復(fù)合材料概論

1、5.4.1 復(fù)合材料概論5.4.2 復(fù)合材料的技術(shù)性能5.4.3 重要的復(fù)合材料5.4 化學(xué)與復(fù)合材料5.4.4 納米材料 復(fù)合材料(composite material)是有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾種不同材料，通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料?；蛘哒f是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成的多相固體材料。 復(fù)合材料概論 復(fù)合材料由兩部分組成：基體相(連續(xù)相)和增強(qiáng)相(分散相)。 基體相是連續(xù)相材料，把改善性能的增強(qiáng)相材料粘結(jié)在一起，起粘結(jié)劑的作用。 增強(qiáng)相大部分是高強(qiáng)物質(zhì)，起提高強(qiáng)度或韌性的作用。 復(fù)合材料按增強(qiáng)相形狀可分為三類： 1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 2 層合增強(qiáng)復(fù)合材料

2、 3 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料按基體相材料類型可分為三類： 1 樹脂基復(fù)合材料 2 金屬基復(fù)合材料 3 陶瓷基復(fù)合材料 1. 比強(qiáng)度和比模量高 比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與密度之比）和比模量(彈性模量與密度之比)高，說明材料輕而且剛性大。 2. 良好的抗疲勞性能 疲勞是材料在循環(huán)應(yīng)力作用下的性質(zhì)。復(fù)合材料能有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。5.4.2 復(fù)合材料的技術(shù)性能 3. 減振性能好 在工作過程中振動問題十分突出，復(fù)合材料為多相系統(tǒng)，大量的界面對振動有反射吸收作用。且自振動頻率高，不易產(chǎn)生共振。 4. 高溫性能好 復(fù)合材料在高溫下強(qiáng)度和模量基本不變。 以樹脂為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。 玻璃纖維是由熔

3、融的玻璃經(jīng)快速拉伸,冷卻所形成的纖維。玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料即玻璃鋼。(1) 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料1 . 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料5.4.3 重要的復(fù)合材料 由于玻璃鋼比重小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐燃且成型性能好，現(xiàn)已廣泛用于汽車車身、氧氣瓶、輕型船體及石油化工的管道、閥門等。 缺點(diǎn)是剛性差，易變形，耐熱性能差，易老化。 碳纖維增強(qiáng)材料與樹脂基體組成的材料稱為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 這類材料保持了玻璃鋼的許多優(yōu)點(diǎn)，而且性能優(yōu)于玻璃鋼。因此可作宇宙飛行器的外層材料，人造衛(wèi)星和火箭的機(jī)架、殼體等。(2) 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 硼纖維是一種強(qiáng)度、剛度均比碳纖維高的纖維。硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是硼纖維增強(qiáng)材料與樹脂基體組成

4、的復(fù)合材料。用作高溫材料，但因?yàn)閮r格昂貴，應(yīng)用受到限制。主要用于航空工業(yè)。(3) 硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 雙層金屬復(fù)合材料是將特性不同的兩種金屬，用膠合或者熔合鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復(fù)合在一起以滿足某種性能要求的材料。(1) 雙層金屬復(fù)合材料2 . 層合增強(qiáng)復(fù)合材料 夾層復(fù)合材料是性質(zhì)完全不同的表面材料與芯材復(fù)合而成的一種材料。(2) 夾層復(fù)合材料 顆粒復(fù)合材料是一種或多種材料的顆粒均勻分散在基體材料內(nèi)所組成的材料。3.顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料尼龍6/粘土納米復(fù)合材料5.4.4 納米材料 根據(jù)人類的需要，逐個操縱原子來制造產(chǎn)品，這是人類關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。 1981年，掃描隧道顯微鏡(Scann

5、ing Tunneling Microscope)的發(fā)明，向人類揭示了一個可見的原子世界，極大的促進(jìn)和推動了納米技術(shù)的快速發(fā)展。 1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)(Nano Science and Technology,簡稱NST)會議在美國巴爾的摩召開，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。 最初納米材料(Nano material)是指粒徑為1100nm的超細(xì)顆粒和由超細(xì)顆粒構(gòu)成的薄膜和固體?，F(xiàn)在，廣義地納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。 納米材料既不同于宏觀物體，又不同于微觀粒子，正好處于中間地帶。具有納米尺度的物質(zhì)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，使納米

6、材料具有許多特殊的性能。碳納米管 (1) 小尺寸效應(yīng)：當(dāng)顆粒尺寸減小到納米量級時，一定條件下導(dǎo)致材料宏觀物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。 由于比表面積大大增加，使納米材料具有極強(qiáng)的吸附能力。如光吸收顯著增強(qiáng)；納米陶瓷可以被彎曲，其塑性變形可達(dá)100%；納米微粒的熔點(diǎn)低于塊狀金屬，如塊狀金熔點(diǎn)為1337K，而2nm的金微粒的熔點(diǎn)只有600K。1. 納米材料的性能 (2)表面效應(yīng)：指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比，隨粒徑的變小而急劇增大后所引起性質(zhì)上的變化。 例如，5nm的粒子，表面原子占50%；而2nm的粒子，表面原子占80%。 表面原子增加，使表面能增高，大大增強(qiáng)了納米粒子的化學(xué)活性，使其在催化、吸

7、附等方面具有常規(guī)材料無法比擬的優(yōu)越性。 (3)量子尺寸效應(yīng)：隨著粒子由宏觀尺寸進(jìn)入納米范圍，準(zhǔn)連續(xù)能帶將分裂為分立的能級，能級間的距離隨粒子尺寸減小而增大，這種能級能隙變寬的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。 這種量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致納米粒子具有與宏觀物質(zhì)截然不同的反常特性。 例如，粒徑為20nm的銀微粒在溫度為1K時出現(xiàn)由導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體的現(xiàn)象。 (4)宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡的基本原理就是基于量子隧道效應(yīng). 宏觀量子隧道效應(yīng)限定了

8、磁帶、磁盤進(jìn)行信息存儲的時間極限。2 納米材料的制備 納米微粒的制備方法有很多種，按反應(yīng)性質(zhì)可分為物理法、化學(xué)法； 按制備系統(tǒng)和狀態(tài)又可分為氣相法、液相法和固相法三大類。 氣相法是直接利用氣體或通過各種手段將物質(zhì)變成氣體，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或化學(xué)變化，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒的方法。 氣相法包括蒸發(fā)法、化學(xué)氣相反應(yīng)法、化學(xué)氣相凝聚(沉淀)法和濺射法等。 化學(xué)氣相反應(yīng)法中的等離子體化學(xué)氣相合成是目前最先進(jìn)的一種方法，其制備過程為： 產(chǎn)生等離子體原料蒸發(fā)化學(xué)反應(yīng)冷卻凝聚顆粒捕集尾氣處理 我國近來利用該法成功地合成出納米Si3N4粉體，平均粒度為20nm，純度達(dá)97%。 化學(xué)氣

9、相沉淀法:在制備SiC-C納米復(fù)合材料時,采用SiCl4-C3H8-H2系統(tǒng),在Si/C比為的條件下,最佳溫度為1600K時,可獲得SiC-C納米級粉體. 液相法是以均相溶液為出發(fā)點(diǎn)，通過各種途經(jīng)使溶質(zhì)和溶劑分離，溶質(zhì)形成一定形狀和大小的顆粒，熱解后得到納米微粒。 液相法包括沉淀法、水解法、噴霧法、乳液法、溶膠凝膠法、電解法、溶劑蒸發(fā)法和熔融法等。 水解法(金屬醇鹽法)：金屬醇鹽是金屬與醇類物質(zhì)反應(yīng)，生成含M-O-C鍵的金屬有機(jī)化合物，例如， M + xROH M(OR)x + x/2H2 金屬醇鹽能溶于有機(jī)溶劑，加水后很容易分解成金屬的氧化物、水氧化物和水合物等沉淀，經(jīng)過濾，干燥，焙燒等過程

10、就可得到納米粒子。 溶膠-凝膠(Sol-Gel)法的基本過程是:一些易水解的金屬化合物(無機(jī)鹽或金屬醇鹽)在某些溶劑中與水發(fā)生反應(yīng),經(jīng)過水解與縮聚過程,首先生成溶膠，再生成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠，然后經(jīng)過干燥、燒結(jié)等后處理工序，制成所需材料。例如，TiCl4 + 4NH3. H2O Ti(OH)4 + 4NH4ClTi(iso-OC3H7)4+4H2O Ti(OH)4 + 4(CH3)2CHOHTi(OC4H9)4 + 4H2O Ti(OH)4 + 4C4H9OH 固相法是通過從固相到固相的變化制造粉體，又可分為兩類： 尺寸降低過程：將大塊物質(zhì)極細(xì)地分割，物質(zhì)無變化。包括機(jī)械粉碎、化學(xué)處理(溶出法

11、)等。 構(gòu)筑過程：將最小單位(分子或原子)進(jìn)行組合，物質(zhì)發(fā)生變化。包括熱分解法、固相反應(yīng)法和火花放電法等。 機(jī)械粉碎中的高能球磨法是近年來制備納米材料的重要方法之一，它能將純金屬制成納米晶體。并能制備出常規(guī)方法難以獲得的高熔點(diǎn)金屬或合金納米材料。3. 納米材料的應(yīng)用 納米材料的結(jié)構(gòu)和性能,使納米材料呈現(xiàn)出不同于宏觀物體的奇異現(xiàn)象:熔點(diǎn)降低,活性增大,聲、光、電、磁、熱和力學(xué)等物理性能出現(xiàn)異常。從而使納米材料在化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)療、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 納米催化材料。納米材料比表面積大，表面活性高，可用來作催化劑。 例如，粒徑為30nm的鎳可把有機(jī)化學(xué)的加氫和脫氫反應(yīng)速率提高1

12、5倍；用納米鉑催化乙烯的氧化反應(yīng)，可使溫度由原來的600降到室溫。納米尼龍簾子線 納米金屬材料。強(qiáng)度高，熔點(diǎn)低。例如，銀熔點(diǎn)為900，而納米銀的熔點(diǎn)為100；銅的熔點(diǎn)為1083,而20nm銅微粒的熔點(diǎn)只有39。這一特點(diǎn)使低溫下將納米金屬燒結(jié)成合金產(chǎn)品成為現(xiàn)實(shí)，且為不溶解的金屬冶煉成合金創(chuàng)造了條件。納米金屬銅的超延展性 納米陶瓷材料。納米陶瓷的強(qiáng)度，韌性和塑性都大大提高了，并降低了陶瓷的燒結(jié)溫度。 例如，納米SiC陶瓷的斷裂韌性比普通SiC陶瓷提高了100倍；納米ZrO2的燒結(jié)溫度比微米級ZrO2的燒結(jié)溫度降低了400；德國薩德蘭德大學(xué)制成的由納米TiO2和CaF2組成的納米陶瓷材料能被彎曲，在80180范圍內(nèi)，其塑性變形可達(dá)100%，脆性陶瓷變成了塑性陶瓷。 納米磁性材料。納米磁性材料具有優(yōu)秀的磁性質(zhì)，用它制成的磁記錄介質(zhì)材料，不僅音質(zhì)、圖像和信噪比都好，而且記錄密度比現(xiàn)在使用的-Fe2O3高10倍。 納米材料在生物和醫(yī)療上也有廣泛的應(yīng)用。納米微粒一般比細(xì)胞、紅血球小的多，因而可以在血液中流動。將包裹有納米微粒的智能藥物