12级复合材料复合材料原理复习资料

复合材料原理参考资料

复合材料与工程

考试形式

笔试闭卷

考试时间和地点

时间：2014

年12月24日8:20-10:00

地点：材料学院 A108

题型与分数分布

一．选择题 二．填空题 三．简答题 四．论述题

一、绪论

1.复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

一相为连续相，称为基体；起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。

一相为分散相，称为增强体（增强相）或功能体。是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。（分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料） 主要起承受载荷的作用，赋予复合材料以一定的物理、化学功能。 2.复合材料分类： A按基体分： B按照形态分：

复合材料的定义

不是增强剂表面和C按增强体材料种类分类：玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维。 基体表面简单结合的二维边界, 而是还D按用途分类：结构复合材料：用于制造受力构件的复合材料。 包含着两个表面之间的过渡区域而形功能复合材料：指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料 成三维界面相3.复合材料的特点?特点

?复合材料的性能有重要的改进。?复合材料可以是一个连续的物理相与一个连续分散相的复合;也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中的复合。?复合后的产物为固体时才称为复合材料。?复合材料既可以保持原材料的某些特点,又能发挥组合后的新特征。

二、复合规律

1颗粒强化和弥散强化原理： （1）弥散强化原理：

弥散强化复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成。在聚合物基体中阻碍分子链的运动。dp为0.001∽0.1μm。此时，载荷主要由基体承担，弥散颗粒阻碍聚

合物基体分子链的运动。微粒阻碍基体分子链运动能力越大，增强效果愈大。微粒的尺寸越小，在一定范围内，体积分数越高，强化效果越好。一般Vp为0.01∽0.15 。 （2）颗粒强化原理

颗粒增强复合材料是由尺寸较大（粒径大于1μm）的坚硬颗粒与基体复合而成，其增强原理与弥散增强原理有区别。在颗粒增强原理复合材料中，虽然载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体分子链变形的能力越大，增强效果越好。颗粒直径为1∽50μm，颗粒体积分数为5%∽50% 2纤维增强原理

①增强纤维抗张强度明显高于基体,载荷主要由纤维承受. ②基体与增强体界面黏结良好,当复合材料受载荷时,由基体将载荷传递给增强体,使增强体均匀受力.③基体的塑性阻止裂纹的扩展. ④纤维受力断裂时断口往往不出现在同一平面上,要使复合材料断裂,则必须将许多纤维从基体中拔出,克服基体对纤维黏结力,使复合材料断裂强度明显提高.

纤维增强机理

3.结构复合材料的复合原则包括方面：①纤维应具有高强度和高模量. ②基体材料具有一定塑性和韧性,对裂纹有致偏或抑制作用,能有效地保护纤维表面.③增强纤维与基体之间能够形成具有一定结合强度比较完整的界面, ④增强体的含量,尺寸及分布必须适宜.⑤纤维与基体的热膨胀性能匹配. ⑥纤维与基体的断裂伸长也要匹配. 4.复合材料的复合效应 线性效应 非线性效应 平均效应（最典型） 相乘效应（两种具有转换效应的材料复合在一平行效应（均保留本身的作用，既无制约，也起） 无补偿） 诱导效应（通过诱导作用使另一组分材料的结相补效应（基体和增强体，在性能上能互补，构改变整体性能或产生新的效应） 从而提高材料的综合性能） 共振效应（在一定条件下会产生机械的或电的,相抵效应：组分间性能相互制约,限制了整体磁的共振） 性能的提高。 系统效应 5.根据“连通性”概念，例举五种常见的两相结构复合材料连通结构形态。 “连通性”：复合体系的任何相，在空间的零维、一维、二维、或三维方向上是连通的。 孤立的颗粒 连通性为0 （零维材料）；纤维状材料 连通性为1 （一维材料） 片状材料 连通性为2 （二维材料）；网络状连续材料 连通性为3 （三维材料） 复合材料中联通结构数与相之间的关系：Cn?(n?3)!n!3!（2.4）n?2,Cn?10;n?3,Cn?20;n?4,Cn?35??例如：两相复合体系有10种可能的连通性复合材料结构，分别为：0-0，0-1，0-2，0-3，1-1，1-2，1-3，2-2，2-3，3-3。两相结构复合材料的几种常见的连通结构形状：0-3型颗粒—基体1-3型2-2型2-3型3-3型短纤---基体（各向同性）；长丝---基体（各向异性）“胶合板”云母---聚合物三维编织物 几种典型的复合材料结构

6.复合材料相结构产生的复合效果。 A组分效果：在复合材料的基体和增强体的物理机械性能确定的情况下，仅仅把相对组成作为变量，不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量的影响时产生的效果。 B结构效果a几何形态效果（形状效果）：该效果也可表示出相的连续和不连续效果；其决定因素是组成中的连续相。零维颗粒增强复合材料性能取决于基体，当分散相为一维连续相时，若其性质与基体有较大差异时，分散质的性能可能会显示出对复合材料性能的支配作用。b分布状态效果（取向效果）：1-3、2-2乃至3-3型复合结构，增强体的几何取向对复合材料性能有明显的影响。对于1-3型的结构，在增强体的轴向和径向，复合材料性能有着明显的差异，短纤维状的增强体在复合材料中分散状态，往往受到复合材料成形过程中剪切应力的影响。而对于2-3型和2-2型结构的复合材料，在增强体或功能体的平面平行方向和平面垂直方向上其性能完全不同。 以2-2型复合结构的材料而言，在增强体所在平面的垂直方向施加外力时，成为串联式结构，则弹性模量为：VfV1?m?EcEmEf而在平行于增强体平面上施加外力时，则成为并联式结构，此时的弹性模量为：Ec?EmVm?EfVf上二式中，E为弹性模量，V为材料体积含量，角标c 、m 、f分 C尺度效果：分散质尺度的大小，会导致其表面物理及化学性质的变化。诸如比表面、表面自由能以及它们在复合材料中的表面应力分布和界面状态，而使复合材料性能发生变化。 例如：当SiO2粉末分散于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基体中复合材料。SiO2尺度>500 nm(0.5μm)，硅烷偶联剂处理的增强效果优于未处理的。SiO2尺度<500 nm(0.5μm)，不处理的优于处理的。分析：当其尺度<500 nm，由于表面积和表面能显著↑，其表面活性大大↑，使之与基体的结合强度强于硅烷偶联剂对基体和SiO2的结合。 D界面效果：复合材料的界面效果是基体与增强体复合效果的主要因素。只有界面效果的存在，才能充分地显示复合材料的各种优越性能。界面结构的（物理结构和化学结构）变化会引起复合材料性能的明显变化。

界面除了可以作为复合材料的一个组分而对材料有各种物理性能影响外，其物理结构、化学结构及其尺度的变化都会有不同于其它组分相的作用。

7.微观结构模型主要内容a材料的几何结构模型b材料的物理模型，即计算场量理论和方法。 建立模型需注意的问题：A首先应确立坐标系和材料的主轴方向,通常以主轴方向为参考坐标。B结构模型和物理模型两个系统,有时是统一的,有时则并不统一. C在建立材料的结构模型时,主要以材料的相几何形态和性能规律为依据。D物理模型的确立要以结构模型为依据,针对某一物理性能和结构特征,进行场量计算. 8、复合材料有哪几种性质？

a.固有性质：指复合材料在各相之间不互相作用所表现出来的材料性质。

复合材料的性质是各相组分按含量的加和性，而与各相的几何状态、分析状态无关。 b.传递性质材料的传递性质是材料在外作用场作用时，表征某通量通过材料阻力大小的物理量，诸如：导热性质（导热系数）、导电性质（电阻率）等。

c.强度性质：材料的强度特性是材料承受外作用场极限能力的表征，

材料的力学强度是材料承受外力的极限能力，如拉伸强度、冲击强度等。材料对电场的承受能力，则为电击穿强度。对于非均质的复合材料，材料对外作用场的承载能力不是各组分相承载力的叠加，而与外作用场的分布、各组分相之间的相互作用有关。

别表示复合材料、基体和增强体（或功能体）。

d.转换性质：指材料在一种外场作用下，转换产生另一种新场量。表征两种场量的相互关系则称为转换关系。如材料在电场作用下产生热量，在热作用下产生光，在应力作用下产生变化，都是材料的转换性质。 三、聚合物基体 a不饱和聚酯树脂(热固性聚合物)： 不饱和聚酯是由不饱和二元羧酸（或酸酐）饱和二元羧酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成。 热固性聚合物—不饱和聚酯顺酐＋邻苯酐＋丙二醇→OHCCOO+OCCOHOHOOOOHCHCCOCH3CHCH2OOCOC*+HCCH2CCHCH3CH3*OCHH2COCn热固性聚合物—不饱和聚酯3. 不饱和聚酯树脂的固化3.1 固化过程饱和二元酯结构?合成过程遵循线型缩聚反应的历程热固性聚合物—不饱和聚酯 2.2 结构特征：1.固化：粘流态树脂体系发生交联反应而转变成不溶、不熔的具有体型网络结构的固态树脂的全过程。不饱和聚酯只加热也可使树脂固化，但有两缺点：宏观：硬化微观：固化不饱和二元酯结构?OCO?CH?CH?OCO?均包括物理、化学变化?游离基型3.3不饱和聚酯用引发剂共聚反应??OCO?(CH2)n?OCO?(CH2)m??2.UPR的固化特征：A粘流态的树脂B凝胶UPR的B阶段不明显17时间长C形成不熔，不溶的坚硬固体?①低温固化慢，高温难控制;?②固化反应起动的瞬间速度极快，最终又不易固化完全。用引发剂固化的优点：?①可以有效的控制反应速度；?②最终固化可趋于完全，固化产物性能稳定；?③再配以适当的促进剂，可以满足各种固化工艺的要求。热固性聚合物—不饱和聚酯热固性聚合物—不饱和聚酯(1) 有机过氧化物的种类（P15）通式：R-O-O-H或R-O-O-RCH3?(2)有机过氧化物的特性?①活性含氧量：有机过氧化物的有效成分的标志。?②临界温度：受热分解形成具有引发活性的游离基时所需要的最低温度。?③半衰期：在给定温度下，有机过氧化物分解一半所需要的时间，常用来评价其活性大小。①R-O-O-H烷基（或芳基）过氧化氢②R-O-O-R过氧化二烷基（或芳基）OOCH3H3CCH3COOHCH3CH3CH3CH3COOC③RCOOCR过氧化二酰基OOOOCOOCCH3CH3CH3?有机过氧化物促进剂在有促进剂存在的情况下，有机过氧化物可在其临界温度以下产生游离基.只对过氧化物有效的：叔胺CH3④RCOOR'过酸酯OOCOOC⑤ROCOOCOR过碳酸二酯H3CCH3COHOCOOOCOCH3CH⑥酮过氧化物：一种过氧化物的混合物，其中包含有一羟基氢过氧化物，一羟基过氧化物，二羟基过氧化物和二过氧化物，如过氧化甲乙酮和过氧化环己酮. 只对氢过氧化物有效的：具有变价的金属皂促进剂的分类 （如环烷酸钴钒锰等）对前两种都有效的：十二烷基硫醇等

b环氧树脂(热固性聚合物)：是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类高聚物的总称。由于其官能团－环氧基具有极强的化学活泼性，固可与多种类型的固化剂发生开环，固化交联反应，形成不溶、不熔性三维网状聚合物。

热固性聚合物2. 几种常见类型的环氧树脂2.1双酚基丙烷型环氧树脂:[n+1]HOCH3OHCH3HH2H2CCCOCH3OCH3[n+2]NaCl[n+2]H2OORORH2CH2CnOR[n+2]NaCl[n+2]H2OR=H2COCCH2H热固性聚合物[n+2]NaOHH[n+2]H2CCCH2OClH2H2CCHCOnOH2.2 酚醛多环氧树脂：由线型酚醛树脂（二价酚醛树脂）与环氧氯丙烷缩聚而成，其合成化学反应如下：OH[n+2]H+[n+1]CH2OOHOHH2COHH2CnOH[n+2]H2COHH2CCCl[n+2]NaOHOHH2COHH2CnOH[n+1]H2OCH3CH3OH2HOCCCH2O?双酚型环氧含硬性苯环，链刚性较高，耐热性好，强度高，韧性差。固化特点：环氧活性基都在链两端，固化交联点不高。热固性聚合物2.3 缩水甘油酯类环氧树脂：是由环氧氯丙烷与羧酸在催化剂及碱作用下制得ORCOHH2CO催化剂HH2碱RCH2HCCClOCCCH2OOHClOC特点：与双酚基丙烷型环氧树脂相比，它在线型分子中含有两个以上的环氧基，而且在主链上有芳环，因此固化产物交联密度大，耐热性好。热固性聚合物ORCH2HOCCCH2O 从三聚氰胺得(a)OO从苯胺得(b)O 2.4缩 水甘油胺类环氧树脂可从脂肪族或芳香族伯胺或仲胺和环氧氯丙烷合成，工业上常用三聚氰胺和苯胺等，各自结构如下：CH2ONCH2CO比如：邻苯二甲酸二缩水甘油酯OH2OCCCH2HOOH2COCCCH2HNNH2CH2CCNNNCCH2H2COOO与双酚基丙烷环氧树脂比较，具有粘度较低，反应活性高,固化物机械性能好，粘结强度大，耐气候性、优良的耐低温性能（-196~-253℃）、电性能优良等优点。H2H2CNC热固性聚合物2.5 脂环族环氧+2H3COCCOOHHCCHOCH2OCHCH+2H3COCOH特点：多官能度所，以固化后结构紧密，固化物有优异的耐高温性，分子本体为三氮杂环，有良好的化学稳定性，优良的耐紫外光，耐气候性和耐油性，还有良好的耐电弧性。 ?结构中不含苯环，含脂环，稳定性更高，热学性能好，耐紫外线，不易老化。粘度低，工艺性好。2.6 脂肪族环氧---高韧性环氧RHCOHCOR'HCOHCR\?无六环状硬性结构，冲击韧性好，但与纤维结合力较差。 环氧树脂的固化 环氧树脂特点：a粘附力好，韧性较好，收缩率低。b复合材料强度高，尺寸稳定。 热固性聚合物热固性聚合物c电性能好。介电强度高，耐电弧优良的绝缘材料d耐酸碱耐溶剂性强。e 热稳定性良好。 ①胺类固化剂胺类固剂主要指脂肪族伯胺，芳香族伯胺和叔胺，HCH2NCH2CH2NH2+2OH2COHCH2NCH2CH2NCH2OHH2CCHHCOHHC对于叔胺类固化剂，由于其分子结构中无活泼氢原子其固化机理属催化型固化过程。R3N+H2COH2CHCO-HC+NR3H2CHCO-H2NCH2CH2NHCH2CHOH+NR3+H2COHC+NR3H2CHCOH2CHCO-H2CCH3NCH3OHH2CCH3NCH3逐步聚合 阴离子聚合反应历程

②酸酐类固化剂 二元酸、多元酸及其酸酐均可利用其羧基与环氧树脂中的环氧基和羟基发生固化反应。常用的品种有：邻苯二甲酸酐、均苯四甲酸二酐、甲基那狄克酸酐等。由于酸酐与环氧直接反应速度较慢，需要较高温度，故常加入3％-5％的叔胺为催化剂。 热固性聚合物③树脂类固化剂 三．酚醛树脂 酚醛、呋喃、脲醛树脂及三聚氰胺甲醛树脂等均能在一定条件下与环氧树脂中的环氧基、OHO羟基进行反应，发生交联而固化。由于这类高聚物本身具有一定特性，故使用树脂固化剂一‖1由酚5和醛H –C -H缩合而成。方面起到固化作用，另一方面也对环氧树脂有改性作用。但这类固化剂速度相对较慢，使用3期长，固化温度较高，故仅适用于热固化成型。 c酚醛树脂 │醛/酚一般控制在1.1-1.5，碱催化可得体型热固性树脂。苯酚与甲醛的加成反应3.1合成机理羟甲基酚的缩聚反应OHOH加成反应热固性聚合物+3CH2OH2CHOCH2OHCH2OH H2H2COCH2COHOHOH缩聚反应H2HOC+CH2OHOH-H2OOHCH2OH-CH2OHOH2COHHOH2CH2COHOHH2COH-HO2OHHO以后一反应为主+H2CH2COHOH热固性聚合物用冷却法可使反应在凝胶点前任何阶段停止，再加热可使反应继续进行，由此可合成适合各种用途的树脂。可控制较低的反应程度，制得平均相对分子质量很低的，在室温下可溶于水的水溶性酚醛树脂.可进一步缩聚反应进行脱水成半固体的树脂，然后溶于醇类溶剂成为醇溶性酚醛树脂，再进一步反应并脱水后可成为固体树脂。 热固性聚合物 3.2 固化：加酸性崔化剂可室温固化，如盐酸、磷酸甲苯磺酸。加热固化（170℃）。固化后的理想结构。OHH2COHH2COHH2COHH2COHCH2H2CCH2H2CCH2H2CCH2CH2OHOHOHOHOH 2热塑性聚合物（与热固性聚合物相比：?所以只要控制好反应力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。工艺简单、条件，就可得到低分周期短、成本低、密度小、应用广。） ?酸性条件下，缩聚反应速率较加成反应速率快。子量的多元酚醇的缩A热塑性酚醛树脂 聚物，以备使用。OHCH2OHOHOHHOCH2OHOHHOCHH+OHCH2OHH2OCH2OHHOCH2HO 45?锰、镉、锌、钴、镁、铅等?强酸性条件下(PH<3)，缩聚反应主要通过酚羟基的对位来热塑性聚合物实现。?pH=4~7，采用某些特殊的二价金属盐作催化剂尽管热塑性树脂用于纤维增强复合材料的基体材料起步较晚，其总量仍不能与热固性树脂相比，但由于热塑性树脂具有主要通过邻位连接起来的高邻位热塑性断裂韧性好，抗冲击强，成型工艺简单，成本低等特点，且以?理想的酚醛树脂。OHOHOH纤维增强后效果较为明显，近年来发展比较迅速。可以预见，CH2CH2热塑性热塑性纤维增塑料中的地位将日益重要具有极大的前途。OHHOCH2OH酚醛树?脂的分子结构CH2CH2OH与热固性聚合物相比：CH2nOH力学性能、耐热性、抗老化性等都较差。?固化速度比一般热塑性酚醛树脂快2~3倍。工艺简单、周期短、成本低、密度小、应用广。47?特点：n一般为4~12，与苯酚过量程度有关。CH3⑴．聚丙烯[ CH -CH2]n柔性无极性链。与纤维浸润性、结合力较差。复合增强46效果有限。原料来源广泛，价格低，普通民用。 热塑性聚合物⑵. 聚酰胺（尼龙）链中含大量酰胺键，链间以氢键连接。结合力强，强度高，耐磨性好。使用温度<100℃，吸水率高。常用品种：尼龙6、66、1010、610等。(3)．聚碳酸酯由双酚A的钠盐与碳酸双酰氯缩聚而成CH3NaO--C-CH3～O-O‖-ONa + Cl-C-Cl →CH3－C-CH3刚性苯环，Tm = 225 ～250℃, Tg = 145℃；变形小，抗蠕变，尺寸稳定。可与玻璃纤维和碳纤维复合。O‖-O-C～+ NaCl C高性能树脂：高性能树脂应具有耐高温，使用的温度范围宽，阻燃，尺寸稳定，优异的机械性能，良好的耐辐射性、化学稳定性、耐湿性等。其中尤以耐高温性能最重要。 耐高温树脂常由主链含芳杂环的聚合物构成。也可分为热固性和热塑性两类。 1、热固性高性能树脂

缩聚型聚酰亚胺（C型PI）

主要是由芳香族二酐和芳香二胺合成。一般是先合成可溶的聚酰胺酸预聚物，然后再使之高性能树脂（加热）环化成所要求的聚酰亚胺。 OCOCOArCOHOOCO+NH2O*Ar'NH2COCOCCOOHHNAr'*nOOCArNCOn加热或化学处理*NCCOAr'*+H2O

在环化期间有挥发物放出，容易在制品中产生空隙，因此C型PI较少用作复合材料的基体，一般作为膜和涂料使用。

高性能树脂加聚型聚酰亚胺（A型PI）主要代表是双马来酰亚胺。这些材料合成期间得到的是端部带有不饱和基团的低分子量聚酰亚胺应用时，再通过不饱和端基进行聚合，可以均聚，也可以共聚。双马来酰亚胺树脂：是由顺丁烯二酸酐和芳香二胺缩聚而成的。OCO+HN2COArNH2COOOCNArNCOC热变形温度300℃，交联度高高性能树脂但脆性大 2、热塑性高性能树脂聚芳醚酮，最重要的是聚醚醚酮（PEEK）英国ICI公司，1978年投入市场。OHOOH+F4,4'-二氟苯酮OF+NaCO3对苯二酚二苯砜220～320℃*OOn*半结晶高聚物da=1.265，dc=1.320,PEEK是一种特别坚固的材料，有优异的长期耐蠕变性，突出的动力学疲劳性，在高交变应αc＝48％，Tg=143℃,T以上℃具有良好熔融流动性，可用于注塑、力作用下，经几万次循环仍不破坏。在TmPEEKm=334抗张强度23℃100℃℃ 150℃挤塑、压层、纺丝等。加工温度371℃～399101Mpa 67 3PEEK有优良的化学稳定性，浓硫酸，氯磺酸除外。阻燃性良好，对α、β、γ射线有很强热变形湿度160℃的抵抗力。 200℃长期使用达5×104hPEEK具有柔性醚键，具有韧性，耐冲击性能高。 D聚砜（PSF）是分子链上含有砜基和芳香环的芳香族非晶热塑性高分子化合物。根据分子高性能树脂结构的不同，聚砜主要有三种类型：聚砜（双酚A型聚砜），聚芳砜和聚醚砜。 高性能树脂聚砜：（普通型）HOCH3CCH3OH+2NaOH+ClOSO4,4-二氯二苯砜CH3CCH3OSOCl聚芳砜OClSOOSCl+O联苯-HClO4,4-二苯醚磺酰氯?以砜和苯环连结成硬性链，可在-100～OO聚芳醚砜：*SOS*150℃下长期使用；nOOOOSS+6处于最高价，抗nO 氧化，耐辐射；抗蠕Tg热变形使用温度以砜和苯环连结成硬性链，可在-100～150℃下长期使用；S+6处于最高价，抗氧化，耐辐变，尺寸稳定。成型射；抗蠕变，尺寸稳定。成型温度太高，达300℃。 190℃温度太高，达170℃－100～聚砜300℃。150℃ －240～?可与碳纤维复合聚芳砜260℃用于宇航和汽车工220℃203℃180℃长期使聚芳醚砜业。用*OO*n

四、界面理论

1复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域

特点(1)具有一定的厚度；(2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化(在界面区域里化学组分、分子排列、热性能、力学性能可以表现为梯度变化)(3)随环境条件变化而改变。

2.复合材料的界面效应a传递效应：界面传递力的作用，将外力传递给增强物。起到基体与增强材料之间桥梁的作用。b阻断效应：界面有阻止裂纹扩展，减缓应力集中的作用 c不连续效应：在界面处产生物理性能不连续的现象，如，抗电性，电磁感应性 d散射和吸收效应：光波声波等在界面处散射和吸收，从而产生透光性，隔音性等 表面及界面化学基础e诱导效应：一种物质的表面结构使与之接触的另一种物质的表面结构发生改变 表面及界面化学基础3.如何用接触角来衡量液体对固体的浸润效果？ 2.接触角浸润也称润湿，可以定义为原来???slsv—液界面臵换cos?的固?—气界面被新的固?lv的过程。固体表面的润湿程度可以由?sv?lv?sv液体分子对其表面的作用力大小来表??sl时，cosθ征。在浸润过程中所释放的能量称为<0，θ>90 °，此时固体不为液体浸润；浸润功。?(?sv??sl)?0则1>cosθ>0，即0 °<θ<90 °，此时固体为液体所浸润；Dupre公式Wsl??lv(1?cos?)??sl??lv则cosθ=1，θ=0 °，此时固体表面可以被Young公式液体完全浸润，并获得最大粘附功。??sl??sv??lvcos? ?0导致接触角的滞后效应的原因： ①污染。②固体表面的粗糙度。 —液界在气、液、固三相交界处的气—液界面与固面之间的夹角 ③表面的化学不均匀性。表面上富集的杂质、晶格缺陷或者是由于不同的晶面性质而引起。 4.使增强体与基体间良好润湿的必要条件 基体的表面张力低于增强体的表面张力

临界表面张力：表征固体表面润湿性质的特征量 5. 界面特性对复合粘结体系性能的影响 (1)偶联剂处理时偶联剂官能团的特性作用 a同一官能团对不同固化体系的固化速度的改变是不同的 b放热峰有明显的改变，不同的偶联剂，对放热峰的正(或负)效应也是不同的，显然就会明界面特性对复合粘结体系性能的影响显地影响到固化速度 (2) 偶联剂分子结构及偶联结构的影响 2. 偶联剂分子结构及偶联结构的影响?钛酸酯偶联剂在增强体表面是线性的结合?硅烷偶联剂是一种刚性网络架结合θ角称为液相与固相之间的接触角，其确切定义为26

界面特性对复合粘结体系性能的影响?前者由于线型链在剪切作用下的变形及增塑作用，使流动体系所受阻力较小，流动效果好；而后者由于刚性网络的阻力，会影响体系的流动效果?作为阴离子型的硅烷偶联剂Z—6031，由于偶联剂分子中的电荷作用，使偶联剂层的刚性大大加强，体系流动阻力大大增加 6.概述增强体的表面特性对复合材料界面结合的影响。

A增强体表面的物理特性：主要是指其比表面积及表面形态结构。

a比表面积及多孔性: 增强体的比表面越大，增强体与基体粘合的物理界面大，所以对粘合强度的贡献大。同时，浸润效果的好坏，将直接影响复合材料的性能 b增强体表面的极性、均一性、结晶特性及表面能

极性的取决因素：增强体的分子结构、物质结构及外场的作用。 增强体表面的均一性实质上是指增强体表面的活性点分布的均一性，包括物理活性点及化学增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响活性点。这类活性点的分布，影响到增强体表面与基体的物理化学结合或化学结合效果。 ?高表面能的增强体与基体形成较强的界面结合?说明什么问题？Why???对于高细度的超微细粉末填料，由于极高的比表面积使其具有较高的比表面能，故具有极强的物理化学作用，未处理体系的界面结合比偶联剂处理的高。而对于颗粒大的普通体系，恰相反。 B增强体表面的化学特性:主要包括表面化学的组成和结构，表面的反应特性 增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响a玻璃纤维的表面化学组成（纤维整体的化学组成和表面化学组成通常不同） 1 . 玻璃纤维的表面化学组成、结构及反应性玻璃表面处于力表面力的不平衡状态有吸附外界物质的倾向表面结构?O —?Na—?Ca—水表面反应~Si—OD+H2O→~Si—OH+D++OH——?Si—D：碱金属或碱土金属—~Si—O—Si~+OH→~Si—OH+ ~Si—O~Si—O+H20——>~Si—OH+OH—— 7.树脂复合材料的界面结合理论（能解释问题） A润湿理论：指出，要使树脂对增强体紧密接触，就必须使树脂对增强体表面很好地浸润。受力情况要使增强体表面良好浸润，液态树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力。浸润理论认为树脂与增强体两相间的结合是属于机械粘接与润湿吸附 树脂基复合材料的界面结合理论平行于界面机械粘结作用大拉伸强度低―锚固‖点A剪切强度高受力方向垂直于界面拉伸剪切作用力拉伸强度提高 碳纤维复合材料的界面粘合强度随纤维表面晶体尺寸的增大而下降？纤维晶体尺寸增大，表面更为光滑，表面与树脂粘附性差，机械互锁作用低，界面结合强度下降 B化学键理论：该理论认为基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团能起化学反应。因此基体树脂与增强体之间形成化学键的结合，界面的结合力是主价键力的作用。 化学作用理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。如硅烷偶联刑具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团(X)，一端为亲树脂的官能团(R)，树脂基复合材料的界面结合理论树脂基复合材料的界面结合理论将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面上形成共价键结合 作用机理以玻璃纤维用乙烯基三氯硅烷处理后，用于增偶联剂处理后的玻璃纤维，在引发剂作用下与不饱和聚强不饱和聚酯树脂为例来说明作用机理酯发生如下反应，形成化学键结合。树脂基复合材料的界面结合理论H2CCSiHClClOH+H2OH2CClCSiHOHOH实际应用SiOHOH2CCSiHOSiOHOH+HOSiOOH2CCSiHOSiOHOH?当硅烷偶联剂分子结构带有不饱和键时，由于不饱HO和键可与聚酯树脂反应形HCH成共价键结合，故提高了聚酯玻璃钢的强度。OSiOO2CSiHOSiO偶联剂与玻璃纤维的界面反应界面反应 玻璃纤维/聚酯层压板的弯曲强度玻璃纤维处理所用偶联剂CH3-CH2-SiCl3CH2=CH-SiCl3弯曲强度（MPa）231500 当硅烷偶联剂分子结构带有不饱和键时，由于不饱和键可与聚酯树脂反应形成共价键结合，故提高了聚酯玻璃钢的强度。 树脂基复合材料的界面结合理论 碳纤维经硝酸处理后，表面产生-COOH等基团，可与环氧反应形成共价键结合，且随氧化时间增加，其浓度增加，与环氧反应生成化学键结合点增加。 2、可逆水解理论?可形变层理论、减轻界面局部应力理论。该理论认为，在玻璃纤维增强的复合材料中，偶联剂不是阻止水分进入界面，而是当有水存在时，偶联剂与水在玻璃表C可逆水解理论：在玻璃纤维增强的复合材料中，偶联剂不是阻止水分进入界面，而是当有面上竞争结合。由于硅烷偶联剂与玻璃表面的Si-OH基形成氢水存在时，偶联剂与水在玻璃表面上竞争结合。由于硅烷偶联剂与玻璃表面的Si-OH基形键的能力比水强，足以与水分子竞争表面，故驱去水而与玻璃成氢键的能力比水强，足以与水分子竞争表面，故驱去水而与玻璃表面键合。（可形变层理表面键合。论、减轻界面局部应力理论） ?两个竞争反应： 树脂基复合材料的界面结合理论两个可逆反应建立了键的形成与断裂的动态平衡，依靠这种动态平衡，在界面上起着如下几方面的作用：(1) 对水产生排斥作用。(2) 由于这种动态平衡，使界面上应力松弛。(3) 这种键的形成一断裂一形成的动态结合状态使树脂与增强体表面始终保持一定的粘合强度。树脂基复合材料的界面结合理论可逆水解理论对热固性树脂／玻璃纤维复合材料界面系统 的结合机理解释是很成功的，也说明了偶联剂在潮湿条件下使复合材料仍有良好的强度保留率的原因。可逆水解理论对热固性树脂／玻璃纤维复合材料界面系统的结合机理解释是很成功的，也说但是，对于柔性聚合物-热塑明了偶联剂在潮湿条件下使复合材料仍有良好的强度保留率性树脂情况能适用吗？的原因。但是，对于柔性聚合物-热塑性树脂情况能适用吗？ Why？硅醇单键水解时、由于键的断裂，使柔性聚合物表面收缩，引硅醇单键水解时、由于键的断裂，使柔性聚合物表面收缩，引起表面变形，不能再生成新键，水解就逐渐在界面上蔓延，直起表面变形，不能再生成新键，树脂基复合材料的界面结合理论至粘结完全丧失。 水解就逐渐在界面上蔓延，直至树脂基复合材料的界面结合理论粘结完全丧失。 4．静电作用理论5．界面反应或界面扩散理论当复合材料的基体及增强材料的表面带有异性电荷复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力，如图所示。静电相互作用的距离很短，仅在原子尺度量级内静电的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结作用力才有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作合。对于聚合物来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结(如图所示)。用。界面粘结机理示意图静电作用理论(electrostatic bonding)界面粘结机理示意图聚合物的反应粘结（reaction bonding）

8.树脂复合材料界面破坏理论（能解释问题）： 1.界面层的内聚破坏

树脂基复合材料界面的破坏机理2.界面层的粘结破坏

?树脂与纤维界面上的化学键是分散的:?裂纹发展受能量流散影响将是树脂自界面逐渐分离，键逐渐破坏，这样，应力没有集中于裂纹峰而逐渐消耗能量，引起脱粘破坏。

3.界面层的混合破坏

表面吸附：玻璃表面经多层吸附而形成厚的水膜，其厚度约为水分子的100倍，并且湿度愈大，吸附水层越厚，被吸附的水在玻璃表面上结合得异常牢固。 树脂基复合材料界面的破坏机理扩散浸入界面途径：树脂、界面的微裂纹；树脂内存在的杂质；复合材料内形成的气泡 树脂基复合材料界面的破坏机理1、水对玻璃表面的化学腐蚀作用?玻璃表面的碱性特征, 破坏玻璃纤维的硅氧骨架,使纤维强度下降。~Si—O—Si ~+OH→~Si—OH+ ~Si—O——3、水溶胀树脂导致界面脱粘破坏进入界面的水将使树脂发生溶胀，初期的溶胀将抵消在室温下的固化收缩，当溶胀超过了固化收缩时，则界面上产生拉伸应力，如图所示。当这种应力大于树脂对玻璃纤维的粘结力时，则玻璃纤维与树脂的界面遭受破坏。因此，较理想的状态是水溶胀和热收缩近似地平衡或热收缩稍大于水溶胀。4、水进入孔隙产生渗透压导致界面脱粘破坏2、水对树脂的降解?物理效应：水分子破坏高聚物内部的氢键及其它次价键，使高聚物增塑，性能下降。是可逆的过程，一旦水被驱走，性能可恢复。?化学效应：是不可逆的过程。由于树脂的水解引起大分子链的断裂，造成树脂层的破坏，树脂基复合材料界面的破坏机理进而引起界面脱粘，促使复合材料破坏。 ?当渗透压大于界面粘接力时，界面就发生脱粘，导致破坏?水进入界面的孔隙聚集形成微水袋，树脂内某些杂质溶于其中，使袋内形成浓度差，产生渗透压：∏=cRT 5、水促使破坏裂纹的扩展复合材料受力时，当所加应力引起弹性应变所消耗的能量δΕ，并超过了新形成表面所需的能量δσ和塑性变形所需的能量δω之和时，裂纹使会扩大，其关系式表示为：?E???????水的作用减弱了纤维的内聚能，从而减小了δσ，水在裂纹顶端脆化了纤维材料，因而减少了δω，可以看出，由于水的存在在较小的应力下，玻璃纤维表面上的裂纹就可向深处扩张。?水的腐蚀作用使纤维表面生成新的缺陷?凝聚在裂纹尖端的水，能产生很大的毛细压力。

五、聚合物复合材料增强材料

1纤维状增强材料的特点：①与同质地的块状材料相比，它的强度要高得多 ②纤维状材料具有较高的柔曲性。作用于圆柱上的力矩M及此圆柱段因力矩M所产生挠曲的曲率半径ρ，与圆柱的材料性质及断面尺寸有下列关系：1/（Mρ）=64/（Eπd4）③纤维状材料增强体具有较大的长径比（L/d） 2玻璃纤维的生产工艺：（1）坩埚法拉丝工艺，生产工艺由制球和拉丝两部分组成整个拉丝过程中加球和拉丝温度控制是由自动控制装置来完成的(2) 池窑漏板法拉丝工艺

玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3)等

分类：(1) 以玻璃原料成分分类：无碱玻璃纤维(通称E玻璃)； 中碱玻璃纤维

（2）以单丝直径分类特种玻璃纤维：粗纤维：30μm；初级纤维：20μm中级纤维：10μm～20μm；高级纤维：3μm～10μm(亦称纺织纤维)；超细纤维：单丝直径小于4μm。 (3) 以纤维外观分类：有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织)；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及磨细纤维等。

(4) 以纤维特性分类：以纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维)。

4.碳纤维的结构：条带模型；微原纤结构模型；皮芯结构（表皮层结构致密，取向度高；芯部结构排列紊乱，褶皱较多，孔隙多，不致密）；三维结构模型；葱皮结构 六、碳纤维的制备技术及表面上浆剂

1.碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。 （碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝，在隔绝空气的惰性气氛中(常压下)，元素碳

1 碳纤维的制备技术在高温下不会熔融，但在3500℃以上的高温不经液相，直接升华，所以不能熔纺。）

一般以有机纤维为原料制造碳纤维的过程：有机纤维预氧化处理高温碳化成碳原丝成环1 碳纤维的制备技术?近年来发展起来的纺制高强度和高取向度原丝的新方法：干湿法纺丝聚丙烯腈纤维强度高，杂质少，纤度均匀，细旦化等。

原丝的选择条件：基本条件：?固定长度上的质量加热时不熔融，可牵伸，且碳纤维产率高（成炭率高）。粘胶纤维?常用的碳纤维原丝：聚丙烯腈纤维、粘胶纤维、沥青纤维15沥青纤维干喷湿纺示意图21

2.干湿法纺丝的特点a喷丝孔孔径较大(0.1～0.3mm),可使高粘度纺丝液成纤；b可提高纺丝速度c易得到高强度高取向的原丝，且原丝结构均匀致密；d强度比湿纺原丝提高50%以上 3.预氧化：在200~300℃下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进行。

预氧化的目的： 使线型分子链转化成耐热梯形六元环结构，以使PAN纤维在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态，从而得到高质量的碳纤维。

预氧化过程的重要现象：纤维颜色变化（白→黄→棕褐色→黑色 ） 预氧化过程中可能发生的反应：

1、环化反应CCCCCNNNNNCCCCCNNNNN梯形，六元环耐热2、脱氢反应未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用而发生脱氢反应，形成以下结构：CCNNCNCNC3、吸氧反应?氧可以直接结合到预氧化丝的结构中，?主要生成－OH，－COOH，－C＝O等，也可生成环氧基。OOHOCOCCHCNNCHCN26OCOCCHCNOCHCCCHCNOCCHCNCHCNCOCCHCNCHCCNCNCNCNCCHC或 4碳化过程中的反应：在碳化过程中，纤维中非C原子（如N、H、O）被大量除去，预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联，转变为稠环状，形成了碳纤维。

5.碳纤维上浆原因：a碳纤维的伸长率低且脆，由于加工运动而产生的反复摩擦、拉伸和冲击，纤维会出现起毛、松散或劈丝等现象。b经过表面处理后的碳纤维表面能增加，容易吸附空气中的水分和杂质，上浆可以对纤维表面处理所得到的活性表面进行保护

C而上浆剂作为碳纤维与基体树脂之间的过渡粘结层，同时和碳纤维表面、基体树脂相互粘结，其粘结性能非常重要

6.碳纤维上浆剂的作用1. 集束作用2. 偶联剂作用3. 润滑作用4. 隔绝空气作用5. 纤维补强作用6. 润湿作用（通用型上浆剂：环氧树脂上浆剂 聚氨酯上浆剂 复合型上浆剂）

碳纤维上浆的工艺7.碳纤维上浆工艺：

上浆方法大体有滚筒上浆法、滚筒浸渍法和喷雾喷淋法三种。目前多用的是滚筒浸渍法，如下图所示。保持上浆液的浓度保证上浆槽的温度稳定保持上浆时碳纤维丝束的张力也非常重要，不能太松也不能太紧，使上浆剂能够充分渗透到丝束内部。对于12K和24K的碳纤维，最好在进入上浆槽之前进行扩幅，使每一根单丝都能够均匀上浆。上浆剂的用量一般控制在0.5-1.5%之间，55

碳纤维的半径上浆剂的厚度碳纤维的密度上浆剂的密度除去上浆剂的碳纤维质量纤维表面上浆剂的质量分数Vcf(1?a)a?/Vj?1?2Vcf?r2L?Vj?(r?h)2L??r2L2r+2h带有上浆剂的碳纤维质量碳纤维的半径碳纤维的密度上浆剂的密度2h×(1-a)×ρ2=ar×ρ1(1?a)a?r2L/??1?2?(r?h)2L??r2L57上浆剂的厚度纤维表面上浆剂的质量分数56七、界面处理技术——玻璃纤维

1.复合材料界面：指复合材料的基体与增强材料之间化学成分有显著变化、构成彼此结合的、能起载荷等传递作用的微小区域。

复合材料的性能决定于界面粘接状态、增强体表面形态、增强体基体相容性

2.界面处理技术作用：a偶联作用——同时与树脂和纤维反应，增强界面粘接b保护作用——保护玻纤表面，防止水分或有害介质侵入c改善界面状态——消除界面较弱结合点，保证应力有效传递d改善复合材料性能——改善耐水性、耐腐蚀性、耐热性 3.玻璃纤维所用的三大类偶联剂:a有机酸氯化铬络合物类偶联剂、有机硅烷类偶联剂、钛第二部分 复合材料界面处理技术酸酯类偶联剂（1）有机酸氯化铬络合物类偶联剂——铬络合物2Cr(OH)Cl2+RCOOH→RCOOCr2(OH)Cl4+H2O通常是用碱式氯化铬与羧酸反应而制得与铬原子配位的羧基必须是不饱和的丙烯酸乙二烯酸丙炔酸至少有一个作为核心的三价铬原子与一个羧基配位第二部分复合材料界面处理技术最常用的铬类偶联剂沃兰(Vo1an)一种有机酸铬络合物，它通常配成水、异丙醇或丙酮的溶液，该溶液是酸性的，一般是暗绿色，常用的是它的水溶液。甲基丙烯酰基第二部分复合材料界面处理技术4039沃兰处理剂与玻纤表面的作用可用如下表示：反应过程开始为水解过程水解后进行脱水反应形成铬-氧-铬键，产生正电性不溶聚合物覆盖层该覆盖层容易与玻璃纤维表面的羟基、羧基等发生反应形成硅-氧-铬键。41

第二部分复合材料界面处理技术（2）有机硅烷偶联剂种类多，效果明显。其结构通式为：RnSiX4-nR为有机基团，是可与合成树脂作用形成化学键的活性基团，如不饱和双键、环氧基、氨基等X为易水解的基团，如甲氧基、乙氧基等；n=1,2,3.大多数n=1X基团与玻璃纤维表面的作用机理：硅烷偶联剂处理玻璃纤维通常经历四个阶段：①开始时在偶联剂Si上的三个不稳定的X基团发生水解；②随后缩合成低聚体；③这些低聚体与基质表面上的-OH形成氢键;④最后在干燥或固化过程中与基质表面形成共价键并伴随着少量的水。 第二部分复合材料界面处理技术a当X为Cl离子时，由于在大量水中易水46解，并且很快形成高聚物，不能再在玻璃纤R基团与树脂基体的作用机理维表面上生成牢固的均匀薄膜，且水解中析出的Cl腐蚀性大，故目前已很少使用。 b当X为甲氧基、乙氧基时，水解速度较慢，与热固性树脂作用与热塑性树脂作用水解产物也比较稳定，因此，可以在水介质参与固化反应，与树脂基体形成中对玻璃纤维进行处理。由于乙氧基团比甲利用其结构相同统一的网络结构或相似、相容性好的特点，氧基大，降低该偶联剂在水中的溶解度和水解速度。故目前多采用含有甲氧基团偶联剂 与热塑性树脂长链分子缠结，或通过添加剂实现分子交联。c有时将X换成具有在水中较大溶解度的亲水基团，如乙烯基三乙氧基硅烷(CH2＝CH-S-(OC2H5)3) 在水中溶解度很小，换成乙烯基三乙氧基甲氧基硅烷(CH2=CH-Si-(OCH-CH2-OCH2)3)后就变成52水溶性的了，使用很方便，处理后的玻璃纤维具有很好的柔软性。 （3）钛酸酯类偶联剂

补充：新品种硅烷偶联剂:①耐高温型硅烷偶联剂（腈苯基、氯苯基、溴苯基、甲苯基、胺苯基的硅烷偶联剂）②过氧化物型硅烷偶联剂③阳离子型硅烷偶联剂④水溶性硅烷偶联剂 4.玻璃纤维表面处理方法:

①后处理法:此法分两步进行，先用洗涤法或灼烧法除去拉丝过程中涂覆在玻纤表面的纺织型浸润剂，再经处理剂溶液浸渍、烘焙、水洗、烘干等工艺使玻纤表面被覆上一层偶联剂。 ②前处理法:将偶联剂加入到上述的浸润剂中，在拉丝过程中表面处理剂就被覆到玻璃纤维表面上。用这种被覆了增强型浸润剂的纤维织成的玻璃布称为前处理布。 ③迁移法:迁移法系将处理剂直接加入树脂胶液中进行整体掺和，在浸胶的同时将偶联剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液中到纤维表面的“迁移”作用而与纤维表面发生反应，在树脂固化过程中产生偶联作用。(其中前处理法和迁移法可配合使用)

5.涂覆单分子层所需硅烷偶联剂的量=（100g增强材料的表面积）/（1g硅烷偶联剂的最小涂覆面积）例如：欲处理材料的比表面为7m2/g。由表6.3查得KH—560偶联剂的最小涂覆比表面为330m2/g ，欲处理该材料100g，则所需偶联剂量为：100×7/330=2.1(g) 6.影响偶联剂效果的因素：

第二部分复合材料界面处理技术影响偶联剂作用效果的因素处理方式的选择烘焙温度的选择烘焙时间的选择处理液配制方式第二部分复合材料界面处理技术用KH-550处理时，预烘条件相同，烘焙温度则为180℃用沃兰偶联剂，采用的预烘条件为80℃经3min后再在140—160℃下烘焙。用沃兰处理时，一般时间为7-15min，用KH-550处理时，在10min左右。处理液的配制及使用，直接影响着处理效果，特别应严格控制处理液的pH值。碳纤维？？ 7.玻璃纤维使用硅烷偶联剂的主要品种1.γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（国内KH570；国外A174）2. γ-氨丙基三乙氧基硅烷（国内KH550；国外A1100 ）3. γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（国内KH560；国外A187 ） 八、复合材料界面处理技术——碳纤维 1碳纤维：经过1300-1600℃高温碳化制得含碳量高达93%以上新型碳材料（乱层石墨结构）

经过1300-1600℃高温碳化制得的含碳量高达93%以上的新型碳材料。纤维状碳材料的分类碳素纤维低于93%碳纤维在93-99%石墨纤维99%以上 2.提高碳纤维拉伸度采取的方法： CVD法的概念：基于化学反应的薄膜沉积方法，以气体形式提供反应物质，在热能、等离子体和紫外光的作用下，在衬底表面经化学反应形成固体沉淀。为了提高碳纤维拉伸强度CVD液相浸渍降低表面缺陷干喷湿纺—T700以上的新型纺丝方式，经喷孔出来的纺丝液细流先经干段空气层后，再进入凝固浴，纺丝速度快，纤维致密。表面光滑度提高，强度提高，但是比表面积较小(一般不超过1m2/g)碳纳米管锚定效应降低干喷湿纺各种表面增强

3.碳纤维性能测试

A碳纤维比表面积测试：比表面积——BET法； 活性比表面积——ESCA法

B表面粗糙度变化—表面凹凸度测试

引入不同原子改善润湿的顺序：N>O>I>Br>Cl>H>F 4.表面能是增加单位面积的表面所需要做的功

表面张力：液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力 表面处理方法很多，在线配套方法较少（阳极电解氧化、臭氧氧化法）

利用碳纤维的导电性将其作为阳极板阴极既要导电，又要耐腐蚀，一般采用石墨板不锈钢板、镍板或者铂金阳极电解氧化装置示意图第二部分复合材料界面处理技术电解质可选用酸、碱或者盐。酸性电解质有：硝酸、硫酸、磷酸或者硼酸；碱类电解质：氢氧化钾氢氧化钠、氢氧化钙等盐类电解质：磷酸钾、磷酸氢钾、磷酸氢钠等。石墨块适宜阴极材料，可用纤维织物包裹石墨块防止阳极短路电解液的浓度必须保证电解过程顺利进行，电解过程需要不断补充电解液以维持其消耗。处理前处理后阴极辊采用陶瓷材质制备，主要耐腐蚀第二部分复合材料界面处理技术电解液参数对表面处理作用的影响铵盐阳极氧化法主要的电解液及其特性？硝酸水溶液碳酸氢铵磷酸水溶液电解液种类处理温度时间电流密度电解液浓度5%的磷酸水30%的硝酸目前碳酸铵、溶液进行阳极铵离子可以水溶液的电解碳酸氢铵使用氧化，经过提高碳纤维的效果好，但硝酸较多，尤其是水洗、干燥，亲水性，改善属于强酸，操作在线配套使用。并在400度空气12K以上丝束的环境恶劣，腐蚀中氧化50h，腐蚀性较弱，浸渍性，丝束性强，设备故障ILSS提高，不会引入金属中部容易润湿。排除困难。在线离子杂质。碳纤维拉伸强配套使用较少。也得到提高。5.阳极氧化水洗工艺 电解质（硝酸、磷酸、硫酸、醋酸、碳酸铵、氢氧化钠）中，酸性电解质和盐类电解质对CF 表面酸性官能团的含量有明显的影响，而碱性电解质的影响不显著

第一部分复合材料界面处理技术水洗工序阳极氧化处理后，需要经过水洗工序，用去离子水洗去碳纤维表面残留的电解质。可以采用浸渍型水洗工艺，也可以采用喷淋水洗。测量洗涤水的电导率判定洗涤是否彻底。6阳极氧化评价方法

第二部分复合材料界面处理技术用电压扫描法测量单位面积的电流ipa?线密度--单位长度上的质量；体密度--单位体积上的质量线密度/体密度=单位长度上的体积（πr2L，其中L=1）所以，（4π×πr2×单丝数）0.5=束丝的总周长阳极氧化的评价方法ipa=i(μA)/试样长(cm)×(4π×线密度/密度×单丝数)0.5由试样线密度与体密度计算出表面积，除以电流值i即可得到ipa一般ipa在0.1-0.4μA/cm2时，可充分发挥碳纤维的拉伸强度。电流密度超过0.4μA/cm2时，深度氧化使碳纤维强度下降。 7.臭氧氧化法：用于碳纤维表面处理的臭氧主要由臭氧发生器和紫外辐照灯提供。 在阳极氧化过程中，电流密度过紫外灯常采用低压汞灯 大，过度氧化会严重损坏碳纤维表第二部分复合材料界面处理技术气液双效法是指液相涂布后空气氧化，使碳纤维的拉伸强度和复合材料的层间剪切强度双面，不同氧化程度对碳纤维表面形态结构影响的SEM双得到提高。 图，如图所示。所以，在阳极氧化过程中要适当控制电流密度，缓和氧化。液相涂层的溶质含量较低，在1%以下，且溶质分子具有一定活性，可沉积在碳纤维表面孔隙缺陷中，起到补强的作用，有利于碳纤维拉伸强度的提高。同时碳纤维表面纳米级的涂层在后续的空气氧化过程中保护其表面免受空气的直接氧化。空气氧化有两个作用：一是使涂层溶剂挥发，固定溶质于孔隙缺陷中或其表面；二是对残留下的溶质进行氧化，引入含氧官能团。 8.碳纤维表面处理评价方法

碳纤维表面处理的评价方法第二部分复合材料界面处理技术WXRDLRS评价方法较多XPSSEMILSS 九、复合材料理论力学性能

1.细观力学：根据增强体和基体性能及相互作用来了解复合材料（更多的是单向复合材料）的特性，用近似的模型来模拟复合材料的细观结构，然后根据复合材料组分的性能来预测材料的平均性能。

宏观力学：依据单向复合材料的物理和力学试验所得到的结果来进行分析。

即根据单向复合材料的纵向弹性模量E1、横向弹性模量E2、主泊松比ν12、面内剪切模量G12以及适当的强度平均值，用宏观力学方法来设计或预测复合材料的性能。 细观力学主要是根据材料微区的细观行为来预测和了解这些“平均”性能，而不是获得精确的设计数据。但两方法均以复合材料的组分特性来确定复合材料的弹性模量和强度。 第三部分复合材料力学及物化复合规律2力学性能常数 第三部分复合材料力学及物化复合规律21（1）单向板的纵向弹性模量E1M由(1)式可知，若Ef＞Em，纤维的应力大于基体的应力，即σf＞σm。这当然就是纤维增强的基础，因为未变形元FW纤维要承受大部分外加载荷。L变形假设?外加应力作用在由纤维横截面积Af和基体横截面外加应力ε=ε=ε积Am组成的复合材料横截面积A上（复合材料截面A由确定EAf+Am构成），由于纤维和基体平行的承受应力，承截σσF力由f，m联合，所以有：L+ΔL?σ1·A=σf·Af+σm·Am(2)载荷沿平行于纤维方向作用于单向板上时，实际上是一个?设复合材料中纤维体积含量为Vf，基体体积含量Vm为，并联模型。由假设复合材料最终应变、基体应变和纤维应变是则有：Vf=Af/A, Vm= Am/A，Vf+Vm=1 (3)第三部分复合材料力学及物化复合规律相同的：ε1=ε1m=ε1f,，若复合材料、基体（m）及纤维（f）所承受的应力分别为σ1，σm，σf ，相应的弹性模量分?(2)式改写成：别是E1，Em，Ef，则有：?σ1＝σf·Vf+σm·Vm(4)M11f1m1?M11Mσ1＝E1×ε1，σm＝Em×ε1，σf＝Ef×ε1 (1)将(1)式代(4)式，则得：E1＝Ef·Vf+ Em·Vm(5)或E1= Ef·Vf+ Em·(1-Vf）(6)(5)式或(6)式表示复合材料性能与复合材料组成性能之间的关系，称之为―混合定律‖。 （2）单向板的横向弹性模量E2第三部分复合材料力学及物化复合规律??根据上图模型，体积元是沿纤维轴向切割的一材料薄片，垂直于纤维的横向载荷等同作用在纤维和基体上，即可以看作纤维与基体的串联模型，两者承受外加应力相同σε=σε2f= σ2m= σ2，此时纤维、基体、复合材料应变分别：f=σ2/Ef ；εm=σ2/Em；2由于变形在宽度2/E2(7)?W上产生，增量ΔW?ΔW=ΔWf+ΔWm? ?或ε2W=εf(VfW)+ εm(VmW) (8)?（3）第三部分单向板的主泊松比复合材料力学及物化复合规律ν12?主方向指增强纤维轴向。主泊松比ν由于主方向为伸长，横向为收缩，为保证12指由于纤维方向拉伸引起横向的收缩比ν12为正值，故在ε2/ε1前加上负号，即?ν12=-ε2/ε1(12)?由图所示，横向变形增量由下式给出:?ΔW=ΔWf+ΔWm?或ε2W=ε2f(VfW)+ε2m(VmW) (13)?将泊松比定义代入(13)中表示右侧ε2则有?ε2W=-v12ε1W=-νfε1f(VfW) –νmε1m(VmW) (14)?由于ε1=ε1f=ε1m而且-ε2/ε1＝ν12?（14）变为?ν12=νfVf+νmVm(15)?这是泊松比服从混合定律的一种表达式。第三部分复合材料力学及物化复合规律?（1）单向板的纵向拉伸强度?对均匀强度的纤维单向板，其纵向强度可以用最简单的分析方法。所谓均匀强度的纤维指的是同一根纤维上各处强度相等，而且每一根纤维间的强度也相等。这样，就可以假设所有纤维在同一应力水平下，在同一时间内，而且在同一平面内断裂。 ?虽然这一假设很不真实，但这是材料强度性能进一步分析的起点。

第三部分复合材料力学及物化复合规律?（1）复合材料单向板纵向拉伸中的纤维拔出?复合材料单向板在纵向拉伸破坏时，在断裂面分离前，可见到发生纤维与树脂的开裂，两断裂面由纤维连在一起。?如上图所示，当单根纤维埋在基体中的长度为，纤维直径为2r，纤维强度为。?如果界面的剪切强度是，要造成粘结破坏，在纤维上需加的拉应力可近似的由拉应力与剪应力的平衡来确定，则有：?r2??2?rle?第三部分复合材料力学及物化复合规律?在纤维脱粘后，实际上拔出纤维所需的应力并不为零，这是因为在拔出纤维时，还存在这摩擦力，它阻止纤维从树脂基体中滑出。图中所示是纤维拔出的应力变化。将纤维部分埋入基体树脂后，拔出纤维时的应力-位移曲线。在此曲线上对应一个脱粘的峰值在脱粘后，应力陡然下降，但仍维持在一个大致为恒定的值。这个摩擦力通常是由于固化过程中的树脂化学反应收缩和热收缩所造成的残余应力。此外，脱粘时作用在纤维上的应力减小，由于泊松比引起纤维直径的增大，导致纤维表面的压力增加。?与前面确定E1的模型一样，若纤维于基体之间牢固结合，对于单向板进行平行于纤维轴向拉伸时，纤维和基体所经受的应变相等，即有：?1??f??m?1?1?利用导出的计算E1的混合定律公式，假定在纤维和基体仍然保持弹性和良好粘结，则可以进行如下推导：E1?EfVf?Em(1?Vf)?1?E1?,?m1?Em?,?f?Ef1??1?E1?1?Ef?1Vf?Em?1(1?Vf)?1?E1?1??fVf??m(1?Vf)4.评价复合材料耐热性的方式：玻璃化转变温度，热变形温度 第三部分复合材料力学及物化复合规律 ?衡量阻燃性的指标?1、氧指数（OI）?以氧指数作为聚合物阻燃性的判据是1966年美国通用公司的Fenimore和Martin根据材料在不同氧浓度中的燃烧情况，反复测定了使材料持续燃烧所需的最低氧浓度，得到了很好的重复性，提出了―氧指数‖的概念。它是指聚合物着火后刚够维持燃烧时氧气在试验气体(氧、氮混合气体)中的最小百分含量。?OI?[O2]?100%[N2]?[O2]塑料的氧指数越小，说明其连续燃烧所需氧气的浓度越低，材料越易燃；反之，塑料的氧指数越大，说明其连续燃烧所需氧气的浓度高，材料越不易燃。

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