复合材料笔记(精简)

1 什么是复合材料，复合材料有哪些特点，并结合复合材料的特点说明其应用领域广泛的原因。

答：复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同作用，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足不同的要求。

复合材料的特点：A 典型的复合材料是在一个特定的基体中，填充有一种或多种填充体；B 既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能；
C 可以通过材料设计使各组分的性能相互
补充并彼此关联，从而获得新的优越性能
6 热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基
复合材料在性能和加工工艺上的区别是什么？答：热塑性树脂是指具有线型或分枝型结构的有机高分子化合物，热固性树脂是以不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等为主的高分子化合物。

性能上：热塑性树脂—柔韧性大，脆性低，加工性能好，但刚性、耐热性、尺寸稳定性差。

热固性树脂—刚性大，耐腐蚀性、耐热性、尺寸稳定性好，不易变形，成型工艺复杂，加工较难
加工工艺上：热塑性树脂—受热软化或熔融，可进行各种线型加工，冷却后变得坚硬。

再受热，又可进行熔融加工，具有可重复加工性。

热固性树脂—受热熔融的同时发生固化反应，形成立体网状结构，冷却后再受热不熔融，在溶剂中不溶解，不具有重复加工性。

三、如何改善聚合物的耐热性能？
产生交联结构（对于热固性树脂、有机硅树脂等，工艺条件影响聚合物的交联密度）。

增加高分子链的刚性（引进不饱和共价键或环状结构（脂环、芳环、杂环）、引入极性基团）。

提高聚合物分子链的键能，避免弱键的存在（例：以C-F键完全取代C-H键，可大大提高聚合物的热稳定性）。

形成结晶聚合物，结晶聚合物的熔融温度大大高于相应的非结晶聚合物。

四、简述不饱和聚酯树脂基体的组成、代表物质及作用。

主要成分：不饱和聚酯树脂，按化学结构可分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型聚酯树脂。

辅助材料：交联剂、引发剂和促进剂
交联剂：烯类单体，既是溶剂，又是交联剂。

能溶解不饱和聚酯树脂，使其双键间发生共聚合反应，得到体型产物，以改善固化后树脂的性能。

常用的交联剂：苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丙烯酯、乙烯基甲苯等。

引发剂：一般为有机过氧化物，在一定的温度下分解形成游离基，从而引发不饱和聚酯树脂的固化。

常用的引发剂：过氧化二异丙苯C6H5C(CH3)2]2O2、过氧化二苯甲酰(C6H5CO)2O2。

促进剂：把引发剂的分解温度降到室温以下。

对过氧化物有效的促进剂：二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等。

对氢过氧化物有效的促进剂：具有变价的金属钴：环烷酸钴、萘酸钴等。

五、简述不饱和聚酯树脂的固化特点。

不饱和聚酯树脂的固化是放热反应，可分为三个阶段：胶凝阶段：从加入促进剂到不饱和聚酯树脂变成凝胶状态的时间，是固化过程最重要的阶段。

影响胶凝时间的因素：阻聚剂、引发剂和促进剂的加入量，交联剂的蒸发损失，环境温度和湿度等。

硬化阶段：从树脂开始胶凝到具有一定硬度，能把制品从模具上取下为止的时间。

完全固化阶段：通常在室温下进行，可能需要几天至几星期。

十四、玻璃纤维为何具有高强度？试讨论影响玻璃纤维强度的因素。

玻璃的理论强度很高，但是由于微裂纹的存在，产生应力集中，发生破坏，从而降低了玻璃的强度。

玻璃纤维经高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使得裂纹产生的机会减少；同时，玻璃纤维的横截面较小，微裂纹存在的几率也减少，导致玻璃纤维强度较高。

影响玻璃纤维强度的因素：
1、化学组成：不同的玻璃纤维（不同系统），强度有很大差别。

一般来说，含碱量越高（K2O、PbO），玻璃纤维的强度越低。

2、玻璃纤维的直径和长度：随着玻璃纤维的直径和长度的减小，微裂纹的数量和尺寸相应地减小，从而提高了玻璃纤维的强度。

3、存放时间：玻璃纤维存放一定时间后，
由于空气中的水分对玻璃纤维的侵蚀，导
致强度下降。

4、施加负荷时间：玻璃纤维的拉伸强度
随着施加负荷时间的增加而降低，当环境
湿度较高时更加明显。

原因：吸附在微裂
纹中的水分，在外力作用下，加速微裂纹
的扩展，从而导致强度降低。

十九、什么是增强材料的表面处理？简述
偶联剂的化学结构及作用。

表面处理是在
增强材料的表面涂覆上表面处理剂（包括
浸润剂、偶联剂、助剂等物质），它有利
于增强材料与基体间形成良好的粘结界
面，从而达到提高复合材料各种性能的目
的。

偶联剂的化学结构：分子两端含有性质不
同的基团，一端的基团与增强材料表面发
生化学作用或物理作用，另一端的基团则
能和基体发生化学作用或物理作用，从而
使增强材料与基体很好地偶联起来，获得
良好的界面粘结，改善了多方面的性能，
并有效地抵抗水的侵蚀。

二十一、试述碳纤维的表面处理方法及作
用效果：
1、表面浸涂有机化合物：采用类似纺织
中的浆纱工艺，在碳纤维表面涂覆含有反
应性端基的树脂（羟端基的丁二烯/丙烯
酸共聚物等），以改善碳纤维的界面粘结
性。

2、表面涂覆无机化合物：
①表面上沉积无定形碳：在高模量结晶型
碳纤维表面加涂一层低模量无定形碳，无
定形碳活性大，易与树脂浸润，提高界面
粘结力，能显著提高碳纤维复合材料的层
间剪切强度。

②加涂碳化物：用化学气相沉积（CVD）
的方法加涂碳化物。

3、表面化学处理：
①臭氧氧化法：臭氧极易分解成一个氧分
子和一个新生态活泼氧原子，氧化碳纤维
表面的不饱和碳原子，生成含氧官能团。

②阳极电解氧化法：靠电解产生的新生态
氧对碳纤维表面进行氧化和腐蚀，碳纤维
表面被氧化腐蚀，使比表面积增大、化学
基团增加。

③盐溶液处理：先浸涂甲酸、乙酸、硝酸
等的铜、铅、钴等盐类溶液，然后在空气
或氧气中于200-600℃下氧化，使碳纤维
表面粗糙而达到改善效果。

二、基体的作用主要包括以下四个部分
①将纤维粘合成整体并使纤维位臵固定，
在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；②基
体决定复合材料的一些性能。

③基体决定
复合材料成型工艺方法以及工艺参数选
择等。

④基体保护纤维免受各种损伤。

三、芳纶纤维的结构及性能⑴化学结构a
大共轭的苯环难以内旋转，大分子链－线
型刚性伸直链－高强度，高模量 b酰胺基
－极性，H可与另一分子链的羰基形成氢
键－梯形聚合物－良好规整性－高度结
晶性纺丝－向列型液晶态，聚合物呈一
维取向有序排列，成纤时，易沿作用方向
取向 c单斜晶系。

d具有微纤结构，皮芯结构，空洞结构等
不同形态的超分子结构。

⑵力学性能－－拉伸强度高，单丝
3773MPa,是Al的5倍。

⑶热稳定性：良好，耐火而不熔，487℃
不熔化，但开始碳化，高温下，直到分解
不发生变形，180℃长期使用
热膨胀系数各向异性
⑷化学性能
良好的耐介质性能，对中性化学药品的抵
抗力一般是很强的，但易酸腐蚀耐水性
不好－酰胺基
六、简述陶瓷的增韧方法。

1、晶须和纤
维增韧：吸收能量。

裂纹扩展受阻：当增
强体（纤维或颗粒）的断裂韧性大于基体
中某些区域的断裂韧性时，纤维受到的残
余应力为拉应力，具有收缩趋势，可以使
基体裂纹压缩并闭合，阻止裂纹的扩展。

纤维（或晶须）拔出：具有较高断裂韧性
的纤维，当基体裂纹扩展至纤维时，应力
集中导致结合较弱的纤维与基体之间的
界面解离，在进一步应变时，将导致纤维
在弱点处断裂，随后纤维的断头从基体中
拔出。

纤维（或晶须）桥联：在基体开裂
后，纤维承受外加载荷，并在基体的裂纹
面之间架桥。

桥联的纤维对基体产生使裂
纹闭合的力，消耗外加载荷做功，从而增大
材料的韧性。

2、相变增韧：（shielding mechanism）在含
有部分稳定的氧化锆粒子的氧化铝复合材料
中：在裂纹尖端的应力区域，稳定的氧化锆
（ZrO2+Y2O3）发生应力诱导的马氏体相变（一
部分断裂能量被用于应力诱发转移）：ZrO2
(t) ZrO2(m)，产生约5%的体积膨胀和约16%
的剪切变形（剪切变形由产生孪晶等方式抵
消）。

这种体积膨胀和切变，在裂纹尖端产生
了一种封闭裂纹的应力，减少了集中在裂纹
尖端的拉伸应力，使裂纹扩展困难，达到增
韧效果。

3、微裂纹韧化：（crack shielding
mechanism）：吸收能量主裂纹扩展时，其尖
端高应力区域容易产生微裂纹，微裂纹是产
生膨胀应变的机理之一：在微裂纹产生之前，
存在有局部的拉伸残余应力。

微裂纹增韧机
制适合于基体弹性模量较低的陶瓷基复合材
料。

4、非屏蔽机理：利用裂纹与材料间的相互作
用消耗额外的能量，使断裂能量提高，对应
力强度因子的贡献很小，包括裂纹偏转（裂
纹沿着结合较弱的纤维/基体界面弯折，偏离
原来的扩展方向，呈锯齿状扩展，从而使断
裂路径增加）或裂纹弯曲（裂纹扩展时由于
强化相的阻碍使得尖端路径弯曲，从而使测
得的断裂韧性值提高）。

六、增韧机理有裂纹偏转、裂纹的桥联、纤
维脱粘与拨出、颗粒增韧等。

五复合效应线性平均效应平行效应相
补效应相抵效应非线性相乘效应诱
导效应共振效应系统效应
七、增强的原则(1)颗粒应高度弥散均匀
地分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的
位错运动(金属、陶瓷基体)或分子链的运动
(聚合物基体)。

(2)颗粒直径的大小要合适。

因为颗粒直径过大，会引起应力集中或本身
破碎，从而导致材料强度降低；颗粒直径太
小，则起不到大的强化作用。

因此，一般粒
径为几微米到几十微米。

(3)颗粒的数量一般
大于20％。

数量太少，达不到最佳的强化效
果。

(4)颗粒与基体之间应有一定的粘结作
用。

(1)纤维的强度和模量都要高于基
体，即纤维应具有高模量和高强度，因为除
个别情况外，在多数情况下承载主要是靠增
强纤维。

(2)纤维与基体之间要有一定的粘结
作用，两者之间结合要保证所受的力通过界
面传递给纤维。

(3)纤维与基体的热膨胀系数
不能相差过大，否则在热胀冷缩过程中会自
动削弱它们之间的结合强度。

(4)纤维与基体
之间不能发生有害的化学反应，特别是不发
生强烈的反应，否则将引起纤维性能降低而
失去强化作用。

(5)纤维所占的体积、纤维的
尺寸和分布必须适宜。

一般而言，基体中纤
维的体积含量越高，其增强效果越显著；纤
维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也越高；
7 举例说明什么是功能型复合材料，简述
功能复合材料的特点，它与结构型复合材料
的区别及功能型复合材料的发展趋势。

答：功能复合材料就是除力学性能以外，还
提供其他物理性能，并包括部分化学和生物
性能的复合材料。

如：导电、超导、半导、
磁性、压电、阻尼、吸声、屏蔽、阻燃、防
热等功能。

举例：导电复合材料可用作阳极材料、发热
元件、传感器等；磁性复合材料可用作永磁
电机、磁性开关和信息记录等；阻尼功能复
合材料可减振降噪。

功能复合材料的特点：1)应用面宽；2)
研制周期短；3)附加值高；4)小批量，多品
种；5)适于特殊用途。

结构复合材料主要作为承力结构使用
的材料，由能承受载荷的增强体组元（如玻
璃、陶瓷、高聚物、金属、天然纤维和颗粒
等）与能联结增强体成为整体材料同时又起
传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、
和水泥等）构成。

功能材料是指除力学性能
以外还提供其它物理、化学、生物等性能的
复合材料。

包括压电、导电、雷达隐身、永
磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等
种类繁多的复合材料。

功能复合材料的发展趋势：①由单功能
向双功能、多功能化发展；②由功能向机敏、
智能化方向发展；③功能--承力一体与轻量
化；④功能体的高性能化与微细化；⑤使用
性能的稳定性与长寿命；⑥高精确度的设计
技术与设计制造一体化；⑦无余量成型与低
成本制造技术。

8 什么是纳米复合材料？用一个具体实例说明制备纳米复合材料所面临的困难是什么，应如何解决？答：纳米复合材料是指尺度为1 nm一100 nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。

它具有断裂强度高、韧性好，耐高温等特性。

如溶液插层复合法制备纳米复合材料，方法是：将高分子聚合物链在溶液中借助于溶剂而插层进入层状硅酸盐片层之间，然后挥发除去溶剂，即可实现聚合物与硅酸盐在纳米尺度上的复合。

但该方法需要合适的溶剂来同时溶解高分子聚合物和硅酸盐，而且大量的溶剂不易回收，对环境不利。

改进方法是将高分子聚合物加热到熔融状态下，在静止或剪切力的作用下直接插入到硅酸盐片层之间，制得纳米复合材料。

该方法由于不使用溶剂，工艺简单，并且可以减少对环境的污染。

六、什么是玻璃钢？其特点是什么？
玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料作为基体的纤维增强塑料，俗称玻璃钢。

主要有玻璃纤维增强玻环氧树脂、璃纤维增强酚醛树脂、玻璃纤维增强聚酯树脂。

具有如
下优点：（1）GFRP的突出特点是比重小、
比强度高。

（2）良好的耐腐蚀性。

（3）
良好的电绝缘材料。

（4）具有不受电磁
影响特性。

（5）保温、隔热、隔音、减
振等性能。

当然，这种材料最大的缺点是刚性
差、耐热性不如金属和陶瓷材料、导热性
也很差、易老化等。

七、玻璃纤维增强热塑性塑料都有哪些？
玻璃纤维(长纤维或短纤维)作为增
强材料，热塑性塑料（包括聚酰胺、聚丙
烯、聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛等）作为
基体的纤维增强塑料。

与热固性材料相比
更轻、比强度高，蠕变性大大改善。

（1）
玻璃纤维增强聚丙烯（2）玻璃纤维增强
聚酰胺（3）玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑
料（4）玻璃纤维增强聚碳酸酯（5）玻璃
纤维增强聚酯（6）玻璃纤维增强聚甲醛
（7）玻璃纤维增强聚苯醚
九、复合材料的材料设计是什么？
(1)原料选择与复合材料性能
①原材料选择原则 a 比强度、比刚度的
原则 b 材料与结构的使用环境相适应的原
则c 满足结构的特殊性能要求的原则 d 满
足工艺性要求的原则e 性价比高的原则
②纤维选择：根据结构的功能选取能满足
一定的力学、物理和化学性能的纤维
③树脂选择要求： a要求基体材料能在结构使
用温度范围内工作b要求基体材料具有一定
的力学性能c要求基体的断裂伸长率大于或
接近纤维的断裂伸长率 d要求基体材料具有
满足使用要求的物理、化学性能。

e要求具有
一定的工艺性
(2)单层性能的确定：通常需要实验来测
定
①单层树脂含量的确定:据单层的功能
来确定②刚度的预测可依公式而定③强度的
预测公式
(3)复合材料层合板设计
即按照单层的性能确定层合板中各铺层
的取向，铺设顺序，各定向层相对于总层数
的百分比和总层数
三、简述增强材料（增强体、功能体）在复合材料中所起的作用，并举例说明。

填充：廉价、颗粒状填料，降低成本。

增强：纤维状或片状增强体，提高复合材料的力学性能和热性能。

效果取决于增强体本身的力学性能、形态等。

赋予功能：赋予复合材料特殊的物理、化学功能。

作用取决于功能体的化学组成和结构。

四、复合材料为何具有可设计性？简述复合材料设计的意义。

如何设计防腐蚀（碱性）玻璃纤维增强塑料？组分的选择、各组分的含量及分布设计、复合方式和程度、工艺方法和工艺条件的控制等均影响复合材料的性能，赋予了复合材料性能的可设计性。

六、简述复合材料增强体与基体之间形成良好界面的条件。

在复合过程中，基体对增强体润湿；增强体与基体之间不产生过量的化学反应；生成的界面相能承担传递载荷的功能。

复合材料的界面效应，取决于纤维或颗粒表面的物理和化学状态、基体本身的结构和性能、复合方式、复合工艺条件和环境条件。

十、简述复合材料中金属基体的选择原则。

1、根据金属基复合材料的使用要求。

2、根据金属基复合材料的组成特点：对于连续纤维增强金属基复合材料，不要求基体有很高的强度，对于非连续增强金属基复合材料（颗粒、晶须、短纤维），基体承担主要载荷，要求高强度。

3、根据金属基体与增强材料的界面状态和相容性。

选择金属基体时，尽量避免基体与增强材料发生化学反应，同时应注意基体与增强材料的相容性，基体和增强材料应该有较好的浸润性。

十二、如何改善陶瓷的强度？减少陶瓷内部和表面的裂纹：含有裂纹是材料微观结构的本征特性。

微观夹杂、气孔、微裂纹等都
能成为裂纹源，材料对表面裂纹（划伤、
擦伤）也十分敏感。

提高断裂韧性（K IC）：
采用复合化的途径，添加陶瓷粒子、纤维
或晶须，引入各种增韧机制（增加裂纹的
扩散阻力及裂纹断裂过程消耗的能量），
可提高陶瓷的韧性。

九、试述影响复合材料性能的因素。

基体
和增强材料（增强体或功能体）的性能；
复合材料的结构和成型技术；复合材料中
增强材料与基体的结合状态（物理的和化
学的）及由此产生的复合效应。

十、复合材料的界面具有怎样的特点？界
面相的化学组成、结构和物理性能与增强
材料和基体的均不相同，对复合材料的整
体性能产生重大影响。

界面具有一定的厚度（约几个纳米到几个
微米），厚度不均匀。

材料特性在界面是不连续的，这种不连续
性可能是陡变的，也可能是渐变的。

材料
特性包括元素的浓度、原子的配位、晶体
结构、密度、弹性模量、热膨胀系数等。

十一、什么是浸润？如何描述浸润程度的
大小？试讨论影响润湿角大小的因素。

浸
润：固-气界面被固-液界面臵换的过程，
用于描述液体在固体表面上自动铺展的
程度。

固体表面的润湿程度可以用液体分
子对其表面的作用力大小来表征，具体来
说就是接触角。

Young公式讨论了液体对
固体的润湿条件：
cos
lv sv sl
γθγγ
⋅=-降低液-固表面
能和液-气表面能或者增大固-气表面能
有助于润湿。

θ=0︒（γlv=γsv-γsl），完全浸润；
0︒<θ<90︒（γlv>γsv-γsl>0），部分浸润；θ>90︒
（γsv<γsl），完全不浸润。

影响接触角（润湿角）大小的因素：固体表
面的原始状态，例：吸附气体、氧化膜等均
使接触角增大。

固体表面粗糙度增加将使接
触角减小。

固相或液相的夹杂、相与相之间
化学反应的产物都将影响润湿性。

原因：夹
杂或反应产物改变了固相的性质和固相的表
面粗糙度。

十四、简述复合材料的界面结合类型及其特
点。

1、机械结合：增强材料与基体之间仅依
靠纯粹的粗糙表面相互嵌入（互锁）作用进
行连接（摩擦力），没有化学作用。

影响机械结合的因素：增强材料与基体的性
质、纤维表面的粗糙度、基体的收缩（正压
力）有利于纤维箍紧。

2、溶解与浸润结合：在复合材料的制造过程
中，由单纯的浸润和溶解作用，使增强材料
和基体形成交错的溶解扩散界面，是一种次
价键力的结合。

（当基体的基团或分子与增强
材料表面间距小于0.5nm时，次价键力就发
生作用。

次价键力包括诱导力、色散力、氢
键等。

）形成溶解与浸润结合的基本条件：增
强材料与基体间的接触角小于90︒，增强材料
与基体间有一定的溶解能力。

3、反应界面结
合：基体与增强材料间发生化学反应，在界
面上形成新的化合物、以主价键力相互结合。

这是一种最复杂、最重要的结合方式。

反应
结合受扩散控制，扩散包括反应物质在组分
物质中的扩散（反应初期）和在反应产物中
的扩散（反应后期）。

要实现良好的反应结合，
必须选择最佳的制造工艺参数（温度、压力、
时间、气氛等）来控制界面反应的程度。

4、
混合结合：上述界面结合方式的混合，实际
情况中发生的重要的界面结合形式。

一、简述陶瓷基复合材料的特点。

陶瓷基复合材料的特点：E f和E m的数量级相当；陶瓷基体的韧性有限；增强材料与陶瓷基体之间的热膨胀系数不匹配、化学相容性问题突出。

五、简述碳/碳复合材料的性能。

力学性能：密度小；拉伸强度、弯曲强度、杨氏模量高；脆性大，应力-应变曲线呈现“假塑性效应”：施加载荷初期呈线性关系，随后变为双线性。

卸载后再加载荷，曲线仍为线性，并可达到原来的载荷水平。

热物理性能：热膨胀系数小，尺寸稳定；热导率高，并可以调节；比热容高；抗热震因子大。

烧蚀性能（蒸发升华、热化学氧化）：碳/碳复合材料烧蚀均匀、烧蚀凹陷浅，能良好地保持制件外形；烧蚀热高，为内层材料和存放的器件提供保护。

化学稳定性：具有与碳一样的化学稳定性；抗氧化性能差。

改善碳/碳复合材料抗氧化性能的方法：浸渍树脂时加入抗氧化物质；气相沉积碳时加入抗氧元素；碳化硅涂层。