复合材料学》复习题ppt课件.ppt

1,复合材料学复习题,2011-2012下学期,2,根据ISO的定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体。根据ISO的定义，复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合，也可以是两个或者多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复合材料，若复合产物为液体或气体时就不称为复合材料。根据ISO对复合材料的定义，在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。,3,复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计方面的一个突破。复合材料的分类方法大致有四种，包括：按增强材料的形态分类，按增强纤维的种类分类，按基体材料分类，按材料作用分类。功能用金属基复合材料所用的金属基体均具有良好的导热、导电性和良好的力学性能，但有热膨胀系数大、耐电弧烧蚀性差等缺点。由于硅酸盐水泥水化过程中产生大量Ca(OH)2，故其水泥石孔隙浓相的碱性 很强。玻璃是通过无机材料高温烧结而成的一种陶瓷材料。与其他陶瓷材料不同，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。,4,聚合物基复合材料的界面层结构大致包括：界面的结合力、界面的区域(厚度)和界面的微观结构等几个方面。现代陶瓷材料的研究最早是从对硅酸盐材料开始的，随后又逐步扩大到了其他的无机非金属材料。目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻、价格低等优点。复合材料中常用的增强纤维包括：玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维。碳碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物强碳，或石墨化的树脂碳（或沥青）以及化学气相沉积碳所形成的复合材料，是具有特殊性能的新型工程材料，也被称为碳纤维增强碳复合材料。,5,特种玻纤主要包括高强度及高模量玻纤、耐高温玻纤、空心玻纤.纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素。从基体方面看，与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其他缺陷有关；从纤维方面来看，则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关；从基体与纤维的结合情况上看则与界面及结合效果、纤维在基体中的取向，以及基体与纤维的热膨胀系数差有关。陶瓷基复合材料的增强体也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维、晶须和颗粒。晶须及颗粒增强的陶瓷基复合材料的制造工艺大致分为四个步骤，依次为：配料、成型、烧结、精加工。,6,铝基复合材料是在金属基复合材料中应用得最广的一种。 硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。有的硼纤维带有一定厚度的碳化硅涂层，其目的是为了提高纤维的抗氧化性能。硼纤维表面具有高的残余压缩应力，易操作处理，对表面磨损和腐蚀不敏感。蓝宝石晶须属于迄今所发现的强度最高的固体形态。目前碳纤维生产的主要有两种，即高模量和低模量型。注射成型可用于热塑性及热固性聚合物基复合材料的生产。,7,石墨纤维与多数金属化学相容性很差。碳纤维与氧化镁的热膨胀系数相差一个数量级，故碳纤维增强的氧化镁陶瓷致密度很低。浸渍法制备陶瓷基复合材料产品致密度较低。 铝基和镁基复合材料是可用于450以下的轻金属基复合材料。酚醛树脂是最早实现工业化生产的一种树脂。 在以热塑性聚合物为基体的复合材料中，玻纤增强的种类比碳纤维增强的种类要多。 我国特有的一种玻纤是中碱玻璃纤维。二氧化硅含量多能提高玻璃纤维的化学稳定性，而碱金属氧化物含量提高的作用相反。,8,玻纤的强度比块状玻璃大很多，其耐腐蚀性较块状玻璃低很多。碳纤维不属于有机纤维。 碳纤维在断裂前不会发生屈服。目前，芳纶纤维使用量最大的领域是轮胎帘子布。聚合物的界面不是一个几何面。复合材料由连续相和分散相构成，可以是固体，不可以是液体或者气体。不饱和聚酯树脂用于复合材料的价格很便宜，比环氧树脂低许多。热固性聚合物基复合材料与热塑性聚合物基复合材料相比，在力学性能、使用温度、老化性能等方面都有优势。,9,连续纤维复合材料：作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的边界处。混杂复合材料：即用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料。其可以看成是两种或多种单一纤维复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。 反玻璃化及玻璃陶瓷：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。对于某些玻璃，反玻璃化过程可以控制，最后能够得到无残余应力的微晶玻璃，这种材料称为玻璃陶瓷。呋喃树脂：凡是含有呋喃环结构的树脂统称为呋喃树脂。一般包括糠醇、糠醛和糠酮及其衍生物漆糠树脂、糠醇改性酚醛树脂等。,10,引发剂及游离基：引发剂是一种活性较大含有共价键的化合物，在一定条件下，它可以分解产生游离基，游离基是一种能量很高的活性物质，它能把双键打开，以游离基的聚合方式进行聚合，达到交联固化的目的。不饱和聚酯树脂：是指有线型结构的，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的一类聚合物。晶须：是直径非常细小的结晶体，其直径常常只有数个微米，内部结构完整，强度不受晶体表面完整性的严格限制，机械强度几乎等于相邻原子间的作用力。脱模剂：为使制品与模具分离而附于模具成型面的物质称为脱模剂。其功用是使制品顺利地从模具上取下来，同时保证制品表观质量和模具完好无损。,11,复合材料的“一次结构”：所谓“一次结构”是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何（各相材料的形状、分布、含量）和界面区的性能。层状金属基复合材料：是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中含有重复排列的高强度高模量片层状增强物的复合材料。碳/碳复合材料：是由碳纤维或各种碳织物增强碳，或石墨化的树脂碳（或沥青）以及化学气相沉积（CVD）碳所形成的复合材料，也成为碳纤维增强碳复合材料。促进剂：促进剂实为活性剂，它能促使引发剂在较低温度下分解产生大量游离基，降低固化温度，加快固化度和减少引发剂用量。,12,复合材料的界面：是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。热塑性聚合物：是指具有线型或支链型结构的那一类有机高分子化合物，这类聚合物可以反复受热软化(或熔化)，而冷却后变硬。环氧树脂：指的是分子结构中含有两个以上环氧基的高聚物。芳纶纤维：是指已工业化生产并在复合材料中广泛使用的聚芳酰胺纤维，有时也称有机纤维。,13,试详述金属基纤维复合材料的界面结合包括哪些形式？ (1)物理结合：物理结合是指借助材料表面的租糙形态而产生的机械绞合，以及借压基体收缩应力包紧纤维时产生的摩擦结合。这种结合与化学作用无关，纯属物理作用，结合强度的大小与纤维表面的粗糙程度有很大关系。 (2)溶解和浸润结合：这种结合时纤维与基体的相互作用力是极短程的，只有若干原子间距。由于纤维表面常存在氧化物膜，阻碍液态金属的浸润，这时就需要对纤维表面进行处理。同时，液态金屑对纤维的浸润性也与温度有关。 (3)反应结合：其特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层，即界面反应层。界面反应层往往不是单一的化合物，如硼纤维增强钛铝合金，在界面反应层内有多种反应产物。一般情况下，随反应程度增加，界面结合强度亦增大，但由于界面反应产物多为脆性物质所以当界面层达到一定厚度时界面上的残余应力可使界面破坏，反而降低界面结合强度。此外，某些纤维表面吸附空气发生氧化作用也能形成某种形式的反应结合。 在实际情况中，界面的结合方式往往不是单纯的一种类型。,14,聚合物基复合材料的界面是如何形成的？ 对于聚合物基复合材料，其界面的形成可以分成两个阶段： 第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。由于增强纤维对基体分子的各种基团或基体中各组分的吸附能力不同，它总是要吸附那些能降低其表面能的物质，并优先吸附那些能较多降低其表面能的物质。因此界面聚合层在结构上与聚合物本体是不同的。 第二阶段是聚合物的固化阶段。在此过程中聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。固化阶段受第一阶段影响，同时它直接决定着所形成的界面层的结构。,15,作为聚合物基复合材料使用的不饱和聚酯树脂的主要优缺点是什么？ 主要优点是： （1）工艺性能良好，如室温下粘度低，可以在室温下固化，在常压下成型，颜色浅，可以制作彩色制品，有多种措施来调节其工艺性能等； （2）固化后树脂的综合性能良好，并有多种专用树脂适应不同用途的需要； （3）价格低廉，其价格远低于环氧树脂，略高于酚醛树脂。 主要缺点是：固化时体积收缩串较大，成型时气味和毒性较大，耐热性、强度和模量都较低，易变形，因此很少用于受力较强的制品中。,16,为什么人们对采用合成树脂制备碳碳复合材料具有浓厚兴趣？ （1）在工艺低温度和低压力下具有低粘度边点上，合成树脂比石油或煤焦油沥青强。 （2）合成树脂的纯度比天然产物高，化学结构更容易鉴定，沥青的成分常随产地和提炼方法而异。 （3）比较容易得到含碳量高的树脂体系，并可能转化为耐高温的碳素产物。,17,陶瓷基复合材料的主要性能有哪些？ （1）陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小，这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的。 （2）陶瓷材料抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性可大幅度提高。 （3）陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍较缓慢，主要原因一方面是制备工艺复杂，另一方面是缺少耐高温的纤维。,18,如何改善钛基复合材料的相容性？ 为解决相容性问题人们提出了六种方法：(1)最大限度减小反应的高速工艺；(2)最大限度减少反应的低温工艺；(3)研制低活性的基体；(4)研制最大限度减少反应的涂层；(5)选择具有较大反应容限的系列；(6)设计上尽量减少强度降低的影响。,19,玻璃纤维高强的原因是什么？ 对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不同的假说，其中比较有说服力的是微裂纹假说。微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，可达到200012000Mpa。但实测强度很低，这是因为在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等，尺小不同的微裂纹，因而大大降低了强度。微裂纹分布在破璃或玻璃纤维的整个体积内，但以表面的微裂纹危害最大。由于微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处，产生应力集中，从而使强度下降。 玻璃纤维比玻璃的强度高很多，这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。此外，坡璃纤维的断面较小，随着表面积的减小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强度增高。,20,纤维增强的陶瓷基复合材料分为哪两类？各有什么特点？ 在陶瓷材料中加入第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。 单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。只适用于单轴应力的场合。 多向排布纤维复合材料包括二维和三维排布的纤维增韧复合材料。前者在纤维排布的二维方向上的力学性能优越，后者在三维方向上力学性能的调节范围较大，但成型工艺复杂。,21,对碳纤维进行表面处理的方法有哪些？其大致含义是什么？ （1）氧化法：这是较早采用的碳纤维表面处理技术，目的在于增加纤维表面粗糙度和极性基含量。氧化法有液相氧化和气相氧化之分。液相氧化法又可分成介质直接氧化和阳极氧化两种方式。气相氧化法是用气相氧化剂对碳纤维表面进行氧化的方法。 （2）沉淀法：一般指在高温或还原性气氛中，使烃类、金属卤化物等以碳、碳化物的形式在纤维表面形成沉积膜或生长晶须，从而实现对纤维表面进行改性的目的。 （3）电聚合法：是将碳纤维作为阳极，在电解液中加入带不饱和键的丙烯酸酯、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等单体，通过电极反应产生自由基。在纤维表面发生聚合而形成含有大分子支链的碳纤维。 （4）电沉积法：是利用电化学的方法使聚合物沉积和覆盖于纤维表面，改进纤维表面对基体的粘附作用。,22,聚合物基复合材料界面的结合力包括哪些类型？ 界面结合力存在于两相之间，并由此产生复合效果和界面强度。界面结合力又可分为宏观结合力和微观结合力，前者主要指材料的几何因素，如表面的凹凸不平、裂纹、孔隙等所产生的机械铰合力；后者包括化学键和次价键，这两种键的相对比例取决于组成成分及其表面性质。化学键结合是最强的结合，可以通过界面化学反应而产生，通常进行的增强纤维表面处理就是为了增大界面结合力。水的存在常使界面结合力显著减弱，尤其是玻璃表面吸附的水严重削弱玻璃纤维与树脂之间的界面结合力。,23,复合材料中使用的氧化铝纤维有什么性能特点？ (1)耐热性好，在空气中加热到1250还保持室温强度的90。 (2)不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合，制成各种高强轻质的元件。 (3)表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树脂和金属复合，层间剪切强度较高。 (4)具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性，尤其在高温条件这些性能更为突出。 (5)用氧化铝增强的复合材料具有优良的抗压性能和耐疲劳强度。 (6)电气绝缘、电波透过性好，与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗正切小，且随频率的变化小，电波透过性更好。 其缺点主要是密度较大。,24,晶须高强的原因是什么？ 晶须是目前已知纤维中强度最高的一种，其机械强度几乎等于相邻原子间的作用力。晶须高强的原因，主要由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷。晶须材料的内部结构完整，使它的强度不受表面完整性的严格限制。,25,用表面处理剂处理玻璃纤维的方法目前主要有哪三种？试简述之。 用表面处理剂处理玻璃纤维的方法，目前采用的有三种： （1）前处理法：这种方法是将既能满足抽丝和纺织工序要求，又能促使纤维和树脂浸润与粘接的处理剂代替纺织型浸润剂，在玻璃纤维纺丝过程中，涂覆到玻璃纤维上前处理法工艺及设备简单，纤维的强度保持较好，是比较理想的处理方法。其缺点是目前尚没有理想的前处理用浸润剂。 （2）后处理法：这是目前国内外普遍采用的处理方法。处理过程分两步进行：第一步先除去抽丝过程涂覆在玻璃纤维表面的纺织浸润剂。第二步，纤维经处理剂浸渍、水洗、烘干，使玻璃纤维表面上覆上一层处理剂。 （3）迁移法：此方法是将化学处理剂加入到树脂胶粘剂中，在纤维浸胶过程中，处理剂与经过热处理后的纤维接触，当树脂固化时产生偶联作用。这种方法处理的效果比以上两种方法差，但工艺简便。,26,水泥基体材料的特征是什么？ （1）水泥基体为多孔体系，共孔隙尺寸可由数“埃”到数百“埃”。 （2）纤维与水泥的弹性模量比不大，因水泥的弹性棋量比树脂的高，对多数有机纤维而言，与水泥的弹性模量比甚至小于1，这意昧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，仅是树脂基材的1/101/20，故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。 （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。,