复合材料概念

1 总论

1） 复合材料概念、命名、分类及其基本性能。

概念：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。

命名：将增强材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面，再加上“复合材料”。

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基本性能：可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。可按对材料性能的需要进行材料的设计和制备。可制成所需的任意形状的产品。性能的可设计性是复合材料的最大特点。

2） 聚合物基复合材料的主要性能

比强度、比模量大；耐疲劳性能好；减震性好；过载时安全性好；具有多种功能性；有很好的加工工艺性。

3） 金属基复合材料的主要性能

高比强度、高比模量；导热、导电性能好；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；良好的高温性能；耐磨性好；良好的疲劳性能和断裂韧性；不吸潮、不老化、气密性好。

4） 陶瓷基复合材料的主要性能

强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下抗磨损性好、耐化学腐蚀性优良，热膨胀系数和相对密度较小

5） 复合材料的三个结构层次

一次结构：由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组份材料的力学性能、相几何和界面区的性能。

二次结构：单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何。

三次结构：工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。

6） 复合材料设计的三个层次

单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能。

铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案做出合理安排，该层次决定层合板的性能。

结构设计：确定产品结构的形状和尺寸。

2 基体材料

1）金属基体材料

选择基体的原则、金属基结构复合材料的基体、金属基功能复合材料的基体

原则：金属基复合材料的使用要求；金属基复合材料组成特点；集体金属与增强物的相容性。

结构复合材料的基体可大致分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。

金属基功能复合材料的基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、铅、锌等。

2）无机胶凝材料 

主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料 

 与树脂相比，水泥基体材料的特征

特征：

水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由十分之几纳米到数十纳米；

纤维与水泥的弹性模量比不大；

水泥基材的断裂延伸率较低；

水泥基材种含有粉末或颗粒状的物料，与纤维呈点接触，故纤维的掺量受到很大的限制。

水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维不利。

3）陶瓷材料 

常用的陶瓷基体、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷种类

基体：玻璃，玻璃陶瓷，氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷。

氧化物陶瓷种类：word/media/image2_1.png

非氧化物陶瓷种类：不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物

3 增强材料

1） 玻璃纤维分类（玻璃原料成分）

这种分类方法主要用于连续玻璃纤维，一般以不同的含碱量来区分。

无碱玻璃纤维，中碱玻璃纤维，有碱玻璃（A玻璃）纤维，特种玻璃纤维

2） 玻璃结构两个假说

微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块和或二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。

网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由Na,K,Ca,Mg等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na,Ca等阳离子称为网络改性物。

3） 玻璃纤维的化学组成

玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。

4） 玻璃纤维高强的原因及影响因素 （*）

微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，可达到2000~12000Mpa。

直径：直径变细，拉伸强度增加。

纤维的长度：长度增加，拉伸强度显著下降。

化学组成：含碱量越高，强度越低。

纤维的老化，纤维的疲劳

成型方法与成型条件：玻璃硬化速度越快，纤维强度越高。

5） 影响玻璃纤维化学稳定性的因素有哪些？

玻璃纤维的化学成分，纤维表面情况对化学稳定性的影响，侵蚀介质体积和温度对玻璃纤维化学稳定性的影响，玻璃纤维纱的规格及性能。

6） 中碱玻璃纤维与无碱玻璃纤维耐酸性那个好，为何？

中碱纤维含word/media/image3_1.png比无碱纤维高二十几倍，受酸作用后，首先从表面上，有较多的金属氧化物侵析出来，但主要是word/media/image3_1.png的离析、溶解；另一方面酸与玻璃纤维中硅酸盐作用生成硅酸，而硅酸迅速聚合并凝成胶体，结果在玻璃表面上会形成一层极薄的氧化硅保护膜，这层膜使酸的侵析与离子交换过程迅速缓慢，使强度下降也缓慢。实践证明word/media/image3_1.png有利于这层保护膜的形成，所以中碱纤维比无碱纤维的耐酸性好。

7） 玻璃纤维织物有哪些种类？

玻璃纤维布：平纹布，斜纹布，缎纹布，方格布，单向布，无纺布

玻璃纤维毡：短切纤维毡，表面毡，连续纤维毡

玻璃纤维带

8） 在制造玻璃纤维原丝的过程中为何要用浸润剂，浸润剂起到什么作用，常用的浸润剂有哪些？

1. 原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起；

2. 防止纤维间的磨损；

3. 原丝相互间不粘结在一起；

4. 便于纺织加工等。

石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯。

9） 碳纤维概念、性能特点、制造方法、主要原料及其五个阶段。

碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料

碳纤维性能优异，不仅重量轻，比强度大，模量高，而且耐热性好，化学稳定性好。其制品具有非常优良的X射线透过性，阻止中子透过性，还可赋予塑料以导电性和导热性。

制造方法：气相法、有机纤维碳化法。

原料：人造丝，PAN纤维，沥青

阶段：拉丝，牵伸，稳定，碳化，石墨化。

10） 纤维的老化、疲劳

关于存放时间对纤维强度的影响，当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象，称为纤维的老化。

关于施加复核时间对纤维强度的影响，玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的时间。

11）晶须为何具有高强度？

主要是由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整的等缺陷。晶须材料的内部结构完整，使它的强度不受表面完整性的严格限制。

第四章 复合材料的界面

1）简述复合材料界面的定义、结构、特点、作用以及界面的结合方式。

复合材料的界面是指基体与增强体之间化学成分有显著变化的构成彼此结合的，能起载荷传递作用的微小区域。

界面的结构：由五个亚层组成：⑴树脂基体⑵基体表面⑶相互渗透区⑷增强剂表面区⑸增强剂及外力场

特点：界面虽然很小，但是它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米，是一个区域或一个带，或一个层，厚度不均匀。它包含里基体和增强物的部分原始接触面。基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强物的接触面等。在化学成分上有基体等元素外还有其他杂质，因此界面上的化学成分和相结构是很复杂的。

作用：界面是复合材料的特征，可将界面的技能归纳为以下几种效应：⑴传递效应⑵阻断效应⑶不连续效应⑷散射和吸收效应⑸诱导效应

1、机械结合：基体与增强体材料之间不发生化学反应，借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。

2、溶解与浸润结合：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。液态或是粘流态基体对增强纤维的侵润，而产生的作用力，作用范围只有若干原子间距大小。

3、反应结合：基体与增强体材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，以化学键连接基体和增强体，是基体和增强材料结合在一起。基体与纤维之间形成界面反应层。

4、交换反应结合：基体与增强材料间发生化学反应，生成化合物，且还通过扩散发生元素交换，形成固溶体而使两者结合。

5、混合结合：上述几种形式的混合结合方式。

3）描述聚合物基复合材料界面的形成过程。简述聚合物基复合材料界面作用机理。

界面的形成可分为两个阶段：第一阶段是基体与增强纤维的接触与润湿过程。增强体对基体分子中不同基团或基体各组分的吸附能力不同；聚合物的界面结构与本体不同。这一阶段是界面形成与发展的关键阶段。

第二阶段是聚合物的固化阶段。聚合物通过物理或化学过程固化形成固定界面层。第一阶段与第二阶段往往是连续的，有时是同时进行的。

界面作用机理：

⑴浸润吸附理论：浸润是形成复合材料界面的基本条件之一，浸润不良会在界面上产生空隙，易因应力集中而开裂，完全浸润则将提高符合材料的强度

⑵化学键理论：该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其化学反应，在界面形成共价键结合

⑶物理吸附理论：也称机械作用理论：认为增强纤维与树脂基体之间的结合属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸附

⑷过渡层理论：为消除内应力，界面区应存在一个过渡层，起到应力松弛作用

⑸拘束层理论：该理论也认为在基体和增强体之间存在一个松弛应力的过渡层，但是该过渡层并非柔性的变形层

⑹扩散层理论：这种物理结合是指复合材料的增强体和基体的原子或分子越过两组成物的边界相互扩散而形成的界面结合

⑺减弱界面局部应力作用理论：认为处于基体与增强体界面间的偶联剂提供了一种 “自愈能力” 的化学键，这种化学键在外载荷作用下处于不断形成和断裂的动态平衡状态

⑻静电吸引理论：合适的偶联剂使复合材料的基体和增强体的表面带有异性电荷，引起相互吸引，从而形成界面结合力，静电引力引起的界面强度取决于电荷密度。

4）简述金属基复合材料界面的类型、结合形式、影响其界面稳定性的因素以及界面控制方法。

Ⅰ 类界面（纤维与基体互不反应亦不溶解）是平整的，厚度为分子层的程度，除原组分外，界面不含其他物质。

Ⅱ 类界面（纤维与基体不反应，但相互溶解）是由原组分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面 Ⅲ 类界面（纤维与基体相互反应形成界面反映层）含有亚微级左右的界面反应物质（界面反应层）

结合方式：物理结合：指借助材料表面的粗糙形态而产生的机械绞合，以及借助基体收缩盈利包紧纤维时产生的摩擦结合? 溶解和浸润结合：纤维与基体的相互作用力是极短程的，只有若干原子间距? 反应结合：特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层，即界面反应层

影响界面的稳定因素：包括物理和化学两个方面。物理方面的不稳定因素主要指在高温条件下增强纤维与基体间的熔融。化学方面的不稳定因素主要与复合材料在加工和使用过程中发生的界面化学作用有关，包括连续界面反应，交换式界面反应和暂稳态界面变化等几种现象。

界面控制方法： 增强体表面涂层处理，金属基体合金化，优化制备方法和工艺参数。

5）玻璃纤维的表面处理剂种类？用表面处理剂处理玻璃纤维的方法目前主要有哪三种？试简述之。

有机络合物类表面处理剂，是有机酸与氯化铬的络合物，该类处理剂在无水条件下结构式为A。有机铬络合物的品种较多，其中以甲基丙烯酸氯化铬配合物应用最为广泛，其结构式为B。

前处理法：用既能满足抽丝和纺织工艺要求，又能促使纤维和树脂浸润与粘接的处理剂代替纺织型浸润剂，在玻璃纤维抽丝过程中，涂覆到玻璃纤维上。

后处理法：先除去抽丝过程涂覆在玻璃纤维表面的纺织浸润剂，纤维经处理剂浸渍、水洗、烘干，使玻璃纤维表面上覆上一层处理剂。

迁移法：将化学处理剂加入到树脂胶粘剂中，在纤维浸胶过程中，处理剂与经过热处理后的纤维接触，当树脂固化后产生偶联作用。

7） 对碳纤维进行表面处理的方法有哪些？

氧化法、沉积、电聚合、电沉积、等离子体处理

第五章 聚合物基复合材料

1 什么是聚合物？什么是聚合物基复合材料？

聚合物是指那些由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在一万以上的化合物。

聚合物基复合材料是以邮寄聚合物为载体，连续纤维为增强材料组合而成的

2 聚合物基复合材料中聚合物基体的选择原则是什么？

良好的综合性能，对增强材料具有较大的粘附力，良好的工艺性，低毒性，低刺激性，价格合理

3 聚合物基复合材料的基本性能有哪些？

较高的比强度和比模量，抗疲劳性能好，减振性能好，高温性能好，安全性好，可设计性强、成型工艺简单。

4 聚合物基复合材料喷射成型对原材料有哪些要求？喷射成型的特点是什么？

在树脂体系的粘度应适中，容易喷射物化、脱除气泡和浸润纤维，以及不带静电等。

可以成型比较复杂形状的制品，但其厚度和纤维含量都较难精确控制，树脂含量一般在60%以上，孔隙率较高，制品强度较低，施工现场污染和浪费较大。

5 聚合物基复合材料成型加工技术有哪些？

手糊成型—湿法铺层成型，真空袋压法成型，压力袋成型，树脂注射和树脂传递成型，喷射成型，真空辅助树脂注射成型，夹层结构成型，模压成型，注射成型，挤出成型，纤维缠绕成型，拉挤成型，连续板材成型，层压或卷制成型，热塑性片状模塑料热冲压成型，离心浇铸成型。

6 简述模压成型工艺的具体工艺过程。

将定量的模数量或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其融化，并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的模制物，再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化，或者冷却使热塑性树脂固化，脱模后得到复合材料制品。

7 连续缠绕成型工艺对树脂基体及模芯材料有什么要求？并简述其具体工艺过程。

将纤维或带状织物浸渍树脂后缠绕在芯模上，或者先将纤维或带状织物缠好后再浸渍树脂。目前普遍采用前者。缠绕机类似一部机床、纤维通过树脂槽后，用轧辊除去纤维中多余的树脂。

纤维应具有较高的强度和模量，容易被树脂浸润，纤维纱的张力均匀和缠绕时不起毛、不断头。所使用的芯模应具有足够的强度和刚度，能够承受成型加工过程中各种载荷如缠绕张力、固化时的热应力、自重等。

第六章 金属基复合材料

1 分类

按基体：铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料

按增强体：颗粒增强复合材料、层状复合材料、纤维增强复合材料

2简述金属基复合材料中纤维状增强体的共性

高强度，高模量，容易制造和价格低廉，化学稳定性好，纤维的尺寸和形状，性能的再现性与一致性，抗损伤或抗磨损性能

3简述铝基复合材料的制造及二次加工工艺？

纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。

二次加工是指对基本的复合材料型件如平板、梁和管等所进行的加工、包括成型、连接机械加工和热处理等工艺过程。

第七章 陶瓷基复合材料

1 陶瓷基复合材料的增强体也称为增韧体。从几何尺寸上可分为纤维、晶须和颗粒。

2 纤维增强陶瓷基复合材料分类及其增韧机理

按纤维排布方式的不同，可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。

单向：当外加应力进一步提高时，由于基体与纤维间的界面的离解，同时又由于纤维的强度高于计提的强度，进而使纤维可以从基体中拔出。当拔出的长度达到某一临界值时，会使纤维发生断裂。因此裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功和纤维断裂功，这使得材料的断裂更加困难，从而起到了增韧的作用。实际材料断裂过程中，纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面，这样主裂纹还将沿纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向。这也同样会使裂纹的扩展阻力增加，从而使韧性进一步提高。

多向：机理与单向排布纤维复合材料一样，主要靠纤维的拔出与裂纹转向机制，使其韧性及强度比基体材料大幅度提高。

3 纤维增强陶瓷基复合材料的成型方法

泥浆浇铸法：在陶瓷泥浆中把纤维分散，然后浇铸在石膏模型中。

热压烧结法：将长纤维切短，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。

浸渍法：首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后再进行焙烧。

4晶粒和晶须增强陶瓷基复合材料的制造工艺流程。 （*）

配料：湿法和干法。一般采用湿法，湿法主要采用水作溶剂，但在氮化硅、碳化硅等非氧化物系的原料混合时，为防止原料的氧化则使用有机溶剂。混合装置一般采用专用球磨机。

成型：金属模成型法和橡皮模成型法，注射成型法，挤压成型法。

烧结：从生胚中除去粘合剂后的陶瓷素坯固成致密制品的过程

精加工：提高烧成品的尺寸精度和表面平滑性

第八章 水泥基复合材料

1 水泥的定义和分类

凡细磨成粉末状，加入适量水后称为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。

按用途和性能可分为：通用水泥，专用水泥和特性水泥。

2 以标准水泥为例，简述水泥的原料组成、熟料中的物质组成；水泥强化方法？

生产一吨标准水泥所需求的原料：

1149kg石灰石，233kg粘土，58kg硅石，29kg氧化铁原料，8kg其他，38kg石膏，110煤炭，103Kw·h电力。

物质组成：word/media/image4_1.png

强化方法：改善水泥浆自身的强度，强化骨料与界面的结合力，选择强度大的骨料，采取积极的填补空隙的方法。

3 混凝土的组成

水和水泥拌成的水泥浆是起胶结作用的组成部分。

4 简述影响纤维增强水泥基复合材料的因素？

基体的性能，增强纤维与水泥基体间的相互作用，纤维与基体在热膨胀系数上的匹配，纤维与基体在弹性模量上的匹配，性能。

5 聚合物改性混凝土的分类及其定义

聚合物浸渍混凝土是把成型的混凝土的构件通过干燥及抽真空排除混凝土结构空隙中的水分及空气，然后把混凝土构件浸入聚合物单体溶液中，使得聚合物单体溶液进入结构孔隙中，通过加热或施加射线使得单体在混凝土结构孔隙中聚合而成聚合物结构。

聚合物混凝土是以聚合物为结合料与砂石等骨料形成混凝土。

聚合物水泥混凝土是在水泥混凝土成型过程中掺加一定量的聚合物，从而改善混凝土的性能，提高混凝土的使用品质使混凝土满足工程的特殊需要。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/5de464862ec58bd63186bceb19e8b8f67c1cef80.html