復(fù)合材料C復(fù)習(xí)

第一章概論

1.復(fù)合材料的定義？

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相

固體材料。

三要素：基體（連續(xù)相）增強(qiáng)體（分散相）界面（基體起粘結(jié)作用并起

傳遞應(yīng)力和增韌作用）

復(fù)合材料的特點(diǎn)：（明顯界面、保留各組分固有物化特性、復(fù)合效應(yīng)，可設(shè)滬性）

（嵌段聚合物、接枝共聚物、合金：是不是復(fù)合材料？？）

2、復(fù)合材料的命名

f（纖維），w（晶須），p（顆粒）比如：TiO2p/Al

3.復(fù)合材料的分類：

1）按基體材料類型分為：

聚合物基復(fù)合材料；金屬基復(fù)合材料；無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料（陶瓷基復(fù)合材料）。

2）按增強(qiáng)材料分為：

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；有機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；晶須增

強(qiáng)復(fù)合材料；陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。

3）按用途分為：功能復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要用做承載力和此承載力結(jié)構(gòu)，要求它質(zhì)量輕、強(qiáng)度和剛度高，

且能承受一定溫度。

功能復(fù)合材料指具有除力學(xué)性能以外其他物理性能的復(fù)合材料，即具有各種電學(xué)

性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能、聲學(xué)性能、摩擦性能、阻尼性能以及化學(xué)分離性能

等的復(fù)合材料。

第二章增強(qiáng)體

1＞增強(qiáng)體

定義：結(jié)合在基體內(nèi)、用以改進(jìn)其力學(xué)等綜合性能的高強(qiáng)度材料。

要求：1）增強(qiáng)體能明顯提高基體某種所需性能；2）增強(qiáng)體具有良好的化學(xué)穩(wěn)

定性；3）與基體有良好潤(rùn)濕性。

分類：f，w,p

2、纖維類增強(qiáng)體

特點(diǎn)：長(zhǎng)徑比較大；柔曲性；高強(qiáng)度。

?玻璃纖維

主要成分：SiO2

性能：拉伸強(qiáng)度高；較強(qiáng)耐腐蝕；絕熱性能好。（玻璃纖維高強(qiáng)的原因（微裂紋）

及影響因素（強(qiáng)度提升策略：減小直徑、減少長(zhǎng)度、降低含堿量，縮短存儲(chǔ)時(shí)間、

降低濕度等））

分類：無(wú)堿（E玻璃）、有堿（A玻璃）

制備：坦煙法（制球和拉絲）、池窯法（熔融拉絲）。

浸潤(rùn)劑作用：（i）粘結(jié)作用，使單絲集束成原紗或絲束；（ii）防止纖維表面聚集

靜電荷；（運(yùn)）進(jìn)一步加工提供所需性能；（iv）防止摩擦、劃傷。（無(wú)偶聯(lián)劑作用）

玻璃纖維表征：⑴定長(zhǎng)法：“tex”（含義）；（ii）質(zhì)量法：“支”（含義）

硼纖維

芯材：鴉、碳和石英

制備：化學(xué)沉積（CVD）法原料：鹵化硼或氫化硼

形貌：玉米棒狀（W芯）光滑（C芯）

表面涂層：SiC（防止脆性相的產(chǎn)生。1?便于與基體結(jié)合）

目前比模量和比強(qiáng)度最高的陶瓷增強(qiáng)纖維

碳纖維

1）制備：有機(jī)纖維碳化法

有機(jī)纖維前驅(qū)體滿足條件：碳化過程不熔融，保持纖維形態(tài)，碳化收率高

三種重要的前驅(qū)體：聚丙烯腦；黏膠纖維（人造絲）；瀝青纖維。

以PAN為例（制造高強(qiáng)度、高模量碳纖維多選用聚丙烯肪）：拉絲一牽引一穩(wěn)定化

--碳化一石墨化

拉絲：即PAN原纖維制備，濕法紡絲、干法紡絲，不能熔融紡絲；PAN特性：

受熱分解不熔融。

施加牽伸力目的在于使纖維產(chǎn)生擇優(yōu)取向，提高強(qiáng)度和模量。

碳纖維的表面處理方法（見第4章）

石墨纖維和碳纖維的區(qū)別：處理溫度不同、C含量不同、晶型不同

碳纖維結(jié)構(gòu)：亂層石墨結(jié)構(gòu)°

特性：導(dǎo)熱系數(shù)較高、線膨脹系數(shù)具有負(fù)的溫度效應(yīng)（可以抵消熱脹冷縮現(xiàn)象）

例1）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是在合成樹脂的基體中加入了碳纖維做增強(qiáng)體，具有

韌性好箏特點(diǎn)，下列物質(zhì)中可用于制造的是（）。

A、電話亭和餐桌椅B、網(wǎng)球拍和釣魚竿C、飛機(jī)用隔熱瓦

2）在PAN法制備CF的工藝過程中，為什么要進(jìn)行預(yù)氧化、碳化和石墨化三個(gè)處

理過程？（P20）

聚丙烯腦纖維（PAN）是線性高分子結(jié)構(gòu)，耐熱性差，高溫會(huì)裂解,不能經(jīng)受碳

化的高溫得到碳纖維，預(yù)氧化可避免直接碳化處理時(shí)爆發(fā)產(chǎn)生有害的閉環(huán)和脫羲

等放熱反應(yīng)，防止后續(xù)工序中纖維熔并。地化是在N2保護(hù)下進(jìn)行熱解反應(yīng)，將

結(jié)構(gòu)中不穩(wěn)定部分與非碳原子裂解出去，同時(shí)進(jìn)行分子間的縮合，形成碳素縮合

環(huán)。無(wú)選化處理可以使碳纖維發(fā)生石墨化結(jié)晶，形成石墨纖維，以較大幅度提高

碳纖維的模量

SiC纖維

1）特點(diǎn)：高比強(qiáng)度、高比模量、高溫抗氧化性、優(yōu)異的耐燒蝕性、耐熱沖擊性

和吸波隱身性能等。

2）碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能結(jié)構(gòu)件。

碳化硅纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，可以吸收或透過部分雷達(dá)波；作為雷達(dá)天線

罩、火箭、導(dǎo)彈和飛機(jī)等飛行器部件的隱身結(jié)構(gòu)材料，和航空、航天、汽車工業(yè)

的結(jié)構(gòu)材料與耐熱材料。

3）制備：⑴化學(xué)氣相沉枳法CH3SiCl3->SiC|+3HC1f

（ii）先驅(qū)體法：（Nicalon）制備聚碳硅烷、熔融紡絲、不熔化處理和高溫?zé)伞?/p>

3、晶須

1）晶須與纖維的區(qū)別：①晶須是單晶；纖維可以是非晶、單晶或多晶；②晶

須直徑<?囚”；纖維直徑幾微米至幾十微米。③晶須較纖維扶陷少，強(qiáng)度高（機(jī)

械強(qiáng)度近似相鄰原子之間的作用力）、模量大。

2）晶須主要分陶瓷晶須（AI2O3、SiC）和金屬晶須兩大類。

3）唯一一種具有空間結(jié)構(gòu)的晶須：Zn。晶須

4、顆粒

顆粒增強(qiáng)體（炭黑）與填料（滑石粉、CaCOs）的區(qū)別：前者以增強(qiáng)為主要目的，

后者以填充體積為主要目的。

剛性顆粒增強(qiáng)體：指具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石矍等

非金屬顆粒，如碳化硅、氧化鐵、氮化硅、石墨、細(xì)金剛石等。

延性顆粒增強(qiáng)體：主要為金屬顆粒，加入到陶瓷基體和坡璃陶瓷基體中增強(qiáng)其韌性，

如AI2O3中加入Al,WC中加入6等。金屬顆粒的加入使材料的韌性顯著提高，

但高溫力學(xué)性能會(huì)有所下降。

例：下列哪一項(xiàng)不是顆粒增強(qiáng)體的特點(diǎn)（）。

A、選材方便B、力學(xué)性能取決于顆粒的形貌、直徑、結(jié)晶完整度、體枳分?jǐn)?shù)等

C、成本高

5、有機(jī)高分子纖維

Kevlar纖維（芳綸纖維）：聚合物大分子的主誕由芳香環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成。

（PPTA）

合成方法：1）PPTA分子合成（P42）；2）紡絲：濕紡、干噴和干噴一濕紡C容致

液晶）

可用來(lái)制備防彈衣

Kevlar纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：含有大量苯環(huán)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，為處于拉仲狀態(tài)的剛性

伸直鏈晶體。苯環(huán)與酰胺鍵交替排列對(duì)稱性好，結(jié)晶性好。分子間有氫鍵。

?：?芳香族聚酯纖維：可以進(jìn)行熔融紡絲。

UHMW-PE：密度最低的高性能纖維。

能充分發(fā)揮。（導(dǎo)電不導(dǎo)熱）

例：彩色膠卷僅含有三種感光乳劑層卻能記錄各種顏色，利用了復(fù)合效應(yīng)中的0

A、誘導(dǎo)效應(yīng)B、系統(tǒng)效應(yīng)C、相補(bǔ)效應(yīng)

3、復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制

/顆粒增強(qiáng)機(jī)制（顆粒切過、顆粒未切過）

/顆粒切過增強(qiáng)機(jī)制

1）適用于：顆粒的尺寸較大（＞1Rm），自身強(qiáng)度不高，結(jié)合力較強(qiáng)

2）受力特點(diǎn)：基體承擔(dān)主要的載荷，顆粒阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并約束基體的

變形。

3）位錯(cuò)切過強(qiáng)化：（有序增強(qiáng)機(jī)制、界面強(qiáng)化機(jī)制、共格應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)制等）

4）顆粒的尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)化效果越好。

/顆粒未切過增強(qiáng)機(jī)制（顆粒較小，VIpm）

?低溫、高外加應(yīng)力一一位錯(cuò)繞過理論（Orowan機(jī)制）（注意：有位錯(cuò)環(huán)）

1）硬質(zhì)顆粒如AkO?，TiC,SiC阻礙基體（金屬基）中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)或分子鏈

（高聚物基）運(yùn)動(dòng)。

2）載荷主要由基體承擔(dān)，彌散微粒阻礙基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

3）顆粒尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)化效果越好。一般匕為4

為0.001pm~0.1pm,

?高溫、低外加應(yīng)力一一位錯(cuò)攀移機(jī)制

1）形式：局部攀移和整體攀移

?殘余應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)制：增強(qiáng)體顆粒與基體的膨脹系數(shù)和彈性模量存在差異，

使得裂紋在界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)（消耗更多能量），起到增韌補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料。

?影響顆粒增強(qiáng)因素：顆粒的性質(zhì)、基體性質(zhì)、結(jié)合界面、制備工藝（P61）o

/纖維增強(qiáng)機(jī)制

受力特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量的纖維承受載荷，基體只是作為傳遞和分散我荷

的媒介。

?單向排列連續(xù)纖維增強(qiáng)原理（單向長(zhǎng)纖維）紈向：

1）初始階段（纖維、基體、復(fù)合材料具有相同的應(yīng)變）

Ec=EfVf+Enym

纖維/基體彈性模量的比值f,纖維體積含量f,則纖維承載比T。

2）斷裂順序和斷裂強(qiáng)度：（會(huì)分析，判斷雄先斷裂，然后該材料斷裂后另

一種材料能否承受全部載荷）

IWC一（1-匕）4體檢3復(fù)合材料所發(fā)

奸雌拉*］復(fù)件材料斷裂y二

的現(xiàn)小小積分就—

/纖維的強(qiáng)化作用取決于纖維與基體的性質(zhì)、二者的結(jié)合強(qiáng)度、纖維在基體中

的排列方式。

/為了達(dá)到纖維增強(qiáng)的效果，須遵循以下原則：（簡(jiǎn)答題）

1）纖維的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)遠(yuǎn)高于基體（使纖維盡可能多的承擔(dān)外加負(fù)荷）；

2）纖維與基體間應(yīng)有一定的界面結(jié)合強(qiáng)度，以保證基體所承受的載荷能通過界

面?zhèn)鬟f給纖維，并防止脆性斷裂；

3）纖維的排列方向要與構(gòu)件的受力方向一致；

4）纖維與基體的熱脹系數(shù)應(yīng)匹配（纖維的熱膨脹系數(shù)略大于基體）；

5）纖維與基體不能發(fā)生使結(jié)合強(qiáng)度降低的化學(xué)反應(yīng)；

6）纖維所占體積分?jǐn)?shù)、纖維長(zhǎng)度和直徑及長(zhǎng)徑比等必須滿足一定要求。

/復(fù)合材料的物理性質(zhì)

1）熱膨脹系數(shù)：滿足平均效應(yīng)。

一般無(wú)機(jī)材料的熱膨脹系數(shù)較聚合物的要小得多，所以，以無(wú)機(jī)材料為增強(qiáng)體的

聚合物基復(fù)合材料其熱膨脹系數(shù)要較純聚合物的小，其數(shù)值接近于金屬的熱膨脹

系數(shù)。

2）導(dǎo)熱系數(shù)：不滿足平均效應(yīng)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)小于組分的導(dǎo)熱系數(shù)

空氣為填料的泡沫塑料是良好的隔熱材料，而以碳纖維、金屬粉等為增強(qiáng)體的復(fù)

合材料則可作為導(dǎo)熱性復(fù)合材料使用。

3）阻燃性質(zhì)：

i）氧指數(shù)：聚合物著火后剛核維持燃燒時(shí)的氧氣在試驗(yàn)氣體（氧、氮混合氣體）

中的最小百分含量。（聚合物阻燃性的判據(jù)）

ii）阻燃增強(qiáng)體：三氧化二鐳（與有機(jī)鹵化物合用）；錮化物（高效抑煙）；磷化

物；氫氧化鋁

iii）滿足以下條件的才能成為有效的阻燃劑：產(chǎn)生不燃性氣體的溫度略低于聚合

物熱分解溫度；在復(fù)合塑料的混煉、成型溫度下不產(chǎn)生不燃性氣體。

第四章界面理論

/復(fù)合材料的界面：復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著變

化、能夠彼此結(jié)合、傳遞載荷的微小區(qū)域。（界面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都不同于兩相中的

任何一相）界面起“紐帶”和“橋梁”作用。

/界面的種類：1）機(jī)械結(jié)合界面（鋼筋混凝土中鋼筋表面有螺紋的作用：表面

越粗糙，互鎖作用越強(qiáng)，機(jī)械粘結(jié)作用越有效）；

2）溶解和潤(rùn)濕結(jié)合界面（基體潤(rùn)濕增強(qiáng)材料，相互之間發(fā)生原子擴(kuò)散關(guān)口溶

解，形成結(jié)合；在制備聚合物基復(fù)合材料時(shí)，樹脂對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性是指樹脂

能否均勻地分布在增強(qiáng)材科的周圍，這是樹脂與增強(qiáng)材料能否形成良好粘結(jié)的重

要前提）；

3）反應(yīng)結(jié)合界面（偶聯(lián)劑）；

4）交換結(jié)合界面（生成化合物并通過獷散發(fā)生元素交換，如分子鏈的纏結(jié)）；

5）混合結(jié)合界面

/界面的作用：（傳遞效應(yīng)；阻斷效應(yīng)；不連續(xù)效應(yīng)；散射和吸收效應(yīng)；誘導(dǎo)

效應(yīng)）

例1：復(fù)合材料的界面有哪些作用？

界面的作用歸納為幾種效應(yīng)：傳遞效應(yīng)：界面能傳遞力，能將外力傳遞給增強(qiáng)體，

在基體和增強(qiáng)體間起“橋梁”作用。阻斷效應(yīng)：結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、

中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用0不連續(xù)效應(yīng)：在界面上產(chǎn)生物理性能的不

連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)等現(xiàn)象，比如抗電性、尺寸穩(wěn)定性等。散射和吸收效應(yīng)：

光波、聲波、熱彈性波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如透光性、隔熱性、

隔音性等。誘導(dǎo)效應(yīng)：一種物質(zhì)（增強(qiáng)體）的表面結(jié)構(gòu)使另一種（聚合物基體）

與之接觸的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變,由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)的彈

性、低的膨脹性等。

例2：在纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料中，纖維與基體界面阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，

從而可提高復(fù)合材料的韌性.這里界面起到的主要作用是_____。

/界面的潤(rùn)濕性：

表示方法：接觸角。

潤(rùn)濕是組分良好粘結(jié)的必要條件，并非充分條件。

/聚合物基復(fù)合材料的界面

1）聚合物基復(fù)合材料分為熱塑性聚合物基復(fù)合材料和熱固性聚合物基復(fù)合材

料。

i）熱塑性復(fù)合材料的成型分兩步：①熱塑性聚合物基體的熔體和增強(qiáng)體之間的

接觸與潤(rùn)濕；②復(fù)合后體系冷卻凝固成型。

ii）熱固性復(fù)合材料的成型工藝：常用預(yù)先形成預(yù)浸料（干法、濕法）的辦法，以

提高聚合物基體對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕程度。

2）界面形成：聚合物基復(fù)合材料的界面在成型過程中形成。分為兩個(gè)階段。（P89）

第一階段是基體與增強(qiáng)纖維的接觸與浸潤(rùn)過程。由于增強(qiáng)纖維對(duì)基體分子的各種

基團(tuán)或基體中各組分的吸附能力不起著同，它總是要吸附那些能夠降低其表面能

的物質(zhì)，并優(yōu)先吸附那些能較多降低表面能的物質(zhì)，因此，界面聚合層在結(jié)構(gòu)上

與聚合物本體是不同的。第二階段是聚合物的固化階段,在此過程中聚合物通過

物理的或化學(xué)的變化而固化，形成固定的界面層。

3）界面層的包括:界面的結(jié)合力、界面的厚度和界面的微觀結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面。

4）界面作用機(jī)理：（偶聯(lián)劑的作用？？）

/浸漏吸附理論（兩相充分潤(rùn)濕，兩相界面處產(chǎn)生的物理吸附主要是由范

德華力的作用實(shí)現(xiàn)粘接；產(chǎn)生良好界面的條件：①液體的粘度盡量低；

②ys略大于九）

例：若雙酚A環(huán)氧樹脂的表面張力為42.5X10-5N/m,聚酯樹脂為35x10-5N/m,

而給定的玻璃纖維的表面張力為38.3xIO-5N/m,選用作為玻纖增強(qiáng)聚合

物復(fù)合材料的基體較為合適。

/化學(xué)鍵理論（基體樹脂表面的活性官能團(tuán)與增強(qiáng)體表面的官能團(tuán)能起化

學(xué)反應(yīng)，大部分偶聯(lián)劑的作用）

/物理吸附理論:機(jī)械咬合和基于次價(jià)鍵作用的物理吸附。

/變形層理論：（增強(qiáng)體優(yōu)先吸附樹脂分子在界面上形成可塑的“柔性層”，

可以起到松馳界面上應(yīng)力集中的作用）

/獷散層理論、靜電吸引等

例：碳纖維復(fù)合材料，當(dāng)碳纖維經(jīng)過某些柔性聚合物涂層處理后，力學(xué)性能可

改善。而柔性聚合物與樹脂和碳纖維都不起化學(xué)反應(yīng)。下列（）不是此時(shí)復(fù)合

材料界面的主要作用？

A.浸潤(rùn)吸附B.化學(xué)鍵增強(qiáng)C.物理吸附理論

5）改善界面結(jié)合的原則：i）改善樹脂基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸澗程度（延長(zhǎng)浸漬時(shí)

間，增大體系壓力、降低熔體粘度；對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行表面改性，增加表面能，提高

浸潤(rùn)性；增強(qiáng)體比表面積增加，界面增大，粘合強(qiáng)度提高）；ii）適度的界面黏

結(jié)；iii）減少?gòu)?fù)合材料成型中形成的殘余應(yīng)力；iv）調(diào)節(jié)界面內(nèi)應(yīng)力、減緩應(yīng)力

集中。

增強(qiáng)體的表面處理：

1）玻璃纖維（偶聯(lián)劑的定義）

/表面處理劑主要分為有機(jī)錯(cuò)絡(luò)合物和有機(jī)硅烷兩大類0

i）有機(jī)輅絡(luò)合物（沃蘭）R

作用機(jī)理（PIOO）

I

ii）有機(jī)硅烷（P101）H

2）碳纖維

/表面處理機(jī)理：

i）表面粗糙度：增加表面粗糙度有利于碳纖維與基體樹脂的機(jī)械粘合。

ii）石墨微晶大?。何⒕г叫。钚蕴荚拥臄?shù)目就越多，越有利于纖維與樹脂

的粘合。

iii）碳纖維表面官能團(tuán)種類與數(shù)量：官能團(tuán)如-OH、-NH2、-COOH等。

經(jīng)表面處理后，碳纖維表面石墨微晶變細(xì)，不飽和碳原子數(shù)目增加，極性基團(tuán)增

多，這些都有利于復(fù)合材料性能改善。

第五章聚合物基復(fù)合材料

聚合物基復(fù)合材料的特點(diǎn)：高的比強(qiáng)度、比模量；抗疲勞性能好；減振性好;

耐燒蝕性卓越；可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，成型工藝簡(jiǎn)單；過我安全性好。

?聚合物的基體：

熱固性：不飽和娶酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等

（優(yōu)點(diǎn)：良好的工藝性；宜于在常溫常壓下浸漬纖維；固化后具有良好的耐

化學(xué)藥品性和抗蠕變性。缺點(diǎn)：預(yù)浸料需低溫冷藏且貯存期有限；成型周期

長(zhǎng)和材料韌性差）

熱塑性：聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酸根,、聚酸髓酮等

（優(yōu)點(diǎn)：具有高斷裂韌性（高斷裂應(yīng)變和高沖擊強(qiáng)度）；預(yù)浸料不需冷藏且貯

存期無(wú)限、成型周期短、可再成型、易于修補(bǔ)、廢品及邊角料可再生利用。

缺點(diǎn)：熔體或溶液粘度很高，成型要在高溫高壓下進(jìn)行；成品耐熱性、抗蠕

變性）

聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包括：鏈結(jié)構(gòu)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

?基體材料的作用：i）均衡載荷、傳遞載荷；ii）保護(hù)纖維，防止纖維磨損；iii）

決定復(fù)合材料一些性能，如耐熱性、耐腐蝕性、時(shí)溶劑、抗輻射及吸濕性、橫向

性能、剪切性能；iv）決定復(fù)合材料成型工藝方法及工藝參數(shù)選擇；v）對(duì)復(fù)合材料

的一些性能有重要影響，如縱向拉伸、尤其是壓縮性能、疲勞性能、斷裂韌性等。

不飽和聚酯樹脂

1、組成：不飽和二元酸或酸肝、飽和二元酸或酸肝與二元醇縮聚得到的低分子

量聚合物。

2、合成：

2BIMXH.4.11,4X1

3、原材料:

二元酸：不飽和二元酸+飽和二元酸

不飽和酸：順丁用二酸肝（順酊）、反丁烯二酸（反酸）（作用；提供不飽和度，

改善固化速率）

飽和酸：鄰苯二甲酸肝，間苯二甲酸肝、己二酸（作用：①調(diào)節(jié)分子鏈中的雙鍵

密度，降低樹脂的脆性，增加柔順性；②改善聚酹在烯類單體中的溶解度，并降

低成本。）

二元醇：常用乙二醇、丙二醇、二乙二醇和二丙二醇

交聯(lián)劑：烯類單體，既是溶劑，又是交聯(lián)劑。能溶解不飽和聚酯樹脂，使其雙鏈

間發(fā)生共聚合反應(yīng)，得到體型產(chǎn)物，以改善固化后樹脂的性能

（苯乙烯：與UP相容性良好，固化時(shí)與聚酯中的不飽和雙鍵能很好的共聚，固

化樹脂物理性能良好，價(jià)格便宜，是最常見的交聯(lián)單體）

固化劑：是在促進(jìn)劑或其它外界條件作用下而引發(fā)樹脂交聯(lián)的一種有機(jī)過氧化

物，又稱為引發(fā)劑。

促進(jìn)劑是能促使有機(jī)過氧化物在室溫下就能分解而產(chǎn)生自由基的物質(zhì)。（實(shí)現(xiàn)室

溫固化）

（如：二甲基苯胺、二乙基苯胺、二甲基甲苯胺等）

固化過程的特征：凝膠階段（失去流動(dòng)性）；硬化（定型）階段；完全固化階段

凝膠階段：從加入固化劑、促進(jìn)劑以后算起，直至樹脂凝結(jié)成膠凍狀而失去流

動(dòng)性的階段。

?：?環(huán)氧樹脂（EpoxyResins）

1）什么是環(huán)氧樹脂？其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？

分子結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)，并在適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑存在下能形成三

維網(wǎng)狀固化物的化合物的總稱。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)。

2）環(huán)氧樹脂的特性指標(biāo)有哪些？

i）環(huán)氧當(dāng)量（或環(huán)氧值）：環(huán)氧當(dāng)量是指含有Imol環(huán)氧基的環(huán)氧樹脂的質(zhì)量克

數(shù)；環(huán)氧值是指100g環(huán)氧樹脂中所含環(huán)爭(zhēng)以如當(dāng)反100

環(huán)氧值

ii）羥值（或羥基當(dāng)量）：羥基當(dāng)量是指含有Imol老基的環(huán)氧樹脂的質(zhì)量克數(shù)；羥

值是指100g環(huán)氧樹脂中所含的羥基的摩爾數(shù)

出）酯化當(dāng)量；iv）軟化點(diǎn)；v）氯含量

3）縮水甘油酸類環(huán)氧樹脂中最主要且產(chǎn)量最大的是什么環(huán)氧？它有哪兩類物質(zhì)

反應(yīng)得到？

雙酚A型環(huán)氧樹脂；屬于縮水甘油酸類；可由雙酚A（二酚基丙烷）和環(huán)氟氯

丙烷在NaOH催化下反應(yīng)制得。

1*?IIMO-OH?（?-2CHI^CH-CMjQ、一

Ob

OPb8

CMj-CH-CHj40/\C/、O8-CH-O*/

AOH'（A

/Q、

CH]—CH-OVo

環(huán)氧氯丙烷與雙酚A的摩爾比必須大于1：1才能保證聚合物分子末端含有環(huán)氧

基。

4）環(huán)氧樹脂的固化機(jī)理和常用的固化劑有哪些？

環(huán)氧樹脂的固化是通過加入固化劑，利用固化劑中的某些基團(tuán)與環(huán)氧樹脂中的環(huán)

氧基或羥基發(fā)生反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常用的固化劑為：胺類固化劑、酸肝類固化劑、

合成樹脂類固化劑、聚硫橡膠類固化劑。

胺類固化劑：氨基與環(huán)氧基反應(yīng)有嚴(yán)格定量關(guān)系，氨基上一個(gè)活潑氫和一個(gè)環(huán)氧

基反應(yīng)。

例：E-51環(huán)氧樹脂，用三乙烯四胺作固化劑，100g環(huán)氧理論上需要固化劑的

含量是多少？

?：?聚合物基復(fù)合材料的制備工藝

聚合物基復(fù)合材料的制備工藝特點(diǎn)：（1）材料的形成與制品的成型同時(shí)完成，復(fù)

合材料的制備過程也就是復(fù)合材料成品的生產(chǎn)過程;（2）聚合物基復(fù)合材料成型

方便。

1）聚合物基復(fù)合材料的制備主要包括如下過程：預(yù)浸料的制備、制件的鋪層、

固化及制件的后處理與機(jī)械加工等.

/預(yù)浸料的制備：

?預(yù)浸料是指將樹脂體系浸涂到纖維或纖維織物上，通過一定的處理過程后貯

存?zhèn)溆玫陌氤善贰?/p>

熱固性預(yù)浸料：溶液浸漬法和熱熔法（P139）

例：溶液浸漬法和熱熔法各有何優(yōu)缺點(diǎn)？

溶液浸漬法可充分浸漬纖維增強(qiáng)體，適宜制備薄型或厚型預(yù)浸料，且設(shè)

備造價(jià)低廉。但是預(yù)浸料有溶劑殘留，成型時(shí)易成孔隙，影響復(fù)合材料性能。

熱熔法無(wú)需使用溶劑，但是難以浸透厚度較大的纖維，當(dāng)樹脂粘度較高時(shí)基

體也難以浸漬纖維。

熱塑性預(yù)浸料：溶液預(yù)浸；熔融預(yù)浸；膜層疊；粉末浸漬；纖維混雜。（P141）

手糊成型

原料：

樹脂主要為不飽和聚酯樹脂（用量約占各類樹脂的80%）,其次是環(huán)氧樹脂。

增強(qiáng)材料主要是坡璃纖維，其次碳纖維、芳綸纖維和其他纖維。

為調(diào)節(jié)樹脂粘度，有時(shí)還需加入一定量的稀釋劑。

手糊成型的輔助材料主要有填料和顏料。（降低固化收縮率和熱膨脹系數(shù)；改善

制品性能；增粘或賦予觸變性；降低成本常用CaCO3、石棉、鋁粉、石英粉、

AI2O3粉、TiO2（提高粘附力））

脫模劑：外脫模劑（如：聚酯薄膜、聚乙烯醇溶液、凡士林油等）

模具材料：如玻璃鋼、木材、石蠟等

/工藝流程：增強(qiáng)材料剪裁T磨具準(zhǔn)備T涂脫模劑T噴涂膠衣層T成型操作T

脫模一修邊一裝配。

/樹脂膠液的配置：膠液的工藝性是影響手糊制品質(zhì)量的重要因素。膠液的工

藝性主要指膠液粘度和凝膠時(shí)間。

1）膠液粘度，表征流動(dòng)特性。對(duì)手糊作業(yè)影響大，粘度過高不易涂刷和浸透增

強(qiáng)材料;粘度過低，在樹脂凝膠前發(fā)生膠液流失，使制品出現(xiàn)缺陷。粘度可通過

加入稀釋劑調(diào)節(jié)。

2）凝膠時(shí)間。凝膠時(shí)間過短，由于膠液粘度迅逑增大，不僅增強(qiáng)材料不能被浸

透，甚至發(fā)生局部固化，使手糊作業(yè)困難或無(wú)法進(jìn)行。反之，如果凝膠時(shí)間過長(zhǎng)，

不僅增長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，而且導(dǎo)致膠液流失，交聯(lián)劑揮發(fā)，造成制品局部貧膠或不

能完全固化。

/膠衣層作用：提供顏色；增強(qiáng)膠衣層（防止龜裂）；有利于膠衣層與結(jié)構(gòu)層

（玻璃布）的粘合。

/手糊成型特點(diǎn)：1）操作簡(jiǎn)便；2）投資少、費(fèi)用低、能生產(chǎn)大型和復(fù)雜制

品、制品可設(shè)計(jì)性好；3）屬勞動(dòng)密集型、成型效率低；4）制品質(zhì)量受操作

者技術(shù)水平限制；5）生產(chǎn)周期長(zhǎng)，產(chǎn)品強(qiáng)度較其它方法低。

模壓成型

/模壓成型是將一定量的模壓料放入金屬對(duì)模中，在一定的溫度和壓力作用下

固化成型制品的一種方法。

,成型過程：1）將一定量的模壓料置于敞開的金屬模型腔內(nèi)，閉模后加熱使

其熔化；2）以一定溫度和壓力，使型腔內(nèi)的模壓料在溫度和壓力作用下熔

融并充滿型腔，形成與模腔相同形狀的模制品；3）再經(jīng)加熱使樹脂進(jìn)一步

發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化，或者冷卻使熱塑性樹脂硬化，脫模后得到復(fù)合材料。

/模壓成型的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：①較高的生產(chǎn)效率；②制品尺寸準(zhǔn)確、表面光

潔；③多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型、無(wú)需有損制品性能的二次加工；④制品

外觀及尺寸的重復(fù)性好，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等。缺點(diǎn)：①模具設(shè)計(jì)制造復(fù)

雜；②壓機(jī)及模具投資高；③制品尺寸受設(shè)備限制，一般只適合制造批量大的

中、小型制品。

?噴射成型

/成型過程：1）將分別混有促進(jìn)劑和引發(fā)劑的不飽和聚酯樹脂從噴槍兩例的

兩個(gè)噴口噴出，同時(shí)將坡璃纖維無(wú)捻粗紗用切割機(jī)切斷并由噴槍中心噴出，這三

組噴射物相遇并均勻混合后沉積到模具上。2）待沉積到一定厚度，用手銀液壓，

使纖維浸透樹脂、壓實(shí)并除去氣泡，再進(jìn)行加熱或常溫固化；3）固化后脫模得

到制品。

/噴射成型對(duì)所用原材料有一定要求，例如樹脂體系的粘度應(yīng)適中，容易噴射

霧化、脫除氣泡和浸潤(rùn)纖維以及不帶靜電等

/噴射成型的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)效率比手糊提高2~4倍，生產(chǎn)率可達(dá)

15kg/min;②可用較少設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)中批量生產(chǎn)；③可用玻璃纖維無(wú)捻粗紗代替

織物，材料成本低，產(chǎn)品整體性好，無(wú)接縫；④可自由碉變產(chǎn)品壁厚、纖維與樹

脂比例。缺點(diǎn)：①現(xiàn)場(chǎng)污染大；②樹脂含量高；③制品強(qiáng)度較低。

?拉擠成型（型材）

/拉擠成型是將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶狀織物在牽引裝置的作用

下通過成型模定型，在模中或固化爐中固化，制成具有特定橫截面形狀和長(zhǎng)度不

受限制的復(fù)合材料型材的方法。拉擠成型屬于連續(xù)成型工藝?？捎们懈顧C(jī)將拉擠

的型材切割成要求的長(zhǎng)度。

/拉擠成型工藝流程如下：玻璃纖維粗砂排布一＞浸膠一預(yù)成型一擠壓模塑及

固化一*牽引一》切割一＞制品。

/原料：1）樹脂基體：要求粘度低、固化過程無(wú)揮發(fā)物等；2）熱固性基體主

要有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂等；熱塑性基體主要有聚丙烯、

ABS、尼龍、聚碳酸酯、聚碉、聚眥碉,、聚亞基基硫醒等；3）增強(qiáng)體：要求纖

維本身強(qiáng)度高、不易產(chǎn)生靜電、集束性好；4）大部分是玻璃纖維，其次是聚酯

纖維和其他纖維。在玻璃纖維中，應(yīng)用最多的是無(wú)捻粗紗；5）輔助材料：內(nèi)脫

模劑、填料等；6）內(nèi)脫模劑：硬脂酸鋅、硬脂酸鈣、硬脂酸鋁和烷基磷酸酯等。

/優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；②制品中增強(qiáng)材料的含量

一般為40?80%,能夠充分發(fā)揮增強(qiáng)材料作用，制品性能穩(wěn)定可靠；③生產(chǎn)過

程中無(wú)邊角廢料，產(chǎn)品不需后加工，因此較其他工藝省工、省原料、省能耗；④

生產(chǎn)過程中樹脂損耗少；⑤制品的縱向和橫向強(qiáng)度可任意調(diào)整，以適應(yīng)不同制

品的使用要求；⑥其長(zhǎng)度可根據(jù)需要定長(zhǎng)切割。缺點(diǎn)：產(chǎn)品形狀單碉，只能生產(chǎn)

線形型材，而且橫向強(qiáng)度不高。

第六章陶瓷基復(fù)合材料

定義：以陶瓷材料為基體，以高強(qiáng)度纖維、晶須、晶片和顆粒為增強(qiáng)體，通

過適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝所制成的復(fù)合材料。

?特點(diǎn)：熔點(diǎn)高，耐高溫；硬度大；化學(xué)穩(wěn)定性好；韌性差（限制陶瓷材料的

主要缺陷）

?陶瓷基復(fù)合材料的基體：（P159）

1）氧化物陶兗基體：主要有AI2O3陶瓷、ZrO2陶瓷等；2）氮化物陶瓷基體：如

陶瓷、A1N陶瓷、BN陶瓷等；3）碳化物陶瓷基體：如SiC陶瓷、ZrC陶瓷、

WC陶瓷、TiC陶瓷等；4）坡璃和玻璃陶瓷基體：高硅氧玻璃、硼硅玻璃、鋁硅

玻璃，鋁鋰硅酸鹽玻璃陶髡等。

微晶玻璃:是通過加入晶核劑等方法，經(jīng)過熱處理過程在坡璃中形成晶核，再使

晶核長(zhǎng)大而形成的玻璃與晶體共存的均勻多晶材料，又稱為玻璃陶瓷。微晶玻璃

的結(jié)構(gòu)和性能與陶瓷、坡璃均不同，玻璃陶瓷的性能受晶相的數(shù)量、晶粒大小、

界面強(qiáng)度以及玻璃相與晶相之間機(jī)械和物理相容，,生的影響.

?：?陶髡基復(fù)合材料的增強(qiáng)體：

由于陶瓷基體中加入的增強(qiáng)體主要增強(qiáng)陶瓷的韌性，所以陶瓷基復(fù)合材料中的增

強(qiáng)體通常也稱為增韌體。

1）長(zhǎng)纖維：在陶瓷基復(fù)合材料中使用得較為普遍的是碳纖維、坡璃纖維、硼纖

維等；（增韌效果優(yōu)越，但制備工藝復(fù)雜且纖維在基體中不易分布均勻）

2）短纖維：將長(zhǎng)纖維剪短（小于3mm）,再與集體粉末混合，經(jīng)過一定工藝，

亦可實(shí)現(xiàn)增韌效果。

3）晶須：晶須具有細(xì)小組織結(jié)構(gòu)、缺陷少，而具有很高的強(qiáng)度和模量。常用的

有SiC、AI2O3、Si3N4等陶瓷晶須。

4）顆粒：有一定的韌化效