爱游戏在线登录:复合材料的组成与结构

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　　2、异很大的几种材料及其界面相(层) 所组成(组成上)(2) 多相固体材料(结构)(3) 经设计复合而成(制备上)(4) 通过复合效应获得原组份材料所不具备的性能，或产生 性能协同作用，与简单混合有本质的区别(性能上)(disperse phase)及界面相(interface phase)所构 成简言之：复合材料由连续基体相(matrix phase)和分散增强相复合材料系统组合相续d连皿属材料胶 橡 强 增合 复 基 属 金 /复 基 瓷 陶 /血 鑰入无机非金属材料陶瓷備料 维材 纤合须 晶1帕玻璃炭有机高分辛料 塑2.分类：(1) 按来源：天然、人工复合材料等(2) 按基体：树脂基、金属基

　　5、重要的是基 体与增强体之间的匹配。)nna. 颗粒增强体：高强、高模、耐高温的陶瓷和石墨等非金属材料 的微细粉末，主要起增强、增韧作用，而不是普通填料的填充体积或减少相关成本的作用，增强体价格往往比 基体还贵。b. 短纤维(晶须)(chopped fiber or whisker):长径比 51000之间，横截面积小于52x10-5cm2 (当量直径约 110屮11)的含缺陷很少的单晶纤维，其模量和强度接近 其纯晶体的理论值。主要有金属晶须、氧化物晶须、氮化 物晶须、硼化物晶须和无机盐类晶须。c. 纤维及其织物(braided fabric or filament winding)：植物 纤维、动

　　6、杨纤维、襪物纤维、合成纤维輕(2) 复合材料的特性(character)一般特性：a. 可设计性b构件复合与成型一次性完成，整体性好c性能分散性大，性能对工艺工程及工艺参数甚至一些 偶然性因素都十分敏感，难以精确控制结构和性能d. 复合效应(多种复合效应)(principle of combined action)一般性能特点：a比强度、比模量大b. 破坏安全性高c. 耐疲劳性好d阻尼减震性好e. 耐烧蚀性能好2. pmc的组成（1）基体热固性基体(thermosetting matrix):i）熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好ii）交联固化成网状结构，尺寸稳定性、耐热性好，但性

　　7、脆iii）制备过程伴有复杂化学反应热塑性基体（thermoplastic matrix）:i）溶体或溶液粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力 下成型，工艺性差ii）线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好iii）制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象）（2）增强体主要有碳纤、玻纤维、芳纶纤维、硼纤维等树脂基休与增强体相容性、浸润性较差，多经过表面处理 与表面改性，浸润剂、偶联剂、涂复层的使用，使其组成复 杂化。厂连续纤维厂长纤维(毡)不连续纤维短切纤维一纤维增强(frc)pmc 铺层方式厂曇且口角铺层织物二维按纤维种类厂玻璃纤维碳纤维一芳纶(kevbr)纤维超高分子量聚乙烯

　　8、纤维等晶须增强(wrc)：碳化硅晶须，氧化铝晶须 层片增强:云母，玻璃，金属，a1&l-粒子增强(prc)：氧化铝，碳化硅，石墨，金属厂多官能团环氧复合材料 i环氧树胎环氧/酚醛复合材料酚醛树脂厂低压酚醛复合材料 髙压酚醛复合材料 改性酚醛复合材料1-环氧酚醛复合材料热固性树脂基不饱和聚酯基复合材料 双马来酰亚胺基复合材料 腺醛基复合材料 聚氨酯基复合材料热固型聚酰亚胺基复合材料 三聚氤胺基复合材料l有机硅基复合材料树脂基厂聚苯硫醯基复合材料 聚醵醵酮基复合材料 聚瞇酮酮基复合材料热塑性树脂基聚醸酮复合材料 聚砚基复合材料热塑性聚酰亚胺基复合材料聚讎酰亚胺基复合材料聚甲醛基复合材料聚丙

　　9、烯基复合材料聚四氟乙烯基复合材料 i聚碳酸酯基复合材料 1聚苯并咪哩基复合材料 聚座噁咻基复合材料3. mmc(1)基体：al、mg、ti、ni等轻金属及其它们的合金(比强度、比模量高)(2)增强体：强度、模量和熔点远高于金属基体的金属或非金属材料。主要有：硼纤维、碳纤维、sic纤维、ai2o3纤维 鹄丝、钢丝、不锈钢丝 陶瓷颗粒、晶须等料料料材材材金属基复合材料镁基复合银基复合材料铜基复合丽热 锌基复合材料 一钳基复合材料特点：保持金属材料特性外，与金属基体相比具有高强、 高模、高韧性、高抗冲、尺寸稳定性高、抗疲劳性 能好等特点，可沿用大部分金属成型加工方法，适合于 用作中、高温结构材料。4

　　10、. cmc(1)基体：氧化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃等特种陶瓷陶瓷本身：高模量、耐高温、耐非物理性腐蚀、耐磨、抗氧化等陶瓷致命缺点：性脆、抗热震性(抗热冲击性)差，抗震性差 且对裂纹、气孔和混杂物等细微缺陷敏感，易突然失效(2)增强材料：碳纤维、硼纤维、a-al2o3纤维、氧化铝硼酸盐纤维鹄丝.锯丝、不锈钢丝、sic晶须.sinq晶须、zro颗粒等，复合的目的不是提高模量与强度，而是对陶瓷基体增韧cmc仍以烧结成型为主，由于基体与增强体都具有高模量、高耐温特点，残余应力很大，导致微裂纹，因此，两相的cte必须匹配,cmc适合于作高温结构材料，被称为“材料的梦想” o陶瓷基无机非金属基碳化硅基复合材料

　　11、氮化硅基复合材料氧化铝基复合材料氧化错基psz陶瓷基复合材料zta陶瓷基复合材料tzp陶瓷基复合材料sialon陶瓷基复合材料石英玻璃基复合材料玻璃陶瓷基las(u2o-al2o3-sio2)玻璃 陶瓷基釐合諫mas(mgo-al2o3-sio2)一basialon厂硅酸盐水泥基复合材料 水泥基-氯氧镁水泥基复合材料mtisiism合材料5c/c复合材料化学组成单一，c元素，但c的形态与结构十分复杂(1) 基体碳:i) cvd碳；ii)树脂碳；iii)沥青碳(2) 增强体：高性能碳纤维及其织物(3) 性能特点：保持碳材料(石墨)的特性，女口：密度低、低蠕变、高导热、低cte、高抗热震性、高耐温

　　12、、 耐烧蚀等的同时，还具有高强、高模、抗疲劳、力学性能随温度 升高而升高的特点缺点:高温下易氧化，材料多孔而疏松 高温结构材料和耐烧蚀材料，近年发展非常迅速。6.无机胶凝复合材料基体气硬性胶凝材料：只能在空气中不能在水中硬化。如石灰、石膏、镁质胶凝材料等 水硬性胶凝材料：既能在空气中，又能在水中硬化 （常称为水泥）。女口：硅酸盐水泥、锂酸盐水泥、硫酸铝水泥、磷酸盐水泥等。水泥的凝结硬化过程是一个复杂的物理和化学过程，硬化后的 水泥是由晶体、凝胶体、未水化颗粒、游离水、气孔等组成的多相 不均质结构体，这一结构特征一材料抗拉强度低，冲击韧性差 （性脆），易突然失效，不能作结构材料。增强纤维：金属纤维、

　　13、无机纤维、合成纤维、植物纤维等 复合的目的，是增强、增韧，用作结构材料。引入相的“连通性”概念,理论上可将复合材料结构划分为03型、13型22型、23型、33型等儿种典型结构0-3型1-3型yy/2-2型2-3型3-3型三维编织纤维结构三维正交非织造的纤维结构管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型面层面层形(b)面层ri r面层d)iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiir各种玻 璃夹层 结构面层面层面层面层(e)单向板铺层准各向同性板单向及准各向同性板的铺层结构(a)层内混杂(c)层内-层间混杂(b)层间混杂(d)夹芯混杂混杂复 合材料 的混杂 类型(f)编织物混杂 (一层编织物中有

　　16、#171;% :-:.:,: .v，:y：mo coupling agent polymer2. 复合材料的界面形成过程（formation of the interface of composites）:pmc、mmc、cmc、c/c等复合材料体系对界面要求各不相同， 它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，使复合材料界面 形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段。（1）第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。i）界面设计与控制的重要手段ii）改性层成为最终界面层的重要组成部分iii）为第二阶段作准备（2）第二阶段：增强体与基体在一组

　　17、份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程i）接触一吸附与浸润一交互扩散一化学结合或物理结合一。化学结合可看作是一种特殊的浸润过程ii）界面形成与发展的关键阶段（3）第三阶段：液态（或粘流态）组分的固化过程，即凝固或 化学反应i）界面的固定（亚稳态、非平衡态） ii）界面的稳定（稳态、平衡态） 在复合材料界面形成过程中涉及：i)界面间的相互置换：如，润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程ii）界面间的相互转化：如，固化过程是固-液界面 向固-固界面转化的过程后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程3. 复合材料界面结构与性能特点（structure and property charact

　　18、ers of the interlayer）:i）非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、 形式多样界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分ii）具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、 性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度”材料 性能特征iii）界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是 纳米复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应 产生的根源iv）界面缺陷形式多样（包括残余应力）（residual stress）,对 复合材料lr 人lzp/ i pmc 界面区域(interfacezone of pmc)示意图1 外力场；2 树脂基

　　19、体；3 基体表面区；4 相互渗透区；5增强剂表面区；6增强 剂14. 界面上力的传递与残余应力(force transference of interface and residual stress)有一定结合强 度的界面（层），可在 基体与增强体 之间进行a.力的转递 b力的分配c基体或增强 体破坏过程中的 应力再分配组合力学性能在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布, 这就是“残余应力” o残余应力来源： 增强相与基体相cte不匹配 相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均 成型的过程中，由高温室温由化学和物理变化引起的各组元体积 收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶相转

　　20、变等 层合板中，铺层方向不同带来的层间残余应力（层合板的翘曲） 流变过程中，组元间的塑性变形差异一流变残余应力在力场或外界环（如介质、水）微裂纹和缺陷按本身的 规律发展，并消散能量5. 复合材料界面破坏机制（interface failure of composites） （1）破坏的来源 基体内、增 强体内和层 面层上均存 在微裂纹、 气孔、内应 力（2）破坏形式5种基本破坏形 式i）基体断裂ii）纤维断裂iii）纤维脱粘iv）纤维拔出（摩 擦功）v）裂纹扩展与偏 转5种形式复合材料的 破坏与失效综合体现复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的组合与综合体现 的结果。6. 复合材料的界面

　　21、理论(the interface theories)(1)界面设计与控制皤概念(design and control of interlayer)界面具有双重功能 传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好 界面破坏，界面结合弱，界面破坏形式愈丰富，能量耗散愈 多,高的界面粘接强度，不一定带来材料整体的高强度和高韧性。在 脆性纤维脆性基体复合体系中，强的界面结合往往导致各组元相中 及相间的应力集中和脆性断裂、破坏形式单一，不涉及界面破坏， 其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。材料易突然失效或发生灾难 性破坏弱的界面结合强度有时能带来材料整体高的力学强度和韧性 o界面的比表面积个体积分数很大，

　　22、弱的界面结合可以发生多种界 面破坏形式(如纤维拔出、脱粘、应力再分配等)，从而消耗大量 的外界功，提高材料的强度和韧性，避免脆性断裂或灾难性破坏。因此，要求界面： 适宜的粘接强度 最佳的界面结构和状态 与界面相联系的理想的微观破坏机制这是所谓界面设计与界面捽制的基本柵念2）界面理论 浸润理论 化学键理 优先吸附理 可变形层理论 束缚层理论界面分子充分接触粘接，作用力每一理论只能部分解 释某些现象或某些结 果。都有一定局限性。 实际的界面现象复杂 的多，需多方面、多 角度加以分析。迄今, 未能建立一个统一的 界面响应理论模型。7. 复合材料的界面处理(interface firishi

　　23、ng)(1)玻纤的表面处理zc有机硅烷类偶联剂c1 / c1有机酸氯化辂络合物偶联剂rr cr(c1z v c1偶联剂的作用(functions of coupli诞 agent): 在两相界面形成化学键,大幅度提升界面粘接强度 改善了界面对应力的传递效果 提供了一个可塑界面层，可部分消除界面残余应力 提供了一个防水层，保护了界面，阻止了脱粘和腐蚀的发生偶联剂对不同复合体系具有较强的选择性(a) rxj+ h20 r-si(oh)3 * 3hxho-si-ohglass(b)? fchslosaoi i0 0山 a(c)l d (偶联剂的功能：(a)有机硅烷水解形成硅

　　24、醇；(b)硅醇的轻基与 玻璃表面之间的氢键合；(c)结在玻璃表面的聚硅氧烷；(d)与 聚合物反应的官能r基团(2)碳纤维的表面处理氧化处理 氧等禺子气体的干法氧化化学或电解进行的湿法氧化碳维理纤处非氧化处表面沉积无是型碳理化学气相沉积(cvd)法加涂碳化硅、碳化硼、碳化辂等 等离子体气体聚合及共聚涂层 改性 高效晶须化碳纤维氧化处理后:能改善碳纤维表面与基体的浸润性、相容性能在表明产生许多活性官能团，这些官能团能与树脂基体形成化学键合非氧化处理，大多数都用在c/c复合、cmc、mmc复合体系h2nrnhz+ h2nrnh2碳纤维表面官能团与树脂之间相互作用示意(3) 有机纤维的表面处理kevlar

　　25、纤维各向异性和“皮芯”结构特征，使对其进行表面 处理的效果不明显。即使能有效改善界面的浸润和粘接强度，但 其复合材料的宏观破坏强度难有大幅度提升，除非改善纤维的内 在微结构，以产生更均匀和各向同性的纤维。处理方法： 不同气氛下等离子体处理，若在nh3中，可引入-nh2,与环 氧树脂发生反应；若用可聚合单体气分，可在纤维表面接枝聚合物 纤维金属化(4) 其它纤维的表面处理，分子复合材料(x2 000000)性能用途磁性磁记录、磁性液体，永磁材料，吸波材料，磁光元件，磁存储，磁探测 器，磁致冷材料光学性能吸波隐身材料，光反射材獅，光通宿，晃吞贮，光开关，光过波材料， 光导电体发光材料，光学非线性元件，红外线传感器，光折变材料电学特性导电浆料，电极、超导体、量子器件、压敏和非线性电阻敏感特性湿敏、温敏、气敏、热释电热学性能低温烧结材料，热交换材料，耐热材料显示、记忆特性显示装置（电学装置，电泳装置）力学性能超硬，高强，高韧，超塑性材料，高性能陶瓷和高韧高硬涂层催化性能催化剂燃烧特性固体火箭和液体燃料的助燃剂，阻燃剂流动性固体润滑剂，油墨悬浮特性各种高精度抛光液其他医用（药物载体、细胞染色，细胞分离，医疗诊断，消毒杀菌）过滤 器，能源材料（电池材料，贮氢材料）环保用材（污水处理，废物料处 理）

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