第六章---复合材料

第六章复合材料所谓的复合材料是指把两种以上在宏观上不同的材料，合理的进行复合，在新制得的材料中，原来各材料的特性得到充分的应用，并且得到了单一材料所不具有的新特性，如果从微观上看，我们所使用的材料很少不是复合的，我们在这里所说的复合材料则是按上述定义复合得到的材料。复合材料船体第一节概述复合材料的起源可追溯到古埃及人在粘土中加入植物纤维所制成的土坯。大约100万年以前，人们开始使用以沙做骨料，用水或水泥固结的混凝土，它是现代建筑领域不可缺少的材料。混凝土具有一定的抗压强度，但比较脆，在张力作用下容易产生裂纹而破裂。在混凝土中加入钢筋，大大提高了材料的拉伸抗力，成为广泛应用的钢筋混凝土。在橡胶中加入纤维/钢丝，既保持了橡胶的柔软性，又提高了材料的强度和耐磨性能。第一节概述现代复合材料的发展起源于1942年美国空军用于制造飞机构件的玻璃纤维增强和聚脂，即玻璃钢，以后提高玻璃纤维性能的工作有了很大的发展，硼纤维/碳纤维/碳化硅纤维/各种耐热氧化物纤维与晶须的相继出现，推动着复合材料的研究与开发工作。复合材料的复合目的:提高材料强度得到热性能/电性能/磁性能和其他各种性能的最优化.第一节概述根据复合材料的基体的不同及发展历史:玻璃纤维增强塑料（GFRP）称作第一代复合材料硼纤维和碳纤维增强的塑料（BFRP,GFRP）称作第二代复合材料。高性能纤维增强金属与陶瓷成为第三代复合材料。硼纤维玻璃纤维碳纤维第一节概述现代科学技术的发展对材料性能提出了更加苛刻的要求，特别是在航空和航天等高科技领域不断地提出开发耐高温，高强度比新型材料的要求。工程材料(如Si3N4和SiC）所具有的优异性能在许多方面可以满足这种要求.碳化硅第一节概述例如工程陶瓷在1400——1600℃一般仍保持较高的强度，具有优良的高温抗氧化性能和热稳定性，耐腐蚀和低比重，而这些正是人们在高技术领域所追求的材料性能。陶瓷材料存在的最大缺点：脆性限制了它的实际工程应用范围陶瓷材料工程应用急待解决的重要关键：陶瓷材料韧性的提高与改善。第一节概述目前用于陶瓷改善脆性的方法主要包括：相变增韧颗粒增韧纤维增韧（晶须）增韧。ZrO2增韧可以大幅度提高陶瓷的韧性，但这种增韧方法在高温条件下的使用有很大的局限性，加入延性颗粒往往会遇到高温氧化条件下的稳定性问题。纤维（包括晶须）增韧陶瓷及复合材料可能是一种既能增强又能增韧，同时又能在较高温度下保持材料强韧化的方式。第一节概述无机纤维与晶须无机纤维第一节概述无机玻璃钢基布第一节概述碳化硅晶须微米级硫酸钙晶须第一节概述主要用于需要高温高强应用材质的增韧场合。如：航天材料、高速切削刀具等。目前，有着极高的性能价格比。β－Si3N4晶须具有高强度、高模量、高介电性、耐高温、化学稳定性好等特点，是一种性能优良的陶瓷材料补强增韧剂。第一节概述60年代末期，人们首先开展了对随机趋向耐热金属短纤维增强陶瓷基复合材料的研究，虽然也发现了一些高强度高韧性的材料系列，但所得到的复合材料密度高，环境相容性与高温抗氧化性能差，从而未能进一步的发展。对原位晶须增强陶瓷基复合材料的研究表明：原位生长所能获得的晶须数量少、直径小，也难达到理想的增韧效果。第一节概述70年初期，高强度高模量、低成本的碳纤维的出现，促进了纤维增强陶瓷基复合材料的研究与发展，碳纤维增强陶瓷基复合材料所具有的优异性能使得其在航天、武器等领域得到了应用。碳纤维滤芯是利用碳纤维布缠绕而成具有强烈的吸附效果，有效去除水中余氯、异味、恶臭，去除率达99%。·碳纤维刹车片第一节概述第一节概述70年代未期，性能优异的SiC纤维问世，由于Si所具有的高温抗氧化性能，使得SiC纤维增强锂铝硅酸盐玻璃陶瓷基复合材料在1000℃时抗弯强度基体相匹配，还要其它与基体在热性能、弹性能，以及化学性能等方面具有相容性。第一节概述用作高温复合材料增强成分的纤维基本要求：从化学上一般希望是单一物质构成，由原子量较小的原子通过共价键结合形成的分子，比较典型的成分是作为工程陶瓷的SiC和Si3N4从物理上希望纤维由微细粒子构成，这些结晶长大的可能性尽可能小，纤维直径小。具备了这些基本条件，就可能在化学方面得到耐腐蚀、耐热和轻的质量；在物理方面得到高的强度和弹性模量。第一节概述复合材料的分类1、按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。3、按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型第一节概述•复合材料的特点•1、比强度和比模量高其中纤维增强复合材料的最高。•2、抗疲劳性能好因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。•3、减振性能良好复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。•4、高温性能好。比强度比较碳纤维\树脂硼纤维\树脂玻璃纤维\树脂钛钢铝第一节概述主要因素包括三个方面：一是基体和增强体或功能体的性能；二是复合材料的结构和成型技术；三是复合材料中增强体或功能体与基体的结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应。这三个方面都可能成为复合材料的薄弱环节。第二节基本理论1.影响复合材料性能的因素对于复合材料来说，这里所说的界面，并非一个理想的几何面，实验证明，复合材料中相与相之间的两相交接区是一个具有相当厚度的界面层（纳米以上），两相的接触会引起多种界面效应，使界面层的结构和性能不同于它两侧邻近的结构和性质。第二节基本理论从物理化学的观点可以知道，凡不同相的多相共存体系，在各相之间的交界处，总存在一个界面，即相互间接触面。2.界面效应界面是增强相与基体相联接的纽带，也是应力及其他信息传递的桥梁。复合材料中的增强体不论是微纤、晶须、颗粒还是纤维，与基体在成型过程中将发生不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。在复合材料中两相的交接面上的相互作用，随着环境条件的改变，可以发生变化。如温度改变，可以改变相互间的作用，从而导致界面厚度、化学结构和界面效应等的改变。第二节基本理论基体与增强体在一种组分为液体（或粘流态）发生接触或湿润两种组分在一定条件下均为液态（或粘流态）的分散、接触及润湿过程两种固态组分在分散的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湿润过程。这种润湿过程是增强体与基体形成紧密地接触而导致界面良好结合的必要条件。3.复合材料界面形成过程。第二节基本理论一般分为两个阶段。第一阶段基体与增强体润湿过程。要形成复合材料增强体与基体之间稳定的界面结合，不论是何种材料（金属/非金属/聚合物）均必须通过物理或化学的固化过程（凝固或化学反应固化）。此时，增强体与基体分子能量处于最低，结构稳定的状态，从而使复合材料中的界面固定并稳定。这两个过程往往是连续的，又几乎是同时进行的，对于在固态下制备的非金属或金属基复合材料，往往难以区分这两个过程。第二节基本理论第二阶段是液态（或粘流态）组成的固化过程表面自由能：物质表面所具有的性质，是由于表面分子所处状态与相内分子所处状态不同所引起的。从物理化学可知，物质表面层上的分子能量比相内分子要高，由此相内分子的移动不消耗功，而将相内分子迁移到表面时，要反抗分子间的吸引而做功。因此将大块物料粉碎成小颗粒或将大液滴分成小液滴时，需要对物料做功，所消耗的能量转变为表面自由能。一定的物料，粉碎程度越大，表面积就越大，所具有的表面能就越高。对超细粒子，由于表面积巨大，故具有相当高的表面自由能，以致使其表面特性与本体材料相比，发生了巨大变化。第二节基本理论4.表面与界面化学基础表面张力、表面自由能以及比表面能表面张力是物质的一种特性。它是物质内部分子之间相互作用的一种表现。表面张力与物质的结构、性质有关。不同物质的分子间相互作用力不同，分子间作用力越大，相互的表面张力也越大。通常金属离子键物质（氧化物熔体/熔盐）极性分子物质（水等）弱极性物质非极性物质（液态H2/Cl2等）；第二节基本理论物质表面张力与它相接触的另一相物质有关。当与不同性质的物质接触时，表面层受到的力场不同；表面张力随温度的不同而不同，一般温度升高，表面张力下降。这是因为温度提高，物质体积膨胀，即分子间距增大，使分子间作用变小。根据热力学概念，恒温、恒压条件下，任何物质都有自动向自由能减小的方向移动的趋势，因此，表面能也有自动减小的趋势。要降低表面能，一方面可以通过自动收缩表面积，另一方面也可以通过降低比表面能来实现。第二节基本理论固体表面特性之一是吸附气体或吸附溶液中的溶质，这是一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面上的现象。这种现象称之为吸附。为什么它具有吸附现象？由于物体表面质点处于力场不平衡状态，即具有表面能，这一不平衡的力场为了趋于平衡态，可以吸附别的物质而得到补偿，以降低表面能（表面自由能），所以固体表面自动吸附那些能够降低表面能的物质。它分为物理吸附（无选择性，因此吸附在固体表面上的分子可以是一层或是多层，速度快，较低温吸附）和化学吸附（当固体表面原子的原子价未完全饱和，还有剩余的成键能力，在吸附剂与吸附物之间有电子转移生成化学键）。第二节基本理论5.表面吸附作用在复合材料界面上发生两种材料扩散混合时，相容性成为粘结界面的一个重要因素。增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响。纤维增强高分子复合材料复合材料中，增强体的表面特性是影响复合材料界面特性和材料特性的重要因素，它是通常指三个方面:增强体表面的物理特性增强体表面的化学特性增强体的表面能。第二节基本理论6、固体的相容性与粘结。①增强体的表面特性与界面结合。增强体的表面物理特性主要是指其比表面积、表面形态结构、多孔性、表面极性、表面结构的均一性。增强体的巨大的比表面是导致复合材料中巨大的表面效应的根本原因。增强体的比表面越大，增强体与基体粘合的物理界面大，所以对粘结强度的贡献大。而增强体表面也或多或少的存在部分孔隙，这些孔隙中存在有气体，在复合材料的制备过程中，部分孔隙被基体填充，排除气体，呈一种机械镶嵌。第二节基本理论液体基体对增强体的浸润在常压或是在压力下的毛细浸润过程，浸润效果的好坏将直接影响复合材料的性能。第二节基本理论增强体的表面极性，均一性。增强体的极性取决于分子的结构、物质结构及外场的作用。通常极性的基体与极性的增强体有较强的界面结合，因而也就有较强的界面强度基复合材料强度。增强体表面均一性实质上是指增强体表面的活性点分布的均一性，包括物理化学活性点及化学活性点。这类活性点的分布影响到增强体表面与基体的物理化学结合或化学结合效果。第二节基本理论②增强体表面的化学特性与界面结合。增强体的化学特性包括其表面化学组成和结构、表面的反应特性等，其中增强体的表面反应特性是最重要的，它关系到增强体是否要进行表面处理，与基体能否形成化学结合，是否容易形成与环境接触反应而影响复合材料性能的稳定性。第二节基本理论非极性塑料如PE、PP，其表面能很低，用极性的聚氨酯胶粘剂粘接时可能遇到困难，这可用多种方法对聚烯烃塑料进行表面处理加以解决。-种办法是用电晕处理，使其表面氧化，增加极性:第二节基本理论1、复合材料的结构和性能复合材料的结构通常是一个相为连续相，成为基体；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为增强体。多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。第三节复合材料基本特性因此，复合材料是由两种以上组分以及它们之间的界面构成。组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相和基体相。增强相与基体相之间的界面区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的“相”，即界面相。第三节复合材料基本特性增强相和基体相是根据它们组分的物理和化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。其中一个组分是细丝（连续的或短切的）、薄片或颗粒状，具有较高的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，称为增强相或增强体（reinforcedphaseo