復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)理

1、復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)理第一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述第二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述復(fù)合材料：composite materials; composites 廣義上講：由兩種或兩種以上的物質(zhì)組成的材料。 狹義上講：由兩種或兩種以上的材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。 三個(gè)要點(diǎn)：（1）材料組元兩種或以上不同組元 （2）制備工藝 （3）新型材料具有原組元所不具備的新性能第三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述第四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月增強(qiáng)相形狀示意圖復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)層壓復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料長纖維增強(qiáng)短纖維增強(qiáng)定向排布混

2、亂排布取向性排布第五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述6000年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑復(fù)合材料。水泥復(fù)合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用。燕子窩：泥土-草復(fù)合材料第六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述第七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述膠原纖維+磷酸鈣膠原纖維：非常合理地向抵御外力的方向取向磷酸鈣：海綿質(zhì)抵御外力，致密質(zhì)變成骨髓腔第八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述貴、腐蝕第九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述復(fù)合材料的缺點(diǎn)：*制備工藝復(fù)雜，材料性能受制備工藝影響大

3、，而且制備方法在材料之間常常不通用；*當(dāng)前復(fù)合材料的性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算值。第十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述物理相容性： （1）基體應(yīng)具有足夠的韌性和強(qiáng)度，能夠?qū)⑼獠枯d荷均勻地傳遞到增強(qiáng)劑上，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。 （2）由于裂紋或位錯(cuò)移動，在基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不應(yīng)在增強(qiáng)劑上形成高的局部應(yīng)力。 （3）基體與增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)的差異對復(fù)合材料的界面結(jié)合及各類性能產(chǎn)生重要的影響。 第十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述衛(wèi)星在軌道上飛行時(shí)，要經(jīng)得起太空環(huán)境劇烈的溫度交變（白天100，夜間- 100 ），以及陽面與陰面的溫度差。碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)小，可

4、滿足這種環(huán)境的要求。向陽面與背陽面溫差260OC第十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、概述化學(xué)相容性： 對原生復(fù)合材料，在制造過程是熱力學(xué)平衡的，其兩相化學(xué)勢相等，比表面能效應(yīng)也最小。 對非平衡態(tài)復(fù)合材料，化學(xué)相容性要嚴(yán)重得多。 1）相反應(yīng)的自由能 F： 小 2）化學(xué)勢U： 相近 3）表面能T： 低 4）晶界擴(kuò)散系數(shù)D： 小第十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2、復(fù)合材料增強(qiáng)體增強(qiáng)體的性能要求：1)、增強(qiáng)體應(yīng)具有能明顯提高基體某種所需特性的性能， 如高的強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、耐熱性、導(dǎo)電性2)、增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。3)、增強(qiáng)體與基體有良好的潤濕性，或通過表面處理能

5、與基 體良好潤濕性。第十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月增強(qiáng)體的分類纖維類增強(qiáng)體碳纖維顆粒類增強(qiáng)體晶須類增強(qiáng)體金 屬 絲氧化鋁纖維碳化硅纖維硼纖維碳化物氧化物氮化物硼化物碳化硅晶須氧化鋁晶須 高強(qiáng)度鋼絲 鈹絲 鎢絲 不銹鋼絲玻璃纖維有機(jī)纖維從提高強(qiáng)度的角度來看第十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月A、玻璃纖維玻璃纖維卷第十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月A、玻璃纖維玻璃纖維繩玻璃纖維帶第十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月玻璃纖維的制造方法有十幾種，最主要的是坩堝法和池窯法。1） 坩堝法 將砂、石灰石和硼砂與玻璃原料干混后，在大約 1260熔煉爐中熔

6、融后拉絲而得。3-2彈珠：均勻性、氣泡第十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2） 池窯法3-3池窯法省去了制玻璃珠和二次熔融的過程，比坩堝法節(jié)能50%左右，生產(chǎn)穩(wěn)定，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。第十九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月A、玻璃纖維第二十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月玻璃存在許多微小裂紋，裂紋的數(shù)量越多，對應(yīng)材料的強(qiáng)度就會越低。玻璃纖維，直徑達(dá)到微米級，如此小的直徑，裂紋很少、也很難出現(xiàn)，材料的缺陷少，對應(yīng)強(qiáng)度就高。第二十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素： 纖維直徑和長度對拉伸強(qiáng)度的影響直徑越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越高。長度增加，拉伸強(qiáng)

7、度顯著下降。 直徑(m)性能457911拉伸強(qiáng)度(MPa)3000 38002400 29001750 21501250170010501250玻璃纖維長度(mm)纖維直徑(m)平均拉伸強(qiáng)度(MPa)51315002012.512109012.7360156013720第二十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 化學(xué)組成對拉伸強(qiáng)度的影響含堿量越高，強(qiáng)度越低。無堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高20%。玻璃纖維纖維直徑(m)拉伸強(qiáng)度(MPa)無堿5.012000有堿4.701600無堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)鍵能大氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它主要通過破壞玻璃骨

8、架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度會相應(yīng)的降低第二十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月腓尼基人生活在今天地中海東岸 Na2CO3NaHCO32H2O 第二十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月有堿GF：堿性氧化物（ K2O，Na2O）含量大于12無堿GF：堿性氧化物含量小于2: E-GFGF中堿GF：堿性氧化物含量612低堿GF：堿性氧化物含量 26注意：堿性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纖維的熔點(diǎn)越低，越容易制備，但纖維的強(qiáng)度降低，易吸潮耐酸腐蝕價(jià)格便宜強(qiáng)度高，耐熱性能好，電氣性能好，在復(fù)合材料中應(yīng)用多性能差，一般不用于增強(qiáng)材料第二

9、十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 存放時(shí)間對強(qiáng)度的影響玻璃纖維存放一段時(shí)間后其強(qiáng)度會降低纖維的老化。原因：空氣中的水分和氧氣對纖維侵蝕 施加負(fù)荷時(shí)間對強(qiáng)度的影響玻璃纖維強(qiáng)度隨著施加負(fù)荷時(shí)間的增長而降低環(huán)境濕度較高時(shí)，尤其明顯原因：吸附在微裂紋中的水分，在外力作用下，使微裂紋擴(kuò)展速度加速。Na2CO3NaHCO32H2O 第二十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月B、碳纖維碳元素的各種同素異形體(金剛石、石墨、非晶態(tài)的各種過渡態(tài)碳)。在隔絕空氣的惰性氣氛中(常壓下)，元素碳在高溫下不會熔融，但在3800K以上的高溫時(shí)不經(jīng)液相

10、，直接升華，所以不能熔紡。碳在各種溶劑中不溶解，所以不能溶液紡絲。 第二十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月B、碳纖維碳纖維（CF：Carbon Fiber），是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳量95%左右的稱為碳纖維；含碳量99%左右的稱為石墨纖維。第二十九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月B、碳纖維碳纖維是在上世紀(jì)50年代末期發(fā)展起來。美蘇軍事競賽最激烈的時(shí)期，特點(diǎn)是“太空競賽”、“超常規(guī)武器”。碳纖維的出現(xiàn)解決了很多尖端武器的技術(shù)難點(diǎn)：載人飛船的推力結(jié)構(gòu)，用CF復(fù)材后使重心前移，解決了飛船的穩(wěn)定性導(dǎo)彈穩(wěn)定裙用CF復(fù)材后使重心前移，解決了彈體的穩(wěn)定性，提

11、高了命中精度導(dǎo)彈的鼻錐采用C/C復(fù)合材料，燒蝕率低且均勻，提高了命中率。宇宙飛行器天線的最佳材料，耐溫度驟變制造隱身武器的最佳材料第三十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月B、碳纖維第三十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月B、碳纖維第三十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月B、碳纖維碳纖維微觀結(jié)構(gòu)：亂層石墨結(jié)構(gòu)碳的亂層石墨結(jié)構(gòu)與石墨晶體有相似之處：兩者的層平面部是由六元芳環(huán)組成。亂層石墨結(jié)構(gòu)有雜原子和缺陷存在。亂層石墨結(jié)構(gòu)的層與層之間碳原于沒有規(guī)則的固定位置，缺乏三維有序。層間距（3.36-3.44）較石墨晶體大第三十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月石墨投影

12、第三十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月碳纖維微觀結(jié)構(gòu)碳單質(zhì)一級結(jié)構(gòu)石墨片層微晶組成原纖維（直徑50nm，長度數(shù)百納米）二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)石墨微晶（幾個(gè)或幾十個(gè)石墨片層）B、碳纖維第三十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月密度低力學(xué)性能高斷裂伸長率低導(dǎo)電性好（半導(dǎo)體，石墨纖維是導(dǎo)體）耐腐蝕性好耐輻射性好耐疲勞性好熱性能好耐高溫性惰性氣氛好氧化性氣氛400導(dǎo)熱性好，各向異性熱膨脹系數(shù)小，各向異性第三十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月B、碳纖維有機(jī)纖維法制備工藝流程圖原料紡絲氧化石墨化表面處理上膠卷繞及包裝碳(石墨)纖維碳化第三十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年

13、6月環(huán)化反應(yīng)第三十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月脫氫反應(yīng)未環(huán)化的聚合物鏈或環(huán)化后的雜環(huán)可由于氧的作用而發(fā)生脫氫反應(yīng)，形成以下結(jié)構(gòu)： 第三十九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月吸氧反應(yīng)氧可以直接結(jié)合到預(yù)氧化絲的結(jié)構(gòu)中，主要生成OH，COOH，CO等，也可生成環(huán)氧基。 第四十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月碳化在4001900的惰性氣氛中進(jìn)行，是CF形成的主要階段。一般采用高純氮?dú)釴2碳化過程中的反應(yīng)： 低溫區(qū)600，高溫區(qū) 600。在低溫區(qū)，分子間產(chǎn)生脫氫、脫水而交聯(lián)，生成碳網(wǎng)結(jié)構(gòu)，末端鏈分解放出NH3。預(yù)氧化過程中未環(huán)化的-CN也可產(chǎn)生分子間交聯(lián)，生成HCN氣體

14、。在高溫區(qū)，環(huán)開裂，分子間交聯(lián)，生成HCN、N2，碳網(wǎng)平面擴(kuò)大。隨著溫度升高，纖維中的氮含量逐漸減少。第四十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月石墨化（增大結(jié)晶程度）引起纖維石墨化晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進(jìn)一步減小，以提高碳纖維的彈性模量。 石墨化過程中： 結(jié)晶碳含量不斷提高，可達(dá)99以上 纖維結(jié)構(gòu)不斷完善CF的亂層石墨結(jié)構(gòu)GrF的類似石墨的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)第四十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C、碳纖維第四十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C、晶須10m 晶須是微細(xì)的高純度的單晶體，是目前的復(fù)合材料中應(yīng)用的

15、強(qiáng)度最高的一種增強(qiáng)材料，最接近材料的理論強(qiáng)度。晶須的直徑很小，只有亞微米和微米數(shù)量級，長度10102 m。第四十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C、晶須反應(yīng)體系中存在的催化劑液滴是氣體原料和固體產(chǎn)物的媒介。氣相原料分子在低于二維成核臨界過飽和點(diǎn)（P/Pe)crit的條件下通過氣-液界面輸入到小液滴中，使小液滴成為含有晶須氣體原料的熔體，當(dāng)熔體達(dá)到一定的過飽和度時(shí)析出晶體并沉積在液滴與基體的界面上。隨著氣源的連續(xù)供給，晶須連續(xù)長出，而將小液滴抬起，直到生長停止，最后小液滴殘留在晶須頂端?；w液相氣相氣相 VLS生長機(jī)理晶須第四十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月12345在

16、界面處生長成固態(tài)晶須蒸氣界面液相晶須 VLS生長機(jī)理氣相分子向液滴擴(kuò)散氣相分子在催化劑液滴上發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng)生成晶須新相反應(yīng)副產(chǎn)物由液滴擴(kuò)散進(jìn)入氣相氣相分子或新相通過液滴輸送到界面第四十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C、晶須 液相中生長有蒸發(fā)-冷凝， 毒化-誘導(dǎo)，電解，晶化， 化學(xué)解理， 從凝膠中生長和熔融等生長方式。-+-+電解液中晶須的生長第四十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C、晶須 氣相中生長有蒸發(fā)凝結(jié)，氣相輸送+化學(xué)反應(yīng)生長方式。硅源Si+SiO2SiO +N2+H2Si3N4+H2O晶須CO碳源晶須生長區(qū)氮化硅晶須氣相反應(yīng)生長原理第四十九張，PPT共七十六

17、頁，創(chuàng)作于2022年6月C、晶須晶須直徑小，原子高度有序，強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值，因而具有優(yōu)良的耐高溫、耐高熱、耐腐蝕性能，有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性、輕量、高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度等特性。第五十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C、晶須強(qiáng)度/(GN/m2)晶須基體鋁碳化硼石墨鋼碳化硅 晶須與基體材料強(qiáng)度比較第五十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月C、晶須 對晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌效果的影響因素 界面性質(zhì) 1. 界面結(jié)合力 2. 物理匹配 3. 化學(xué)相容 晶須性能 1. 長徑比 2. 晶須含量 3. 晶須強(qiáng)度 4. 晶須排布第五十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月D、顆

18、粒第五十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月D、顆粒第五十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3、復(fù)合材料的界面界面形成理論A、潤濕理論浸潤性僅僅表示了液體與固體發(fā)生接觸時(shí)的情況，而并不能表示界面的粘結(jié)性能。一種體系的兩個(gè)組元可能有極好的浸潤性，但它們之間的結(jié)合可能很弱，如范德華物理鍵合。因此潤濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。第五十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月界面形成理論當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸后，由于表面粗糙不平將發(fā)生機(jī)械互鎖。 盡管表面積隨著粗糙度增大而增大，但其中有相當(dāng)多的孔穴，粘稠的液體是無法流入的。無法流入液體的孔不僅造成界面脫粘的缺陷，而且也形成

19、了應(yīng)力集中點(diǎn)。B、機(jī)械作用理論：3、復(fù)合材料的界面第五十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月界面形成理論 當(dāng)復(fù)合材料不同組分表面帶有異性電荷時(shí)，將發(fā)生靜電吸引。 僅在原子尺度量級內(nèi)靜電作用力才有效 。表面靜電吸引結(jié)合示意圖 C、靜電理論3、復(fù)合材料的界面第五十七張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月界面形成理論 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生化學(xué)作用，在界面上形成共價(jià)鍵結(jié)合。 在理論上可獲得最強(qiáng)的界面粘結(jié)能（210-220J/mol）。 表面結(jié)合化學(xué)鍵示意圖 D、化學(xué)鍵理論3、復(fù)合材料的界面第五十八張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月界面形成理論 在復(fù)合材料組分之間發(fā)生原子或分子間的

20、擴(kuò)散或反應(yīng)，從而形成反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合。界面反應(yīng)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合示意圖 E、界面反應(yīng)或界面擴(kuò)散理論3、復(fù)合材料的界面第五十九張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月界面結(jié)合較差的復(fù)合材料大多呈剪切破壞，且在材料的斷面可觀察到脫粘、纖維拔出、纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。界面結(jié)合過強(qiáng)的復(fù)合材料則呈脆性斷裂，也降低了復(fù)合材料的整體性能。界面最佳態(tài)的衡量是當(dāng)受力發(fā)生開裂時(shí)，裂紋能轉(zhuǎn)化為區(qū)域化而不進(jìn)一步界面脫粘；即這時(shí)的復(fù)合材料具有最大斷裂能和一定的韌性。3、復(fù)合材料的界面如何最大程度吸收外力做的功是關(guān)鍵！第六十張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)合較差：未加相容劑的玻纖增強(qiáng)體系。中有大量的玻纖從基體中

21、拔出，證明與基體的粘接性較差，因而體系的力學(xué)性能不高。第六十一張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十二張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月怎樣通過控制界面特征對材料性能產(chǎn)生作用？A、改變增強(qiáng)材料表面性質(zhì)。B、向基體內(nèi)添加特定的元素。C、在增強(qiáng)材料的表面施加涂層。表面改性前表面改性后3、復(fù)合材料的界面第六十三張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)合力較好加入相容劑的玻纖增強(qiáng)體系，中玻璃纖維與基體的結(jié)合較好，纖維拔出較少.第六十四張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3、復(fù)合材料的界面 界面是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)： （1）傳遞效應(yīng)：界面可將復(fù)合

22、材料體系中基體承受的外力傳遞給增強(qiáng)相，起到基體和增強(qiáng)相之間的橋梁作用。 （2）阻斷效應(yīng)：基體和增強(qiáng)相之間結(jié)合力適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、減緩應(yīng)力集中的作用。 （3）不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如抗電性、電感應(yīng)性、磁性、耐熱性和磁場尺寸穩(wěn)定性等。第六十五張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 （4）散射和吸收效應(yīng)：光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、隔音性、耐機(jī)械沖擊性等。（5）誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（通常是增強(qiáng)劑）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（通常是聚合物基體）與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)彈性、低膨脹性、耐熱性和沖擊性等。 界面效應(yīng)是任何一種單一材料所沒有的特性，它對復(fù)合材料具有重要的作用。 第六十六張，PPT共七十六頁，創(chuàng)作于2022年6月4、增強(qiáng)原理纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理：1、增強(qiáng)纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低。2、纖維的表面受到基體的保護(hù)，不易在承載中 產(chǎn)生裂紋，增大承載力。3、基體能阻