复合材料2 (2)

复合材料学（仅供参考）
1、复合材料定义
由两个或两个以上独立的物理相，包含粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的固体材料。

2、复合材料应具有以下特点：
(1)复合材料的组分和它们的相对含量是经过人工选择和设计的;
(2) 复合材料是经过人工制造而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）;
(3)组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有的物化性质（区别于化合物和合金）;
(4)复合材料的性能取决于各组成相性能的协同。

复合材料具有新的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或与单个组分材料所不同的;
(5)复合材料是个组分之间被明显界面区分的多相材料。

3、复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。

在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基体大。

分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。

在基体与增强体之间存在着界面。

4、在纤维增强的聚合物复合材料中，纤维与基体的作用分别是：
纤维的作用主要体现在：
1)承担载荷（70%-90%由纤维承担）；2)提供力学性能（硬度、强度、热稳定性和其他结
构性能）；3)提供其他功能（导电、热绝缘性等）。

树脂基体作用体现在：1)粘结作用，可把载荷传给纤维，同时也给复合材料提供刚性和形状
2)隔离作用，将纤维隔离，使纤维各自发挥作用，不互相影响，可停止或减缓裂纹的扩展；
3)对纤维保护作用。

树脂保护纤维不受化学侵蚀和机械损坏4)定型作用。

树脂可一次定型生产部件，且提供好的表面光洁度和质量；5)性能的影响。

如延展性、韧性与树脂有关
5、命名
复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：
（1）强调基体时以基体材料的名称为主。

如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。

（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。

如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。

（3）基体材料名称与增强体材料并用。

这种命名方法常用来表示某一种具体的复合材料，习惯上把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。

例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”。

而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢”。

碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料”，也可写为“碳／金属复合材料”。

碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳
／碳复合材料”。

6、复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：
一、按增强材料形态分
1、纤维增强复合材料：
a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；
b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；
2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；
3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。

其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 二、按复合材料作用分类
① 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：
Ａ、 按基体类型分类
B 、按增强体类型分类
② 功能复合材料 指具备各种特殊物理与化学性能的材料。

例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。

功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元，它除了上面的各种各样的复合材料分类以外，还可分为同质复合材料和异质复合材料。

同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异质复合材料（前面提及的复合材料多属此类）。

7、复合材料的性能特性
（1）优异的物化性能 1.比强度、比模量高（突出优点是比强度及比模量高。

这在节省能聚合物基复合材料
结构复合材料 热固性树脂基 热塑性树脂基 橡胶基 高温陶瓷基
玻璃基
玻璃陶瓷基 轻金属基 高熔点金属基 金属间化合物基
金属基复合材料
陶瓷基复合材料 水泥基复合材料
碳基复合材料
结
构
复
合片材增强复合材料
颗粒增强复合材料
纤维增强人工晶片 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
源、提高构件的使用性能方面，是现有其他任何材料所不能比拟的。

）
2. 耐疲劳性能好：疲劳强度，金属材料：是拉伸强度的30%~50%，碳纤维/聚酯复合材料：是拉伸强度的70%~80%
3. 减震性好：材料比模量的平方根成正比，结构形状→自振频率
4. 耐化学腐蚀：玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料在氯离子的酸性介质中能长期使用，用于制造耐强酸、盐和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、搅拌器等设备；耐碱玻璃纤维或碳纤维与树脂基体结合，还能用于强碱介质中使用。

5. 绝缘、导电和导热性：玻璃纤维增强塑料—优良的电气绝缘材料 ；金属基复合材料——良好的导电和导热性能
6.耐热性好：碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体有明显提高，而陶瓷基复合材料在耐热性方面更显示优越性
（2）各向异性及性能可设计性（3）材料与结构的统一性缺点:原料成本高；大部件的复合材料产量小；性能数据少；聚合物基复合材料的耐热性受基体的限制；
8、胶凝材料: 经物理、化学作用，能将散粒状或块状材料粘结为整体的材料。

9、生产工艺
两磨一烧——生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个过程
10、硅酸盐水泥的水化（水化产物）
无机胶凝材料
（以无机化合物为基本成分）
有机胶凝材料
（天然的或合成的有机
高分子化合物为基本成分） （沥青、树脂） 按凝结硬化
条件分类 气硬性胶凝材料
——只在空气中硬化 水硬性胶凝材料
——空气、水中皆可硬化
（石灰、石膏，水玻璃） （水泥）
11、聚合物(按其应用分)：塑料，合成纤维，合成橡胶，涂料和粘胶剂
12、聚合物的晶态结构
（1）聚合物的结晶形态：聚合物的结晶与小分子晶体不同，一般具有晶体不完善、熔点范围宽及结晶速度慢等特点。

根据结晶条件不同，又可形成多种形态的晶体：单晶、球晶、伸直链晶片、纤维状晶片和串晶等。

（2）聚合物的晶态结构模型：结构模型有两种 缨状胶束模型 折叠链模型
缨状胶束模型：认为结晶聚合物中晶区与非晶区互相穿插，同时存在。

在晶区分子链相互平行排列成规整的结构，而在非晶区分子链的堆砌完全无序。

该模型也称两相结构模型。

折叠链模型：在聚合物晶体中，高分子链是以折叠的形式堆砌起来的。

要点：聚合物中晶区与非晶区同时存在，即使是同一条高分子链可以是一部分结晶，一部分不结晶；并且同一高分子链可以穿透不同的晶区和非晶区
13、非晶态聚合物的力学三态
玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态 聚合物力学三态的分子运动特点：玻璃态：温度低，链段的运动处于冻结，只有侧基、链节、链长、键角等局部运动，形变小；高弹态：链段运动充分发展，形变大，可恢复；粘流态：链段运动剧烈，导致分子链发生相对位移，形变不可逆。

若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力，观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该聚合物试样的温度--形变曲线（或称热--机械曲线）。

温度
形变
玻璃态
I
0.01~0.1%
在区域I ，温度低，聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为，形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。

受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。

玻璃化转变温度（glass transition temperature )，以Tg 表示。

高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以T f 表示。

分子量越大，T f 越高。

14、复合材料的设计应遵循的原则
一、材料组元的选择
挑选最合适的材料组元尤为重要。

在选择材料组元时，首先应明确各组元在使用中所应承担的功能，也就是说，必须明确对材料性能的要求。

对材料组元进行复合，即要求复合后材料达到如下性能，如高强度、高刚度、高耐蚀、耐磨、耐热或其它的导电、传热等性能或者某些综合性能如既高强又耐蚀、耐热。

其次，除考虑性能要求外，还应考虑组成复合材料的各组元之间的相容性，这包括物理、化学、力学等性能的相容，使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。

在任何使用环境中，复合材料的各组元之间的伸长、弯曲、应变等都应相互或彼此协调一致。

第三，要考虑复合材料各组元之间的浸润性，使增强材料与基体之间达到比较理想的具温度
形变 I II III 玻璃态
橡胶态 0.01~
0.1%
100~1000% III 粘流态 形变
温度 I II 玻璃态 高弹态 玻璃化转变区 T g T f 交联聚合物 M a M b M b > M a 粘弹态转变区
有一定结合强度的界面。

适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料，以充分发挥其增强作用。

二、制备方法的选择
材料组元选择后，就要考虑所采用的复合工艺路线，即具体的制备方法。

制备方法的选择主要应考虑以下四个方面：
(1)所选的工艺方法对材料组元的损伤最小，尤其是纤维或晶须掺入基体之中时，一些机械的混合方法往往造成纤维或晶须的损伤；
(2)能使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)均匀分布或按预设计要求规则排列；
(3)使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各组元仍保留着固有的特性。

(4)在制备方法的选择上还应考虑性能／价格比，在能达到复合材料使用要求的情况下，尽可能选择简便易行的工艺以降低制备成本。

15、复合材料用聚合物的选用原则
1.产品的性能；
2. 对纤维应有良好的润湿性和粘附力；
3.具有良好的工艺性：
3.1 粘度 3.2 加工温度 3.3使用寿命 3.4 毒性 3.5 来源方便，价格低廉
16、复合材料的增强材料：在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。

增强材料有时也称作增强体、增强剂等 增强材料共分为三类：① 纤维及其织物 ② 颗粒或晶须 ③ 板状
17、玻璃纤维的分类
E 玻璃（无碱玻璃纤维）
以玻璃原料成分分类
（一般以碱含量区
分）
C 玻璃 (中碱玻璃纤维） 特种玻璃纤维 A 玻璃（高碱含量）
中国≤0.5%，国外1% 11.5~12.5% 如：S 纤维（高强度）
D 玻璃（高介电性能）
M 玻璃（高弹性模量） 以单丝直径分类 粗纤维：30μm
初级纤维：20μm
中级纤维：10μm ～20μm
高级纤维：3μm ～10μm （亦称纺织纤维）
18、玻璃纤维的结构
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。

19、界面理论——解释玻璃/树脂界面的理论：
偶联理论、化学处理膜理论、物理吸附理论等，各种理论均存在一些不尽完善之处。

玻璃纤维的表面处理方法：后处理法、前处理法和迁移法
后处理法：又叫普通处理法。

分两步——首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。

前处理法——将化学处理剂加入到浸润剂中，即为增强型浸润剂，这样，在拉丝的过程中处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。

用这种被覆了增强型浸润剂的纤维织成的布叫做前处理布。

这种玻璃纤维及织物制作玻璃钢时可直接使用。

迁移法——即将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的“迁移”作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用。

此法也叫潜处理法。

20、碳纤维的结构特点：材料的性能主要决定于材料的结构。

结构有两方面的含义，一是化学结构，二是物理结构。

碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺。

纤维中的缺陷主要是指结构不匀、直径变异、微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等。

纤维中的缺陷来自两个方面，一是原丝中特有的，二是在碳化过程中产生的。

制作碳纤维的主要原材料有三种：①人造丝(粘胶纤维)；②聚丙烯腈纤维；③沥青。

无论用哪一种原丝纤维来制造碳纤维，都要经过以下几个阶段：喷丝——预氧化——碳化——石墨化
21、凯芙拉（Kevlar ）定义及性能特点
凯芙拉（Kevlar ）是芳香族聚酰胺纤维（简称“芳纶”）的一种，纯正的凯芙拉线是选用高燃点的耐温材料编织而成的，外观色泽是亮浅米色,光滑,长丝织造.规格是以D 为单位来划分,拉力随着丝股的增加而增强。

性能特点
（1）力学性能
芳纶纤维的特点是拉伸强度高。

单丝强度可达3773 MPa ；254mm 长的纤维束的拉伸强度为2744 MPa ，大约为铝的5倍。

以纤维外观分类
连续纤维（包括无捻粗纱和有捻粗纱） 短切纤维 空心玻璃纤维
玻璃粉
磨细纤维
芳纶纤维的冲击性能好，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。

芳纶纤维的弹性模量高，可达12 ~ 15 GPa ，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。

芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。

芳纶纤维与碳纤维混杂将能大大提高纤维复合材料的冲击性能。

芳纶纤维的密度小，比重为1.44 ~ 1.45，只有铝的一半。

因此，它有高的比强度与比模量。

（2）热稳定性芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不熔，当温度达487 ℃时尚不熔化，但开始碳化。

另外，在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解。

和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀数具有各向异性的特点。

（3）化学性能芳纶纤维具有良好的耐介质性能，对中性化学药品如有机溶剂、油类的抵抗力一般是很强的，但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸和强碱的侵蚀；对紫外线较敏感。

22、聚合物基复合材料的分类
23、热固性基复合材料成型工艺
（1） 按预成型方法分类层贴法 沉积法 缠绕法 编织法
（2）按成型压力分类接触（压）成型 真空袋成型 气压室（压力袋） 热压罐成型 模压成型树脂传递模塑（RTM) 增强反应性注射成型（RRIM) 拉挤成型
（3）按开、闭模分类闭模成型（模压、RTM 、注射成型、RRIM ）开模成型（手糊、喷射、真空袋、压力袋、热压罐、纤维缠绕、拉挤、离心浇注）其他 (编织、吸胶成型)
24、注射成型是树脂基复合材料生产中的一种重要成型方法，它适用于热塑性和热固性复合材料，但以热塑性复合材料应用最广。

注射成型工艺原理
加工热固性树脂基复合材料时，一般是将温度较低的树脂体系(防止物料在进入模具之前发生固化)与短纤维混合均匀后注射到模具，然后再加热模具使其固化成型。

加工热塑性树脂基复合材料时，注射成型是将颗粒状树脂、短纤维送入注射腔内，加热熔化、混合均匀，并以一定的挤出压力，注射到温度较低的密闭模具中，经过冷却定型后，开模便得到复合材料制品。

在加工过程中，由于熔体混合物的流动会使纤维在树脂基体中的分布有一定的各向异性。

按增强纤维的种类分
玻璃纤维增强聚合物基复合材料 碳纤维增强聚合物基复合材料
芳纶纤维增强聚合物基复合材料
硼纤维增强及其他纤维增强聚合物基复合材料
按基体材料的性能分
通用型
耐化学介质腐蚀型
耐高温型
阻燃型 按成型固化方式分 室温常压固化成型
高温加压固化成型
按基体的结构形式来分类
热固性树脂基复合材料
热塑性树脂基复合材料。

如果制品形状比较复杂，则容易出现局部纤维分布不均匀或大量树脂富集区，影响材料的性能。

因此，注射成型工艺要求树脂与短纤维的混合均匀，混合体系有良好的流动性，而纤维含量不宜过高，体积含量一般在30％--40％左右。

注射成型法所得制品的精度高、生产周期短、效率较高、容易实现自动控制，除氟树脂外，几乎所有的热塑性树脂都可以采用这种方法成型。

注射成型工艺过程包括加料、熔化、混合、注射、固化或冷却硬化和脱模等步骤。

注塑成型特点制品加工成本低，加工数量不受限制，甚至无需后续加工，基本上是一种连续批量的生产方法
25、复合材料的增强机制
单向纤维增强复合材料的断裂强度σc 和弹性模量E c 与各组分材料性能关
系如下：
式中:
σf 、E f 分别为纤维断裂强度和弹性模量；σm 、E m 分别为基体材料的
强度和弹性模量；V f 为纤维体积分数；k 1、k 2为常数。

（1）纤维增强复合材料的增强机制
以上公式表明：
纤维、基体对复合材料平均性能的贡献正比它们各自的体积分数
在纤维与基体都是线弹件情况下，纤维与总体承担应力与载荷
的情况推导如下：
因此有：
可以看出，复合材料中各组分承载的应力比等于相应弹性模量比，为广有效地利用纤维的高强度，应使纤维有比基体高得多的弹性模量。

为达到强化目的，必须满足下列条件：1)增强纤维的强度、弹性模量应远远高于基体2)纤维和基体之间应有一定的结合强度3)纤维的排列方向要和构件的受力方向一致4)纤维和基体之间不能发生使结合强度降低的化学反应5)纤维和基体的热膨胀系数应匹配 6)纤维所占的体积分数，纤维长度L 和直径d 及长径比L/d 等必修满足一定要求。

（2）粒子增强型复合材料的增强机制
弥散强化的复合材料，其粒子直径d 一般为0.001～0.1μm ，粒子体积分数φv 为1%～15%；颗粒增强的复合材料，粒子直径d 为1～50μm ，体积分数φv 为＞20%。

1）弥散强化的复合材料的增强机制
增强机理可用位错绕过理论解释。

载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动或分子链运动。

微粒阻碍基体位错运动能力越大，增强效果愈大。

2）颗粒增强的复合材料的增强机制
用金属或高分子聚合物为粘接剂，把具有耐热性好、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物粘结在一起而形成，既具有陶瓷的高硬度及耐热性，又具有脆性小、耐冲击等优点。

颗粒增强复合主要是为了改善材料的耐磨性或综合的力学性能。

在颗粒增强复合材料中，虽然载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好。

26、纤维增强复合材料增韧机制
(1)纤维搭桥等增韧机制
复合材料中组分承载比可以表达为
纤维/基体弹性模量比值越高，纤维体积含量越高，则纤维承载越大。

因此对于给定的纤维/基体系统，应尽可能提高纤维的体积分数。

当然，在提高体积分数时，由于基体对纤维润湿、浸渍程度的下降，造成纤维／基体界面结合降低、气孔率增加，复合材料性能变坏。

纤维搭桥
(2)纤维与基体的脱粘
(3) 纤维的拔出
27、晶须增强陶瓷基复合材料的强韧化机理
与纤维增强陶瓷基复合材料大致相同，主要是靠晶须的拔出桥连与裂纹转向机制对强度和韧性的提高产生作用。

28、纤维与基体之间界面性能的改善途径
选择纤维和基体在加工和使用期间能形成稳定的热力学界面外，最常用的方法就是在与基体复合之前，往增强材料表面上沉积一层薄的涂层
C 和BN 是最常用的涂层，此外还有SiC 、ZrO2和SnO2涂层。

涂层的厚度通常在0.1~1um ，涂层的选择取决于纤维、基体、加工和服役要求
29、如何表征界面结合情况（举例）电镜、红外、XPS （具体例子自己举）
强的界面粘结往往导致脆性破坏，裂纹可以在复合材料的任一部位形成，并迅速扩展至复合材料的横截面，导致平面断裂。

若界面结合较弱，当基体中的裂纹扩展至纤维时，将导致界面脱粘，其后裂纹发生偏转、裂纹搭桥、纤维断裂以致最后纤维拔出。

30、生物降解有哪些31、提高强度的方法
脱粘增韧机制：
尽管脱粘部位的单位面积表面能很小，但是所有脱粘纤维总的表面能则很大，脱粘可以使基体的内部应力释放，从而起到增韧作用。

纤维拔出
纤维拔出增韧机制：
主要是断头克服摩擦力从基体中拔出时消耗的功，此外，纤维拔出时会使裂纹尖端的应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展，起到增韧作用。

补充：
陶瓷基复合材料
陶瓷材料的优缺点：耐高温、耐磨、耐腐蚀、硬度大、重量轻及抗氧化：脆性，对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感
陶瓷材料核心问题：增韧、致密化和如何降低烧结温度（通过复合是改善其核心问题的主要途径）
传统陶瓷复合材料：指以粘土等天然材料经成坯烧结而成的一种材料,如陶瓷、瓷器
现代陶瓷复合材料：指用高纯的人工合成原料(如氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等)以传统工艺或现代工艺方法制成的陶瓷,如高级陶瓷、纳米陶瓷。

陶瓷基复合材料的界面和强韧化机理：
一、陶瓷基复合材料的界面1、界面的粘结形式2、界面的作用3、界面性能的改善
二、陶瓷基复合材料的强韧化机理
界面的性质还直接影响了陶瓷基复合材料的强韧化机理。

以纤维增强复合材料为例，
主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。

晶须增强陶瓷基复合材料的强韧化机理与纤维增强
陶
瓷基复合材料大致相同，主要是靠晶须的拔出桥连
与
裂纹转向机制对强度和韧性的提高产生作用。

21、生物降解塑料中文英文对照
Poly(Butylene-Succinate) PBS 聚丁二酸丁二醇酯。