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淺談復合材料

復合材料：
由兩種或兩種以上不同化學性質或不同組織結構的物質，通過不同的工藝方法，以人工合成的多相材料。
復合材料為多相結構，一類為基體，另一類為增強相。盡管復合材料的定義的細節有所不同，但其要點是共同的。
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良性能。
復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，其性能明顯優于原組成材料。

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

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

復合材料的性質：可以分為三大類：
1、內在性質：又稱為基本的材料性質，可以進行精確的可重復的測量。
2、加工性質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在性能的總和。
3、復合材料制件性質又稱為產品性質。在加工過程中又附加上一些性質，如形狀和方向性。正是一定的內在性質和附加性質的總和決定了產品性質。
復合材料的最大特點是適應性廣，可以通過改變組分類型、用量配比、工藝條件等方法來滿足使用要求。

聚合物基復合材料：
作為機械工程材料，高分子聚合物的最大優點是密度小、耐腐蝕、可塑性好、易加工成型，但其最主要的缺點是強度低、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合材料。在聚合物基復合材料中，以纖維增強效果最好、發展最快、應用最廣。

復合材料是由基體材料和增強材料兩部分組成。聚合物基復合材料是以有機聚合物為基體，連續纖維為增強材料組成的復合材料。纖維的高強度、高模量特性，使它成為理想的承載體。粘接性能好、模量較低的樹脂基材料把纖維牢固地粘接起來，同時，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合也是非常重要的。聚合物基復合材料常用的增強纖維為玻璃纖維、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(如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚酫樹脂、昳喃樹脂、有機硅樹脂等)和熱塑性塑料(如尼龍、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等)。這類材料的復合與制品的成型是同時完成的。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塑料、碳纖維增強塑料、硼纖維增強塑料、碳化硅纖維增強塑料和Kevlar纖維增強塑料。

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。這些補助材料是復合材料基體不可缺少的成分。由于這些成份加人，使復合材料具有各種各樣的使用性能。改進了工藝性、降低了成本，擴大了應用范圍。在復合材料發展過程中，輔助材料的研究是很重要的。可以說沒有輔助材料的配合就沒有復合材料工業的發展。

聚合物的結構：
A、聚合物的分子鏈由很大數目(1000~100000的數量級)的結構單元組成，每個結構單元相等于一個小分子。一條長鏈主要由兩價結構基團連接而成，也可以由三價或四價基團連成。這些結構單元可以是相同的(均聚物)也(是不同的(共聚物)。聚合物中常兄的結構基團是通過共價鍵連成不同的結構，如線形的、支形的或網狀的絡構。
B、鏈長有限的聚合物分子含有官能團或端基，其中端基不是重復結構單元的一部分。它們與其它可反應基因的反應用量以及反應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，也將對其物理、力學性能產生很大的影響。
C、聚合物分子鏈的作用力對于聚合物聚集態結構及復合材料的物理力學性能有密切關系。一般聚合物的主鏈都有一定的內旋轉自由度，使大分子具有無數的構象，具有柔性。如果組成聚合物分子鏈的化學鍵不能內旋轉，或結構單元間有強烈的相互作用，則形成剛性鏈，使高分子鏈具有一定的構象和構型。

綜上所述，聚合物分子鏈接構，指的是單個聚合物分子的化學結構和立體化學結構，包括重復單元的本性、端基的本性、可能的支化和交聯與結構順序中缺陷的本性，以及高分子的大小和形態等。聚合物分子聚集態結構指的是聚合物材料本體內部結構，包括晶態結構、非晶態結構、取向結構和組態結構等。

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

2、聚合物的耐熱性能：聚合物在受熱過程中將發生兩種變化。一種是物理變化即軟化與熔融，一種是化學變化即環化、交聯、降解、氧化或水解等。

從聚合物結構上分析，為改善材料耐熱性能，聚合物需具有剛性分子鏈、結晶性或交聯結構。就是所謂馬克三角原理。
作為結構件使用的復合材料的基體，為提高耐熱性，首先是選用能產生交聯結構的聚合物，如聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂等。此外，溫度和時間工藝條件的選擇會影響聚合物的交聯密度，因而也影響耐熱性。

聚合物的熱穩定性能：
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，即降解和交聯。降解指聚合物主鏈的斷裂，它導致相對分子質量的下降，使材料的物理力學性能變壞。交聯是指某些聚合物交聯過度而使聚合物變硬、發脆使物理力學性能變壞。聚合物的熱降解是化學鍵的斷裂。因此，組成聚合物分子的化學鍵能越大，材料就越穩定，耐熱分解的能力就越強。

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

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

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數60% ~70%的玻璃纖維與30% ~ 40%的熱固性樹脂組成，其主要優點是密度小、強度高。比強度超過一般高強度鋼和鋁合金、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，只有結構鋼的1/5~1/10，剛性差。

熱固性玻璃鋼的性能：
聚酯樹脂        環氧樹脂         酚醛樹脂
密度/ (g/cm3)       1.7~1.9          1.8~2.O           1.6~1.85
改進聚合物的力學性能，常用的方法就是采用堅韌的纖維(通常是玻璃纖維)增強塑料基體材料，把聚合物樹脂變為復合材料。

橡膠基復合材料：
橡膠具有彈性高、減振性好、熱導率低、絕緣等優點，但強度和彈性模量低、耐磨性差。為了改善橡膠制品的性能，可用增強顆粒或纖維與其復合，制備成顆粒增強橡膠或纖維增強橡膠制品。

1、顆粒增強橡膠：在橡膠工業中，常使用大量輔助材料改善橡膠的性能。增強效果最好的是補強劑，如炭黑、白炭黑、氧化鋅、活性碳酸鈣等。補強劑的細小粒子填充到橡膠分子的網狀結構中，形成一種特殊的接口，使橡膠的抗拉強度、撕裂強度、耐磨性都顯著提高。
炭黑對橡膠的增強效果：   硫化后的抗拉強度/Mpa        增強效果
                        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、纖維增強橡膠：纖維增強橡膠制品主要有輪胎、帶、橡膠管、橡膠布等。這些制品除了應具有輕質高強的性能外，還必須柔軟并具有較高彈性。這要求增強纖維具有強度高、伸長率低、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)。增強纖維與橡膠通常經過提煤、混煉、涂覆、擠出、壓延、成型、硫化等工序制備成纖維增強橡膠制品。纖維增強橡膠復合材料強度、抗摩擦磨損性能都有較大提高。

環氧樹脂基耐磨復合材料：
1、Al2O3顆粒增強環氧樹脂基耐磨復合材料涂層已日益廣泛應用于工作在漿體沖蝕磨損工況下的工件(如泥漿泵的表面，作為耐沖蝕保護涂層，也用于腐蝕、磨損面的修補。這類復合材料涂層的沖蝕磨損由樹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塑性交形唇，即基體具有半塑性的沖蝕磨損特性。同時，若基體材料的塑性、韌性絞差，當塑性交形量累積到一定程度時，基體就含出現裂紋，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，則復合涂層的耐磨性將有所增加。
改善環氧樹脂基體的韌性以及優化填料結構是提高涂層耐磨性的有效途徑。使用聚氨酯預聚體改性環氧樹脂為基體，通過添加不同體積分數和不同級配的Al2O3顆粒，制備出一種新型的耐磨復合涂層材料。

2、納米陶瓷增強環氧樹脂復合材料作為填料，環氧樹脂作為基體，制備的納米陶瓷增強環氧樹脂復合材料具有較好的抗摩擦磨損性能。

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