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浅谈复合材料

复合材料：
由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的物质，通过不同的工艺方法，以人工合成的多相材料。
复合材料为多相结构，一类为基体，另一类为增强相。尽管复合材料的定义的细节有所不同，但其要点是共同的。
1、含有两种以上不同的成分。
2、具有每种成分所不具备的优良性能。
复合材料既保持组成材料各自的最佳特性，又具有组合后的新特性，其性能明显优于原组成材料。

复合材料的分类：
A：纤维增强树脂基复合材料
B、金属基复合材料
C、陶瓷基复合材料。
复合材料可以有很多种分类方法：
1、按性能不同：可分为结构复合材料和功能复合材料。
2、按增强材料的种类和形状，又可分为颗粒、晶须、层状及纤维增强复合材料。
3、按增强基体不同，又可分为金属基复合材料(MMC)和非金属基复合材料，如铝(铝合金)基复合材料、钛(钛合金)基复合材料、铜(铜合金)基复合材料、钢(铁)基复合材料、塑料(树脂)基复合材料(PMC)、橡胶基复合材料、陶瓷基复合材料等(CMC)等。

复合材料的性能特点：比强度和比模量高：
强度和弹性模量与密度的比值分别称为比强度和比模量，比强度和比模量是材料承载能力的重要指标。材料的比强度越高，在同样强度下零构件的自重越小、比模量越高，在模量相同条件下零构件的刚度越大。这对要求减轻自重和高速运转的零构件是非常重要的。

复合材料的性质：可以分为三大类：
1、内在性质：又称为基本的材料性质，可以进行精确的可重复的测量。
2、加工性质则是决定材料加工的可能性以及此种加工操作效果的某些内在性能的总和。
3、复合材料制件性质又称为产品性质。在加工过程中又附加上一些性质，如形状和方向性。正是一定的内在性质和附加性质的总和决定了产品性质。
复合材料的最大特点是适应性广，可以通过改变组分类型、用量配比、工艺条件等方法来满足使用要求。

聚合物基复合材料：
作为机械工程材料，高分子聚合物的最大优点是密度小、耐腐蚀、可塑性好、易加工成型，但其最主要的缺点是强度低、弹性模量低、耐热性差。改善其性能最有效的途径是制备成复合材料。在聚合物基复合材料中，以纤维增强效果最好、发展最快、应用最广。

复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成。聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组成的复合材料。纤维的高强度、高模量特性，使它成为理想的承载体。粘接性能好、模量较低的树脂基材料把纤维牢固地粘接起来，同时，基体又能使载荷均匀分布，并将载荷传递到纤维上去。由此可知，纤维和基体之间接口的结合也是非常重要的。聚合物基复合材料常用的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevla (芳纶) 纤维及其织物、毯等，基体材料分为热固性塑料(如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚酫树脂、昳喃树脂、有机硅树脂等)和热塑性塑料(如尼龙、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等)。这类材料的复合与制品的成型是同时完成的。常用的成型方法有手糊法、喷射法、反制法、缠绕成型法、离心成型法和袋压法等。广泛使用的是玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、硼纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料和Kevlar纤维增强塑料。

在基体材料中，其它的成分还有：固化剂、增韧剂、稀释剂、摧化剂等。这些补助材料是复合材料基体不可缺少的成分。由于这些成份加人，使复合材料具有各种各样的使用性能。改进了工艺性、降低了成本，扩大了应用范围。在复合材料发展过程中，辅助材料的研究是很重要的。可以说没有辅助材料的配合就没有复合材料工业的发展。

聚合物的结构：
A、聚合物的分子链由很大数目(1000~100000的数量级)的结构单元组成，每个结构单元相等于一个小分子。一条长链主要由两价结构基团连接而成，也可以由三价或四价基团连成。这些结构单元可以是相同的(均聚物)也(是不同的(共聚物)。聚合物中常兄的结构基团是通过共价键连成不同的结构，如线形的、支形的或网状的络构。
B、链长有限的聚合物分子含有官能团或端基，其中端基不是重复结构单元的一部分。它们与其它可反应基因的反应用量以及反应后的性能是非常重要的。即使在聚合物间存在程度很小的交联，也将对其物理、力学性能产生很大的影响。
C、聚合物分子链的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学性能有密切关系。一般聚合物的主链都有一定的内旋转自由度，使大分子具有无数的构象，具有柔性。如果组成聚合物分子链的化学键不能内旋转，或结构单元间有强烈的相互作用，则形成刚性链，使高分子链具有一定的构象和构型。

综上所述，聚合物分子链接构，指的是单个聚合物分子的化学结构和立体化学结构，包括重复单元的本性、端基的本性、可能的支化和交联与结构顺序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形态等。聚合物分子聚集态结构指的是聚合物材料本体内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向结构和组态结构等。

聚合物的性能：
1、聚合物的力学性能与复合材料的力学性能无疑有密切的关系，但是由于种种因素的影响，一般复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高。决定聚合物强度的主要因素是分子内及分子间的作用力，聚合物材料的破坏，无非是聚合物主链上化学健的断裂或是聚合物分子链间相互作用力的破坏。
常用热固性树脂的力学性能：
性能         酚醛树脂         环氧树脂         聚酯树脂
密度/(g/cm3)    130~1.32         1.10~-1.23        1.10~1.46

2、聚合物的耐热性能：聚合物在受热过程中将发生两种变化。一种是物理变化即软化与熔融，一种是化学变化即环化、交联、降解、氧化或水解等。

从聚合物结构上分析，为改善材料耐热性能，聚合物需具有刚性分子链、结晶性或交联结构。就是所谓马克三角原理。
作为结构件使用的复合材料的基体，为提高耐热性，首先是选用能产生交联结构的聚合物，如聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等。此外，温度和时间工艺条件的选择会影响聚合物的交联密度，因而也影响耐热性。

聚合物的热稳定性能：
是一种量度聚合物耐热性能的指针。在高温下加热聚合物可以引起两类反应，即降解和交联。降解指聚合物主链的断裂，它导致相对分子质量的下降，使材料的物理力学性能变坏。交联是指某些聚合物交联过度而使聚合物变硬、发脆使物理力学性能变坏。聚合物的热降解是化学键的断裂。因此，组成聚合物分子的化学键能越大，材料就越稳定，耐热分解的能力就越强。

聚合物与增强材料粘附力是聚合物分子与增强纤维表面间的物理作用和化学作用的总和。物理作用包括氢键力和范德华力，化学作用是聚合物分子与纤维分子间通过化学键而发生的作用。
材料的力学性能：                             密度g/cm3
钢                                            7.8
铝合金                                        2.8
铁合金                                        4.5
玻璃纤维复合材料                              2.0
碳纤维Ⅱ/环氧复合材料                         1.45
碳纤维I/环氧复合材料                          1.6
有机纤维/环氧复合材料                         1.4
硼纤维/环氧复合材料                           2.1
硼纤维/铝复合材料                             2.65

玻璃纤维增强塑料：
也称玻璃钢，按塑料基体性质可分为：1、热塑性玻璃钢 2、热固性玻璃钢。
热塑性玻璃网是由体积分数为20% ~40%的玻璃纤维与60% ~ 80%的热塑性树脂组成，具有高强度和高冲击韧度、良好的低温性能及低热膨胀系数。

热塑性玻璃纲的性能：
尼龙66      ABS       聚苯乙烯      聚碳酸酯
密度g/cm3     1.37         1. 28       1.28           1.43

热固性玻璃钢是由体积分数60% ~70%的玻璃纤维与30% ~ 40%的热固性树脂组成，其主要优点是密度小、强度高。比强度超过一般高强度钢和铝合金、钛合金，耐腐蚀、绝缘、绝热性好，吸水性低，防磁、微波穿透性好、易于加工成型。缺庶是弹性模量低，只有结构钢的1/5~1/10，刚性差。

热固性玻璃钢的性能：
聚酯树脂        环氧树脂         酚醛树脂
密度/ (g/cm3)       1.7~1.9          1.8~2.O           1.6~1.85
改进聚合物的力学性能，常用的方法就是采用坚韧的纤维(通常是玻璃纤维)增强塑料基体材料，把聚合物树脂变为复合材料。

橡胶基复合材料：
橡胶具有弹性高、减振性好、热导率低、绝缘等优点，但强度和弹性模量低、耐磨性差。为了改善橡胶制品的性能，可用增强颗粒或纤维与其复合，制备成颗粒增强橡胶或纤维增强橡胶制品。

1、颗粒增强橡胶：在橡胶工业中，常使用大量辅助材料改善橡胶的性能。增强效果最好的是补强剂，如炭黑、白炭黑、氧化锌、活性碳酸钙等。补强剂的细小粒子填充到橡胶分子的网状结构中，形成一种特殊的接口，使橡胶的抗拉强度、撕裂强度、耐磨性都显著提高。
炭黑对橡胶的增强效果：   硫化后的抗拉强度/Mpa        增强效果
                        未加炭黑     加炭黑       未加炭黑/加炭黑
天然橡胶                20~30        30~34.5            1~1.6
氯丁橡胶                15~20        20~28             1~1.8
丁苯橡胶                2~3          15~25             5~12
丁晴橡胶                2~4          15~25             4~12

2、纤维增强橡胶：纤维增强橡胶制品主要有轮胎、带、橡胶管、橡胶布等。这些制品除了应具有轻质高强的性能外，还必须柔软并具有较高弹性。这要求增强纤维具有强度高、伸长率低、耐挠曲、物理性能均匀一致、蠕变性小、与橡胶有良好的粘接性等性能。常用的增强纤维有天然纤维、人造纤维、合成纤维、玻璃纤维、金属丝(如钢丝帘子线等)。增强纤维与橡胶通常经过提煤、混炼、涂覆、挤出、压延、成型、硫化等工序制备成纤维增强橡胶制品。纤维增强橡胶复合材料强度、抗摩擦磨损性能都有较大提高。

环氧树脂基耐磨复合材料：
1、Al2O3颗粒增强环氧树脂基耐磨复合材料涂层已日益广泛应用于工作在浆体冲蚀磨损工况下的工件(如泥浆泵的表面，作为耐冲蚀保护涂层，也用于腐蚀、磨损面的修补。这类复合材料涂层的冲蚀磨损由树脂基体的磨损和填料颗粒的磨损组成，磨损后基体材料出现塑性交形唇，即基体具有半塑性的冲蚀磨损特性。同时，若基体材料的塑性、韧性绞差，当塑性交形量累积到一定程度时，基体就含出现裂纹，并以片状或块状等形式脱落，断口形貌有明显的脆性断裂特征。
填料颗粒的磨损主要有两种形式：颗粒的脆性破碎和整体脱落。脆性破碎主要发生在颗粒的尖角部分和薄弱的边缘部分。若填料颗粒的粒形校为圆整，则复合涂层的耐磨性将有所增加。
改善环氧树脂基体的韧性以及优化填料结构是提高涂层耐磨性的有效途径。使用聚氨酯预聚体改性环氧树脂为基体，通过添加不同体积分数和不同级配的Al2O3颗粒，制备出一种新型的耐磨复合涂层材料。

2、纳米陶瓷增强环氧树脂复合材料作为填料，环氧树脂作为基体，制备的纳米陶瓷增强环氧树脂复合材料具有较好的抗摩擦磨损性能。

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