复合材料原理期末重点

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1、第一章复合材料：由两种或两种以上两种或两种以上不同性质的单一材料单一材料，通过不同复合方法所得到的宏观多相宏观多相材料。材料。主要特征：多相结构存在着复合效应。复合效应。特点：1、不仅保持原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性2、区别于单一材料的另一显著特性是材料的可设计性可设计性3、材料与结构的一致性一致性工程应用工程应用的角度分类：结构复合材料和功能复合材料复合材料的组成：A、结构复合材料：增强体：在结构复合材料中主要起承受载荷承受载荷的作用；基 体：起连接连接增强体、传递传递载荷、分散分散载荷的作用。B、功能复合材料：基 体：主要起连接连接作用； 功能体：是赋予复合材料以一定的物理

2、、化学功能物理、化学功能。界面的功能：传递应力、粘结与脱粘。第二章材料的复合效应复合效应线性效应：线性指量与量之间成正比关系。非线性效应 ：非线性指量与量之间成曲线关系 。1)平均效应：是复合材料所显示的最典型最典型的一种复合效应。2)平行效应：增强体增强体(如纤维如纤维)与基体与基体界面结合很弱很弱的复合材料所显示的复合效应，可以看作是平行效应。3)相补效应：组成复合材料的基体与增强体基体与增强体，在性能上能互补性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。4)相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。1.

3、相乘效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，有可能有可能发生相乘效应。Eg:把具有电磁电磁效应的材料与具有磁光磁光效应的材料复合时，将可能产生复合材料的电光电光效应。2.诱导效应：在一定条件下，复合材料中的一组分材料一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材另一组分材料料的结构改变结构改变而改变改变整体性能或产生产生新的效应。3.共振效应：两相邻相邻的材料在一定条件一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振。4.系统效应：这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚。1）、两相复合体系有 l0 种可能的连通性复合材料结构(0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、

4、2-3、3-3)；2）、三个相组成的复合体系结构有 20 种可能存在的连通性；3）、四个相时，它可能存在 35 种连通性。 (1)0-3 型结构 这是基体为三维连续相三维连续相，而增强体或功能体以不连续相的微粒状分布以不连续相的微粒状分布在基体中的结构状态。(2)1-3 型结构 这种结构的基体仍为三维连续相，而增强体则为纤维状一维纤维状一维材料。 (3)2-2 型结构 这是一种由两种组分材料两种组分材料呈层状叠合层状叠合而成的多层结构复合材料多层结构复合材料。(4)2-3 型结构 在这类复合材料结构中，基体相仍为三维连续相，而增强体或功能体为二二维结构的维结构的片状片状材料材料。(5)3-3

5、型结构 这种结构的基体相为三维连续相，而增强体或功能体增强体或功能体为三维网状结构或块状结构镶嵌在基体镶嵌在基体之中。第三章碳纤维表面氧的存在氧的存在形式：低浓度的羟基、羰基、羧基、内酯基羟基、羰基、羧基、内酯基能与树脂基体反应的基团：环氧基、氨基环氧基、氨基碳纤维的表面改性：a、增加比表面积比表面积；b、增加其表面的含氧基团含氧基团第四章润湿理论润湿理论指出：要使树脂对增强体紧密接触紧密接触，就必须使树脂对增强体表面很好地浸润很好地浸润。前提条件：液态树脂的表面张力必须前提条件：液态树脂的表面张力必须低低于增强体的于增强体的临界临界表面张力。表面张力。结合方式：属于机械结合与润湿吸附（范德华

6、力）。优点：解释了增强体表面粗化、表面积增加有利于提高提高与基体树脂界面结合力的事实。不足：不能解释施用偶联剂后偶联剂后使树脂基复合材料界面粘结强度提高界面粘结强度提高的现象。证明：偶联剂在玻璃纤维玻璃纤维/树脂树脂界面上的偶联效果一定有部分（或者是主要的）不是由界面的物理吸附物理吸附所提供，而是存在着更为本质的因素更为本质的因素在起作用。化学键理论认为：基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学化学反应。因此树脂基体与增强体之间形成化学键的结合，界面的结合力是主价键力的作用。界面的结合力是主价键力的作用。偶联剂正是实现这种化学键结合的架桥剂。成功之处：在偶联剂应用于玻璃纤维玻璃纤维

7、复合材料中得到很好应用，也被界面研究的实验所证实。局限性：碳纤维碳纤维复合材料，当碳纤维经过某些柔性聚合涂层柔性聚合涂层处理后，力学性能改善。力学性能改善。但聚合物不具备与不具备与碳表面起反应的活性基团，也不具备与也不具备与树脂其反应的基团。 总结：对于复合体系的界面现象和结构的解释，不能单纯以一种化学偶联或单纯以一种物理化学现象来解释。若润湿理论和化学键理论都存在时，认为化学偶联作用应是主要的，然后提高浸润性，则效果最佳。 非树脂基复合材料的界面结构与结合类型对非树脂基复合材料的界面类型可以分为三种类型：一、材料的界面只有原物质只有原物质而不含其他任何组合；二、界面为增强体与基体形成的相互交

8、错的溶解扩散界面相互交错的溶解扩散界面；三、界面上有界面反应层界面反应层。复合材料界面结合的形式：1 机械结合：若复合材料中的界面仅仅是增强体和基体间纯粹的机械接触而无化学作用而形成的，则称此类界面为“机械结合式”界面。特点：a、机械接触、机械接触 b、无化学作用、无化学作用 2 溶解与浸润结合：由单纯的浸润和溶解作用，使增强体和基体形成交错的溶解扩散 界面是一种次价键力的结合。特点：a、润湿和溶解、润湿和溶解 b、形成交错的溶解扩散界面、形成交错的溶解扩散界面 c、次价键力的结合、次价键力的结合 3 反应界面结合：非树脂基复合材料中，增强体和基体主要是以主价键力而相互结合 起来的，在界面上生

9、成了新的反应物层称为反应界面结合。 特点：a、形成了新的反应物层、形成了新的反应物层 b、主价键力的结合、主价键力的结合 4、氧化结合氧化结合 5、混合结合、混合结合界面破坏的能量流散概念：当裂纹受到外因素作用外因素作用时，裂纹的发展过程将是逐渐逐渐通过树脂树脂最后到达纤维表面纤维表面。在 裂纹扩展扩展的过程中，将随着裂纹的发展随着裂纹的发展逐渐消耗能量，并且由于能量的流散由于能量的流散而减缓裂纹的减缓裂纹的 发展发展。对于垂直的裂纹峰还将减缓对纤维的冲击。 如果界面上的化学键是集中化学键是集中的，当裂纹发展时，能量流散少少或能量集中集中于裂纹峰裂纹峰，可能 没有引起集中键的破坏键的破坏就冲断

10、纤维冲断纤维，造成材料的破坏。如果化学键是分散化学键是分散的，树脂自界面逐渐分离，键逐渐破坏键逐渐破坏，这样，应力没有集中与裂纹应力没有集中与裂纹 峰峰而逐渐消耗能量，引起脱粘破坏（键的破坏）。介质引起界面破坏的机理： A、玻璃纤维玻璃纤维经多层吸附多层吸附形成了不易除去的水膜不易除去的水膜。 B、发生水水与玻璃纤维玻璃纤维和树脂树脂的化学变化，引起界面脱粘，造成复合材料的破坏。 B1、进入界面的水水将使树脂使树脂发生溶胀 B2、界面上界面上产生拉伸应力拉伸应力 B3、界面界面遭受破坏破坏 B4、水介质水介质还将促使微裂纹的发展 B5、材料的整体整体破坏RCOOR + H2O RCOOH +

11、ROH复合材料界面优化设计：界面的功能：传递应力、粘结与脱粘。第五章化学结合的形式主价键结合：共价键、离子键、金属键等次价键结合：分子的电荷、极化、偶极之间的静电作用和诱导、分子间的扩散等对玻璃纤维玻璃纤维表面进行化学处理的目的：使之形成新的表面新的表面，并使新生表面上的活性基团活性基团与聚合物基体与聚合物基体发生界面界面反应23、简述硅烷偶联剂与玻璃纤维的作用过程，写出反应方程式。以硅烷偶联剂为例来说明这种反应的过程：(1)有机硅烷水解水解，生成硅醇硅醇：OH(2)玻璃纤维表面吸水吸水，生成羟基羟基： (3)硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应，又分三步：第一步：硅醇与玻璃纤维表面反应生成氢键生成氢

12、键：第二步：低温干燥(水分蒸发)，硅醇进行醚化醚化反应：第三步：高温干燥(水分蒸发)，硅醇与吸水玻璃纤维间进行醚化反应醚化反应：至此，有机硅烷处理剂与玻璃纤维表面结合起来了，相当于新生的活性表面。24、硅烷偶联剂与聚合物基体是怎么作用的？有机硅烷中的 R 基团：双键、环氧基、胺基、长链烷基等。R 基团若为双键双键，可参与不饱和聚酯树脂的交联反应交联反应，在界面形成牢固的化学键结合。R 基团若为环氧基、胺基环氧基、胺基，可参与环氧树脂的固化反应固化反应，形成化学键结合的界面层。R 基团还可以是长链烷基长链烷基，（主要针对热塑性树脂），那么，以实现与基体分子的插入与缠结。总之，这些界面反应都增强了

13、界面粘结，提高了复合材料的性能增强了界面粘结，提高了复合材料的性能。25、玻璃纤维增强水泥的目的，玻璃纤维受到水泥侵蚀的类型及采取的主要措施？玻璃纤维基增强混凝土水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。熟料：主要胶凝物质提供强度的主要组份；石膏：调节水泥的凝结时间缓凝剂；硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：不定的玻璃体、fCaO、fMgO 及含碱矿物。采用纤维的目的：为了克服水泥硬化体抗拉强度低、抗裂性差、脆性大等缺点。为了克服水泥硬化体抗拉强度低、抗裂性差、脆性大等缺点。玻璃纤维玻璃纤维是水泥基复合材料常用的增强材料。中碱与无碱玻璃纤维在普通硅酸盐水泥水化物中受到了两种类型的侵蚀：一种是

14、化学侵蚀化学侵蚀，即水泥水化生成的 Ca(OH)2 与玻璃纤维的硅氧骨架之间发生化学反应生成水化硅酸钙，当水泥液相中有 NaOH、KOH 存在时则加速了这一反应；另一种是应力侵蚀应力侵蚀，由于玻璃纤维表面存在着缺陷，水泥水化生成的晶体可进入这些缺陷中，在缺陷端部造成应力集中并使缺陷扩展。从而破坏了玻璃纤维与水泥基体之间的界面结合。 为防止水泥水化物对玻璃纤维的侵蚀，可采取下列三种主要措施： (1)改变玻纤的化学组分：改变玻纤的化学组分：eg：在玻纤中加入较多量的 ZrO2 成分可提高其抗碱性； (2)对玻纤表面进行被覆处理，以隔绝水泥水化物对纤维的侵蚀。对玻纤表面进行被覆处理，以隔绝水泥水化物

15、对纤维的侵蚀。eg：可用锗、钛、锌、铝等金属的水溶性盐对纤维进行处理，也可用某些抗碱性好的树脂如环氧、呋喃等对玻纤进行浸渍处理而后使之固化； (3)使用水化物碱度低的水泥以减缓或防止对玻璃纤维的侵蚀。使用水化物碱度低的水泥以减缓或防止对玻璃纤维的侵蚀。主要是采用水化产物中 Ca(OH)2 含量低的甚至无 Ca(OH)2 的水泥。eg：高铝水泥、硫铝酸盐水泥等。 碳纤维的表面官能团可能以下列形式存在：羟基、羰基、羧基、内酯基能与树脂基体中反应的基团：环氧基、氨基第六章26、玻璃纤维表面处理的目的和意义？所谓表面处理表面处理，就是在增强体表面涂覆上一种称为表面处理剂表面处理剂的物质，这种表面处理剂

16、包括浸润剂浸润剂及一系列偶联剂和助剂偶联剂和助剂等物质，它有利于增强体与基体增强体与基体间形成一个良好的粘结界良好的粘结界面面，从而达到提高复合材料提高复合材料各种性能各种性能的目的。 27、简述偶联剂的作用机理?偶联剂的分子两端分子两端含有性质不同的基团基团，一端的基团与增强体表面与增强体表面发生化学或物理或物理作用，另一端的基团则能和基体基体发生化学或物理化学或物理作用，从而使增强体和基体增强体和基体很好地偶联起来，获获得良好的界面粘结，改善了多方面性能，并有效地抵抗了水的侵蚀。得良好的界面粘结，改善了多方面性能，并有效地抵抗了水的侵蚀。按化学组成，偶联剂主要可分为有机铬和有机硅有机铬和有机硅两大类，此外还有钛酸酯钛酸酯等。玻璃纤维表面处理方法：玻璃纤维表面处理方法：前处理法前处理法、后处理法、迁移法后处理法：后处理法：使用纺织型浸润剂的玻璃纤维及制品，在使用前原则上都采用此法处理。目前普遍采用的一种方法。处理方法：分两步：（对于“纺织型浸润剂”）首先除去浸润剂除去浸润剂.a、洗涤法：在皂水或有机溶液中清洗，然后烘干。