复合材料C 复习
第⼀章概论
1. 复合材料的定义？
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材料。玻璃助剂
三要素：基体（连续相）增强体（分散相）界⾯（基体起粘结作⽤并起传递应⼒和增韧作⽤） 复合材料的特点：（明显界⾯、保留各组分固有物化特性、复合效应，可设计性）
（嵌段聚合物、接枝共聚物、合⾦：是不是复合材料？？）
2、复合材料的命名
f（纤维），w（晶须），p（颗粒）⽐如：TiO2p/Al 3. 复合材料的分类：
1) 按基体材料类型分为：
聚合物基复合材料；⾦属基复合材料；⽆机⾮⾦属基复合材料(陶瓷基复合材料)。
2)按增强材料分为：
玻璃纤维增强复合材料；碳纤维增强复合材料；有机纤维增强复合材料；晶须增强复合材料；陶瓷颗粒增强复合材料。
3) 按⽤途分为：功能复合材料和结构复合材料。
结构复合材料主要⽤做承载⼒和此承载⼒结构，要求它质量轻、强度和刚度⾼，
且能承受⼀定温度。
功能复合材料指具有除⼒学性能以外其他物理性能的复合材料，即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。 第⼆章增强体
1、增强体
定义：结合在基体内、⽤以改进其⼒学等综合性能的⾼强度材料。
要求：1) 增强体能明显提⾼基体某种所需性能；2) 增强体具有良好的化学稳定性；3) 与基体有良好润湿性。
分类：f，w，p
2、纤维类增强体
特点：长径⽐较⼤；柔曲性；⾼强度。
玻璃纤维
主要成分：SiO2
性能：拉伸强度⾼；较强耐腐蚀；绝热性能好。（玻璃纤维⾼强的原因（微裂纹）及影响因素（强度提升策略：减⼩直径、减少长度、降低含碱量，缩短存储时间、降低湿度等））
分类：⽆碱（E玻璃）、有碱（A玻璃）
制备：坩埚法（制球和拉丝）、池窑法（熔融拉丝）。
浸润剂作⽤：(i) 粘结作⽤，使单丝集束成原纱或丝束；(ii) 防⽌纤维表⾯聚集静电荷；(iii)进⼀步加⼯提供所需性能；(iv) 防⽌摩擦、划伤。（⽆偶联剂作⽤）玻璃纤维表征：(i) 定长法：“tex”（含义）；(ii) 质量法：“⽀”（含义）
芯材：钨、碳和⽯英
制备：化学沉积（CVD）法原料：卤化硼或氢化硼
形貌：⽟⽶棒状（W芯）光滑（C芯）
表⾯涂层：SiC （防⽌脆性相的产⽣or 便于与基体结合）
⽬前⽐模量和⽐强度最⾼的陶瓷增强纤维
碳纤维
1)制备：有机纤维碳化法
有机纤维前驱体满⾜条件：碳化过程不熔融，保持纤维形态，碳化收率⾼··
三种重要的前驱体：聚丙烯腈；黏胶纤维（⼈造丝）；沥青纤维。
以PAN为例(制造⾼强度、⾼模量碳纤维多选⽤聚丙烯腈)：拉丝--牵引--稳定化--碳化--⽯墨化
拉丝：即PAN原纤维制备，湿法纺丝、⼲法纺丝，不能熔融纺丝；PAN特性：受热分解不熔融。
施加牵伸⼒⽬的在于使纤维产⽣择优取向，提⾼强度和模量。
碳纤维的表⾯处理⽅法（见第4章）
⽯墨纤维和碳纤维的区别：处理温度不同、C含量不同、晶型不同
碳纤维结构：乱层⽯墨结构。
特性：导热系数较⾼、线膨胀系数具有负的温度效应（可以抵消热胀冷缩现象）例1)碳纤维增强复合材料是在合成树脂的基体中加⼊了碳纤维做增强体，具有韧性好等特点，下列物质中可⽤于制造的是（）。
A、电话亭和餐桌椅
B、⽹球拍和钓鱼竿
C、飞机⽤隔热⽡
支承板2)在PAN法制备CF的⼯艺过程中，为什么要进⾏预氧化、碳化和⽯墨化三个处理过程？（P20）
聚丙烯腈纤维（PAN）是线性⾼分⼦结构，耐热性差，⾼温会裂解，不能经受碳化的⾼温得到碳纤维，预氧化可避免直接碳化处理时爆发产⽣有害的闭环和脱氢等放热反应，防⽌后续⼯序中纤维熔并。碳化是在N2保护下进⾏热解反应，将结构中不稳定部分与⾮碳原⼦裂解出去，同时进⾏分⼦间的缩合，形成碳素缩合环。⽯墨化处理可以使碳纤维发⽣⽯墨化结晶，形成⽯墨纤维，以较⼤幅度提⾼碳纤维的模量
SiC纤维
1) 特点：⾼⽐强度、⾼⽐模量、⾼温抗氧化性、优异的耐烧蚀性、耐热冲击性和吸波隐⾝性能等。
2) 碳纤维增强铝基复合材料可⽤于飞机、导弹、发动机的⾼性能结构件。
碳化硅纤维增强聚合物基复合材料，可以吸收或透过部分雷达波；作为雷达天线罩、⽕箭、导弹和飞机等飞⾏器部件的隐⾝结构材料，和航空、航天、汽车⼯业的结构材料与耐热材料。
3) 制备：(i) 化学⽓相沉积法CH3SiCl3 →SiC↓+3 HCl↑
(ii) 先驱体法：(Nicalon) 制备聚碳硅烷、熔融纺丝、不熔化处理和⾼温烧成。
3、晶须
1) 晶须与纤维的区别：①晶须是单晶；纤维可以是⾮晶、单晶或多晶；②晶须直径< 3 µm; 纤维直径⼏微⽶⾄⼏⼗微⽶。③晶须较纤维缺陷少，强度⾼（机械强度近似相邻原⼦之间的作⽤⼒）、模量⼤。
2) 晶须主要分陶瓷晶须(Al2O3、SiC) 和⾦属晶须两⼤类。
3) 唯⼀⼀种具有空间结构的晶须：ZnO晶须
颗粒增强体（炭⿊）与填料（滑⽯粉、CaCO3）的区别：前者以增强为主要⽬的，后者以填充体积为主要⽬的。
刚性颗粒增强体：指具有⾼强度、⾼模量、耐热、耐磨、耐⾼温的陶瓷和⽯墨等⾮⾦属颗粒，如碳化硅、氧化钛、氮化硅、⽯墨、细⾦刚⽯等。
延性颗粒增强体：主要为⾦属颗粒，加⼊到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性，如Al2O3中加⼊Al，W C中加⼊Co等。⾦属颗粒的加⼊使材料的韧性显着提⾼，但⾼温⼒学性能会有所下降。
例：下列哪⼀项不是颗粒增强体的特点（）。
A、选材⽅便
B、⼒学性能取决于颗粒的形貌、直径、结晶完整度、体积分数等
C、成本⾼
5、有机⾼分⼦纤维
Kevlar纤维（芳纶纤维）：聚合物⼤分⼦的主链由芳⾹环和酰胺键构成。
卷尺设计（PPTA）
合成⽅法：1) PPTA分⼦合成（P42）；2) 纺丝：湿纺、⼲喷和⼲喷—湿纺(溶
致液晶)
可⽤来制备防弹⾐
Kevlar 纤维化学结构特点：含有⼤量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体。苯环与酰胺键交替排列对称性好，结晶性好。分⼦间有氢键。 ? 芳⾹族聚酯纤维：可以进⾏熔融纺丝。
UHMW-PE ：密度最低的⾼性能纤维。
第三章复合理论
复合理论：包括组分相（基体、增强体）的合理设计、组分相间的复合机理
（复合效应与增强原理）。
1、复合材料设计的原理
复合材料为什么具有可设计性？
2、复合材料的复合效应
线性效应(平均效应、平⾏效应、相补效应、相抵效应)
折流板除雾器平均效应：密度、单向纤维复合材料的纵向杨⽒模量等单向纤维复合材料的横向杨⽒模量等例： SiC f /硼硅玻璃复合材料的强度随增强纤维体积含量线性增加反映的是复合线性效应中的（）
A 、平均效应
B 、平⾏效应
C 、相补效应
D 、相抵效应 ? 平⾏效应：c i
K K ? 即：复合材料的某项性能与某⼀组分的该项性能相当。（如玻璃纤维增强环氧树脂的耐蚀性能与基体相当）
()
11()c i i i c i
K K K K φφ==∑∑并联模型串联模型
相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上互补，从⽽提⾼了综合性能，显⽰出相补效应。
复合后显⽰出相抵效应。
（脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者界⾯结合很强时，复合材料整体显⽰为脆性断裂）
⾮线性效应(相乘效应、诱导效应、系统效应、共振效应)
相乘效应： (/)(/)/X Y Y Z X Z ?=
例: ⽤作温度⾃控发热体的⽯墨粉/聚合物复合材料，可以达到⾃动控温的效果，其利⽤的是复合效应的________。
诱导效应：诱导另⼀相材料产⽣特殊的界⾯层，传递载荷，改变功能。
（在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳纤维表⾯对基体的诱导作⽤，致使界⾯上的结晶状态与数量发⽣了改变，如出现横向穿晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的作⽤。）
系统效应：复合材料具有单个组分不具有的某种性能。（涂膜的硬度⼤于基体和膜层硬度之和）
共振效应（强选择性效应）：A 组分的⼤多数性能受到抑制，⽽其某⼀项性
能充分发挥。(导电不导热)
例：彩⾊胶卷仅含有三种感光乳剂层却能记录各种颜⾊，利⽤了复合效应中的（）
A 、诱导效应
B 、系统效应
C 、相补效应
3、复合材料的增强机制
颗粒增强机制（颗粒切过、颗粒未切过）
自制室内单杠
颗粒切过增强机制
1) 适⽤于：颗粒的尺⼨较⼤(> 1 µm)，⾃⾝强度不⾼，结合⼒较强
2) 受⼒特点：基体承担主要的载荷，颗粒阻⽌位错的运动，并约束基体的
变形。
3) 位错切过强化：（有序增强机制、界⾯强化机制、共格应变强化机制等）
4) 颗粒的尺⼨越⼩，体积分数越⼤，强化效果越好。
颗粒未切过增强机制（颗粒较⼩，<1 µm）
●低温、⾼外加应⼒----位错绕过理论（Orowan机制）（注意：有位错环）
1) 硬质颗粒如Al2O3，TiC，SiC阻碍基体（⾦属基）中的位错运动或分⼦
链（⾼聚物基）运动。
2) 载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。
3) 颗粒尺⼨越⼩，体积分数越⼤，强化效果越好。⼀般V p为1%~15%，
d p为0.001µm ~ 0.1µm。
●⾼温、低外加应⼒----位错攀移机制
1) 形式：局部攀移和整体攀移
●残余应⼒强化机制：增强体颗粒与基体的膨胀系数和弹性模量存在差异，
使得裂纹在界⾯处发⽣偏转（消耗更多能量），起到增韧补强复合材料。
●影响颗粒增强因素：颗粒的性质、基体性质、结合界⾯、制备⼯艺（P61）。?纤维增强机制
●单向排列连续纤维增强原理（单向长纤维）纵向：
1) 初始阶段(纤维、基体、复合材料具有相同的应变)
纤维/基体弹性模量的⽐值↑，纤维体积含量↑，则纤维承载⽐↑。
2) 断裂顺序和断裂强度：（会分析，判断谁先断裂，然后该材料断裂后另⼀种材料能否承受全部载荷）
纤维的强化作⽤取决于纤维与基体的性质、⼆者的结合强度、纤维在基体中的排列⽅式。
为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则：（简答题）
1) 纤维的强度和弹性模量应远⾼于基体（使纤维尽可能多的承担外加负荷）；
2) 纤维与基体间应有⼀定的界⾯结合强度，以保证基体所承受的载荷能通过界⾯传递给纤维，并防⽌脆性断裂；
3) 纤维的排列⽅向要与构件的受⼒⽅向⼀致；
4) 纤维与基体的热胀系数应匹配（纤维的热膨胀系数略⼤于基体）；
5) 纤维与基体不能发⽣使结合强度降低的化学反应；
6) 纤维所占体积分数、纤维长度和直径及长径⽐等必须满⾜⼀定要求。
复合材料的物理性质
1) 热膨胀系数：满⾜平均效应。
⼀般⽆机材料的热膨胀系数较聚合物的要⼩得多，所以，以⽆机材料为增强体的聚合物基复合材料其热膨胀系数要较纯聚合物的⼩，其数值接近于⾦属的热膨胀系数。
2）导热系数：不满⾜平均效应，复合材料的导热系数⼩于组分的导热系数
空⽓为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，⽽以碳纤维、⾦属粉等为增强体的复
合材料则可作为导热性复合材料使⽤。
3) 阻燃性质：
i) 氧指数：聚合物着⽕后刚够维持燃烧时的氧⽓在试验⽓体(氧、氮混合⽓体)中的最⼩百分含量。(聚合物阻燃性的判据)
ii) 阻燃增强体：三氧化⼆锑（与有机卤化物合⽤）；钼化物（⾼效抑烟）；磷化物；氢氧化铝
iii) 满⾜以下条件的才能成为有效的阻燃剂：产⽣不燃性⽓体的温度略低于聚合物热分解温度；在复合
塑料的混炼、成型温度下不产⽣不燃性⽓体。
第四章界⾯理论
复合材料的界⾯：复合材料的界⾯是指基体与增强体之间化学成分有显着变化、能够彼此结合、传递载荷的微⼩区域。（界⾯结构与性质都不同于两相中的任何⼀相）界⾯起“纽带”和“桥梁”作⽤。
界⾯的种类：1) 机械结合界⾯(钢筋混凝⼟中钢筋表⾯有螺纹的作⽤：表⾯越粗糙，互锁作⽤越强，机械粘结作⽤越有效)；
2) 溶解和润湿结合界⾯（基体润湿增强材料，相互之间发⽣原⼦扩散和溶解，形成结合；在制备聚合物基复合材料时，树脂对增强材料的浸润性是指树脂能否均匀地分布在增强材科的周围，这是树脂与增强材料能否形成良好粘结的重要前提）；
3) 反应结合界⾯（偶联剂）；
48v转12v4) 交换结合界⾯（⽣成化合物并通过扩散发⽣元素交换，如分⼦链的缠结）；
5) 混合结合界⾯
界⾯的作⽤：（传递效应；阻断效应；不连续效应；散射和吸收效应；诱导
效应）
例1：复合材料的界⾯有哪些作⽤？
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