复合材料原理期中重点.docx
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复合材料原理期中重点
1、增强体和功能体在复合材料中起的主导作用？
答：
增强体在结构复合材料中主要起承受载荷的作用
功能体则是赋予复合材料一定的物理、化学功能
2、复合材料区别与单一材料的主要特点？
答：
1 复合材料不仅保持原组分的部分优点，而且具有原组分不具备的特性
2 另一显著特性是材料的可设计性
3 材料与结构的一致性
3、从工程应用的角度，复合材料可分为哪两类？
答：
结构复合材料、功能复合材料
复合材料的定义：
由两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同复合方法所得到的宏观多相材料
相：
材料中具有同一化学成分并且结构和性质相同的均匀连续部分
基体材料不同：
1 无机非金属基复合材料
2 聚合物基复合材料
3 金属基复合材料
A、结构复合材料：
增强体：
在结构复合材料中主要起承受载荷的作用；
基体：
起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。
B、功能复合材料：
基体：
主要起连接作用；
功能体：
是赋予复合材料以一定的物理、化学功能。
复合材料特性：
1 比强度、比模量高
2 耐疲劳性能好
3 减震性好
4 过载安全性
第二章复合材料的复合效应
本章主要内容：
将对材料复合的一般规律作简要的讨论
4、材料复合效应的分类
答：
1 线性效应：
a.平均效应：
Pc＝PmVm+PfVfEc＝EmVm+EfVf
b.平行效应：
显示这一效应的复合材料，其组成复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的作用，既无制约，也无补偿。
c.相补效应：
组成复合材料的基体与增强体，在性能上能互补，从而提高了综合性能，则显示出相补效应。
d.相抵效应：
基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。
2 非线性效应：
a.相乘效应：
两种具有转换效应的材料复合在一起，有可能发生相乘效应。
b.诱导效应：
在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。
这种诱导行为已在很多实验中发现，同时也在复合材料界面的两侧发现。
c.共振效应：
两相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁的共振。
：
d.系统效应：
这是一种材料的复杂效应，至目前为止，这一效应的机理尚不很清楚。
复合材料的性质取决于各组分特性、含量和分布情况
5、对于含有两种组分的复合材料，其典型的结构为0-3型、1-3型、2-3型、2-2型和3-3型分别指什么结构？
答：
1 0-3：
基体为三维连续相，而增强体或功能体以不连续相的微粒分布在基体中的结构状态
2 1-3：
基体为三维连续相，而增强体为纤维状一维材料
3 2-2：
由两种材料呈层状叠合而成的多层结构复合材料
4 2-3：
基体为三维连续相，而增强体或功能体为二维结构的片状材料
5 3-3：
基体为三维连续相，而增强体或功能体为三维网状结构或块状结构镶嵌在基体之中
1）两相复合体系有l0种可能的连通性复合材料结构（0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3）；
2）三个相组成的复合体系结构有20种可能存在的连通性；
3）四个相时，它可能存在35种连通性。
6、复合材料的复合效果包括哪几种？
其内容分别是什么？
答：
1 组分效果：
在复合材料的基体和增强体（或功能体）的物理机械性能确定的情况下，仅仅把相对组分作为变量，不考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等复杂变量影响时产生的效果称为组分效果
对于纤维相互接触时，即r＝R时，Vf达到最大值。
对于六边形阵列：
Vfmax＝0.907
对于正方形阵列：
Vfmax＝0.785
2 结构效果：
复合材料性能用组分性能和组成来描述时，必须考虑组分的几何形态、分布状态和尺度等可变因素产生的效果，分为形状效果、取向效果和尺度效果
3 界面效果：
基体和增强体或功能体复合效果的主要因素
7、建立材料的微观模型包括哪两方面的内容？
答：
1 材料的几何结构模型
2 材料的物理模型，即计算场量的理论和方法
第三章复合材料的界面状态解析
1、了解界面的分类；
2、掌握复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分相外，还具有的特点；
3、掌握复合材料界面的研究对象；
4、掌握与表面张力有关的因素；
5、掌握吸附按作用力的分类及特点；
6、掌握导致接触角的滞后效应的原因；
7、掌握固体被液体的浸润性；
8、了解界面的相容性与粘接；
9、了解浸润动力学；
10、重点掌握增强体的表面特性及对复合材料界面结合的影响。
复合材料性能的主要影响因素包括三个方面：
1 基体和增强体或功能体的性能
2 复合材料的结构和成型技术
3 界面结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应
8、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分外，还具有哪些特点？
答：
1 具有一定的厚度
2 性能在厚度方向上有一定的梯度变化
3 随环境条件变化而改变
9、阐述复合材料界面的研究对象
答：
1 增强体表面的有关问题
2 表面处理物质的有关问题
3 表面处理的最优化技术
4 粉体材料在基体中的分散
5 复合技术的优化及其机理
10、简述与表面张力有关的因素
答：
1 表面张力与物质结构、性质有关
2 物质的表面张力与它相接触的另一相物质有关
3 表面张力随温度不同而不同，一般温度升高，表面张力下降
恒温、恒压条件下，任何物质都有自动向自由能减小的方向移动的趋势，因此，表面能也有自动减小的趋势
降低表面能的措施：
1 通过自动收缩表面积实现
2 通过降低比表面能来实现
11、吸附按作用力的性质可分为哪几类？
各有什么特点？
答：
物理吸附和化学吸附
物理吸附：
1 由于分子间引力是普遍存在于吸附剂与吸附物之间，故物理吸附无选择性，但由于吸附剂和吸附物的种类不同，分子间的作用力大小各异，因此吸附量可因物系不同而相差很多
2 在物理吸附中，吸附在固体表面的可以呈单分子层，也可以是多分子层
3 物理吸附和解吸速度都较快，易达到平衡
化学吸附：
1 化学吸附是有选择性的，即某一吸附剂只对某些吸附物发生化学吸附
2 由于化学吸附生成化学键，因为只能是单分子吸附，且不易吸附和解吸
3 化学吸附平衡慢，在某些情况下，当吸附物分子和固体表面分子形成较稳定的化合物后，就不可能解析
物理吸附：
当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，表面分子与吸附物之间的作用力是分子间引力（范德华力）。
一般在低温下进行的吸附是物理吸附。
特点：
1 无选择性，吸附量相差较大；
2 吸附可呈单分子层或多分子层；
3 物理吸附、解吸速度较快，易平衡。
化学吸附：
当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，还有剩余的成键能力，在吸附剂及吸附物之间还有电子转移生成化学键的吸附
特点：
1 有选择性
2 只能单分子吸附，且不易吸附或解吸
3 平衡慢
吸附：
是一种物质的原子或分子附着在另一物质表面上的现象，或者说，物质在相的界面上，浓度发生自动变化的现象
固体吸附的原因：
由于固体表面质点处于力场不平衡的状态，即具有表面能，这一不平衡的力场为了趋于平衡态，可以吸附别的物质而得到补偿，以降低表面能（表面自由能），所以固体表面自动地吸附那些能够降低其表面自由能的物质
吸附过程是放热反应，解吸过程是吸热的
吸附按作用力的性质，分为物理吸附和化学吸附
12、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。
1 当γsv<γsl,cosθ<0,θ>90°,此时固体不为液体浸润
2 当γlv＞（γsv-γsl）＞0，则1＞cosθ＞0，即0°＜θ＜90°，此时固体为液体所浸润
3 若γsv-γsl＝γlv，则cosθ＝1，θ＝0，此时固体表面可以被液体完全浸润，并获得最大粘附功
致接触角的滞后效应的原因:
1 表面污染
2 固体表面的粗糙度
原因：
滞后现象的产生，一般是存在许多亚稳态。
这些亚稳态的能量彼此略有差别，并被小的能垒所隔开。
亚稳态一般是由固体表面的粗糙性或化学不均匀性所引起。
3 表面的化学不均匀性
注
a.实际的不均匀性可起因于表面上富集的杂质、晶格缺陷或者是由于不同的晶面性质而引起。
这种实际表面要比理想表面复杂的多。
b.一般说来，表面既粗糙又不均匀，两者之中，不均匀性是滞后的主要原因，除非相当粗糙
13、界面的相容性指什么？
如何确定？
答：
相容性是指复合材料在制造、使用过程中各组分之间相互协调、配合的程度
1 若ΔG＜0，相容
2 若ΔG＞0，不相容，即不混合
相容性关系到复合材料中的各组分材料能否有效发挥其作用以及复合材料整体的结构和性能能否长期稳定
相容性包括物理相容性和化学相容性
通常，相容性是根据在混合时的吉布斯（Gibbs）的自由能变化△G来确定
而△G用混合熵△S和混合热△H来表达，此时有：
△G=△H-T△S
14、偶联剂官能团对固化体系热效应及内耗峰影响的原因？
答：
1 官能团参与反应
2 优先吸附引起的现象
15、简述增强体表面的物理特性对界面结合性能的影响。
1 比表面积：
是导致复合材料中的界面存在并引起界面效应的根本所在
2 多孔性：
部分孔隙能被基体填充，部分由于很难完全浸润，界面结合不好，成为应力传递的薄弱环节
3 增强体表面的极性：
极性的取决于增强体的分子结构、物质结构及外场的作用
4 增强体表面的均一性：
是指增强体表面的活性点分布的均一性，包括物理活性点及化学活性点。
活性点分布均匀：
界面结合均匀、完善；活性点分布不均：
在界面局部形成缺陷，形成弱界面
5 增强体表面的结晶特性：
包括表面的结晶程度及晶体分布状态。
影响复合材料的界面作用和材料性能
增强体的表面特性的分类及作用：
1 增强体表面的物理特性决定界面粘结的好坏
2 增强体表面的化学特性决定界面粘结的效果
3 增强体的表面能判断增强体的活性
16、为什么玻璃纤维表面常常吸附一层水分子？
答：
1 阳离子在该处不能获得所需要数量的氧离子，产生表面张力，当处于力的不平衡状态时，就有吸附外界物质的倾向（吸附大气中的水）
2 另外非SiO2成分的存在使玻璃表面状态与性质突出地表现为吸湿性
碳纤维的表面改性：
a.增加比表面积
b.增加其表面的含氧基团
第四章复合体系的界面结合特性
本章要点：
1、掌握复合材料界面的形成过程；
2、掌握树脂基复合材料的润湿理论、化学键理论、优先吸附理论、防水层理论，了解可逆水解理论和摩擦理论；
3、重点掌握树脂基复合材料界面的破坏机理；
4、重点掌握复合材料界面的优化设计；
5、掌握界面分析技术。
14、简述复合材料界面的形成过程
答：
1 第一阶段润湿过程：
基体与增强体在一种组分为液态（或粘流态）时发生接触或润湿的过程，或是两种组分在一定条件下均呈液态（或粘流态）的分散、接触及润湿过程；也可以是两种固态组分在分散情况下以一定的条件发生物理及化学变化形成结合并看作为一种特殊润湿过程
2 第二阶段固化过程：
液态（粘流态）组分的固化过程
这种润湿过程是增强体与基体形成紧密的接触而导致界面良好结合的必要条件
要形成复合材料增强体与基体间稳定的界面结合，不论是何种材料（金属、非金属、聚合物）均必须通过物理或化学的固化过程（凝固或化学反应固化）。
15、解释润湿理论所包含的内容并指出成功之处与不足之处
答：
1 内容：
要使树脂对增强体紧密接触，就必须使树脂对增强体表面很好地浸润
2 前提条件：
液态树脂的表面张力必须低于增强体的临界表面张力
3 结合方式：
属于机械结合与润湿吸附（范德华力）
4 成功之处：
解释了增强体表面粗化，表面积增加有利于提高与基体树脂界面结合力的事实
5 不足之处：
a.不能解释使用偶联剂后，使树脂基复合材料界面粘结强度提高的现象
b.证明偶联剂在玻璃纤维/树脂界面上的偶联效果一定有部分（或是主要的）不是由界面的物理吸附所提供，而是存在着更为本质的因素在起作用
注意：
单纯以两者润湿好坏来判定增强体与树脂的粘结效果是不全面的。
16、解释化学键理论和优先吸附理论，并指出其成功之处与不足之处
答：
1 化学键理论：
基体树脂表面的活性官能团与增强体表面的官能团起化学反应，因此树脂基体与增强体之间形成化学键的结合。
界面的结合力是主价键力的作用，偶联剂正是实现这种化学键结合的架桥剂
2 成功之处：
在偶联剂应用于玻璃纤维复合材料中得到很好应用，也被界面研究的实验所证实
3 不足之处：
碳纤维复合材料，当碳纤维经过某些柔性聚合涂层处理后，力学性能改善。
但聚合物不具备与碳表面起反应的活性基团，也不具备与树脂其反应的基团
总结：
对于复合体系的界面现象和结构的解释，不能单纯以一种化学偶联或单纯以一种物理化学现象来解释。
若润湿理论和化学键理论都存在时，认为化学偶联作用应是主要的，然后提高浸润性，则效果最佳。
1 优先吸附理论：
界面上可能发生增强体表面优先吸附树脂中的某些组分，这些组分与树脂有良好的相容性，可以大大改善树脂对增强体的浸润。
同时，由于优先吸附的作用，在界面上可以形成所谓的“柔性层”，这“柔性层”极可能是一种欠固化的树脂层，它是“可塑的”，可以起到松弛界面上应力集中的作用，故可以防止界面粘脱
2 成功之处：
解释化学键不能解释的现象。
即当偶联剂不具备与树脂反应的基团时，仍能达到良好的处理效果。
17、解释界面破坏的能量流散概念，并说明其在界面破坏上的应用。
答：
1 概念：
当裂纹受到外界作用时，裂纹的发展过程将是逐渐通过树脂最后到达纤维表面。
在裂纹扩展的过程中，将随着裂纹的发展逐渐消耗能量，并且由于能量流散而减缓裂纹的发展
2 应用：
a.如果界面上的化学键是集中的，当裂纹发展时，能量流散少或能量集中于裂纹峰，可能没有引起集中键的破坏就冲断纤维，造成材料的破坏
b.如果树脂与纤维表面上的化学键是分散的，树脂自界面逐渐分离，键逐渐破环，这样，应力没有集中于裂纹峰而消耗能量，引起脱粘破环
18、简述非树脂基复合材料的界面类型分类。
答：
1 材料界面只有原物质而没有其他任何组成，包括添加物或物理、化学作用产生的新组成物
2 界面为增强体与基体形成的相互交错的溶解扩散界面
3 界面上有界面反应层
复合材料界面结合的形式：
1 机械结合：
机械接触、无化学作用
2 溶解与浸润结合：
润湿和溶解、形成交错的溶解扩散界面、次价键力的结合
3 反应界面结合：
形成了新的反应物层、主价键力的结合
19、如何对复合材料界面进行优化设计。
答：
1 在复合材料界面设计中，首先应注意到材料的应用要求
2 弹性模量的设计，界面相的模量应小于基体和增强体
3 界面的残余应力，减弱复合材料界面的残余应力及在材料应用中利用
4 基体与增强体的相容性，提高增强体及基体界面的相容性，保证充分接触界面是设计中优先考虑的问题和材料复合的先决条件
5 考虑相间的动力学效果
6 同时考虑偶联剂性能，如化学功能、物理功能及偶联剂的其他结构因素
界面的功能：
传递应力、粘结与脱粘
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