復合材料原理復合材料原理：01-11周周一7-8節11J520101-11單周周三9-10節

2J203復合材料工藝與設備：地點全部變更為10J414，時間不變。2E-mail：mse_lijq@Cellphone:131-5619-3068見全×健×泉××李建權31、緒論2、復合材料的復合效應3、復合材料的界面狀態解析4、復合體系的界面結合特性5、復合體系的典型界面反應6、復合材料的界面處理技術主要內容47、復合材料物理和化學性能的復合規律8、結構復合材料9、功能復合材料51緒論

一、復合材料的起源：天然材料加工材料合成材料6二、復合材料的定義

1、定義2、復合材料區別于任意混合材料的一個主要特征由兩種或兩種以上不同性質的單一材料，通過不同復合方法所得到的宏觀多相材料。多相結構存在著復合效應3、復合材料相區尺寸的界定相區尺寸大于1μm的宏觀多相材料，不包括相區尺寸在0.01—1μm之間的微觀分相材料，但隨著科學技術的發展，這一概念在逐步淡化，并出現分子復合材料。7三、復合材料的發展1、幾千年前，在粘土中加入稻草；2、漆器：麻與大漆構成的；3、混凝土：砂石和水泥復合得到。A、原始復合材料8B、現代意義上的復合材料的發展1、硫化橡膠：1839年美國人C．Goodyear發明的橡膠硫化法，在橡膠原料中加入硫化劑、填料、增強劑和防老劑等助劑所制得的一種工業復合材料；2、玻璃纖維增強塑料：上世紀40年代，首先在美國出現；3、先進復合材料：上世紀60年代相繼出現了以碳纖維和聚芳酰胺纖維等高模量纖維為增強劑；4、金屬、陶瓷基復合材料：上世紀70年代則又出現以金屬、陶瓷等為基體材料的復合材料。狹義上指比剛度、比強度超過鋁合金的碳纖維增強樹脂基復合材料，但也有研究人員將其概念擴展到一些最新發展研制的、具有先進性能的其他復合材料，如金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等。9四、復合材料的分類：1、無機非金屬基復合材料2、聚合物基復合材料3、金屬基復合材料基體材料不同101.1復合材料中的材料設計和結構設計工程應用的角度結構復合材料功能復合材料以其力學性能如強度、剛度、形變等特性為工程所應用以其聲、光、電、熱、磁等物理特性為工程所應用，諸如壓電材料、阻尼材料、自控發熱材料、吸波屏蔽材料、磁性材料、生物相容性材料、磁性分離材料。111、復合材料的組成：

增強體（結構復合材料）基體（或基體材料）+

功能體（功能復合材料）

作用：A、結構復合材料：增強體：在結構復合材料中主要起承受載荷的作用；基體：起連接增強體、傳遞載荷、分散載荷的作用。B、功能復合材料：基體：主要起連接作用；功能體：是賦予復合材料以一定的物理、化學功能。12復合材料區別于單一材料的主要特點：1）不僅保持其原組分的部分優點，而且具有原組分不具備的特性；2）材料的可設計性；3）材料與結構的一致性。13材料A材料B優點缺點優點缺點組合1組合2組合3組合4材料優、缺點組合示意圖最佳組合最差組合14復合材料必須通過對組分的選擇、各組分分布設計和工藝條件的控制等，以期保證原組分材料的優點相互補充，同時利用復合材料的復合效應使之出現新的性能，最大限度地發揮復合的優勢。

15Eg:1）高強度結構材料：可選用高強度纖維2）高模量結構材料：應選用高模量纖維3）耐高溫結構復合材料：應選擇耐高溫材料為基體。樹脂基復合材料＜400℃)；碳-碳復合材料＜2400℃)；金屬基復合材料(400-1300℃)；陶瓷基復合材料(1300-1650℃)。164）電磁波屏蔽材料：應選用含有導電性功能劑的樹脂基復合材料。5）化工防腐蝕的復合材料

對于酸性介質：用中堿玻璃纖維為增強體和耐酸性良好的樹脂(如乙烯基酯樹脂)為基體；

對于堿性介質：宜采用無堿玻璃纖維為增強體和耐堿性良好的樹脂(如胺固化環氧樹脂)。

17復合材料特性：比強度、比模量高耐疲勞性能好減震性好過載安全性18抗拉強度與密度之比比強度高的材料能承受高的應力彈性模量與密度之比比模量高說明材料輕而且剛性大比強度、比模量高19耐疲勞性能好疲勞破壞的種類不同：金屬：突發性破壞疲勞強度極限是其拉伸強度的30%~50%聚合物基復合材料：有預兆破壞極限為拉伸強度的70%~80%20減震性好受力結構的自振頻率有關因素：結構形狀

比模量的平方根成正比同時，復合材料中的基體界面具有吸震能力，使材料的震動阻尼很高，即使激起振動也能很快衰減。21過載安全性在纖維復合材料中，由于有大量獨立的纖維，在每平方厘米面積上的纖維數少至幾千根，多達數萬根。當過載時復合材料中即使有少量纖維斷裂時，載荷就會迅速重新分配到未被破壞的纖維上，不至于造成構件在瞬間完全喪失承載能力而斷裂，仍能安全使用一段時間。22聚合物基體的性能特點(1)密度低；(2)耐腐蝕；(3)易氧化、老化；(4)聚合物的耐熱性通常較差；(5)易燃；(6)低的摩擦系數；(7)低的導熱性和高的熱膨脹性；(8)極佳的電絕緣性和靜電積累；(9)聚合物可以整體著色而制得帶色制品。(10)聚合物的一些力學性能隨其分子結構的改變而變化。23增強體和功能體在復合材料中起主導作用(1)填充(2)增強(3)賦予功能用廉價的增強體，特別是顆粒狀填料可降低成本。纖維狀或片狀增強體可提高聚合物基復合材料的力學性能和熱性能。其效果在很大程度上取決于增強體本身的力學性能和形態等。功能體可賦予聚合物基體本身所沒有的特殊功能。功能體的這種作用主要取決于它的化學組成和結構。24增強效果增強體粒狀片狀纖維狀彎曲強度、彎曲模量硅酸鈣滑石粉、云母玻璃纖維、碳纖維、芳綸拉伸強度，拉伸模量玻璃纖維、碳纖維、芳綸熱變形溫度，尺寸穩定性碳酸鈣滑石粉、云母玻璃纖維、碳纖維、芳綸壓縮強度云母玻璃纖維、碳纖維、芳綸主要的增強效果和對應的功能體25主要的功能效果和對應的功能體功能效果功能體滯燃性碳酸鈣、滑石粉、亞硫酸鈣難燃性氫氧化鋁、氫氧化鎂、三氧化二銻、堿式碳酸鈉鋁難磨耗性石墨、二硫化鉬、碳纖維導電性、電磁波屏蔽性炭黑、石墨、碳纖維、鋁粉、鋁纖維、黃銅纖維、銀粉磁性高鐵酸鋇、高鐵酸鍶、高鐵酸鎳、γ-Fe2O3、釹鐵硼粉隔音性鐵粉、鉛粉、氧化鐵導熱性鋁粉、石墨、鋁纖維、氧化鈹壓電性鈦酸鉛、鋯酸鉛263、界面

界面、界面效應對復合材料性能的巨大影響正是復合材料區別于一般混合材料的重要標志。

例如

1）玻璃纖維增強塑料的力學性能，特別是濕態力學性能在很大程度上與玻璃纖維和樹脂間界面的粘結狀態有關。

2）對于透光復合材料，界面粘結好壞更是決定透光材料使用壽命的依據。27改善基體和增強體的界面粘結狀態，必須對增強體進行表面處理。表面處理的方法：1）用物理或化學的方法使填料表面的結構發生改變；2）用一種叫“偶聯劑”的化合物引入增強體表面以實現改變增強體表面結構的目的。28偶聯劑的分子中一般都含有兩種性質不同的基團。一部分基團(如硅烷基)能與無機物(比如玻璃，金屬)表面上的M－OH起化學反應形成化學鍵；另一部分基團(如乙烯基)能與樹脂起反應形成化學鍵。使無機物和樹脂這兩類性質差別很大的材料以化學鍵的形式“偶聯”在一起，形成了一個牢固的整體。29玻璃表面乙烯基硅烷偶聯劑水解形成的乙烯基硅醇30玻璃纖維表面處理方法后處理法、前處理法和遷移法。(1)后處理法凡是使用紡織型浸潤劑，制得的玻璃纖維及織物，在用于制作玻璃鋼之前原則上都采用此法進行表面處理。分兩步進行：首先除去玻璃纖維表面的紡織型浸潤劑，然后經處理劑溶液浸漬、水洗、烘干等工藝，使玻璃纖維表面被覆上一層處理劑。特點：處理的各道工序都需要專門的設備，初投資較大，玻璃纖維強度損失大．但處理效果好，比較穩定．是目前國內外最常使用的處理方法。滿足紡織工序的要求單絲處理劑，當玻璃液從漏板拉出單絲以后，涂敷在玻璃纖維表面上，對單絲起保護作用。使多根單絲集中成股，增加原紗的耐磨性和提高拉伸強度；保護纖維免受大氣和水分的侵蝕作用。31(2)前處理法適當改變浸潤劑的配方，使之既能滿足拉絲、退并、紡織各道工序的要求，又不妨礙樹脂對玻璃纖維的浸潤和粘結。將化學處理劑加入到浸潤劑中。與后處理法比較優點：省去了復雜的處理工藝及設備，使用簡便；避免了因熱處理造成的玻璃纖維強度損失。缺點：這種浸潤劑一方面要滿足拉絲、紡織工序的要求，同時又要滿足與樹脂浸漬、粘結等要求，是一個比較復雜的技術問題，目前尚需進一步研究。32(3)遷移法：遷移法是將化學處理劑直接加入到樹脂膠液中進行整體滲合，在浸膠的同時將處理劑施于玻璃纖維上，借處理劑從樹脂膠液至纖維表面的“遷移”作用而與纖維表面發生作用，從而在樹脂固化過程中產生偶聯作用。遷移法需要熱處理后使用。33應該明確：復合材料既是材料又是結構，故材料設計與結構設計往往相互交叉而沒有明顯的分界線，同時這種設計都受到成型技術的制約。通常認為復合材料中的材料設計屬于復合材料科學(材料物理及材料化學)的研究范疇，而結構設計則屬于復合材料力學的研究范疇。34

1.2本課程研究的范圍范圍：研究復合材料中的材料設計。本課程是一門研究材料設計的課程，研究范圍涉及到基體的結構和性能、增強體或功能體的結構和性能、界面結構和界面效應、復合后材料的物理及力學性能的一般規律和共性，復合過程的一般規律和共性。上述研究內容正是整個復合材料工程學的理論基礎。351.3學習本課程的意義和要求復合材料從原材料到制品，包含的專業內容：1）材料設計2）結構(制品)設計3）成型工藝及設備4）產品性能檢測

從材料性能的可設計性和材料與結構的一致性出發，從“微觀”或“亞微觀”水平開始，根據工程要求進行設計。36通過學習復合材料原理這門課程，將掌握材料設計的基礎知識，能根據工程上對復合材料制品的要求，從微觀或亞微觀水平上選定合宜的基體和增強體或功能體，并確定合適的表面處理技術和成型工藝，使基體和增強體或功能體有良好的界面，從而達到預期的性能指標。作業：1、增強體和功能體在復合材料中起的主導作用？2、復合材料區別于單一材料的主要特點？37高速電主軸在臥式鏜銑床上的應用越來越多，除了主軸速度和精度大幅提高外，還簡化了主軸箱內部結構，縮短了制造周期，尤其是能進行高速切削，電主軸轉速最高可大10000r/min以上。不足之處在于功率受到限制，其制造成本較高，尤其是不能進行深孔加工。而鏜桿伸縮式結構其速度有限，精度雖不如電主軸結構，但可進行深孔加工，且功率大，可進行滿負荷加工，效率高，是電主軸無法比擬的。因此，兩種結構并存，工藝性能各異，卻給用戶提供了更多的選擇。現在，又開發了一種可更換式主軸系統，具有一機兩用的功效，用戶根據不同的加工對象選擇使用，即電主軸和鏜桿可相互更換使用。這種結構兼顧了兩種結構的不足，還大大降低了成本。是當今臥式鏜銑床的一大創舉。電主軸的優點在于高速切削和快速進給，大大提高了機床的精度和效率。臥式鏜銑床運行速度越來越高，快速移動速度達到25～30m/min，鏜桿最高轉速6000r/min。而臥式加工中心的速度更高，快速移動高達50m/min，加速度5m/s2，位置精度0.008～0.01mm，重復定位精度0.004～0.005mm。落地式銑鏜床銑刀由于落地式銑鏜床以加工大型零件為主，銑削工藝范圍廣，尤其是大功率、強力切削是落地銑鏜床的一大加工優勢，這也是落地銑鏜床的傳統工藝概念。而當代落地銑鏜床的技術發展，正在改變傳統的工藝概念與加工方法，高速加工的工藝概念正在替代傳統的重切削概念，以高速、高精、高效帶來加工工藝方法的改變，從而也促進了落地式銑鏜床結構性改變和技術水平的提