1、復合材料原理江蘇大學材料學院1第二章 復合材料的復合原理及界面2.1 復合原則2.2 彌散增強及顆粒增強原理 2.3 單向連續(xù)纖維增強原理 2.4 短纖維增強原理2.5 混雜增強原理2.6 復合材料界面及其改性2.7 復合材料界面表征22.7 復合材料界面表征界面形態(tài)及界面層結(jié)構(gòu)的表征界面結(jié)合強度的表征界面殘余應力的表征增強體表面性能的表征3思考題1、界面結(jié)合強度表征有哪些方法？你認為哪一種或哪幾種方法比較具有發(fā)展前途，為什么？(脫粘、頂出、拔出、動態(tài)加載、聲發(fā)射、扭辮分析、宏觀)2、你認為在復合材料界面結(jié)構(gòu)表征與復合材料宏觀力學性能之間還有哪些工作需要完善，你有什么好的建議？ (界面層厚度與

2、結(jié)構(gòu)圖像分析，快速獲得統(tǒng)計結(jié)果和分布、結(jié)構(gòu)與界面結(jié)合強度之間的關系、非破壞性觀察)4在復合材料中，粘結(jié)在基體內(nèi)以改進其機械性能的高強度材料稱為增強材料。增強材料有時也稱作增強體、增強劑等。增強材料共分為三類：纖維及其織物、晶須、顆粒。第三章 復合材料的增強材料5一、纖維及其織物玻璃纖維碳纖維硼纖維氧化鋁纖維碳化硅纖維芳綸纖維 6纖維簡介天然纖維強度較低，來源有限。植物纖維棉花、麻類；動物纖維絲、毛；礦物纖維石棉?，F(xiàn)代復合材料的增強材料用合成纖維。纖維在復合材料中起增強作用，是主要承力組分。纖維不僅能使材料顯示出較高的抗拉強度和剛度，而且能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度等。7纖維可分為無

3、機纖維和有機纖維。纖維增強復合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纖維后，拉伸強度可從25MPa提高到100MPa，彈性模量可從3000MPa提高到8000MPa，其熱變形溫度可從85提高到105 ，-40以下的沖擊強度可提高10倍。81、玻璃纖維2、碳纖維 3、硼纖維4、氧化鋁纖維5、碳化硅纖維6、其他纖維（一） 無機纖維9玻璃纖維簡介及分類玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學組成玻璃纖維的物理性能與化學性能玻璃纖維及其制品的制造工藝玻璃纖維制品的性能及應用、玻璃纖維（Glass Fiber, GF）101）玻璃纖維簡介及分類隨著玻璃鋼工業(yè)的發(fā)展，玻璃纖維工業(yè)也得

4、到迅速發(fā)展。國外玻璃纖維的主要特點如下：、普遍采用池窯拉絲新技術；、大力發(fā)展多排多孔拉絲工藝；11C、大量生產(chǎn)無堿纖維；、大力發(fā)展無紡織玻璃纖維織物，無捻粗紗和短切纖維氈片所占比例增加；、重視纖維樹脂界面的研究，偶聯(lián)劑的品種不斷增加，玻璃纖維的前處理受到普遍重視。12圖1 玻璃纖維和玻璃鋼制品13我國玻璃纖維工業(yè)誕生于1950年，當時只能生產(chǎn)絕緣材料用的初級纖維。1958年以后，玻璃纖維工業(yè)得到迅速發(fā)展，纖維品種呈現(xiàn)出多樣化特點。現(xiàn)在全國有大、小玻璃纖維廠家200多個，玻璃纖維年產(chǎn)量為5萬噸，纖維直徑多數(shù)為6-8um，正向粗纖維方向發(fā)展。14玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類方法很多。通常從玻璃原料

5、成分、單絲直徑、纖維外觀及纖維特性等方面進行分類。以玻璃原料成分分類主要用于連續(xù)玻璃纖維的分類。一般以不同的含堿量分為四類。無堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、有堿玻璃纖維、特種玻璃纖維。15無堿玻璃纖維(通稱E玻纖)，以鈣鋁硼硅酸鹽組成的玻璃纖維，強度較高，耐熱性和電性能優(yōu)良，能抗大氣侵蝕，化學穩(wěn)定性也好(但不耐酸)。無堿玻璃纖維最大的特點是電性能好，因此也把它稱做電氣玻璃。國內(nèi)外大多數(shù)都使用這種破璃纖維作為復合材料的原材料。國內(nèi)規(guī)定其堿金屬氧化物含量不大于0.5，國外一般為1左右。無堿玻璃纖維16中堿玻璃纖維它是指堿金屬氧化物含量在11.5 12.5之間的玻璃纖維。國外沒有這種玻璃纖維，它的主要特

6、點是耐酸性好，但強度不如E玻璃纖維高。它主要用于耐腐蝕領域中，價格較便宜。17有堿玻璃(A玻璃)纖維有堿玻璃稱A玻璃，類似于窗玻璃及玻璃瓶的鈉鈣玻璃。此種玻璃由于含堿量高，強度低，對潮氣侵蝕極為敏感，因而很少作為增強材料。18特種玻璃纖維如由純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維，鎂鋁硅系高強高彈玻璃纖維，硅鋁鈣鎂系耐化學介質(zhì)腐蝕玻璃纖維，含鉛纖維，高硅氧纖維，石英纖維等。19玻璃纖維的其它分類方法以單絲直徑分類，單絲呈圓柱形，以其直徑的不同可以分為以下幾種。名稱粗纖維初級纖維中級纖維高級纖維（紡織纖維)超細纖維直徑（um）30 20 um10 20 um3 10um4 um20單絲直徑不同，不僅使纖

7、維的性能有差異，而且影響到纖維的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量和成本。一般5 10 um的纖維作為紡織制品使用，10 14 um的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。21以纖維外觀分類，有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及加捻粗紗(用于紡織)、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細纖維等。以纖維特性分類，高強玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維(指無堿及中堿玻璃纖維)。222）玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學組成玻璃纖維的拉伸強度比塊狀玻璃高許多倍，但經(jīng)研究證明，玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與玻璃相同。關于玻璃結(jié)構(gòu)的假說到目前為止，比較能夠反映實際情況的是“微晶結(jié)構(gòu)假說”和“網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)假說”。23微晶結(jié)

8、構(gòu)假說的要點：玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之間由硅酸塊過冷溶液所填充。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)假說的要點：玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡；網(wǎng)絡間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎，填充的Na、Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡改性物。24圖2 微晶結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型25大量資料證明，玻璃結(jié)構(gòu)是近似有序的。在玻璃結(jié)構(gòu)中存在一定數(shù)量和大小比較有規(guī)則排列的區(qū)域，這種規(guī)則性是由一定數(shù)目的多面體遵循類似晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列造成的。但是，玻璃結(jié)構(gòu)的這種有序區(qū)域不像晶體結(jié)構(gòu)那樣有嚴格的周期性，微觀上是不均勻的，宏觀上

9、卻又是均勻的，反映到玻璃的性能上是各向同性的。26玻璃纖維的化學組成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化鈣、三氧化二鋁等。玻璃纖維的化學組成對玻璃纖維的性質(zhì)和生產(chǎn)工藝起決定性作用，以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽破璃，以三氧化二硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃熔液中的氣泡容易排除。助熔氧化物主要通過破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達到助熔的目的。氧化鈉和氫化鉀的含量高，玻璃纖維的強度、電絕緣性能和化學穩(wěn)定性都會相應的降低。27加入氧化鈣、三氧化二鋁等，能在一定條件下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡的一部分，改善玻璃的某些性質(zhì)和工藝性能。例如，用氧化鈣取代二

10、氧化硅可降低拉絲溫度；加入三氧化二鋁可提高耐水性。玻璃纖維化學成分的制定，一方面要滿足玻璃纖維物理和化學性能的要求，具有良好的化學穩(wěn)定性；另一方面要滿足制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍。283）玻璃纖維的物理性能與化學性能玻璃纖維具有一系列優(yōu)良的物理性能，拉伸強度高，防火、防霉、防蛀、耐高溫和電絕緣性能好等。玻璃纖維的缺點是具有脆性，不耐腐蝕，對人的皮膚有刺激性等。外觀：一般天然或人造的有機纖維表面都有較深的皺紋，而玻璃纖維表面呈光滑的圓柱，其橫斷面幾乎是完整的圓形。由于表面光滑，纖維之間抱合力非常小，不利于和樹脂粘結(jié)；又由于呈圓柱狀，所以玻璃纖維彼此相靠近時，空隙填充得較

11、為密實。29玻璃纖維的密度為2.16 4.30 gcm3，其密度較有機纖維大很多，但比一般的金屬要低，幾乎與鋁相似。由于玻璃纖維的表面積大，使得纖維表面處理的效果對性能的影響很大。30玻璃纖維的最大特點是拉伸強度高。一般玻璃制品的拉伸強度只有40 100 MPa，而直徑3 9 um的玻璃纖維拉伸強度則高達1500 4000 MPa，較一般合成纖維高約10倍，比合金鋼還高2倍。對玻璃纖維高強的原因，許多學者提出了不同的假說，其中比較有說服力的是微裂紋假說。微裂紋假說認為，玻璃的理論強度取決于分子或原子間的引力，其理論強度很高，可達到2000 12000MPa。31表1 幾種纖維材料和塊體材料的強

12、度32玻璃纖維比玻璃的強度高很多，主要有兩方面的原因：a）玻璃纖維高溫成型時減少了玻璃溶液的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機會減少。b）玻璃纖維的斷面較小，隨著表面積的減小，使微裂紋存在的幾率也減少，從而使纖維強度增高。直徑小的玻璃纖維強度比直徑粗的纖維強度高的原因是由于表面微裂紋尺寸和數(shù)量較小，從而減少了應力集中，使纖維具有較高的強度。33表2 玻璃纖維拉伸強度與直徑的關系34表3 玻璃纖維拉伸強度與纖維長度的關系35一般來說，含堿量越高，纖維的強度越低。高強玻璃纖維強度明顯地高于無堿玻璃纖維，而有堿纖維強度更低。研究表明，高強和無堿玻璃纖維由于成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)鍵能大等原因，而具有很高

13、的拉伸強度。當纖維存放一段時間后，會出現(xiàn)強度下降的現(xiàn)象，稱為纖維的老化。纖維的老化主要取決于纖維對大氣水分的化學穩(wěn)定性。36表4 纖維強度與化學組成、表面缺陷的關系37玻璃纖維的疲勞、成型方法和條件對強度也有很大影響。玻璃硬化速度越快，拉制的纖維強度也越高。38玻璃纖維的延伸率比有機纖維低，一般為3左右。 玻璃纖維的彈性模量是指在彈性范圍內(nèi)應力和應變關系的比例常數(shù)。玻璃纖維的彈性模量約為7 104 MPa，與鋁相當，只有普通鋼的三分之一，致使復合材料的剛度較低。對玻璃纖維的彈性模量起主要作用的是其化學組成。加入BeO、MgO能夠提高玻璃纖維的彈性模量。不同直徑的玻璃纖維彈性模量相同，證明它們具

14、有近似的分子結(jié)構(gòu)。39玻璃纖維的耐磨性是指纖維抵抗磨損的能力，耐折性是指纖維抵抗折斷的能力。玻璃纖維這兩個性能都很差，經(jīng)過揉搓摩擦容易受傷或斷裂，這是玻纖的嚴重缺點。玻璃的導熱系數(shù)為0.6 1.1千卡/米度時，但拉制成玻璃纖維后，其導熱系數(shù)只有0.03千卡米度時。纖維間的空隙較大，容重較小，其導熱系數(shù)小，主要是因為空氣導熱系數(shù)低所致；而導熱系數(shù)越小，隔熱性能越好。溫度的變化對玻璃纖維的導熱系數(shù)影響不大。40玻璃纖維耐熱性較高，軟化點為550 580，其熱膨脹系數(shù)為4.8 106 / 。玻璃纖維是一種無機纖維，不會引起燃燒。將玻璃纖維加溫，直到某一強度界限以前，強度基本不變。一般情況下，鈉鈣玻璃

15、纖維加熱到470之前（不降溫），強度變化不大；石英和高硅氧玻璃纖維的耐熱性則可達到2000以上。41玻璃纖維的導電性主要取決于化學組成、溫度和濕度。無堿纖維的電絕緣性能比有堿纖維優(yōu)越得多。這主要是因為無堿纖維中堿金屬離子少的緣故。堿金屬離子越少，電絕緣性能越好；玻璃纖維的電阻率隨著溫度的升高而下降。42表5 空氣濕度對玻璃布電阻率影響43玻璃是優(yōu)良的透光材料，但制成玻璃纖維制品后，其透光性遠不如玻璃。玻璃纖維制品的光學性能以反射系數(shù)、透光系數(shù)和亮度系數(shù)來表示。密度小而薄的玻璃布，透光系數(shù)可達65；密度大而厚的玻璃布，透光系數(shù)只有1820。44表6 不同織紋玻璃布的光學性能45玻璃纖維除對氫氟酸

16、、濃堿、濃磷酸外，對所有化學藥品和有機溶劑都有良好的化學穩(wěn)定性。玻璃纖維單纖即使與水接觸，強度也不發(fā)生變化。只有在含堿玻璃纖維中，由于玻璃纖維中所含的堿分溶出，強度才會下降。影響玻璃纖維化學穩(wěn)定性的因素：化學成分、纖維表面情況、侵蝕介質(zhì)體積和溫度、玻璃纖維紗的規(guī)格及性能。46玻璃是一種非常好的耐腐蝕材料，但拉制成玻璃纖維后，其性能遠不如玻璃。主要是由于玻璃纖維的比表面積大所造成的。同樣的玻璃纖維，受不同體積的侵蝕介質(zhì)作用，其化學穩(wěn)定性不同。介質(zhì)的體積越大，對纖維的侵蝕越嚴重。溫度升高到l00以上時，破壞作用將更劇烈。474）玻璃纖維及其制品的制造工藝玻璃纖維的制造工藝有坩堝法和池窯法兩種。坩堝

17、法的基本過程：也稱“二步法” ，是將礦物原料根據(jù)要求的配方制成玻璃小球 ，而后送入代鉑拉絲坩堝內(nèi)再熔后拉絲 。坩堝法不僅存在能源的二次浪費，而且單機產(chǎn)量低，產(chǎn)品質(zhì)量差，生產(chǎn)成本高，不能滿足多品種生產(chǎn)的需要。池窯法的基本過程：也稱“一步法” ，它不需要先制成玻璃小球，而是直接將各組分天然礦石原料按配比同時投人池窯內(nèi)熔融拉絲。48圖3 坩堝法的示意圖及裝置49圖4 池窯法的示意圖50浸潤劑的作用和類型玻璃纖維很容易由表面缺陷引起損傷，為了減少損傷和便于纖維的操作，而采用浸潤劑涂覆處理。潤滑作用，防止纖維間的磨損，使纖維的表面得到保護；黏結(jié)作用，使單絲集束成原紗或絲束；抗靜電作用，防止纖維表面聚集靜

18、電荷；增強作用，使纖維能夠獲得與基體材料良好的黏結(jié)性能。51圖5 典型的方格布浸潤劑配方環(huán)氧或聚酯乳液成膜劑，賦予玻纖以良好的浸透性， 制成玻璃鋼制品清澈、透明， 無白絲，界面結(jié)合力強，耐老化、耐候性好。52常用的浸潤劑有石蠟乳劑和聚酯酸乙烯酯兩種，前者屬于紡織型，后者屬于增強型。石蠟乳劑有利于紡織加工，但嚴重阻礙樹脂對玻璃布的浸潤，因此使用時要經(jīng)過脫蠟處理。聚酯酸乙烯酯對玻璃鋼的性能影響不大，使用時不需清除。535）玻璃纖維制品的性能及應用玻璃纖維紗一般分為加捻紗和無捻紗兩種。玻璃纖維的規(guī)格，國際上通常用“tex”來表示，即1000m長原絲的質(zhì)量（單位為g）。玻璃纖維作為聚酯、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等的增強體被廣泛使用，這種復合材料又稱為“玻璃鋼”。玻璃纖維的主要制品有：無捻粗