复合材料复习

复合材料：由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点又显示了原组分材料所没有的新性能。复合材料=增强剂+基体复合材料分类：按性能高低：常用复合材料，先进复合材料。按基体材料：1.聚合物基复合材料：热固性树脂基复合材料，热塑性树脂基复合材料，橡胶基复合材料2.金属基复合材料：轻金属基复合材料，高熔点基复合材料，金属间化合物基复合材料3.无机非金属基复合材料：陶瓷基复合材料，碳基复合材料，水泥基复合材料。按不同增强体形式：纤维增强复合材料，颗粒增强复合材料，片材增强复合材料。复合材料的特征：可设计性、由基体组元与增强体或功能组元组成、非均相材料、三种基本的物理相（基体相、增强相和界面相）、组分材料性能差异很大、组成复合材料后的性能不仅改进很大，而且还出现新性能。影响复合材料性能的主要因素：增强材料的性能、基体的性能、复合材料的结构及成型技术、界面的性能。增强体：结构复合材料中能提高材料力学性能的组分，在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用。增强体分类：1.纤维类增强体：碳纤维，氧化铝纤维，碳化硅纤维2.颗粒类增强体：陶瓷，碳化硅，氧化铝3.晶须类增强体：碳化硅，氧化铝，氮化硅等陶瓷晶须4.金属丝：铍丝，钠丝，不锈钢丝，钨丝5.片状物增强体：陶瓷薄片增强体的基本特征：1.具有能明显提高基体某种所需特性的性能2.具有良好的化学稳定性3.与基体具有良好的润湿性。常用纤维种类：无机非金属纤维（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维）、金属丝纤维、有机纤维（Kevlar纤维、聚乙烯纤维）。玻璃纤维分类：1.按原料成分：有机玻璃纤维，中碱玻璃纤维，低碱玻璃纤维，无碱玻璃纤维2.按用途：高强度纤维，低介电纤维，耐化学药品纤维，耐电腐蚀纤维，耐碱纤维3.按单丝直径：粗纱，初级纱，中级纱，高级纱，超细纱4.按纤维外观：连续纤维，短切纤维，空心玻璃纤维，玻璃粉及磨细纤维5.按纤维特性：高强玻璃纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维)。影响玻璃纤维强度的因素：1.直径：拉伸强度随直径降低而增加。2.长度：拉伸强度随长度降低而增加。3.化学组成：含碱量越高，强度越低。4.存放时间：存放一段时间后强度会降低—纤维的老化，原因：空气中的水分和氧气对纤维的侵蚀。纤维的老化与含碱量有关。5.施加负荷时间：拉伸强度随施加负荷时间增长而降低，环境湿度较高时尤其明显。纤维的疲劳。原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度加速。6.玻璃纤维的成型工艺和条件。碳纤维结构：乱层石墨结构。最基本的结构单元：石墨片层。二级结构单元：石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成)。三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm左右，弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构。碳纤维的皮芯结构：碳纤维由表皮层和芯子两部分组成，中间是连续的过渡区。皮层的微晶较大，排列较整齐有序，占直径的14％，芯子占39％，由皮层到芯子，微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均匀性愈来愈显著。皮层：微晶较大，排列有序。芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。有机纤维结构与性能关系：含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体，拉伸强度高、各向异性、抗压性能、抗扭性能较低；苯环与酰胺键交替排列对称性好，结晶性好，密度小、良好的韧性、抗蠕变、疲劳性能好；分子间有氢键，弹性模量高、热稳定性和耐低温性好。碳纤维的制备：1.碳化法生产长纤维。五个阶段：1.拉丝：制有机长纤维2.牵伸：规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。3.氧化稳定：低温，200～300℃，防止热塑化。4.碳化：1000～1500℃，保护性气氛下，脱氢、交联、环化，得乱层环状石墨。5.石墨化：2000～2500℃，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成聚合碳结晶，并平行于轴向。主要包括3个步骤：稳定化处理、碳化热处理、石墨化热处理2.聚丙烯腈（PAN）原丝制备碳纤维分为三个阶段：1.预氧化：200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行。2.碳化：在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤维生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，形成了碳纤维。碳化收率40％~45％，含碳量95%左右。3.石墨化：在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加压力，保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高碳纤维的弹性模量。3.粘胶纤维为原料制造碳纤维：粘胶纤维属于多糖类有机化合物，分子式(C6H10O5)n，粘胶原丝具有环状分子结构，可以直接进行碳化或石墨化处理，而制成粘胶基碳纤维。4.沥青为原料制造碳纤维：制备过程与Pan相似，但是需要经过调制处理，去除不适合纺丝成分。最高弹性模量可达到90GPa。聚合物基复合材料（PMC）1分类：预浸料，接触成型（手糊成型，喷射成型），压力成型（1.袋压成型：真空袋成型，压力袋成型，热压罐成型2.模压成型3.层压成型），缠绕成型，拉挤成型，夹层结构制造，编织，树脂传递成型，注射成型，增强反应注射成型2.制造过程：预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工等。3.预浸料制备：预浸料是指定向排列的连续纤维（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状半成品。4.制件成型固化工艺：一是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状；二是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。5.生产中采用的成型工艺：(1)手糊成型(2)喷射成型(3)树脂传递成型(4)树脂膜熔浸成型(5)真空袋成型(6)模压成型工艺(7)纤维缠绕成型(8)反应注射成型(9)拉挤成型(10)离心成型工艺(11)浇注成型工艺6.各种工艺方法共同遵循的原则：1.纤维要均匀地分布在制品的各个部位2.树脂适量均匀地分布在制品的各个部位，并适当固化3.尽量减少气泡，降低孔隙率，提高制品的致密性4.掌握所用树脂的工艺性能，制定合理的工艺规范围。7成型工艺方法的选择基点：1.材料性能和产品质量的要求2.生产批量大小及供应时间3.预定价格和经济效益8.手糊成型工艺：先在磨具上涂刷一层脱膜剂，然后加入含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后再固化、脱膜、修边，得到复合材料制品。金属基复合材料MMC1.金属基体的选择依据：1.金属基复合材料的使用要求2.金属基复合材料组成特点3.基体金属与增强物的相容性2.MMC的制备工艺研究方面：1.金属基体与增强材料的结合方式和结合性2.金属基体／增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制3.增强材料(相)在金属基体中的均匀分布4防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤5.优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。3.方法：固态法、液态法、喷涂与喷射沉积、原位复合4.固态法制备：将金属粉末或金属箔与增强物（纤维、晶须、颗粒）按设计要求以一定的含量、分布、排布在一起，再经加热、加压扩散粘接，将金属与增强物复合在一起，形成MMC。①扩散结合是是传统金属材料一种固态焊接技术，是在一定的温度和压力下，把新鲜清洁表面的金属和增强材料，通过表面原子的互相扩散而连接在一起，用于制造连续纤维增强金属基复合材料。②粉末冶金既可适用于连续、长纤维增强．又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。5.液态法：是金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合成材料的方法。包括压铸，半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法，这些方法的共同持点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。6.喷射成型工艺：将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧雾化喷出，同时将切断的玻纤粗纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品。7.喷涂与喷射沉积：最大持点是增强材料与基体金属间润湿性要求低；增强材料与熔融金属基体的接触时间短，界面反应量少。①喷涂沉积主要应用于纤维增强金属基复合材料的预制层的制备，也可以获得复合层状复合材料的坯料。②喷射沉积则主要用于制备颗粒增强金属基复合材料。8.原位复合：在金属内部通过加入反应物质，或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固态增强相制得金属基复合材料。主要有共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法(DIMOXTM)和反应生成法（XDTM)。9.金属基体的选择（按温度）：①450℃以下铝基和镁基②450~700℃钛合金③1000℃以上镍基、铁基耐热合金和金属间化合物陶瓷基复合材料1.强韧化的途径：1.颗粒弥散：第二相颗粒的引入可以改善陶瓷材料的力学性能，引入的第二相可以是金属颗粒，也可是无机非金属颗粒。2.纤维（晶须）补强增韧：在陶瓷基复合材料中，纤维与陶瓷基体的弹性模量非常接近，二者承担载荷的能力相当，加入纤维的主要作用不是增加强度，而是提高韧性3.层状复合增韧：材料制备成层状，每层厚度达微米级，目前已有的为亚微米，材料的韧性有了明显的提高4.金属复合增韧及相变增韧：相变引起体积变化，造成应力，引起基体产生微裂纹，微裂纹的出现，就增加了Al2O3材料的韧性。2.影响增韧效果的因素：增强材料的尺寸、形貌和体积分量、界面的结合情况、基体与增强材料的力学和热膨胀性能及相变情况3.陶瓷基复合材料的优点：1.氧化铝瓷的硬度很高，仅次于金刚石、氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性。耐高温性很好，耐腐蚀性很强，有很好的电绝缘性能；2.氮化硅陶瓷的优点是强度高，硬度高，摩擦系数小，抗热震性和抗高温蜕变性能也比其它陶瓷好，还有自润滑性，可在无润滑剂的磨损条件下工作。3.碳化硅的最大特点是高温强度高，有很高的热传导能力，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷，还具有较好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。4.LAS玻璃陶瓷热膨胀系数几乎为零，耐热震性好。MAS玻璃陶瓷具有硬度高、耐磨性好等特性。）C/C复合材料1.制备：1.碳纤维预制体的制备①碳纤维的选择②碳纤维编织结构的设计2.基体碳的制备3.预制体预基体碳的复合①化学气相沉积法（CVD）碳化工艺②液态浸渍碳化工艺，可以获得C/C复合材料基体碳中的树脂碳和沥青碳2.提高抗氧化性的措施主要有两种：1.在C/C复合材料表面进行耐高温材料的涂层，起到阻隔氧侵入的作用2.在制备C/C复合材料过程中，在基体中预先包含有氧化抑制剂。纳米复合材料：是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。刚度大、强度和韧性比单组分纳米材料提高2～5倍，重量轻，综合性能优异。复合方式：（按照复合方式不同）0-0复合体系（不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子复合而成）；0-3复合体系（把纳米粒子分散到常规三维固体材料中，即纳米-微米复合材料）；0-2复合体系(把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中得到的纳米复合薄膜材料)；纳米层状复合体系(由不同材质交替形成的组分或结构交替变化的多层膜,各层膜的厚度均为纳米级)复合材料的仿生设计和制备领域：材料的结构仿生、功能仿生、过程仿生。复合材料仿生原因：连续纤维的脆性和界面设计的困难；短纤维易由基体拔出而导致增强失效；晶须的长径比不易选择；陶瓷基复合材料增韧困难；复合材料损伤和裂纹的恢复和愈合。----仿生分析：生物材料的优良特性（生物材料的复合特性、功能适应性、创伤愈合）。复合材料的仿生设计的种类：1.复合材料最差界面的仿生设计:利用仿骨的哑铃形或仿树根的分型设计增强体，通过基体和增大了的端头之间的压缩传递应力而不对界面情况提出特殊要求，此时应力传递对界面不敏感，即使界面设计很差，也能满足要求，得到优良的性能，因此称之为最差界面结合。2.分形树状纤维和晶须的增强与增韧效应3.仿生螺旋的增韧作用4.仿生愈合与自愈合抗氧化5