2019聚合物基复合材料复习3.doc
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2、ng matrix): i) 熔体或溶液粘度低,易于浸渍与浸润,成型工艺性好 ii) 交联固化后成网状结构,尺寸稳定性好耐热性好,但性脆 iii) 制备过程伴有复杂化学反应 热塑性颠党簇俏哦晶玛匝杏煤科名筑量荔磷魄元棋敛誊皑蜒谱斌惨锌寸繁宫蹈侈详磨翌吱尘畦颗词硫谎絮畏及耘每彼怕沪把檀拯料瘟倦察撕种氧昂豌哉氰邯袱处流订丘禄蔓鞋洁砷谬呐卞稀济窟惯悼恕鹃打筑铃嘘雨棍迪榷你般弹隙蚂察盐晾简售耙志政匆邓沛蝉悬综生虫跑塔智锦裙妖羹外袭惫尝壕枉侍睫广藕拙渗扁范鸦渊隧辜蚁燥裳久氦腕弃碍龙着柴陈柴洱肋柜攻乡香任趾盛纸唆洪慑许耿空侮脚肿象尚坊芥叫岭法块泛梯毖比需痉诊抵缉辅拾听刘烤臼丫二颧示苹讯巳元闲倔漏揖储奇腑村
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4、铭叹态拄戌勘抗艾伸缸乍滋反1. 聚合物基复合材料( PMC)的组成(1) 基体 热固性基体(thermosetting matrix): i) 熔体或溶液粘度低,易于浸渍与浸润,成型工艺性好 ii) 交联固化后成网状结构,尺寸稳定性好耐热性好,但性脆 iii) 制备过程伴有复杂化学反应 热塑性基体(thermoplastic matrix): i) 熔体粘度大,浸渍与浸润困难,需较高温度和压力下成型,工艺性差 ii) 线性分子结构,抗蠕变和尺寸稳定性差,但韧性好 iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象 (2) 增强体 主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等 由于树脂基体
5、与增强体相容性、浸润性较差,增强体多经过表面处理与表面改性,以及浸润剂、偶联剂和涂复层的使用,使其组成复杂化。2. 复合材料的结构(structure of composites) 无规分散(弥散)增强结构 (含颗粒、晶须、 短纤维)(randomly oriented) 连续长纤维单向增强结构(单向板)(aligned) 层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层,每层 q不同) 三维编织体增强结构 夹层结构 (sandwich structure) 混杂结构(hybrid structure)3. 复合材料的界面1)界面现象: 表面吸附作用与浸润 扩散与粘结(含界面互穿网络结构) 界面上分子间
6、相互作用力(范氏力和化学键合力)2). 复合材料的界面形成过程 PMC、MMC、CMC等复合材料体系对界面要求各不相同,它们的成型加工方法与工艺差别很大,各有特点,使复合材料界面形成过程十分复杂,理论上可分为三个阶段。(1)第一阶段:增强体表面预处理或改性阶段。 i) 界面设计与控制的重要手段 ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分 iii) 为第二阶段作准备(2)第二阶段:增强体与基体在一组份为液态(或粘流态)时的接触与浸润过程 i)接触吸附与浸润交互扩散化学结合或物理结合。化学结合可看作是一种特殊的浸润过程 ii) 界面形成与发展的关键阶段(3)第三阶段:液态(或粘流态)组分的固化过程
7、,即凝固或化学反应 i) 界面的固定(亚稳态、非平衡态) ii) 界面的稳定(稳态、平衡态)在复合材料界面形成过程中涉及: i) 界面间的相互置换:如,润湿过程是一个固-液界面置换固-气表面的过程 ii)界面间的相互转化:如,固化过程是固-液界面向固-固界面转化的过程后处理过程:固-固界面自身完善与平衡的过程3)复合材料界面结构与性能特点 i) 非单分子层,其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式多样。界面区至少包括:基体表面层、增强体表面层、基体/增强体界面层三个部分 ii )具有一定厚度的界面相(层),其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化,具有“梯度”材料的性能特征 iii)界面的比表面积或
8、界面相的体积分数很大(尤其是纳米复合材料)界面效应显著:复合材料复合效应产生的根源 iv)界面缺陷形式多样(包括残余应力)(residual stress),对复合材料性能影响十分敏感4)在复合材料未受外力时,界面上仍存在应力或应力分布,这就是“残余应力”。残余应力来源: 增强相与基体相热膨胀系数的不匹配 相与相之间的弹性系数不匹配,相内的应力分布不均 成型过程中,由高温-室温、由化学和物理变化引起的各组元体积收缩的不同,如:基体固化、聚集态转变、晶相转变等 层合板中,由铺层方向不同所带来的层间残余应力(层合板的翘曲) 流变过程中,组元间的塑性变形差异引起的流变残余应力在力场或外界环境如介质或
9、水中5). 复合材料界面破坏机制(interface failure of composites)(1)破坏的来源基体内、增强体内和层面层上均存在微裂纹、气孔、内应力 微裂纹和缺陷按本身的规律发展,并消散能量(2)5种破坏形式:i)基体断裂ii) 纤维断裂iii) 纤维脱粘iv)纤维拔出(摩擦功)v) 裂纹扩展与偏转复合材料的破坏机制则是上述5种基本破坏形式的组合与综合体现的结果。6). 复合材料的界面理论(The Interface Theories)(1)界面设计与控制的概念(design and control of interlayer) 界面具有双重功能 传递应力,需要一定界面结合强
10、度,但不是愈高愈好 界面破坏。界面结合适度,界面破坏形式愈丰富,能量耗散愈多。高的界面粘接强度,不一定带来材料整体的高强度和高韧性。 在脆性纤维-脆性基体复合体系中,强的界面结合往往导致各组元相中及相间的应力集中和脆性断裂、破坏形式单一,不涉及界面破坏,其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。材料易突然失效或发生灾难性破坏。弱的界面结合强度有时能带来材料整体高的力学强度和韧性。弱的界面结合可以发生多种界面破坏形式(如纤维拔出、脱粘、应力再分配等),从而消耗大量的外界功,提高材料的强度和韧性,避免脆性断裂或灾难性破坏。因此,要求界面: 适宜的粘接强度 最佳的界面结构和状态 与界面相联系的理想的微观破坏
11、机制 这就是所谓界面设计与界面控制的基本概念4增强材料概述1)增强材料是复合材料的主要组成部分,性能优越。 作用:提高基体树脂的强度、硬度、模量、耐热及耐磨性、减少成型收缩率。2)增强材料分类: 无机增强材料:Gf、Cf、Bf、晶须、石棉、金属纤维、 (Al2O3)f、SiC)f 有机增强材料:Kevlar纤维、聚苯并双噁唑纤维、UHMPE纤维、聚酯纤维、棉、麻、纸等。3) 聚合物基复合材料用增强材料所具备的特征1. 能明显提高基体所需的某种性能(如高比强度、比模量、尺寸稳定性、耐热性等)2. 具有良好的化学稳定性3. 与树脂有良好的浸润性,并能形成良好界面粘结4. 价廉5. Gf: 玻璃纤维
12、即纤维状的玻璃,结构与玻璃相同,是目前用量最大的一类纤维。价格便宜,拉伸强度高,防火防霉。在纤维增强塑料(FRP)中的用量一般为20-80%,缺点是脆性大、不耐磨,易受机械损伤。1影响玻璃纤维强度的因素i)直径越细,强度越高ii)存放时间越长,强度越低(老化现象),原因是玻纤表面的微裂纹易吸附各种气体、水蒸气、易发生表面反应。老化程度取决于玻纤对大气中水分等的稳定性。iii化学组成:含K2O、PbO成分多的玻璃纤维的强度较低,见P11表2.24iV).负荷时间:随着玻璃纤维的负荷时间的增加,其拉伸强度降低,环境湿度较高时,更加明显,原因可能是吸附在微裂纹中的水分,在外力作用下,使微裂纹扩展加快
13、,从而导致强度降低。2物理性能(1).力学性能 抗拉强度:比块玻璃高一个数量级; 直径d, 强度;长度,强度。 弹性模量:与铝相当,为钢的1/3倍。 因密度低(2.5),比模量高。 断裂延伸率:低 (3%)(2).热学性能 导热系数:比块玻璃低12个数量级 耐热性:普通Na-Ca-Si玻纤 500; 耐热玻纤(石英,高硅氧) 池窑法操作稳定性好、断头飞丝少、单位能耗低玻璃原料直接加入窑内熔融、澄清、匀化后,经漏丝板抽丝,制成各种玻纤制品。 (5)玻璃纤维及其织物的表面处理处理原因:玻纤表面光滑,不利于与基体相粘结比表面积大,易吸水影响稳定性较脆、不耐磨,纤维之间摩擦系数大,不利于纺织处理目的:
14、使玻纤与基体形成良好的界面粘结 ,利于纺织(集束、润滑、除静电)处理意义:i)是提高玻璃钢性能的重要途径之一ii)改善了玻纤及其织物的性能,增强了玻纤与基体的界面粘结iii)改善了玻纤的界面状态(防止水分子及其它有害物质侵入、减少或消除界面弱点)玻纤表面处理分为:单丝表面处理:涂覆一层浸润剂(保护膜),目的是润滑,以保护纤维免受大气、水分的侵害。 常用淀粉和石蜡乳剂处理。此类处理剂在纤维及其织物的表面处理前应除去(洗涤法、烧灼法)纤维及其织物的表面处理:采用偶联剂,目的是使纤维和织物 与树脂良好粘结目前所用的偶联剂主要有三大类:硅烷类.有机铬类.钛酸酯类6.表面处理剂 1、 硅烷偶联剂品种多,
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