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

/Al

f（纤维），w（晶须），p（颗粒）比如：TiO

2p

3. 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，p

2、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：SiO

2

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N

保护下进行热解反

2

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 CH 3SiCl 3 → 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(Al 2O 3、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、CaCO 3）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Al 2O 3中加入Al ，W C 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。

（PPTA ）

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。