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1、第第8章章聚合物纳米复合材料聚合物纳米复合材料1 2史上最牛的钉子户史上最牛的钉子户史上最牛的钉子户史上最牛的钉子户房子房子房子房子复合材料无所不在！复合材料无所不在！复合材料无所不在！复合材料无所不在！树木树木树木树木贝壳贝壳贝壳贝壳燕子窝燕子窝燕子窝燕子窝3第一节第一节前言前言一、材料发展与人类社会的进步一、材料发展与人类社会的进步一、材料发展与人类社会的进步一、材料发展与人类社会的进步材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑
2、。当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，当前材料、能源、信息和生物技术是现代科技的三大支柱，它会将人类物质文明推它会将人类物质文明推它会将人类物质文明推它会将人类物质文明推向新的阶段。向新的阶段。向新的阶段。向新的阶段。二十一世纪将是一个新材二十一世纪将是一个新材二十一世纪将是一个新材二十一世纪将是一个新材料时代。料时代。料时代。料时代。单一材料单一材料单一材料单一材料(金金金金属、陶瓷、聚合物属、陶瓷、聚合物属、陶瓷、聚合物属、陶瓷、聚合物)难以满足现代高科技发展的综难以满足
3、现代高科技发展的综难以满足现代高科技发展的综难以满足现代高科技发展的综合要求。合要求。合要求。合要求。复合材料复合材料复合材料复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高，特别是先进复合材料就是为了满足以上高，特别是先进复合材料就是为了满足以上高，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。代科学技术
4、而发展出来的具有极大生命力的材料。代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。二、复合材料提出二、复合材料提出二、复合材料提出二、复合材料提出4三、复合材料的发展历史和意义三、复合材料的发展历史和意义三、复合材料的发展历史和意义三、复合材料的发展历史和意义 1 1、复合材料发展历史、复合材料发展历史、复合材料发展历史、复合材料发展历史60006000年前，就会用年前，就会用年前，就会用年前，就会用稻草加粘土作为建筑复合材料稻草加粘土作为建筑复合材料稻草加粘土作为建筑复合材料稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复水泥复水泥复水泥复合材料合材料合材料合材料广泛用于高楼大厦和河堤大坝等建筑，发挥着重要作
5、用；广泛用于高楼大厦和河堤大坝等建筑，发挥着重要作用；广泛用于高楼大厦和河堤大坝等建筑，发挥着重要作用；广泛用于高楼大厦和河堤大坝等建筑，发挥着重要作用；2020世纪世纪世纪世纪4040年代，美国用年代，美国用年代，美国用年代，美国用碎布酚醛树脂制备枪托碎布酚醛树脂制备枪托碎布酚醛树脂制备枪托碎布酚醛树脂制备枪托、代替木材，、代替木材，、代替木材，、代替木材，发展成玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）发展成玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）发展成玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）发展成玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）这种广泛应用的现代化复这种广泛应用的现代化复这种广泛应用的现代化复这种广泛应用的现代化复合材料。合材料。合材料
6、。合材料。现代高科技发展更是离不开复现代高科技发展更是离不开复现代高科技发展更是离不开复现代高科技发展更是离不开复合材料。例如合材料。例如合材料。例如合材料。例如：火箭壳体材料火箭壳体材料火箭壳体材料火箭壳体材料对射程的影响如下对射程的影响如下对射程的影响如下对射程的影响如下2 2、复合材料意义、复合材料意义、复合材料意义、复合材料意义5第二节第二节第二节第二节 复合材料概述复合材料概述复合材料概述复合材料概述一、复合材料定义和特点：一、复合材料定义和特点：一、复合材料定义和特点：一、复合材料定义和特点：组元含量大于组元含量大于组元含量大于组元含量大于 5%5%；复合材料性能显著不同于各组元性
7、能复合材料性能显著不同于各组元性能复合材料性能显著不同于各组元性能复合材料性能显著不同于各组元性能混合而成，混合而成，混合而成，混合而成，可用机械方法分离可用机械方法分离可用机械方法分离可用机械方法分离1 1、定义：、定义：、定义：、定义：两种以上理化性质不同的物质组合两种以上理化性质不同的物质组合两种以上理化性质不同的物质组合两种以上理化性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。应满足三个条件：而成的一种多相固体材料。应满足三个条件：而成的一种多相固体材料。应满足三个条件：而成的一种多相固体材料。应满足三个条件：1 1）两）两）两）两/多种组分经宏观多种组分经宏观多种组分经宏观多种组分经宏观
8、/微观复合而成，组分间存在着明显界面。微观复合而成，组分间存在着明显界面。微观复合而成，组分间存在着明显界面。微观复合而成，组分间存在着明显界面。2 2）各组分保持各自特性）各组分保持各自特性）各组分保持各自特性）各组分保持各自特性/优点，并产生新的优良性能。优点，并产生新的优良性能。优点，并产生新的优良性能。优点，并产生新的优良性能。3 3）复合材料具有可设计性。）复合材料具有可设计性。）复合材料具有可设计性。）复合材料具有可设计性。2 2、特点、特点、特点、特点玻璃纤维增强高分子玻璃纤维增强高分子玻璃纤维增强高分子玻璃纤维增强高分子复合材料复合材料复合材料复合材料6由由由由基体基体基体基体
9、和和和和增强剂增强剂增强剂增强剂两个组分构成：两个组分构成：两个组分构成：两个组分构成：基体基体基体基体：构成连续相；：构成连续相；：构成连续相；：构成连续相；增强剂增强剂增强剂增强剂（增强相（增强相（增强相（增强相/增强体）：独立形态分布于基体中的分散增强体）：独立形态分布于基体中的分散增强体）：独立形态分布于基体中的分散增强体）：独立形态分布于基体中的分散相，会使材料的性能显著改善和增强。相，会使材料的性能显著改善和增强。相，会使材料的性能显著改善和增强。相，会使材料的性能显著改善和增强。增强剂（相）一般较基体硬，强度增强剂（相）一般较基体硬，强度增强剂（相）一般较基体硬，强度增强剂（相）
10、一般较基体硬，强度/模量较基体大，或具模量较基体大，或具模量较基体大，或具模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体间存在着明显界面。与基体间存在着明显界面。与基体间存在着明显界面。与基体间存在着明显界面。3 3、复合材料基本结构模式、复合材料基本结构模式、复合材料基本结构模式、复合材料基本结构模式7普通复合材料普通复合材料普通复合材料普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复普通玻璃、
11、合成或天然纤维增强普通聚合物复普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。先进复合材料先进复合材料先进复合材料先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、SiCSiC纤维及纤维及纤维及纤维及晶须等）增强高温聚合物晶须等）增强高温聚合物晶须等）增强高温聚合物晶须等）增强高温聚合物/金属金属金属金属/陶瓷和碳（石墨）等复合材料。陶瓷和碳（石墨）等复
12、合材料。陶瓷和碳（石墨）等复合材料。陶瓷和碳（石墨）等复合材料。比强度和比刚度应达到比强度和比刚度应达到比强度和比刚度应达到比强度和比刚度应达到400MPa/(g/cm400MPa/(g/cm3 3)和和和和40GPa/(g/cm40GPa/(g/cm3 3)。二、复合材料分类二、复合材料分类二、复合材料分类二、复合材料分类 1 1、按性能分类、按性能分类、按性能分类、按性能分类聚合物复合材料聚合物复合材料聚合物复合材料聚合物复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳碳复合材料碳碳复合材料碳碳复合材料碳碳复合材料水
13、泥基复合材料水泥基复合材料水泥基复合材料水泥基复合材料2 2、按基体材料分类、按基体材料分类、按基体材料分类、按基体材料分类8结构复合材料结构复合材料结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料功能复合材料功能复合材料结构结构结构结构/功能一体化功能一体化功能一体化功能一体化颗粒颗粒颗粒颗粒/晶须晶须晶须晶须增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料短短短短/连续连续连续连续/混杂混杂混杂混杂纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强 三向编织三向编织三向编织三向编织 3 3、按用途分类、按用途分类、按用途分类、按用途分类 4 4、按增强剂分类、按增强剂分类、按增强剂分类、按增强剂分类 1 1
14、、高比强度、高比强度、高比强度、高比强度/比模量比模量比模量比模量：强度强度强度强度MPa-MPa-模量模量模量模量GPa/GPa/密度密度密度密度(g/cm(g/cm3 3)三、三、三、三、复合材料基本性能（优点）复合材料基本性能（优点）复合材料基本性能（优点）复合材料基本性能（优点）增强体不仅可以提高材料强度和刚度，而且可以使其热膨增强体不仅可以提高材料强度和刚度，而且可以使其热膨增强体不仅可以提高材料强度和刚度，而且可以使其热膨增强体不仅可以提高材料强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变增强体含量，可以调整复合材胀系数明显下降。通过改变增强体含量，可以调整复合材胀系数明显下
15、降。通过改变增强体含量，可以调整复合材胀系数明显下降。通过改变增强体含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。料的热膨胀系数。料的热膨胀系数。料的热膨胀系数。2 2、尺寸稳定性良好尺寸稳定性良好尺寸稳定性良好尺寸稳定性良好：9聚合物基复合材料最高耐温上限为聚合物基复合材料最高耐温上限为聚合物基复合材料最高耐温上限为聚合物基复合材料最高耐温上限为350350 C C；金属基复合材料据基体不同，使用温度在金属基复合材料据基体不同，使用温度在金属基复合材料据基体不同，使用温度在金属基复合材料据基体不同，使用温度在35035011001100 C C 陶瓷基复合材料达陶瓷基复合材料达陶瓷基复合材料达陶瓷基复
16、合材料达14001400 C C 碳碳碳碳/碳复合材料可达碳复合材料可达碳复合材料可达碳复合材料可达28002800 C C 3 3、高温性能良好高温性能良好高温性能良好高温性能良好：4 4、化学稳定性良好化学稳定性良好化学稳定性良好化学稳定性良好聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。5 5、抗疲劳、蠕变、抗疲劳、蠕变、抗疲劳、蠕变、抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性良好冲击和断裂韧性良好冲击和断裂韧性良好冲击和断裂韧性良好陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善陶瓷基复合材料的
17、脆性得到明显改善陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善6 6、功能性良好功能性良好功能性良好功能性良好10界面界面界面界面是指基体与增强相间化学成分有显著是指基体与增强相间化学成分有显著是指基体与增强相间化学成分有显著是指基体与增强相间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。作用的微小区域。作用的微小区域。作用的微小区域。界面界面界面界面是多层结构的过渡区域，约几个纳米是多层结构的过渡区域，约几个纳米是多层结构的过渡区域，约几个纳米是多层结构的过渡区域，约几个纳米到几
18、个微米。到几个微米。到几个微米。到几个微米。1 1、外力场、外力场、外力场、外力场 2 2、基体、基体、基体、基体 3 3、基体表面区、基体表面区、基体表面区、基体表面区4 4、相互渗透区、相互渗透区、相互渗透区、相互渗透区5 5、增强剂表面区、增强剂表面区、增强剂表面区、增强剂表面区6 6、增强剂、增强剂、增强剂、增强剂 第三节第三节第三节第三节 复合材料界面复合材料界面复合材料界面复合材料界面一、复合材料界面一、复合材料界面一、复合材料界面一、复合材料界面它对复合材料性能有重要影响。它对复合材料性能有重要影响。它对复合材料性能有重要影响。它对复合材料性能有重要影响。界面强度要合适界面强度要
19、合适界面强度要合适界面强度要合适：界面结合界面结合界面结合界面结合较差的较差的较差的较差的材料呈剪切破坏，断面为脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛材料呈剪切破坏，断面为脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛材料呈剪切破坏，断面为脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛材料呈剪切破坏，断面为脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象。等现象。等现象。等现象。界面结合过强界面结合过强界面结合过强界面结合过强材料则呈脆性断裂。材料则呈脆性断裂。材料则呈脆性断裂。材料则呈脆性断裂。界面最佳态界面最佳态界面最佳态界面最佳态的衡量是的衡量是的衡量是的衡量是当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；当受力发生开裂时，裂纹能转化为
20、区域化而不进一步界面脱粘；当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；当受力发生开裂时，裂纹能转化为区域化而不进一步界面脱粘；此时复合材料具有最大断裂能和一定韧性。此时复合材料具有最大断裂能和一定韧性。此时复合材料具有最大断裂能和一定韧性。此时复合材料具有最大断裂能和一定韧性。界面结合状态界面结合状态界面结合状态界面结合状态/强度强度强度强度111 1）基体应有足够韧性）基体应有足够韧性）基体应有足够韧性）基体应有足够韧性/强度，能将外载荷均匀传递到增强剂强度，能将外载荷均匀传递到增强剂强度，能将外载荷均匀传递到增强剂强度，能将外载荷均匀传递到增强剂2 2）基体中存在的局部应力不应
21、在增强剂上形成）基体中存在的局部应力不应在增强剂上形成）基体中存在的局部应力不应在增强剂上形成）基体中存在的局部应力不应在增强剂上形成高局部应力高局部应力高局部应力高局部应力3 3）基体与增强相热膨胀系数差异基体与增强相热膨胀系数差异基体与增强相热膨胀系数差异基体与增强相热膨胀系数差异对界面结合对界面结合对界面结合对界面结合/性能产生影响性能产生影响性能产生影响性能产生影响 二、复合材料组分的相容性二、复合材料组分的相容性二、复合材料组分的相容性二、复合材料组分的相容性1 1、物理相容性、物理相容性、物理相容性、物理相容性 对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，对原生复合材料，在制造过程是
22、热力学平衡的，对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，对原生复合材料，在制造过程是热力学平衡的，其两相化学势相等，比表面能效应也最小。其两相化学势相等，比表面能效应也最小。其两相化学势相等，比表面能效应也最小。其两相化学势相等，比表面能效应也最小。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。对非平衡态复合材料，化学相容性要严重得多。1 1）相反应自由能）相反应自由能）相反应自由能）相反应自由能 F F：小小小小2 2）化学势）化学势）化学势）化学势U U：相近相近相近相近3 3）表面能）表面能）表面能）表面能T
23、 T：低低低低4 4）晶界扩散系数：）晶界扩散系数：）晶界扩散系数：）晶界扩散系数：小小小小2 2、化学相容性、化学相容性、化学相容性、化学相容性12基于树脂对纤维表面浸润，即物理基于树脂对纤维表面浸润，即物理基于树脂对纤维表面浸润，即物理基于树脂对纤维表面浸润，即物理/化学吸附。化学吸附。化学吸附。化学吸附。浸润不良浸润不良浸润不良浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。使界面强度下降。使界面强度下降。使界面强度下降。良好的或完全浸润
24、良好的或完全浸润良好的或完全浸润良好的或完全浸润可使界面强度大大提高，可使界面强度大大提高，可使界面强度大大提高，可使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。甚至优于基体本身的内聚强度。甚至优于基体本身的内聚强度。甚至优于基体本身的内聚强度。三、复合材料的界面理论三、复合材料的界面理论三、复合材料的界面理论三、复合材料的界面理论1 1、界面润湿理论、界面润湿理论、界面润湿理论、界面润湿理论接触的两个表面会因表面粗糙不平发生机械互锁。接触的两个表面会因表面粗糙不平发生机械互锁。接触的两个表面会因表面粗糙不平发生机械互锁。接触的两个表面会因表面粗糙不平发生机械互锁。粘稠液体无法完全流入表面孔
25、穴，造成脱粘缺陷和应力集中点。粘稠液体无法完全流入表面孔穴，造成脱粘缺陷和应力集中点。粘稠液体无法完全流入表面孔穴，造成脱粘缺陷和应力集中点。粘稠液体无法完全流入表面孔穴，造成脱粘缺陷和应力集中点。2 2、机械作用理论、机械作用理论、机械作用理论、机械作用理论13当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效吸引。仅在原子尺度量级内
26、静电作用力才有效。在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键在复合材料组分之间发生化学作用，在界面上形成共价键结合。理论上可获得最强界面粘结能结合。理论上可获得最强界面粘结能结合。理论上可获得最强界面粘结能结合。理论上可获得最强界面粘结能(210220J/mol)(210220J/mol)。在复合材料组分间发生原子在复合材料组分间发生原子在复合材料组分间发生原子在复合材料组分间发生原子/分子间扩散或反应，从而分子间扩散或反应，从而分子间扩散或反应，从而分子间扩散或反应，从而形成反应结合或
27、扩散结合。形成反应结合或扩散结合。形成反应结合或扩散结合。形成反应结合或扩散结合。3 3、静电理论、静电理论、静电理论、静电理论 4 4、化学键理论、化学键理论、化学键理论、化学键理论5 5、界面反应或界面扩散理论、界面反应或界面扩散理论、界面反应或界面扩散理论、界面反应或界面扩散理论14几种界面粘结理论几种界面粘结理论几种界面粘结理论几种界面粘结理论(c)(c)分子端阳离子受另一表面阴离子群吸收形成的取向分子端阳离子受另一表面阴离子群吸收形成的取向分子端阳离子受另一表面阴离子群吸收形成的取向分子端阳离子受另一表面阴离子群吸收形成的取向(a)(a)相互扩散形成的分子结合相互扩散形成的分子结合相
28、互扩散形成的分子结合相互扩散形成的分子结合(b)(b)静电形成的结合静电形成的结合静电形成的结合静电形成的结合(d)A-B(d)A-B基团形成的化学键基团形成的化学键基团形成的化学键基团形成的化学键(e)(e)聚合物聚合物聚合物聚合物-粗糙面间的机械结合粗糙面间的机械结合粗糙面间的机械结合粗糙面间的机械结合15 1 1）三点弯曲法）三点弯曲法）三点弯曲法）三点弯曲法 四、界面表征四、界面表征四、界面表征四、界面表征1 1、界面结合强度测定、界面结合强度测定、界面结合强度测定、界面结合强度测定界面微观结构、形貌和厚度可通过仪器观察分析。包括：界面微观结构、形貌和厚度可通过仪器观察分析。包括：界面
29、微观结构、形貌和厚度可通过仪器观察分析。包括：界面微观结构、形貌和厚度可通过仪器观察分析。包括：俄歇电子谱仪俄歇电子谱仪俄歇电子谱仪俄歇电子谱仪(AES(AES）电子探针电子探针电子探针电子探针(EP)(EP)X X光电子能谱仪光电子能谱仪光电子能谱仪光电子能谱仪(XPS(XPS）扫描二次离子质谱仪扫描二次离子质谱仪扫描二次离子质谱仪扫描二次离子质谱仪(SSIMS)(SSIMS)电子能量损失仪电子能量损失仪电子能量损失仪电子能量损失仪(EELS(EELS）X X射线反射谱仪射线反射谱仪射线反射谱仪射线反射谱仪(GAXP)(GAXP)透射电子显微镜透射电子显微镜透射电子显微镜透射电子显微镜(TE
30、MTEM）扫描电镜扫描电镜扫描电镜扫描电镜(SEM)(SEM)拉曼光谱拉曼光谱拉曼光谱拉曼光谱(RamanRaman）等）等）等）等 2 2、界面结构表征、界面结构表征、界面结构表征、界面结构表征16复合材料成型时，基体固化会发生体积收缩，而增强体体积复合材料成型时，基体固化会发生体积收缩，而增强体体积复合材料成型时，基体固化会发生体积收缩，而增强体体积复合材料成型时，基体固化会发生体积收缩，而增强体体积相对稳定，使界面产生相对稳定，使界面产生相对稳定，使界面产生相对稳定，使界面产生内应力内应力内应力内应力，同时同时同时同时增强体增强体增强体增强体-基体间热膨胀系基体间热膨胀系基体间热膨胀系基
31、体间热膨胀系数不同，也会产生界面数不同，也会产生界面数不同，也会产生界面数不同，也会产生界面热应力热应力热应力热应力。他们和他们和他们和他们和称为界面残余应力。称为界面残余应力。称为界面残余应力。称为界面残余应力。3 3、界面残余应力及其表征、界面残余应力及其表征、界面残余应力及其表征、界面残余应力及其表征（1 1）界面残余应力）界面残余应力）界面残余应力）界面残余应力主要方法：主要方法：主要方法：主要方法：X X射线衍射法和中子衍射法。射线衍射法和中子衍射法。射线衍射法和中子衍射法。射线衍射法和中子衍射法。中子穿透能力较中子穿透能力较中子穿透能力较中子穿透能力较X X射线强，可用来测量界面内
32、应力；射线强，可用来测量界面内应力；射线强，可用来测量界面内应力；射线强，可用来测量界面内应力；其结果是很大区域的应力平均值。其结果是很大区域的应力平均值。其结果是很大区域的应力平均值。其结果是很大区域的应力平均值。X X射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。射线衍射法只能测定样品表面的残余应力。（2 2）界面残余应力测量）界面残余应力测量）界面残余应力测量）界面残余应力测量17基体和颗粒共同承受外来载荷基体和颗粒共同承受外来载荷基体和颗粒共同承受外来载荷基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒可阻碍基体位错运动；颗粒可阻碍基
33、体位错运动；颗粒可阻碍基体位错运动；颗粒可阻碍基体位错运动和裂纹扩展，可使裂纹偏转，消耗较多断裂能，提高强度。和裂纹扩展，可使裂纹偏转，消耗较多断裂能，提高强度。和裂纹扩展，可使裂纹偏转，消耗较多断裂能，提高强度。和裂纹扩展，可使裂纹偏转，消耗较多断裂能，提高强度。第四节第四节复合材料复合理论复合材料复合理论 一、复合材料增强机制一、复合材料增强机制一、复合材料增强机制一、复合材料增强机制1 1、颗粒增强复合材料增强机制颗粒增强复合材料增强机制颗粒增强复合材料增强机制颗粒增强复合材料增强机制基体是承受外载荷的主要相基体是承受外载荷的主要相基体是承受外载荷的主要相基体是承受外载荷的主要相；机制同
34、上。；机制同上。；机制同上。；机制同上。2 2、弥散增强复合材料增强机制弥散增强复合材料增强机制弥散增强复合材料增强机制弥散增强复合材料增强机制基体通过界面将载荷传递到增强相基体通过界面将载荷传递到增强相基体通过界面将载荷传递到增强相基体通过界面将载荷传递到增强相(晶须晶须晶须晶须/纤维等纤维等纤维等纤维等)，纤维主，纤维主，纤维主，纤维主要承载。要承载。要承载。要承载。受力分析受力分析受力分析受力分析：假定纤维：假定纤维：假定纤维：假定纤维-基体理想结合，且松泊比相同；基体理想结合，且松泊比相同；基体理想结合，且松泊比相同；基体理想结合，且松泊比相同；在外力作用下，因组分模量不同产生不同形变
35、，基体产生剪在外力作用下，因组分模量不同产生不同形变，基体产生剪在外力作用下，因组分模量不同产生不同形变，基体产生剪在外力作用下，因组分模量不同产生不同形变，基体产生剪切应变，通过切应变，通过切应变，通过切应变，通过 界面将外力传递到纤维上。界面将外力传递到纤维上。界面将外力传递到纤维上。界面将外力传递到纤维上。3 3、纤维、纤维、纤维、纤维(晶须晶须晶须晶须/短纤维短纤维短纤维短纤维)复合材料增强机制复合材料增强机制复合材料增强机制复合材料增强机制18二、复合材料的复合法则二、复合材料的复合法则二、复合材料的复合法则二、复合材料的复合法则混合定律混合定律混合定律混合定律1 1、混合定律、混合
36、定律、混合定律、混合定律（不考虑界面效应时不考虑界面效应时不考虑界面效应时不考虑界面效应时）19 弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量、抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符合抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符合抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符合抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符合 混合定律。混合定律。混合定律。混合定律。如果考虑界面效应如果考虑界面效应如果考虑界面效应如果考虑界面效应，通常是在纤维的影响因子，通常是在纤维的影响因子，通常是在纤维的影响因子，通常是在纤维的影响因子前面乘以一个系数。在平行于纤维长度方向的强度计算，前面乘以一个系数。在平行于纤维长度方向的强度计算，前面乘以一个系
37、数。在平行于纤维长度方向的强度计算，前面乘以一个系数。在平行于纤维长度方向的强度计算，主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。2 2、连续纤维单向增强复合材料、连续纤维单向增强复合材料、连续纤维单向增强复合材料、连续纤维单向增强复合材料材料强度与纤维长度关系图材料强度与纤维长度关系图材料强度与纤维长度关系图材料强度与纤维长度关系图 3 3、短纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料20第五节第五节高聚物基复合材料高聚物基复合材料1
38、1、热固性聚合物、热固性聚合物、热固性聚合物、热固性聚合物低分子量预聚体在加热低分子量预聚体在加热低分子量预聚体在加热低分子量预聚体在加热/固化剂固化剂固化剂固化剂作用下，经交联固化反应，形成作用下，经交联固化反应，形成作用下，经交联固化反应，形成作用下，经交联固化反应，形成不溶不熔的三维网状高分子。不溶不熔的三维网状高分子。不溶不熔的三维网状高分子。不溶不熔的三维网状高分子。一、聚合物及其分类一、聚合物及其分类一、聚合物及其分类一、聚合物及其分类主要种类：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等主要种类：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等主要种类：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等主要种类：环氧、酚醛、
39、双马、聚酰亚胺树脂等不同热固性树脂固化机理不同，固化条件也有差异。不同热固性树脂固化机理不同，固化条件也有差异。不同热固性树脂固化机理不同，固化条件也有差异。不同热固性树脂固化机理不同，固化条件也有差异。固化条固化条固化条固化条件有件有件有件有室温室温室温室温固化、固化、固化、固化、中温中温中温中温固化固化固化固化(120(120 C)C)和和和和高温高温高温高温固化固化固化固化(170(170 C)C)。固化产物为无定固化产物为无定固化产物为无定固化产物为无定 型结构，耐热性好、刚度大、电性能、加工型结构，耐热性好、刚度大、电性能、加工型结构，耐热性好、刚度大、电性能、加工型结构，耐热性好、
40、刚度大、电性能、加工性能和尺寸稳定性好等。性能和尺寸稳定性好等。性能和尺寸稳定性好等。性能和尺寸稳定性好等。热固性聚合物和热塑性聚合物热固性聚合物和热塑性聚合物热固性聚合物和热塑性聚合物热固性聚合物和热塑性聚合物21为线形或有支链的高分子，可溶可熔，为线形或有支链的高分子，可溶可熔，为线形或有支链的高分子，可溶可熔，为线形或有支链的高分子，可溶可熔，可反复加工而无化学变可反复加工而无化学变可反复加工而无化学变可反复加工而无化学变化。化。化。化。包括各种通用塑料包括各种通用塑料包括各种通用塑料包括各种通用塑料、工程塑料和特种耐高温聚合物、工程塑料和特种耐高温聚合物、工程塑料和特种耐高温聚合物、工
41、程塑料和特种耐高温聚合物(聚酰聚酰聚酰聚酰胺、聚醚醚酮等胺、聚醚醚酮等胺、聚醚醚酮等胺、聚醚醚酮等)。2 2、热塑性聚合物、热塑性聚合物、热塑性聚合物、热塑性聚合物这类高分子分非晶和结晶两类。结晶度在这类高分子分非晶和结晶两类。结晶度在这类高分子分非晶和结晶两类。结晶度在这类高分子分非晶和结晶两类。结晶度在20-85%20-85%之间。具之间。具之间。具之间。具有质轻、比强度高、有质轻、比强度高、有质轻、比强度高、有质轻、比强度高、电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生产效率高产效率高产效
42、率高产效率高 等优点。等优点。等优点。等优点。与热固性聚合物相比，力学松与热固性聚合物相比，力学松与热固性聚合物相比，力学松与热固性聚合物相比，力学松 弛现象明显；形变量大；断弛现象明显；形变量大；断弛现象明显；形变量大；断弛现象明显；形变量大；断裂裂裂裂 延伸率大；抗冲击性能好。延伸率大；抗冲击性能好。延伸率大；抗冲击性能好。延伸率大；抗冲击性能好。22必须加入固化剂才能使环氧树脂变为三维结构。常用固化剂必须加入固化剂才能使环氧树脂变为三维结构。常用固化剂必须加入固化剂才能使环氧树脂变为三维结构。常用固化剂必须加入固化剂才能使环氧树脂变为三维结构。常用固化剂包括脂肪族包括脂肪族包括脂肪族包括
43、脂肪族/芳香族胺、有机多元酸或酸酐等。芳香族胺、有机多元酸或酸酐等。芳香族胺、有机多元酸或酸酐等。芳香族胺、有机多元酸或酸酐等。含活泼氢化合物含活泼氢化合物含活泼氢化合物含活泼氢化合物阴阴阴阴/阳离子型引发剂阳离子型引发剂阳离子型引发剂阳离子型引发剂交联剂交联剂交联剂交联剂 它是马来酸酐与芬香族二胺反应生成的预聚体，再高温交联而它是马来酸酐与芬香族二胺反应生成的预聚体，再高温交联而它是马来酸酐与芬香族二胺反应生成的预聚体，再高温交联而它是马来酸酐与芬香族二胺反应生成的预聚体，再高温交联而成的热固性树脂。固化后密度为成的热固性树脂。固化后密度为成的热固性树脂。固化后密度为成的热固性树脂。固化后密
44、度为1.351.35 1.4g/cm1.4g/cm3 3，玻璃化温度，玻璃化温度，玻璃化温度，玻璃化温度(Tg)(Tg)在在在在 250250 300300 CC之间，使用温度为之间，使用温度为之间，使用温度为之间，使用温度为150150 200200 C C。3 3、常用热固性树脂、常用热固性树脂、常用热固性树脂、常用热固性树脂：（1 1）环氧树脂）环氧树脂）环氧树脂）环氧树脂(EP):(EP):分子中含有两个以上环氧基团的低聚物分子中含有两个以上环氧基团的低聚物分子中含有两个以上环氧基团的低聚物分子中含有两个以上环氧基团的低聚物。（2)2)双马来酰亚胺树脂（双马来酰亚胺树脂（双马来酰亚胺树
45、脂（双马来酰亚胺树脂（BMIBMI）按固化工艺分类：按固化工艺分类：按固化工艺分类：按固化工艺分类：23半结晶型，半结晶型，半结晶型，半结晶型，TgTg为为为为143143 C C，熔点为，熔点为，熔点为，熔点为334334 C C，结晶度，结晶度，结晶度，结晶度20-48%20-48%。热分解温度为热分解温度为热分解温度为热分解温度为650650 C C，加工温度在，加工温度在，加工温度在，加工温度在370370 420420 C C，断裂韧性极，断裂韧性极，断裂韧性极，断裂韧性极高，具有优秀阻燃性。高，具有优秀阻燃性。高，具有优秀阻燃性。高，具有优秀阻燃性。PEEKPEEK基复合材料可在基
46、复合材料可在基复合材料可在基复合材料可在250250 C C长期使用。长期使用。长期使用。长期使用。4 4、热塑性树脂：热塑性树脂：热塑性树脂：热塑性树脂：1 1）聚醚醚酮聚醚醚酮聚醚醚酮聚醚醚酮（PEEKPEEK）非晶型，非晶型，非晶型，非晶型，TgTg为为为为225225 C C，180180 C C可长期使用；有突出的耐蠕变可长期使用；有突出的耐蠕变可长期使用；有突出的耐蠕变可长期使用；有突出的耐蠕变性、尺寸稳定性；热膨胀系数与温度无关，无毒，不燃。性、尺寸稳定性；热膨胀系数与温度无关，无毒，不燃。性、尺寸稳定性；热膨胀系数与温度无关，无毒，不燃。性、尺寸稳定性；热膨胀系数与温度无关，无
47、毒，不燃。2 2）聚苯硫醚聚苯硫醚聚苯硫醚聚苯硫醚（PPSPPS）结晶型，耐腐蚀性极好，室温不溶任何溶剂，可长期耐结晶型，耐腐蚀性极好，室温不溶任何溶剂，可长期耐结晶型，耐腐蚀性极好，室温不溶任何溶剂，可长期耐结晶型，耐腐蚀性极好，室温不溶任何溶剂，可长期耐240240 C C 3 3）聚醚砜聚醚砜聚醚砜聚醚砜（PESPES）聚醚酰胺聚醚酰胺聚醚酰胺聚醚酰胺(PEI)(PEI)长期使用温度长期使用温度长期使用温度长期使用温度180180 CC；聚酰胺酰亚胺；聚酰胺酰亚胺；聚酰胺酰亚胺；聚酰胺酰亚胺(PAI)(PAI)：长：长：长：长期使用温度为期使用温度为期使用温度为期使用温度为240240
48、CC。4 4）聚酰亚胺聚酰亚胺聚酰亚胺聚酰亚胺24比重低比重低比重低比重低组成元素位于元素周期表中第二组成元素位于元素周期表中第二组成元素位于元素周期表中第二组成元素位于元素周期表中第二/三周期三周期三周期三周期共价键结合共价键结合共价键结合共价键结合高比强度、比刚度和高温稳定性高比强度、比刚度和高温稳定性高比强度、比刚度和高温稳定性高比强度、比刚度和高温稳定性 第六节第六节第六节第六节 增强剂增强剂增强剂增强剂纤维及其织物、晶须、颗粒纤维及其织物、晶须、颗粒纤维及其织物、晶须、颗粒纤维及其织物、晶须、颗粒一、增强剂特点一、增强剂特点一、增强剂特点一、增强剂特点1-11-1、玻璃纤维、玻璃纤维
49、、玻璃纤维、玻璃纤维硅酸盐经熔融纺丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布硅酸盐经熔融纺丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布硅酸盐经熔融纺丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布硅酸盐经熔融纺丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布/带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。缺点：不耐磨、易折断，易受机械损伤。便宜，品种多。缺点：不耐磨、易折断，易受机械损伤。便宜，品种多。缺点：不耐磨、易折断，易受机械损伤。便宜
50、，品种多。缺点：不耐磨、易折断，易受机械损伤。二、纤维二、纤维二、纤维二、纤维1 1、无机纤维、无机纤维、无机纤维、无机纤维25碳纤维是由有机纤维经碳化处理而成的纤维。含碳量碳纤维是由有机纤维经碳化处理而成的纤维。含碳量碳纤维是由有机纤维经碳化处理而成的纤维。含碳量碳纤维是由有机纤维经碳化处理而成的纤维。含碳量95%95%的的的的为碳纤维；含碳量为碳纤维；含碳量为碳纤维；含碳量为碳纤维；含碳量99%99%的为石墨纤维。的为石墨纤维。的为石墨纤维。的为石墨纤维。1-21-2、碳纤维、碳纤维、碳纤维、碳纤维 1 1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。）拉丝：湿法、干法或