复合材料

1、什么是复合材料，复合材料具有哪些特点，并结合复合材料的特点说明其应用领域广泛的原因。复合材料是含有多个组分，且不同的组分有机地结合在一起，具有新的材料性能的新材料。特点：1)在一个特定的基体中填充一种或多种填充体2)保留原组分的主要特色，通过复合效应获得原组分不具备的性能3)通过材料设计使各组分性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。4)可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造5)可制成所需的任意形状的产品，复合材料的形成和形成制品同步，可避免多次加工工序应用领域：1)热稳定性好，比强高，比刚度高可用于航空航天领域2)特殊的振动阻尼特性，可减震和降低噪声，抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成型，可用于汽车领域3)有良好的耐腐蚀性的碳纤维与树脂基体复合，可用于化工、纺织和机械制造领域4)优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于医学领域5)生物组织相容性和血液相容性，可用于生物医学材料此外，复合材料还可以用于体育运动器材和建筑材料2、简要说明复合材料常用的树脂体系有哪些，并给出一个例子说明树脂体系包括哪些组分，各个组分的作用是什么？热固性树脂：不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等热塑性树脂：聚烯烃、氟树脂、聚酰胺树脂、聚酯树脂、ABS树脂等环氧树脂体系环氧树脂基体：结合分散的填充剂以形成复合材料整体和赋予制件形状；保护填充剂不受或者少受环境的不利影响；填充剂的载体，向填充剂传递载荷或信号；决定复合材料的加工性能；实现填充剂的功能增强体碳纤维：拉伸强度高，弹性模量大，质轻；化学稳定性好；耐高温，导电，导热CTE小固化剂：三乙烯四胺，固化交联作用，与环氧树脂分子加成反应，交联成体型网状结构稀释剂：降低环氧树脂的粘度，提高流动性，改善浸润性，控制固化时的反应热，延长适用期3、什么是行手糊成型？手糊成型工艺有些优缺点？该工艺可制备哪些复合材料制品？手糊成型常用的树脂体系有哪些手糊成型：是制备聚合物基复合材料最早使用的一种工艺方法。先将树脂、固化剂及各种配料制成树脂糊，在模具上面刷一层树脂糊，再铺贴上一层事先裁好的纤维织物，用辊子或刮刀压实，赶出气泡。再重复上述操作，直到达到要求的厚度为止。然后在一定的条件下进行固化，得到制品优点：是复合材料成型最基本的方法，能够成型任意形状、任意大小的制品；设备简单、投资少；艺最为简单；可在任意部位增补增强材料，易满足设计要求；产品树脂含量高，耐腐蚀性好缺点：劳动强度大、生产效率低、速度慢、生产周期长；产品质量稳定性差；制品的力学性能较其他方法低；不够“绿色”，有一定污染制品：波形瓦、冷却塔、游艇、风机叶片、天文台、雷达天线罩、火箭外壳、机翼等不饱和聚酯树脂体系、环氧树脂体系4、对RTM工艺过程进行简单描述，并说明该工艺的特点，能够制备什么样的制品，并给出实际制品的例子，并说明制备该制品的工艺过程及工艺条件RTM：把增强材料切成或制成预成型体，放入模腔之中。预成型体放置于合适的位置，以保证模具的密封。合模后，树脂被注射到模腔之内，流经增强体，把气体排出，并润湿纤维（增强体），多余的树脂将从排气孔处排出模腔。之后，树脂在一定的条件下经固化后，取出得到制品工艺特点：制品尺寸由模腔决定，制件尺寸精度高，有精确的内外表面，不需补充加工，但工艺难度大，注胶周期长，注胶质量不易控制；制品树脂含量高，模具费用高；操作者不与胶液接触，劳动条件好适用于有一定厚度和尺寸要求的制件，如飞机机头实壁结构雷达罩，复合材料汽车保险杠，飞机发动机吊架尾部整流锥工艺过程及工艺条件1)预制件的制造。将碳纤维按照一定要求支撑一定形状，然后放入模具中，预制件的尺寸不应超过模具密封区域，以便模具闭合和密封2)冲模。在模具闭合紧缩后在一定条件下将环氧树脂注入到模具，控制树脂粘度为100~1000cp，与增强体碳纤维比例为100:1左右，树脂在浸渍碳纤维的同时将空气赶出，当多余的树脂从模具溢胶口溢出时，停止树脂注入。通常模具是预热的，因此在冲模过程中，模壁、碳纤维和树脂之间要发生热传递，体系压力保持在0.07MPa，模腔内压力可低于大气压3)固化。在模具充满后，通过加热使树脂发生反应，交联固化，理想的固化反应时间是在模具刚好充满的时候4)开模。当固化反应进行完全后，打开模具取出制件，为使制件完全固化，可进行后处理5、简述制备树脂基复合材料的缠绕成型有哪些优点和缺点？请结合缠绕成型的特点，说明该工艺适合制备哪些制品缠绕成型就是把连续的纤维丝束（布）用树脂浸润后均匀而有规律地缠绕在轴上的一种成型方法优点：可按照承力要求确定纤维的方向、层次、数量，可实现强度的设计，便于保证制品质量的稳定性制品比强度和比刚度相对较高。生产效率高，适用于大批量生产。可制得各种尺寸的内表面光滑、质量好、重量轻的制品缺点：设备投资大，技术要求高；不能缠绕任意结构形式的制品，不能生产凹形制品；制品强度方向性比较明显，层间剪切强度低可制备压力容器、导弹发射管、发动机箱、汽车弹簧片、邮箱轴承等6、热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料在性能和加工工艺上的区别是什么？纤维增强热塑性树脂基复合材料具有优良的耐化学药品性、生产周期短、可二次加工等特点，克服了热固性树脂基复合材料韧性差，断裂延伸率低，易发生早期应力开裂等缺点，可在使用环境苛刻，承载能力要求高的场合得到应用。热塑性树脂：具有受热软化，冷却硬化的性能，而且不起化学反应，无论加热和冷却重复多少次，均能保持这种性能，加工成型简单，具有较高的机械性能。热塑性树脂的线性分子结构使得韧性提高，是热固性树脂的10倍以上；吸湿性小；由于热塑性树脂在浸渍前聚合反应已经完成，因此在成型加工中纯粹是物理反应，无化学反应，所以冲程速度快，并且可以多次重复加工和修补，其预浸料稳定，无储存期限，存放也没有特殊要求；可回收加工，无环境污染问题；维修方便，有类似金属的加工特性，成本低热固性树脂复合材料断裂韧性低，吸湿，适用期短，成型加工周期长，热固性树脂加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解。热固性树脂其分子结构为体型，包括大部分缩合树脂，优点是耐热性高，受压不易变形，缺点是机械性能差7、金属基复合材料加工中的难点是什么，如何解决这些难点？在金属基复合材料的加工过程中应考虑哪几方面的问题？难点：1)高温下的界面反应、氧化反应等2)金属与增强体之间的浸润性差，甚至不浸润3)将增强体按照设计要求的含量、分布、方向均匀的分布解决方法1)增强体表面处理（化学气相沉积，物理气相沉积，电镀，化学镀）2)加入适当合金元素，优化合金成分3)优化工艺方法及工艺参数考虑问题：1)增强体的分散问题2)制造过程对制品性能的影响3)制造过程中应避免各种不利反应4)简单易行，适于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状和尺寸的零件8、举例说明什么是功能型复合材料，简述功能复合材料的特点，它与结构型复合材料的区别及功能型复合材料的发展趋势。功能复合材料：除力学性能以外，还提供其他物理性能，并包括部分化学和生物性能的复合材料。如：导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、屏蔽、阻燃、防热等功能。例如由纤维、晶须或者颗粒增强的陶瓷基复合材料可为导电材料用作阳极材料、发热元件、传感器及断路器，以及用于电流或高温条件下有好的力学性能领域特点：1)应用面宽：根据需要可设计与制备出不同功能的复合材料，以满足现代科学技术发展的需求2)研制周期短：一种结构材料从研究到应用，一般需要10-15年左右，甚至更长，而功能复合材料的研制周期要短得多3)附加值高：单位质量的价格与利润远远高于结构复合材料4)小批量，多品种：功能复合材料很少有大批量，但品种需求多。5)适于特殊用途：在不少场合，功能复合材料有着其他材料无法比拟的使用特性结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由既能承受载荷的增强体组元与既能起联结作用又能起传力作用的基体组元构成区别1)结构材料研究周期长，功能复合材料研制周期短2)功能复合材料单位质量的价格与利润远高于结构复合材料3)功能复合材料一般由一种或多种功能体和基体组成，基体起到粘结和赋形的作用；结构复合材料由增强体和基体组成，基体除了起到粘结赋形作用外，还起到传递载荷作用4)功能复合材料很难用一种物理量来衡量，需要用材料的优值进行综合评价5)功能复合材料具有很大的设计自由度功能复合材料具有设计自由度的优势，又在极广泛的应用领域，发展前景是不可限量的。其发展趋势是从低级向高级发展：①由单功能向双功能、多功能化发展；②由功能向机敏、智能化方向发展；③功能--承力一体与轻量化；④功能体的高性能化与微细化；⑤使用性能的稳定性与长寿命；⑥高精确度的设计技术与设计制造一体化；⑦无余量成型与低成本制造技术。9、什么是纳米复合材料？用一个具体实例说明制备纳米复合材料所面临的困难是什么，应该如何解决？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（含有纳米单元相的复合材料）。从基体与分散相的粒径大小关系，复合可分为微米-微米、微米-纳米、纳米-纳米复合影响聚合物纳米材料研究开发的最大技术障碍是无机纳米粒子在有机聚合物中的均匀分散。在聚合物纳米复合材料的制备过程中可通过改变无机纳米粒子的表面组成与结构，以提高无机物与有机物的两项之间的相容性和两相界面间的结合。由于纳米组分粒径小，比表面积大极易形成尺寸较大的团聚体，从而使纳米复合材料不存在或很少存在纳米相，难以发挥纳米相的独特作用分散方法1.超声分散。利用超声波产生的局部高温、高压或者强冲击波和微射流等弱化纳米粒子间的纳米作用能，防止团聚2.机械搅拌分散。借助外力的剪切作用使纳米粒子分散在介质中3.分散剂分散。加入反絮剂或加表面活性剂4.化学改性分散（表面化学反应、表面物理包覆、表面聚合反应、聚合物接枝改性）10.设计制备某一复合材料制品的方案