複合材料的定

2022-08-19 16:51:04 字數 4294 閱讀 1130

第一章總論

複合材料的定義:兩種或兩種以上物理化學性質不同的材料組合,具有新效能的材料。

複合材料的命名:可根據擇增強材料與基體材料的名稱來命名。增強材料+基體材料+複合材料,增強體/基體名稱縮寫+複合材料,增強體或基體命名。

複合材料的分類:按增強材料形態分類(連續、短纖維、顆粒、編織),按增強纖維種類分類,按基體材料分類(聚合物、金屬基、無機非金屬),按材料作用分類(結構、功能)。

複合材料的基本效能:複合材料是由多相材料復合而成,其共同特點是(1)可綜合發揮各種組成材料的優點,使一種材料具有多種效能,具有天然材料所沒有的效能。(2)可按對材料效能的需要進行材料的設計和製造。

(3)可製成所需的任意形狀的產品,可避免多次加工工序。本質特點:非均質,各向異性。

複合材料結構設計基礎:非均質,各向異性。一次結構:基體+纖維單層結構;二次結構:單層材料層合而成的層合體,鋪層方式;三次結構:工程結構或產品結構。

第二章複合材料的基體材料

複合材料金屬基體的選擇原則:1.金屬基複合材料的使用要求、實際工況;2.

金屬基複合材料組成特點;3.基體金屬與增強物的相容性。物理相容性,化學相容性,非均質,介面反應。

抑制介面反應:表面處理、調控反應過程。

熱塑性:物體在加熱時能發生流動變形,冷卻後可以保持一定形狀線型或支鏈型聚合物。(反覆加熱)

熱固性:指加熱時不能軟化和反覆塑製,也不在溶劑中溶解的效能體型聚合物。(交鏈)

抑制介面反應:表面處理、調控反應過程h=vt

金屬基複合材料與增強物的相容性:介面性質,抑制介面反應(可對增強纖維進行表面處理或在金屬基體中新增成分,以及選擇適宜的成型方法或條件縮短材料在高溫下的停留時間等),化學相容性:反應物穩定性;物理相容性(浸潤性)物理性質(膨脹係數接近)。

玻璃:非晶態結構、無定形。結構週期性。玻璃轉變溫度(tg)、玻璃軟化溫度(tf)。

玻璃轉變溫度(tg):當粘度增大到一定程度(約10的12次方時,熔體硬化並轉變為具有固體性質的無定形物體即玻璃,此時相應的溫度稱為玻璃化轉變溫度。當溫度低於tg時,玻璃表現出脆性。

玻璃軟化溫度(tf):加熱時玻璃熔體的粘度降低,在達到某一粘度(約10的8次方所對應的溫度時,玻璃顯著軟化,這一溫度稱為軟化溫度(tf)。tg和tf的高低主要取決於玻璃的成分。

反玻璃化:許多無機玻璃可以通過適當的熱處理使其由非晶態轉變為晶態,這一過程稱為反玻璃化。

聚合物的型別:不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂及各種熱塑性聚合物。

聚合物基體的組分:聚合物和其他輔助材料(固化劑、增韌劑、稀釋劑、催化劑等)。

聚合物基體的作用:複合材料中的基體有三種主要的作用:把纖維粘在一起;分配纖維間的載荷;保護纖維不受環境影響。

膠接強度:若基體的剪下強度和模量以及纖維/基體的膠接強度過高——脆(裂紋不轉向);

若膠接強度過低,纖維表現得像纖維束一樣,弱,強度低(纖維間的載荷傳遞效率不高,但有較高的韌性);中等的膠接強度:裂紋轉向,吸收相當多能量,韌性好。

聚合物的結構特點:聚合物的分子鏈由很多數目的結構單元構成,每個結構單元相當於乙個小分子;鏈長有限的聚合物分子含有官能團或端基,其中端基不是重複結構單元的一部分;聚合物分子間的作用力對於聚合物聚集態結構及複合材料的物理力學效能有密切關係。

第三章複合材料的增強材料

玻璃纖維的結構:1.微晶結構假說:

玻璃是由矽酸塊或二氧化矽的「微晶子」組成,在「微晶子」之間由矽酸塊過冷溶液所填充。2.網路結構假說:

玻璃是由二氧化矽的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規則三維網路,網路間的空隙由na、k、ca、mg等陽離子所填充。

玻璃纖維的物理效能:1.外觀和比重(外表光滑、橫截面呈圓形;鋁幾乎一樣);2.

表面積大;3.玻璃纖維的力學效能1)玻璃纖維的拉伸強度(高)﹥﹥玻璃製品;2)玻璃纖維高強度的原因微裂紋假說玻璃的理論強度取決於分子和原子間的吸引力,其理論強度很高,可達到2000~12000mpa。但實測強度很低,因為在玻璃纖維中存在這數量不等,尺寸不同的微裂紋,因而大大降低了它的強度。

(應力集中)3)影響玻璃纖維強度的因素a.尺寸,長度,直徑,玻璃纖維的拉伸強度隨直徑變細而增加;長度增加顯著降低。b.

化學組成:含鹼量高、強度低。c.

成型工藝(成型方法和條件):熔化溫度、硬化速度(快,強度高)。d.

存放時間對纖維強度的影響——纖維的老化(強度降低)。與水發生化學反應e.施加負荷時間對纖維強度的影響——纖維的疲勞(強度降低)。

吸附作用(水)(介質種類、尺寸、濕度、應力等方面有關)。

影響玻璃纖維化學穩定性的因素:a.玻璃纖維的化學成分b.纖維表面情況對化學穩定性的影響c.浸蝕介質體積和溫度對玻璃纖維化學穩定性的影響d.玻璃纖維紗的規格及效能。

玻璃纖維及其製品的製造工藝1.製造原絲:製球,拉絲,紡織三個部分。

2.浸潤劑的作用:(1)原絲中的纖維不散亂而能相互粘附在一起;(2)防止纖維間的磨損;(3)原絲相互間不粘結在一起;(4)便於紡織加工等。

碳纖維的製造(不能用熔融法或溶液法直接紡絲)製造方法:氣相法和有機纖維碳化法。氣相法:

在惰性氣氛中小分子有機物(如烴或芳烴等)在高溫下沉積成纖維(製造晶須或短纖維,不能製造長絲)。有機纖維碳化法:先將有機纖維經過穩定化處理變成耐焰纖維,然後再在惰性氣氛中,於高溫下進行焙燒碳化,使有機纖維失去部分碳其他非碳原子,形成以碳為主要成分的纖維狀物。

製造碳纖維的五個階段:拉絲、牽伸、穩定、碳化、石墨化。

為什麼碳纖維實際強度遠低於理論值?

(原絲結構和碳化工藝)亂石墨結構,纖維中的缺陷如結構不勻、直徑變異、微孔、裂縫或溝槽、氣孔、雜質等影響碳纖維的主要因素。它們主要來自兩個方面,一是原絲持有,二是在碳化過程中產生。原絲中的缺陷主要是在纖維成形過程中產生,而碳化時由於從纖維釋放出各種氣體物質,在纖維表面及內部產生空穴等缺陷。

為什麼晶須無明顯的疲勞效應?

晶須高強的原因,主要由於它的直徑非常小,容納不下能使晶體削弱的空隙、位錯和不完整等缺陷。晶須材料的內部結構完整,使它的強度不受表面完整性的嚴格限制。

第四章複合材料的介面

誘導效應:一種物質(通常是增強物)的表面結構使另一種(通常是聚合物基體)與之接觸的物質的結構由於誘導作用而發生改變,由此產生一些現象,如強的彈性、低的膨脹性、耐衝擊性和耐熱性等。

從表面能角度,闡述基體和增強體之間的浸潤和接合:

熱力學、動力學不同意義,並且以此分析介面浸潤理論:

闡述變性理論的含義:

殘餘應力產生的主要原因:

第六章金屬基復合材

顆粒增強、層狀復合、纖維增強方式的力學特徵是什麼?顆粒增強:增強相是主要的承載相,而基體的作用則在於傳遞載荷和便於加工;層狀復合:各向異性和均勻性;纖維增強:各向異性。

金屬基複合材料中增強纖維的共性要求:高強度,高模量,容易製造和**低廉,化學穩定性好,纖維的尺寸和形狀,效能的再現性與一致性,抗損傷和抗磨損效能。

材料強度混合定則適用的前提條件:應變相等,纖維強度要均勻。

材料的強度、模量與微結構的不同關係:短板效應、平均效應。材料強度與彈性效能不同,不代表整個測試端上的平均效能,而主要代表區域性區的效能。

材料強度可以定義為材料發生破壞的最弱橫截面上的平均應力。

基體與增強纖維在高溫下化學相容性的重要影響因素:熱力學、動力學△f(兩相反應的自由能),u(化學勢),t(表面能),d(晶界擴散係數),以及一些其他的擴散效應。

鋁基複合材料的製造和階段組合+壓合:複合材料的製造包括將複合材料的組分組裝並壓合成適於製造複合材料零件的形狀。第一種是纖維與基體的組裝壓合和零件成型同時進行(鑄件);第二種是先加工成複合材料的預,然後再將預製品製成最終形狀的零件製品(先鑄錠然後再鍛成零件形狀)。

製造過程可分為三個階段:纖維排列、複合材料組分的組裝壓合和零件層壓。

鈦基複合材料相容性改進方法及機理:(1)最大限度減少反應的高速工藝;(2)最大限度減少反應的低溫工藝;(3)研製低活性的基體;(4)研製最大限度減少反應的塗層;(5)選擇具有較大反應容限的系列;(6)設計上儘量減少強度降低的影響。降低反應速度,減少反應時間。

d=vt

第七章陶瓷基複合材料

電負性的定義:以f原子電負性為4作為參考,原子外層軌道吸引電子的能力。

陶瓷基複合材料中纖維增韌機理:韌性彈性:斷裂功提高,裂紋的擴充套件和長大;纖維自身的斷裂,纖維拔出,裂紋轉向。

晶須增強中為什麼存在最佳值?晶須具有長徑比,當含量過高時,因橋梁效應致密度降低,熱膨脹效應差,熱失配。

第九章碳/碳複合材料

碳/碳複合材料:是由碳纖維或各種碳織物增強碳,或石墨化的樹脂碳(或瀝青)以及化學氣相沉積碳(cvd)所形成的複合材料。

三種不同組分構成,即樹脂碳、碳纖維和熱解碳。

燒蝕效能:碳/碳複合材料暴露於高溫和快速加熱的環境中,由於蒸發昇華和可能的熱化學氧化,其部分表面可被燒蝕。但其表面的凹陷淺,良好地保留其外形,且燒蝕均勻而對稱。

碳/碳複合材料的製備:胚體:增強碳纖維或織物應預先成型為一種胚體。軸向、非軸向的效能差。

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