复合材料概念

复合材料概念

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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，拉伸强度显着下降。

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