材料化學(xué) 課件 10-1.復(fù)合材料的概論

2023年8月8日高等材料化學(xué)教育部新材料領(lǐng)域工程碩博士核心課程單位：復(fù)旦大學(xué)主講人：于志強(qiáng)教授第十一章：復(fù)合材料制備01

復(fù)合材料概論02聚合物基復(fù)合材料制備03

金屬基復(fù)合材料制備04

陶瓷基復(fù)合材料制備05

有機(jī)-無機(jī)雜化材料制備01

復(fù)合材料概論11.1復(fù)合材料概述復(fù)合材料(CompositeMaterials)概念：兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)原理結(jié)合在一起，組成具有新

宏觀性能的材料組成：基體相(Matrix):連續(xù)相，保護(hù)、固結(jié)增強(qiáng)相，傳遞荷載，阻止裂紋擴(kuò)展

增強(qiáng)相(Reinforcement):分散相，承受荷載和顯示功能界面相(Interface):通過化學(xué)鍵和物理鍵將基體和增強(qiáng)體有機(jī)地組合條件：

復(fù)合材料是人類為了某些需求制造的，而不是天然就存在的；

復(fù)合材料至少包含兩種物理或化學(xué)性能不同的獨(dú)立組元；

復(fù)合材料的性能取決于自身組元性質(zhì)的優(yōu)化結(jié)合11.1復(fù)合材料概述特點(diǎn)：

復(fù)合材料是一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；

復(fù)合材料中各組元保持各自的固有特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；

復(fù)合材料具有可設(shè)計性；

復(fù)合材料的組分在復(fù)合后仍保持其固有的物理和化學(xué)性質(zhì)（區(qū)別于化合物和合金）；

復(fù)合材料的性能取決于各組成相性能的協(xié)同11.1.1復(fù)合材料分類圖11.1

復(fù)合材料的分類11.1復(fù)合材料概述11.1.2復(fù)合材料命名按基體材料類型：聚合物基、金屬基、陶瓷基、碳基例如：環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、鋁基復(fù)合材料、氧化鋁基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料命名基體材料增強(qiáng)體材料基體和增強(qiáng)體材料按增強(qiáng)體材料類型：纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)例如：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、氧化鋁晶須增強(qiáng)復(fù)合材料按增強(qiáng)體和基體材料名稱：纖維(顆?；蚓ы?增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料例如：碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、氧化鋁晶須增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料

書寫：Cf/Epoxy、SiCp/Al、Al2O3w/SiC（增強(qiáng)體/基體）02

聚合物基復(fù)合材料制備11.2聚合物基復(fù)合材料制備11.2.1聚合物基復(fù)合材料概述聚合物基復(fù)合材料基本特點(diǎn)

比強(qiáng)度、比模量高，通常為金屬材料的3倍多

耐疲勞性能好，破損安全性能高，疲勞強(qiáng)度極限最高可達(dá)到抗張強(qiáng)度80%

過載時安全性好，其構(gòu)件不會突然失去承載能力

阻尼減振性好：復(fù)合材料有較高的自振頻率，其結(jié)構(gòu)一般不易產(chǎn)生共振

具有多種功能性：瞬時耐高溫、耐燒蝕性好；優(yōu)異的電絕緣性能和高頻介電性能；

良好的摩擦性能；優(yōu)良的耐腐蝕性能；有特殊的光、電學(xué)特性

良好的加工工藝性：

根據(jù)制品使用條件、性能要求選擇纖維、基體，具有可設(shè)計性

根據(jù)制品形狀、大小、數(shù)量選擇加工成型方法

可整體成型，減少裝配零件的數(shù)量，節(jié)省材料和工時11.2.2預(yù)浸料/預(yù)混料的制備11.2聚合物基復(fù)合材料制備聚合物基復(fù)合材料的制備

選擇相應(yīng)的成型工藝，使半成品形成有形的成品

預(yù)浸料/預(yù)混料的制備預(yù)浸料：連續(xù)纖維浸漬樹脂后的半成品預(yù)混料：非連續(xù)纖維與樹脂浸漬或混合后的半成品（1）預(yù)浸料制造熱固性預(yù)浸料：由連續(xù)纖維或織物及樹脂（包括固化劑等添加組分）組成，一般沒有其他填料。根據(jù)浸漬設(shè)備或制造方式不同，熱固性預(yù)浸料制造分為輪鼓纏繞法和陣列排鋪法，按浸漬樹脂狀態(tài)又分為濕法（溶液預(yù)浸）和干法（熱熔體預(yù)浸）熱塑性預(yù)浸料：根據(jù)樹脂狀態(tài)的不同，可分為預(yù)浸漬技術(shù)和后浸漬技術(shù)。預(yù)浸漬技術(shù)特點(diǎn)是預(yù)浸料中樹脂完全浸漬纖維，而后預(yù)浸技術(shù)的特點(diǎn)是樹脂以粉末、纖維、或包層等形式存在于預(yù)浸料中，對纖維的完全浸漬是后續(xù)成型過程中完成的11.2聚合物基復(fù)合材料制備（2）預(yù)混料制造片狀模塑料和團(tuán)狀模塑料：是一類可直接進(jìn)行模壓成型，不需要事先進(jìn)行固化、干燥等其他工序的纖維增強(qiáng)熱固性模塑料通常根據(jù)片狀模塑料和團(tuán)狀模塑料、玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料、注射模塑料這三種不同形態(tài)的塑料來分別進(jìn)行預(yù)混料的制造玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料：是一種類似于熱固性片狀模塑料的半成品，它的力學(xué)性能與熱固性片狀模塑料相似，甚至?xí)茫?/p>

具有生產(chǎn)過程無污染、成型周期短、廢品及制品可回收利用等優(yōu)點(diǎn)注射模塑料：一般使用雙螺桿擠出機(jī)制造，將連續(xù)纖維紗束與熔融態(tài)樹脂基體混合后擠出，然后由切割機(jī)切成長度為3~6mm

顆粒，便于后期注射成型11.2.3聚合物基復(fù)合材料的成型工藝聚合物基復(fù)合材料的制備方法有很多，其中較為重要的有手糊成型工藝、模壓成型工藝、噴射成型工藝、擠出成型工藝、樹脂傳遞成型工藝11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.2

聚合物基復(fù)合材料制備方法11.2.3.1聚合物基復(fù)合材料制備成型特點(diǎn)1聚合物基復(fù)合材料合成與制品成型是同時完成，該材料的制備過程也就是其制品生產(chǎn)過程

在復(fù)合材料成型過程中，增強(qiáng)體的形狀變化不大，但基體的形狀有較大的變化;

成型工藝對制品的性能有很大的影響，如制備過程中的材料的界面黏結(jié)、氣孔率等對材料的層間結(jié)合

強(qiáng)度有主要的影響;

根據(jù)制品結(jié)構(gòu)和使用時受力狀況來選擇成型工藝;大型制品可一次整體成型，簡化制品結(jié)構(gòu)，減少

組成零件和連接件數(shù)量，減輕制品重量如，單向受力桿件和梁應(yīng)采用拉擠法，因拉擠成型可保證制品在順著纖維方向具有最大的強(qiáng)度和剛度；薄殼構(gòu)件可采用連續(xù)纖維纏繞工藝，以滿足各個方向具有不同的強(qiáng)度和剛度要求2樹脂基復(fù)合材料成型比較方便：樹脂在固化前具有一定的流動性，纖維又很柔軟，依靠模具容易形成要求形狀和尺寸；一種復(fù)合材料可用多種方法成型，綜合考慮，選擇最簡單和最經(jīng)濟(jì)成型方法11.2聚合物基復(fù)合材料制備11.2.3.2成型工藝流程11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.3

復(fù)合材料制品生產(chǎn)流程1手糊成型工藝(HandLay-up)(1)工藝特點(diǎn)及基本流程概念：手糊成型工藝又稱接觸成型工藝。是手工作業(yè)把增強(qiáng)纖維織物和樹脂交替鋪在模具上，然后固化成型特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

成型不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，適宜尺寸大、批量小、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品的生產(chǎn)；

設(shè)備簡單、投資少、

見效快；

工藝簡單、生產(chǎn)技術(shù)易掌握；

易于滿足產(chǎn)品設(shè)計需要，可在產(chǎn)品不同部位任意增補(bǔ)增強(qiáng)材料

缺點(diǎn)

生產(chǎn)效率低、速度慢、生產(chǎn)周期長、不宜大批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定性不高；

生產(chǎn)環(huán)境差、氣味大、加工

時粉塵多，易對施工人員造成傷害11.2聚合物基復(fù)合材料制備圖11.4

手糊成型工藝流程圖(2)手糊成型的制造過程a)模具準(zhǔn)備模具是手糊成型中的主要設(shè)備。設(shè)計時，要綜合考慮各方面因素。模具必須要符合制品設(shè)計的精度要求以及有足夠的剛度和強(qiáng)度，要容易脫模，造價要便宜模具結(jié)構(gòu)形式

陰模陽模

敞口式對模模具材料主要有木模、石膏模、樹脂模、玻璃模和金屬模等，其中金屬模應(yīng)用較多b)涂脫模劑根據(jù)所用樹脂類型、制品形狀與結(jié)構(gòu)等因素選擇脫模劑。所選用的脫模劑應(yīng)確保制品固化后能順利脫模，保持制品表面光潔、平整，又可保證模具完好，且可重復(fù)使用，涂脫膜劑要均勻涂抹，不得漏涂c)膠衣制備為了改善制品的表面質(zhì)量，延長其使用壽命，通常要為制品制備一層膠衣。它可以是純膠衣樹脂，也可以是表面氈增強(qiáng)樹脂制成。膠衣層厚度通常為0.3~0.4mm，可以用噴涂方法或刷涂方法制得d)裱糊鋪層可分為干法手糊和濕法手糊。干法手糊就是將預(yù)浸膠布按樣板剪裁，裱糊時稍加熱使樹脂軟化，然后裱貼在模具上。濕法手糊是一邊刷膠一邊在模具上鋪布裱貼，它可以使膠液浸透增強(qiáng)材料并有利于增強(qiáng)材料與模具貼合e)固化成型通常采用無壓常溫固化。制品從凝膠到具備一定硬度和定型，一般需要較長的固化時間，成型后達(dá)到脫模強(qiáng)度通常要用24h，若要達(dá)到更高使用強(qiáng)度，固化時間要長達(dá)一個月之久f)脫模和修整當(dāng)制品固化到脫模強(qiáng)度（即制品已具有維持自己形狀的強(qiáng)度）時便可進(jìn)行脫模，如手糊聚酯樹脂制品，一般在成型24h可達(dá)到脫模強(qiáng)度。脫模后的制品要進(jìn)行機(jī)械加工，除去飛邊、毛刺、修補(bǔ)表面及內(nèi)部缺陷