复合材料与粉体材料

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1、复合材料概述三大材料：金属无机非金属有机高分子复合材料取长补短协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料2Chapter9Composites复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的多相固体材料。一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。复合材料特点：可设计性即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互补，因而呈现出出色的综合性能。基体和增强材料MatrixandReinforcement基体——连续相增强材料——分散相也称为增强体、增强剂、增强相等显著增强

2、材料的性能多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。4聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳基复合材料水泥基复合材料复合材料复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维纤维/金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维

3、/树脂基复合材料颗粒碳纤维碳纤维/金属基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/树脂基复合材料炭黑颗粒/橡胶；颗粒/树脂基有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料橡胶6Chapter9Composites复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。9.5.2增韧机制7Chapter9Composites纤维脱粘纤维搭桥纤维拔出8Chapter9Composites目前在生产中采用的成型工艺方法有：手糊成型—

4、显法铺层真空袋压法成型压力袋成型树脂注射和树脂传递成型喷射成型真空辅助树脂注射成型夹层结构成型模压成型9Chapter9Composites注射成型挤出成型纤维缠绕成型拉挤成型连续板材成型层压或卷制成型热塑性片状模塑料热冲压成型离心浇铸成型10Chapter9Composites挤出成型示意图1-转动机构；2-止推轴承；3-料斗；4-冷却系统；5-加热器；6-螺杆；7-机筒；8-滤板；9-机头孔型11聚合物/无机纳米微粒复合材料聚合物/无机纳米微粒复合材料是指无机纳米粒子分散于聚合物基体中的复合体系。第一类以改善塑料力学性能和物理性能为主要目的。第二类主要

5、是利用无机纳米粒子的某些功能制备功能材料。1）塑料增强和增韧无机纳米粒子分散相具有较大的比表面积和较高的表面能，并且具有刚性，复合材料力学性能好。聚合物基体中加纳米粉体后，耐冲击强度、拉伸强度、热变形温度都有较大幅度提高。最大优点：可同时提高冲击强度和抗张强度，模量也有提高。2）功能材料聚合物/无机纳米微粒复合材料的制备方法1）共混法溶液共混法、乳液共混法、熔融共混法、机械共混法。除机械共混法允许采用非纳米微粒外，其他共混法都需先制备纳米材料。共混法的主要难点是纳米粒子的分散问题。2）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶(Sol-Gel)过程是一种用金属烷氧化物或金属无

6、机盐等前驱物[Si(OC2H5)4]在一定的条件下水解成溶胶(Sol)，再缩聚成凝胶(Gel)，然后经溶剂挥发或加热等方法处理而制成固体样品的方法。1）前驱物的水解2）缩聚溶胶-凝胶法3）凝胶化经过水解、缩聚后得到的是低粘度的溶胶，随着时间的延长，溶胶中颗粒逐渐交联而形成三维网络结构。在该过程中，溶胶的粘度明显增大，最后形成坚硬的玻璃状固体。溶胶的颗粒大小及交联程度可通过pH值以及水的加入量来控制。4）陈化凝胶形成后，由于凝胶颗粒之间的连接还较弱，因而在干燥时很容易开裂为了克服开裂，需要将凝胶在溶剂的存在下陈化一段时间，以使凝胶颗粒与颗粒之间形成较厚的界面

7、5）干燥在干燥过程中，溶剂以及生成的水和醇从体系中挥发，产生应力，而且分布不均，这种分布不均的应力很容易使凝胶收缩甚而开裂。因此应注意控制溶剂、水和醇的挥发速度来降低凝胶的收缩和开裂程度。溶胶-凝胶法Sol-Gel过程一般可采取两种方式来实现：一是无机相原位生成；二是无机相和有机相协同生长。无机粒子是在聚合物提供的受控环境下通过Sol-Gel反应原位生成，相当于在一个纳米模板或纳米微反应器中生成。将预先形成的聚合物膜浸入前驱体溶液中，通过前驱体的离子交换或渗透完成掺合，然后经过水解、老化和干燥等步骤形成无机相。无机相原位生成:溶胶-凝胶法无机相和有机相协同

8、生长:将高分子先溶解于合适的溶剂中，再加入前驱物、水和催化剂，在适