复合材料概论

复合材料概论
1.复合材料的定义：复合材料是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料。

2.复合材料的结构：三个“结构层次”：一次结构（由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何和界面区的性能）；二次结构（单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何）；三次结构（工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何）。

3、复合材料与传统材料的不同：复合材料既能保持原组分材料的重要特性，又可通过复合效应使各组分的性能相互补充，获得传统材料不具备的许多优良性能。

4.金属基复合材料组成特点：非连续增强金属基复合材料，基体是主要承载物，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定性的影响。

因此要获得高性能的金属基复合材料必须选用高强度的铝合金为基体。

5.无机凝胶材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。

6.聚合物基体的种类：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及各种热塑性聚合物。

7.聚合物基体的组分：主要组分是聚合物，其他组分油固化剂、增韧剂、稀释剂、催化剂等。

8.聚合物基体的作用：基体材料通过与增强材料界面间的粘接成为一个整体，并以剪应力的形式向增强材料传递载荷，保护增强材料免受外界环境的作用和物理损伤。

9.不饱和树脂聚酯的固化特点：不饱和聚酯树脂的固化是一个放热反应，其过程可以分三个阶段：
a.胶凝阶段：从加入促进剂到树脂变成凝胶状态的一段时间，影响凝胶时间的因素有很多，如阻聚剂、引发剂和促进剂的量，环境温度和湿度、树脂的体积、交联剂蒸发损失等。

b.硬化阶段：硬化阶段是从树脂开始凝胶到一定硬度，能把制品从模具上取下为之的一段时间。

c.完全固化阶段：通常在室温下进行，并用后处理的方法来加速，这段时间越长，制品吸水率越小，性能越好。

10.玻璃纤维的结构：玻璃纤维的结构假说有“微晶结构假说”和“网络结构假说”。

玻璃纤维的结构与玻璃相同，是近似有序的。

a.微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之间有硅酸块过冷溶液所填充。

b.网络结构假说认为，玻璃由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。

11.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。

12．玻璃纤维高强的原因：微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，但实测强度很低，这是因为在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等，尺寸不同的微裂纹，因而大大降低了它的强度。

微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内，由于微裂纹的存在，是玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处，产生应力集中，从而使强度下降。

玻璃纤维比玻璃的强度高很多，这是因为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，玻璃纤维的断面较少，随着断面的减少，使微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强度增高。

同时，直径小的玻璃纤维强度比直径粗的纤维强度高的原因是表面微裂纹尺寸和数量较少，从而减少了应力集中，使纤维具有较高的强度。

13.影响玻璃纤维的因素：
a.玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而增强。

b.玻璃纤维的拉伸强度随纤维的长度增加而显著下降。

c.化学组成对强度的影响。

含碱量越高，强度越低。

d.存放时间对纤维强度的影响。

纤维的老化：当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象。

e.施加负荷时间纤维强度的影响。

纤维的疲劳：纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的情况。

f.玻璃纤维成型方法和成型条件对强度的影响。

14.原丝纤维制作碳纤维的五个阶段：拉丝、牵引、稳定、碳化、石墨化。

15.晶须：由高纯度单晶成长而成的直径几毫米，长度几微米的单晶纤维材料。

单晶高强度的原因主要是由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙，位错或不完整等缺陷。

16.界面的机能（5种效应）：
a.传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体与增强物之间的桥梁作用。

b.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。

c.不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面的摩擦出现的现象，如抗电性、电感应型、磁性、耐热性、尺寸稳定性。

d.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。

e.诱导效应一种物质的表面结构使另一种与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生变化，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。

17．界面浸润理论：当θ〉90，液体不能浸湿固体；当θ=180时，固体表面完全不能被液体浸湿，液体呈球状；当θ〈90，液体能浸湿固体；当θ=0，液体完全浸润固体。

18.界面的类型：
I类：纤维与基体互不反应亦不溶解，界面是平整的，厚度仅为分子层的程度，除原组分成分外，界面上基本不含其它物质。

如钨丝/铜、硼纤维/铝等
II类：纤维与基体不反应但相互溶解，界面是有原组分成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面。

如镀铬的钨丝/铜等
III类：纤维与基体相互反应形成界面反应层，界面则含有亚微级左右的界面反应物质（界面反应层）。

如钨丝/铜—钛合金等
19.金属基纤维复合材料的界面结合的形式：
a.物理结合物理结合是借助材料表面的粗糙形态而产生的机械铰合，以及借助基体收缩应力包紧纤维时产生的摩擦结合。

结合强度与纤维表面的粗糙程度有很大关系。

如用经过表面刻蚀处理的纤维制成的复合材料，其结合强度比具有光滑表面的纤维复合材料约高2—3倍。

b.溶解和浸润结合与II类界面对应。

纤维与基体的相互作用力只有若干原子间距，由于纤维表面常有氧化物膜，阻碍液态金属的浸润，这是就需要对纤维表面进行处理，如利用超声波法通过机械摩擦力破坏氧化物膜，使纤维与基体的接触角小于90，发生浸润或局部互溶以提高界面结合力。

c.反应结合与III类界面反应，其特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层，即界面反应层。

如硼纤维增强钛铝合金，在界面反应层内有多种反应产物。

20.影响界面稳定性的因素：
a.物理方面：在高温条件下增强纤维与基体之间的接触。

b.化学方面：与复合材料在加工和使用过程中发生的界面化学作用有关。

包括连续界面反应。

交换式界面反应和暂稳态界面变化等几种现象。

21.表面处理：就是在增强材料表面涂覆一种称为表面处理剂的物质，这种表面处理剂包括
浸润剂及一系列偶联剂和助剂等物质，以利于增强材料与基体间形成一个良好的粘结界面，从而达到提高复合材料各种性能的目的。

22.表面处理剂的结构（70页）
23.玻璃钢（玻璃纤维增强热固性塑料）：玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料（包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等）作为基体的纤维增强塑料。

24.聚合物基复合材料成型加工技术：
a.手糊工艺
b.模压成型工艺
c.树脂传递模塑成型工艺(RTM成型工艺)
d.喷射成型工艺
e.连续缠绕成型工艺
f.拉挤成型工艺
g.挤出成型工艺
h.注塑成型工艺
25.金属基复合材料的分类：
a.按基体分类：铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料
b.按增强体分类：颗粒增强复合材料、层状复合材料、纤维增强复合材料
26.颗粒：陶瓷材料中的另一种增强材料，从几何尺寸上看，它在各个方向上的长度是大致相同的，一般为几微米。

通常用得较多的颗粒有SiC,Si3N4等，颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适当仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变性能的改善。

27.碳/碳复合材料的应用：
a.导弹、宇航工业的应用
b.航空工业
c.其他方面的应用（汽车工业、化学工业、电子、电器工业、医疗方面）。