復(fù)合材料第二版知識點(diǎn)復(fù)習(xí)

1、第一章概論1.1 物質(zhì)與材料材料：具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)人類（材料）發(fā)展的四大階段：石器時(shí)代一青銅時(shí)代一鐵器時(shí)代一人工合成時(shí)代1.2 復(fù)合材料的定義與特點(diǎn)復(fù)合材料：由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ńM合起來，而得到的具有復(fù)合效應(yīng)的多相固體材料。特點(diǎn)：人為選擇復(fù)合材料的組分和比例，具有極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。組分保留各自固有的物化特性復(fù)合材料的性能不僅取決于各組分性能，同時(shí)與復(fù)合效應(yīng)有關(guān)組分間存在這明顯的界面，并可在界面處發(fā)生反應(yīng)形成過渡層,是一種多相材料簡述復(fù)合材料的特點(diǎn)。比強(qiáng)度、比模量大 耐疲勞性能好，聚合物基復(fù)合材料中，纖維與某體的界面能阻止裂

2、紋的擴(kuò)展，破壞是逐漸發(fā)展的，破壞前有明顯的預(yù)兆。 減震性好，復(fù)合材料中的基體界面具有吸震能力，因而振動阻尼高。 耐燒蝕性能好、因其比熱大、熔融熱和氣化熱大，高溫下能吸收大量熱能，是良好的耐燒蝕材料。 工藝性好，制造制品的工藝簡單，并且過載時(shí)安全性好。1.3 組成與命名以增強(qiáng)體和基體共同命名時(shí)：玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料p、w、f下標(biāo)一顆粒、晶須、纖維MMC一屬基復(fù)合材料，聚合物基復(fù)合材料PMCs,陶瓷基復(fù)合材料CMCs1.4 分類一按基體：聚合物基，金屬基，無機(jī)非金屬基（陶瓷、玻璃、水泥、石墨）復(fù)合材料按纖維增強(qiáng)體種類：玻璃纖維、碳纖維、有機(jī)纖維、陶瓷纖維按增強(qiáng)體形態(tài)：連續(xù)纖維，短纖維，顆

3、粒，晶須增強(qiáng)近代的復(fù)合材料以1942年制出的玻璃纖維增強(qiáng)塑料為起點(diǎn)第二章增強(qiáng)體2.1 增強(qiáng)體（起到增韌、耐磨、耐熱、耐蝕等提高和改善性能的作用）纖維是具有較大長徑比的材料，具有較高的強(qiáng)度，良好的柔曲性，高比強(qiáng)度，高比模量，與基體相容性好，成本低工藝學(xué)好2.1.1 玻璃纖維：非晶型無機(jī)纖維，二氧化硅（形成骨架，高熔點(diǎn)）和其他元素的堿金屬氧化物（二氧化硅提高GF化學(xué)穩(wěn)定性，堿金屬降低熔點(diǎn)和穩(wěn)定性，改善制備工藝）性能一力學(xué)：無屈服無塑性，脆性特征,拉伸強(qiáng)度高，模量較低,直徑越小，長度越短，含堿量越低，拉伸強(qiáng)度越高，與水作用強(qiáng)度降低一熱性能：耐熱性較高，玻璃纖維熱處理使微裂紋增加，強(qiáng)度降低一電性能：電

4、絕緣性能優(yōu)，在纖維表面涂石墨或金屬成為導(dǎo)電纖維玻璃耐酸堿、有機(jī)溶劑性能好，玻璃纖維耐蝕性能變差E無堿玻璃纖維：絕緣，機(jī)械性能強(qiáng)，耐水性好C中堿玻璃纖維：耐酸性好（酸與硅酸鹽生成氧化硅保護(hù)膜）,耐水性差，A有堿玻璃纖維結(jié)構(gòu)：微晶結(jié)構(gòu)假說和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說，GF為無定形結(jié)構(gòu)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，各向同性。直徑在微米級別。制備：地竭法，池窯法（節(jié)能50%）2.1.2 硼纖維半導(dǎo)體性質(zhì)，硬度僅次于金剛石，在芯材（鴇絲）上沉積不定型的原子硼，具有高強(qiáng)度、高模量和高硬度，脆性材料，高溫性能好,耐磨損耐腐蝕，抗壓縮性能好制備：鹵化硼反應(yīng)法（鴇絲和碳絲）一碳芯硼和鴇芯硼，結(jié)構(gòu)取決于硼的沉積條件，溫度改善：需要對硼纖維表

5、面（表面能高）進(jìn)行涂層（碳化硅）阻止界面的有害反應(yīng)結(jié)構(gòu)：無定形硼，12個(gè)硼原子組成的20面體，2.1.3 碳纖維是有機(jī)纖維經(jīng)過周相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的多晶纖維狀聚合物碳，無機(jī)非金屬材料（不屬于有機(jī)、無極纖維），直徑約8微米，密度小分類：按原絲類型分為聚丙烯月青PANS（拉伸強(qiáng)度高）、粘膠基（拉伸模量大）、瀝青基、木質(zhì)素纖維基及其他有機(jī)纖維基碳纖維制備：有機(jī)纖維碳化法（并非所有有機(jī)纖維都能制備碳纖維）拉絲（紡絲）一牽引一穩(wěn)定化（加熱預(yù)氧化處理）一碳化（惰性氣氛10002000C,形成碳纖維，非碳原子被移除）一石墨化（氧氣下20003000c石墨化結(jié)晶，碳纖維轉(zhuǎn)變?yōu)槭w維）一表面處理（碳的活性低，提高

6、表面活性）石墨化程度隨溫度升高而提高，模量也隨之增加性能：吸水率低，吸收有毒氣體，耐磨，具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高導(dǎo)熱、低熱膨脹具有柔順性和可編織性（有脆性，抗沖擊性和抗氧化性差、裂縫、空穴、氣泡）2.1.4 碳化硅纖維：陶瓷纖維，直徑0.11微米性能：吸波能力強(qiáng)（吸波隱身）高比強(qiáng)度、比模量、高溫抗氧化性、耐燒蝕性、耐沖擊性好制備：化學(xué)氣相沉積法：碳化硅沉積在芯絲表面2.2 晶須：直徑小于3微米的單晶體牛長的短纖維特點(diǎn)：單晶直徑小缺陷少，強(qiáng)度高、模量大，有陶瓷晶須（氧化鋁和碳化硅晶須）和金屬（銅、鐵、鍥）晶須制備：焦化法（原料稻谷制備碳化硅晶須）、CVD（碳化硅

7、）、氣相反應(yīng)法（氧化鋁晶須和石墨晶須）電弧法（碳及石墨晶須）、氣固法、氣液固法（碳化硅及碳品須）2.3 顆粒（零維）增強(qiáng)體（增強(qiáng)效果不及晶須和纖維）分類：剛性顆粒（陶瓷顆粒）有碳化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨等可提高復(fù)合材料的高溫性能、耐磨性能、硬度和耐蝕性能一制造熱結(jié)構(gòu)零件、軸承延性顆粒：金屬顆粒加入陶瓷、玻璃等脆性基體增強(qiáng)韌性2.6有機(jī)高分子纖維：芳香族聚酰胺纖維（芳香族聚酰胺樹脂紡成的纖維）、芳香族聚酯纖維，超高分子量聚乙烯纖維PPTA（聚對苯二甲酰對苯二胺）高模量、耐高溫、低密度韌性好，比強(qiáng)度極高，耐酸堿，耐水性差，耐磨性好，絕緣（溶解性差，耐光性差，抗壓強(qiáng)度低）第三章符合理論3.2復(fù)合效

8、應(yīng)復(fù)合效應(yīng)是指將組分A、B兩種材料復(fù)合起來，得到同時(shí)具有兩種組分的性能特征的綜合效果。3.2.1 線性效應(yīng)1 .平均效應(yīng)（混合效應(yīng)）：復(fù)材的某項(xiàng)性能Kc=組成各組分的性能乘以該組分的體積分?jǐn)?shù)之和2 .平行效應(yīng)：Kc與某一組分的性能相當(dāng)3 .相補(bǔ)效應(yīng)：組分復(fù)合后，互補(bǔ)缺點(diǎn)產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能4 .相抵效應(yīng)：（負(fù)的效應(yīng)）5 .2.2非線性效應(yīng)1 .相乘效應(yīng)：把兩種具有能量（信息）轉(zhuǎn)換功能的組分復(fù)合起來、使相同的功能得到復(fù)合，而不同的功能得到新的轉(zhuǎn)換。如壓磁效應(yīng)X磁阻效應(yīng)-壓阻效應(yīng)2 .誘導(dǎo)效應(yīng)：在復(fù)材兩相的界面上，一項(xiàng)對另一項(xiàng)產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，形成新的界面層上有特殊結(jié)構(gòu)，使復(fù)材在傳遞載荷的能力上有特殊性

9、3 .系統(tǒng)效應(yīng)：將不具備某種性能的各組分復(fù)合后產(chǎn)生單個(gè)組分不具有的新性嗔4 .共振效應(yīng)：A組分與另一組份復(fù)合后使其大部分性能受到抑制，某一性能能充分發(fā)揮3.3 復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制3.3.1 顆粒（p）增強(qiáng)機(jī)制顆粒在基體中彌散均勻分布，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，提高位錯(cuò)密度強(qiáng)化基體，提高強(qiáng)度。顆粒切過機(jī)制（顆粒直徑較大，自身強(qiáng)度不高）顆粒與基體的界面結(jié)合良好，外加應(yīng)力足夠大，位錯(cuò)可以通過顆粒，發(fā)生位錯(cuò)切過現(xiàn)象。顆粒阻礙位錯(cuò)運(yùn)動的能力越強(qiáng)，強(qiáng)化效果越好。顆粒未切過機(jī)制（顆粒尺寸在nm級別，自身強(qiáng)度高）顆粒彌散分布在基體中，無法被位錯(cuò)切過，外加載荷由基體承擔(dān)。1）奧羅萬機(jī)制（高溫高外加應(yīng)力）：位錯(cuò)通過彌散顆粒出

10、現(xiàn)拱彎現(xiàn)象，留下位錯(cuò)環(huán)，尺寸約小，強(qiáng)化效果越好2）位錯(cuò)攀移機(jī)制（高溫低外加應(yīng)力）一一局部和完整攀移（位錯(cuò)攀移越過粒子后從粒子處脫離的最大外力一一脫離門檻應(yīng)力）和攀移門檻應(yīng)力（位錯(cuò)攀移粒子時(shí)所需應(yīng)力）是奧羅萬應(yīng)力（位錯(cuò)通過顆粒的臨界應(yīng)力）和松弛參數(shù)K的函數(shù)K<0.94，體系的門檻是脫離門檻應(yīng)力，K>0.94,是局部門檻應(yīng)力顆粒增強(qiáng)的其他機(jī)制1） Hall-Petch強(qiáng)化是通過增強(qiáng)體顆粒的釘扎作用（可釘扎基體的位錯(cuò)、晶界，亞晶界），細(xì)化基體晶粒的細(xì)晶強(qiáng)化作用（非直接的強(qiáng)化機(jī)制）2）殘余應(yīng)力場強(qiáng)化機(jī)制：顆粒與基體存在的膨脹系數(shù)的差異會在顆粒四周產(chǎn)生殘余應(yīng)力場，導(dǎo)致在基體中擴(kuò)展的裂紋偏轉(zhuǎn)方

11、向時(shí)需消耗更多的能量，使復(fù)材增韌補(bǔ)強(qiáng)。3）位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制：殘余應(yīng)力場使得基體中的位錯(cuò)密度增加從而強(qiáng)化基體影響顆粒強(qiáng)化的因素：顆粒的自身性質(zhì)、與基體的結(jié)合界面、基體的性質(zhì)、制備工藝3.3.2 纖維增強(qiáng)原理纖維增強(qiáng)復(fù)材的基體一般是聚合物，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般為層板理論：纖維增強(qiáng)復(fù)材是由單向?qū)悠凑找欢ǖ捻樞虔B放而成的。復(fù)材的性能與組分性能、組分分布、組分間的物化作用有關(guān)。單向長纖維1）縱向強(qiáng)度與剛度初始階段時(shí)：可認(rèn)為基體、纖維、復(fù)材具有相同的應(yīng)變，沿纖維方向的應(yīng)力由纖維與基體共同承擔(dān)混合法則：纖維和基體對復(fù)材的應(yīng)力、彈性模量的貢獻(xiàn)正比于各自的體積分?jǐn)?shù)組分材料的載荷承載比與纖維的體積比和纖維與基體的彈性模量比

12、有關(guān)，在給定的纖維/基體系統(tǒng)中，應(yīng)提高纖維的體積分?jǐn)?shù)斷裂強(qiáng)度：當(dāng)基體的斷裂應(yīng)變纖維的斷裂應(yīng)變（纖維先斷裂）：當(dāng)Vf（纖維體積分?jǐn)?shù)）小,基體能夠承擔(dān)纖維斷裂后轉(zhuǎn)移的全部載荷；Vf大，基體不能承載，復(fù)材斷裂3.4 陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌機(jī)理陶瓷脆性大，加入顆粒、晶須和纖維增加強(qiáng)度和增韌一纖維：碳纖維（應(yīng)用多，采用有機(jī)母體的熱氧化和石墨化制?。┎ＡЮw維成本低廉，表面的保護(hù)膜可增強(qiáng)與基體的連接增強(qiáng)體-硼纖維無定形結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度為晶體硼的一般晶須：碳化硅、氧化鋁、氮化硅I顆粒：增韌效果不及晶須和纖維，但制備工藝簡單，有碳化硅晶須的強(qiáng)韌機(jī)理:晶須橋聯(lián)、晶須拔出（主要形式）與裂紋轉(zhuǎn)向紅維增韌：纖維脫黏、纖維拔出（

13、主要）、纖維橋聯(lián)晶須橋聯(lián)：基體出現(xiàn)裂紋后，繼續(xù)承載外界載荷在基體裂紋相對的兩面之間形成橋聯(lián)結(jié)構(gòu),晶須產(chǎn)生一個(gè)使基體閉合的作用力消耗外載荷使材料韌性增加裂紋偏轉(zhuǎn)：晶須對裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生阻擋作用，使裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，晶須長徑比越大，增韌效果愈好。第四章復(fù)合材料的界面理論4.1 界面：組分材料間存在著結(jié)合層，該層具有一定的厚度，結(jié)構(gòu)不同于基體和增強(qiáng)體，另成一相或多相。（基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著變化的、能夠彼此結(jié)合傳遞載荷的微小區(qū)域）界面分類：共格、半共格、非共格機(jī)械結(jié)合界面：靠增強(qiáng)體與基體間摩擦力結(jié)合，溶解與潤濕結(jié)合界面，界面發(fā)生原子擴(kuò)散和溶解，反應(yīng)結(jié)合界面：界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)交換反應(yīng)結(jié)合界面

14、，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并通過擴(kuò)散發(fā)生元素交換混合結(jié)合界面界面作用：傳遞載荷，阻斷裂紋擴(kuò)展、位錯(cuò)運(yùn)動、緩解應(yīng)力集中，物理性能不連續(xù)性，誘導(dǎo)性能4.3 增強(qiáng)體的表面處理在增強(qiáng)體的表面進(jìn)行涂層，具有浸潤劑、偶聯(lián)劑和助劑的功能，利于增強(qiáng)體與基體間形成良好的界面結(jié)構(gòu)，改善復(fù)材的性能。4.3.1 玻璃纖維表面處理劑（偶聯(lián)劑）為有機(jī)銘絡(luò)合物類，含有機(jī)團(tuán)R能與樹脂反應(yīng)，應(yīng)用最廣的是沃蘭（R改變），沃蘭作用原理（偶聯(lián)劑與纖維良好結(jié)合）:沃蘭水解（氯原子水解變成羥基）玻璃纖維GF吸水，生產(chǎn)羥基沃蘭與吸水的GF表面反應(yīng)形成氫鍵干燥脫水，沃蘭與GF表面之間發(fā)生縮合醴化反應(yīng)接著R某團(tuán)與某體樹脂反應(yīng)，從而纖維與某體通過偶聯(lián)劑結(jié)合

15、，界面結(jié)合強(qiáng)度隨銘含量增加而提高。還有有機(jī)硅烷作用原理類似，官能團(tuán)X與GF表面反應(yīng)，有機(jī)基團(tuán)與樹脂反應(yīng)。4.3.2 碳纖維CF具有沿纖維軸擇優(yōu)取向的同質(zhì)多晶結(jié)構(gòu)，使其與樹脂的界面結(jié)合力不大，尤其是石墨碳纖維，表面處理方法有：1）氧化法（氣相、液相、陽極電解氧化）2）表面晶須化法（將CF在高溫的晶須生長爐中表面沉積生長晶須，提高CF與基體的粘結(jié)力3）蒸汽沉積法（高溫裂解乙快或甲烷生成的碳沉積在CF上，沉積的碳活性大，增加界面結(jié)合力）4）電沉積法（電化學(xué)法使聚合物沉積在CF表面）5）等離子體法4.4 界面表征方法（表征界面的形態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、結(jié)合強(qiáng)度）4.4.1 界面形態(tài)的表征1 .透射

16、電鏡TEM是把經(jīng)加速和聚集的電子束（波長很短）投射到非常薄的樣品（nm級別）上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與世品的密度、厚度相關(guān)、因此可以形成明暗不同的襯度，影像將在放大、聚焦后在成像器件上顯示出來。TEM勺分辨力可達(dá)0.2nm。襯度：兩像點(diǎn)間的明暗差異（質(zhì)厚襯度、相位襯度、衍射襯度）2 .掃描電鏡SEM（界面形貌和界面層斷裂面觀察）掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描、激發(fā)出各種物理信息（二次電子）。通過對這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測試試樣表面形貌的觀察。二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。4.4.2界面微觀結(jié)

17、構(gòu)的表征：指界面區(qū)域的結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)和其他聚集態(tài)結(jié)構(gòu)界面微觀結(jié)構(gòu)：拉曼光譜、ATM結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)：TEM,HRTEMATM原子力顯微鏡：當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在相互斥力時(shí)，檢測該斥力可獲得表面物質(zhì)的組分分布和表面結(jié)構(gòu)，一般情況下分辨率也在納米級水平4.4.3界面成分的表征：化學(xué)元素的組成（TEM?口SEM,XRD還有俄歇能譜AESX光電子能譜XPS第五章聚合物基復(fù)材5.1.1 分類增強(qiáng)體：晶須、顆粒、纖維（BF,GF,CF芳綸纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)材）按基體分：熱固性樹脂基（環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺），熱塑性樹脂基（聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚烯姓;）5.1.2 特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：高比強(qiáng)度比模量（機(jī)械

18、強(qiáng)度超過金屬）抗疲勞性能好（纖維與基體的界面能阻止裂紋的擴(kuò)展，破壞有征兆減振性能好高的自振頻率避免早期破壞，界面吸振能力耐燒蝕性卓越，比熱容大，高溫下吸收大量熱可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，成型工藝簡單缺點(diǎn)：抗沖擊強(qiáng)度差，橫向強(qiáng)度低，韌性差第六章陶瓷基復(fù)合材料6.1 陶瓷耐高溫、硬度高、耐磨損、耐腐蝕、脆性化學(xué)鍵是介于共價(jià)鍵和離子鍵的混合鍵，元素申，負(fù)性差越大、離子鍵越強(qiáng)脆性原因：位錯(cuò)在共價(jià)鍵中移動的派納力大。6.2 強(qiáng)韌化途徑：顆粒彌散增韌、纖維（晶須）補(bǔ)強(qiáng)增韌、層狀復(fù)合增韌、氧化結(jié)相變增韌顆粒彌散強(qiáng)化機(jī)理：第二相粒子與基體晶粒間的彈性模量和熱膨脹系數(shù)上的差異，在冷卻中粒子和基體周圍形成殘余應(yīng)力場，應(yīng)力場與擴(kuò)展裂紋簡短交互作用，從而使裂紋偏轉(zhuǎn),對基體起增韌作用彌散相選擇:高熔點(diǎn)、高硬度的碳化硅、碳化硼、氮化硼等，基體是氧化鋁、氧化結(jié),有最佳尺寸、形狀、分布和數(shù)量，彌散相在基體中溶解度低，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與基體結(jié)合強(qiáng)度良好。纖維（晶須）增韌選擇：纖維在基體中均勻分散，彈性模量和熱膨脹系數(shù)匹配，良好的化學(xué)相容性，適量的纖維體積分?jǐn)?shù)6.6 碳碳復(fù)合材料石墨特點(diǎn)：耐高溫、導(dǎo)