復合材料課程學習知識點

1、復合材料課程學習知識點1、復合材料的概念與內(nèi)涵？復合材料的分類及特點？-1、什么是復合材料？復合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復合形成的新型材料。例如：分類及特點見P4-P62、玻璃纖維表面處理的作用（浸潤劑、偶聯(lián)劑）。-1.浸潤劑的作用玻璃纖維突出的弱點：較脆而且不耐磨，纖維之間的摩擦系數(shù)大。在拉絲和紡織過程中，纖維 就難免出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而且剛拉出的纖維容易受到空氣中水蒸汽的侵蝕，使其強度下降。浸潤劑的作用：使多根單絲集中成股，增加原紗的耐磨性和提高拉伸強度；保護纖維免受大氣和水 分的侵蝕作用。偶聯(lián)劑是一種高分子化合物，這種化合物一般都含有兩部分性質(zhì)不同的基團。一種官能團能很好

2、與 玻璃纖維表面結(jié)合；另一種官能團能很好與合成樹脂結(jié)合（產(chǎn)生共聚）。通過表面處理劑把兩種性能截然不 同的物質(zhì)聯(lián)合起來，形成一個統(tǒng)一的整體。因此，把表面處理劑叫“架橋劑”，也叫“偶聯(lián)劑”。這種中間連 接作用叫架橋作用或偶聯(lián)作用。3、玻璃纖維的拉絲方法。坩堝法拉絲、池窯漏板法拉絲坩堝法拉絲工藝生產(chǎn)工藝由制球和拉絲兩部分組成整個拉絲過程中加球和拉絲溫度控制是由自動控制裝置來完成的2）池窯漏板法拉絲工藝池窯拉絲是連續(xù)玻璃纖維生產(chǎn)的一種新的工藝方法。池窯拉絲是將玻璃配合料投入熔窯熔化后直接拉制成 各種支數(shù)的連續(xù)玻璃纖維。窯拉絲與坩堝拉絲相比較，具有如下優(yōu)點：省去制球工藝，簡化工藝流程，效率高；池窯拉絲一

3、窯可安裝10塊到上百塊漏板，熔量大，生產(chǎn)能力高；易實現(xiàn)自動化；適于多孔大漏板生產(chǎn)玻璃鋼適用的粗纖維；生產(chǎn)的廢紗便于回爐。4、玻纖的結(jié)構(gòu)與組成？玻纖性能與塊狀玻璃性能差異原因？結(jié)構(gòu)詳見:P26-P27微晶結(jié)構(gòu)假說玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之間由硅酸塊過冷溶液所填充。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)假說玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡，網(wǎng)絡間的空隙由Na、K、 Ca、Mg等陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎，填充的Na、等陽離 子稱為網(wǎng)絡改性物。玻璃纖維的化學組成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化二硼(82。3)、氧化鈣(CaO

4、 )、三氧化 二鋁(A12O3)等5、玻璃纖維表面處理的方法？后處理法、前處理法和遷移法。P151-P152后處理法凡是使用紡織型浸潤劑，制得的玻璃纖維及織物，在用于制作玻璃鋼之前原則上都采用此法進行表面處理。分兩步進行：首先除去玻璃纖維表面的紡織型浸潤劑，然后經(jīng)處理劑溶液浸漬、水洗、烘干等工藝，使玻璃纖維表 面被覆上一層處理劑。特點：處理的各道工序都需要專門的設備，初投資較大，玻璃纖維強度損失大.但處理效果好，比較穩(wěn)定.是目 前國內(nèi)外最常使用的處理方法。前處理法適當改變浸潤劑的配方，使之既能滿足拉絲、退并、紡織各道工序的要求，又不妨礙樹脂對玻璃纖維的浸潤和粘 結(jié)。將化學處理劑加入到浸潤劑中。

5、與后處理法比較優(yōu)點：省去了復雜的處理工藝及設備，使用簡便；避免了因熱處理造成的玻璃纖維強度損失。缺點：這種浸潤劑一方面要滿足拉絲、紡織工序的要求，同時又要滿足與樹脂浸漬、粘結(jié)等要求，是一個比較復 雜的技術問題，目前尚需進一步研究。3.遷移法遷移法是將化學處理劑直接加入到樹脂膠液中進行整體滲合，在浸膠的同時將處理劑施于玻璃纖維上，借處理劑 從樹脂膠液至纖維表面的“遷移”作用而與纖維表面發(fā)生作用，從而在樹脂固化過程中產(chǎn)生偶聯(lián)作用。6、碳纖維的結(jié)構(gòu)及其性能特點？石墨：六方晶系書P43-P44碳纖維：亂層石墨結(jié)構(gòu)最基本的結(jié)構(gòu)單元：石墨片層二級結(jié)構(gòu)單元：石墨微晶(由數(shù)張或數(shù)十張石墨片層組成)三級結(jié)構(gòu)單元

6、：石墨微晶組成的原纖維。直徑在50nm左右，彎曲，彼此交叉的許多條帶狀組成的結(jié)構(gòu)。 CF由皮層、芯層及中間過渡區(qū)組成。皮層：微晶較大，排列有序。芯層：微晶減小，排列紊亂，結(jié)構(gòu)不均勻?；瘜W性能：耐一般酸堿耐熱性：在不接觸空氣或氧化性氣氛時，碳纖維具有突出的耐熱性，在高于1500OC下強度才開始下降。熱膨脹系數(shù)：CF的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點。平行于纖維方向為負值垂直于纖維方向為正值熱導率：熱導率具有方向性平行于纖維方向：16.74 W/(mK)垂直于纖維方向：0.837 W/(mK) 溫度升高，熱導率下降。密度：在1520g/cm3之間密度與原絲結(jié)構(gòu)、碳化溫度有關。7、碳纖維表面處理意義及途

7、徑？提高碳纖維增強復合材料中CF與基體的結(jié)合強度。P152CF表面處理的途徑清除表面雜質(zhì)；在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，增加表面能；引進具有極性或反應性官能團，并能與樹脂起作用的中間層，如一COOH，NH2, OH，等8、基體在復合材料中的作用。均衡載荷，傳遞載荷（將單根的纖維粘成整體）；保護纖維，防止纖維磨損；賦予復合材料各種特性（耐熱、耐腐蝕、阻燃、抗輻射）；決定復合材料生產(chǎn)工藝、成型方法。在選用復合材料樹脂基體時，因該考慮的因素有哪些？產(chǎn)品性能工藝性能-9綜合決定 基體材料成本及來源如：從成型工藝角度：手糊成型：聚酯、環(huán)氧；層壓、模壓、纏繞工藝：環(huán)氧和酚醛；成本：酚醛 聚酯 環(huán)氧環(huán)氧樹脂

8、質(zhì)量指標有哪些?如何測定？1）外觀與色澤：外觀：低分子量的低粘度液一固一一固體；固體環(huán)氧樹脂薄片色澤：透明，從無色到黃色（2）黏度和軟化點施工操作一個重要指標，500025000mPas有些黏度高的環(huán)氧樹脂黏度指的是40C下測定值。固體環(huán)氧樹脂是非結(jié)晶的數(shù)種聚合度預聚物的混合體。軟化點：被軟化的樹脂在外力作用下呈流動態(tài)3）環(huán)氧值、環(huán)氧質(zhì)量分數(shù)和環(huán)氧當量環(huán)氧值：每100g環(huán)氧樹脂中所含有的環(huán)氧基的摩爾數(shù)。（該法有利于固化劑用量的計算）。phr。 我國經(jīng)常采用。環(huán)氧質(zhì)量分數(shù)：每100g樹脂中含有環(huán)氧基的質(zhì)量（g）。俄羅斯、東歐各國用；環(huán)氧當量：含有1mol環(huán)氧基團的樹脂的質(zhì)量，175200 g/m

9、ol;分子量增大，環(huán)氧基間的鏈段越長，環(huán)氧當量就相應增加。美國、歐洲、日本采用。環(huán)旬當量-環(huán)礎=需方警環(huán)軾K環(huán)到基分于JB環(huán)彰基ch-ch）命予童為43/mo環(huán)餐質(zhì)Q分敷=環(huán)震基?X環(huán)機伯（4）羥基當量含有一摩爾羥基的樹脂質(zhì)量。羥基是一個極性基團，也是環(huán)氧樹脂的主要反應基團，尤其是以酸酐為固化劑時。對高分子 量、超高分子量的環(huán)氧樹脂比較重要。（5）可水解氯是因為環(huán)氧樹脂制備過程中閉環(huán)反應不完全，殘留的氯醇醚引起的。11、環(huán)氧樹脂特點有哪些？形式多樣：樹脂、固化劑、改性體系固化方便，固化溫度可在0180C之間固化。黏附力強收縮性低力學性能電性能化學穩(wěn)定性環(huán)氧體系中，苯環(huán)和脂肪羥基不易受堿的侵蝕尺

10、寸穩(wěn)定性耐霉菌環(huán)氧樹脂：黏結(jié)力強，機械強度高，介電性能優(yōu)良，耐化學腐蝕性好;用于碳纖維和硼纖維增強12、簡述樹脂固化過程。）酚醛樹脂其固化分為三個階段：A階段酚醛樹脂：熱固性酚醛樹脂在最初可溶、可熔狀態(tài)時，稱人階段酚醛樹脂，樹脂 平均分子量低，極性基團多，可溶于醇類、便于浸漬；B階段酚醛樹脂：在加熱條件下逐步向不溶、不熔轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變的中間階段稱B階段，C階段酚醛樹脂：B階段酚醛樹脂再進行加熱，因進一步反應，使樹脂失去流動性，轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗?、不熔的固體狀態(tài)，成為C階段酚醛樹脂。由于縮聚反應具有逐步的性質(zhì)，所以酚醛樹脂的三個階段的劃分具有明顯界限。不飽和聚酯樹脂固化的階段性濕法工藝中，分為凝膠、定型和

11、熟化三個階段Ji凝膠，粘流態(tài)樹脂穴左沉初1半固態(tài)凝膠固化階段定羹，凝膠 硬度、形狀n凝膠時間v手糊時間熟化:表觀上變硬，一定力學性能，經(jīng)后處理，穩(wěn)定物理化 學性能環(huán)氧樹脂固化的階段性環(huán)氧樹脂的固化過程也可分為凝膠、定型和熟化三個階段。固化：環(huán)氧基與固化劑分子間開環(huán)加成反應，逐步的特性，因此其三個階段比聚酯樹脂明顯。環(huán)氧樹脂的固化條件對固化劑不同可在很大范圍內(nèi)變動，使得環(huán)氧比聚酯有更好的工藝適 應性。13、不飽和聚酯固化方式有哪些？各有何特點？在引發(fā)劑下，與其他不飽和化合物發(fā)生加成聚合反應，交聯(lián)固化；通過自身所含雙鍵交聯(lián)固化。引發(fā)固化：引發(fā)劑的熱分解：BPO、AIBN氧化-還原反應：有機過氧化物

12、和鉆鹽光化學反應：光敏劑固化體系常溫固化體系：有機過氧化物和促進劑組成的氧化還原系統(tǒng)：過氧化酮類引發(fā)劑和環(huán)烷酸鉆固化系統(tǒng)；過氧化酰類和叔胺固化系統(tǒng)；中溫固化體系玻璃鋼成型工藝：90120C，拉擠、纏繞、手糊等工藝過氧化苯甲酸叔丁酯、過氧化二碳酸酯、二烷基過氧化物等;高溫固化劑體系叔丁基過氧化異丙基碳酸酯14、為了加快不飽和聚酯固化，可采取什么方法？15、酚醛樹脂固化方式及影響因素有哪些？固性酚醛樹脂的合成和固化反應1.（加熱固化）：2.酸做固化劑熱塑性酚醛樹脂的固化：固化劑：六亞甲基四胺16、復合材料的界面效應有哪些？物理效應，引起各組分之間互相浸潤、擴散、相容性、界面自由能結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡互穿的變化

13、；化學效應：導致界面上的化學反應，形成新的界面層結(jié)構(gòu)；力學效應：引起界面上的應力分布。17、復合材料界面的形成有幾個階段？界面的形成復合材料體系對界面要求各不相同，它們的成型加工方法與工藝差別很大，各有特點， 使復合材料界面形成過程十分復雜，理論上可分為兩個階段。（接觸一吸附與浸潤一交互擴散一化學結(jié)合或物理結(jié)合）固化?；瘜W結(jié)合可看作是一種特殊的浸潤過程第一階段：增強體與基體在一組份為液態(tài)（或粘流態(tài)）時的接觸與浸潤過程。（界面形成與發(fā)展的 關鍵階段）在復合材料的制備過程中，要求組分間能牢固地結(jié)合，并有足夠的強度。要實現(xiàn)這一點，必須要使 材料在界面上形成能量最低結(jié)合，通常都存在一個液體對固體的相互

14、浸潤。第二階段：液態(tài)（或粘流態(tài)）組分的固化過程，即凝固或化學反應。固化階段受第一階段影響，同時它也直接決定著所形成的界面層的結(jié)構(gòu)。以熱固性樹脂的固化過程為例，固化劑所在位置是固化反應的中心，固化反應從中心以 輻射狀向四周擴展，最后形成中心密度大、邊緣密度小的非均勻固化結(jié)構(gòu)，密度大的部分稱做膠束或膠粒， 密度小的稱做膠絮。在依靠樹脂本身官能團反應的固化過程中也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。后處理過程：固-固界面自身完善與平衡的過程18、提高界面結(jié)合強度的途徑有哪些?1）纖維表面晶體大小及比表面積碳纖維表面晶體增大，碳纖維石墨化程度上升，模量增高，導致表面更光滑、更惰性，它與 樹脂黏附性和反應性變的更差，所以界

15、面粘合強度下降。纖維的比表面積大、粘合的物理界面大、粘合強度高。因為不同的纖維以及不同的表面處理其孔徑分布和表面反應基體及其濃度是各異的。同時，不同的 基體體系相對分子質(zhì)量大小、黏度大小，它與表面反應基團的反應能力也不一樣，所以，應具體問題具體 分析。2）浸潤性界面的粘合強度隨浸潤性增加而增加。如果完全浸潤，樹脂在界面上物理吸附所產(chǎn)生的粘合強度是很大的，但實際上由于纖維表面 上吸附有氣體及其他污物，不能完全浸潤，故吸附的氣體及污物沒有被排擠走，留在界面成為空隙，使材 料的空隙率上升，層剪強度下降；3）界面反應性界面粘合強度隨界面反應性的增加而增大。比如用硅烷偶聯(lián)劑改性玻璃纖維表面，復合材料性能

16、得到改善。因此，制備復合材料時，要盡可能多地向界面引入反應基團，增加界面化學鍵合比例，這 樣有利于提高復合材料性能。4）殘余應力對界面粘合強度的影響在復合材料未受外力時，界面上仍存在應力或應力分布，這就是“殘余應力”。殘余應力來源：增強相與基體相熱膨脹系數(shù)不匹配成型過程中，由高溫-室溫化學和物理變化引起的各組元體積收縮的不同。復合材料熱應力產(chǎn)生示意圖可示意熱應力產(chǎn)生的過程：19、簡述水對復合材料的破壞機理。書142到144介質(zhì)引起界面的破壞1）水的浸入大量的實驗事實證明水是通過擴散過程而進入界面，進入的途徑有三條：一是從樹脂的宏觀微裂縫處進入，這種宏觀微裂縫是樹脂固化過程中所產(chǎn)生的化學應力和熱

17、 應力引起的；二是樹脂內(nèi)存在的雜質(zhì)，尤其是水溶性無機物雜質(zhì)，遇到水時，因滲透壓的作用形成高壓區(qū)， 這些高壓區(qū)將產(chǎn)生微裂紋，水繼續(xù)沿微裂縫浸入；三是通過工藝過程中在復合材料內(nèi)部形成的氣泡，這些氣泡在應力作用下破壞，形成互相 串通的通道，水很容易沿通道達到很深的部位。到達纖維水分子的體積很小，極性又大，所以它很容易進入界面。清潔的玻璃纖維表面吸附水的能力 很強，并且纖維表面由于水分子間的作用力，可通過已吸附的水膜傳遞，所以玻璃纖維表面對水的吸附是 多層吸附，形成較厚的水膜（其厚度約為水分子直徑的100倍）。玻璃纖維表面對水的吸附過程異常迅速。 在相對濕度為60% 70%條件下，只需2 3s即可完成

18、吸附。纖維越細時，比表面積越大，吸附的水越多。被吸附在玻璃纖維表面的水異常牢固，加熱到110150C時，只能排除1/2被吸附的水，加 熱到150350C時，也只能排除3/4被吸附的水。玻璃纖維復合材料表面上吸附的水，浸入界面后，發(fā)生水與玻璃纖維及樹脂間的化學變化，引起界 面粘接破壞，致使復合材料破壞。2）水對玻璃纖維表面的化學腐蝕作用當水進入復合材料達到玻璃纖維表面時，使玻璃纖維表面的堿金屬溶于其中，水溶液變成堿性，加 速了表面的腐蝕破壞，最后導致玻璃纖維的二氧化硅骨架的解體，纖維強度下降，復合材料性能減退。這 種腐蝕破壞，尤其在玻璃纖維表面有結(jié)構(gòu)缺陷處更為嚴重。3）水對樹脂的降解作用水對樹脂

19、的作用通常有兩種效應：一為物理效應，即水分子可以破壞高聚物內(nèi)部的氫鍵及其他次價鍵，使高聚物發(fā)生增 塑作用，導致熱機械性能下降，這種效應是可逆的，一旦將水驅(qū)走，性能可以復原；二為化學效應，即水分子與高聚物中某種鍵（入酯鍵、醚鍵等）起化學作用，使之斷 裂，導致高聚物降解，粘結(jié)接頭失去強度。水對樹脂產(chǎn)生降解反應，是一個不可逆的反應過程，但不同的 樹脂，水對其降解的能力不同。由于樹脂的水解引起大分子鏈的斷裂（降解），致使樹脂層破壞，進而造成界面粘結(jié)破 壞。水解造成的樹脂破壞，是一小塊一小塊的不均勻破壞，由于接觸水的機會不同，所以樹脂的水解，在接近復合材料表面層的部位，破壞較多，而在復合材料中心部位，破

20、壞較少。4）水溶脹樹脂導致界面脫粘破壞水進入粘接界面后，使樹脂發(fā)生溶脹，當樹脂溶脹后，粘結(jié)界面上就產(chǎn)生一個剪應力，一旦 這種剪應力大于界面粘接力時，則界面發(fā)生脫粘破壞。5）水進入孔隙產(chǎn)生滲透壓導致界面脫粘破壞當水進入粘結(jié)接頭，水就在微空隙中聚集形成微水袋。微水袋內(nèi)的水與樹脂接觸，某些雜 質(zhì)溶于其中，使袋內(nèi)外形成濃度差，導致袋內(nèi)產(chǎn)生滲透壓。在一定溫度下，隨著時間的推延，袋內(nèi)水溶液濃度不斷增加，滲透壓大于界面黏結(jié)力，粘 結(jié)界面就發(fā)生脫粘導致破壞。6）水促使破壞裂紋的擴展水對復合材料的作用，除了對界面起破壞作用外，還會促使破壞裂紋的擴展。8 ESo + 88E應力引起彈性應變所消耗的能量So形成新表

21、面所需的能量8小塑性變形所需的能量還有兩個原因：一、是水的表面腐蝕作用使纖維表面生成新的缺陷；二、是凝集在裂紋尖端的水，能產(chǎn)生很大的毛細壓力，促使纖維中原來的微裂紋擴展，從面促使了 破壞裂紋的擴展。20、什么是偶聯(lián)劑？簡述用于玻纖的偶聯(lián)劑類型及作用機理。偶聯(lián)劑是一種高分子化合物，這種化合物一般都含有兩部分性質(zhì)不同的基團。一種官能團能很好與 玻璃纖維表面結(jié)合；另一種官能團能很好與合成樹脂結(jié)合（產(chǎn)生共聚）。通過表面處理劑把兩種性能截然不 同的物質(zhì)聯(lián)合起來，形成一個統(tǒng)一的整體。因此，把表面處理劑叫“架橋劑”，也叫“偶聯(lián)劑”。這種中間連 接作用叫架橋作用或偶聯(lián)作用。種類：-有機鉻、有機硅和鈦酸酯-有機

22、鉻處理劑中最有名的屬“沃蘭（Volan）”，它的化學名稱叫做甲基丙烯酸氯化鉻絡合物物。有機硅處理劑：結(jié)構(gòu)通式為RnSiX4-n。R是有機基團，含有能與合成樹脂作用形成化學鍵的活性基團。如；不飽和雙鍵、環(huán)氧基團、氨基-NH2、巰基-SH等。X是易于水解的基團，水解后能與玻璃作用。n為1、2或3,絕大多數(shù)為121、如何選擇復合材料成型方法？書167產(chǎn)品外形構(gòu)造和尺寸大??；材料性能和產(chǎn)品質(zhì)量要求；生產(chǎn)批量大小及供應時間要求；企業(yè)可能提供的設備條件及資金；綜合經(jīng)濟效益，保證企業(yè)盈利22、模具材料種類有哪些？書194脫模劑種類有哪些？書1961木材；石膏；水泥；石蠟；泡沫塑料（不脫模內(nèi)芯）；可溶性鹽（A

23、1PO4 （6070%） +NaCO3 （3040%） + NaBO2 （58%） ）, 80C溶于水;低熔點金屬58%Bi+42%Sn，熔點135 C；玻璃鋼金屬：鋼材、鑄鋁，不能用銅（銅鹽可妨礙樹脂固化）2.脫模劑油脂類：硅酯、黃油、凡士林、石蠟溶液類：聚乙烯醇（乙醇水溶液）薄膜類：PVC、PE、PA23、模具種類有哪些？各種模具對復合材料制品性能有何影響？書195單模陰模（制品外表面光潔）陽模（制品內(nèi)表面光潔對合模制品雙面光潔拼裝模（組合模）大型模具，由小塊模具拼裝而成24、試述手糊成型過程、特點、應用？書1721模具清理-涂脫模劑-涂膠衣-膠液配制補強層制作-增強層制作-表面層制作-織物剪裁固化-脫模-切邊加工-產(chǎn)品檢驗2特點;優(yōu)點不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大，批量小，形狀復雜產(chǎn)品的生產(chǎn);設備簡單，投資少，設備折舊費低；工藝簡單；易于滿足產(chǎn)品設計要求；制品樹脂含量較高，耐腐蝕性好缺點：生產(chǎn)效率低，勞動強度大，勞動衛(wèi)生條件差；產(chǎn)品質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性不高；產(chǎn)品力學性能較低