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第十章复合材料界面理论

第十章 复合材料的界面 10-1 复合材料概述 1.复合材料:以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺复合而成的多相材料。 2.特点:不同材料互相取长补短,不仅可以克服单一材料的缺点,而且通过协同作用可产生原来单一材料所没有的新性能。 3.复合材料的组成: 组成 基体材料:连续相 增强材料:分散相 10-1 复合材料概述 如:纤维增强塑料: 纤维:增强剂,是分散相,是负荷的主要承担者 塑料:基体 ,是连续相,粘接作用 因此,基体与塑料之间存在界面,界面对复合材料的性能起着重要的作用。 4.复合材料分类 按基体分类: 10-1 复合材料概述 一、 聚合物基复合材料基体 热固性树脂:不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂。 热塑性树脂:聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚酰亚胺 二、增强材料 1.在复合材料中,凡能提高基体的机械强度、弹性模量等力学性能的材料称为增强材料 10-1 复合材料概述 增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量,而且能降低收缩率,提高热变形温度。 2.增强材料分类 纤维增强材料:广泛应用的有玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等 片状增强材料:除长纤维状使用外,也可切断后以短切纤维或者编织成织物使用。 颗粒状增强材料:称为填料,主要不仅能使复合材料制品的 价格降低,而且能显著改善制品的机械性 能、耐摩擦性能、热性能、耐老化性能等 。 10-1 复合材料概述 三、复合材料的界面 大多数增强材料与基体材料在结构有很大差异。在化学和物理上不相容。因此,在形成复合材料时,两者的界面结合力差。为改进复合材料这一性能,提高基体树脂和增强材料的界面结合力,常常要对增强材料进行表面处理。 1.复合材料的性能与 基体 增强材料 有关 界面 10-1 复合材料概述 因此,复合材料的性能并不是其组分材料的简单加和,而产生了“1十12”的协同效应。 例如,纤维材料纵向是不能承压的,而复合后纤维的压缩强度得到了充分的发挥。又如,玻璃纤维的断裂能约为10 J/m2,聚酯的断裂能约为 100 J/m2,而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105J/m2 10-1 复合材料概述 2.复合材料为什么会产生协同效应呢? 产生协同效应的根本原因是“界面”。如图所示 10-1 复合材料概述 3.为什么复合材料的断裂能比其组成材料树脂和纤维要大很多倍呢? 裂纹在基体中发展,遇到纤维,可能发生界面脱粘、基体和纤维的断裂、纤维拔出等过程,吸收了大量能量。并且裂纹发展未必在一个平面上,可沿着材料中不同的平面发生以上的界面脱粘、基体和纤维的断裂、纤维拔出等过程,直到裂纹贯穿了某一平面材料才破坏,这就使得复合材料的断裂能大大高于各组分材料的断裂能的加和,充分体现出复合材料的协同效应。 10-2 玻璃纤维增强塑料界面 玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢,是由玻璃纤维和基体树脂组成的复合材料。 其中 玻璃纤维:赋予复合材料强度和刚度 基体树脂:则对复合材料的压缩强度、弯曲强度、 剪切强度,耐腐蚀、阻燃、耐辐射、电性能等有密切关系。 玻璃纤维的特点:外表面光滑,纤维的抱合力小,不利于与树脂融结,因此需要对玻璃纤维进行表面处理,以提高复合材料的界面性能. 10-2 玻璃纤维增强塑料界面 一、玻璃纤维概述 玻璃纤维是目前复合材料中使用量最大的一种增强纤维。 主要有 无碱E玻璃纤维:碱金属氧化物含量不大于0.5% 中碱A玻璃纤维:碱金属氧化物含量为11.5%~12.5% 10-2 玻璃纤维增强塑料界面 玻璃是由硅、氧原子为主构成的不规则网络体,网络间存在着孔穴,孔穴中充填着Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金属离子。玻璃具有如图所示的结构。 10-2 玻璃纤维增强塑料界面 1.玻璃纤维骨架(组成) 骨架的化学组成主要是二氧化硅或三氧化二硼,前者称为硅酸盐玻璃,后者称为硼酸盐玻璃 为改进玻璃性能,可加上氧化钙、三氧化二铝等改性氧化物。加人氧化钠等可降低玻璃熔化温度和粘度 10-2 玻璃纤维增强塑料界面 2. 玻璃纤维的外观是光滑的圆柱体,它的横截面呈圆形。玻璃纤维的直径为3~10μm,密度为 2.4~2.7 g/cm3。 力学性能的最大特点是(1)拉伸强度高,可达1500~4000 MPa。玻璃纤维的

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