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复合材料原理

复合材料原理
复合材料原理

复合材料

1、定义复合材料由两种或两种以上不同性质的单一材料,通过不同复合方法得到的宏观多相材料。

复合材料主要由基体和增强体(对功能材料称功能体)组成

作用:

A、结构复合材料:

增强体:在结构复合材料中主要起承受载荷的作用;

基体:起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。

B、功能复合材料:

基体:主要起连接作用;

功能体:是赋予复合材料以一定的物理、化学功能。

2. 分类

(1)基体种类

树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料

(2)增强材料

形状:颗粒、晶须、纤维、织物

类型: 无机和有机材料

(3)用途

结构复合材料、功能复合材料

3. 复合材料特点

(1)可设计性

复合材料的力学、热、电、声、光等物理化学性能都可通过组分材料的选择、界面控制等设计手段达到。

(2)材料与结构的一致性

复合材料的构件与材料同时形成。

(3)存在复合效应区别于任意混杂材料

复合材料的性能不是其组分材料性能的简单叠加,可以产生新的性能。

4.复合材料的复合效应

复合效应;

1.线性效应:

平均效应平行效应互补效应相抵效应

2.非线性效应

相乘效应诱导效应共振效应系统效应

5.材料的复合效果

1.组分效果

只把组分的相对组成作为变量,不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响时产生的效果。

2.结构效果

①几何形态(形状)②分布状态③尺度

3.界面效果

界面是影响基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。界面结构(物理和化学结构)的变化会引起复合材料性能的明显变化。

6.复合材料性质

①固有性质

材料性质的直观表现,只与组分含量有关

②传递性质

与组分含量、几何形状及分布、尺寸均有关

③强度性质

不是各相性能的简单叠加,除与组分含量、几何形状及分布、尺寸有关,还与外场分布、界面有关.

④转换性质

影响因素较多,除了前述因素外,还与各组分之间的相互作用有关。

7.复合材料的界面状态解析

界面

密切接触的两相之间的过渡薄层区域,厚度约几个分子大小,称为界面。

表面: 一相为气体的界面.

比表面积:单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。

8.表面张力/界面张力的影响因素

①分子间作用力

金属键物质>离子键物质>极性分子物质(水)>弱极性物质(丙酮)>非极性物质(液氢、液氯)一般,极性液体比非极性液体大,固体比液体大

②接触相性质有关。

与不同物质接触时,表面层分子受到的力场不同,致使表面张力不同。

③温度

表面张力随温度不同而不同,大多数物质γ随温度升高而降低

化学吸附和物理吸附的比较

性质物理吸附化学吸附

吸附作用力范德华力化学键力

吸附热小大

吸附层数多分子层单分子层

吸附选择性无有

吸附稳定性不稳定,易解吸较稳定,难解吸

吸附速率快,不需活化能慢,需活化能

吸附温度低高

9.接触角

在气、液、固三相交界点处,所作的气-液界面的切线穿过液体与液-固交界线之间的夹角,用θ表示。

(1)γsv<γsl时,θ>90°,不润湿;

(2)γlv>γsv-γsl,0°<θ<90°,润湿;

(3)γsv- γsl =γlv,θ=0°,铺展。

例如:水能润湿洁净玻璃,而水银则不能。将一根毛细玻璃管插入水中,管内液面将上升;当毛细管插入水银时,管内液面将下降。

10.良好粘附的表面化学条件应是:

1)被粘附体的临界表面张力γC要大,以保证良好润湿。

2)粘附功要大,以保证牢固粘附。

3)粘附面的界面张力γSL要小,以保证粘附界面的热力学稳定。

4)粘附剂与被粘附体间相溶性要好,以保证粘附界面的良好键合和保持强度。为此润

湿热要低。

11.复合材料界面效应的分类:

阻断效应:阻止裂纹扩展和材料破坏,减缓应用力集中;

不连续效应:界面上物理性质的不连续和界面摩擦出现的现象,如电阻、介电、磁性、耐热性、尺寸稳定性等;

散射和吸收效应:光波、声波、热弹性波等在界面产生的散射和吸收,如透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性及耐热冲击性等;

感应效应:在界面上产生的感应效应,应变、内应力和高弹性、低热膨胀性、耐冲击性和耐热性等。

12.复合材料界面的研究对象:

①增强体表面的有关问题

②表面处理物质的有关问题

③表面处理的最优化技术

④粉体材料在基体中的分散

⑤复合技术的优化及其机理

13.复合材料的界面结合特性

复合材料中,增强体与基体间最终界面的获得,一般分为两个阶段:

第一阶段:基体与增强体在一种组分为液态(或粘流态)时发生接触或润湿过程,或是两种组分在一定条件下均呈液态(或粘流态)的分散、接触及润湿过程

也可以是两种固态组分在分散情况下以一定的条件发生物理及化学变化形成结合并看作为一种特殊润湿过程。这种润湿过程是增强体与基体形成紧密的接触而导致界面良好结合的必要条件。

第二阶段:液态(或粘流态)组成的固化过程。

要形成稳定的界面结合,材料必须通过物理或化学过程固化。

第一阶段与第二阶段往往是连续的,有时是同时进行的。

14.界面区:基体与增强体接触界面和两者表面薄层构成的一定厚度的范围。

界面区的作用

使基体与增强体结合形成材料整体,并实现外力场作用下的应力传递。

载荷存在下,基体通过界面将应力传递至增强体,故增强体承受了主要的应力,而基体承受的应力较小,界面区则承受从增强体表面至基体表面梯度分布的应力。

15.树脂基复合材料的界面结合理论

.润湿理论两组分能充分浸润,则粘结强度高于树脂基体的内聚能。液体树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力。树脂与增强体两相间的结合属于机械粘接与润湿吸附.

由于充分的润湿,两相界面处产生的物理吸附主要是由范德华力的作用实现粘接。

润湿理论解释了增强体表面粗化、表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实.润湿理论不足:

a、不能解释使用偶联剂后使树脂基复合材料界面粘结强度提高的现象。

b、偶联剂在玻璃纤维/树脂界面上的偶联效果一定有部分(或者是主要的)不是由界面的物理吸附所提供,而是存在着更为本质的因素在起作用。

2.化学键理论

基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应。

基体树脂与增强体间以化学键结合,界面的结合力是主价键力的作用。偶联剂是实现这种化学键结合的架桥剂。碳纤维经硝酸或浓碱处理后,表面增加了-COOH、C=O、C-OH,与环氧树脂复合后强度提高的多。

局限性:a、聚合物不具备活性基团;

b、不具备与树脂反应的基团。

3.优先吸附理论解释化学键理论不能解释的现象。界面上可能发生增强体表面优先吸附树脂中的某些组分,这些组分与树脂有良好的相容性,可以大大改善树脂对增强体的浸润;由于优先吸附作用,在界面上可以形成“柔性层”,“柔性层”极可能是一种欠固化的树脂层,它是“可塑的”,可以起到松驰界面上应力集中的作用,故可以防止界面脱粘。

4.防水层理论解释玻纤经偶联剂处理后,湿态强度大大改善的现象。

防水层理论认为,清洁的玻璃表面是亲水的,而经偶联剂处理后变成疏水表面,该表面可防止水的侵蚀,改善复合材料湿态强度。

理论与实际情况有出入。水不可避免的要侵入界面,即使用憎水的偶联剂处理玻璃表面后,当表面暴露于空气中时,会再次吸附水分,这种吸附水仍然会对材料起破坏作用。5.可逆水解理论

该理论认为,在玻璃纤维增强的复合材料中,偶联剂不是阻止水份进入界面,而是当有水存在时,偶联剂与水在玻璃表面上竞争结合。

17..非树脂基复合材料界面结合形式:

机械结合:增强体和基体间纯粹的机械接触;

溶解与浸润结合:由单纯的浸润和溶解作用,使增强体和基体形成交错的溶解扩散界面;反应界面结合:主要主价键力而结合,在界面上形成新的反应物层;

氧化结合:增强体表面吸附的空气所带来的氧化作用;混合结合.

18树脂基复合材料破坏形式:

基体断裂,纤维断裂,纤维脱粘,纤维拔出(摩擦功),裂纹扩展与偏转

19.介质引起界面破坏的机理:

1.水扩散进入界面

从树脂宏观裂纹进入,树脂内存在水溶性杂质,复合材料成型中在材料内部产生的气泡。

2.对玻纤的腐蚀作用,使玻纤强度降低

水溶解玻纤表面碱金属氧化物,溶液呈碱性,加剧玻纤表面腐蚀破坏,最后导致玻纤SiO2骨架破坏,玻纤强度降低,复合材料性能下降。

3.水引起树脂的降解;物理效应(可逆):破坏树脂内氢键或其他次价键,使树脂增塑,热机械性能下降。化学效应(不可逆):玻纤水解的碱溶液引起树脂降解,界面脱粘.

4.水对树脂的溶胀使界面产生应力;树脂溶胀,在界面上产生剪应力。当剪应力大于界面粘接力时,界面破坏.

5.水进入孔隙产生渗透压导致界面破坏;水进入孔隙,溶解杂质,浓度增加,渗透压增加,一定温度、时间时,渗透压大于粘接力,导致界面破坏。

6.水促使破坏裂纹的扩展;水降低了纤维的内聚能,脆化纤维;水的表面腐蚀作用,使纤维表面形成了新的缺陷;凝集在裂纹尖端的水能产生很大的毛细压力。

20.改善复合材料界面的方法

(1)降低界面残余应力

残余应力会引发裂纹的产生,导致复合材料强度下降,还会使界面易受氧和水的环境作用,造成材料过早破坏。

残余应力通常是不可避免的,只能设法减小。

2)基体改性、纤维表面改善

纤维表面处理和涂层可改善纤维表面的性能,增加基体的浸润性,防止界面不良的反应,改善界面结合。

(3)选择合理的复合工艺和使用条件

21.无机-有机复合体系的界面反应

玻璃纤维-复合材料:对玻璃纤维表面进行化学处理,使之形成新的表面,并使新生表面上的活性基团与聚合物基体发生界面反应。由于玻璃纤维表面主要存在硅氧硅基团≡Si-O-Si ≡和硅羟基≡Si-OH,所以表面处理剂中一般都带有能与硅羟基起化学反应的活性羟基. (1)有机硅烷水解,生成硅醇

(2)玻纤表面吸水,生成羟基

(3)硅醇与吸水的玻纤表面反应,分3步:

a. 硅醇与玻纤表面生成氢键

b. 低温干燥(水分蒸发),硅醇进行醚化反应

c. 高温干燥(水分蒸发),硅醇与吸水玻纤表面进行醚化反应

碳纤维-聚合物体系:

表面处理后,碳纤维表面上形成不同类型的化学络合物.含氧官能团与树脂形成氢键缔合或化学键外,其他类型的基团也可能使各种聚合物在凝胶化时改性,在界面形成不同力学和流变性能的层区。改变表面官能团的种类和数量,就有可能使纤维和树脂形成更好的粘结,提高复合材料的综合性能.

环氧树脂中胺可与纤维表面的羧基形成氢键;环氧树脂中环氧基可与羟基或羧基形成氢键. 填充橡胶体系:

橡胶的增强填充材料主要是炭黑、水合二氧化硅(白炭黑)、玻璃纤维等.

炭黑粒子表面化学性质与炭黑的化学组成、炭黑粒子的表面状态和表面基团有关。炭黑的表面基团:羟基、羧基、内酯基、醌基.

炭黑表面官能团在加工过程中与橡胶分子发生化学反应。在微粒炭黑表面形成的接技方式有:

(1)对简单烯烃的化学吸附,硫存在时,吸附作用增强;

(2)混料过程中剪切作用产生高聚物自由基,可接枝到炭黑上去;

(3)组成炭黑层面的大芳环边缘的氢和橡胶之间进行氢原子交换反应。

通过以上界面反应,使炭黑的增强效果得以提高。

22.无机-无机复合体系的界面反应

纤维增韧陶瓷:

陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等许多优良的性能。但也有致命的缺点,即脆性大,使陶瓷的使用受到很大限制. 在陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料是一种重要方法.

界面的粘结形式:

对于陶瓷基复合材料来讲,界面的粘结形式主要有两种:

(1)机械粘结

(2)化学粘结

界面的作用:

界面粘结性能影响陶瓷基体和复合材料的断裂行为.

对于陶瓷基复合材料的界面来说,一方面应强到足以传递轴向载荷,并具有高的横向强度;另一方面,陶瓷基复合材料的界面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维

的拔出。因此,陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度.

强的界面粘结往往导致脆性破坏, 裂纹可以在复合材料的任一部位形成,并迅速扩展至复合材料的横截面,导致平面断裂. 平面断裂主要是由于纤维的弹性模量不是大大高于基体,因此在断裂过程中,强的界面结合不产生额外的能量消耗。

若界面结合较弱,当基体中的裂纹扩展至纤维时,将导致界面脱粘,其后裂纹发生偏转、裂纹搭桥、纤维断裂以致最后纤维拔出.

玻璃纤维增强混凝土硅酸盐水泥的凝结硬化和水化反应

凝结硬化

(1)凝结:水泥加水拌合而成的浆体,经过一系列物理化学变化,浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程;

(2)硬化:水泥石强度逐渐发展的过程化。

(3)水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂,一般几个小时即可完成;硬化过程是一个长期的过程,在一定温度和湿度下可持续几十年

水泥水化过程中产生Ca(OH)2,中碱/无碱玻纤在普通硅酸盐水泥水化物中受到2种侵蚀:化学侵蚀

水泥水化生成的Ca(OH)2与玻纤的Si-O骨架之间发生化学反应,生成水化Ca2SiO3,水泥中存在NaOH、KOH时加速了反应。

应力侵蚀

玻纤表面的缺陷,水泥水化生成的晶体进入缺陷处,造成应力集中和裂纹扩展。

为防止水泥水化物对玻璃纤维的侵蚀,可采取3种措施:

①改变玻纤的化学组分,在玻纤中加入较多量的ZrO2可提高其抗碱性;

②对玻纤表面进行被覆处理,以隔绝水泥水化物对纤维的侵蚀;如锆、钛、锌等水溶性盐

③使用水化物碱度低的水泥以减缓或防止玻璃纤维的侵蚀。采用水化产物中无或低Ca(OH)2的高铝水泥、硫铝酸盐水泥。

23.无机-金属复合体系的界面反应碳纤维-铝复合体系C-Al

碳纤维中C在400℃以上与铝发生化学反应, 500℃以上其界面生成很强的化合物Al4C3,使复合材料力学性能变差。

3C+4A1= Al4C3

这个反应使复合材料的各项力学性能变差。碳纤维结构受到破坏且逐渐发展,生成的Al4C3为脆性物质,易形成裂纹源。较高温度下使用,往往需要在纤维表面涂覆一层陶瓷保护层。在铝合金中添加某种合金元素也能抑制界面反应。

碳化硅-铝基复合体系SiC-Al

SiC纤维熔点很高,在空气和金属中化学惰性较强。SiC纤维主要由非晶态SiC构成,表面缺陷很小,十分光滑。在真空中1400℃时强度开始下降,空气中1000℃时,碳燃烧生成有大量缺陷SiO2,强度明显下降。

SiC纤维和铝的复合体系中,在铝熔点附近(650℃)开始生成Al的碳化物,在750℃Al 的液相中,将纤维浸渍1h.则界面生成Al4C3?α-Al4SiC4。

氧化铝纤维-铝基复合体系Al2O3-Al

Al2O3纤维在Al熔体中浸渍时,往往在Al中加入少量Li,Li在界面被吸附,促进了Al2O3在Al中的浸渍效果。Li在Al2O3纤维表面发生化学反应,生成LiAlO2。电子显微镜观察到Al2O3-Al破坏断面,发现纤维与铝在界面上有适度的结合,与碳纤维-铝在界面

上生成脆性反应物显著不同,因而Al2O3-Al的强度比纯铝大10倍。

硼纤维-铝复合体系B-Al

在碳芯硼(B)纤维中,界面反应层本身不十分明显;而钨芯硼纤维中,界面上生成W2B5?WB4。B在高温下,除Ag、Cu、Sn、Be外,可与其他金属发生反应生成不规则结构,形成了脆性的反应层。B-Al界面反应由于渗入氧生成氧化物发生破坏,即B2O3层的破坏。当Al的纯度较高时,在纤维上生成AIB2。

Al+2B→A1B2 2B十3O→B2O3

在B纤维中以SiC为芯时,可用碳将其被覆,防止因氧化而降低与金属反应及扩散作用。在碳析出的情况下,主要生成BC4等组分。

碳化硅涂层能使硼纤维具有突出的抗氧比性。因为硼接触不到铝,硼化物的形成完全被抑制。铝与硅不形成化合物,而铝与碳的反应在碳化硅存在的情况下,在热力学上是非常困难的。硼或铝穿过碳化硅移动的扩散系数在800K时非常小,2.5微米的碳化硅层已足以阻挡扩散。

24.玻璃纤维表面处理技术

增强材料的表面特性

表面物理特性(表面微结构、比表面积、形态结构)

表面化学特性(表面化学组成、官能团、反应性)

表面吉布斯自由能(表面张力)

增强材料表面处理目的是增加增强材料与基体材料界面粘接强度。主要是通过改变增强材料的表面特性,具体为:

①增加增强材料的比表面积(m2/g)

②增强纤维与基体的反应活性

③提高纤维表面张力(大于树脂表面张力,有利于浸润

表面处理目的

在增强层表面涂覆上一层表面处理剂,包括浸润剂、偶联剂和助剂等,目的是使增强体与基体间形成良好的粘结界面,提高复合材料各种性能。

偶联剂及其作用机理

偶联剂分子两端含有两种基团,一端与增强体表面发生化学/物理作用,另一端与树脂基体发生化学/物理作用。保护纤维,防止水分等有害介质的侵入;改善复合材料的界面状态,有效传递应力。

有机酸氯化铬络合物类偶联剂

沃兰 , 沃兰常配成水、异丙醇或丙酮溶液,溶液呈酸性,一般为暗绿色.

与玻纤表面作用:沃兰与玻纤表面-Si-OH发生脱水反应,生成Si-O-Cr键,沃兰分子间发生脱水缩合反应,生成Cr-O-Cr键。

与树脂反应:沃兰中可参与不饱和聚酯的固化反应;Cr-Cl,Cr-OH可参与环氧、酚醛固化反应,与之缩聚。

总之,沃兰一端的活性基团产生的羟基能与玻纤表面的硅醇基发生缩水反应,在玻纤表面形成Si-O-Cr键;另一端则通过甲基丙烯酰基中的不饱和双键参与不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂的交联反应,使玻纤与树脂结合为一个整体。

有机硅烷类偶联剂

是一类品种多、效果好的表面处理剂,多配成水溶液使用。结构式为:RnSiX4-n .R为有机

基团,可与树脂形成化学键,X为易水解基团,水解后可与玻纤表面-OH作用.n为1、2、3,绝大多数硅烷偶联剂n=1。

硅烷偶联剂与玻纤的作用机理,分为4阶段:

①偶联剂Si上3个X基团发生水解,生成硅醇;

②偶联剂水解产物缩合成低聚体;

③低聚体与玻纤表面Si-OH作用,形成氢键;

④干燥和固化过程中与玻纤表面Si-OH形成共价键,副产物水。

25.玻纤的表面处理方法

前处理法:增强型浸润剂

后处理法:

除去纺织型浸润剂浸渍偶联剂水洗烘干

迁移法:

偶联剂加入树脂中,玻纤浸胶时,偶联剂迁移到玻纤上

26.碳纤维表面处理

清除碳纤维表面杂质,在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积,增加其表面能,或引入极性活性官能团与树脂反应。

(1)表面清洁处理(2)气相氧化法(3)液相氧化法4)阳极氧化法5)表面涂层法(6)表面沉积元机物(7)电聚合处理(8)冷等离子处理

纳米材料导论期末复习重点

名词解释: 1、纳米:纳米是长度单位,10-9米,10埃。 2、纳米材料:指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由他们作为基本单元构成的材料。 3、原子团簇:由几个乃至上千个原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体(原子团簇尺寸一般小于20nm)。 4、纳米技术:指在纳米尺寸范围内,通过操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。 5、布朗运动:悬浮微粒不停地做无规则运动的现象。 6、均匀沉淀法:利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢地、均匀地释放出来,再与沉淀组分发生反应。 7、纳米薄膜材料:指由尺寸在纳米量级的颗粒构成的薄膜材料或纳米晶粒镶嵌与某种薄膜中构成的复合膜且每层厚度都在纳米量级的单层或多层膜。 8、真空蒸镀:指在高真空中用加热蒸发的方法是源物质转化为气相,然后凝聚在基体表面的方法。 9、超塑性:超塑性是指在一定应力下伸长率≥100%的塑性变形。 10、弹性形变:指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变,当外力撤消后,固体又恢复原状。 11、塑性形变:指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变,当外力撤消后,固体不会恢复原状。 HAII-Petch公式: σ--强度;H--硬度;d--晶粒尺寸;K--常数 纳米复合材料:指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。 14、蠕变:固体材料在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。 15、热塑性:物质在加热时能发生流动变形,冷却后可以保持一定形状的性质。 大题: 纳米粒子的基本特性? (1)小尺寸效应:随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会造成颗粒性质的质变,由于颗粒尺寸的变小,所导致的颗粒宏观物理性质的改变称为小尺寸效应。 (2)表面效应:纳米粒子表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而显著增加,粒子的表面能和表面张力也随着增加,物理化学性质发生变化。(粒度减小,比表面积增大;粒度减小,表面原子所占比例增大;表面原子比内部原子具有更高的比表面能;表面原子比内部原子具有更高的活性) (3)量子尺寸效应:当金属粒子的尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的能级由准连续变为离散能级或能隙变宽的现象。 (4)宏观量子隧道效应:宏观物理量具有的隧道效应。 纳米陶瓷具有较好韧性的原因? (1)纳米陶瓷材料有纳米相,具有纳米材料相关的性能,而纳米材料具有大的界面,界面原子排列相当混乱,原子在外力变形条件下容易迁移,从而表现出优良的韧性,因而纳米陶瓷也具有较好的韧性; (2)纳米级弥散相阻止晶粒长大,起到细晶强化作用,使强度、硬度、韧性都得到提高;(3)纳米级粒子的穿晶断裂,并由硬粒子对裂纹尖端的反射作用而产生韧化。

复合重点学习的材料重点学习的教学大纲纲要.doc

复合材料教学大纲

《复合材料》教学大纲 一、课程名称:复合材料 二、学分、学时: 2 学分、 32 学时 三、教学对象: 06 级应用化学本科 四、课程性质、教学目标 《复合材料》是应用化学专业的一门学科基 础课程,选修。复合材料是包括多学科、多领域 的一门综合性学科。 本课程以恰当的比例分别对复合材料的各种增强材料、复合材料的各种基体材料以及聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料等的性能、制备、应用和发展动态进行了较为系统的讨论。使学生在已有的材料科学的基础上,较为系统地学习复合材料的各种基体材料和增强材料,以及各种复合材料的性能、制备方法与应用,了解材料的复合原理,以及复合材料的发展方向。从而丰富和拓宽学生在材料及材料学方面的知识。 五、课堂要求 要求认真随堂听课,认真阅读指定教材,广泛查阅有关复合材料方面的最新资料。按教学要求完成专题综述论文的撰写,并进行课堂交流。 六、教学内容与基本要求 (一)绪论( 2 学时) 复合材料的国内外发展状况及今后的发展

方向;复合材料的分类;复合材料的基本性能;复合材料的增韧增强原理;复合材料的特性;复合材料的应用。 基本要求:掌握复合材料的基本性能及分类,了解复合材料的应用。 (二)材料的基体材料(6学时) 金属材料:金属的结构与性能、各种合金材料; 陶瓷材料:包括水泥、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷; 聚合物材料:聚合物的种类、结构与性能,复合材料选用聚合物的原则。 基本要求:掌握常用基体材料的种类、结构性能及其选用的原则。 (三)材料的增强材料(6学时) 玻璃纤维及其制品的分类、制备、性能与应用; 碳纤维的分类、制备、性能与应用; 陶瓷纤维、芳纶纤维、晶须的制备、性能与应用; 填料(高岭土、石墨、烹饪土、烹饪土、碳酸钙、化石粉等)的性能与应用。

西工大-复合材料原理复习题及答案(仅供参考)

精品文档 1.为什么Nicalon sic 纤维使用温度低于1100℃?怎样提高使用温度? 从热力学上讲,C-SIO 2界面在1000℃时界面气相CO 压力可能很高,相应的O 2浓度也较高。只有O 2扩散使界面上O 2浓度达到较高水平时,才能反应生成CO 。但是温度较低时扩散较慢,因此C-SiO 2仍然在1000℃左右共存。 当温度升到1100℃,1200℃时,CO 的压力将会更高,此时O 2的浓度也较高,而扩散速度却加快。因而,SiC 的氧化速度加快,导致Nicalon 纤维在1100℃,1200℃时性能下降很快。 要提高Nicalon 纤维的使用温度,需降低Nicalon 纤维的游离C 和O 的含量,以防止游离C 继续与界面O 反应。 2.复合材料的界面应力是怎样产生的?对复合材料的性能有何影响? 复合材料的界面应力主要是由于从制备温度冷却到室温的温度变化△T 或是使用过程中的温度变化△T 使得复合材料中纤维和基体CTE (coefficient of thermal expansion 热膨胀系数?)不同而导致系统在界面强结合的情况下界面应力与△T 有着对应关系;在界面弱结合的情况下,由于滑移摩擦引起界面应力。 除了热物理不相容外,还有制备过程也能产生很大甚至更大的界面应力。如:PMC 的固化收缩,MMC 的金属凝固收缩,CMC 的凝固收缩等。 △CTE 限制界面应力将导致基体开裂,留下很多裂纹,裂纹严重时将使复合材料解体,使复合材料制备失败,或是使其性能严重下降,△CTE 不大时,弹塑性作用,不会出现裂纹。而对于CMC ,即使不会出现明显的裂纹,基体也已经出现了微裂纹。这些微裂纹对复合材料的性能不会有很的影响,相反,这些微裂纹对CMC 复合材料的增韧有帮助,因为微裂纹在裂纹扩展过程中将会再主裂纹上形成很多与裂纹而消耗能量,从而达到增韧的目的。 3.金属基复合材料界面控制的一般原则是什么? 金属基复合材料要求强结合,此时能提高强度但不会发生脆性破坏。均存在界 面化学反应趋势,温度足够高时将发生界面化学反应,一定的界面化学反应能增加界面的结合强度,对增强有利。过量的界面化学反应能增加界面的脆性倾向对增韧不利。因此,MMC 的界面化学反应是所希望的,但是应该控制适度。 具体原则有: 纤维表面涂层处理:改善润湿性,提高界面的结合强度,并防止不利的界面反应。 基体改性:改变合金的成分,使活性元素的偏聚在f/m 界面上降低界面能,提高润湿性。 控制界面层:必须考虑界面层的厚薄,以及在室温下熔体对纤维及纤维表面层的溶解侵蚀。纤维及其表面层金属熔体中均具有一定的溶解度。因而,溶解和侵蚀是不可避免的。 4.为什么玻璃陶瓷/Nicalon 复合材料不需要制备界面层? 氧化物玻璃基体很容易与Nicalon SiC 纤维反应:SiC+O 2=SiO 2+C 这一反应可以被利用来制备界面层。 氧化物玻璃基体与Nicalon SiC 纤维还可能发生其它氧化反应,但由于需要气相产物扩散离开界面,因为其他热力学趋向很大,但反应驱动力相对较小。因上述反应生成的SiO 2 在SiO 2基玻璃中很容易溶入玻璃基体。如果使用的玻璃基体不发生饱和分相的话,反应的结果将在界面上生成C 界面层或纤维的表面层,因而不需要预先制备界面层,这就是玻璃陶瓷的最大优点。 5.复合材料有哪三个组元组成,作用分别是什么? 复合材料是由:基体,增强体,界面。 基体:是复合材料中的连续相,可以将增强体粘结成整体,并赋予复合材料一 定形状。有传递外界作用力,保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。 增强体:主要是承载,一般承受90%以上的载荷,起着增大强度,改善复合材 料性能的作用。 界面:1.传递作用:载荷施加在基体上,只有通过界面才能传递到增强体上, 发挥纤维的承载能力,所以界面是传递载荷的桥梁。 2.阻断作用:结合适当的界面有阻止裂纹扩展,中断材料破坏,减缓应力集中的作用。 3.保护作用:界面相可以保护增强体免受环境的腐蚀,防止基体与增强体 之间的化学反应,起到保护增强体的作用。 6. 请说明临界纤维长度的物理意义? 能够达到最大纤维应力,即极限强度σfu 的最小纤维长度,称为临界长度Lc ,临界纤维长度是载荷传递长度的最大值。 L

工程复合材料复习题

土木工程复合材料及应用技术复习思考题 一、名词解释: 1、复合材料 2、土工合成材料 3、比强度 4、混杂复合材料 5、纤维临界体积率 6、混合律 7、功能复合材料 8、结构复合材料 9、Ο95 10、纤维临界长度11、界面粘结系数12、韧性13、压缩韧度指数14、弯曲韧度指数15、韧度16、冲击韧性17、疲劳试验荷载循环特征值18、单体19、高聚物20、疲劳试验应力比21、链节22、土工材料抗拉强度23、加聚反应24、聚灰比25、缩聚反应26、沥青玛蹄脂碎石混合料27、透水率28、导水率29湿热效应30相容性31物理相容性32化学相容性32润湿性32界面工程33复合材料界面34复合效应35诱导效应36蠕变37降解反应38交联反应39钢纤维的回弹率40改性沥青41沥青外掺剂(改性剂)42调和沥青43沥青稳定碎石44集料毛体积相对密度45集料视相对密度46集料有效相对密度47沥青吸收量48混合料的有效沥青含量49组合集料毛体积相对密度 二、是非题: 1、纤维复合材料其纤维含量越高,力学性能越好。() 2、纤维与基体之间的界面强度越高越好。() 3、因钢纤维不耐腐蚀,钢纤维水泥混凝土其抗氯离子侵蚀的能力差。( ) 4、镦头形钢纤维混凝土较长直形钢纤维混凝土力学性能好。() 5、钢纤维水泥混凝土集料最大粒径不宜超40mm。() 6、钢纤维水泥混凝土其砂率较普通水泥混凝土低。() 7、钢纤维水泥混凝土其水泥用量较普通混凝土低。() 8、钢纤维水泥混凝土其分散系数越小,表示钢纤维分布越均匀。() 9、钢纤维水泥混凝土从均匀性方面看其钢纤维长径比不宜超过60。( ) 10、钢纤维水泥混凝土采用坍落度评定其工作性。() 11、钢纤维与水泥基间界面孔隙率低于基体。()

复合材料原理

复合材料 1、定义复合材料由两种或两种以上不同性质的单一材料,通过不同复合方法得到的宏观多相材料。 复合材料主要由基体和增强体(对功能材料称功能体)组成 作用: A、结构复合材料: 增强体:在结构复合材料中主要起承受载荷的作用; 基体:起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。 B、功能复合材料: 基体:主要起连接作用; 功能体:是赋予复合材料以一定的物理、化学功能。 2. 分类 (1)基体种类 树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料 (2)增强材料 形状:颗粒、晶须、纤维、织物 类型: 无机和有机材料 (3)用途 结构复合材料、功能复合材料 3. 复合材料特点 (1)可设计性 复合材料的力学、热、电、声、光等物理化学性能都可通过组分材料的选择、界面控制等设计手段达到。 (2)材料与结构的一致性 复合材料的构件与材料同时形成。 (3)存在复合效应区别于任意混杂材料 复合材料的性能不是其组分材料性能的简单叠加,可以产生新的性能。 4.复合材料的复合效应 复合效应; 1.线性效应: 平均效应平行效应互补效应相抵效应 2.非线性效应 相乘效应诱导效应共振效应系统效应 5.材料的复合效果 1.组分效果 只把组分的相对组成作为变量,不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响时产生的效果。 2.结构效果 ①几何形态(形状)②分布状态③尺度 3.界面效果 界面是影响基体与增强体或功能体复合效果的主要因素。界面结构(物理和化学结构)的变化会引起复合材料性能的明显变化。 6.复合材料性质

①固有性质 材料性质的直观表现,只与组分含量有关 ②传递性质 与组分含量、几何形状及分布、尺寸均有关 ③强度性质 不是各相性能的简单叠加,除与组分含量、几何形状及分布、尺寸有关,还与外场分布、界面有关. ④转换性质 影响因素较多,除了前述因素外,还与各组分之间的相互作用有关。 7.复合材料的界面状态解析 界面 密切接触的两相之间的过渡薄层区域,厚度约几个分子大小,称为界面。 表面: 一相为气体的界面. 比表面积:单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。 8.表面张力/界面张力的影响因素 ①分子间作用力 金属键物质>离子键物质>极性分子物质(水)>弱极性物质(丙酮)>非极性物质(液氢、液氯)一般,极性液体比非极性液体大,固体比液体大 ②接触相性质有关。 与不同物质接触时,表面层分子受到的力场不同,致使表面张力不同。 ③温度 表面张力随温度不同而不同,大多数物质γ随温度升高而降低 化学吸附和物理吸附的比较 性质物理吸附化学吸附 吸附作用力范德华力化学键力 吸附热小大 吸附层数多分子层单分子层 吸附选择性无有 吸附稳定性不稳定,易解吸较稳定,难解吸 吸附速率快,不需活化能慢,需活化能 吸附温度低高 9.接触角 在气、液、固三相交界点处,所作的气-液界面的切线穿过液体与液-固交界线之间的夹角,用θ表示。 (1)γsv<γsl时,θ>90°,不润湿; (2)γlv>γsv-γsl,0°<θ<90°,润湿; (3)γsv- γsl =γlv,θ=0°,铺展。 例如:水能润湿洁净玻璃,而水银则不能。将一根毛细玻璃管插入水中,管内液面将上升;当毛细管插入水银时,管内液面将下降。 10.良好粘附的表面化学条件应是: 1)被粘附体的临界表面张力γC要大,以保证良好润湿。 2)粘附功要大,以保证牢固粘附。 3)粘附面的界面张力γSL要小,以保证粘附界面的热力学稳定。 4)粘附剂与被粘附体间相溶性要好,以保证粘附界面的良好键合和保持强度。为此润

复合材料原理复习题2009

2009年硕士研究生《复合材料原理》复习题 1.为什么Nicalon sic纤维使用温度低于1100℃?怎样提高使用温度? 从热力学上讲,C-SIO2界面在1000℃时界面气相CO压力可能很高,相应的O2浓度也较高。只有O2扩散使界面上O2浓度达到较高水平时,才能反应生成CO。但是温度较低时扩散较慢,因此C-SiO2仍然在1000℃左右共存。 当温度升到1100℃,1200℃时,CO的压力将会更高,此时O2的浓度也较高,而扩散速度却加快。因而,SiC的氧化速度加快,导致Nicalon纤维在1100℃,1200℃时性能下降很快。 要提高Nicalon纤维的使用温度,需降低Nicalon纤维的游离C和O的含量,以防止游离C继续与界面O反应。 2.复合材料的界面应力是怎样产生的?对复合材料的性能有何影响? 复合材料的界面应力主要是由于从制备温度冷却到室温的温度变化△T或是使用过程中的温度变化△T使得复合材料中纤维和基体CTE不同而导致系统在界面强结合的情况下界面应力与△T有着对应关系;在界面弱结合的情况下,由于滑移摩擦引起界面应力。 除了热物理不相容外,还有制备过程也能产生很大甚至更大的界面应力。如:PMC的固化收缩,MMC的金属凝固收缩,CMC的凝固收缩等。 △CTE限制界面应力将导致基体开裂,留下很多裂纹,裂纹严重时将使复合材料解体,使复合材料制备失败,或是使其性能严重下降,△CTE不大时,弹塑性作用,不会出现裂纹。而对于CMC,即使不会出现明显的裂纹,基体也已经出现了微裂纹。这些微裂纹对复合材料的性能不会有很的影响,相反,这些微裂纹对CMC复合材料的增韧有帮助,因为微裂纹在裂纹扩展过程中将会再主裂纹上形成很多与裂纹而消耗能量,从而达到增韧的目的。 3.金属基复合材料界面控制的一般原则是什么? 金属基复合材料要求强结合,此时能提高轻度但不会发生脆性破坏。 均存在界面化学反应趋势,温度足够高时将发生界面化学反应,一定的界面化学反应能增加界面的结合强度,对增强有利。过量的界面化学反应能增加界面的脆性倾向对增韧不利。因此,MMC的界面化学反应是所希望的,但是应该控制适度。 具体原则有: 纤维表面涂层处理:改善润湿性,提高界面的结合强度,并防止不利的界面反应。 基体改性:改变合金的成分,是活性的偏聚在f/m界面上降低界面能,提高润湿性。 控制界面层:必须考虑在室温下熔体对纤维及纤维表面层的溶解侵蚀。纤维及其表面层金属熔体中均具有一定的溶解度。因而,溶解和侵蚀是不可避免的。

新材料科学导论期末复习题有复习资料版

一、填空题: 1.材料性质的表述包括力学性能、物理性质和化学性质。 2.化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。 3.材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。 4.材料科学与工程有四个基本要素,它们分别是:使用性能、材料的性质、制备/加工和结构/成分。 5.按组成和结构分,材料分为金属材料,无机非金属材料,高分子材料和复合材料。 6.高分子材料分子量很大,是由许多相同的结构单元组成,并以共价键的形式重复连接而成。 7.复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。 8.聚合物分子运动具有多重性和明显的松弛特性。 9.功能复合材料是指除力学性能以外,具有良好的其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料。如有 光,电,热,磁,阻尼,声,摩擦等功能。 10.材料的物理性质表述为光学性质、磁学性质、电学性质和热学性质。 11.由于高分子是链状结构,所以把简单重复(结构)单元称为链节,简单重复(结构)单元的个数称为聚 合度。 12.对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时,两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料,其性能显示 为增强体与基体的互补。(ppt-复合材料,15页) 13.影响储氢材料吸氢能力的因素有:(1)活化处理;(2)耐久性(抗中毒性能); (3)抗粉末化性能;(4)导热性能;(5)滞后现象。 14.典型热处理工艺有淬火、退火、回火和正火。 15.功能复合效应是组元材料之间的协同作用与交互作用表现出的复合效应。复合效应表现线性效应和非线性效 应,其中线性效应包括加和效应、平均效应、相补效应和相抵效应。 16.新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。 17.功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。功能高 分子材料的制备主要有以下三种基本类型: ①功能小分子固定在骨架材料上; ②大分子材料的功能化; ③已有功能高分子材料的功能扩展; 18.材料的化学性质主要表现为催化性能和抗腐蚀性。 19.1977年,美国化学家MacDiarmid,物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金 属的导电特性,并因此获得2000年诺贝尔化学奖。 20.陶瓷材料的韧性和塑性较低,这是陶瓷材料的最大弱点。 第二部分名词解释

(完整版)复合材料期末复习

复合材料复习资料 1复合材料的定义? 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合后的产物为固体时才称为复合材料,若为气体或液体,就不能成为复合材料。 2复合材料的分类: 1)按基体材料类型分为:聚合物基复合材料;金属基复合材料;无机非金属基复合材料。 (始终有基字) 2)按增强材料分为:玻璃纤维复合材料;碳纤维复合材料;有机纤维复合材料;金属纤维复合材料;陶瓷纤维复合材料(始终有纤维二字) 3)按用途分为:功能复合材料和结构复合材料。(两种的区别) 结构复合材料主要用做承载力和此承载力结构,要求它质量轻、强度和刚度高,且能承受一定温度。功能复合材料指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料,即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。 3复合材料的基体:金属基---对于航天与航空领域的飞机、卫星、火箭等壳体和内部结构,要求材料的质量小、比强度和比模量高、尺寸稳定性好,选用镁、铝合金等轻金属合金做基体。对于高性能发动机,要求材料具有高比强度、高比模量、优良的耐高温性能,同时能在高温、氧化环境中正常工作,可以选择钛基镍基合金以及金属间化合物作为基体材料;对于汽车发动机,选用铝合金基体材料;对于电子集成电路,选用银铜铝等金属为基体。 轻金属基体—铝基、镁基,使用温度在450℃左右或以下使用,用于航天及汽车零部件。连续纤维增强金属基采用纯铝或单相铝合金,颗粒、晶须增强…采用高强度铝 合金。 钛基,使用温度在650℃(450-700),用作高性能航天发动机 镍基、铁基钴基及金属间化合物,使用温度在1200℃(1000℃以上),耐高温 4聚合物基体 一)简答题(各自优缺点) 聚合物基复合材料的聚合物基主要有:不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等热固性树脂。各自优缺点:

复合材料原理作业

1、复合材料的概念?复合材料的命名方式?复合材料区别于单一材料的主要特点? 2、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用? 3、复合材料有哪些优点?存在的主要问题是什么? 4、试分析复合材料的应用及发展。 5、简述复合材料的复合效应。 1.答:复合材料是指有两种或两种以上不同性质的单一材料,通过不同复合方法所得到的宏观多相材料。复合材 料的命名方式是将增强材料的名称放在前面,基体材料的名称放在后面,再加上“复合材料”。复合材料区别于单一材料的主要特点是:(1)材料与结构的一致性性;(2)材料性能的可设计性。 2.答:增强体和功能体在复合材料中起的主导作用有:(1)填充;(2)增强;(3)赋予功能。 3.答:复合材料的优点有:(1)强度高;(2)耐腐蚀;(3)耐高温;(4)质量轻。存在的主要问题是(1)性能不 够完善;(2)生产时手糊工艺效率低;(3);回收处理困难 4.答:复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料,它可以发挥各种材料的优点,克服 单一材料的缺陷,扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点,已逐步取代木材及金属合金,广泛应用于航空航天、汽车、电气、、健身器材等领域,在近几年更是得到了飞速发展。复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用,具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛,与传统材料相比有很多优点,特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。重点发展回收(粉碎回收)、化学回收(热裂解)和能量回收,加强技术路线、综合处理技术研究,示范生产线建设,再生利用研究,大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、在拉挤制品中的应用。21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热下使用的复合材料为重点,构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化,这将更充分的利用各方面的资源(技术资源、物质资源),紧密联系各方面的优势,以推动复合材料工业的进一步发展。 5.答:复合材料的复合效应是复合材料特有的一种效应,包括线性效应和非线性效应两类。线性效应包括平均效 应、平行效应、相补效应和相抵效应。相补效应和相抵效应常常是共同存在的,相补效应是希望得到的,而相抵效应要尽量能够避免。平均效应、相乘效应、平行效应、诱导效应、相补效应、共振效应、相抵效应、系统效应等各种复合效应。 1.复合材料的结构类型有哪些,材料的复合效果怎么分类? 2.复合材料常见的模型有哪些,复合材料的性质如何分类? 1. 答:复合材料的结构类型有,0-3型结构、1-3型结构、2-2型结构、2-3型结构、3-3型结构。材料的复合效果大致归结为(1) 组分效果(2)结构效果(3)界面效果,其中结构效果又可分为形状效果、取向效果、尺度效果。 2. 答:复合材料常见的模型有:(1)同心球壳模型(2)同轴圆柱模型(3)片状模型,复合材料的性质分为固有性质、传递性质、 强度性质、转换性质。 1.答:复合材料界面效应归为四类: (1)分割效应:一个连续体被分割成许多区域,分析尺寸大小、中断强度、分散情况等对基体的力学性能的影响;(2)不连续效应:在界面上引起的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象,如电阻、介电特性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等; (3)散热和吸收效应:光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收,如透光性、隔热性、隔音性、

陶瓷基复合材料增强机制机理

陶瓷基复合材料增强机制、机理的研究现状及展望 陶瓷基复合材料(CMC),一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。本文将介绍陶瓷基复合材料这种新型复合材料的机理和研究现状及展望。 与常规材料和非陶瓷复合材料相比,陶瓷材料具有耐高温、抗腐蚀、超硬度抗氧化和抗烧结等优异性能。作为高温结构材料,尤其作为航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位结构用材料具有很大的潜力。因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高技术新材料而给以重点研究和发展并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划,出现了陶瓷热,然而,常规结构陶瓷还存在缺陷和问题,主要是材料的脆性,可靠性不高等,应用于现在科技领域还有许多问题急需研究解决。陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于他可以改善陶瓷基材料的力学性能,特别是脆性,因此陶瓷基复合材料的发展和研究将成为陶瓷大规模应用计划取得成功的关键。 陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料,使之增强、增韧的多相材料,又称为多相复合陶瓷或复相陶瓷。陶瓷基复合材料是2O世纪8O年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料,包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点,在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用,成为理想的高温结构材料。 连续纤维增强复合材料是以连续长纤维为增强材料,金属、陶瓷等为基体材料制备而成。金属基复合材料是以陶瓷等为增强材料,金属、轻合金等为基体材料而制备的。从20世纪60年代起各国都相继对金属基复合材料开展了大量的研究,因其具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点而被应用于航天航空及汽车工业。陶瓷材料具有熔点高、密度低、耐腐蚀、抗氧化和抗烧蚀等优异性能,被广泛用于航天航空、军事工业等特殊领域。但是陶瓷材料的脆性大、塑韧性差导致了其在使用过程中可靠性差,制约了它的应用范围。而纤维增强陶瓷基复合材料方面克服了陶瓷材料脆性断裂的缺点,另一方面保持了陶瓷本身的优点。 1.材料的选择 基体选择 用于连续纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料有很多种, 与纤维之间的面相容性是衡量其好坏的重要指标之一, 此外还应考虑其弹性模量、挥发性、抗蠕变和抗氧化等性能。基体材料主要有以下3类: 第1类是玻璃及玻璃陶瓷基体:此类基体的优点是可以在较低温度下制备纤维( 特别是N-icalon纤维) 不会受到热损伤, 因而具有较高的强度保留率; 同时, 在制备过程中可通过基体的粘性流动来进行致密化, 增韧效果好。但其致命的缺点是

复合材料原理考试总结整理

复合材料原理 第一章 1.聚合物基复合材料的性能特点是什么? (1) 密度低;(2) 耐腐蚀;(3) 易氧化、老化;(4) 聚合物的耐热性通常较差;(5) 易燃;(6) 低的摩擦系数;(7) 低的导热性和高的热膨胀性;(8) 极佳的电绝缘性和静电积累;(9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。(10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。 2.复合材料区别于单一材料的主要特点是什么? 1、不仅保持原组分的部分优点,而且具有原组分不具备的特性 2、区别于单一材料的另一显著特性是材料的可设计性 3、材料与结构的一致性 3.增强体和功能体在复合材料中代表性的作用是什么? (1)填充,用廉价的增强体,特别是颗粒状填料可降低成本。(2)增强,纤维状或片状增强体可提高聚合物基复合材料的力学性能和热性能。其效果在很大程度上取决于增强体本身的力学性能和形态等。(3)赋予功能,功能体可赋予聚合物基体本身所没有的特殊功能。功能体的这种作用主要取决于它的化学组成和结构 第二章 1.复合效应特点? 1.线性效应:平均效应平行效应互补效应相抵效应 2.非线性效应:相乘效应诱导效应共振效应系统效应 线性效应:线性指量与量之间成正比关系。 非线性效应:非线性指量与量之间成曲线关系。 1.平均效应:是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。 2.平行效应:增强体(如纤维)与基体界面结合很弱的复合材料所显示的复合效应,可以看作是平行效应。 3.相补效应:组成复合材料的基体与增强体,在性能上能互补,从而提高了综合性能,则显示出相补效应。 4.相抵效应:基体与增强体组成复合材料时,若组分间性能相互制约,限制了整体性能提高,则复合后显示出相抵效应。 1.相乘效应:两种具有转换效应的材料复合在一起,有可能发生相乘效应。 2.诱导效应:在一定条件下,复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。 3.共振效应:两相邻的材料在一定条件下,会产生机械的或电、磁的共振。 4.系统效应:这是一种材料的复杂效应,至目前为止,这一效应的机理尚不很清楚。 2.典型复合材料结构? (1)0-3型结构这是基体为三维连续相,而增强体或功能体以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。 (2)1-3型结构这种结构的基体仍为三维连续相,而增强体则为纤维状一维材料。 (3)2-2型结构这是一种由两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。 (4)2-3型结构在这类复合材料结构中,基体相仍为三维连续相,而增强体或功能体为二维结构的片状材料。 (5)3-3型结构这种结构的基体相为三维连续相,而增强体或功能体为三维网状结

复合材料期末复习

复合材料C 复习 第一章概论 1. 复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 三要素:基体(连续相)增强体(分散相)界面(基体起粘结作用并起传递应力和增韧作用) 复合材料的特点:(明显界面、保留各组分固有物化特性、复合效应,可设计性) (嵌段聚合物、接枝共聚物、合金:是不是复合材料) 2、复合材料的命名 /Al f(纤维),w(晶须),p(颗粒)比如:TiO 2p 3. 复合材料的分类: 1) 按基体材料类型分为: 聚合物基复合材料;金属基复合材料;无机非金属基复合材料(陶瓷基复合材料)。 2)按增强材料分为: 玻璃纤维增强复合材料;碳纤维增强复合材料;有机纤维增强复合材料;晶须增强复合材料;陶瓷颗粒增强复合材料。 3) 按用途分为:功能复合材料和结构复合材料。 结构复合材料主要用做承载力和此承载力结构,要求它质量轻、强度和刚度高,且能承受一定温度。

功能复合材料指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料,即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。 第二章增强体 1、增强体 定义:结合在基体内、用以改进其力学等综合性能的高强度材料。 要求: 1) 增强体能明显提高基体某种所需性能;2) 增强体具有良好的化学稳定性;3) 与基体有良好润湿性。 分类: f,w,p 2、纤维类增强体 特点:长径比较大;柔曲性;高强度。 v玻璃纤维 主要成分:SiO 2 性能:拉伸强度高;较强耐腐蚀;绝热性能好。(玻璃纤维高强的原因(微裂纹)及影响因素(强度提升策略:减小直径、减少长度、降低含碱量,缩短存储时间、降低湿度等)) 分类:无碱(E玻璃)、有碱(A玻璃) 制备:坩埚法(制球和拉丝)、池窑法(熔融拉丝)。 浸润剂作用:(i) 粘结作用,使单丝集束成原纱或丝束;(ii) 防止纤维表面聚集静电荷;(iii)进一步加工提供所需性能;(iv) 防止摩擦、划伤。(无偶联剂作用)

复合材料原理期末.

复合材料:由两种或两种以上不同性质的单一材料,通过不同复合方法所得到的宏观多相材料。主要特征:多相结构存在着复合效应。 特点: 1、不仅保持原组分的部分优点,而且具有原组分不具备的特性 2、区别于单一材料的另一显著特性是材料的可设计性 3、材料与结构的一致性 工程应用的角度分类:结构复合材料和功能复合材料 复合材料的组成: A、结构复合材料: 增强体:在结构复合材料中主要起承受载荷的作用; 基体:起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。 B、功能复合材料: 基体:主要起连接作用; 功能体:是赋予复合材料以一定的物理、化学功能。 界面的功能:传递应力、粘结与脱粘。

材料的复合效应 线性效应:线性指量与量之间成正比关系。 非线性效应:非线性指量与量之间成曲线关系。 1)平均效应:是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。 2)平行效应:增强体(如纤维)与基体界面结合很弱的复合材料所显示的复合效应,可以看 作是平行效应。 3)相补效应:组成复合材料的基体与增强体,在性能上能互补,从而提高了综合性能, 则显示出相补效应。 4)相抵效应:基体与增强体组成复合材料时,若组分间性能相互制约,限制了整体性能 提高,则复合后显示出相抵效应。 1.相乘效应:两种具有转换效应的材料复合在一起,有可能发生相乘效应。 Eg:把具有电磁效应的材料与具有磁光效应的材料复合时,将可能产生复合材料的电光效应。 2.诱导效应:在一定条件下,复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材 料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。 3.共振效应:两相邻的材料在一定条件下,会产生机械的或电、磁的共振。 4.系统效应:这是一种材料的复杂效应,至目前为止,这一效应的机理尚不很清楚。 1)、两相复合体系有l0种可能的连通性复合材料结构(0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3); 2)、三个相组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性; 3)、四个相时,它可能存在35种连通性。 (1)0-3型结构这是基体为三维连续相,而增强体或功能体以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。 (2)1-3型结构这种结构的基体仍为三维连续相,而增强体则为纤维状一维材料。 (3)2-2型结构这是一种由两种组分材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料。 (4)2-3型结构在这类复合材料结构中,基体相仍为三维连续相,而增强体或功能体为二维结构的片状材料。 (5)3-3型结构这种结构的基体相为三维连续相,而增强体或功能体为三维网状结构或块状

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1过冷度:金属的理论结晶温度和实际结晶温度的差值 2均质形核:在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程 3异质形核:在不均匀的熔体中依靠外来杂质或者型壁面提供的衬底进行形核的过程 4异质形核速率的大小和两方面有关,一方面是过冷度的大小,过冷度越大形核速率越快。二是和界面有关界面和夹杂物的特性形态和数量来决定,如果夹杂物的基底和晶核润湿,那么形核速率大。 5形核速率:在单位时间单位体积内生成固相核心的数目 6液态成型:将液态金属浇入铸型之,凝固后获得具有一定形状和性能的铸件或者铸锭的方法 7复合材料:有两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成一种多相固体 8定向凝固:使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法 9溶质再分配系数:凝固过程当中,固相侧溶质质量分数和液相侧溶质质量分数的比值 10流动性是确定条件下的充型能力,液态金属本身的流动能力叫做流动性 11液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔获得完整轮廓清晰的铸件能力 影响充型能力的因素:(1)金属本身的因素包括金属的密度、金属的比热容、金属的结晶潜热、金属的粘度、金属的表面张力、金属的热导率金属的结晶特点。(2)铸型方面的因素包括铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型的密度、铸型的比热容、铸型的涂料层、铸型的透气性和发气性、铸件的折算厚度(3)浇注方面的因素包括液态金属的浇注温度、液态金属的静压头、浇注系统中的压头总损失和。 12影响液态金属凝固过程的因素:主要因素是化学成分冷却速度是影响凝固过程的主要工艺因素液态合金的结构和性质以及冶金处理(孕育处理、变质处理、微合金化)等对液态金属的凝固也有重要影响 13液态金属凝固过程当中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流,自然对流是由于密度差和凝固收缩引起的流动,由密度差引起的对流成为浮力流。凝固过程中由传热。传质和溶质再分配引起液态合金密度的不均匀,密度小的液相上浮,密度大的下沉,称为双扩散对流,凝固以及收缩引起的对流主要主要产生在枝晶之间,强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力产生的对流,例如压力头。机械搅动、铸型震动、外加磁场。 14铸件的凝固方式:层状凝固方式(动态凝固曲线之间的距离很小的时候)、体积凝固方式(动态凝固曲线之间的距离很大的时候)、中间凝固方式(介于中间情况的时候)、 15影响铸件凝固方式的因素有二:一是合金的化学成分,二是铸件断面上的温度梯度。 16热力学能障动力学能障:热力学能障是右被迫处于高自由能过度状态下的界面原子产生的他能直接影响系统自由能的大小,动力学能障是由于金属原子穿越界面过程引起的,他与驱动力的大小无关,而仅仅取决于界面的结构和性质,例如激活自由能。单从热力学条件来看,液相的自由能已经大于固相的自由能,固相为稳定相,相变应该没有能障,但是要想液相原子具有足够的的能量越过高能界面,还需动力学条件,因此液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个

西工大-复合材料原理复习题及答案(仅供参考)

7 .试解释以下复合材料力学性能随纤维体积分数及温 度变化的原因 因为 SiC 的 CTE 为 5E-6 C -1 ,Al 2O 3 的 CTE 为 9.5E-6 C -1 ,而 TiAl 的 CTE 为 11E-6 C -1 。由此可见 SiC 纤维与 TiAl 基体的CTE 相差较大,而AI 2O 3纤维 与TiAl 基体的CTE 相差较小。所以从高温冷却到常温 过程中:Ultra-SCS/ -TiAl 复合材料中因CTE 差异而 产生的应力比Nextel610/ -TiAl 复合材料中因CTE 差异产生的应力要大。 两种复合材料在室温时纤维的弹性模量均高于基 体,根据复合 法 贝U 8.试分析以 定热解碳界面 E=(E f -E m )V f + E m ,因此随着纤维体积分数增加复合 材 料的E 也增加,但对于 Ultra-SCS/ -TiAl 复合材 料, 纤维体积分数达到30%,由于纤维和基体热失 升高而增加,这是因为温度升高纤维与基体热胀系数 差异而产生的应力逐渐减小,所以在一定温度范围内 两种复合材料的强度均随随温度的升高而增加。 (1000 C ) 下两种复合材料:SiC f /CAS 和SiC f /SiC 复合材料是否能够发生界面裂纹偏转(假定两者都无界面层) 。确 层对以上两种材料界面裂纹偏转的影响。 E / E/ 1 1. 为什么Nicalon sic 纤维使用温度低于1100C ?怎样提高使用温度? 从热力学上讲,C-SIO 2界面在1000 C 时界面气相CO 压力可能很高,相应的 02浓度也较高。只有O 2扩散使界面上O 2浓度达到较高水平时,才能反应生成CO 。 但是温度较低时扩散较慢,因此 C-SiO 2仍然在1000 C 左右共存。 当温度升到1100 C, 1200 C 时,CO 的压力将会更高,此时O 2的浓度也较高, 而扩散速度却加快。因而,SiC 的氧化速度加快,导致Nicalon 纤维在1100 C ,00 C 时性能下降很快。 要提高Nicalon 纤维的使用温度,需降低 Nicalon 纤维的游离C 和O 的含量, 以防止游离C 继续与界面O 反应。 2. 复合材料的界面应力是怎样产生的?对复合材料的性能有何影响? 复合材料的界面应力主要是由于从制备温度冷却到室温的温度变化AT 或是使用 过程中的温度变化AT 使得复合材料中纤维和基体 CTE ( coefficient of thermal expansion 热膨胀系数?)不同而导致系统在界面强结合的情况下界面应力与AT 有 着对应关系;在界面弱结合的情况下,由于滑移摩擦引起界面应力。 除了热物理不相容外,还有制备过程也能产生很大甚至更大的界面应力。如: PMC 的固化收缩,MMC 的金属凝固收缩,CMC 的凝固收缩等。 △ CT 限制界面应力将导致基体开裂,留下很多裂纹,裂纹严重时将使复合材料 解体,使复合材料制备失败,或是使其性能严重下降,△ 不大时,弹塑性作用, 不会出现裂纹。而对于CMC ,即使不会出现明显的裂纹, 基体也已经出现了微裂纹。 这些微裂纹对复合材料的性能不会有很的影响, 相反,这些微裂纹对CMC 复合材料 的增韧有帮助,因为微裂纹在裂纹扩展过程中将会再主裂纹上形成很多与裂纹而消 耗能量,从而达到增韧的目的。 3 .金属基复合材料界面控制的一般原则是什么? 金属基复合材料要求强结合,此时能提高强度但不会发生脆性破坏。均存在界 面化学反应趋势,温度足够高时将发生界面化学反应,一定的界面化学反应能 增加界面的结合强度,对增强有利。过量的界面化学反应能增加界面的脆性倾 向对增韧不利。因此,MMC 的界面化学反应是所希望的,但是应该控制适度。 具体原则有: 解和侵蚀是不可避免的。 4.为什么玻璃陶瓷/Nicalon 复合材料不需要制备界面层? 氧化物玻璃基体很容易与 Nicalon SiC 纤维反应:SiC+O 2=SiO 2+C 这一反应可 以被利用来制备界面层。 氧化物玻璃基体与Nicalon SiC 纤维还可能发生其它氧化反应,但由于需要气相 产物扩散离开界面,因为其他热力学趋向很大,但反应驱动力相对较小。因上述 反应生成的SiO 2在SiO 2基玻璃中很容易溶入玻璃基体。如果使用的玻璃基体 不发生饱和分相的话,反应的结果将在界面上生成 C 界面层或纤维的表面层, 因而不需要预先制备界面层,这就是玻璃陶瓷的最大优点。 5 .复合材料有哪三个组元组成,作用分别是什么? 复合材料是由:基体,增强体,界面。 基体:是复合材料中的连续相,可以将增强体粘结成整体,并赋予复合材料一 定形状。有传 递外界作用力,保护增强体免受外界环境侵蚀的作用。 增强体:主要是承载,一般承受90%以上的载荷,起着增大强度,改善复合材 料性能的作 用。 界面:1.传递作用:载荷施加在基体上,只有通过界面才能传递到增强体上, 发挥纤维的承 载能力,所以界面是传递载荷的桥梁。 2.阻断作用:结合适当的界面有阻止裂纹扩展,中断材料破坏,减缓应力 集中的作 用。 3. 保护作用:界面相可以保护增强体免受环境的腐蚀,防止基体与增强体 之间的化学反应,起到保护增强体的作用。 6.请说明临界纤维长度的物理意义? 能够达到最大纤维应力,即极限强度 和的最小纤维长度,称为临界长度 Lc ,临 界纤维长度是载荷传递长度的最大值。 L L (时,纤维能够承受最大载荷(最大应力),达到增强的效果复合材料断 裂破坏后 能在断口上观察到纤维的断裂、拔出、脱粘现象。 纤维表面涂层处理:改善润湿性,提高界面的结合强度,并防止不利的界面 反应。 基体改性:改变合金的成分,使活性元素的偏聚在 f/m 界面上降低界面能, 提高润湿性。 控制界面层:必须考虑界面层的厚薄,以及在室温下熔体对纤维及纤维表面 层的溶解侵蚀。纤维及其表面层金属熔体中均具有一定的溶解度。因而,溶 精品文档 Fibers R MPa E/GPa a /E-6 C -1 SiC 2070 420 5 Al 2O 3 1100 380 9.5 TiAl 11 Property SiC f CAS SiC PyC Modulus(GPa) 270 100 400 6.9 0.2 0.2 0.2 0.17 Fracture Energy(J/m 2) 5 20 5 1.4 E =E/(1-v 2) (GPa) 281.25 104.17 416.67 7.11

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