2016复合材料（化工版）教案：第七章 复合材料的复合原则及界面 .docVIP

第七章 复合材料的复合原则及界面 1第七章复合材料的复合原则及界面2第一节 复合原则要想制备一种 好的复合材料,首先应根据 所要求的性能 进行设计，这样才能成功地制备出 性能理想的复合材料 。复合材料的设计应 遵循的原则 如下：3一、材料组元的选择挑选最合适的 材料组元 尤为重要。在 选择材料组元 时，首先应明确 各组元在使用中所应承担的功能,也就是说，必须明确 对材料性能的要求 。4对 材料组元进行复合,即要求 复合后材料 达到如下性能，如 高强度, 高刚度,高耐蚀, 耐磨, 耐热 或其它的 导电, 传热等性能或者某些 综合性能 如 既高强又耐蚀、耐热 。5因此，必须根据 复合材料所需的性能 来选择组成复合材料的 基体材料 和 增强材料 。例如，若所设计的复合材料是 用作结构件,则复合的目的就是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性 等,6因此，设计 结构件复合材料 时，首先必须明确其中 一种组元主要起 承受载荷 的作用,它必须具有 高强度和高模量 。这种组元就是所要选择的 增强材料 ；而其它组元应起 传递载荷 及协同的作用,而且要 把增强材料粘结在一起,这类组元就是要选的 基体材料 。7其次，除考虑 性能要求 外，还应考虑组成复合材料的 各组元之间的相容性,这包括物理, 化学, 力学 等性能的相容，使材料各组元 彼此和谐地 共同发挥作用。在任何使用环境中，复合材料的 各组元之间的 伸长, 弯曲, 应变 等都应 相互或彼此协调一致 。8第三，要考虑复合材料 各组元之间的浸润性,使 增强材料与基体之间 达到比较理想的 具有一定结合强度的界面 。适当的 界面结合强度 不仅有利于 提高材料的整体强度,更重要的是 便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料,以充分发挥其增强作用。9若 结合强度太低, 界面很难传递载荷,不能起潜在材料的作用,影响复合材料的整体强度 ；但 结合强度太高 也不利，它 遏制复合材料断裂对能量的吸收,易发生 脆性断裂 。除此之外，还应联系到 整个复合材料的结构 来考虑。10具体到 颗粒 和 纤维 增强复合材料 来说,增强效果 与 颗粒或纤维的 体积含量,直径, 分布间距 及 分布状态 有关。颗粒和纤维 增强复合材料的 设计原则如下：111,颗粒增强复合材料的原则(1)颗粒应 高度弥散均匀 地分散在基体中，使其 阻碍 导致塑性变形的位错运动 (金属、陶瓷基体 )或 分子链的运动 (聚合物基体 )。12(2)颗粒直径的大小 要合适。因为 颗粒直径过大,会引起 应力集中 或本身破碎,从而导致材料强度降低；颗粒直径太小,则起不到 大的强化作用 。因此，一般粒径为几微米到几十微米。13(3)颗粒的数量 一般大于 20％。数量太少，达不到 最佳的强化效果 。(4)颗粒与基体之间 应有 一定的粘结作用 。142．纤维增强复合材料的原则(1)纤维的 强度和模量 都要 高于基体,即纤维应 具有高模量和高强度,因为除个别情况外，在多数情况下 承载主要是靠增强纤维 。(2)纤维与基体之间 要有 一定的粘结作用,两者之间结合要保证 所受的力通过界面 传递给纤维。15(3)纤维与基体的 热膨胀系数 不能相差过大,否则 在热胀冷缩过程中 会自动 削弱它们之间的结合强度 。(4)纤维与基体之间 不能发生有害的化学反应,特别是 不发生强烈的反应,否则将引起 纤维性能降低 而失去强化作用。16(5)纤维所占的体积, 纤维的尺寸 和 分布 必须适宜。一般而言，基体中 纤维的体积含量越高,其 增强效果越显著 ；纤维直径越细,则 缺陷越小, 纤维强度也越高 ；连续纤维的增强作用 大大高于 短纤维, 不连续短纤维的长度 必须大于一定的长度 (一般是长径比＞ 5)才能显示出 明显的增强效果 。17二、制备方法的选择材料组元 选择后，就要考虑所采用的复合工艺路线,即 具体的制备方法 。制备方法的选择 主要应考虑以下四个方面：18(1)所选的 工艺方法 对材料组元的损伤最小,尤其是 纤维或晶须掺入基体之中时,一些 机械的混合方法 往往造成 纤维或晶须的损伤 ；19(2)能使 任何形式的增强材料 (纤维, 颗粒, 晶须 )均匀分布 或按预设计要求 规则排列 ；(3)使最终形成的复合材料 在性能上 达到充分发挥各组元的作用,即达到 扬长避短,而且各组元仍保留着 固有的特性 。20在 制备方法的选择上 还应考虑 性能／价格比,在能 达到复合材料使用要求 的情况下，尽可能选择 简便易行的工艺 以 降低制备成本