复合材料原理第4章
第4章热压罐成型工艺（PDF）
胶膜压延法
树脂含量可由胶膜 厚度，辊压力与间 距、纤维张力、加 热温度等控制
线速度大，效率高 树脂含量容易控制 挥发分含量低，污染小 制膜和浸渍过程分步进
行，减少对纤维损伤
预浸料制备
大纱束或织物难于浸透 高粘度树脂难于浸渍 设备投资高，纤维用量大
2 辅助材料 Auxiliary material
碳纤维 其热膨胀系数与所成型复合材料构件一致，质量轻，材料模量高，模具
复合材料
刚度大；适用于高精度的大型构件的成型，但材料成本高，耐温低，表 面易划伤，有吸湿问题
玻璃纤维 质量轻，材料价格低；但材料模量低，模具刚度差；一般用于简单成型 复合材料 或型面要求不高的结构
3 模具材料－模具的分类
根据模具用材料
可很好的排除挥发物
4 袋压成型——压力袋成型
密封装置
盖板
压缩空气
空气压缩机
压力袋
特点：
模具
复合材料坯料
通过向橡皮囊构成的压力袋(气压室)内注入压缩空气，实现对 复合材料坯料的加压，也叫气压室成型；
真空袋基础上发展而来，气压均匀垂直作用在毛胚的表面，压 力可达0.25-0.5MPa，对模具强度和刚度的要求较高；
真空薄膜
具有较好的强度、延展性、耐温性、耐磨性和韧性。使用时，用腻子 将成型中的构件密封在模具上，形成真空袋
密封胶带
具有常温下的粘性，高温下密封性好，固化后易清理和贮存时间长等 特点
吸胶材料
可定量吸出复合材料毛坯中的多余树脂，并有一定透气性能的材料。 有吸胶毡、玻璃布、吸胶纸等，其单位面积吸树脂量随材料而异
成型工 艺稳定 可靠
热压罐内的压力和温度均匀，可以保证成型构件的质量稳定。一般热压罐成型 工艺制造的构件孔隙率较低、树脂含量均匀，相对其他成型工艺热压罐制备构 件的力学性能稳定可靠，迄今为止，航空航天领域要求高承载的绝大多数复合 材料构件都采用热压罐成型工艺。
《复合材料结构设计》PPT课件
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键Байду номын сангаас
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公
差，以防按键手感不良。
§4.3 层合板与层合件设计
4.3.4 变厚度层合板设计
20
§4.2 设计选材与设计许用值确定
4.2.2 设计许用值的定义与确定原则
金属材料设计许用值以应力表示，称设计许用应力 ；复合材料 结构的设计许用值选择应变，称设计许用应变。
确定设计许用值的一般原则： ★ 结构的拉伸设计许用值主要取决于含孔试样的许用值，结
构的压缩设计许用值主要取决于含冲击损伤试样的许用值。 ★ 薄蒙皮或薄面板蜂窝夹层结构设计许用值的确定，还需根
§4.4 夹层结构设计
4.4.1 夹层结构的破 坏模式与设计 准则
（1）夹层结构破坏模式
37
§4.4 夹层结构设计
4.4.1 夹层结构的破坏模式与设计准则
（2）夹层结构设计准则
◆ 在设计载荷下，面板的面内应力应小于材料强度，或在设计载荷下，面 板应变小于设计许用应变；
◆ 芯子应有足够的厚度（高度）及刚度 ； ◆ 芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面板平拉强度； ◆ 面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理； ◆ 应尽量避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中载荷； ◆ 胶粘剂必须具有足够的胶接强度，同时还要考虑耐环境性能和老化性能； ◆ 碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问题； ◆ 对雷达罩等有特殊要求的夹层结构，面板、芯子和胶粘剂选择必须考虑 电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求。
复合材料原理第二版课后答案
复合材料原理第二版课后答案复合材料原理第二版课后答案第一章：绪论1.什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上的材料组成的各司其职、相互补充的一种材料。
2.复合材料的特点有哪些？复合材料具有强度高、刚度大、重量轻、抗腐蚀性强、无疲劳断裂、易成型等特点。
3.复合材料的分类有哪些？按矩阵分类有无机复合材料和有机复合材料；按增强材料分类有无定向增强和定向增强。
第二章：基础知识1.复合材料的加工方式有哪些？常用的复合材料加工方式有手工层压法、自动层压法（RTM、RTM-L、VARTM等）、注塑法、卷制法、旋转成型法等。
2.复合材料中的力学基础知识有哪些？复合材料中的力学基础知识包括应力、应变、应力应变关系、拉伸和压缩、剪切和弯曲等。
3.复合材料中的热力学基础知识有哪些？复合材料中的热力学基础知识包括热膨胀、热导率、热扩散系数等。
第三章：复合材料的基本组成1.复合材料的基本组成是什么？复合材料的基本组成是增强材料和矩阵材料。
2.复合材料的增强材料有哪些？复合材料的增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、金属纤维等。
3.复合材料的矩阵材料有哪些？复合材料的矩阵材料主要有四类，即金属基矩阵材料、有机高分子基矩阵材料、无机非金属基矩阵材料、无机金属基矩阵材料。
第四章：复合材料的制备过程1.复合材料的制备过程有哪些？复合材料的制备过程一般包括预处理、增强体制备、矩阵制备、复合成型和后处理等步骤。
2.复合材料的预处理有哪些？复合材料的预处理包括增强体表面处理、矩阵材料预处理、增强体和矩阵的匹配等。
3.如何选择复合材料的制备方法？选择复合材料的制备方法需要考虑到其应用环境和性能要求。
第五章：复合材料的性能和应用1.复合材料的性能有哪些？复合材料的性能包括机械性能、物理性能、化学性能等。
2.复合材料的应用领域有哪些？复合材料的应用领域包括航空航天、轨道交通、建筑结构、汽车制造、石油化工等领域。
3.复合材料的未来发展趋势是什么？未来复合材料的发展趋势是多材料复合、纳米复合、生物仿生等方向的综合发展。
复合材料原理
复合材料原理
复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料经过一定方式进行组合而成的材料。
复合材料的原理可以归纳为以下几个方面：
1. 综合性能优异：复合材料由于不同材料的相互补充作用，往往能够获得优于单一材料的综合性能。
例如，碳纤维复合材料具有高强度、高刚度、低密度等优点，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。
2. 尺寸稳定性好：复合材料由于各组分之间具有良好的结合连接，因此在温度、湿度等环境条件变化下，其尺寸变化相对较小。
这使得复合材料在高温、低温等极端条件下仍能保持稳定性能。
3. 耐腐蚀性强：复合材料中常使用的树脂等材料具有较好的化学稳定性，能够抵抗酸、碱等腐蚀介质的侵蚀，因此具有较好的耐腐蚀性能。
4. 可调性强：复合材料的成分、结构和制备方法可根据需要进行调控，因此具有较高的可调性。
通过改变复合材料的成分比例、纤维排列方式等，可以获得不同的性能和应用。
5. 能量吸收能力优秀：复合材料由于纤维间的增强效应和界面效应，能够吸收和分散外界作用力，从而提高其抗冲击性能。
这使得复合材料在汽车、船舶等领域的碰撞保护和防护装备中得到广泛应用。
6. 制备工艺灵活多样：复合材料的制备工艺多样，可以通过手工层压、预浸料注塑、自动纺织成型等方式进行制备。
这使得复合材料的制备过程更加灵活，并且能够满足不同材料性能和结构需求。
综上所述，复合材料具有综合性能优异、尺寸稳定性好、耐腐蚀性强、可调性强、能量吸收能力优秀以及制备工艺灵活多样等特点，因此在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到广泛应用。
复合材料原理
第二章 材料的复合原理
2.1 材料的复合效应：
二、非线性效应
（4）系统效应
多种组分复合后，复合材料出现了单一组分均不具有的新性能。
举例：
（1）彩色胶片是以红黄蓝三色感光 材料膜组成的一个系统，能显示出各种颜 色，单独存在则无此效应。
（2）交替层叠镀膜的硬度大于原来各 单一镀膜的硬度和按线性混合率估算值。
金属基复合材料（铝、镁、铜、钛及其合金，等） • 碳炭复合材料
第一章 绪论
(4)复合材料具体有哪些类型？
结构功能复合材料（增强材料：玻璃纤维、碳 纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、 金属、颗粒）
功能复合材料（光学、电学、磁学、热学、声 学、生物、仿生，等等）
第一章 绪论
1.2 复合材料未来发展新领域 1）多功能，机敏、智敏复合材料 2）纳米复合材料 3）仿生复合材料
第二章 材合材料的结构类型及其典型结构的特点 1、复合材料的结构类型
复合材料主要由基体、增强体或功能体等共同组成。 由于他们在复合体中的性质、形态和分布状态不尽相同，因此根 据不同的性质或形态，他们可形成多种不同结构类型的复合材料。
基体通常是三维连续的物质，也就是将不同组分相形 成整体材料的物质。
复合材料原理
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南京工业大学
Nanjing University of Technology
明德 厚学 沉毅 笃行
《材料复合原理》
陆春华
E-mail:chhlu2019hotmail Tel: 13951739343
复合效应本质上是组分A、B的性能，及两 者间形成的界面性能，相互作用、相互补充， 使得复合材料在其组分材料性能的基础上产生 线性和非线性的特性。
聚合物基复合材料界面和性能
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热
表 5-4 几种复合材料常温下的比热
复 合 材 料 比热(kJ/kg·K)
环氧/酚醛树脂
1.92
玻璃小球/硅橡胶
1.96
GF/硅橡胶/酚醛
1.34
尼龙/酚醛
1.46
GF/酚醛
1.67
石墨纤维/环氧
340
~ 220
~ 180
~ 130
~ 180
~ 20
~ 14
~ 60
~ 35
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-2 典型热固性树脂 35°C 下的导热系数
材料 酚醛树脂
环氧树脂
聚酯树脂
密度(g/ cm3) λ (W/ m·K)
1.36
0.27
1.25
0.29
1.22
0.20
1.18
0.29
λ: 导热系数，W/(m • K)，表征材料的导热能力。 ¾ 材料本身的特性 ¾ 温度的函数
5.1 PMC的热性能
5.1.1 热传导
表 5-1 几种材料的导热系数 （W / mּK）
材料 金刚石 银 铜 铝 铜-35% 锌 钛 低碳钢
λ （300 K） λ （900 K）
600
-
425
325
400
-4.7
5.1 PMC的热性能
5.1.2 比热 定义：单位质量的物质升温 1 ℃所需的热量称之。
CP = (1/ m) • (∂Q / ∂T )P CV = (1/ m) • (∂Q / ∂T )V
与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的 关系比较简单，符合加和性原理：
复合材料的原理
复合材料的原理
复合材料是由两种或两种以上的材料组成的，以达到优化特定性能的目的。
其原理主要包括以下几个方面：
1. 分散增强原理：通过将纤维、颗粒或片材等增强材料分散在基体材料中，使增强材料能够有效地分担载荷并提高强度和刚度。
增强材料的分散能够有效地抵抗裂纹扩展，提高材料的断裂韧性。
2. 耦合增强原理：当不同材料的力学性能和热胀系数等性质相近时，通过耦合增强的原理，可以使各种组分之间紧密结合，共同发挥作用。
这种耦合增强既提高了材料的强度和刚度，又提高了材料的耐热性和耐磨性等性能。
3. 界面改性原理：在复合材料的界面处，通过改性处理，能够提高不同材料之间的结合强度和界面性能。
界面改性既可以通过化学方法，如表面处理、涂覆等手段实现，也可以通过物理方法，如填充剂、粘接剂等手段实现。
4. 各向异性设计原理：复合材料的各向异性是指在不同方向上具有不同的力学性能。
通过设计合适的纤维布局、层序和材料配比等参数，可以实现复合材料在不同方向上的性能优化，使其在特定方向上具有较高的强度和刚度，从而提高材料的应用性能。
通过以上原理的综合应用，复合材料可以具有较高的强度、刚
度、韧性、耐热性和耐腐蚀性等优良性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、建筑等领域。
复合材料原理 pdf
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1. 引言复合材料是由两种或更多种不同材料的组合所构成的材料。
具有优异的力学性能和多种其他特性，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑和其他领域。
本文将介绍复合材料的原理和相关技术。
2. 复合材料的组成复合材料通常由两个主要部分组成：增强物和基体。
增强物可以是纤维、颗粒或薄片等形式，用于增加材料的强度和刚度。
基体则是增强物的环境，通常是一种聚合物基材料。
通过合理选择增强物和基体材料，可以获得各种不同类型的复合材料。
3. 复合材料的制备方法制备复合材料的常见方法包括层压法、注塑法和浸渍法。
层压法将增强物和基体层次堆叠，并通过热压或热固化使其粘合在一起。
注塑法将熔化的聚合物注入模具中，并在固化后形成复合材料。
浸渍法则是将增强物先浸入基体中，然后通过烘干或固化等方法使其结合。
4. 复合材料的力学性能复合材料具有与其组成材料不同的力学性能。
其强度、刚度、韧性和热膨胀系数等性能取决于增强物和基体的特性，以及二者之间的界面结构和互相作用。
通过优化复合材料的设计和制备工艺，可以调控其力学性能，以满足具体工程应用的要求。
5. 复合材料的应用复合材料在各个领域都有广泛的应用。
例如，在航空航天领域，复合材料可以用于制造飞机机身和翅膀，以降低重量并提高性能。
在汽车制造领域，复合材料可以用于制造车身结构和零部件，提高燃油效率和安全性能。
此外，复合材料还可以应用于建筑结构、体育器材和电子设备等领域。
结论复合材料是一种由两种或更多种不同材料组成的材料，具有优异的力学性能和多种其他特性。
通过合理选择组成材料，制备方法和优化设计，可以开发出满足各种工程应用需求的复合材料。
随着科技的发展，复合材料在各个领域的应用前景将更加广阔。
复合材料原理
复合材料原理
复合材料原理是通过将两种或多种不同材料进行结合，使它们的优点相互补充，从而获得一种新的材料，具有独特的性能和特点。
其主要原理包括以下几个方面：
1. 分散增强原理：利用分散的微粒或纤维增强基体材料，使其具有更好的力学性能。
分散增强的目的是通过阻止开裂和延缓裂纹延伸来提高材料的韧性和耐久性。
2. 纤维增强原理：利用纤维材料的高强度、高模量等特点来增强基体材料。
纤维增强的目的是通过增加基体材料的刚度和
强度，提高整体结构的负载能力。
3. 颗粒增强原理：将颗粒状的材料分散在基体材料中，通过颗粒与颗粒之间的相互作用来增加材料的硬度、耐磨性等性能。
颗粒增强的目的是通过增加材料的硬度和韧性，提高材料的抗压能力和耐磨性。
4. 层合结构原理：将不同性能的材料以不同的层次堆叠在一起，形成层合结构。
通过层合结构的设计和优化，可以实现材料在不同方向上的特性调控，例如提高材料的弯曲刚度和抗拉强度。
5. 界面原理：通过设计和选择合适的界面材料和结构，使增强相与基体相之间能够良好结合，并保持界面的完整性。
界面原理的目的是提高复合材料的界面粘结强度、耐久性和热稳定性。
综上所述，复合材料原理的核心是通过合理选择和组合不同的
材料，利用它们各自的优点和相互作用，实现材料性能的综合改善。
这种原理的应用使得复合材料具有了很广泛的应用前景，在航空航天、汽车、建筑等领域都有着重要的应用价值。
复合材料原理
复合材料原理复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新材料，具有优异的性能和广泛的应用领域。
复合材料的原理主要包括增强相和基体相的选择、界面相互作用以及制备工艺等方面。
首先，复合材料的性能与所选择的增强相和基体相密切相关。
增强相通常是具有较高强度和刚度的材料，如碳纤维、玻璃纤维等，而基体相则是起到粘合和支撑作用的材料，如树脂、金属等。
增强相和基体相的选择需要考虑二者的相容性、热膨胀系数等因素，以确保复合材料具有良好的整体性能。
其次，复合材料的界面相互作用对其性能也起着至关重要的作用。
界面相是增强相和基体相之间的过渡层，其质量和结构对复合材料的性能有着直接影响。
良好的界面相互作用可以提高复合材料的力学性能、耐热性能和耐腐蚀性能，而界面相的剥离、开裂则会导致复合材料的性能下降甚至失效。
最后，复合材料的制备工艺也是影响其性能的重要因素。
不同的制备工艺会对复合材料的微观结构和性能产生显著影响。
常见的制备工艺包括手工层叠、注塑成型、压缩成型等，每种工艺都有其适用的复合材料类型和特定性能要求。
总的来说，复合材料的原理涉及增强相和基体相的选择、界面相互作用以及制备工艺等方面。
通过合理选择材料、优化界面结构和控制制备工艺，可以获得具有优异性能的复合材料，满足不同领域的需求。
复合材料的应用领域非常广泛，涵盖航空航天、汽车工业、建筑领域等。
在航空航天领域，复合材料因其高强度、轻质、耐高温等优点被广泛应用于飞机结构、导弹外壳等领域；在汽车工业中，复合材料可以大幅减轻汽车自重，提高燃油经济性和安全性；在建筑领域，复合材料的耐腐蚀性能和装饰性能使其成为新型建筑材料的首选。
综上所述，复合材料的原理涉及多个方面，包括材料的选择、界面相互作用和制备工艺等。
通过深入理解复合材料的原理，可以更好地设计和制备出性能优异的复合材料，满足不同领域的需求并推动相关领域的发展。
纳米复合材料：第4章 杂化复合材料
胶体吸收光的规律
呈色
规律
20nm 50nm
70nm
红色 紫色
蓝色
溶胶的颜色与胶体质点大小的关系：
胶粒越小，溶胶的颜色偏向长波长的光 色；胶粒越大，溶胶的颜色偏向短波长的 光色。
4.1 分散体系与溶胶
银溶胶的颜色
银粒径/nm 10～20 25～35 35～45 50～60 70～80
透射光 黄 红 红紫 蓝紫 蓝
4.1 分散体系与溶胶
2）凝聚法：
通过体系中各组分间的化学变化，形成具有一定粒子大小 的分散质的溶胶体系。在制备纳米复合材料时，更多的是通
过分子间的化学变化而形成溶胶.
（实例：将有机硅烷溶解在强极性有机化合物中，可以很 快形成稳定的溶液，如果有矿物酸的作用，有机硅烷催化水 解形成稳定的有机硅溶胶，目前已知的纳米复合材料前驱溶 胶还有有机钛溶胶、有机镉溶胶。）
因硅胶粒电离而荷负电。） 2、胶粒的吸附。胶粒可吸附水性介质中的H+、OH-或其它
离子，从而使胶粒带电。 3、胶粒晶格中某原子被取代而带电。（如：蒙脱土晶格中
的Al3+可部分被Mg2+或Ca2+取代而荷负电。）
4.1 分散体系与溶胶
4.1.2.3 溶胶的稳定性
由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高，憎 溶胶是热力学不稳定体系。若无其它条件限制，溶 胶倾向于自发凝聚，形成低表面能状态。
4.1 分散体系与溶胶
（2）缔合溶胶：表面活性剂分子在溶液中形成胶束， 进而构成所谓的微乳液或液晶，也是热力学稳定 体系。（如肥皂水、有机硅乳液、家用柔软剂、 牛奶等）
4.1 分散体系与溶胶
（3）憎溶胶：分散质与分散介质之间存在明显界面
的体系，是由微小的固体颗粒 悬浮分散在液相中 构成，分散颗粒不停地进行布郎运动，属于多相
复合材料力学答案
复合材料力学答案【篇一：材料力学】教程第二版 pdf格式下载单辉祖主编本书是单辉祖主编《材料力学教程》的第2版。
是根据高等工业院校《材料力学教学基本要求》修订而成。
可作为一般高等工业院校中、少学时类材料力学课程的教材，也可作为多学时类材料力学课程基本部分的教材，还可供有关工程技术人员参考。
内容简介回到顶部↑本教村是普通高等教育“十五”国家级规划教材。
. 本教材仍保持第一版模块式的特点，由《材料力学(Ⅰ)》与《材料力学(Ⅱ)》两部分组成。
《材料力学(Ⅰ)》包括材料力学的基本部分，涉及杆件变形的基本形式与组合形式，涵盖强度、刚度与稳定性问题。
《材料力学(Ⅱ)》包括材料力学的加深与扩展部分。
本书为《材料力学(Ⅱ)》，包括非对称弯曲与特殊梁能量法(二)、能量法(二)、静不定问题分析、杆与杆系分析的计算机方法、应力分析的实验方法、疲劳与断裂以及考虑材料塑性的强度计算等八章。
各章均附有复匀题与习题，个别章还安排了利用计算机解题的作业。
..与第一版相同，本教材具有论述严谨、文字精炼、重视基础与应用、重视学生能力培养、专业面宽与教学适用性强等特点，而且，在选材与论述上，特别注意与近代力学的发展相适应。
本教材可作为高等学校工科本科多学时类材料力学课程教材，也可供高职高专、成人高校师生以及工程技术人员参考。
以本教材为主教材的相关教学资源，尚有《材料力学课堂教学多媒体课件与教学参考》、《材料力学学习指导书》、《材料力学网上作业与查询系统》与《材料力学网络课程》等。
...作译者回到顶部↑本书提供作译者介绍单辉祖，北京航空航天大学教。
1953年毕业于华东航空学院飞机结构专业，1954年在北京航空学院飞机结构专业研究生班学习。
1992—1993年，在美国特拉华大学复合材料中心．从事合作研究。
.历任教育部工科力学教材编审委员、国家教委工科力学课程指导委员会委员、中国力学学会教育工作委员会副主任委员、北京航空航天大学校务委员会委员、校学科评审组成员与校教学指导委员会委员等。
第四章 非金属材料及复合材料成型方法简介
非金属材料及复合材料成型方法简介第四章第二篇材料成形工艺基础西北工业大学电子教案成型方法⏹塑料件成型⏹陶瓷件成型⏹复合材料成型⏹成型、机械加工、修配和装配⏹挤出成型（挤塑）：利用挤出机将热塑性塑料加热、连续挤出成型为各种断面的制品。
应用：生产塑料板材、棒材、片材、异型材、电缆护层等⏹成型、机械加工、修配和装配⏹注射成型（注塑）：利用注塑机将熔化的塑料快速注入闭合模具型腔内固化成型。
应用：各种塑料制品（电器、设备、民用）⏹成型、机械加工、修配和装配⏹压延成型：使加热塑化的热塑性塑料通过两个以上的相对旋转的滚筒间隙而连续变形的成型方法。
应用：生产连续片状材料返回⏹配料、成型、烧结⏹干压成型：利用冲头对装入模具内的粉末施加压力而成型。
应用：生产形状简单、尺寸↓的制品⏹配料、成型、烧结⏹等静压成型：利用液体和橡胶等对陶瓷坯体施压（受等静压）而成型。
应用：生产性能要求高的电子元件和其他高性能塑料⏹配料、成型、烧结⏹注浆成型：将悬浮着陶瓷颗粒的液体注入多孔模具中，沥干液体后即成型为坯体。
应用：形状复杂、大型薄壁制品⏹配料、成型、烧结⏹热压成型：将具有流动性的料浆，在热压铸机中压缩空气的作用下注入金属模，冷却凝固后成型。
应用：成型复杂制品⏹配料、成型、烧结⏹注射成型：在注射成型机中将粒状粉料注射入金属模具中，冷却后将坯体脱脂后按常规烧结。
应用：复杂零件的大规模生产返回复合材料成型通用方法：颗粒、晶须、短纤维增强复合材料混合→制坯→ 成型纤维增强体增强复合材料增强体预成型→复合⏹金属基复合材料成型⏹树脂基复合材料成型⏹陶瓷基复合材料成型⏹C/C复合材料成型液态金属浸润法：金属基体呈熔融状态时与增强材料浸润结合，凝固成型。
常用方法：常压铸造、液体金属搅拌、真空压力浸渍法、挤压铸造、液态浸渗挤压等•扩散黏结法：在长时间高温和压力下，使固态金属与增强材料（预制坯）的接触面通过原子间相互扩散黏结而成。
粉末冶金法：根据要求将不同金属粉末与陶瓷颗粒、晶须或短纤维均匀混合，放入模具中高温、高压成型。
《复合材料力学》4弹性力学基础
应力用矩阵表示：τyz来自σyσxτxy
τyx
y
⎡σ x τ xy τ xz ⎤ ⎢ ⎥ ⎢τ yx σ y τ yz ⎥ ⎢τ zx τ zy σ z ⎥ ⎣ ⎦
共六个应力分量。
x
（三）形变（应变）
形变就是形状的改变。物体的形变可 以归结为长度的改变和角度的改变。 1.线应变：图1-9中 线段PA、PB、PC每单 位长度的伸缩，即单位 伸缩或相对伸缩，称为 线应变。分别用 ε x、 ε y ε z、 表示。
§1.4 弹性力学的发展和研究方法 弹性力学是一门有悠久历史的学科，早期 研究可以追溯到1678年，胡克（R.Hooke）发 现胡克定律。 这一时期的研究工作主要是通过实验 方法探索物体的受力与变形之间的关系。 1807年，Thomas Young （1773～ 1829，英国物理学家、医生、波动光学的奠基 人） 做了大量的实验，提出和测定了材料的弹 性模量。
3.应力集度： ΔA面积上的内力的平均集度为：
r ΔF r P点的应力为： p = lim ΔA→0 ΔA
z
B ΔF σ p m △A
P o A
r ΔF ΔA
τ
n
P点的应力分量为 σ τ 、 σ --正应力 τ ---切应力 因次是[力][长度]-2。
y
x
图1-4
4.应力分量 应力不仅和点的位置有关，和截面的方位 也有关，不是一般的矢量，而是二阶张量。
弹性力学的解法也在不断地发展。首 先是变分法（能量法）及其应用的迅速发 展。贝蒂（ 1872 ）建立了功的互等定理， 卡斯蒂利亚诺（1873－1879）建立了最小 余能原理，以后为了求解变分问题出现了 瑞利－里茨（1877，1908）法，伽辽金法 （1915）。此外，赫林格和瑞斯纳（1914， 1950 ）提出了两类变量的广义变分原理， 胡海昌和鹫津（1954，1955）提出了三类 变量的广义变分原理。
第4章 复合材料的界面结合特性-1
第4章 复合材料的界面结合特性
孙举涛
1
本章主要内容
4.1 复合材料的界面形成过程 4.2 树脂基复合材料的界面结构及界面理论 4.3 非树脂基复合材料的基体及界面结构 4.4 树脂基复合材料界面的破坏原理 4.5 复合材料界面优化设计 4.6 界面分析技术
2
4.1复合材料的界面形成过程
（9）酸碱作用理论 根据酸碱作用理论： 增强材料与聚合物基体的表面酸碱性不同时，易结 合，酸碱性相差越大越易结合； 增强材料与聚合物基体的表面酸碱性一致时，应对增 强材料进行表面处理，改变其表面酸碱性，使增强材料 与聚合物基体的表面酸碱性不同，达到提高增强材料与 聚合物基体之间的结合强度。 界面接触体系的粘附功的非色散成分, 主要来源于界面 的酸碱作用, 而并非是偶极（极性 作用）。
34
4.3 非树脂基复合材料的界面结构
4.3.1 金属基复合材料的界面结合理论
1、金属基复合材料界面类型
类 型 1 类 型 2 类 型 3 纤维与基体互不反应亦 不溶解 钨丝 / 铜 Al2O3 纤维 / 铜 Al2O3 纤维 / 银 硼纤维（BN表面涂层） /铝 不锈钢丝 / 铝 SiC 纤维 / 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁 界面平整、分子层厚 度；除原组成外不含 其它物质。 纤维与基体互不反 应但相互溶解 镀铬的钨丝 / 铜 碳纤维 / 镍 钨丝 / 镍 合金共晶体丝 / 同一 合金 纤维与基体反应形成界面反 应层 钨丝 / 铜 – 钛合金 碳纤维 / 铝（ 580 C） Al2O3 纤维 / 钛 硼纤维 / 钛 硼纤维 /钛-铝 SiC 纤维 / 钛 SiO2 纤维 / 钛
由于充分的润湿两相界面处产生的物理吸附主要是由范德华力的作用实42树脂基复合材料的界面结构及界面理论422树脂基复合材料的界面结合理论两组分能充分浸润则粘结强度高于树脂基体的内聚能1142树脂基复合材料的界面结构及界面理论422树脂基复合材料的界面结合理论1润湿理论湿润理论解释了增强体表面粗化表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实但是单纯以两者润湿好坏来判定增强体与树脂的粘接效果是不完全的
复合材料的复合原理
单向纤维增强复合材料的断裂强度单向纤维增强复合材料的断裂强度σσc 和弹性模量模量E E c 与各组分材料性能关系如下与各组分材料性能关系如下：：式中式中::σf 、E f 分别为纤维断裂强度和弹性模量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分别为基体材料的强度和弹性模量；；V f 为纤维体积分数积分数；；k 1、k 2为常数为常数。
1.4 1.4 复合材料的增复合材料的增强机制Ⅰ纤维增强复合材料的增强机制以上公式表明以上公式表明：：纤维纤维、、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承担应力与载荷的情况推导如下：：因此有因此有：：可以看出可以看出，，复合材料中各组分承载的应力比等于相应弹性模量比等于相应弹性模量比，，为广有效地利用纤维的高强度的高强度，，应使纤维有比基体高得多的弹性模量模量。
复合材料中组分承载比可以表达为为达到强化目的为达到强化目的，，必须满足下列条件列条件：：5)纤维和基体的热膨胀系数应匹配1)增强纤维的强度增强纤维的强度、、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6)纤维所占的体积分数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等必修满足一定要求。
（1）弥散强化的复合材料的增强机制Ⅱ．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%。
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。
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B4、 水 介 质 还 将促使微裂纹 的发展
当这种应力大于树脂对玻璃纤维的粘结力时，则玻璃 纤维与树脂的界面遭受破坏。 水引起界面破坏，水介质还将促使微裂纹的发展。 δE > δσ +δw 水助长裂纹的扩张，除了减小δσ和δw外，还有两方 面的作用，就是表面腐蚀导致表面缺陷或产生微弱腐蚀产 物，以及凝结在裂纹顶端的水能产生相当大的毛细压力， 促进纤维中原有微裂纹的扩展，引起材料的破坏。
4.2.2.3 优先吸附理论 提出背景：解释化学键不能解释的现象。 当玻璃纤维被偶联剂覆盖后，偶联剂对树脂中的某些组 分“优先吸附”，这样，改变了树脂对玻璃表面的浸润性。 认为：界面上可能发生增强体表面优先吸附树脂中的某 些组分，这些组分与树脂有良好的相容性，可以大大改善树 脂对增强体的浸润；同时，由于优先吸附作用，在界面上可 以形成所谓的“柔性层”，此“柔性层”极可能是一种欠固 化的树脂层，它是“可塑的”，可以起到松弛界面上应力集 中的作用，故可以防止界面粘脱。
（a） 简单立方体
பைடு நூலகம்
（b） 简单单斜立方体
（c） 晶格原胞 （d） 二维Bravais格子 图4.3 晶胞结构
4.3.1.2
晶系 三斜晶系 单斜晶系
周期性
单胞基矢特性 a≠b≠c α ≠β ≠γ a≠b≠c a⊥b，a⊥c Bravais格子 简单三斜 简单单斜 底心单斜 简单正交 底心正交 体心正交 面心正交 三角 简单四方 体心四方 六角 记作bcp 备注
晶体的晶面是用Miller指数来表示，如[100]、[110]、[111]。
图4.4 晶体的晶面
4.3.1.3 对称性和方向性 4.3.1.4 晶体的结合力 晶体材料是靠晶体的结合力使晶粒相互凝聚在一起而形 成整体的。这种晶体结合力有离子结合、共价结合、金属结 合和范德华结合。 4.3.1.5 晶面角守恒特性、各向异性与解理面
15、简述复合材料界面的形成过程。 16、解释润湿理论所包含的内容，并指出其成功之处与不 足之处。 17、解释化学键理论与优先吸附理论，并指出其成功之处 与不足之处。
4.3 非树脂基复合材料的基体及界面结构 4.3.1 晶态非树脂基基体的结构特性 对金属基及无机非金属基复合材料，界面往往是指增 强体与基体接触区间中化学成分有显著变化、彼此构成结 合、能传递载荷作用的区域。 4.3.1.1 晶格的周期性
4.2.2 树脂基复合材料的界面结合理论 4.2.2.1 润湿理论 指出：要使树脂对增强体紧密接触，就必须使树脂对增 强体表面很好地浸润。 前提条件：液态树脂的表面张力必须低于增强体的临界 表面张力。 结合方式：属于机械结合与润湿吸附。 优点：解释了增强体表面粗化、表面积增加有利于提高 注意：单纯以两者润湿好 与基体树脂界面结合力的事实。 坏来判定增强体与树脂的 不足：a、不能解释施用偶联剂后使树脂基复合材料界 粘结效果是不全面的。 面粘结强度提高的现象。 b、证明偶联剂在玻璃纤维/树脂界面上的偶联效 果一定有部分（或者是主要的）不是由界面的物理吸附所提 供，而是存在着更为本质的因素在起作用。
4.3.2.4 氧化结合 氧化结合是一种特殊的化学结合，因为它是增强体表面 吸附的空气所带来的氧化作用。 4.3.2.5 混合结合
这是一种实际情况中常会发生的重要界面结合形式，而 且，在某些情况下，外场的条件会导致不同的界面类型发生 转变，导致混合结合。
4.4 树脂基复合材料界面的破坏机理
假设： 1）、从整体上假定复合材料中的纤维与基体是紧密地胶 接在一起的； 2）、分析组分的各自作用时，假定纤维与基体是完全分 割的，各自有自己的应力行为。 树脂固化时将对纤维产生压应力，而对基体则有拉应力 。
成功与局限：
1、对热固性树脂/玻璃纤维复合材料界面系统的结合机 理能很好地解释
2、对于柔性聚合物就不一样了。
4.2.2.6 摩擦理论 认为：树脂与增强体之间的粘结完全基于摩擦作用，增 强体与树脂之间的摩擦系数决定了复合材料的强度。偶联 剂的重要作用在于增加了树脂基体与增强体之间的摩擦系 数。
作业：
B5、材料的整 体破坏
复合材料界面破坏机理的观点：
1、微裂纹破坏理论； 都存在片面、不 完善的地方，往 往同时发生。
2、界面破坏理论； 3、化学结构破坏理论
4.5
复合材料界面优化设计
复合材料界面优化设计的含义是对复合材料界面相进 行设计及控制，以使整体材料的综合性能达到最优状态。 界面的功能：传递应力、粘结与脱粘。 复合材料界面的优化设计是一个复杂的因素。 1、首先应该注意材料的应用要求；>>>>> 2、弹性模量的设计； >>>>> 3、界面的残余应力； >>>>> 4、基体与增强体的相容性； >>>>> 5、相间的动力学效果； >>>>> 综合考虑， 最大限度地 体现出整体 优越性
4.2.2.2
化学键理论
认为：基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官 能团能起化学反应。因此树脂基体与增强体之间形成化学 键的结合，界面的结合力是主价键力的作用。偶联剂正是 实现这种化学键结合的架桥剂。 成功之处：在偶联剂应用于玻璃纤维复合材料中得到很 好应用，也被界面研究的实验所证实。 偶联剂在界面所起的作用：用 Br2 破坏偶联剂双键，制 品强度下降。 局限性： a、聚合物不具备活性基团； b、不具备与树脂反应的基团。 总结：对于复合体系的界面现象和结构的解释，不能单 纯以一种化学偶联或单纯以一种物理化学现象来解释。 若润湿理论和化学键理论都存在时，认为化学偶联作 用应是主要的，然后提高浸润性，则效果最佳。
正交晶系
a≠b≠c，a、b、c相互垂直
a＝b＝c；α ＝β ＝γ <120°α 、 β 、γ ≠90° a＝b≠c，α ＝β ＝γ ＝90° a＝b≠c，a⊥c，b⊥c；a、b夹角 为120° a＝b＝c，α ＝β ＝γ ＝90°
三角晶系 四方晶系 六角晶系
立方晶系
简单立方 体心立方 面心立方
记作ccp bcc fcc
m Em T ( m f )
式中，
△T——因温度下降后的温差；
Em——基体的模量；
αm，αf——基体与纤维的线膨胀系数。
4.4.1 界面破坏的能量流散概念 当裂纹受到外因素作用时，裂纹的发展过程将是逐渐 通过树脂最后到达纤维表面。在裂纹扩展的过程中，将随 着裂纹的发展逐渐消耗能量，并且由于能量的流散而减缓 裂纹的发展。对于垂直的裂纹峰还将减缓对纤维的冲击。
4.2.2.4 防水层理论 提出背景：解释玻纤经偶联剂处理后，湿态强度大 大改善的现象。 认为：清洁的玻璃表面是亲水的，而经偶联剂处理 并覆盖的表面变成疏水表面，该表面可以防止水的侵蚀 ，从而改善复合材料湿态强度。 不足：理论与实际有出入。
4.2.2.5 可逆水解理论 亦称为可形变层理论、减轻界面局部应力理论。 认为：在玻璃纤维增强的复合材料中，偶联剂不是阻止 可以生成刚性较强的 Si－OH反应 水分进入界面，而是当有水存在时，偶联剂与水在玻璃表面 键与硅醇反应成原来 能力强于水 上竞争结合。 键、或键断裂后相对 1、产生排斥作用； 滑移，形成新键。 2、由于这种动态平衡，使界面上应力松弛； 3、这种键的形成－断裂－形成的动态结合状态使树脂 与增强体表面始终保持一定的粘合强度。
A、玻璃纤维经多层吸 附形成了不易除去的 水膜。
进入界面的水将使树脂发生溶胀，初期的溶胀将抵消在 室温下的固化收缩，当溶胀超过了固化收缩时，则界面上产 生拉伸应力。 B1、 进 入 界 面的水将使 树脂发生溶 胀 B2、 界 面 上 产生拉伸应 力
图4.12 界面上产生的径向拉伸应力示意图
B3、界面遭受 破坏
对非树脂基复合材料的界面类型可以分为三种类型： 一、材料的界面只有原物质而不含其他任何组合； 二、界面为增强体与基体形成的相互交错的溶解扩散界面； 三、界面上有界面反应层。 特点： a、机械接触 复合材料界面结合的形式： b、无化学作用 4.3.2.1 机械结合
若复合材料中的界面仅仅是增强体和基体间纯粹的机 械接触而无化学作用而形成的，则称此类界面为“机械结 合式”界面。
B、发生水与玻璃纤维 清洁的玻璃表面暴露在大气中立即会吸附一层水分子 和树脂的化学变化， 。表面的引力可以通过连续的水膜传递，因此，玻璃表面经 引起界面脱粘，造成 多层吸附而形成厚的水膜，并且加热到25℃时也不易除去。 复合材料的破坏。 玻璃纤维增强聚合物复合材料表面上的吸附水侵入界 面后，发生水与玻璃纤维和树脂的化学变化，引起界面脱粘 ，造成复合材料的破坏； 侵入界面的水，首先引起界面破坏，继而引起玻璃纤 维强度的破坏、树脂降解。
图4.6 裂纹峰垂直于 纤维表面的微裂纹
图4.7 裂纹的能量在 界面上流散示意图
图4.8 复合材料界面上化学键的分布示意
（a）混乱分布的键； （b）集中分布的键
图4.9 裂纹峰能量集中 引起纤维的断裂
图4.10 裂纹峰扩展破坏 集中化学键
图4.11树脂层脱粘破坏
4.4.2 介质引起界面破坏的机理
本章将介绍复合材料的结合特性。 4.1 复合材料界面形成过程 复合材料中，增强体与基体间最终界面的获得，一般分 为两个阶段： 1、基体与增强体在一种组分为液态（或粘流态）时发生接触 或润湿的过程，或是两种组分在一定条件下均呈液态（或粘 流态）的分散、接触及润湿过程；也可以是两种固态组分在 分散情况下以一定的条件发生物理及化学变化形成结合并看 1、润湿过程； 作为一种特殊润湿过程。这种润湿过程是增强体与基体形成 2、固化过程。 紧密的接触而导致界面良好结合的必要条件。 2、液态（粘流态）组分的固化过程。要形成复合材料增强体 与基体间稳定的界面结合，不论是何种材料（金属、非金属、 聚合物）均必须通过物理或化学的固化过程（凝固或化学反 应固化）。
图4.5 几种晶体的晶面角