复合材料概念
复合材料概念
复合材料概念Company number:【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】1 总论1)复合材料概念、命名、分类及其基本性能。
概念: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。
命名:将增强材料的名称放在前面,基体材料的名称放在后面,再加上“复合材料”。
基本性能:可综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种性能,具有天然材料所没有的性能。
可按对材料性能的需要进行材料的设计和制备。
可制成所需的任意形状的产品。
性能的可设计性是复合材料的最大特点。
2)聚合物基复合材料的主要性能比强度、比模量大;耐疲劳性能好;减震性好;过载时安全性好;具有多种功能性;有很好的加工工艺性。
3)金属基复合材料的主要性能高比强度、高比模量;导热、导电性能好;热膨胀系数小、尺寸稳定性好;良好的高温性能;耐磨性好;良好的疲劳性能和断裂韧性;不吸潮、不老化、气密性好。
4)陶瓷基复合材料的主要性能强度高、硬度大、耐高温、抗氧化,高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良,热膨胀系数和相对密度较小5)复合材料的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份材料的力学性能、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。
6)复合材料设计的三个层次单层材料设计:包括正确选择增强材料、基体材料及其配比,该层次决定单层板的性能。
铺层设计:包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排,该层次决定层合板的性能。
结构设计:确定产品结构的形状和尺寸。
2 基体材料1)金属基体材料选择基体的原则、金属基结构复合材料的基体、金属基功能复合材料的基体原则:金属基复合材料的使用要求;金属基复合材料组成特点;集体金属与增强物的相容性。
结构复合材料的基体可大致分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。
第十一章 复合材料
碳素(纤维, 粒料)
碳纤维增强 金属
增强陶瓷
陶瓷增玻 璃
增强水泥
碳纤维增强 碳复合材料
无
碳纤维增强 塑料
碳纤炭黑增 强橡胶
玻璃(纤维, 粒料) 木材 有 机 材 料
无
无
无
增强水泥
无
无
玻璃纤维增 强塑料 纤维板
玻璃纤维增 强橡胶 无
无
无
无
水泥木板 丝 增强水泥 无
无
无
高聚物纤维 橡胶胶粒
无 无
无 无
无 无
二、复合材料的性能特点
1、比强度和比模量高
比强度 材料的强度与其密度之比。
比模量 材料的模量与其密度之比。 材料的比强度或比模量越高,构件的自重就小,或者体积会 越小。通常,复合材料的复合结果是密度大大减小,高的比强 度和比模量是复合材料的突出性能特点。
气瓶
质 量 轻
玻璃钢充气船
小飞守角制作
头盔
玻璃纤维的特点是强度高,弹性模量低,密度小,比强度、 比模量高;化学稳定性好;不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、 吸声、绝缘等。缺点是脆性较大,耐热性低,250℃以上开始软化。 由于价格便宜,制作方便,是目前应用最多的增强纤维。
(2)碳纤维 碳纤维是人造纤维(粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等)在200~300℃ 空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理,然后在氮气的保护下, 在1000~1500℃的高温下进行碳化处理而制得。其含碳量可达 85%~95%。由于其具有高强度,因而称高强度碳纤维,也称Ⅱ型 碳纤维。 如果将碳纤维在2000~3000℃高温的氩气中进行石墨化处理, 就可获得含碳量为98%以上的碳纤维。这种碳纤维中的石墨晶体的 层面有规则地沿纤维方向排列,具有高的弹性模量,又称石墨纤维 或高模量碳纤维,也称Ⅰ型碳纤维。
高中化学必修1 4.3 复合材料
B.仅②③
C.除③外
D.①②③④
【解析】选D。复合材料既能保持原来材料的长处,又能弥补它们的不
足,具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等特性。
2.某复合材料是以碳纤维为增强体、金属钛为基体复合而成的。估计
这种材料( )
①耐高温
②不耐热
③导电、导热
④不导电、不导热
⑤可用于飞机机翼
⑥可用于导弹的壳体
A.①③⑤⑥
4.复合材料的类型。 树脂基 金属基 陶瓷基
颗粒增强 夹层增强 纤维增强
5.生产、生活中常见的复合材料:
复合材料 组 基体 成 增强体
玻璃钢 _合__成__树__脂__ _玻__璃__纤__维__
碳纤维增强复合材料 _合__成__树__脂__ _碳__纤__维__
特性
密度小,质量轻,耐水,耐磨,耐 腐蚀性强,良好的电绝缘性和 机械加工性能
韧性好、强度高、质量 轻
6.航空、航天领域中的复合材料:
材料 名称
碳纤维增强金属基复合材料 隔热陶瓷瓦(纤维增强陶瓷)
基体 增强体
_金__属__(Al、Mg、Ti等) _纤__维__(碳纤维等)
_陶__瓷__(Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷、 SiO2陶瓷等) _纤__维__(碳纤维、碳化硅纤维等)
2.对下列材料的特征及用途的说法不正确的是( ) A.玻璃纤维柔软如丝,可像棉纱一样纺织,但拉伸强度低 B.光导纤维传导光的能力很强,是非常好的通讯材料 C.氮化硅陶瓷耐高温且不易传热,可用于制造柴油机 D.玻璃钢强度高,密度小,耐腐蚀,可用于制作废水处理系统的管道 【解析】选A。玻璃纤维虽然极细如丝,但其拉伸强度大,其拉伸强度 接近于钢,所以A项错误。
B.②③⑤⑥
材料表面与界面 第四章 复合材料的界面及界面优化
4.2 界面的效应(1)
界面是复合材料的特征,可将界面的机能归纳为以下几种 效应:
(1)传递效应:界面能传递力,即将外力传递给增强物,起 到基体和增强物之间的桥梁作用。
(2)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。
阻止裂纹的扩展
4.2 界面的效应(2)
(3)不连续效应:在界面上产生物理性能的不 连续性和界面摩擦出现的现象,如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
在纤维增强复合材料中,纤维是材料主要 承载组分,其增强效果主要取决于纤维的
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的
体积分数、尺寸和分布。
碳 纤 维
弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时,c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料),则
c f V f mVm , Ec E f V f EmVm
许多因素影响着界面结合强度,如表面几何形状、 分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸 水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、
表面层的力学特性、润湿速度等。
4.3 复合材料组分的相容性
物理相容性:
1.
是指基体应具有足够的韧性和强度,能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上,而不会有明显的不连续 现象。 由于裂纹或位错移动,在基体上产生的局部应力不 应在增强剂上形成高的局部应力。 基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面 结合产生重要的影响,从而影响材料的各类性能。
ZnO晶须
自增韧Si3N4陶瓷
二、叠层复合材料
叠层复合材料是指在基 体中含有多重层片状高 强高模量增强物的复合 材料。
三明治复合 层状陶瓷复合材料断口形貌
复合材料的基本概念
复合材料的基本概念复合材料,生活里的“变形金刚”有一次我去奶奶家,奶奶正拿着她那把用了很久的老藤椅晒太阳。
那藤椅的扶手有些地方都磨得光滑了。
我坐上去的时候,还晃悠了几下,发出“嘎吱嘎吱” 的声响。
我仔细看这藤椅,突然就想到了复合材料。
你看啊,这藤条本身是一种材料,但是把很多藤条编织在一起,就成了能坐人的椅子,这其实就有点像复合材料的概念啦。
单独一根藤条可能很容易折断,但是好多藤条组合起来,互相借力、互相支撑,就变得很结实。
而且,为了让藤椅更耐用,还会在一些关键部位用钉子或者铁丝固定,这就好比在复合材料里添加一些特殊的成分来增强性能。
在生活中,复合材料其实无处不在。
就像我们常见的水泥路。
你知道吗?水泥本身只是一种材料,但是在修路的时候,会加入石子、沙子这些东西。
水泥就像胶水一样把石子和沙子紧紧粘在一起。
石子呢,又给水泥路提供了坚硬的骨架,让道路能承受车辆的重压。
如果只有水泥,那路面肯定软塌塌的,走不了车;要是只有石子,那也没办法形成平整的路面。
它们组合在一起,就成了坚固又平整的水泥路,这也是复合材料的一种体现呢。
还有我那辆自行车,车架是金属的,但是车把上套了一层软软的橡胶。
金属车架很坚固,能支撑起整个自行车的重量,但是如果没有橡胶车把套,骑车的时候手会很疼,而且在冬天的时候,摸着冰凉的金属车把,那感觉可太难受了。
橡胶车把套不仅让手握着舒服,还能增加摩擦力,防止手滑。
这两种不同的材料组合在一起,就成了我心爱的自行车的一部分。
复合材料就像生活里的魔法,把不同的东西组合起来,变成更有用、更厉害的东西。
就像奶奶的藤椅、马路上的水泥路、我的自行车一样,它们都是由不同材料组合而成的,都有着独特的作用。
从这些常见的东西里,我们就能大概明白复合材料的基本概念啦,就是把不同的材料组合在一起,发挥出1 + 1 > 2 的效果哦。
你看,复合材料其实就在我们身边,默默地发挥着作用呢。
下次你再看到什么东西的时候,说不定也能发现复合材料的小秘密哦!。
复合材料基础
比强度越大,零件自重减小;比模量越大,零件的刚性越好。 2.破损安全性好 在纤维增强复合材料中,每平方厘米面积上有成千上万根纤
维,当构件一旦过载会使其中部分纤维断裂,但随即迅速进 行应力重新分配,由未断裂的纤维来承不致造成构件在短时 间内失去承载能力而断裂,从而提高使用的安全性。
通常根据复合材料的三要素(基体材料、增强材料的形态、复 合方式)及其用途可归纳为以下几种:
(1)按基体类型分类:可分为树脂基复合材料、金属基复合材 料、陶瓷基复合材料。
(2)按增强剂的性质和形状分类。可分为纤维增强复合材料、 粒子增强复合材料、层叠复合材料。
(3)按材料的用途分类:可分为结构复合材料和功能复合材料。 结构复合材料则是利用其力学性能特点如强度、硬度、韧性 等,来制作各种结构构件或机械零件。
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17.3 常用的复合材料
17.3.2层叠复合材料
工业上用的层叠复合材料是用几种性能不同的板材经热压 胶合而成。广泛用于要求材料具有高的强度、耐蚀、耐磨的 场合,有装饰及安全防护等用途。
因此,复合材料也可以说成是增强材料与基体材料经复合而 成的新材料。复合材料最大的优点是其性能比组成材料好。例 如,玻璃纤维和树脂的韧性及强度都不高,玻璃纤维的断裂能 是7. 5 J/m3,树脂的断裂能为226 J/m3,可是由它们组成 的玻璃钢却有很高的强度和韧性,而且密度很小。玻璃钢的断 裂能达176 x 103 J/m3。这说明复合材料可以改善组成材 料的弱点,充分发挥它们的优点。
项目十七 复合材料基础
17.1 基本概念 17.2 复合材料的性能 1பைடு நூலகம்.3 常用的复合材料 本篇小结
复合材料力学课后答案
复合材料力学课后答案1. 引言。
复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的材料,具有优良的综合性能,被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
复合材料力学是研究复合材料在受力作用下的力学性能和行为的学科,对于了解复合材料的性能和设计工程结构具有重要意义。
本文将针对复合材料力学课后习题进行解答,帮助学生加深对复合材料力学的理解。
2. 课后答案。
2.1. 什么是复合材料?复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的材料,通过各种方式相互作用形成一种新的材料。
复合材料通常由增强相和基体相组成,增强相起到增强和刚度作用,基体相起到传递载荷和保护增强相的作用。
2.2. 复合材料的分类有哪些?根据增强相的形式,复合材料可以分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层合板复合材料;根据基体相的形式,复合材料可以分为金属基复合材料、塑料基复合材料和陶瓷基复合材料。
2.3. 复合材料的力学性能有哪些?复合材料的力学性能包括强度、刚度、韧性、疲劳性能等。
其中,强度是指材料抵抗外部力量破坏的能力;刚度是指材料抵抗形变的能力;韧性是指材料抵抗断裂的能力;疲劳性能是指材料在循环载荷下的耐久性能。
2.4. 复合材料的力学行为受哪些因素影响?复合材料的力学行为受到多种因素的影响,包括增强相的类型、含量和排布方式,基体相的类型和性能,界面的结合情况,制备工艺等因素都会对复合材料的力学行为产生影响。
2.5. 复合材料的应用领域有哪些?复合材料由于其优良的性能,在航空航天、汽车、建筑、体育器材等领域得到了广泛的应用。
例如,航空航天领域的飞机机身、汽车领域的碳纤维车身、建筑领域的钢-混凝土复合梁等都是复合材料的典型应用。
3. 结论。
通过对复合材料力学课后习题的解答,可以加深学生对复合材料力学的理解,帮助他们更好地掌握复合材料的基本概念、分类、力学性能、影响因素和应用领域。
同时,也可以引导学生将理论知识应用到实际工程中,为未来的工程实践打下坚实的基础。
复合材料的高温性能及其机理研究
复合材料的高温性能及其机理研究随着工业进步,对材料性能的要求也越来越高。
特别是在高温环境下,普通材料的性能表现往往难以满足需求。
针对这种情况,复合材料作为一种新型材料,具有很大的应用潜力。
本文将详细探讨复合材料在高温环境下的性能表现及其机理研究。
一、复合材料的概念和种类复合材料又称多相材料,是指至少由两种及以上类型的材料组成的新材料。
它们在性质和组成上都不同,但是通过互相作用协同工作来达到优异的性能表现。
常见的复合材料有:纤维增强复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料等。
二、复合材料在高温环境下的高温性能表现相较于其他材料,在高温环境下,复合材料具有非常优越的性能表现。
具体表现在以下几个方面:1.高温稳定性能表现在高温环境下,复合材料不易发生膨胀、热变形、软化等情况。
研究表明,这是由于其特殊的材料构成和特性造成的。
例如,陶瓷基复合材料中添加了高温稳定剂,使其在高温下仍能够有效保持稳定性能。
2.高温强度表现在高温条件下,复合材料相较于普通材料具有更高的强度表现。
这归功于复合材料的纤维增强技术。
纤维增强技术可使复合材料达到高强、高刚度、高韧性等性质,且在温度变化过程中也不会发生大量的断裂或其他形式的损坏。
3.高温热传导表现在高温环境下,复合材料也表现出良好的导热性能。
这是由于复合材料中添加了高导热的填料或者纤维,从而导致热量传递更加迅速。
这也为其在高温隔热领域中的应用提供了很大的技术优势。
三、复合材料高温性能机理的研究复合材料在高温环境下的优异性能,得益于其特殊的材料构成和特性。
具体的研究成果如下:1.材料分子间变化的研究随着温度升高,复合材料材料分子间的相互作用也会变化。
通过实验分析,发现这种变化也会对复合材料的性能表现产生影响。
2.材料组成变化的研究另外,随着温度升高,复合材料中成分的比例也会发生变化。
例如,在聚合物基复合材料中,树脂会缩短、环式化、交联等,其性质也随之发生改变。
有关复合材料
复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求,需要由两种或两种以上的材料复合在一起,组成另一种能满足人们要求的材料,即复合材料。
玻璃钢(FRP)亦称作GRP,即纤维强化塑料,一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。
以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料,称谓为玻璃纤维增强塑料,或称谓玻璃钢。
由于所使用的树脂品种不同,因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。
质轻而硬,不导电,机械强度高,回收利用少,耐腐蚀。
可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。
高强度高模量纤维的主要用途:①橡胶增强材料,主要用作轮胎帘子线;②缆绳类和工业织物,包括各种防护材料;③塑料增强材料;④石棉代用品。
无机高强度高模量纤维则主要用作塑料、陶瓷和金属基复合材料及碳—碳复合材料。
其中碳纤维除作结构材料外,还可用作密封材料、耐磨和绝热材料、烧蚀材料等。
芳纶全称为"聚对苯二甲酰对苯二胺",其定义是:至少有85%的酰胺链(-CONH-)直接与两苯环相连接。
根据此定义,可把主要化学链和环链脂肪基的一般聚酰胺聚合物和其清楚的分开。
它是一种新型高科技合成纤维,具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的5~6倍,模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在560度的温度下,不分解,不融化。
它具有良好的绝缘性和抗老化性能,具有很长的生命周期。
对位芳纶纤维是重要的国防军工材料,为了适应现代战争的需要,目前,美、英等发达国家的防弹衣均为芳纶材质,芳纶防弹衣、头盔的轻量化,有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。
在海湾战争中,美、法飞机大量使用了芳纶复合材料。
除了军事上的应用外,现已作为一种高技术含量的纤维材料被广泛应用于航天航空、机电、建筑、汽车、体育用品等国民经济的各个方面。
碳化硅纤维是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结构的无机纤维,属陶瓷纤维类。
复合材料的成型工艺
第一节 复合材料简述
2.复合材料的特点
(1)比强度和比刚度高 (2)抗疲劳性好 (3)高温性能好 (4)减振性能好 (5)断裂安全性高 (6)可设计性好
第一节 复合材料简述
二、复合材料用原料
1.增强材料
3)基体能够很好地保护纤维表面,不产生表面 损伤、不产生裂纹。
第一节 复合材料简述
(2)增强材料是承载的主要部分,因而纤维必须具 有很高的强度和刚度。
(3)增强材料与基体有好的结合强度。 (4)在复合材料中纤维必须具有适当的含量、直径
和分布。 (5) 纤维和基体应有相近的热膨胀系数。
第一节 复合材料简述
2. 井喷沉积法(Spray Co-Deposition)
井喷沉积法是运用特殊的喷嘴,将液态金属 基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细小的 液态金属流,将增强相颗粒加入到雾化的金属 流中,与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上 ,凝固形成金属基复合材料的方法。
图9-5所示是采用井喷沉积法生产陶瓷颗粒 增强金属基复合材料的示意图。
复合材料的一种成型方法,如图9-6所示。 热压成型时,先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热,利用蜡类材料热熔冷固的特点,把粉料与熔化的蜡料等粘合剂迅速搅合
成具有流动性的料浆,然后将混合料加压注入模具,冷却凝固后成型,即可得致密的、较硬实的坯体。
二、喷射成型工艺(Spray Moulding) (2)液态法 液态法是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。
下压制成型。
树脂基复合材料(resin matrix composites-RMC)、金属基复合材料(metallic matrix composites -MMC)、陶瓷基复合材料(ceramic matrix
复合材料的概念、分类及其发展历程
结构复合材料;
功能复合材料。
*
结构复合材料
主要用于制造受力构件;结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料,它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。
结构复合材料又可按基体材料类型和增强体材料类型来分类见下图所示:
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202X
复 合 材 料
主要参考资料
1、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 (中国物质出版社,1998) 2、复合材料概论----王荣国 武卫莉 (哈尔滨工业大学出版社,1999) 3、复合材料--------吴人洁(天津大学出版社,2000) 5、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘(陕西科学技术出版社,2003) 6、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 7、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 (机械工业已出版社,2004) 8、复合材料--------周曦亚(化学工业出版社,2005)
*
硼纤维复合材料
硼纤维树脂复合材料:基体主要为环氧树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚胺树脂等。
硼纤维金属复合材料:常用的基体为铝、镁及其合金,还有钛及其合金等。
金属纤维复合材料
作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨、钼、钢、不锈钢、钛、铍等,它们能被基体金属润湿,也能增强陶瓷。 金属纤维金属复合材料:研究较多的增强剂为钨钼丝,基体为镍合金和钛合金。 金属纤维陶瓷复合材料:利用金属纤维的韧性和抗拉能力改善陶瓷的脆性。
人工晶片 天然片状物
微米颗粒 纳米颗粒
不连续纤维复合材料 连续纤维增强复合材料
晶须增强复合材料 短切纤维增强复合材料
复合材料初中化学教案
复合材料初中化学教案
教学内容:复合材料
教学目标:了解复合材料的定义、分类和应用;能够举例说明复合材料在生活和工业中的重要性。
教学重点:掌握复合材料的概念和分类。
教学难点:理解复合材料的制备原理和应用领域。
教学方法:讲述结合举例分析法。
教学过程:
一、导入(5分钟)
1. 引入话题:复合材料是什么?我们日常生活中都会遇到哪些复合材料?
二、讲解与讨论(15分钟)
1. 定义复合材料:由两种或两种以上的材料组成,从而使得新材料具有优良性能的材料。
2. 分类:按成分的不同可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
3. 应用:复合材料在航空航天、汽车制造、建筑等领域的广泛应用。
三、例子分析(15分钟)
1. 举例说明:碳纤维复合材料在航空航天领域的应用。
2. 分析原理:碳纤维的高强度和轻质特性使得它在制造航天器件时能够减轻重量,提高性能。
四、小结与拓展(10分钟)
1. 复合材料的重要性与发展趋势。
2. 探讨未来复合材料可能的应用领域。
五、作业布置(5分钟)
1. 请同学们自行查找一种复合材料的应用案例,并写一篇作文进行描述。
六、课堂总结(5分钟)
1. 复合材料的定义、分类和应用。
2. 复合材料在现代社会中的重要性和发展前景。
复合材料中相互作用力学理论研究
复合材料中相互作用力学理论研究一、引言复合材料广泛应用于航天、汽车、建筑等各行业领域,由于其优异的性能和轻量化设计,使得其成为了当前工业制造技术的主要发展方向之一。
而相互作用力学理论是复合材料研究的核心内容之一,理解复合材料中相互作用力学的本质,对于复合材料的设计、制造、性能预测和应用具有重要的意义。
二、复合材料的基本概念复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料,其中由两种或两种以上的材料组合而成的材料称为复合材料,复合材料中的两种或两种以上的材料称为复合材料的组分。
根据组分的形态,复合材料可分为若干种,如纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料等。
三、复合材料中的相互作用力学复合材料从基本成分上就与单种材料有着巨大的不同,因此,与单种材料相比,复合材料中相互作用力学的问题更加复杂,包括复合材料的内部相互作用、与外界环境的相互作用等。
其中,复合材料的内部相互作用是指各种组分之间的相互作用,包括界面、界面结合、拔出等,而与外界环境的相互作用则包括湿度、温度、压力等。
复合材料内部的相互作用力学主要涉及到组分之间的机械、化学、热力学等方面的相互作用。
对于固体-固体组合型复合材料,界面分子力是产生干涉现象的一种主要原因,如表面反应、界面缺陷、滑移、界面位移等。
而对于液固界面,界面结合强度则主要由一些物理化学参数如化学键键-energy、界面电势、氢键等决定的。
四、复合材料中的相互作用力学理论研究复合材料中相互作用力学的理论研究主要包括模型设计、数值模拟、实验检测等方面。
其中,模型设计和数值模拟是相互结合的,可以更加深入地探究复合材料中相互作用力学的本质。
在模型设计方面,目前主流的模型有力的断裂理论、位移复合物理模型等。
针对复合材料中液固界面的研究,扩展了不同的润滑模型和边界条件。
而数值模拟方面,则主要包括基于有限元、分子动力学等多种方法,其对于复合材料相互作用力学的本质进行了深入的研究。
在实验检测方面,X射线衍射、表征技术等是目前研究复合材料中相互作用力学的主要检测手段,能够对复合材料中的界面、微观缺陷等进行直观的显示。
复合材料的概念
复合材料的概念一、什么是复合材料复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料经过特定的工艺加工制成的材料。
这些组成部分可以通过物理、化学或机械的方式结合在一起。
因此,复合材料的性能往往比单一材料更好,具有多种优异的特性,如高强度、低密度、耐腐蚀性等。
二、复合材料的组成复合材料通常由基体和增强体组成。
基体是复合材料中负责固定增强体的材料,一般具有较好的韧性和粘合性。
常见的基体材料包括聚合物、金属和陶瓷。
增强体则是复合材料中起到增强作用的材料,可以是纤维、颗粒或片材的形式,常用的有碳纤维、玻璃纤维、石英颗粒等。
三、复合材料的制备方法制备复合材料的方法主要有层叠法、注射法、浸渍法和热压法等。
层叠法是将纤维层和基体层交替叠加,再进行压制和固化的方法。
注射法是将增强体与基体混合后注射到模具中,通过化学反应或固化剂进行固化。
浸渍法则是将增强体浸渍在基体中,再经过挤压或热压使其固化。
热压法是将增强体和基体一同放置在高温高压下,使其熔融并固化。
四、复合材料的优点1.高强度:由于增强体的加入,复合材料具有比单一材料更高的强度,可以承受更大的工作负荷。
2.低密度:增强体通常具有较低的密度,因此复合材料的密度相对较低,可以减轻结构的重量。
3.耐腐蚀性:复合材料中的增强体可以提供较好的耐腐蚀性能,使其更适合用于恶劣环境中。
4.优良的热性能:复合材料的热传导性较低,具有良好的绝缘性能和热膨胀性能,适用于高温环境下的应用。
5.设计自由度高:复合材料可以通过调整不同材料的比例和组成来获得各种性能,满足不同工程的需求。
五、复合材料的应用领域复合材料在各个领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域:1. 航空航天领域在航空航天领域,复合材料被广泛应用于飞机、卫星等载具的结构件制造中。
由于复合材料的高强度和轻质化特性,可以降低飞机的重量,提高飞行性能。
2. 汽车工业复合材料在汽车工业中的应用越来越广泛。
它可以用于制造车身、车架、发动机罩等部件,减轻汽车的重量,提高燃油效率和安全性能。
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1 总论1)复合材料概念、命名、分类及其基本性能。
概念: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。
命名:将增强材料的名称放在前面,基体材料的名称放在后面,再加上“复合材料”。
基本性能:可综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种性能,具有天然材料所没有的性能。
可按对材料性能的需要进行材料的设计和制备。
可制成所需的任意形状的产品。
性能的可设计性是复合材料的最大特点。
2)聚合物基复合材料的主要性能比强度、比模量大;耐疲劳性能好;减震性好;过载时安全性好;具有多种功能性;有很好的加工工艺性。
3)金属基复合材料的主要性能高比强度、高比模量;导热、导电性能好;热膨胀系数小、尺寸稳定性好;良好的高温性能;耐磨性好;良好的疲劳性能和断裂韧性;不吸潮、不老化、气密性好。
4)陶瓷基复合材料的主要性能强度高、硬度大、耐高温、抗氧化,高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良,热膨胀系数和相对密度较小5)复合材料的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份材料的力学性能、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。
6)复合材料设计的三个层次单层材料设计:包括正确选择增强材料、基体材料及其配比,该层次决定单层板的性能。
铺层设计:包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排,该层次决定层合板的性能。
结构设计:确定产品结构的形状和尺寸。
2 基体材料1)金属基体材料选择基体的原则、金属基结构复合材料的基体、金属基功能复合材料的基体原则:金属基复合材料的使用要求;金属基复合材料组成特点;集体金属与增强物的相容性。
结构复合材料的基体可大致分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。
金属基功能复合材料的基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等。
2)无机胶凝材料主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。
研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料与树脂相比,水泥基体材料的特征特征:水泥基体为多孔体系,其孔隙尺寸可由十分之几纳米到数十纳米;纤维与水泥的弹性模量比不大;水泥基材的断裂延伸率较低;水泥基材种含有粉末或颗粒状的物料,与纤维呈点接触,故纤维的掺量受到很大的限制。
水泥基材呈碱性,对金属纤维可起保护作用,但对大多数矿物纤维不利。
3)陶瓷材料常用的陶瓷基体、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷种类基体:玻璃,玻璃陶瓷,氧化物陶瓷,非氧化物陶瓷。
氧化物陶瓷种类:非氧化物陶瓷种类:不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物3 增强材料1)玻璃纤维分类(玻璃原料成分)这种分类方法主要用于连续玻璃纤维,一般以不同的含碱量来区分。
无碱玻璃纤维,中碱玻璃纤维,有碱玻璃(A玻璃)纤维,特种玻璃纤维2)玻璃结构两个假说微晶结构假说认为,玻璃是由硅酸块和或二氧化硅的“微晶子”组成,在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。
网络结构假说认为,玻璃是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。
二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础,填充的Na,Ca等阳离子称为网络改性物。
3)玻璃纤维的化学组成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。
4)玻璃纤维高强的原因及影响因素(*)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,可达到2000~12000Mpa。
直径:直径变细,拉伸强度增加。
纤维的长度:长度增加,拉伸强度显著下降。
化学组成:含碱量越高,强度越低。
纤维的老化,纤维的疲劳成型方法与成型条件:玻璃硬化速度越快,纤维强度越高。
5)影响玻璃纤维化学稳定性的因素有哪些?玻璃纤维的化学成分,纤维表面情况对化学稳定性的影响,侵蚀介质体积和温度对玻璃纤维化学稳定性的影响,玻璃纤维纱的规格及性能。
6)中碱玻璃纤维与无碱玻璃纤维耐酸性那个好,为何?中碱纤维含比无碱纤维高二十几倍,受酸作用后,首先从表面上,有较多的金属氧化物侵析出来,但主要是的离析、溶解;另一方面酸与玻璃纤维中硅酸盐作用生成硅酸,而硅酸迅速聚合并凝成胶体,结果在玻璃表面上会形成一层极薄的氧化硅保护膜,这层膜使酸的侵析与离子交换过程迅速缓慢,使强度下降也缓慢。
实践证明有利于这层保护膜的形成,所以中碱纤维比无碱纤维的耐酸性好。
7)玻璃纤维织物有哪些种类?玻璃纤维布:平纹布,斜纹布,缎纹布,方格布,单向布,无纺布玻璃纤维毡:短切纤维毡,表面毡,连续纤维毡玻璃纤维带8)在制造玻璃纤维原丝的过程中为何要用浸润剂,浸润剂起到什么作用,常用的浸润剂有哪些?1.原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起;2.防止纤维间的磨损;3.原丝相互间不粘结在一起;4.便于纺织加工等。
石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯。
9)碳纤维概念、性能特点、制造方法、主要原料及其五个阶段。
碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳,是一种非金属材料碳纤维性能优异,不仅重量轻,比强度大,模量高,而且耐热性好,化学稳定性好。
其制品具有非常优良的X射线透过性,阻止中子透过性,还可赋予塑料以导电性和导热性。
制造方法:气相法、有机纤维碳化法。
原料:人造丝,PAN纤维,沥青阶段:拉丝,牵伸,稳定,碳化,石墨化。
10)纤维的老化、疲劳关于存放时间对纤维强度的影响,当纤维存放一段时间后,会出现强度下降的现象,称为纤维的老化。
关于施加复核时间对纤维强度的影响,玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的时间。
11)晶须为何具有高强度?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、位错和不完整的等缺陷。
晶须材料的内部结构完整,使它的强度不受表面完整性的严格限制。
第四章复合材料的界面1)简述复合材料界面的定义、结构、特点、作用以及界面的结合方式。
复合材料的界面是指基体与增强体之间化学成分有显著变化的构成彼此结合的,能起载荷传递作用的微小区域。
界面的结构:由五个亚层组成:⑴树脂基体⑵基体表面⑶相互渗透区⑷增强剂表面区⑸增强剂及外力场特点:界面虽然很小,但是它是有尺寸的,约几个纳米到几个微米,是一个区域或一个带,或一个层,厚度不均匀。
它包含里基体和增强物的部分原始接触面。
基体与增强物相互作用生成的反应产物,此产物与基体及增强物的接触面等。
在化学成分上有基体等元素外还有其他杂质,因此界面上的化学成分和相结构是很复杂的。
作用:界面是复合材料的特征,可将界面的技能归纳为以下几种效应:⑴传递效应⑵阻断效应⑶不连续效应⑷散射和吸收效应⑸诱导效应1、机械结合:基体与增强体材料之间不发生化学反应,借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。
2、溶解与浸润结合:基体润湿增强材料相互之间发生原子扩散和溶解形成结合。
液态或是粘流态基体对增强纤维的侵润,而产生的作用力,作用范围只有若干原子间距大小。
3、反应结合:基体与增强体材料间发生化学反应,在界面上生成化合物,以化学键连接基体和增强体,是基体和增强材料结合在一起。
基体与纤维之间形成界面反应层。
4、交换反应结合:基体与增强材料间发生化学反应,生成化合物,且还通过扩散发生元素交换,形成固溶体而使两者结合。
5、混合结合:上述几种形式的混合结合方式。
3)描述聚合物基复合材料界面的形成过程。
简述聚合物基复合材料界面作用机理。
界面的形成可分为两个阶段:第一阶段是基体与增强纤维的接触与润湿过程。
增强体对基体分子中不同基团或基体各组分的吸附能力不同;聚合物的界面结构与本体不同。
这一阶段是界面形成与发展的关键阶段。
第二阶段是聚合物的固化阶段。
聚合物通过物理或化学过程固化形成固定界面层。
第一阶段与第二阶段往往是连续的,有时是同时进行的。
界面作用机理:⑴浸润吸附理论:浸润是形成复合材料界面的基本条件之一,浸润不良会在界面上产生空隙,易因应力集中而开裂,完全浸润则将提高符合材料的强度⑵化学键理论:该理论认为基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能其化学反应,在界面形成共价键结合⑶物理吸附理论:也称机械作用理论:认为增强纤维与树脂基体之间的结合属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附⑷过渡层理论:为消除内应力,界面区应存在一个过渡层,起到应力松弛作用⑸拘束层理论:该理论也认为在基体和增强体之间存在一个松弛应力的过渡层,但是该过渡层并非柔性的变形层⑹扩散层理论:这种物理结合是指复合材料的增强体和基体的原子或分子越过两组成物的边界相互扩散而形成的界面结合⑺减弱界面局部应力作用理论:认为处于基体与增强体界面间的偶联剂提供了一种“自愈能力”的化学键,这种化学键在外载荷作用下处于不断形成和断裂的动态平衡状态⑻静电吸引理论:合适的偶联剂使复合材料的基体和增强体的表面带有异性电荷,引起相互吸引,从而形成界面结合力,静电引力引起的界面强度取决于电荷密度。
4)简述金属基复合材料界面的类型、结合形式、影响其界面稳定性的因素以及界面控制方法。
Ⅰ类界面(纤维与基体互不反应亦不溶解)是平整的,厚度为分子层的程度,除原组分外,界面不含其他物质。
Ⅱ类界面(纤维与基体不反应,但相互溶解)是由原组分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面Ⅲ类界面(纤维与基体相互反应形成界面反映层)含有亚微级左右的界面反应物质(界面反应层)结合方式:物理结合:指借助材料表面的粗糙形态而产生的机械绞合,以及借助基体收缩盈利包紧纤维时产生的摩擦结合? 溶解和浸润结合:纤维与基体的相互作用力是极短程的,只有若干原子间距? 反应结合:特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层,即界面反应层影响界面的稳定因素:包括物理和化学两个方面。
物理方面的不稳定因素主要指在高温条件下增强纤维与基体间的熔融。
化学方面的不稳定因素主要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。
界面控制方法:增强体表面涂层处理,金属基体合金化,优化制备方法和工艺参数。
5)玻璃纤维的表面处理剂种类?用表面处理剂处理玻璃纤维的方法目前主要有哪三种?试简述之。
有机络合物类表面处理剂,是有机酸与氯化铬的络合物,该类处理剂在无水条件下结构式为A。
有机铬络合物的品种较多,其中以甲基丙烯酸氯化铬配合物应用最为广泛,其结构式为B。
前处理法:用既能满足抽丝和纺织工艺要求,又能促使纤维和树脂浸润与粘接的处理剂代替纺织型浸润剂,在玻璃纤维抽丝过程中,涂覆到玻璃纤维上。
后处理法:先除去抽丝过程涂覆在玻璃纤维表面的纺织浸润剂,纤维经处理剂浸渍、水洗、烘干,使玻璃纤维表面上覆上一层处理剂。
迁移法:将化学处理剂加入到树脂胶粘剂中,在纤维浸胶过程中,处理剂与经过热处理后的纤维接触,当树脂固化后产生偶联作用。