復合材料原理

緒論1?復合材料定義發(fā)展歷史：原始復合材料現(xiàn)代意義上的復合材料玻璃鋼的特點復合材料類型復合材料中的材料設計和結構設計1?從工程應用的角度分類結構復合材料功能復合材料各相的作用復合材料區(qū)別單一材料的特點高強度材料選用 高模量結構選用 高溫下使用的結構復合材料選擇 化工防腐蝕的玻璃纖維增強塑料，根據介質的不同采取不同的復合方式聚合物基體的性能特點增強體或功能體在復合材料中的作用復合材料區(qū)別于一般混合材料的重要標志--復合材料的復合效應分類復合材料的結構與復合效果1?分散質分散相復合材料的性質取決于…連通性概念連通結構6.0-3型結構3型結構2型結構3型結構3型結構材料的符合效果組分效果六邊形陣列四方形陣列結構效果形狀效果取向效果尺度效果界面效果了解和掌握復合材料的符合原理的目的材料模型化的方法復合材料的模型建立材料的微觀模型往往包含兩方面的內容： 結構模型的確立物理模型的確立同心球殼模型同軸圓柱模型片狀模型復合材料的性質與一般規(guī)律分類計算阻力系數(shù)復合材料的界面狀態(tài)解析復合材料性能的主要影響因素：基體和增強體或功能體的性能復合材料的結構和成型技術復合材料中增強體或功能體與基體的結合狀態(tài)（物理的和化學的）及由此產生的復合效應界面效應19頁1?界面的分類復合材料中相與相的兩相交接區(qū)是一個具有相當厚度的界面層，兩相的接觸會引起多種界面效應，使界面層的結構和性能不同于他兩側臨近的結構和性質。為了改善兩相的相容性和結合力，在兩相的界面上加入微量的改性劑。如：--復合材料的特點界面效應的分類界面的研究對彖增強體表面的有關問題表面處理物質的有關問題表面處理的最優(yōu)化技術粉體材料在基體中的分散復合技術的優(yōu)化及其機理材料粘結的破壞形式表面及界面化學基礎表面張力產生原因 是固體表面現(xiàn)彖發(fā)生的依據比表面積--表示粉碎程度表面張力的影響因素表面張力與物質結構?性質有關。不同物質性質結構的分子間相互作用力不同，分子間作用力越大，相應的表面張力越大。物質的表面張力與他相接觸的另一相物質有關。表面張力隨溫度不同而不同，一般溫度升高，表面張力下降。恒溫恒壓下，任何物質都有自動向自由能減小的方向移動的趨勢，表面能也有自動減小的趨勢。降低表面能的方法通過自動收縮表面積實現(xiàn)通過降低比表面能來實現(xiàn)表面吸附作用定義固體吸附的原因按作用力分類（定義，特點）物理吸附化學吸附粘附功與內聚功;都是分離物質接觸角不均勻表面的接觸角接觸角和表面張力都是表征物質表面的重要參數(shù)滯后效應=前進角-后退接觸角產生滯后效應的原因污染…化學實驗洗滌儀器亞穩(wěn)態(tài)固體表現(xiàn)的粗糙度表面的化學不均勻性固體表面的臨界表面張力指定固體的特征量一種總結潤濕性質的有用方法-內插法增強體或功能體的表面張力必須人于基體的表面張力才能實現(xiàn)增強體與基體相互間良好的侵潤。侵潤的熱效應-將潔凈的固體表面侵入液體-量熱法測定侵潤熱大小測定條件復合材料中，作為細微的粉狀粒子的侵潤熱未必與塊狀固體的相同侵潤熱是不以向固體中滲透，擴散和溶解為前提而討論的界面的相容性與粘結-…相容性的判定界面特性對復合粘結體系性能的影響-…填料與基體的界面問題1?在復合材料成型時，粘結劑體系中加入輔助材料組成復合粘結體系或將增強體表面處理的情況很多：為防止橡膠的硫化，不飽和聚酯樹脂中加入觸變劑—SIO2為防止?jié)B透，在麻醛樹脂中加入蛋白粉作觸變劑為減少樹脂用量，加入——粉末偶聯(lián)劑處理時偶聯(lián)劑官能團的特性作用…熱分析-力學損耗作用：在粘結劑復合固化過程中，可以引起體系固化速度的改變同一官能團對不同固化體系的固化速度的改變時不同的偶聯(lián)劑的峰：官能團參與反應（增加濃度或阻聚）優(yōu)先吸附引起的現(xiàn)彖偶聯(lián)劑分子結構及偶聯(lián)結構的影響--32頁1?鈦酸酯偶聯(lián)劑在增強體表面是線性的結合，而硅烷偶聯(lián)劑是一種剛性網絡結合。增強體的表面特性及對復合材料界面結合的影響1?增強體表面特性的分類增強體表面的物理特性與界面結合-決定界面粘結的好壞比表面積及多孔性比表面積的影響多孔性的影響增強體表面的極性?均一性.結晶特性及表面能極性的取決因素均一性的實質結晶特性表面能增強體表面的化學特性與界面結合一決定界面粘結的效果包括其表面化學組成和結構，表面的反應特性（最重要，關系到增強體是否要進行表面處理，與基體能否形成化學結合，是否容易與壞境接觸反應而影響到復合材料性能的穩(wěn)定性）增強體的表面能玻璃纖維的表面化學組成，結構及反應性組成不同玻璃纖維結構：三度空間的不規(guī)則連續(xù)網絡所構成，網絡是由多3.4?面體構筑起來的玻璃纖維表面表面吸附有一層水的原因多面體中心表面情況吸濕性玻璃表面的吸附水與玻璃組成中的堿金屬或堿土金屬作用，并在玻璃表面上形成-OH玻璃纖維中含堿量愈高，吸附水對sio2股價的破壞愈人，纖維強度下降就愈人玻璃纖維表面的三種結構碳纖維及其他纖維表面的化學組成，結構及反應性一37頁對碳纖維的表面改性，一方面是使其表面晶核尺寸減小，增加比表面積另一方面，作為最重要的途徑是力圖使其表面增加含氧基團復合體系的界面結合特性1?復合材料界面形成過程：（界面是怎樣形成的）潤濕固化按照怎樣固化分類：有固化劑引發(fā)樹脂官能團反應固化以樹脂本身官能團進行反應固化膠束（膠粒）：密度大膠絮：密度小樹脂抑制層：增強體表面形成的有序樹脂膠束層界面區(qū)定義：基體與增強體接觸界面和兩者薄層構成的一定厚度的范圍界面區(qū)的作用：使基體與增強體結合形成材料整體，并在外力場作用下的應力傳遞以連續(xù)纖維為增強體的樹脂基復合材料，增強體沿纖維的軸向是連續(xù)的，但其界面的微觀結構與非連續(xù)纖維為增強體的復合材料仍是一致的樹脂基復合材料的界面結合理論潤濕理論：要使樹脂對增強體緊密接觸，就必須使樹脂對增強體表面很好的侵潤內容優(yōu)點不足完全潤濕的前提條件：液態(tài)樹脂的表面張力小于增強體表面的臨界表面張力化學鍵理論：偶聯(lián)劑-架橋劑內容：優(yōu)點：在偶聯(lián)劑應用于玻璃纖維復合材料中得到了很好的證明，也被界面研究的實驗多證實。不足：聚合物不具備活性基團不具備與樹枝反應的集團，但仍能讓偶聯(lián)劑達到良好處理效果硅烷偶聯(lián)劑中雙鍵的作用：當硅烷偶聯(lián)劑分子結構帶有不飽和雙鍵時，由于不飽和雙鍵可與聚酯樹脂反應，故提高了聚酯玻璃鋼的強度（E「2）-41頁總結：不能單純以一種化學偶聯(lián)或者單純以一種物理化學現(xiàn)象來解釋優(yōu)先吸附理論：為解釋化學鍵理論不能解釋的現(xiàn)象內容：防水層理論提出背景內容不足：與實際有出入可逆水解理論內容：在玻璃纖維增強的的復合材料中，偶聯(lián)劑不是阻止水分進入界面，而是當有水存在時，偶聯(lián)劑與水在玻璃表面上競爭結合。由于硅烷偶聯(lián)劑與玻璃表面的SI-OH形成氫鍵的能力比水強，足以與水分子競爭表面，故驅去水而與玻璃表面鍵合。建立了兩個可逆反應?？赡娣磻淖饔茫簩λa生排斥作用由于這種動態(tài)平衡，使界面上應力松地這種鍵的形成-斷裂-形成的動態(tài)結合狀態(tài)使樹脂表面始終保持一定的粘合強度。摩擦理論非樹脂基復合材料的基體與界面結構晶態(tài)非樹脂基復合材料的結構特性晶格的周期性對稱性和方向性晶體的結合力固定的熔點非樹脂基復合材料的界面類型非樹脂基復合材料的界面結合形式機械結合溶解與浸潤結合反應界面結合為能達到化學相容性，使界面處于穩(wěn)定狀態(tài)，可采取的辦法:在復合溫度下使其熱力學平衡利用退化反應的化學動能與化學勢能相平衡使特殊表面能的影響最小控制凝聚作用使總表面能最小氧化結合混合結合樹脂基復合材料界面的破壞機理?矛盾的假設能量流散概念：在裂紋的擴張的過程中，將隨著裂紋的發(fā)展逐漸消耗能量，并且由于能量的流散而減緩裂紋的發(fā)展，對于垂直纖維的裂紋峰還將減緩對纖維的沖擊樹脂在玻璃纖維界面上生成的鍵分類復合材料界面破壞機理理論微裂紋的影響介質（水）引起界面破壞的機理:復合材料界面優(yōu)化設計材料的應用要求制品首先要滿足強度問題、制品的工作環(huán)境制品的生產成本，使用壽命彈性模量的設計界面相的模量應當介于增強體和基體之間在保證相當?shù)恼辰Y程度下，界面想的模量應是最低的部分，即是韌性的柔性的材料的殘余應力如何減弱復合材料界面的殘余應力在材料中如何利用殘余應力基體與增強體的相容性材料的動力學效果偶聯(lián)劑的性能界面分析技術界面性質取決于界面的結合狀態(tài)，微結構特征以及應力狀態(tài)微觀方法：宏觀方法：常規(guī)分析主要測量界面應力狀態(tài)和粘結強度的模型試驗和宏觀力學方法拔脫實驗-適用于測定界面粘結強度的普遍方法頂出法-適用于測定相對界面粘結強度臨界長度法-適用于熱塑性基體或延伸率較高的基體界面黏結能法力學性能測試方法-定性分析電子顯微鏡觀測法X射線衍射法-用于分析增強材料表面的晶相結構光電子能譜分析法ESCA特點：8其他界面分析方法復合體系的典型界面反應基材間的粘結性直接相關因素：無機…有機1?玻璃纖維-聚合物體系進行表面處理的目的：表面處理結構：表面處理劑一般都帶有能與硅疑基起化學反應的活性疑基以硅烷偶聯(lián)劑為例來說明這種反應的歷程：4?碳纖維■聚合物體系-常用極性表面官能團來解釋碳纖維的表面特性5?碳纖維氧化處理，氧化過程：6?胺固化的壞氧樹脂中的胺基可能與纖維表面的竣酸形成氫鍵，壞氧樹脂的壞氧基也能與疑基和竣基形成氫鍵，在過量單體尤其是在較高溫度時，這些氫鍵就轉變成共價鍵。通過各種途徑來改變表面官能團的種類和數(shù)屋，就有可能使纖維和樹脂形成更好的粘結而提高其復合材料的綜合性能。填充材料-炭黑，水合二氧化硅，玻璃纖維。9?在微粒炭黑表面形成接枝的方式：無機-無機1?纖維增韌陶瓷?水泥基復合材料玻璃纖維增強混凝土石灰石■漿體界面發(fā)生的化學反應:目的：兩種類型的侵蝕:改善措施:3?碳纖維增強混凝土，經處理的碳纖維有富集CA2+的作用，這種作用的影響：可能導致纖維表面的水泥早期水化，表現(xiàn)為堿處理-水泥漿體的屈服應力及表觀粘度增大。無機--金屬1?復合材料的界面必須保持良好的結合狀態(tài)，且在使用的高溫條件下保持長時間的化學穩(wěn)定性，使之不能因發(fā)生化學反應而降低力學性能。有機-有機有機纖維…芳綸纖維芳綸纖維的特點：本身表面惰性，也是用來增強高性能樹脂復合材料的界面處理技術目的：為了獲得好的界面粘結，通常要對增強材料的表面進行有針對的處理，以改善其表面性能，獲得與基體的良好界面粘結。增強材料的表面處理表面處理的定義：目的：處理機處理與否對提高制品的耐候性是十分明顯的。偶聯(lián)劑的定義：偶聯(lián)劑的分類有機酸氯化銘絡合物類偶聯(lián)劑：堿式氯化餡+竣酸反應——銘絡合物沃蘭處理劑：有機硅烷類偶聯(lián)劑X集團與玻璃纖維表面的作用機理R集團與樹脂基體的作用機理新品種硅烷偶聯(lián)劑耐高溫型硅烷偶聯(lián)劑過氧化物型硅烷偶聯(lián)劑特點：陽離子型硅烷偶聯(lián)劑水溶型硅烷偶聯(lián)劑疊氮型硅烷偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑的品種玻璃纖維表面處理方法后處理法前處理法遷移法偶聯(lián)劑的用量：在實際應用中真正起偶聯(lián)作用的是微量的偶聯(lián)劑單分子層偶聯(lián)劑用量計算公式；影響處理效果的因素鈦酸酯偶聯(lián)劑的結構鈦酸酯偶聯(lián)劑按偶聯(lián)機理分類：鈦酸酯偶聯(lián)劑的應用方法基體材料的改性技術1?通過對樹脂的基體的改性同