复合材料整理

考试时记得带英语词典！！！第一章复合材料基础定义、命名和分类及特性Definition1:由物理或化学性质不同的有机高分子、金属或无机非金属等两种或两种以上材料经一定的复合工艺制造出来的一种新型材料。Definition3:Acompositeiscommonlydefinedasacombinationoftwoormoredistinctmaterials,eachofwhichretainsitsowndistinctiveproperties,tocreateanewmaterialwithpropertiesthatcannotbeachievedbyanyofthecomponentsactingalone.复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体(Matrix)；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强体(reinforment)(也称为增强材料、增强相等)。在大多数情况下，分散相较基体硬，强度和刚度较基体大。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。在基体与增强体之间存在着界面。基体与增强体的作用：见书P81.3复合材料的分类(Classfication)复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：一、按增强材料形态类Classificationbymorphologyofreinformentmaterials1、纤维增强复合材料(Fiberreinforcedcomposites)：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；3、板状复合材料、层叠式复合材料Laminatedcomposite其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体2、颗粒增强复合材料(Particlesreinforcedcomposites)：；弥散增强dispersionstrengthened颗粒增强particlereinforced三、按用途分Classificationbyend-use①结构复合材料；②功能复合材料。①结构复合材料StructuralComposites主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为承力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。②功能复合材料FunctionalComposites指具备各种特殊物理与化学性能的材料。例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。功能复合材料中的增强体又可称为功能体组元，它分布于基体组元中。除了上面的各种各样的复合材料分类以外，还可分为同质复合材料（Homogeneouscomposites）和异质复合材料（Heterogeneouscomposites)同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，如碳/碳复合材料）异质复合材料（前面提及的复合材料多属此类）。1.4复合材料的性能特性1.4.1优异的物化性能1.比强度、比模量高突出优点是比强度及比模量高。这在节省能源、提高构件的使用性能方面，是现有其他任何材料所不能比拟的。2.耐疲劳性能好金属材料：是拉伸强度的30%~50%碳纤维/聚酯复合材料：是拉伸强度的70%~80%4.耐化学腐蚀Generallypolymershavebetterweatherresistancethanmetallicmaterials.玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料在氯离子的酸性介质中能长期使用，用于制造耐强酸、盐和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器、搅拌器等设备；耐碱玻璃纤维或碳纤维与树脂基体结合，还能用于强碱介质中使用。5.绝缘、导电和导热性玻璃纤维增强塑料——优良的电气绝缘材料金属基复合材料——良好的导电和导热性能6.耐热性好碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体有明显提高，而陶瓷基复合材料在耐热性方面更显示优越性1.4.5材料与结构的统一性DisadvantagesofComposites1)Compositesaremoreexpensivethanconventionalmaterialsonacostbasis2)Thechancesofformationofdefectsattheinterfacearehigh3)MostofFRCsareanisotropicinnature.4)Productionrateofcompositesisgenerallylow5)Thedatabaseonthepropertiesofcompositesisnotavailable6)Recyclingisanotherhurdleforthewideusageofcomposites.1.5复合材料的应用EndUseofComposites实例分析柴油机活塞•Al合金/Al2O3短纤维发动机缸体Al-Si合金/12%Al2O3短纤维+9%碳短纤维•耐磨性好；•抗热疲劳性；•密度低；•高温稳定性好•减振性好•可铸造薄体。汽车驱动轴Al合金/20%Al2O3颗粒•刚度高；密度低；韧性满足要求。设备架Al合金/20%SiO2颗粒•刚度高；•密度低；•导电性好。制动器转盘Al-Si合金/20%Al2O3颗粒•耐磨性好；密度低；热传导性好。自行车体Al基合金/10%Al2O3或20%SiO2颗粒•刚度好；•密度低；•抗疲劳性好。宇航望远镜Al合金/20%碳长纤维•轴向刚度好；密度低；超低轴向热膨胀性；导电性好。第二章复合材料的基体和增强体MatrixandReinforment2.1基体材料金属基体、无机胶凝材料、陶瓷基体、聚合物基体2.1.1金属基体MetallicMatri１、金属基体材料的选择原则①根据金属基复合材料的使用要求②根据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、结构用金属基复合材料的基体轻金属基体lightmetalmatrix耐热合金基体heat-resistingalloymatrixＡ、用于450℃以下的轻金属基体Lightmetalmatrix在这个温度范围内使用的金属基体主要是铝、镁和它们的合金，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等，并已形成工业规模生产。Ｂ、用于450-700℃的复合材料的金属基体通过各种研究表明，存这个温度范围内可以作为金属基复合材料基体使用的，目前主要是钛及其合金。--钛具有六方密堆积排列结构，低于885℃时稳定；--钛是体心立方结构，高于885℃时稳定。C、用于1000℃以上的金属基体用于1000℃以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基耐热合金和金属间化合物。其中，研究较为成熟的是镍基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。3功能用金属基复合材料的基体功能用金属基复合材料随着电子、信息、能源、汽车等工业技术的不断发展，越来越受到各方面的重视，面临广阔的发展前景。水泥基体材料的五个特征①水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由数“埃”到数百“埃’。孔隙存在不仅会影响基体本身的性能，也会影响纤维与基体的界面粘接。②纤维与水泥的弹性模量比小，因水泥的弹性模量比树脂的高，对多数有机纤维而言，纤维与水泥的弹性模量比甚至小于1，这意味着在纤维增强水泥复合材料中应力的传递效应远不如纤维增强树脂。③水泥基材的断裂延伸率较低，在纤维尚未从水泥基材中拔出拉断前，水泥基材即行开裂。④水泥基材中含有粉末或颗粒状的物料,与纤维成点接触，故纤维的掺量受到很大限制。而树脂基体在未固化前是粘稠液体，可较好地浸透纤维中。故纤维的掺量可高些。⑤水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维是不利的。四、陶瓷基体传统的陶瓷是指陶器和瓷器，也包括玻璃、水泥、搪瓷、砖瓦等人造无机非金属材料。由于这些材料都是含二氧化硅的天然硅酸盐矿物质，如粘土、石灰石、砂子等为原料制成的，所以陶瓷材料也是硅酸盐材料。１玻璃玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种陶瓷材料。与其它陶瓷材料不同，玻璃在熔体后不经结晶而冷却成为坚硬的无机材料，即具有非晶态结构是玻璃的特征之一。当温度低于Tg时，玻璃表现出脆性。2玻璃陶瓷许多无机玻璃可以通过适当的热处理使其由非晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。由于反玻璃化使玻璃成为多晶体，透光性变差，而且因体积变化还会产生内应力，影响材料强度。所以，通常应当避免发生反玻璃化过程。3氧化物陶瓷基体作为基体材料使用的氧化物陶瓷主要有A1203，MgO，SiO2，ZrO2，莫来石(即富铝红柱石，化学式为3A12O3·２SiO2)等，它们的溶点在2000℃以上。氧化物陶瓷主要为单相多晶结构，除晶相外，可能还含有少量气相(气孔)。1）晶粒大小。微晶氧化物的强度较高，粗晶结构时晶界面上的残余应力较大，对强度不利。影响氧化物陶瓷强度的因素：2）温度。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000℃以下降低较小。避免在高应力和高温环境下使用4非氧化物陶瓷：非氧化物陶瓷是指不合氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。它们的特点是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强五、聚合物基体材料1．聚合物基体的作用聚合物基体是FRP的一个必需组分。在复合材料成型过程中，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体，因而整体性能直接影响复合材料性能。基体的作用主要包括以下四个部分①将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡；②基体决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能(interlaminarshearstrengthandin-planeshearstrength)、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能)等；③基体决定复合材料成型工艺方法(processability)以及工艺参数选择等。④基体保护纤维免受各种损伤。此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。热塑性基体如聚丙烯PP、聚酰胺PA、聚碳酸酯PC、聚醚砜PES、聚醚醚酮PEEK等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。Thepropertiesofpolymer1)Themechanicalpropertiesofpolymericmaterialsstronglydependontheambienttemp.2)Theloadingrateduringthetestingofpolymersalsoaffectsthepropertiesofpolymers4．聚合物基体的选择SelectionCriteria(1)Thefirstandmostimportantconsideration:TheserviceTemp.requiredforthecomponent.Agoodruleofthumb:Tg≥25℃+Tmaxservicetemp.Preferableselection:Tg≥50℃+Tmaxservicetemp（2）ThemechanicalproperitiesrequiredforthecomponentHigh-modulus——bettercompressivepropertiesHightensilestrength——suitabletocontrolintraplycrackinginthecompositesBetterfracturetoughness——bettercontr