膨胀系数较聚合物的要小得多，所以，以无机材料为增强体的聚合物基复合材料其热膨胀系数要较纯聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。