复合材料作业
玻璃纤维增强陶瓷复合材料的研究进展
摘要：陶瓷复合材料是指用玻璃聚合物或可生物降解聚合物作为基体，玻璃纤维作为增强材料的复合材料。概述了用于陶瓷复合材料的可生物降解的聚合物和玻璃纤维的改性研究进展及其模塑成型的陶瓷复合材料的开发应用现状。
关键词：玻璃纤维，生物降解聚合物，玻璃聚合物，陶瓷复合材料。
玻璃工业的蓬勃发展为人们生产、生活提供了许多性能优良的新型材料。在经济发达国家，玻璃产量早已超过钢铁，且这些材料在各个领域的广泛运用推动了社会的发展。但在人们使用玻璃制品的同时，玻璃废弃物已成为当今主要的环境问题之一。据有关部门统计，目前全球玻璃产量为1亿ｔ，其中30%用于包装，且大多数不具备可降解性。中国每年产玻璃超过600万ｔ。这些玻璃加工成各种制品进入市场后，30%可回收使用，70%用后成为工业和生活垃圾，对地球环境造成严重的危害，且白色污染当前已成为危害环境的世界性公害，严重阻碍了经济和环境的可持续发展。为保护环境，玻璃废弃物的回收再利用及绿色玻璃的研究与开发已成为各国的研究热点。特别在世界很多国家，掀起了一股开发由玻璃纤维增强的陶瓷复合材料的热潮。这种陶瓷复合材料易降解或易生物吸收，与传统复合材料相比具有环境友好和陶瓷优势。根据定义，陶瓷复合材料是指由玻璃纤维增强的、玻璃聚合物基或可生物降解聚合物基的复合材
料。目前，市场上已有很多可生物降解的聚合物基体出售，但这些基体不论物理与化学性能多么独特，都因价格高限制了这些材料的广泛使用。本文主要概述用于陶瓷复合材料的可生物降解聚合物和玻璃纤维的改性研究进展及其模塑成型的陶瓷复合材料的开发应用现状。
一：可生物降解聚合物基体
用于陶瓷复合材料的可生物降解聚合物一般分为三种：生物合成聚合物（Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ），半生物合成聚合物（Ｓｅｍｉ-ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ），化学合成聚合物（Ｃｈｅｍｏ-ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ）。1.1 生物合成聚合物生物合成聚合物是指利用玻璃资源生产的聚合物。淀粉就是最普通的一种玻璃的多羟基聚合物，在引入适量增塑剂（如水、多元醇等）减弱分子间作用力后，能够参照玻璃的加工方法热塑成型。但淀粉的多羟基结构使其具有极强的亲水性，对湿度十分敏感，低湿环境下脱水脆化，高湿环境下吸水丧失固有的力学性能，同时缺乏稳定的回缩性和一定的弹性。由纤维与淀粉制成的复合材料缺乏足够的界面黏合，
不耐冲击，吸水性强，机械性能较差。为了改善纤维与淀粉制成的复合材料的性能，通常将淀粉与其他热塑性聚合物混和使用。最早是淀粉与聚酯混合，其中淀粉含量20%～80%;淀粉还能与聚乙烯醇混合，这种混合物具有热塑性且易加工;淀粉与脂肪族聚酯（特别是聚己内酯ＰＣＬ）混合的研究颇多，目前有些产品已商品化，如Ｎｏ-ｖａｍｏｎｔ公司的Ｍａｔｅｒ-ＢＴＭ的Ｚ系列产品。聚乳酸与淀粉共混尚不成熟，但由于聚乳酸原料成本低、来源广、可再生，且在国际上生产已实现产业化，是最具发展潜力的生物合成类聚合物，业内人士普遍看好其与淀粉共混材料的前景，做了大量的研究性工作。淀粉作为聚合物基体与玻璃纤维增强体一起制成复合材料后，机械性能显著地得到改善。研究结果显示陶瓷复合材料的抗张强度很大程度上取决于纤维的含量。Ｖａｚｑｕｅｓ等人已对聚己内酯淀粉（ＭａｔｅｒＢｉ-Ｚ）为基体的复合材料的性能做了研究，测得复合材料的弹性模量和机械强度分别高达700ＭＰａ和15ＭＰａ，而基体则只有37ＭＰａ和7.3ＭＰａ。淀粉还可通过表面处理改善与合成聚合物之间的相容性。有人建议用己内酯ｎ单体和戍内酯单体处理淀粉，促进聚酯链共价嫁接到淀粉之中。纤维素是另一种玻璃聚合物。纤维素玻璃市面有售已有多年。甲基纤维素（ＭＣ）、羟丙甲基纤维素（ＨＰＭＣ）、羟丙酯纤维素（ＨＰＣ）、羧甲基纤维素（ＣＭＣ）都是化学改性后的纤维素。用这些纤维素的水溶液或水-醇溶液浇铸而成的纤维素薄膜透明，无臭无味，具有中等强度，抗弯，耐油且耐湿耐氧性良好。ＭＣ薄膜防油性优秀。ＨＰＣ热塑性纤维素聚合物，可用注射模塑和拉挤工艺加工。在陶瓷复合材料应用方面，应改善作为基体材料的纤维素玻璃的拉伸、弯曲及冲击性能。Ｍｏｈａｎｔｙ等人用各种陶瓷友好的可塑剂制备了一种适用于陶瓷复合材料的聚合物基体，并表明可塑剂的含量能改善纤维素玻璃的刚度和韧度。但纤维素更多的是以纤维状态用于陶瓷复合材料中。聚羟基丁酸酯（ＰＨＢ），聚羟基丁酸戊酸共聚酯（ＰＨＢＶ）都是生物合成聚合物，通常用作陶瓷复合材料的聚合物基体。该类聚合物发展快速，且可生物降解，同时，这类材料的机械性能和热性能与聚丙烯（ＰＰ）、聚乙烯（ＰＥ）相似。另可通过弹性体、酚类化合物、反应性增韧、超高相对分子质量聚乙二醇、淀粉、羟基烷酸酯、热处理等改性方法提高其韧度，还可通过共聚改性、环氧大豆油等增塑剂改性方法来提高其塑性。
2、半生物合成聚合物
这种聚合物是聚合物单体通过发酵工艺和共聚工艺而制得的。聚乳酸（ＰＬＡ）就是一典型例子。Ｃａｒｏｔｈｅｒｓ、Ｄｏｒｏｕｇｈ和ＶａｉｌＮａｔｔａ首次于1932年成功合成低分子量聚乳酸[9]。杜邦公司1954年通过纯化丙交酯聚合
得到了高分子量的聚乳酸。ＫｕｉｋａｒｎｉＲ.Ｋ.，ＰａｎｉＫ.Ｃ.等人于1966年报道了高分子量的聚乳酸在人体内能降解，掀起了这类材料作为生物医用材料的热潮[11]。1972年，聚乳酸第一次获得商业应用，Ｅｔｈｉｃｏｎ公司生产的聚乳酸缝合线进入市场。20世纪90年代，聚乳酸的合成工艺取得了两大突破———美国卡吉尔（Ｃａｒｇｉｌｌ）公司的两步法以及日本三井（Ｍｉｔｓｕｉ-Ｔｏａｔｓｕ）公司的两步合成法。随着国外聚乳酸合成工艺的成熟，工业化生产也取得了突破性进展。1997年美国卡吉尔公司与陶氏化学合资成立公司，开发和生产商品名为ＮａｔｕｒｅＷｏｒｋｓ的聚乳酸，当时产能为1.6万ｔ/ａ。2001年11月，该公司投资3亿美元，在美国建成了一套13.6万ｔ/ａ的生产装置。聚乳酸和玻璃纤维复合成陶瓷复合材料的研究中国及其他国家都有报道。
3、化学合成聚合物
化学合成聚合物是另一大类生物降解聚合物，聚己内酯（ＰＣＬ）、聚酯酰胺是这类聚合物的代表。1995年，Ｂａｙｅｒ公司开发了商品名为ＢＡＫ1095、ＢＡＫ2195聚酯酰胺。Ｍｏｈａｎｔｙ等人对黄麻纤维增强ＢＡＫ1095的陶瓷复合材料做了研究[14]。最近又开发了新的基于ＢＡＫ的陶瓷复合材料。在研究和实际生产中，聚丙烯（ＰＰ）也较多地用于陶瓷友好的复合材料，聚丙烯虽不能分属为生物降解聚合物，但可以通过热敏催化剂改善其降解性。聚丙烯在陶瓷复合材料中起着十分重要的作用。如Ｍｏｈａｎｔｙ等人已经论证用玻璃纤维增强聚丙烯复合材料代替玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的潜在可能性[15]。有报道称可用马来酸酐接枝进行改性，在ＰＰ分子链上引入极性支链与纤维素纤维中的羟基形成共价键，改善玻璃纤维与聚丙烯界面的黏合性。
二：玻璃纤维的改性
影响玻璃纤维增强复合材料广泛应用的不利因素有玻璃纤维与聚合物基体之间界面黏合效果较差，耐吸湿性差，加工温度有限（低于200℃）及尺寸稳定性差（收缩与膨胀）等。纤维与基体界面性能影响着复合材料的物理性能。为了改善界面性能，玻璃纤维需经表面处理，处理方法有物理和化学方法两种。物理方法包括表面刻蚀，静电放电。而静电放电是重要的物理方法，如电晕放电、低温等离子体处理等，其中电晕放电可大量激活纤维素表面的醛基，提高纤维的表面氧化活性，进而改善纤维的表面能。理论上，用低温等离子体处理纤维可获得类似的效果。化学方法有脱蜡、丝光（碱）、漂白、丙烯腈处理、硅烷处理、过氧化氢处理、异氢酸盐处理、乙酰化作用和接枝共聚等。不管是物理方法或是化学方法，需研究改性
成本与改性效果之间的关系，因为玻璃纤维的价格决定着陶瓷复合材料的市场。下面着重介绍几种化学改性方法。
1、丝光（碱）处理
丝光（碱）处理是生产高质量纤维的最常用方法。丝光（碱）处理能溶去玻璃纤维中的部分果胶、木质素、半纤维素及其他低分子杂质，使微纤旋转角减小，纤维表面变粗糙形成许多空腔，增强了纤维与聚合物的界面黏合力。而且丝光（碱）处理使纤维表面活性点增多，提高了其他改性剂如硅烷偶联剂的反应能力，同时也使纤维原纤化，即纤维束变小，长径比增大，与基体的有效接触面积增加[17-18]。玻璃纤维与碱反应如下：Ｆｉｂｅｒ—ＯＨ+ＮａＯＨ※Ｆｉｂｅｒ—Ｏ—Ｎａ+Ｈ2Ｏ因此，丝光（碱）处理对玻璃纤维的机械性能特别是强度与刚度有永久性的影响。研究结果显示丝光（碱）处理能提高纤维素无定形区的数量。
2、酯化改性
酯化改性可降低植物纤维的表面极性，使纤维易于在基体中分散，改善纤维和聚合物的界面相容性。酯化试剂一般有乙酸、乙酸酐、马来酸酐、邻苯二甲酸酐等低分子羧基化合物。Ｍａｈｌｂｅｒｇ等用各种酸酐对木纤维改性，使木纤维/聚丙烯复合材料的力学性能极大地提高[19]。酯化可以有效地改善植物纤维的疏水性，提高和疏水聚合物之间的相容性。木纤维细胞壁的羟基与乙酸酐在高温下反应如下：Ｆｉｂｅｒ—ＯＨ+（Ｈ3Ｃ—ＣＯ）2Ｏ※Ｆｉｂｅｒ—Ｏ—ＣＯ—ＣＨ3+ＣＨ3ＣＯＯＨ
3、接枝共聚
在纤维素材料的表面接上某些烯类单体的均聚物，可改善材料的吸水性、浸润性、黏合性。ＬｉａｏＢ.等将木纤维碱化预处理后，用丙烯腈进行氰乙醚化改性，与改性钛酸酯处理方法相比，木纤维线性低密度聚乙烯（ＬＬＤＰＥ）复合材料的拉伸强度得到增强，断裂伸长率得到提高[21]。Ｘ射线衍射分析认为，在接枝反应过程中，由于ＮａＯＨ的润胀，丙烯腈扩散进入木纤维细胞腔内部，与—ＯＨ基团发生反应，降低了纤维结晶度，从而改善了木纤维的分散性，增加了木纤维与ＬＬＤＰＥ的相容性。黄麻也可进行类似氰乙醚化改性。
4、添加化学偶联剂
常见的化学偶联剂主要有硅烷系、钛酸酯系、铝酸酯系、锆铝酸酯系等以金属
原子为中心的偶联剂，以及异氰酸酯类等。硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂的应用最广泛。实验表明这两种偶联剂都可以改善聚合物与植物纤维之间的界面相容性。有机硅烷偶联剂开发最早，应用较多，见于报道的已有100多种。硅烷偶联剂和纤维反应如下：Ｆｉｂｅｒ—ＯＨ+Ｒ—Ｓｉ（ＯＨ）3※Ｆｉｂｅｒ—Ｏ—Ｓｉ（ＯＨ）2Ｒ+Ｈ20异氰酸酯也是一种很好的偶联剂，官能团—ＮＣＯ与纤维中的纤维素、木质素发生反应形成共价键，提高了基体和纤维的相容性。其反应式如下：ＦｉｂｅｒＯＨ+ＲＮＣＯ※Ｆｉｂｅｒ—Ｏ—ＣＯ—ＮＨ—ＲＣｏｌｏｍ等发现硅烷偶联剂Ａ-174在一定条件下和纤维木质素反应，使纤维/聚乙烯复合材料力学性能得到显著改善。当纤维含量为40%时，拉伸强度由未处理前的21.0ＭＰａ提高到44.5ＭＰａ，断裂伸长率由1.6%提高到4.1%，硬度由0.022Ｊ提高到0.085Ｊ。
三：玻璃纤维增强的陶瓷复合材料
玻璃纤维增强的陶瓷复合材料的生产工艺与玻璃纤维增强复合材料的加工工艺相似。在加工期间，为避免纤维的损伤，温度不得超过200℃，且高温下保持时间不应太长。最通用的技术有树脂传递模塑、真空注射模塑、结构反应注射模塑及压缩模塑等。ＤａｉｍｌｅｒＣｈｒｙｓｌｅｒ开发了名叫ＥＸＰＲＥＳＳ的玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料的加工工艺。实际上就是利用挤压机，将热塑性树脂与交替放于模具中的压缩的玻璃纤维毡黏合在一起。德国农业工程协会的Ｐｏｔｓｄａｍ推出了一种很简单的适用于未经柔软处理过的大麻、亚麻和其他韧皮纤维的加工技术，适用于生产汽车工业用的防热隔音板，装饰板等。印度的Ｔｉｐｃｏ工业公司生产的商标为ＴＩＰＷＯＯＤ50ＥＸ陶瓷友好的建筑材料，用于门板、办公室橱柜、船舶地板、家具、单木块椅子及各种人造木产品。德国航空中心做了大量的研5究工作，Ｒｉｅｄｅｌ和Ｎｉｃｋｅｌ近期还报道了陶瓷复合材料艺术用途及远景。Ｔａｋａｇｉ和他的同事报道了改性的淀粉与大麻纤维和竹纤维增强的复合材料，单向大麻纤维增强淀粉基复合材料的拉伸强度在200ＭＰａ左右，可用于生产结构材料。日本ＮＥＣ公司和ＵＮＩＴＩＫＡ公司在2006年3月共同开发了洋麻纤维增强聚乳酸（ＰＬＡ）复合材料，最近的研究更是改善了该种复合材料的耐湿性和耐冲击性，可用于手机。Ｌｏｄｈａ和Ｎｅｔｒａｖａｌｉ研究了苎麻纤维增强的大豆基复合材料，显著地提高了复合材料的强度。Ｎａｍ和Ｎｅｔｒａｖａｌｉ研究的单向苎麻纤维大豆蛋白复合材料（纤维含量为65%）拉伸强度达275ＭＰａ，适用于家用和运输用的室内材料。Ｃｈａｂａ和Ｎｅｔｒａｖａｌｉ研究了用亚麻纱和大豆树脂基单向绿色复合材料，复合材料制件的断裂应力和杨氏模量分别为259.5ＭＰａ和3.71ＧＰａ，纵向弯曲强度为174ＭＰａ，这些性能足够用
于生产室内用的非承重材料。商标为Ｅｎｖｉｒｏｎ的陶瓷复合材料，可用于家具和建筑上的非结构材料[28]。Ｃｈｉｅｌｌｉｎｉ等研究小组用注射模塑生产玻璃纤维增强玉米淀粉基复合材料，测试了在相对湿度为50%，温度为23℃的条件下储藏一年后的复合材料的性能，结果发现其机械性能与刚出产时的性能几乎没什么差异。目前，对于玻璃纤维增强的陶瓷复合材料研究效果较显著的是基于可再循环的聚合物，使用最普遍的是聚丙烯。这类复合材料已大量应用于汽车内饰部件、建筑材料和家用电子产品，如Ｒ-Ｆｌａｘ、Ｔｅｃｈ-ＷＯＯＤ、ＧｒｅｅｎＧｒａｎＮＦ30、ＧｒｅｅｎＧｒａｎＮＦ50及ＧｒｅｅｎＧｒａｎＮＦ70等。
结论：目前，陶瓷复合材料的研究大都集中在增强材料（玻璃纤维）的改性、基体（生物降解聚合物）性能的提高及价格的降低上，目的是使改性后的玻璃纤维与生物降解聚合物一起制成的陶瓷复合材料，一方面有更好的界面黏合效果，另一方面又有更好的性价比。这种陶瓷复合材料吸引市场的主要因素是玻璃纤维的低成本性，为此，玻璃纤维增强的陶瓷复合材料的进一步研究将集中在玻璃纤维改性及所增强的复合材料的成本-效率研究上。
一.填空题： 1．玻璃钢材料由（基材）与（增强材料）组成，其中（各类树脂）和（凝胶材料）为玻璃钢的常用基材。 2．常见可以拉制成纤维的玻璃种类主要分为（无碱玻璃）、（中碱玻璃）、（高碱玻璃）、（高强玻璃），其中（无碱玻璃纤维）是应用最多的玻纤。 3．连续玻璃纤维纺织制品就起产品形态而言可分为（纱线）（织物）两大类别。 4. 预浸料的制备方式可分为（湿法）（干法）及（粉末法）。 5. 结构胶粘剂一般以（热固性树脂）为基体，以（热塑性树脂）或（弹性体）为增韧剂，配以固化剂等组成。 6. 按照材料成分分类主要分为（环氧树脂胶粘剂）（聚酰亚胺胶粘剂）（酚醛树脂胶粘剂）（硅酮树脂胶粘剂）。 7. 玻璃钢制品的生产过程可大致分为（定型）（浸渍）（固化）三个要素。 8. 环氧树脂是分子中含有两个或两个以上（环氧基团）的一类高分子化合物。 9. 按适用于玻璃钢手糊成型的模具结构形式分为：（单模）及（敞口式对模）。 10. 叶片制造常用的基体树脂有（不饱和聚酯树脂），（环氧乙烯基树脂）及（环氧树脂）三类。 二.名词解释： 1．热固性树脂：这种树脂在催化剂及一定的温度、压力作用下发生不可逆的化学反应，是线性有机聚合物链相互交联后形成的三维结构体。 2．预浸料：将定向排列的纤维束或织物浸涂树脂基体，并通过一定的处理后贮存备用的中间材料。 3．不饱和聚酯树脂：是由饱和的或不饱和的（二元醇）与饱和的及不饱和的（二元酸或酸酐）缩聚而成的线性高分子化合物。 4．单位面积质量：一定大小平板状材料的质量和它的面积之比。 5. 含水率：在规定条件下测得的原丝或制品的含水量。即试样的湿态质量和干态质量的差数与湿态质量的比值，用百分率表示。 6. 拉伸断裂强度：在拉伸试验中，试样单位面积或线密度所承受的拉伸断裂强力。单丝以Pa 为单位，纱线以N/tex为单位。 7. 弹性模量：物体在弹性限度内，应力与其应变的比例数。有拉伸和压缩弹性模量（又称杨氏弹性模量）、剪切和弯曲弹性模量等，以Pa（帕斯卡）为单位。
复合材料力学上机编程作业 学院：School of Civil Engineering专业：Engineering Mechanics 小组成员信息：James Wilson（2012031890015）、Tau Young（2012031890011）复合材料力学学了五个星期，这是这门课的第一次编程作业。我和杨涛结成一个小组，我用的是Fortran编制的程序，Tau Young用的是matlab编制。其中的算例以我的Fortran计算结果为准。Matlab作为可视化界面有其独到之处，在附录2中将会有所展示。 作业的内容是层合板的刚度的计算和验算，包括拉伸刚度A、弯曲刚度D以及耦合刚度B。 首先要给定层合板的各个参数，具体有：层合板的层数N；各单层的弹性常数 E1、E2、υ21、G12；各单层 对应的厚度；各单层对应的主方向夹角θ。然后就要计算每个单层板的二维刚度矩阵Q，具体公式如下： υ12=υ21E2 E1；Q11=E11-υ12υ21；Q22=E21-υ12υ21；Q12=υ12E1； 1-υ12υ21Q66=G12 得到Q矩阵后，根据课本上讲到的Q=(T-1)TQ(T-1)得到Q。 然后根据z坐标的定义求出z0到zn，接下来，最重要的一步，根据下式计算A、B、D。 n??Aij=∑(Qij)k(zk-zk-1) k=1??1n22?Bij=∑(Qij)k(zk-zk-1) 2k=1??1n33?Dij=∑(Qij)k(zk-zk-1)3k=1? 一、书上P110的几个问题可以归纳为以下几个类型。
第 1 页共 1 页 （4）6层反对称角铺设层合板（T5-10）第 2 页共 2 页
聚合物复合材料作业 1、试述玻璃纤维的制备过程。 答：玻璃纤维的制备过程有两种方法：一.玻璃球法：生产玻璃纤维的过程是将硅砂、石英石、硼酸和其它成分（粘土，氟石等）干混后，经高温炉熔融，熔化后的玻璃液直接通过漏板形成了玻璃纤维。二.直接熔融法：直接熔融法是将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维。 2、玻璃纤维与块状玻璃性能为何不同？ 答：块状玻璃一般认为质硬易碎物体，并不适于作为结构用材，但将其抽成丝后成玻璃纤维后，则其强度大为增加且具有柔软性，故配合树脂赋予形状以后终于可以成为优良之结构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度增高，它具有不燃、耐高温、电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性等优良性能。 3、玻璃纤维浸润剂的作用是什么？ 答：玻璃纤维浸润剂的作用有五点：（一）润滑-保护作用：在拉丝过程中，浸润剂中的“湿润滑组分”使玻璃纤维原丝与涂油器（单丝涂油器、带式涂油器或半轮式涂油器）、集束槽及排线器之间保持一定的润滑作用，避免二者间摩擦系数过大而引起原丝张力过大，造成飞丝、丝束打毛及原丝筒粘并退解困难等。（二）粘结-集束作用：粘结组分可使玻纤单丝粘结成一根玻纤原丝，使原丝保持其完整性，避免应力集中于一根或数根单丝上，以减少散丝及断丝，便于无捻粗纱的退解及玻纤纱的纺织加工。（三）防止玻璃纤维表面静电荷的积累：浸润剂中抗静电剂可降低玻璃纤维表面电阻并形成导电通道，此种作用对smc、喷射、石膏等用无捻粗纱、短切毡、连续原丝毡用玻纤原丝特别重要。（四）为玻璃纤维提供进一步加工和应用所需要的特性：这些特性包括短切性、成带性、分散性等，特别是纤维在热固性或热塑性树脂，以及橡胶，石膏、水泥等基材中被迅速浸润的性能。（五）使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能。 4、PAN法制备碳纤维过程中，预氧化、碳化、石黑化过程的作用分别是什么？ 答：预氧化的作用：防止原丝在炭化时熔融，通过氧化反应使得纤维分子中含有羟基、羰基，这样可以在分子间和分子内形成氢键，从而提高纤维的热稳定性。炭化作用：有机化合物在惰性气氛中加热到1000-2000 C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将被逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。石墨化的作用：当温度升到2000 -3000C 时，使非碳原子进一步排除，芳环平面逐步增加，排列也较规则，取向度显著提高，由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化，大大提高了石墨纤维弹性模量。 5、试分析碳纤维结构及其对性能的影响。 答：材料的性能主要决定于材料的结构。结构有两方面的含义，一是化学结构，二是物理结构。碳纤维的物理结构（层状平面环）：碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺。对有机纤维进行预氧化、碳化等工艺处理的目的是，除去有机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳香族平面结构。在碳纤维形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可达10％--80％，因此形成了各种微小的缺陷。但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。碳纤维的化学性能（不耐氧化）：碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，当温度高于400 ℃时，则会出现明显的氧化，生成CO和CO2。在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。当碳纤维在高于1500 ℃时，强度才开始下降；而其它类型材料包括A12O3晶须在内，在此温度下，其性能已大大下降。另外，碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。它还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。
1、为什么结构复合材料中增强材料的形态主要为纤维？ 2、简述树脂基复合材料的优点和缺点？ 3、为什么新一代客机中复合材料用量会大幅提高？其复合材料零部件主要用到复合材料的哪些优点？ 4、为什么卫星中采用了较多的复合材料？ 答：1、利用复合材料的各种良好的力学性能用于制造结构的材料，称为结构复合材料， 它主要有基体材料和增强材料两种组分组成。其中增强材料承受主要载荷，提供复合 材料的刚度和强度，基本控制其力学性能；基体材料固定和保护增强纤维，传递纤维 间剪力和防止纤维屈曲，并改善复合材料的某些性能。用以加强制品力学性能或其他 性能的材料，在橡胶工业中又称补强剂。分纤维状和粒状材料两种。增强材料的增强 效应取决于与被增强材料的相容性，为增进相容能力，有些增强材料在使用前需要进 行表面处理。对粒状增强材料，尚需考虑其表面积（决定于粒径、形状和孔隙度）。 据报道，平均粒径在0.2μm以下的增强材料，随粒径的减小，制品的模量、抗张强度、 屈服强度和伸长率均有所增加。平均粒径较大的增强材料，由于粒径分布的不同其结 果不一致。所以，结构力学复合材料力学性能难以控制。增强材料就象树木中的纤维， 混凝土中的钢筋一样，是复合材料的重要组成部分，并起到非常重要的作用。例如在 纤维增强复合材料中，纤维是承受载荷的组元，纤维的力学性能决定了复合材料的性 能。所以说结构复合材料中增强材料的形态主要为纤维。 2、树脂基复合材料的优点：1）比强度高、比模量大2）耐疲劳性能好3）阻尼减震性 能好4）破损安全性好5）耐化学腐蚀性好6）树脂基复合材料是一种优良的电气绝缘 材料，电性能好7）树脂基复合材料热导率低、线膨胀系数小，优良的绝热材料，热 性能良好。树脂基复合材料的缺点：1)树脂基复合材料的耐热性较低2）材料的性能 分散性大。 3、用复合材料设计的飞机结构，可以推进隐身和智能结构设计的发展，有效地减少了 机体结构重量，提高了飞机运载能力，降低了发动机油耗，减少了污染排放，提高了 经济效益；复合材料优异的抗疲劳和耐介质腐蚀性能，提高了飞机结构的使用寿命和 安全性，减少了飞机的维修成本，从而提高了飞机结构的全寿命期（是指结构从论证 立项开始，有设计研制、生产研制、销售服务、使用运行、维护修理，一直到报废处 理的整个寿命期)经济性；复合材料结构有利于整个设计与整体制造技术的应用，可以 减少结构零部件的数量，提高结构的效率与可靠性，降低制造和运营成本，并可明显 改善飞机气动弹性特性，提高飞机性能。 4、正火箭导弹与航天器均要求结构重量轻,强度高。复合材料不仅兼备这两种优点,而 且还具有一些金属材料无法比拟的优良性能。卫星结构用复合材料具有重量轻、比刚 度、比强度高等特点。其碳纤维复合材料构件还具有弹性模量、热膨胀系数可设计等 特点，对卫星结构件的应用具有材料可设计的特色。
复合材料题库 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】
一. 填空题： 1．玻璃钢材料由（基材）与（增强材料）组成，其中（各类树脂）和（凝胶材料）为玻璃钢的常用基材。 2．常见可以拉制成纤维的玻璃种类主要分为（无碱玻璃）、（中碱玻璃）、（高碱玻璃）、（高强玻璃），其中（无碱玻璃纤维）是应用最多的玻纤。 3．连续玻璃纤维纺织制品就起产品形态而言可分为（纱线）（织物）两大类别。 4. 预浸料的制备方式可分为（湿法）（干法）及（粉末法）。 5. 结构胶粘剂一般以（热固性树脂）为基体，以（热塑性树脂）或（弹性体）为增韧剂，配以固化剂等组成。 6. 按照材料成分分类主要分为（环氧树脂胶粘剂）（聚酰亚胺胶粘剂）（酚醛树脂胶粘剂）（硅酮树脂胶粘剂）。 7. 玻璃钢制品的生产过程可大致分为（定型）（浸渍）（固化）三个要素。 8. 环氧树脂是分子中含有两个或两个以上（环氧基团）的一类高分子化合物。 9. 按适用于玻璃钢手糊成型的模具结构形式分为：（单模）及（敞口式对模）。 10. 叶片制造常用的基体树脂有（不饱和聚酯树脂），（环氧乙烯基树脂）及（环氧树脂）三类。 二.名词解释：
1．热固性树脂：这种树脂在催化剂及一定的温度、压力作用下发生不可逆的化学反应，是线性有机聚合物链相互交联后形成的三维结构体。 2．预浸料：将定向排列的纤维束或织物浸涂树脂基体，并通过一定的处理后贮存备用的中间材料。 3．不饱和聚酯树脂：是由饱和的或不饱和的（二元醇）与饱和的及不饱和的（二元酸或酸酐）缩聚而成的线性高分子化合物。 4．单位面积质量：一定大小平板状材料的质量和它的面积之比。 5. 含水率：在规定条件下测得的原丝或制品的含水量。即试样的湿态质量和干态质量的差数与湿态质量的比值，用百分率表示。 6. 拉伸断裂强度：在拉伸试验中，试样单位面积或线密度所承受的拉伸断裂强力。单丝以Pa为单位，纱线以N/tex为单位。 7. 弹性模量：物体在弹性限度内，应力与其应变的比例数。有拉伸和压缩弹性模量（又称杨氏弹性模量）、剪切和弯曲弹性模量等，以Pa（帕斯卡）为单位。 8. 偶联剂：能在树脂基体与增强材料的界面间促进或建立更强结合的一种物质。 9. 片状模塑料：由树脂、短切或未经短切的增强纤维以及细粒状填料（有时不加填料），经充分混合而制成一种厚度一般为1mm ～25 mm的薄片状中间制品，能在热压条件下，进行模塑或层压。 10. 纤维体积含量：纤维体积与复合材料的总体积之比。
复合材料力学上机作业 （2013年秋季） 班级力学C102 学生姓名赵玉鹰 学号105634 成绩 河北工业大学机械学院 2013年12月30日
作业1 单向板刚度及柔度的计算 一、要 求 （1）选用FORTRAN 、VB 、MAPLE 或MATLAB 编程计算下列各题； （2）上机报告内容：源程序、题目内容及计算结果； （3）材料工程常数的数值参考教材自己选择； （4）上机学时：2学时。 二、题 目 1、已知单层板材料工程常数1E ，2E ，12G ，计算柔度矩阵[S ]和刚度矩阵[Q ]。（玻璃/环氧树脂单层板材料的MPa 1090.341?=E ，MPa 1030.142?=E ，MPa 1042.0412?=G ，25.021=μ，MPa 1001=σ，MPa 302-=σ，MPa 1012=τ） ●Maple 程序 > restart: > with(linalg): > E[1]:=3.9e10: > E[2]:=1.3e10: > G[12]:=0.42e10: > mu[21]:=0.25: > mu[12]:=E[1]*mu[21]/E[2]: > Q[11]:=E[1]/(1-mu[12]*mu[21]): > Q[12]:=mu[12]*E[2]/(1-mu[12]*mu[21]): > Q[13]:=0: > Q[21]:=Q[12]: > Q[22]:=E[2]/(1-mu[12]*mu[21]): > Q[23]:=0: > Q[31]:=Q[13]: > Q[32]:=Q[23]: > Q[33]:=G[12]: >Q:=evalf(matrix(3,3,[[Q[11],Q[12],Q[13]],[Q[21],Q[22], Q[23]],[Q[31],Q[32],Q[33]]]),4);
先进复合材料制造技术复合材料表面的金属化 姓名丁志兵
班级05021104 学号2011301263 复合材料表面的金属化 材料作为社会进步的物质基础和先导，在人类历史发展的过程中一直都是人类进步的里程碑。每一种新材料的发现和利用都会为社会生产力的提高以及人类生活品质的提升带来巨大的变化。同时，材料制造的水平也是衡量一个国家科学技术和经济发展的重要因素之一。 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的发展具有悠久的历史，自20 世界40 年代因航空工业发展的需要而发展出的玻璃纤维增强复合材料（也称玻璃钢），复合材料这一新材料的名称因此而进入人们的视线。复合材料的出现，使得材料科学的内容产生了极大的丰富，并且因其自身的广泛而优异的性能而得到快速的发展，人们将复合材料的出现视为人类进步发展的里程碑。科学家预言：“复合材料在21 世纪中将支撑着科学技术的进步和挑起经济实力的脊梁”，“21 世纪将是复合材料的时代”，“先进复合材料在21世纪中将在航空航天技术领域中发挥越来越重要的作用”。随着时代的进步和科技的发展，复合材料结构已经广泛应用于航空航天、船舶、车辆、建筑工程等多个领域，的确，21 世纪将是复合材料的时代，复合材料必将肩负着重要的责任。 树脂基复合材料以其质轻、高比强度、高比模量、热膨胀系数小、性能可设计性等一系列优点,已经成为国内外航天器结构部件的首选材料,广泛应用于各类卫星天线、相机结构组件、裕架、太阳能电池板等。在航天器中,用复合材料代替金属材料,在保持原有力学性能,甚至更高的同时,可有效减轻航天器的重量,节约发射成本。但是,由于特殊的空间使用环境和航天技术新的发展需求,树脂基复合材料面临以下的问题,严重影响了该类材料的进一步应用。 1)空间防护能力不足,制约航天器向长寿命方向发展。 航天器在空间运行过程中要经受严酷的空间环境考验。近地轨道以大量的原子氧、紫外环境为主。原子氧是一种很强的氧化剂,对树脂基体具有很强的腐蚀作用,当航天器以极高的速度在其中运行时,相当于将航天器浸泡于高温的氧原子气体中,裸露在外的树脂基复合材料结构件表面与其作用形成挥发性的氧化物;在地球同步轨道,空间辐射环境以带电高能粒子如电子,质子和紫外线等为主,带电粒子对卫星结构件的辐射损伤主要是通过以下两个作用方式:一是电离作用,即入射粒子的能量通过被照物质的原子电离而被吸收,另外一种是原子的位移作用,即被高能粒子中的原子位置移动而脱离原来所处的晶格位置,造成晶格缺陷。高能的质子和重粒子既能产生电离作用,又能产生位移作用。所有这些作用都会导致树脂基
《复合材料力学》课程上机指导书（力学101，力学C101-2） 河北工业大学机械学院力学系 2013年9月
目录 作业1单向板刚度及柔度的计算(2学时) (1) 作业2单向板的应力、应变计算(2学时) (2) 作业3绘制表观工程常数随 的变化规律(3学时) (3) 作业4绘制强度准则的理论曲线(包络线)(3学时) (4) 作业5层合板的刚度计算(3学时) (5) *作业6层合板的强度计算(4学时) (6) 附录作业提交说明……………………………………………. . 7 注：带“*”的题目可作为自愿选做题。
作业1 单向板刚度及柔度的计算 一、要 求 （1）选用FORTRAN 、VB 、MAPLE 或MATLAB 编程计算下列各题； （2）上机报告内容：源程序、题目内容及计算结果； （3）材料工程常数的数值参考教材自己选择； （4）上机学时：2学时。 二、题 目 1、已知单层板材料工程常数1E ，2E ，12G ，计算柔度矩阵[S ]和刚度矩阵[Q ]。（玻璃/环氧树脂单层板材料的MPa 1090.341?=E ，MPa 1030.142?=E ， MPa 1042.0412?=G ，25.021=μ， MPa 1001=σ，MPa 302-=σ，MPa 1012=τ） 2、已知单层板材料工程常数1E ，2E ，12G ，21μ及θ，计算柔度矩阵][S 和刚度矩阵][Q 。（M P a 1090.341?=E ，MPa 1030.142?=E ，MPa 1042.0412?=G ，25.021=μ，?=30θ）
作业2 单向板的应力、应变计算 一、要 求 1、选用FORTRAN 、VB 、MAPLE 或MATLAB 编程计算下列各题； 2、上机报告内容：源程序、题目内容及计算结果； 3、材料工程常数的数值参考教材自己选择； 4、上机学时：2学时。 二、题 目 1、已知单向板的应力x σ、y σ、xy τ，工程常数1E ，2E ，12G ，21μ及θ，求x ε、 y ε、xy γ；1σ、2σ、12τ；1ε、2ε、12γ。 （知?=30θ，应力MPa 160=x σ，MPa 60=y σ，MPa 20=xy τ，工程常数MPa 1090.341?=E ，MPa 1030.142?=E ，MPa 1042.0412?=G ，25.021=μ，?=30θ） 2、已知1σ、2σ、12τ，工程常数1E ，2E ，12G ，21μ及θ，求1ε、2ε、12γ；x ε、y ε、 xy γ；x σ、y σ、xy τ。 （知MPa 1001=σ，MPa 302-=σ，MPa 1012=τ，MPa 1090.341?=E ，MPa 1030.142?=E ，MPa 1042.0412?=G ，25.021=μ，?=30θ）
功能复合材料作业 1、简述功能复合材料的概念，组成及其所涉及的领域15% . 1、功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如:导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能,统称为功能复合材料。 2、功能复合材料主要由功能体和增强体及基体组成。功能体可由一种或以上功能材料组成。 3、使用领域：军事，民用 2、你所理解的压电（或吸能）功能材料有什么特点15% 受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。 3、介绍一种相关的功能材料，并简要叙述其功能10% 高分子纳米复合材料，是指用具有纳米尺寸的其他材料与高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料。 性能：具有阻隔性能，生物性能，电学磁学性能，光学与光导电性能，催化活性等性能 4、如何理解材料的线性效应，非线性应，请举例说明30% 非线性效应是指强光作用下由于介质的非线性极化而产生的效应，包括光学谐波，倍频，受激啦曼散射，双光子吸收，饱和吸收，自聚焦，自散焦等。 光纤传输的非线性效应 光纤传输的衰耗和色散与光纤长度是呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。非线性效应一般在WDM系统上反映较多，在SDH 系统反映较少，因为在WDM 设备系统中，由于合波器、分波器的插入损耗较大，对16 波系统一般相加在10dB 左右，对32 波系统，相加在15dB 左右，因此需采用EDFA进行放大补偿，在放大光功率的同时，
一． 对材料AS4/3501-6进行设计 已知61.1,134.0,3.0, 86.6,65.9,2.147======ρυmm t GPa G MPa E MPa E T L MPa S MPa Y MPa Y MPa X MPa X C T c T 105,186,4.49,1468,2356=-==-== 最大正应力准则为pi pi T pi T pi C pi T S Y Y X X R 12 222211 11 , , min σσσσσ= 1 2 STEP I Special Stacking Sequence (SSS) （一） 在Task I 载荷作用下 已知Longitudinal Load =100 kN ，Transverse Load =-5 kN ， Shear Load =30 kN 外加载荷可等效为{}{}m kN N N N N T T /600502000 1222 11-== 对[]0n S 度铺设层合板, {}MPa T 4478373 14925 }{-=σ,带入最大正应力准则得 N=max{,,}=，所以[]0n S 所需的最小层数为层，且12σ先破坏 对[]90n S 度铺设层合板 {}{}MPa T 447814925 373 --=σ N=max{,,}=，所以[]90n S 所需的最小层数为层，且22σ先破坏 对[](45)n S ±度铺设层合板 45度 { }{}MPa T 3.19125.1801.5496-=σ, N=max{,,}= -45度 { }{}MPa T 3.19127.3808.1218=σ, N=max{, ,}= 所以对[](45)n S ±度铺设层合板,共需要*4=层，且12σ先破坏
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、
复合材料结构力学作业-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
一． 对材料AS4/3501-6进行设计 已知61.1,134.0,3.0,86.6,65.9,2.147======ρυmm t GPa G MPa E MPa E T L MPa S MPa Y MPa Y MPa X MPa X C T c T 105,186,4.49,1468,2356=-==-== 最大正应力准则为pi pi T pi T pi C pi T S Y Y X X R 12 222211 11 , , min σσσσσ= 1 2 STEP I Special Stacking Sequence (SSS) （一） 在Task I 载荷作用下 已知Longitudinal Load =100 kN ，Transverse Load =-5 kN ， Shear Load =30 kN 外加载荷可等效为{}{}m kN N N N N T T /600502000 1222 11-== 对[]0n S 度铺设层合板, {}MPa T 4478373 14925 }{-=σ,带入最大正应力准则得 N=max{6.3349,2.0054,42.6476}=42.6476，所以[]0n S 所需的最小层数为42.6层，且12σ先破坏 对[]90n S 度铺设层合板 {}{}MPa T 447814925 373 --=σ N=max{0.2541,302.1255,42.6476}=302.1255，所以[]90n S 所需的最小层数为302.1255层，且22σ先破坏 对[](45)n S ±度铺设层合板
复合材料作业
玻璃纤维增强陶瓷复合材料的研究进展 摘要：陶瓷复合材料是指用玻璃聚合物或可生物降解聚合物作为基体，玻璃纤维作为增强材料的复合材料。概述了用于陶瓷复合材料的可生物降解的聚合物和玻璃纤维的改性研究进展及其模塑成型的陶瓷复合材料的开发应用现状。 关键词：玻璃纤维，生物降解聚合物，玻璃聚合物，陶瓷复合材料。 玻璃工业的蓬勃发展为人们生产、生活提供了许多性能优良的新型材料。在经济发达国家，玻璃产量早已超过钢铁，且这些材料在各个领域的广泛运用推动了社会的发展。但在人们使用玻璃制品的同时，玻璃废弃物已成为当今主要的环境问题之一。据有关部门统计，目前全球玻璃产量为1亿ｔ，其中30%用于包装，且大多数不具备可降解性。中国每年产玻璃超过600万ｔ。这些玻璃加工成各种制品进入市场后，30%可回收使用，70%用后成为工业和生活垃圾，对地球环境造成严重的危害，且白色污染当前已成为危害环境的世界性公害，严重阻碍了经济和环境的可持续发展。为保护环境，玻璃废弃物的回收再利用及绿色玻璃的研究与开发已成为各国的研究热点。特别在世界很多国家，掀起了一股开发由玻璃纤维增强的陶瓷复合材料的热潮。这种陶瓷复合材料易降解或易生物吸收，与传统复合材料相比具有环境友好和陶瓷优势。根据定义，陶瓷复合材料是指由玻璃纤维增强的、玻璃聚合物基或可生物降解聚合物基的复合材 料。目前，市场上已有很多可生物降解的聚合物基体出售，但这些基体不论物理与化学性能多么独特，都因价格高限制了这些材料的广泛使用。本文主要概述用于陶瓷复合材料的可生物降解聚合物和玻璃纤维的改性研究进展及其模塑成型的陶瓷复合材料的开发应用现状。 一：可生物降解聚合物基体 用于陶瓷复合材料的可生物降解聚合物一般分为三种：生物合成聚合物（Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ），半生物合成聚合物（Ｓｅｍｉ-ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ），化学合成聚合物（Ｃｈｅｍｏ-ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ）。1.1 生物合成聚合物生物合成聚合物是指利用玻璃资源生产的聚合物。淀粉就是最普通的一种玻璃的多羟基聚合物，在引入适量增塑剂（如水、多元醇等）减弱分子间作用力后，能够参照玻璃的加工方法热塑成型。但淀粉的多羟基结构使其具有极强的亲水性，对湿度十分敏感，低湿环境下脱水脆化，高湿环境下吸水丧失固有的力学性能，同时缺乏稳定的回缩性和一定的弹性。由纤维与淀粉制成的复合材料缺乏足够的界面黏合，
复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点 1)比强度，比模量高（强度/密度，模量/密度） 2)良好的高温性能 3)良好的尺寸稳定性——热膨胀系数下降.石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零。 4)良好的化学稳定性：聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性。 5)良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性：由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性等性能得到提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善。 6)良好的功能性能：包括光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。 复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？P81、复合材料的三个结构层次2、复合材料设计的三个层次： 一次结构——单层材料——微观力学一次结构(单层材料设计 二次结构——层合体——宏观力学二次结构(铺层设计 三次结构——产品结构——结构力学三次结构(结构设计 复合材料中聚合物基体的主要作用是什么？ 1)把纤维粘在一起；2)分配纤维间的载荷；3)保护纤维不受环境影响。 用作基体的理想材料，其原始状态应该是低粘度的液体，并能迅速变成坚固耐久的固体，足以把增强纤维粘住。尽管纤维增强材料的作用是承受载荷，但是基体材料的力学性能会明显地影响纤维的工作方式及其效率。 7、碳纤维的制造方法有几种？P51碳纤维的主要性能是什么？ 1)强度和模量高、密度小；2)具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值3)具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900℃以上才呈现出永久塑性变形。4)摩擦系数小、润滑性好、导电性高。 芳纶纤维主要有几种？作为增强材料的芳纶纤维有何主要性能特点？ ①芳香族酰胺纤维②聚乙烯纤维 芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有较高的强度芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有高的模量。 常用的增强材料(玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等)的表面如何处理可改善复合材料的界面效果? 有机纤维：复合树脂基体时候，采用不同气体下等离子体处理表层 玻璃纤维：与树脂基体复合时候用偶联剂（或者浸润剂） B纤维：与树脂基体复合可不用表面处理；与金属基体复合采用陶瓷涂层。 C纤维:与树脂基体复合主要采用等离子体处理、沉积法或氧化法处理；与金属基体复合主要采用陶瓷涂层。 复合材料的复合法则—混合定律？ 在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）： 什么是复合材料的相容性？相容性分为哪两种？各指什么？ 相容性指复合材料在制造、使用过程中各组分之间相互协调、配合的程度。相容性关系到复合材料中的各组分材料能否有效发挥其作用以及复合材料整体的结构和性能能否长期稳定。相容性包括物理相容性和化学相容性。物理相容性 （1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。（2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增强剂上形成高的局部应力。 （3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面结合及各类性能产生重要的影响。 化学相容性：主要指基体与增强体之间有无化学反应。 常用的三种GFRP（玻璃纤维增强的三种常用塑料）的主要性能如何？ 玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。不足：环氧树脂粘度大，加工不便 玻璃纤维增强酚醛树脂，耐热性最好！不足：性能较脆，机械强度不如环氧树脂。有刺激性玻璃纤维增强聚酯树脂：加工性能好。不足：固化时收缩率大 如何去解决金属基复合材料的界面反应问题？3种方式 ①增强剂的表面改性处理②金属基体改性（添加微量合金元素）③优化制备工艺参数，采用新工艺。 常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有哪些？ SiC纤维—富碳涂层、SCS涂层等； 硼纤维—SiC涂层、B4C等； 碳纤维—TiB2涂层、C/SiC复 16、什么是C/C复合材料？有何主要特性？为什么要对碳碳复合材料进行抗氧化保护？ 定义：C/C复合材料是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。
复合材料及其成型工艺（作业） 1. 纤维增强树脂基复合材料的特点？列举纤维增强树脂基复合材料在日常生活中的应用实例？（至少列举三例） 答：特点： （1）优点： 1）比强度高，比模量大； 2）耐疲劳性好； 3）减震性好； 4）耐烧蚀性好； 5）工艺性好：工艺简单，一次成型；易加工成型；加工周期短。 （2）缺点： 1）性能分散大，工艺质量不稳定； 2）耐高温性差； 3）层间剪切强度差。 应用实例：以碳纤维增强复合材料应用为例 （1）航空航天领域 碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻75%，而强度却提高4 倍，其最早最成熟的应用当属在航空航天领域，如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫星等。早在1970 年代初期，美国军用F-14战斗机就部分采用碳纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空领域，如波音767和空中客车A310中，碳纤维复合材料也占到了结构质量的3%和5%左右。近几年随着碳纤维工业技术和航空航天事业的不断发展，碳纤维在这一领域的应用更加广泛，如用于制造人造卫星支架、卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹的末级助推器、机器人的外壳等。 （2）体育休闲领域 体育休闲用品是碳纤维复合材料应用的另一个重要领域，如高尔夫球杆、滑雪板、滑雪车、网球拍、钓鱼竿等。用碳纤维复合材料制成的球拍与传统的铝合金球拍相比，其质量更轻、手感和硬度更好、对震荡和振动的吸收也更好，且使用寿命大大延长。同时由于复合材料本身的可设计性，使得制造商在球拍的硬度、弹性、球感、击球性能的设计上，有了更大的想象空间。而碳纤维钓鱼竿由于其良好的韧性与耐用性，更是被广泛青睐。近年来，碳纤维复合材料在运动及休闲型自行车零组件方面的应用也非常广泛。 （3）交通运输领域 碳纤维增强复合材料在交通运输方面主要是汽车骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船舶的增强材料等，尤其在汽车方面的应用更是潜力巨大。早在1979年，福特汽车公司就在实验车上作了试验，将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车减重33%，汽油的利用率提高了44%，同时大大降低了振动和噪音。
复合材料力学课程设计 一、 层合板失效载荷计算 1、 问题描述： 已知：九层层合板，正交铺设，铺设比为0.2m =。受载荷x N N =，其余载荷均为零。每个单层厚度为0.2t mm =。玻璃/环氧单层板性能：41 5.4010E Mpa =?， 42 1.8010E Mpa =?，120.25ν=，3128.8010G Mpa =?，31.0510t c X X Mpa ==?， 2.810t Y Mpa =?，14.010c Y Mpa =?， 4.210S Mpa =?。 求解：1、计算各铺层应力？ 2、最先一层失效的载荷？ 2、 使用mat lab 编程求解： 将输入文件“input.txt ”经由程序“strain.m ”运行，得到输出文件“output.txt ”。求解程序见附录一。 3、计算结果：（其中R 是强度比） 求单层刚度 Q1: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q2: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q3: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000
0.00000 0.00000 8800.00000 Q4: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q5: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q6: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q7: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q8: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q9: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 求中面应变 Ez: 0.0306235*R -0.00290497*R
《复合材料学》作业 1.常见的材料强化途径都有哪些？请分别进行简要的论述 固溶强化、细晶强化、析出强化、弥散强化、形变强化、相变强化。 【固溶强化】溶入固溶体中的溶质原子产生晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。 【细晶强化】通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，符合霍尔-佩奇公式 σs=σ0+kd-1/2 第二相粒子强化包括析出强化和弥散强化。 析出强化（时效强化）：指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由其脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。 弥散强化的实质是利用弥散细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料的力学性能。 【形变强化】金属材料冷变形时强度和硬度升高.而塑性和韧性降低的现象。 【相变强化】它不是一种独立的强化机制，实际上是固溶强化、弥散强化、形变强化和细晶强化的综合效应。 2.碳钢的常用热处理工艺有哪些？主要操作方法及目的？ 有退火、正火、回火、淬火。 【退火】将钢件加热到一定的温度，并保温一定时间，然后，以相对缓慢的速度冷却（随炉或埋沙）到室温，得到接近平衡状态的显微组织的热处理。 【目的】a）均匀化学成分及组织，细化晶粒 b）调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善成形和切削加工性能 c）为淬火做好组织准备 【正火】将钢加热到奥氏体区完全奥氏体化，然后出炉进行空冷，以得到珠光体类(索氏体)组织的热处理。【目的】a）改善低碳钢和低碳合金钢的可加工性能 b）作为最终热处理，提高工件力学性能 c）作为中碳和低合金结构钢重要零件的预备热热处理 d）消除热加工缺陷 【回火】将淬火钢件重新加热到Ac1以下的温度，保温，然后冷却的一种热处理形式。 【目的】a）降低或消除内应力，防止工件开裂变形 b）减少或消除残余奥氏体，稳定工件尺寸 c）调整内部组织和性能，满足工件使用要求 【淬火】加钢加热到奥氏体转变区进行奥氏体化（亚共析钢加热到Ac3以上，过共析钢加热到Ac1以上），保温一定时间，然后以大于淬火临界冷却速度进行冷却，使奥氏体发生非平衡转变，得到马氏体或贝氏体等非平衡组织的热处理工艺。【目的】使材料获得高的强度、硬度和耐磨性能。 3.不锈钢是如何提高其耐腐蚀性的？根据不同组织的形式，不锈钢可分为哪些类型？简述其主要组织特 征和性能特点。 【提高耐蚀性】 a.固溶处理:将钢加热至1050 ℃～1150 ℃使碳化物充分溶解，然后水冷（淬火），获得单相奥氏体组织以减少原电池形成的可能性，提高耐蚀性。 b.稳定化处理(用于含钛或铌的不锈钢)：固溶处理后，加热到850 ℃～880 ℃，使钢中铬的碳化物完全溶解，钛、铌的碳化物不完全溶解。然后缓慢冷却，让碳化钛、碳化铌充分析出。碳不再同铬形成碳化物，有效地消除晶界贫铬，避免晶间腐蚀产生。 c.消除应力退火：将钢加热到300 ℃～350 ℃消除冷加工应力；加热到850 ℃以上，消除焊接残余应力。 d.使金属钝化，即在表面形成致密的、稳定的保护膜，将介质与金属材料隔离。