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淺談復(fù)合材料

復(fù)合材料：
由兩種或兩種以上不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，通過(guò)不同的工藝方法，以人工合成的多相材料。
復(fù)合材料為多相結(jié)構(gòu)，一類為基體，另一類為增強(qiáng)相。盡管復(fù)合材料的定義的細(xì)節(jié)有所不同，但其要點(diǎn)是共同的。
1、含有兩種以上不同的成分。
2、具有每種成分所不具備的優(yōu)良性能。
復(fù)合材料既保持組成材料各自的最佳特性，又具有組合后的新特性，其性能明顯優(yōu)于原組成材料。

復(fù)合材料的分類：
A：纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料
B、金屬基復(fù)合材料
C、陶瓷基復(fù)合材料。
復(fù)合材料可以有很多種分類方法：
1、按性能不同：可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。
2、按增強(qiáng)材料的種類和形狀，又可分為顆粒、晶須、層狀及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
3、按增強(qiáng)基體不同，又可分為金屬基復(fù)合材料(MMC)和非金屬基復(fù)合材料，如鋁(鋁合金)基復(fù)合材料、鈦(鈦合金)基復(fù)合材料、銅(銅合金)基復(fù)合材料、鋼(鐵)基復(fù)合材料、塑料(樹(shù)脂)基復(fù)合材料(PMC)、橡膠基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等(CMC)等。

復(fù)合材料的性能特點(diǎn)：比強(qiáng)度和比模量高：
強(qiáng)度和彈性模量與密度的比值分別稱為比強(qiáng)度和比模量，比強(qiáng)度和比模量是材料承載能力的重要指標(biāo)。材料的比強(qiáng)度越高，在同樣強(qiáng)度下零構(gòu)件的自重越小、比模量越高，在模量相同條件下零構(gòu)件的剛度越大。這對(duì)要求減輕自重和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零構(gòu)件是非常重要的。

復(fù)合材料的性質(zhì)：可以分為三大類：
1、內(nèi)在性質(zhì)：又稱為基本的材料性質(zhì)，可以進(jìn)行精確的可重復(fù)的測(cè)量。
2、加工性質(zhì)則是決定材料加工的可能性以及此種加工操作效果的某些內(nèi)在性能的總和。
3、復(fù)合材料制件性質(zhì)又稱為產(chǎn)品性質(zhì)。在加工過(guò)程中又附加上一些性質(zhì)，如形狀和方向性。正是一定的內(nèi)在性質(zhì)和附加性質(zhì)的總和決定了產(chǎn)品性質(zhì)。
復(fù)合材料的最大特點(diǎn)是適應(yīng)性廣，可以通過(guò)改變組分類型、用量配比、工藝條件等方法來(lái)滿足使用要求。

聚合物基復(fù)合材料：
作為機(jī)械工程材料，高分子聚合物的最大優(yōu)點(diǎn)是密度小、耐腐蝕、可塑性好、易加工成型，但其最主要的缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、彈性模量低、耐熱性差。改善其性能最有效的途徑是制備成復(fù)合材料。在聚合物基復(fù)合材料中，以纖維增強(qiáng)效果最好、發(fā)展最快、應(yīng)用最廣。

復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)材料兩部分組成。聚合物基復(fù)合材料是以有機(jī)聚合物為基體，連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料。纖維的高強(qiáng)度、高模量特性，使它成為理想的承載體。粘接性能好、模量較低的樹(shù)脂基材料把纖維牢固地粘接起來(lái)，同時(shí)，基體又能使載荷均勻分布，并將載荷傳遞到纖維上去。由此可知，纖維和基體之間接口的結(jié)合也是非常重要的。聚合物基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)纖維為玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、Kevla (芳綸) 纖維及其織物、毯等，基體材料分為熱固性塑料(如不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚酫樹(shù)脂、昳喃樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂等)和熱塑性塑料(如尼龍、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等)。這類材料的復(fù)合與制品的成型是同時(shí)完成的。常用的成型方法有手糊法、噴射法、反制法、纏繞成型法、離心成型法和袋壓法等。廣泛使用的是玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料、硼纖維增強(qiáng)塑料、碳化硅纖維增強(qiáng)塑料和Kevlar纖維增強(qiáng)塑料。

在基體材料中，其它的成分還有：固化劑、增韌劑、稀釋劑、摧化劑等。這些補(bǔ)助材料是復(fù)合材料基體不可缺少的成分。由于這些成份加人，使復(fù)合材料具有各種各樣的使用性能。改進(jìn)了工藝性、降低了成本，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。在復(fù)合材料發(fā)展過(guò)程中，輔助材料的研究是很重要的?？梢哉f(shuō)沒(méi)有輔助材料的配合就沒(méi)有復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。

聚合物的結(jié)構(gòu)：
A、聚合物的分子鏈由很大數(shù)目(1000~100000的數(shù)量級(jí))的結(jié)構(gòu)單元組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元相等于一個(gè)小分子。一條長(zhǎng)鏈主要由兩價(jià)結(jié)構(gòu)基團(tuán)連接而成，也可以由三價(jià)或四價(jià)基團(tuán)連成。這些結(jié)構(gòu)單元可以是相同的(均聚物)也(是不同的(共聚物)。聚合物中常兄的結(jié)構(gòu)基團(tuán)是通過(guò)共價(jià)鍵連成不同的結(jié)構(gòu)，如線形的、支形的或網(wǎng)狀的絡(luò)構(gòu)。
B、鏈長(zhǎng)有限的聚合物分子含有官能團(tuán)或端基，其中端基不是重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的一部分。它們與其它可反應(yīng)基因的反應(yīng)用量以及反應(yīng)后的性能是非常重要的。即使在聚合物間存在程度很小的交聯(lián)，也將對(duì)其物理、力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。
C、聚合物分子鏈的作用力對(duì)于聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有密切關(guān)系。一般聚合物的主鏈都有一定的內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度，使大分子具有無(wú)數(shù)的構(gòu)象，具有柔性。如果組成聚合物分子鏈的化學(xué)鍵不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，或結(jié)構(gòu)單元間有強(qiáng)烈的相互作用，則形成剛性鏈，使高分子鏈具有一定的構(gòu)象和構(gòu)型。

綜上所述，聚合物分子鏈接構(gòu)，指的是單個(gè)聚合物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，包括重復(fù)單元的本性、端基的本性、可能的支化和交聯(lián)與結(jié)構(gòu)順序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形態(tài)等。聚合物分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)指的是聚合物材料本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、取向結(jié)構(gòu)和組態(tài)結(jié)構(gòu)等。

聚合物的性能：
1、聚合物的力學(xué)性能與復(fù)合材料的力學(xué)性能無(wú)疑有密切的關(guān)系，但是由于種種因素的影響，一般復(fù)合材料用的熱固性樹(shù)脂固化后的力學(xué)性能并不高。決定聚合物強(qiáng)度的主要因素是分子內(nèi)及分子間的作用力，聚合物材料的破壞，無(wú)非是聚合物主鏈上化學(xué)健的斷裂或是聚合物分子鏈間相互作用力的破壞。
常用熱固性樹(shù)脂的力學(xué)性能：
性能         酚醛樹(shù)脂         環(huán)氧樹(shù)脂         聚酯樹(shù)脂
密度/(g/cm3)    130~1.32         1.10~-1.23        1.10~1.46

2、聚合物的耐熱性能：聚合物在受熱過(guò)程中將發(fā)生兩種變化。一種是物理變化即軟化與熔融，一種是化學(xué)變化即環(huán)化、交聯(lián)、降解、氧化或水解等。

從聚合物結(jié)構(gòu)上分析，為改善材料耐熱性能，聚合物需具有剛性分子鏈、結(jié)晶性或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。就是所謂馬克三角原理。
作為結(jié)構(gòu)件使用的復(fù)合材料的基體，為提高耐熱性，首先是選用能產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚合物，如聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂等。此外，溫度和時(shí)間工藝條件的選擇會(huì)影響聚合物的交聯(lián)密度，因而也影響耐熱性。

聚合物的熱穩(wěn)定性能：
是一種量度聚合物耐熱性能的指針。在高溫下加熱聚合物可以引起兩類反應(yīng)，即降解和交聯(lián)。降解指聚合物主鏈的斷裂，它導(dǎo)致相對(duì)分子質(zhì)量的下降，使材料的物理力學(xué)性能變壞。交聯(lián)是指某些聚合物交聯(lián)過(guò)度而使聚合物變硬、發(fā)脆使物理力學(xué)性能變壞。聚合物的熱降解是化學(xué)鍵的斷裂。因此，組成聚合物分子的化學(xué)鍵能越大，材料就越穩(wěn)定，耐熱分解的能力就越強(qiáng)。

聚合物與增強(qiáng)材料粘附力是聚合物分子與增強(qiáng)纖維表面間的物理作用和化學(xué)作用的總和。物理作用包括氫鍵力和范德華力，化學(xué)作用是聚合物分子與纖維分子間通過(guò)化學(xué)鍵而發(fā)生的作用。
材料的力學(xué)性能：                             密度g/cm3
鋼                                            7.8
鋁合金                                        2.8
鐵合金                                        4.5
玻璃纖維復(fù)合材料                              2.0
碳纖維Ⅱ/環(huán)氧復(fù)合材料                         1.45
碳纖維I/環(huán)氧復(fù)合材料                          1.6
有機(jī)纖維/環(huán)氧復(fù)合材料                         1.4
硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料                           2.1
硼纖維/鋁復(fù)合材料                             2.65

玻璃纖維增強(qiáng)塑料：
也稱玻璃鋼，按塑料基體性質(zhì)可分為：1、熱塑性玻璃鋼 2、熱固性玻璃鋼。
熱塑性玻璃網(wǎng)是由體積分?jǐn)?shù)為20% ~40%的玻璃纖維與60% ~ 80%的熱塑性樹(shù)脂組成，具有高強(qiáng)度和高沖擊韌度、良好的低溫性能及低熱膨脹系數(shù)。

熱塑性玻璃綱的性能：
尼龍66      ABS       聚苯乙烯      聚碳酸酯
密度g/cm3     1.37         1. 28       1.28           1.43

熱固性玻璃鋼是由體積分?jǐn)?shù)60% ~70%的玻璃纖維與30% ~ 40%的熱固性樹(shù)脂組成，其主要優(yōu)點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高。比強(qiáng)度超過(guò)一般高強(qiáng)度鋼和鋁合金、鈦合金，耐腐蝕、絕緣、絕熱性好，吸水性低，防磁、微波穿透性好、易于加工成型。缺庶是彈性模量低，只有結(jié)構(gòu)鋼的1/5~1/10，剛性差。

熱固性玻璃鋼的性能：
聚酯樹(shù)脂        環(huán)氧樹(shù)脂         酚醛樹(shù)脂
密度/ (g/cm3)       1.7~1.9          1.8~2.O           1.6~1.85
改進(jìn)聚合物的力學(xué)性能，常用的方法就是采用堅(jiān)韌的纖維(通常是玻璃纖維)增強(qiáng)塑料基體材料，把聚合物樹(shù)脂變?yōu)閺?fù)合材料。

橡膠基復(fù)合材料：
橡膠具有彈性高、減振性好、熱導(dǎo)率低、絕緣等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度和彈性模量低、耐磨性差。為了改善橡膠制品的性能，可用增強(qiáng)顆粒或纖維與其復(fù)合，制備成顆粒增強(qiáng)橡膠或纖維增強(qiáng)橡膠制品。

1、顆粒增強(qiáng)橡膠：在橡膠工業(yè)中，常使用大量輔助材料改善橡膠的性能。增強(qiáng)效果最好的是補(bǔ)強(qiáng)劑，如炭黑、白炭黑、氧化鋅、活性碳酸鈣等。補(bǔ)強(qiáng)劑的細(xì)小粒子填充到橡膠分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成一種特殊的接口，使橡膠的抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性都顯著提高。
炭黑對(duì)橡膠的增強(qiáng)效果：   硫化后的抗拉強(qiáng)度/Mpa        增強(qiáng)效果
                        未加炭黑     加炭黑       未加炭黑/加炭黑
天然橡膠                20~30        30~34.5            1~1.6
氯丁橡膠                15~20        20~28             1~1.8
丁苯橡膠                2~3          15~25             5~12
丁晴橡膠                2~4          15~25             4~12

2、纖維增強(qiáng)橡膠：纖維增強(qiáng)橡膠制品主要有輪胎、帶、橡膠管、橡膠布等。這些制品除了應(yīng)具有輕質(zhì)高強(qiáng)的性能外，還必須柔軟并具有較高彈性。這要求增強(qiáng)纖維具有強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率低、耐撓曲、物理性能均勻一致、蠕變性小、與橡膠有良好的粘接性等性能。常用的增強(qiáng)纖維有天然纖維、人造纖維、合成纖維、玻璃纖維、金屬絲(如鋼絲簾子線等)。增強(qiáng)纖維與橡膠通常經(jīng)過(guò)提煤、混煉、涂覆、擠出、壓延、成型、硫化等工序制備成纖維增強(qiáng)橡膠制品。纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料強(qiáng)度、抗摩擦磨損性能都有較大提高。

環(huán)氧樹(shù)脂基耐磨復(fù)合材料：
1、Al2O3顆粒增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基耐磨復(fù)合材料涂層已日益廣泛應(yīng)用于工作在漿體沖蝕磨損工況下的工件(如泥漿泵的表面，作為耐沖蝕保護(hù)涂層，也用于腐蝕、磨損面的修補(bǔ)。這類復(fù)合材料涂層的沖蝕磨損由樹(shù)脂基體的磨損和填料顆粒的磨損組成，磨損后基體材料出現(xiàn)塑性交形唇，即基體具有半塑性的沖蝕磨損特性。同時(shí)，若基體材料的塑性、韌性絞差，當(dāng)塑性交形量累積到一定程度時(shí)，基體就含出現(xiàn)裂紋，并以片狀或塊狀等形式脫落，斷口形貌有明顯的脆性斷裂特征。
填料顆粒的磨損主要有兩種形式：顆粒的脆性破碎和整體脫落。脆性破碎主要發(fā)生在顆粒的尖角部分和薄弱的邊緣部分。若填料顆粒的粒形校為圓整，則復(fù)合涂層的耐磨性將有所增加。
改善環(huán)氧樹(shù)脂基體的韌性以及優(yōu)化填料結(jié)構(gòu)是提高涂層耐磨性的有效途徑。使用聚氨酯預(yù)聚體改性環(huán)氧樹(shù)脂為基體，通過(guò)添加不同體積分?jǐn)?shù)和不同級(jí)配的Al2O3顆粒，制備出一種新型的耐磨復(fù)合涂層材料。

2、納米陶瓷增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料作為填料，環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，制備的納米陶瓷增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有較好的抗摩擦磨損性能。

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