復合材料第二版知識點復習

1、第一章概論1.1 物質(zhì)與材料材料：具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)人類（材料）發(fā)展的四大階段：石器時代一青銅時代一鐵器時代一人工合成時代1.2 復合材料的定義與特點復合材料：由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)，用適當?shù)墓に嚪椒ńM合起來，而得到的具有復合效應的多相固體材料。特點：人為選擇復合材料的組分和比例，具有極強的可設計性。組分保留各自固有的物化特性復合材料的性能不僅取決于各組分性能，同時與復合效應有關組分間存在這明顯的界面，并可在界面處發(fā)生反應形成過渡層,是一種多相材料簡述復合材料的特點。比強度、比模量大 耐疲勞性能好，聚合物基復合材料中，纖維與某體的界面能阻止裂

2、紋的擴展，破壞是逐漸發(fā)展的，破壞前有明顯的預兆。 減震性好，復合材料中的基體界面具有吸震能力，因而振動阻尼高。 耐燒蝕性能好、因其比熱大、熔融熱和氣化熱大，高溫下能吸收大量熱能，是良好的耐燒蝕材料。 工藝性好，制造制品的工藝簡單，并且過載時安全性好。1.3 組成與命名以增強體和基體共同命名時：玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料p、w、f下標一顆粒、晶須、纖維MMC一屬基復合材料，聚合物基復合材料PMCs,陶瓷基復合材料CMCs1.4 分類一按基體：聚合物基，金屬基，無機非金屬基（陶瓷、玻璃、水泥、石墨）復合材料按纖維增強體種類：玻璃纖維、碳纖維、有機纖維、陶瓷纖維按增強體形態(tài)：連續(xù)纖維，短纖維，顆

3、粒，晶須增強近代的復合材料以1942年制出的玻璃纖維增強塑料為起點第二章增強體2.1 增強體（起到增韌、耐磨、耐熱、耐蝕等提高和改善性能的作用）纖維是具有較大長徑比的材料，具有較高的強度，良好的柔曲性，高比強度，高比模量，與基體相容性好，成本低工藝學好2.1.1 玻璃纖維：非晶型無機纖維，二氧化硅（形成骨架，高熔點）和其他元素的堿金屬氧化物（二氧化硅提高GF化學穩(wěn)定性，堿金屬降低熔點和穩(wěn)定性，改善制備工藝）性能一力學：無屈服無塑性，脆性特征,拉伸強度高，模量較低,直徑越小，長度越短，含堿量越低，拉伸強度越高，與水作用強度降低一熱性能：耐熱性較高，玻璃纖維熱處理使微裂紋增加，強度降低一電性能：電

4、絕緣性能優(yōu)，在纖維表面涂石墨或金屬成為導電纖維玻璃耐酸堿、有機溶劑性能好，玻璃纖維耐蝕性能變差E無堿玻璃纖維：絕緣，機械性能強，耐水性好C中堿玻璃纖維：耐酸性好（酸與硅酸鹽生成氧化硅保護膜）,耐水性差，A有堿玻璃纖維結(jié)構(gòu)：微晶結(jié)構(gòu)假說和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)假說，GF為無定形結(jié)構(gòu)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，各向同性。直徑在微米級別。制備：地竭法，池窯法（節(jié)能50%）2.1.2 硼纖維半導體性質(zhì)，硬度僅次于金剛石，在芯材（鴇絲）上沉積不定型的原子硼，具有高強度、高模量和高硬度，脆性材料，高溫性能好,耐磨損耐腐蝕，抗壓縮性能好制備：鹵化硼反應法（鴇絲和碳絲）一碳芯硼和鴇芯硼，結(jié)構(gòu)取決于硼的沉積條件，溫度改善：需要對硼纖維表

5、面（表面能高）進行涂層（碳化硅）阻止界面的有害反應結(jié)構(gòu)：無定形硼，12個硼原子組成的20面體，2.1.3 碳纖維是有機纖維經(jīng)過周相反應轉(zhuǎn)變而成的多晶纖維狀聚合物碳，無機非金屬材料（不屬于有機、無極纖維），直徑約8微米，密度小分類：按原絲類型分為聚丙烯月青PANS（拉伸強度高）、粘膠基（拉伸模量大）、瀝青基、木質(zhì)素纖維基及其他有機纖維基碳纖維制備：有機纖維碳化法（并非所有有機纖維都能制備碳纖維）拉絲（紡絲）一牽引一穩(wěn)定化（加熱預氧化處理）一碳化（惰性氣氛10002000C,形成碳纖維，非碳原子被移除）一石墨化（氧氣下20003000c石墨化結(jié)晶，碳纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槭w維）一表面處理（碳的活性低，提高

6、表面活性）石墨化程度隨溫度升高而提高，模量也隨之增加性能：吸水率低，吸收有毒氣體，耐磨，具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高導熱、低熱膨脹具有柔順性和可編織性（有脆性，抗沖擊性和抗氧化性差、裂縫、空穴、氣泡）2.1.4 碳化硅纖維：陶瓷纖維，直徑0.11微米性能：吸波能力強（吸波隱身）高比強度、比模量、高溫抗氧化性、耐燒蝕性、耐沖擊性好制備：化學氣相沉積法：碳化硅沉積在芯絲表面2.2 晶須：直徑小于3微米的單晶體牛長的短纖維特點：單晶直徑小缺陷少，強度高、模量大，有陶瓷晶須（氧化鋁和碳化硅晶須）和金屬（銅、鐵、鍥）晶須制備：焦化法（原料稻谷制備碳化硅晶須）、CVD（碳化硅

7、）、氣相反應法（氧化鋁晶須和石墨晶須）電弧法（碳及石墨晶須）、氣固法、氣液固法（碳化硅及碳品須）2.3 顆粒（零維）增強體（增強效果不及晶須和纖維）分類：剛性顆粒（陶瓷顆粒）有碳化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨等可提高復合材料的高溫性能、耐磨性能、硬度和耐蝕性能一制造熱結(jié)構(gòu)零件、軸承延性顆粒：金屬顆粒加入陶瓷、玻璃等脆性基體增強韌性2.6有機高分子纖維：芳香族聚酰胺纖維（芳香族聚酰胺樹脂紡成的纖維）、芳香族聚酯纖維，超高分子量聚乙烯纖維PPTA（聚對苯二甲酰對苯二胺）高模量、耐高溫、低密度韌性好，比強度極高，耐酸堿，耐水性差，耐磨性好，絕緣（溶解性差，耐光性差，抗壓強度低）第三章符合理論3.2復合效

8、應復合效應是指將組分A、B兩種材料復合起來，得到同時具有兩種組分的性能特征的綜合效果。3.2.1 線性效應1 .平均效應（混合效應）：復材的某項性能Kc=組成各組分的性能乘以該組分的體積分數(shù)之和2 .平行效應：Kc與某一組分的性能相當3 .相補效應：組分復合后，互補缺點產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能4 .相抵效應：（負的效應）5 .2.2非線性效應1 .相乘效應：把兩種具有能量（信息）轉(zhuǎn)換功能的組分復合起來、使相同的功能得到復合，而不同的功能得到新的轉(zhuǎn)換。如壓磁效應X磁阻效應-壓阻效應2 .誘導效應：在復材兩相的界面上，一項對另一項產(chǎn)生誘導作用，形成新的界面層上有特殊結(jié)構(gòu)，使復材在傳遞載荷的能力上有特殊性

9、3 .系統(tǒng)效應：將不具備某種性能的各組分復合后產(chǎn)生單個組分不具有的新性嗔4 .共振效應：A組分與另一組份復合后使其大部分性能受到抑制，某一性能能充分發(fā)揮3.3 復合材料的增強機制3.3.1 顆粒（p）增強機制顆粒在基體中彌散均勻分布，阻礙位錯運動，提高位錯密度強化基體，提高強度。顆粒切過機制（顆粒直徑較大，自身強度不高）顆粒與基體的界面結(jié)合良好，外加應力足夠大，位錯可以通過顆粒，發(fā)生位錯切過現(xiàn)象。顆粒阻礙位錯運動的能力越強，強化效果越好。顆粒未切過機制（顆粒尺寸在nm級別，自身強度高）顆粒彌散分布在基體中，無法被位錯切過，外加載荷由基體承擔。1）奧羅萬機制（高溫高外加應力）：位錯通過彌散顆粒出

10、現(xiàn)拱彎現(xiàn)象，留下位錯環(huán)，尺寸約小，強化效果越好2）位錯攀移機制（高溫低外加應力）一一局部和完整攀移（位錯攀移越過粒子后從粒子處脫離的最大外力一一脫離門檻應力）和攀移門檻應力（位錯攀移粒子時所需應力）是奧羅萬應力（位錯通過顆粒的臨界應力）和松弛參數(shù)K的函數(shù)K<0.94，體系的門檻是脫離門檻應力，K>0.94,是局部門檻應力顆粒增強的其他機制1） Hall-Petch強化是通過增強體顆粒的釘扎作用（可釘扎基體的位錯、晶界，亞晶界），細化基體晶粒的細晶強化作用（非直接的強化機制）2）殘余應力場強化機制：顆粒與基體存在的膨脹系數(shù)的差異會在顆粒四周產(chǎn)生殘余應力場，導致在基體中擴展的裂紋偏轉(zhuǎn)方

11、向時需消耗更多的能量，使復材增韌補強。3）位錯強化機制：殘余應力場使得基體中的位錯密度增加從而強化基體影響顆粒強化的因素：顆粒的自身性質(zhì)、與基體的結(jié)合界面、基體的性質(zhì)、制備工藝3.3.2 纖維增強原理纖維增強復材的基體一般是聚合物，結(jié)構(gòu)設計一般為層板理論：纖維增強復材是由單向?qū)悠凑找欢ǖ捻樞虔B放而成的。復材的性能與組分性能、組分分布、組分間的物化作用有關。單向長纖維1）縱向強度與剛度初始階段時：可認為基體、纖維、復材具有相同的應變，沿纖維方向的應力由纖維與基體共同承擔混合法則：纖維和基體對復材的應力、彈性模量的貢獻正比于各自的體積分數(shù)組分材料的載荷承載比與纖維的體積比和纖維與基體的彈性模量比

12、有關，在給定的纖維/基體系統(tǒng)中，應提高纖維的體積分數(shù)斷裂強度：當基體的斷裂應變纖維的斷裂應變（纖維先斷裂）：當Vf（纖維體積分數(shù)）小,基體能夠承擔纖維斷裂后轉(zhuǎn)移的全部載荷；Vf大，基體不能承載，復材斷裂3.4 陶瓷基復合材料的強韌機理陶瓷脆性大，加入顆粒、晶須和纖維增加強度和增韌一纖維：碳纖維（應用多，采用有機母體的熱氧化和石墨化制?。┎ＡЮw維成本低廉，表面的保護膜可增強與基體的連接增強體-硼纖維無定形結(jié)構(gòu)，強度為晶體硼的一般晶須：碳化硅、氧化鋁、氮化硅I顆粒：增韌效果不及晶須和纖維，但制備工藝簡單，有碳化硅晶須的強韌機理:晶須橋聯(lián)、晶須拔出（主要形式）與裂紋轉(zhuǎn)向紅維增韌：纖維脫黏、纖維拔出（

13、主要）、纖維橋聯(lián)晶須橋聯(lián)：基體出現(xiàn)裂紋后，繼續(xù)承載外界載荷在基體裂紋相對的兩面之間形成橋聯(lián)結(jié)構(gòu),晶須產(chǎn)生一個使基體閉合的作用力消耗外載荷使材料韌性增加裂紋偏轉(zhuǎn)：晶須對裂紋的擴展產(chǎn)生阻擋作用，使裂紋擴展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，晶須長徑比越大，增韌效果愈好。第四章復合材料的界面理論4.1 界面：組分材料間存在著結(jié)合層，該層具有一定的厚度，結(jié)構(gòu)不同于基體和增強體，另成一相或多相。（基體與增強體之間化學成分有顯著變化的、能夠彼此結(jié)合傳遞載荷的微小區(qū)域）界面分類：共格、半共格、非共格機械結(jié)合界面：靠增強體與基體間摩擦力結(jié)合，溶解與潤濕結(jié)合界面，界面發(fā)生原子擴散和溶解，反應結(jié)合界面：界面發(fā)生化學反應交換反應結(jié)合界面

14、，發(fā)生化學反應并通過擴散發(fā)生元素交換混合結(jié)合界面界面作用：傳遞載荷，阻斷裂紋擴展、位錯運動、緩解應力集中，物理性能不連續(xù)性，誘導性能4.3 增強體的表面處理在增強體的表面進行涂層，具有浸潤劑、偶聯(lián)劑和助劑的功能，利于增強體與基體間形成良好的界面結(jié)構(gòu)，改善復材的性能。4.3.1 玻璃纖維表面處理劑（偶聯(lián)劑）為有機銘絡合物類，含有機團R能與樹脂反應，應用最廣的是沃蘭（R改變），沃蘭作用原理（偶聯(lián)劑與纖維良好結(jié)合）:沃蘭水解（氯原子水解變成羥基）玻璃纖維GF吸水，生產(chǎn)羥基沃蘭與吸水的GF表面反應形成氫鍵干燥脫水，沃蘭與GF表面之間發(fā)生縮合醴化反應接著R某團與某體樹脂反應，從而纖維與某體通過偶聯(lián)劑結(jié)合

15、，界面結(jié)合強度隨銘含量增加而提高。還有有機硅烷作用原理類似，官能團X與GF表面反應，有機基團與樹脂反應。4.3.2 碳纖維CF具有沿纖維軸擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶結(jié)構(gòu)，使其與樹脂的界面結(jié)合力不大，尤其是石墨碳纖維，表面處理方法有：1）氧化法（氣相、液相、陽極電解氧化）2）表面晶須化法（將CF在高溫的晶須生長爐中表面沉積生長晶須，提高CF與基體的粘結(jié)力3）蒸汽沉積法（高溫裂解乙快或甲烷生成的碳沉積在CF上，沉積的碳活性大，增加界面結(jié)合力）4）電沉積法（電化學法使聚合物沉積在CF表面）5）等離子體法4.4 界面表征方法（表征界面的形態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)、殘余應力、結(jié)合強度）4.4.1 界面形態(tài)的表征1 .透射

16、電鏡TEM是把經(jīng)加速和聚集的電子束（波長很短）投射到非常薄的樣品（nm級別）上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與世品的密度、厚度相關、因此可以形成明暗不同的襯度，影像將在放大、聚焦后在成像器件上顯示出來。TEM勺分辨力可達0.2nm。襯度：兩像點間的明暗差異（質(zhì)厚襯度、相位襯度、衍射襯度）2 .掃描電鏡SEM（界面形貌和界面層斷裂面觀察）掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦得非常細的高能電子束在試樣上掃描、激發(fā)出各種物理信息（二次電子）。通過對這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測試試樣表面形貌的觀察。二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。4.4.2界面微觀結(jié)

17、構(gòu)的表征：指界面區(qū)域的結(jié)晶學結(jié)構(gòu)和其他聚集態(tài)結(jié)構(gòu)界面微觀結(jié)構(gòu)：拉曼光譜、ATM結(jié)晶學結(jié)構(gòu)：TEM,HRTEMATM原子力顯微鏡：當針尖與樣品充分接近相互之間存在相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面物質(zhì)的組分分布和表面結(jié)構(gòu)，一般情況下分辨率也在納米級水平4.4.3界面成分的表征：化學元素的組成（TEM?口SEM,XRD還有俄歇能譜AESX光電子能譜XPS第五章聚合物基復材5.1.1 分類增強體：晶須、顆粒、纖維（BF,GF,CF芳綸纖維增強聚合物基復材）按基體分：熱固性樹脂基（環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺），熱塑性樹脂基（聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚烯姓;）5.1.2 特點優(yōu)點：高比強度比模量（機械

18、強度超過金屬）抗疲勞性能好（纖維與基體的界面能阻止裂紋的擴展，破壞有征兆減振性能好高的自振頻率避免早期破壞，界面吸振能力耐燒蝕性卓越，比熱容大，高溫下吸收大量熱可設計性強，成型工藝簡單缺點：抗沖擊強度差，橫向強度低，韌性差第六章陶瓷基復合材料6.1 陶瓷耐高溫、硬度高、耐磨損、耐腐蝕、脆性化學鍵是介于共價鍵和離子鍵的混合鍵，元素申，負性差越大、離子鍵越強脆性原因：位錯在共價鍵中移動的派納力大。6.2 強韌化途徑：顆粒彌散增韌、纖維（晶須）補強增韌、層狀復合增韌、氧化結(jié)相變增韌顆粒彌散強化機理：第二相粒子與基體晶粒間的彈性模量和熱膨脹系數(shù)上的差異，在冷卻中粒子和基體周圍形成殘余應力場，應力場與擴展裂紋簡短交互作用，從而使裂紋偏轉(zhuǎn),對基體起增韌作用彌散相選擇:高熔點、高硬度的碳化硅、碳化硼、氮化硼等，基體是氧化鋁、氧化結(jié),有最佳尺寸、形狀、分布和數(shù)量，彌散相在基體中溶解度低，不發(fā)生化學反應，與基體結(jié)合強度良好。纖維（晶須）增韌選擇：纖維在基體中均勻分散，彈性模量和熱膨脹系數(shù)匹配，良好的化學相容性，適量的纖維體積分數(shù)6.6 碳碳復合材料石墨特點：耐高溫、導