复合材料概论重点.docx

第一章 总论尖端科学技术对材料要求：减轻重量、提高强度、降低本钱玻璃钢GFRP玻璃纤维增加树脂基复合材料基体材料：UP(不饱和聚酯)、EP环氧树脂、PF酚醛树脂 主要缺点：模量小，温度低复合材料定义：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复合目的：通过复合产生单一材料所不具有的性能CM 组成：基体连续相；界面相；增加材料分散相纤维、颗粒状、片状命名原则：增加材料+基体材料+复合材料分类 按性能凹凸，通用、先进按增加材料形态， 连续纤维、短纤维、粒状或碎片状、编织材料作用，构造作为承力构造，主要使用其力学性能的复合材料 功能除力学性能外还供给其它物理性能的复合材料基体材料 聚合物基复合材料热固性树脂、热塑性树脂、橡胶 金属基复合材料铝基、钛基、镁基、铁基无机非金属基复合材料陶瓷、玻璃、水泥 碳基复合材料CM 优点 1 叠加效应，最正确构造设计增加体与基体性能的叠加互补的独特的多种性能材料最大特点2 性能具有可设计性 转变材料的组分、构造、工艺方法、工艺参数等调整材料的性能3 材料与构件制造的全都性 意义：削减零件数目，避开接头过多 ，降低应力集中；减轻质量， 削减制造工序和加工量，降低本钱一次成型：依据构件外形设计模具，再依据铺层设计铺设增加体，使基体材料与增加体组合、固结后获得复合 材料构件的制造过程。二次加工：构件的连接；机械切削加工及坯件的进一步塑性变形CM 缺乏：1增加体和基体可供选择的范围有限;（2） 工艺比较简洁，质量重复性不能完全保证;（3） 本钱较高PMC聚合物基优点（1） 比强度、比模量大纤维增加树脂基复合材料（2） 耐疲乏性能好 (基体强韧性降低裂纹扩展速度(纤维对裂纹阻隔作用，使裂纹尖端变纯或转变方向（3） 减振性能好缘由：1 自振频率高，不简洁消灭因共振而快速脆断的现象;2 振动阻尼性强-非均质多相体系-纤维与基体界面-反射、吸取振动能量-振动很快衰减（4） 过载安全性好纤维复合材料中，有大量独立纤维。当过载少量纤维断裂时，载荷会快速重安排，构件不会在瞬间完全失去承载力气而断裂（5） 具有多种功能性耐烧蚀、摩擦、电绝缘、耐腐性等（6） 很好的加工工艺性 多种生产成型方法：手糊、模压、缠绕、注射、拉挤、喷射、真空袋压法、离心浇铸、层压成型等FRP：纤维增加热固性树脂复合材料 构造材料FRTP：纤维增加热塑性树脂复合材料 功能材料树脂基复合材料主要缺点：耐热性、老化、变质、传热性、尺寸稳定性较差金属基 MMC定义：以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增加相人工结合成的复合材料增加材料无机非金属陶瓷、碳、石墨、硼纤维金属丝W、Mo、Al、不锈钢性能（1） 高比强度、高比模量 在纤维增加金属基复合材料中，MMC 的比强度、比模量明显优于金属材料（2） 导热、导电性能好可使局部的高温热源和集中电荷很好集中消退（3） 热膨胀系数小，尺寸稳定性好使用小的材料不会因温度差造成变形（4） 良好的高温性能 对温度变化和热冲击的敏感性低（5） 耐磨性陶瓷增加材料耐磨、硬度高、性能稳定（6） 良好的疲乏性能和断裂韧性（7） 不吸潮、不老化、气密性好陶瓷基复合材料及主要性能CMC 制备CMC 的主要目的，提高陶瓷的韧性三种复合材料性能比较使用温度 CMC >MMC > PMC耐自然老化性能 CMC > MMC > PMC导热性能 MMC > CMC > PMC耐化学腐蚀性 CMC、PMC 较好；MMC 较差本钱 CMC>MMC>PMC生产工艺CMC>MMC>PMC其次章 复合材料的基体材料2.1 金属材料金属基复合材料组成特点 按增加材料不同分为连续增加型和非连续增加型连续增加型增加材料长纤维主要作用：承载组分金属基体主要作用：粘接纤维、传递应力基体选择原则：基体和纤维是否很好相容，能否最大限度发挥增加纤维的性能、作用非连续增加型：金属基体主要作用：主要承载组分，影响复合材料性能基体选择原则：高强度基体基体及合金元素选择原则：选择有利于基体与增加材料之间具有良好的润湿性、粘着力强，有利于界面均匀， 同时又有利于形成一个适合的稳定界面的合金元素把握界面反响的措施：（1） 增加材料的外表改性如外表涂覆（2） 基体合金法改性;使界面反响时的反响速度常数尽可能小（3） 选择适宜的成型方法、条件，缩短在高温下复合时间2.2 无极凝胶材料定义：一类粉末材料。当其与水或水溶液拌合后所形成的浆体，经过一系列物理、化学作用后能够渐渐硬化并 形成具有确定强度的人造石无机胶凝复合材料主要解决问题：由于应力开裂导致的脆性破坏问题2.3 陶瓷材料陶瓷主要优点：化学稳定性、耐高温性、耐磨损、高熔点、高硬度陶瓷最大缺点：脆性大、韧性低、对裂纹、气孔和夹杂物等缺陷敏感，易碎裂制备CMC 主要目的之一：提高陶瓷韧性CMC 增加体 从几何尺寸上分类： 纤维长、短、晶须、颗粒纤维增加CMC 是改善陶瓷材料韧性重要手段2.4 聚合物材料主要基体种类：热固性树脂UP 、EP、PF 、热塑性树脂基体的作用 将纤维粘合成整体，使位置固定；在纤维间传递载荷并使载荷均衡； 打算复合材料的一些性能如高温使用、剪切、耐介质等 打算复合材料成型工艺方法及工艺参数的选择 保护纤维不受环境影响，免受各种损伤UP-不饱和二元酸、饱和二元酸与二元醇经缩聚反响得到分子量不高的线型缩聚产物参与饱和二元酸目的：共缩聚，调整聚酯不饱和度，UP 良好综合性能UP 主要优点、 良好工艺性能、 固化后良好综合性能、 价格低廉UP 主要缺点 、体积收缩率较大；、耐热性较差；、强度、模量较低，气味、毒性在 UP 中，为什么常承受苯乙烯作为交联剂使用？ 、低粘度液体，与UP 良好混溶性，很好溶解引发剂、促进剂； 、双键活性大，易与不饱和双键共聚，生成均匀共聚物 ； 、固化后物理性能较好；、价格廉价UP 单靠加热固化缺点：诱导期长，反响放热量大，难以把握；反响开头后速度快，粘度突然增大，反响不易完全UP 固化过程三个阶段: 凝胶、硬化、完全固化UP 增粘特性：碱土金属氧化物或氢氧化物和树脂反响后，粘度大幅度增加EP-分子中含有两个或两个以上环氧基团的高聚物双酚A 环氧型树脂反响方程式：CH3(n+2) H C2CHCH Cl + (n+2)NaOH+(n+1)HO C OHO2CH33CHCH3H CCHCHOC22OCH3OCH2CHCHOC 2nOHCH3 OCHHCCH22OPF突出特点：耐高温烧蚀性能、改性热塑性树脂优点：1高断裂韧性最重要优点，更高损伤容限2预浸料不需冷藏，贮存期长；3成型周期短，易于修补、可再生利用缺点：1使用温度、力学、老化性能差；（2） 熔体、溶液粘度高，纤维浸渍困难；（3） 预浸料制备、制品成型需在高温、高压下进展第三章 增加材料增加材料：粘结在基体内，能提高基体材料力学性能物质的统称分类1纤维及织物无机纤维： GF、CF、BF有机纤维:芳纶、PE、尼龙（2） 晶须（3） 粉体三大应用纤维 芳纶，GF, CF玻璃纤维 GF各种金属氧化物的硅酸盐类或硼酸盐类，熔融后以极快速度抽丝而成的纤维玻璃纤维构造及化学组成构造-短距离网络构造的非晶构造Na2O、K2O 含量对玻纤性能有什么影响：助熔氧化物，可降低玻璃熔化温度、粘度，有利气泡排出；但含量过高，使性能下降微裂纹假说理论微裂纹易产生应力集中，使强度下降；玻纤高温成型，削减玻璃溶液不均一性，使微裂纹产生气会削减； 玻纤微小断面，削减微裂纹存在几率，使强度提高物理性能 拉伸强度，玻纤力学性能最大特点：拉伸强度高 弹性模量。最大缺点，弹性模量低 耐磨、耐折性差 导热系数小，隔热性能好；耐热性能好；不燃的无机纤维 电绝缘材料，无碱玻纤玻纤织物品种无纺、平纹、斜纹、单向布等玻纤制造方法玻璃球法坩埚拉丝法和直接熔融法池窑拉丝法 浸润剂主要作用 ： 原丝中纤维不散乱、相互粘合在一起，使多根单丝集中成股； 防止纤维间磨损，增加原纱耐磨性，提高拉伸强度； 原丝相互间不粘结在一起； 保护纤维免受大气和水分侵蚀作用； 便于纺织加工纺织型浸润剂：满足纺织工序要求主要品种：石蜡、凡士林、硬脂酸矿物酯类石蜡乳剂纺织型浸润剂特点： 润滑性、集束性好，但影响与树脂粘结，浸胶 前需除去增加型浸润剂主要品种：聚醋酸乙烯酯增加型浸润剂特点：可直接使用；纺织时较简洁使玻纤起毛碳纤维 CF 、制造碳纤维主要原料：人造丝粘胶纤维、聚丙烯腈PAN纤维、沥青以PAN 为原料制备碳纤维工艺流程PAN 原丝-200300 预氧化 -10001800 碳化 -碳纤维 -20233000 石墨化 -石墨纤维制造CF 时，为什么PAN 原丝需经过预氧化处理？1Tg<100,分解前会软化熔融，不能直接在惰性气体中进展碳化；（2） 使PAN 构造转化为稳定梯形六元环构造，不易熔融；（3） 纤维吸氧，形成PAN 纤维分子间化学键纤维预氧化处理中颜色变化：白黄棕黑碳化：10001800惰性气氛中进展 特点：除去N、O、H 等非碳元素，转变原PAN 纤维构造石墨化 20233000下对碳纤维热处理 作用：进一步脱除氮、氢等，六角碳网平面环数增加，转化为类石墨构造粘胶基PAN 基沥青基碳化率/ %2030%4060%8090%主要特性耐烧蚀，隔热材高强中模量，综合 高模量，光学各料力学性能向异性贯穿生产全过程重要工艺：牵伸作用：微晶沿轴向择优取向，积存严密，密度、模量提高三种主要原材料性能比较影响CF 强度重要因素：纤维中缺陷缺陷主要表现形式：直径不均匀、杂质、外表污染、各种裂缝、空穴、气泡CF 缺陷主要来源：1 原丝带来；（2） 氧化、碳化过程中化学反响产生 非C 以气体溢出，有空洞和缺陷CF 物理性能密度 d = 1.52.2粘胶基 < 聚丙烯腈基 < 沥青基吸水率较低 0.030.05%热膨胀系数 特点：各向异性 1= 0.72 0.90×106 / 平行纤维轴向 T=3222×106 /垂直纤维轴向 导热率 特点：方向性电导性芳纶纤维 AF芳香族聚酰胺类纤维芳纶纤维构造特点：1分子主链由芳香苯环和酰胺基按确定规律排列构成 ；285%的酰胺基直接连在苯环对位上；（3） 氢键使分子定向排列；（4） 规整性，高度结晶性沿纤维方向强共价键，横向弱氢键力学性能 各向异性AF 力学性能：低密度、高强度、高模量、韧性好比强度高：芳纶 CF > GF为什么芳纶具有高模量、高强度？构造对其性能有何影响？芳环构造、分子链难旋转、不能折叠 棒状构造高模量线性分子规整、堆砌密度大高强度缺点：耐光性差；吸湿性强用途：芳纶增加环氧、聚酯和其他树脂其他纤维碳化硅纤维 三耐性能 耐高温、耐腐蚀、耐幅射硼纤维BF价格昂贵：1工艺简洁，生产率很低5m/min，本钱高；2外表特别处理金属纤维 限制应用缘由：1密度较高2增加聚合物时，粘结力差晶须性能：1强度最高直径小，原子构造排列高度有序，构造完整，含缺陷很少单晶第四章 复合材料的界面化学组成和物理性能与增加体、基体均不一样，使基体与增加体结合成为一个整体，传递应力作用的微小区域 界面五大效应：传递、阻断、不连续、散射和吸取、诱导效应影响界面效应因素：结合状态，形态，界面物理、化学性质，浸润性、相容性结合强度是否越高越好？ 粘结过弱剪切破坏粘结过强脆性CM 性能要求：中等胶接的界面结合强度PMC 界面第一阶段：增加材料与基体之间能够浸润、接触液态物质外表张力：金属键 >离子键 >极性分子 >非极性分子纤维增加体系 ： 纤维首先吸附较多降低外表能的组分其次阶段：聚合物固化阶段相互作用，使界面固定（1） 界面层构造，组合力、组成、厚度组合力：宏观界面结合力：机械铰合力 ；微观界面结合力：化学键、次价键提高CM 性能措施：向界面引入反响基团，增加化学键合比例（2） 界面层组成PMC 五个组成区域：基体、基体外表区、相互渗透区、增加剂外表区、增加剂（3） 界面层厚度：增加材料量越多，厚度越小界面作用机理（1） 界面浸润理论 液体树脂能良好浸润润湿增加材料。粘结作用好坏打算于相互之间浸润性（2） 化学键理论 增加材料与基体材料之间必需形成化学键才能使粘结界面产生良好粘结强度，形成界面（3） 变形层理论增加材料经外表处理后，处理剂在界面形成一层塑性层，能松弛界面应力，削减应力在界面作用，特别能削减因相差大而引起的内应力MMC 界面界面类型 按溶解与反响程度区分1类界面 不相互反响，也不互溶界面特点:微观平坦，分子层厚度 ，原组成物质类界面：相互溶解 但不反响集中渗透方式界面特点:增加材料四周形成环状，呈犬牙穿插溶解集中层类界面： 反响形成界面反响层界面特点: 微米、亚微米级界面反响物质界面结合形式（1） 物理结合无溶解又不相互反响 类界面主要产生来源：机械铰合、基体收缩应力（2） 溶解和浸润结合 润湿，确定程度相互溶解类界面：（3） 化学反响结合反响形成的化合物层 类界面（4） 混合结合 物理结合的界面上发生化学反响混合界面类+类影响界面稳定性因素1 物理因素溶解与析出 类界面稳定性2 化学因素 界面反响 第类界面稳定性MMC 界面化学反响（1） 连续界面反响 基体原子向纤维集中，反响在增加纤维一侧；反响在基体一侧（2） 交换式界面反响 增加材料与含有两种或两种以上元素的金属基体之间发生的化学反响Ø 反响特点：增加材料与基体中某一元素优先反响，化合物富集于界面层；Ø 末反响的其它元素在界面四周富集，可能形成金属间化合物（3） 暂稳态界面变化 增加材料外表局部氧化界面剩余应力 热剩余应力 形变剩余应力 相变剩余应力增加材料外表处理：把外表处理剂涂覆在增加材料外表外表处理剂：浸润剂、偶联剂、助剂外表处理目的：改善增加材料本身性能，与基体结合性能，提高CM 性能玻纤外表处理-外表微小裂纹，碱金属氧化物很强的吸水性降低与树脂的粘合影响复合材料性能常用外表处理剂：有机铬合物、有机硅烷偶联剂有机酸与氯化铬的铬合物重要品种：沃兰：甲基丙烯酸氯化铬协作物沃兰对GF 外表处理机理：1） 沃兰水解 ClOH2） GF 外表吸水，生成羟基3） 沃兰与吸水的GF 外表反响 氢键形成； 缩合醚化反响，共价键结合玻纤及其制品外表处理方法1） 前处理法 浸润剂中参与偶联剂特点：工艺、设备简洁，可避开纤维热处理后的纤维强度损失2） 后处理法一般处理法1 除去玻纤外表的浸润剂 2经过浸渍、水洗、烘干，把偶联剂涂在玻纤外表去除浸润剂方法 热处理法 洗涤法3） 迁移法偶联剂直接参与树脂基体胶液中。浸胶时偶联剂从胶液中迁移到纤维外表，固化中产生偶联碳纤维外表处理方法常用外表处理方法： 氧化法、沉积法、电聚合、电沉积、等离子体处理法CF 外表处理目的：（1） 转变纤维外表状态，使CF 外表沟槽加深，粗糙度增加；（2） 在纤维外表产生含氧活性基团， 改善浸润性，与高聚物基体反响性（3） 去除外表污染第五章 聚合物基复合材料玻璃钢 GFRP玻璃纤维增加热固性塑料GFRP 主要性能优点比重小d = 1.62.0，比强度高，耐腐蚀、电绝缘，保温、隔热、隔音、减振性好缺点刚性、耐热、导热、老化性差三种玻璃钢性能比较玻纤增加环氧特性综合性能，尺寸稳定性最好； 加热成型，加工不便利玻纤增加酚醛 耐热性、耐烧蚀、耐电弧性最好，价格廉价； 性脆，尺寸不稳定，收缩率大，刺激作用玻纤增加聚酯特性 加工性能、透光性好，价格廉价； 收缩率大，耐酸、碱性差聚合物基复合材料设计CM 构造设计三步骤：(1) 明确设计条件；(2) 材料设计；(3) 构造设计构造设计条件（1） 构造性能要求依据材料构造功能，满足确定物理、化学、力学等性能要求物理性能：密度、导热、导电、磁性、反射、透光性化学性能：抗腐蚀、抗氧化力学性能：强度、模量、韧性、耐硬、耐磨、抗疲乏、抗蠕变（2） 载荷状况静载荷动载荷：瞬时作用载荷 冲击载荷 交变载荷3环境条件力学条件：加速度、冲击力、振动物理条件：P、T、湿度气象条件：日光、照耀、风雨大气条件：盐雾、放射线、风砂侵蚀4构造牢靠性与经济性CM 设计（1） 原材料选择选择原则 比强度、比模量高； 材料与构造的使用环境相适应； 满足构造特别性要求； 满足工艺性要求；预浸料、固化成型、机加装配、修补工艺性 本钱低、效益高（2） 纤维选择及原则 常用GF/CF/芳纶 纤维的强度和模量都要高于基体； 纤维与基体之间要有确定粘结作用，保证所受的力通过界面传递给纤维； 纤维与基体的不能相差过大 ； 纤维与基体之间不能发生有害化学反响 ； 纤维所占体积、纤维尺寸、分布必需适宜（3） 树脂选择 在使用温度范围内正常工作； 具有确定力学性能； 基体的断裂伸长率大于或接近纤维的断裂伸长率； 满足使用的物理、力学性能； 确定工艺性复合材料层合板设计层合板：多个单层按确定方向叠合并热压成型的复合材料板材例 1 ：0/+45/-45/902S =0/+45/-45/90/0/+45/-45/90/90/-45/+45/0/90/-45/+45/0 2：铺层重复次数；S：前面铺层再对称铺叠一次例 2 ：0/±45/ 9¯ 0S =0/+45/-45/90/-45/+45/0PMC 成型加工技术热固性树脂主要成型工艺：手糊、模压、树脂传递模塑、拉挤、纤维缠绕、喷射、真空袋压法等热塑性树脂主要成型工艺：注射、挤出、热冲压原材料选择（1） 聚合物基体的选择 可在室温下凝胶、固化，固化中无低分子产生；可配制成粘度适当的胶液；无毒或低毒； 价格廉价（2） 增加材料的选择纤维及其织物（3） 脱模剂的选择 内脱模剂外脱模剂手糊成型UP 固化阶段：凝胶、定型、熟化固化条件：T > 15 湿度 < 80%固化工艺：常温固化 24 小时脱模，再放置一周模压成型模压料：1片状模塑料SMC 基体 UP固化剂、引发剂过氧化二异丙苯DCP 交联剂烯类单体：苯乙烯、MMA、乙烯基甲苯 填料作用：降低本钱或改善某些物理性能、化学性能 增稠剂 内脱模剂 13%模压工艺模压料树脂经受过程：粘流、凝胶、硬化树脂传递模塑成型工艺RTM将增加材料铺放到可以闭合的模腔内，并形成确定外形，再将树脂注射进入模具，浸渍纤维并固化的生产工艺喷射成型工艺混有引发剂、促进剂的树脂分别从喷枪两侧的两个喷口喷出，或在喷枪内混合后喷出，切断的纤维粗纱由喷枪 中心喷出，均匀混合后沉积到模具上，用辊轮压实，排解气泡，固化连续缠绕成型工艺浸过树脂液的连续纤维丝束、布带、预浸纱依据确定规律连续缠绕到芯模上，到达确定厚度后，固化，脱模湿法缠绕：将纤维集束纱或带浸胶后，在张力下直接缠绕到芯模上干法缠绕：先将纤维浸胶制成预浸纱或带，使预浸纱中的树脂处于B 阶段，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上的工艺半干法缠绕：先将纤维浸胶后到缠绕至芯模的过程中，通过烘干设备将浸胶纱中的溶剂除去，再缠绕到芯模上 的方法拉挤成型工艺特点：低劳动强度、高效率FRP 生产方法，适合恒定截面外形纤维增加热塑性塑料FRTP成型工艺热塑性树脂主要成型工艺：挤出成型、注射成型挤出成型主要生产过程：造粒、成型第六章 金属基复合材料连续纤维增加金属基复合材料常用纤维： BF、CF、SiCf、(Al2O3)f、钨丝、钼丝、铍丝、不锈钢丝非连续体增加MMC：常用短切纤维、晶须、颗粒：CF、 (Al2O3)f、(SiC)w、(Al2O3)w；(SiC)p、(Al2O3)pMMC 和其基体金属或合金相比，是否具有更高的比强度和比模量 ？ 是MMC 是否具有比PMC 更高的比强度和比模量？ 否玻纤能否作为金属基的增加材料？ 玻纤低本钱并有很高的比强度，但模量低，化学性质活泼，玻纤很少增加金属基复合材料组分的相容性物理相容性：润湿性、热膨胀匹配性化学相容性：能否形成适宜、稳定界面，是否发生有害化学反响MMC 成型工艺固态法：固态热压法、粉末冶金法、爆炸焊接法（1） 固态热压法在较长时间、高温及确定塑性变形下，依靠金属粉末之间和金属粉末与增加体之间接触部位原子间的 相互集中进展复合三个关键步骤纤维的排布；CM 的叠合和真空封装；热压（2） 粉末冶金法承受超声波或球磨等方法将金属粉末与增加体混匀，然后冷、热压预成型，得到复合坯件，再通过热压烧结致 密化获得制品（3） 爆炸焊接法利用炸药爆炸瞬间产生的强大压力，使材料发生塑性变形，在基体中和基体与增加体的接触处产生焊接而成型液态法金属基体处于熔融状态下与固态的增加体复合的制造方法适合工艺：颗粒、晶须、短纤维增加金属基挤压铸造法 施加外压使液态金属渗入增加材料的预制件缝隙中制造MMC 第七章碳/碳复合材料碳基体制造化学气相沉积 CVD沉积碳：热解碳、热解石墨液态浸渍碳法LIC树脂碳 ：树脂碳 、沥青碳