复合材料原理总复习

提高FRP（纤维增强塑料）耐水性的方法 (1) 纤维进行偶联剂表面处理 (2) 选用耐水性好的树脂 (3) 表面采用表面毡形成富树脂层 (4) 表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等
X基团与玻璃纤维表面的作用机理： 硅烷偶联剂处理玻璃纤维通常经历四个阶段： ①开始时在偶联剂Si上的三个不稳定的x基团发生水解； ②随后缩合成低聚体 ③这些低聚体与基质表面上的-OH形成氢键; ④最后在干燥或固化过程中与基质表面形成共价键并 伴随着少量的水。
界面的相容性 在复合材料界面上发生两种材料扩散混合时，相容性成为粘接 界面的一个重要因素。 通常，相容性是根据在混合时的吉布斯(Gibbs)的自由 能变化△G来确定。 △G＜0, 就相容； △G＞0, 就不相容，即不混合。
填料如何增强耐热性 填料的加入一方面引起界面层 聚合物大分子敛集密度 的改变(一般情况下是密度降低)，随着大分子敛集密度的改变， 改变了分子间作用力，因而改变分子链段的活动能力，使聚合 物的玻璃化温度随之而发生变化。 另一方面，填料的加入，在界面上由于填料-聚合物分 子间作用力的存在，使聚合物大分子链段运动受到阻碍，因而 使聚合物的玻璃化温度升高。
c
(3) 式（2）代入式（3），得：
由于组分相传递推动力梯度相等，故有：
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I i qc Vi i li 1

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1 I qc ( Vi ) i l i l
1
则α c为：
1
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偶联剂的结构及其作用机理。 答：偶联剂是这样的一类化合物，它们的分子两端通常含有 性质不同的基团，一端的基团 与增强体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， 从而使增强体和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，并有效地抵抗了水的侵蚀。
吸附特点： 一种物质的原子或分子附着在另一物质表面上的现象 物理吸附： 当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，表面分子 与吸附物之间的作用力是分子间引力（范德华力）。 特点：1.无选择性，吸附量相差较大.2.吸附可呈单分子层或多 分子层.3.物理吸附、解吸速度较快，易平衡 化学吸附 当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，还有剩余 的成键能力，在吸附剂及吸附物之间还有电子转移生成化学键的 吸附。 特点:1.有选择性；2.只能单分子吸附，且不易吸附或解吸； 3.平衡慢。
复合材料界面形成过程 1.润湿过程：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 看作为一种特殊润湿过程。 2.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）
判断浸润
sv sl cos lv
由此可知： (1)当γ sv<γ sl, cosθ <0,θ >90°,此时固体不为液体浸 润； (2)当γ lv＞(γ sv-γ sl)＞0，则1＞cosθ ＞0，即0°＜ θ ＜90°，此时固体为液体所浸润； (3)若γ sv-γ sl ＝γ lv，则cosθ ＝1，θ ＝0，此时固体 表面可以被液体完全浸润，并获得最大粘附功
rf3 Vf (rm rf ri )3
Vi (ri rf ) 3 rf3 (ri rf rm ) 3
Vm 1 V f Vi
增强体为f，界面相为i，基体相为m。 对于非球形体微粒增强体，rd＝(0.75Vf/π)1/3代替rf。 特点：各向同性材料。
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为什么玻璃纤维表面常常吸附水分子？ 玻璃纤维与块状玻璃具有相似的结构，玻璃纤维表面会产 生一种表面力，此表面力与表面张力、表面吸湿性有密切关系。 当玻璃表面处于力的不平衡状态时，就有吸附外界物质的倾向。 大气中存在的水分即是最常遇的物质因此玻璃表面常常吸附一 层水分子。同时，一切硅酸盐玻璃是金属氧化物分散于SiO2网 络结构中的混合物，非SiO2组分是以微观不均相存在，这些非 SiO2成分的存在使玻璃表面状态与性质突出的表现为吸湿性。 由此可知玻璃纤维表面常常吸附一层水分子。
简述非树脂基复合材料界面类型分类 一是材料的界面只有原物质而不含其他任何组成，包括添加 物或物理化学作用产生的新组成物 二是界面为增强体与基体形成的相互交错的溶解扩散面 三是界面上的界面反应层
界面破坏的能量流散 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。 防止水泥水化物对玻璃纤维的侵蚀 1.改变玻纤的化学组分，在玻纤中加入较多的ZrO2可提高抗 碱性。 2.对玻纤表面进行被覆处理，以隔绝水泥化物对纤维侵蚀 3.使用水化物碱度低的水泥以减缓或防止玻璃纤维的侵蚀。 优先吸附理论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。 成功：解释化学键不能解释的现象。
偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因： （1）官能团参与反应；（2）优先吸附引起的现象。
按化学组成，偶联剂主要可分为有机铬和有机硅两大类，此外 还有钛酸酯等
简述增强体表面的物理特性对界面结合性能的影响。 答：①比表面积，对界面的影响：是导致复合材料中的界面 存在并引起界面效应的根本所在。②多孔性，对界面的影响： 部分孔隙能被基体填充，部分由于很难完全浸润，界面结合 不好，成为应力传递的薄弱环节。③增强体表面的极性，极 性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而也就有较 强的界面结合强度及复合材料强度。④增强体表面的均一性， 影响界面结合效果。⑤增强体表面的结晶特性，影响复合材 料的界面作用和材料性能。
复合材料界面的研究对象： 1.增强体表面有关的问题： ①增强体表面的化学、物理结构与性能. ②增强体与表面处理物质界面层的结构与性质及对增强体表面特 性的影响. ③增强体表面特性与基体之间的相互关系及两者间的相互作用. ④增强体与表面处理物质的界面作用. ⑤增强体表面特性与复合材料特性的相互关系。 2.表面处理物质的有关问题：①最外层的化学、物理结构及内层 的化学、物理结构②表面处理物质与基体之间的相互作用③表面 处理物质对基体的影响④处理条件及处理剂层的特性⑤处理剂层 随时间的变化⑥处理剂层与复合材料性能的相互关系 3.表面处理的最优化技术。 4.粉体材料在基体中的分散：①分散状态的评价 ②分散技术及机理 ③分散状态与复合材料性能。 5.复合技术的优化及其机理.
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。 优点：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。 不足：a.不能解释施用偶联剂后使树脂基复合材料界面粘结强 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功与不足 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：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 局限： a聚合物不具备活性基团 b.不具备与树脂反应的基团
表面张力有关因素 1.表面张力与物质结构性质有关。不同物质性质、结构的分子 间相互作用力不同，分子间作用力大，相应表面张力也大。 2.物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关，与不同物质 接触，表面层分子受到的力场不同。 3.表面张力一般随温度升高而下降。
主要针对的是 0-3 型复合材料。增强体或功能体为不 连续相，而基体为连续相。 在该模型中，把材料的微观结构看作是同心球壳组成
碳纤维表面处理机理是什么？ 答：清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微 孔以增大表面积，从类似石墨层面改性成碳状结构以增加碳 纤维表面能，或者引入具有极性或反应性的官能团以形成与 树脂起作用的中间层。
金属氢氧化物的阻燃机理是什么？ 答：金属氢氧化物的阻燃作用主要由于它脱水时的吸热效应， 降低了凝聚相的温 度，因而有效地减缓了聚合物的分解速度。 其次，金属氢氧化物脱水放出的水稀释了由聚合物热解所生 成的可燃性气体并减少了烟雾的生成。一般来说，满足以下 条件的才能成为有效的阻燃剂：产生不燃性气体的温度略低 于聚合物热分解温度；在复合塑料的混炼、成型温度下不产 生不燃性气体。
玻璃钢在大气中介质水破坏机理 1.玻璃纤维经多层吸附形成了不易去除的水膜 2.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 3.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，当溶胀超过固化收缩时，界面上产生拉伸应力 4.当这种应力大于树脂对玻璃纤维的粘结力时，玻璃纤维与树 脂界面遭受破坏，水介质将促使微裂的发展，引起材料破坏
单向复合材料模型的基本假设 1.单元体：宏观均匀无缺陷，增强体与基体性能稳定，线弹性 2.增强体：均质，各向异性，线弹性，定向排列，连续。 3.基体：均质，各向同性，线弹性 4.界面：粘结完好无孔隙、滑移、脱粘等，变形协调
玻璃纤维表面处理方法及影响因素 表面处理就是在玻璃纤维表面涂一层叫“表面处理剂”的物 质，使纤维与树脂牢固地结合，以达到提高玻璃钢性能的目的 ①后处理法：使用纺织型浸润剂的玻璃纤维及制品，在使用前 原则上都采用此法处理。 处理方法分两步：首先除去浸润剂. a洗涤法:在皂水或有机 溶液中清洗，然后烘干 b热处理法：（250℃～450℃） 1h。 第二步用表面处理剂处理，处理步骤为:浸渍－水洗－烘干 ②前处理法：是适当改变浸润剂配方，使之既能满足拉丝、退 并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂基体对玻璃纤维的浸 润和粘结。将偶联剂加入到上述的浸润剂中，在拉丝过程中表 面处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。 与后处理法比较 ：1.不需再做任何处理而可以直接应用 2. 可省去复杂的处理工艺及设备，使用方便 3.避免了因热处理而 造成的纤维强度损失，是比较理想的处理方法； 缺点：既要有处理效果，又要同时满足纺织工艺，和树脂 基体要有良好的浸润以及满足制作玻璃钢各道工序的要求，是 一个比较复杂的综合技术问题