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复合材料原理

主编 : 闻荻江主审 : 吴人杰

赵昌正

武汉理工大学出版社

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1 、绪论 2 、复合材料的复合效应 3 、复合材料的界面状态解析 4 、复合体系的界面结合特性 5 、复合体系的典型界面反应 6 、复合材料的界面处理技术

主要内容

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7 、复合材料物理和化学性能的复合规律8 、结构复合材料9 、功能复合材料

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1 绪 论

一、复合材料的起源：

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二、复合材料的定义

1 、定义

2 、复合材料区别于任意混合材料的一个主要特征

由两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同复合方法所得到的宏观多相材料。

多相结构存在着复合效应

3 、复合材料相区尺寸的界定

相区尺寸大于 1μm 的宏观多相材料，不包括相区尺寸在 0.01—1μm 之间的微观分相材料，但随着科学技术的发展，这一概念在逐步淡化，并出现分子复合材料。

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三、复合材料的发展

♣1 、几千年前，在粘土中加入稻草；

♣2 、漆器：麻与大漆构成的；

♣3 、混凝土：砂石和水泥复合得到。

A 、原始复合材料

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B 、现代意义上的复合材料的发展

☼ 1 、硫化橡胶 ： 1839 年美国人 C ． Goodyear 发明的橡胶硫化法，在橡胶原料中加入硫化剂、填料、增强剂和防老剂等助剂所制得的一种工业复合材料；

☼ 2 、玻璃纤维增强塑料：上世纪 40 年代，首先在美国出现；

☼ 3 、先进复合材料：上世纪 60 年代相继出现了以碳纤维和聚芳酰胺纤维等高模量纤维为增强剂；

☼ 4 、金属、陶瓷基复合材料：上世纪 70 年代则又出现以金属、陶瓷等为基体材料的复合材料。

狭义上指比刚度、比强度超过铝合金的碳纤维增强树脂基复合材料，但也有研究人员将其概念扩展到一些最新发展研制的、具有先进性能的其他复合材料，如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。

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四、复合材料的分类：

1 、无机非金属基复合材料

2 、聚合物基复合材料

3 、金属基复合材料基体材料不同

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1.1 复合材料中的材料设计和结构设计

工程应用的角度

结构复合材料

功能复合材料

以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用

以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，诸如压电材料、阻尼材料、自控发热材料、吸波屏蔽材料、磁性材料、生物相容性材料、磁性分离材料。

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1 、复合材料的组成：

增强体（结构复合材料）

基体（或基体材料） +

功能体（功能复合材料） 作用：

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的作用；

基 体：起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。

B 、功能复合材料：

基 体：主要起连接作用；

功能体：是赋予复合材料以一定的物理、化学功能。

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复合材料区别于单一材料的主要特点：

1 ）不仅保持其原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性；

2 ）材料的可设计性 ；

3 ）材料与结构的一致性 。

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材料 A 材料 B

优点 缺点 优点 缺点

组合 1 组合 2 组合 3 组合 4

材料优、缺点组合示意图

最佳组合 最差组合

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复合材料必须通过对组分的选择、各组分分布设计和工艺条件的控制等，以期保证原组分材料的优点相互补充，同时利用复合材料的复合效应使之出现新的性能，最大限度地发挥复合的优势。

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Eg:

1 ）高强度结构材料：可选用高强度纤维

2 ）高模量结构材料：应选用高模量纤维

3 ）耐高温结构复合材料：应选择耐高温材料为基体。 树脂基复合材料＜ 400 )℃ ； 碳 - 碳复合材料＜ 2400 )℃ ； 金属基复合材料 (400-1300 )℃ ； 陶瓷基复合材料 (1300-1650 )℃ 。

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4 ）电磁波屏蔽材料：应选用含有导电性功能剂的树脂 基复合材料。

5 ）化工防腐蚀的复合材料 对于酸性介质：用中碱玻璃纤维为增强体和耐酸性良好的树脂 ( 如乙烯基酯树脂 ) 为基体； 对于碱性介质：宜采用无碱玻璃纤维为增强体和耐碱性良好的树脂 ( 如胺固化环氧树脂 ) 。

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复合材料特性：

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抗拉强度与密度之比比强度高的材料能承受高的应力

弹性模量与密度之比比模量高说明材料轻而且刚性大

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疲劳破坏的种类不同：金属： 突发性破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的 30%~50%聚合物基复合材料： 有预兆破坏 极限为拉伸强度的 70%~80%

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受力结构的自振频率有关因素： 结构形状 比模量的平方根成正比

同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减。

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在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。

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(1) 密度低 ；(2) 耐腐蚀；(3) 易氧化、老化；(4) 聚合物的耐热性通常较差； (5) 易燃； (6) 低的摩擦系数；(7) 低的导热性和高的热膨胀性；(8) 极佳的电绝缘性和静电积累；(9) 聚合物可以整体着色而制得带色制品。(10) 聚合物的一些力学性能随其分子结构的改变而变化。

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增强体和功能体在复合材料中起主导作用

用廉价的 增 强 体 ，特别是颗粒状 填料可降低成本。

纤维状或片状增强体可提高聚合物基复合材料的力学性能和热性能。其效果在很大程度上取决于增强体本身的力学性能和形态等。

功能体可赋予聚合物基体本身所没有的特殊功能。功能体的这种作用主要取决于它的化学组成和结构。

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增强效果增强体

粒状 片状 纤维状弯曲强度、弯曲模量 硅酸钙 滑石粉、云母 玻璃纤维、碳

纤维、芳纶 拉伸强度，拉伸模量

玻璃纤维、碳纤维、芳纶

热变形温度，尺寸稳定性 碳酸钙 滑石粉、云母 玻璃纤维、碳

纤维、芳纶

压缩强度 云母 玻璃纤维、碳纤维、芳纶

主要的增强效果和对应的功能体

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主要的功能效果和对应的功能体

功能效果 功 能 体滞燃性 碳酸钙、滑石粉、亚硫酸钙

难燃性 氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、碱式碳酸钠铝

难磨耗性 石墨、二硫化钼、碳纤维导电性、电磁波

屏蔽性炭黑、石墨、碳纤维、铝粉、铝纤维、黄铜纤维、银粉

磁 性 高铁酸钡、高铁酸锶、高铁酸镍、 γ-Fe2O3 、钕铁硼粉

隔音性 铁粉、铅粉、氧化铁导热性 铝粉、石墨、铝纤维、氧化铍压电性 钛酸铅、锆酸铅

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3 、界面 界面、界面效应对复合材料性能的巨大影响正是复合材料区别于一般混合材料的重要标志。

例如

1 ）玻璃纤维增强塑料的力学性能，特别是湿态力学性能在很大程度上与玻璃纤维和树脂间界面的粘结状态有关。 2 ）对于透光复合材料，界面粘结好坏更是决定透光材料使用寿命的依据。

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改善基体和增强体的界面粘结状态，必须对增强体进行表面处理 。

表面处理的方法：

1 ）用物理或化学的方法使填料表面的结构发生改变；2 ）用一种叫“偶联剂”的化合物引入增强体表面以实现改变增强体表面结构的目的。

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偶联剂的分子中一般都含有两种性质不同的基团。一部分基团 ( 如硅烷基 ) 能与无机物 ( 比如玻璃，金属 ) 表面上的 M － OH 起化学反应形成化学键；另一部分基团 ( 如乙烯基 ) 能与树脂起反应形成化学键。使无机物和树脂这两类性质差别很大的材料以化学键的形式“偶联”在一起，形成了一个牢固的整体。

CH2 CHSi(OC2H5)3

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玻璃表面

乙烯基硅烷偶联剂水解形成的乙烯基硅醇

CH2 CH

Si ORRO

OR

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玻璃纤维表面处理方法

后处理法、前处理法和迁移法。(1) 后处理法 凡是使用纺织型浸润剂，制得的玻璃纤维及织物，在用于制作玻璃钢之前原则上都采用此法进行表面处理。 分两步进行：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。 特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大，玻璃纤维强度损失大．但处理效果好，比较稳定．是目前国内外最常使用的处理方法。

满足纺织工序的要求

单丝处理剂，当玻璃液从漏板拉出单丝以后，涂敷在玻璃纤维表面上，对单丝起保护作用。使多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度；保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。

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(2) 前处理法 适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和粘结。将化学处理剂加入到浸润剂中。 与后处理法比较优点：省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便；避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失。 缺点：这种浸润剂一方面要满足拉丝、纺织工序的要求，同时又要满足与树脂浸渍、粘结等要求，是一个比较复杂的技术问题，目前尚需进一步研究。

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(3) 迁移法：迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的“迁移”作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用。

迁移法需要热处理后使用。

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应该明确： 复合材料既是材料又是结构，故材料设计与结构设计往往相互交叉而没有明显的分界线，同时这种设计都受到成型技术的制约。通常认为复合材料中的材料设计属于复合材料科学 ( 材料物理及材料化学 ) 的研究范畴，而结构设计则属于复合材料力学的研究范畴。

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1.2 本课程研究的范围 范围：研究复合材料中的材料设计。 本课程是一门研究材料设计的课程，研究范围涉及到基体的结构和性能、增强体或功能体的结构和性能、界面结构和界面效应、复合后材料的物理及力学性能的一般规律和共性，复合过程的一般规律和共性。 上述研究内容正是整个复合材料工程学的理论基础。

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1.3 学习本课程的意义和要求 复合材料从原材料到制品，包含的专业内容：1 ）材料设计 2 ）结构 ( 制品 ) 设计 3 ）成型工艺及设备 4 ）产品性能检测 从材料性能的可设计性和材料与结构的一致性出发，从“微观”或“亚微观”水平开始，根据工程要求进行设计。

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通过学习复合材料原理这门课程，将掌握材料设计的基础知识，能根据工程上对复合材料制品的要求，从微观或亚微观水平上选定合宜的基体和增强体或功能体，并确定合适的表面处理技术和成型工艺，使基体和增强体或功能体有良好的界面，从而达到预期的性能指标。

作业：1 、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？

2 、复合材料区别于单一材料的主要特点？