材料表界面-第十章.ppt

第十章 复合材料的界面,一、复合材料概述二、聚合物基复合材料三、玻璃纤维增强塑料界面四、先进复合材料的界面,第十章 复合材料的界面,无机 非金属 材料,有机高分子材料,金属材料,复,合,材,料,一、复合材料概述,复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺复合而成的多相材料。,取 长 补 短,协 同 作 用,产生原来单一材料本身所没有的新性能,一、复合材料概述,复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺复合而成的多相材料。,包括三层意义：它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机械方法分离的材料。它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在一起，形成复合材料。它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分材料没有的独特性能。,一、复合材料概述,复合材料的结构：基体相增强剂相相与相之间存在界面。,纤维增强塑料,塑料：把纤维粘结在一起，使纤维的强度充分发挥,纤维：分散于塑料，混凝土中的“钢筋”，承担负荷,一、复合材料概述,界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性能不是组成材料性能的简单加和，而产生了 112 的作用，称为协同效应。,复合材料的界面：,断裂能大幅提高的原因？,玻璃纤维的断裂能约为10 Jm2，聚酯的断裂能约为 100 Jm2，而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105Jm2,一、复合材料概述,界面是复合材料产生协同效应的根本原因,复合材料的界面：,一、复合材料概述,复合材料的界面：,图10-2复合材料破坏过程中的能量吸收,裂纹在基体中发展，遇到纤维，可能发生界面脱粘、基体和纤维的断裂、纤维拔出等过程，吸收了大量能量。并且裂纹发展未必在一个平面上，可沿着材料中不同的平面发生如上的界面脱粘、基体和纤维的断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹贯穿了某一平面材料才破坏，这就使得复合材料的断裂能大大高于各组分材料的断裂能的加和，充分体现出复合材料的协同效应。,一、复合材料概述,复合材料的界面：,1 纤维本体区2 纤维表面区3 界面吸附层4 基体表面区 5 基体本体区,界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。,图10-3复合材料界面模型,界面相内的化学组分，分子排列，热性能，力学性能呈现连续的梯度性变化。,一、复合材料概述,复合材料的分类：,按基体材料分类 聚合物基复合材料：热固性和热塑性树脂基 金属基复合材料 无机非金属基复合材料：陶瓷基，水泥基,其中，应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的一般特性：轻质高强电性能好耐腐蚀性能好热性能好性能具有可设计性界面结合性差，层间剪切强度低,聚合物基复合材料的一般特性：,轻质高强：,相对密度低，之间，约为钢的1/5,铝的1/2，比强度比钢、铝合金高，如高模量碳纤维/环氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝合金的4倍。其比模量是钢、铝、钛的4倍。是复合材料适宜用作航空、航天材料的宝贵性能。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的一般特性：,轻质高强：,二、聚合物基复合材料,一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量,聚合物基复合材料的一般特性：,电性能好：,电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好，适宜于电机仪表零件、雷达罩等。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的一般特性：,耐腐蚀性能好：,耐海水、酸碱、盐和有机溶剂，适宜于化工机械零部件、管道、贮槽、渔船等。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的一般特性：,热性能好：,导热系数低，是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受2000以上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的一般特性：,性能具有可设计性：,性能除与纤维、树脂的种类及含量外，还与纤维的排列方向、铺层次序和层数有关，因此可以优化设计，做到安全可靠，经济合理。在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一特点使得复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多，降低了应力集中。同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造工序和加工量，缩短加工周期，降低生产成本。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的一般特性：,界面结合性差，层间剪切强度低,由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差，材料性能分散性大，耐高温和环境老化性不好等。也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着复合材料科学的发展。,二、聚合物基复合材料,用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热塑性及热固性两类。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的分类：,热塑性聚合物的形态特征,热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的分类（基体）：,热固性聚合物的形态特征,热固性基体如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料的分类（基体）：,1.不饱和聚酯树脂 不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸（或酸酐）、不饱和二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基单体（如苯乙烯）中形成的溶液。是制造玻璃纤维复合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80%以上。,二、聚合物基复合材料,1.不饱和聚酯树脂,二、聚合物基复合材料,饱和二元酸或酸酐,不饱和二元酸或酸酐,多元醇,交联剂,首先，多元酸（酸酐）与多元醇缩聚，形成分子量不很大的、主链含有双键的不饱和聚酯：,调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例，可以控制不饱和聚酯中双键的含量,然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生自由基共聚反应，交联成三元网状结构,1.不饱和聚酯树脂,二、聚合物基复合材料,1.不饱和聚酯树脂 特点：工艺性良好，室温下固化，常压下成型，工艺装置简单。树脂固化后综合性能良好，力学性能不如酚醛树脂或环氧树脂。价格比环氧树脂低得多，只比酚醛树脂略贵一些。不饱和聚酯树脂的缺点是固化时体积收缩率大、耐热性差等。主要用于一般民用工业和生活用品中。,二、聚合物基复合材料,2.环氧树脂 环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基化合物，一般它们的相对分子质量都不大，环氧基可以位于分子链的末端，也可在分子链的中间或成环状结构。由于环氧基非常活泼，可以与多种类型的固化剂发生交联反应，形成不溶不熔的具有三维网状结构的聚合物。,二、聚合物基复合材料,二、聚合物基复合材料,2.环氧树脂,分子链中引入环氧基的方法，一种是由含活泼氢的化合物如酚类、有机酸类、胺类与环氧氯丙烷发生开环反应，然后在碱的作用下闭环，引入环氧基：,二、聚合物基复合材料,2.环氧树脂,分子链中引入环氧基的方法，另一种引入环氧基的方法是用过醋酸或过氧化氢对带双键的化合物进行环氧化：,二、聚合物基复合材料,2.环氧树脂,反应性固化剂：与环氧分子进行加成反应，并通过逐步反应历程交联成体型网状结构 脂肪族多元胺、芳香胺、多元酸等催化性固化剂：引发环氧基按阳离子或阴离子聚合的历程进行固化反应 叔胺、三氟化硼等,二、聚合物基复合材料,2.环氧树脂,脂肪族多元胺固化原理,胺基上的活泼氢可与环氧基发生如下的反应：,二、聚合物基复合材料,2.环氧树脂,常用的脂肪胺固化剂,H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 二乙烯三胺H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 三乙烯四胺H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 四乙烯五胺H2N(CH2CH2NH)nCH2CH2NH2 多乙烯多胺,2.环氧树脂,特点：在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固化反应起促进作用；已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学介质和耐烧蚀性能；树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行；固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但断裂延伸率低，脆性大。,二、聚合物基复合材料,3.酚醛树脂 酚醛树脂是由酚类和醛类反应而成的一类聚合物，是最早合成的热固性树脂。常用酚类是苯酚，醛类是甲醛。,二、聚合物基复合材料,3.酚醛树脂,二、聚合物基复合材料,反应原理：第一步甲醛与苯酚加成生成羟甲基苯酚,3.酚醛树脂,二、聚合物基复合材料,反应原理：第二步羟甲基与苯酚邻对位氢脱水缩合或羟甲基与羟甲基缩合成醚键，再在加热下脱去甲醛成次甲基,3.酚醛树脂,优点：比环氧树脂价格便宜缺点：吸附性不好、收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高等。大量用于粉状压塑料、短纤维增强塑料，少量用于玻璃纤维复合材料、耐烧蚀材料等，很少使用在碳纤维和有机纤维复合材料中。,二、聚合物基复合材料,三种树脂基体的比较,不饱和聚酯：用量最大，玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）制品所用的树脂，主要是不饱和聚酯树脂。用于座椅、船舶、人造大理石等等。环氧树脂:与碳纤维等复合，界面结合好，收缩率小；但体系粘度大，工艺性差。用于高档制品，如航空航天材料。酚醛树脂：耐热性突出，但固化时有小分子放出，需加压成型，增加了成本。用于电木，耐烧蚀的碳碳复合材料（残碳率高、石墨化结构）,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料基体的作用：把增强材料纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料增强材料：,在复合材料中，凡能提高机体的机械强度、弹性模量等力学性能的材料称为增强材料。,二、聚合物基复合材料,聚合物基复合材料增强材料：,纤维增强材料：广泛应用的有玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等 片状增强材料：除长纤维状使用外，也可切断后以短切纤维或者编织成织物使用。颗粒状增强材料：称为填料，主要不仅能使复合材料制品的价格降低，而且能显著改善制品的机械性能、耐摩擦性能、热性能、耐老化性能等。碳酸钙、石墨、云母、高岭土、二氧化硅、滑石粉等。,使用量最大,二、聚合物基复合材料,拉伸强度：块状石墨：689MPa，石墨纤维：17002800MPa。,拉伸强度：块状玻璃：40100MPa；玻璃纤维（直径10m以下）：1000MPa以上；玻璃纤维（直径5 m以下）：2400MPa以上。,在复合材料中，大都是以纤维状材料，特别是连续长纤维作为增强材料。,聚合物基复合材料增强材料：,二、聚合物基复合材料,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维增强塑料：,俗称玻璃钢，是由玻璃纤维和基体树脂组成的复合材料。玻璃纤维赋予复合材料强度和刚度，基体树脂则对复合材料的压缩强度、弯曲强度、剪切强度、耐腐蚀性、阻燃、耐辐射、电性能等有密切关系。,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维：,是目前复合材料中使用量最大的一种增强纤维。玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍，但经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃相同。玻璃是由硅氧原子为主组成的不规则网络，网络间存在空穴，空穴中填充着Na，K、Ca2、Mg2等金属离子。,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维：,玻璃纤维骨架的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。以二氧化硅为主的称为硅酸盐破璃，以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。,三、玻璃纤维增强塑料界面,物理性能外观和比重表面积玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的耐磨性与耐折性玻璃纤维的热性能玻璃纤维的电性能,玻璃纤维：,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的物理性能：,外观和比重一般天然或人造的有机纤维，其表面都有较深的皱纹；而对于玻璃纤维来说，其表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎都是完整的圆形。,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的物理性能：,外观和比重玻璃纤维直径从1.5 25 um，大多数为4 14 um。玻璃纤维的密度为2.16 4.30 gcm3。此外，一般情况下，无碱玻璃纤维的比重大于有碱纤维。,三、玻璃纤维增强塑料界面,表面积由于玻璃纤维的表面积大，使得纤维表面处理的效果对性能的影响很大。,玻璃纤维的物理性能：,玻璃纤维的力学性能1)玻璃纤维的拉伸强度一般玻璃制品的拉伸强度只有40 100 MPa，而直径3 9 um的玻璃纤维拉伸强度则高达1500 4000 MPa。,1)玻璃纤维的拉伸强度2)影响玻璃纤维强度的因素3)玻璃纤维的弹性,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的物理性能：,三、玻璃纤维增强塑料界面,几种纤维材料和金属材料的强度,玻璃纤维的物理性能：,2)影响玻璃纤维强度的因素A、一般情况，玻璃纤维的拉伸强度随直径变细而拉伸强度增加，如下表所示：,1)玻璃纤维的拉伸强度2)影响玻璃纤维强度的因素3)玻璃纤维的弹性,玻璃纤维的力学性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的物理性能：,玻璃纤维拉伸强度与直径的关系,三、玻璃纤维增强塑料界面,2)影响玻璃纤维强度的因素B、拉伸强度也与纤维的长度有关，随着长度增加拉伸强度显著下降。如下表所示：,1)玻璃纤维的拉伸强度2)影响玻璃纤维强度的因素3)玻璃纤维的弹性,玻璃纤维的力学性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的物理性能：,2)影响玻璃纤维强度的因素C、化学组成对强度的影响 纤维的强度与玻璃化学成分关系密切。而改变系统(即改变它的基本组分)，强度会产生大幅度地变化。,1)玻璃纤维的拉伸强度2)影响玻璃纤维强度的因素3)玻璃纤维的弹性,玻璃纤维的力学性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的物理性能：,2)影响玻璃纤维强度的因素,1)玻璃纤维的拉伸强度2)影响玻璃纤维强度的因素3)玻璃纤维的弹性,玻璃纤维的力学性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,D、纤维老化的影响,E、纤维的疲劳影响,F、成型方法和成型条件强度的影响,玻璃纤维的物理性能：,1)玻璃纤维的拉伸强度2)影响玻璃纤维强度的因素3)玻璃纤维的弹性,玻璃纤维的力学性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,3)玻璃纤维的弹性A、玻璃纤维的延伸率玻璃纤维的延伸率比其它有机纤维的延伸率低，一般为3左右。,玻璃纤维的物理性能：,1)玻璃纤维的拉伸强度2)影响玻璃纤维强度的因素3)玻璃纤维的弹性,玻璃纤维的力学性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,3)玻璃纤维的弹性A、玻璃纤维的弹性模量玻璃纤维的弹性模量约为7*104 MPa，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。,玻璃纤维的物理性能：,玻璃纤维的耐磨性与耐折性玻璃纤维这两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的物理性能：,玻璃纤维的热性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,导热性耐热性,1）玻璃纤维的导热性玻璃的导热系数为0.6 1.1千卡/米度时，但拉制成玻璃纤维后，其导热系数只有0.03千卡米度时。,玻璃纤维的物理性能：,玻璃纤维的热性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,导热性耐热性,2）破璃纤维的耐热性玻璃纤维耐热性较高，软化点为550 580，其热膨胀系数为4.8 106/。,玻璃纤维的物理性能：,玻璃纤维的电性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多。玻璃纤维的电阻率随着温度的升高而下降。,玻璃纤维的物理性能：,玻璃纤维的电性能,三、玻璃纤维增强塑料界面,空气湿度对玻璃布电阻率影响,玻璃纤维的物理性能：,三、玻璃纤维增强塑料界面,玻璃纤维的化学性能：,玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对一般的化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。但拉制成玻璃纤维后，其化学稳定性远不如玻璃。这主要是由于玻璃纤维的比表面积大所造成的。玻璃纤维的耐腐蚀性能要比块玻璃差得多，且玻璃纤维的直径越小，其化学稳定性越差。,三、玻璃纤维增强塑料界面,聚合物基复合材料的基体是有机高分子材料，玻璃纤维是无机材料，由于有机高分子材料和无机材料在结构和性能上存在很大的差异，相互亲和力差，因此难以实现良好的界面结合。,有机高分子材料,无机非金属材料,偶联剂,三、玻璃纤维增强塑料界面,偶联剂：,偶联剂是这样的一类化合物，它们的分子中含有两种性质不同的基团，其中一种基团可与增强材料发生化学作用或物理作用，另一种基团则能和基体发生化学作用或物理作用。从通过偶联剂的欧联作用，使基体与增强材料实现良好的界面结合，从而显著提高复合材料的性能。按化学组成，偶联剂主要可分为硅烷类、有机铬络合物类、钛酸酯类。,(1)有机硅烷类偶联剂,有机硅烷是一类品种很多，效果也很显著的表面处理剂，其一般结构通式为：RnSiX4-n,R为有机基团，是可与合成树脂作用形成化学键的活性基团,如不饱和双键、环氧基、氨基等；,X为易水解的基团，如甲氧基、乙氧基等。,n1，2，3 绝大多数n1,偶联剂,偶联剂,有机硅烷偶联剂的作用机理如下：,（1）X基团水解，形成硅醇：（蒸馏水稀释5%）（2）硅醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基与玻璃纤维表面硅羟基之间形成氢键：,RnSiX4-n,（3）硅羟基之间脱水形成-Si-O-Si-键：这样，硅烷偶联剂在玻璃纤维表面以-Si-O-Si-化学键结合，同时在玻璃纤维表面缩聚成膜，形成有机基团R朝外的结构,偶联剂,有机硅烷偶联剂的作用机理如下：,有机基因R中可含有-CC-、-NH2、一CH一CH2等基团，这些活性基团和树脂基体反应，形成新的化学键，即偶联剂与基体结合起来了例如，-CC-可参与不饱和聚酯的固化反应，-NH2可参与环氧树脂的固化反应。,有机硅烷偶联剂的作用机理如下：,偶联剂,O,(2)有机铬偶联剂有机酸氯化铬络合物简称铬络合物，这类络合物通常是用碱式氯化铬与羧酸反应而制得。2Cr(OH)Cl2+RCOOHRCOOCr2(OH)Cl4+H2O,偶联剂,沃兰(Vo1an),偶联剂,有机铬偶联剂的作用机理与有机硅烷类似，可表示如下：,偶联剂,(3)钛酸酯偶联剂 结构通式：,(RO)m Ti-(O-X-R-Y)n,m、n为官能团数。n2时为多官能团的钛酸酯，可与多官能团的热塑性及热固性树脂起作用。,偶联剂,(3)钛酸酯偶联剂,三、玻璃纤维增强塑料界面,用偶联剂进行玻璃纤维表面处理的方法,后处理法前处理法迁移法,三、玻璃纤维增强塑料界面,用偶联剂进行玻璃纤维表面处理的方法,后处理法：用洗涤或灼烧的方法先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后用偶联剂浸渍、水洗、干燥，使玻璃纤维表面覆盖一层偶联剂。,浸润剂：在玻璃纤维的拉制过程中，把在单根纤维表面涂覆的一种由粘结组分、润滑组分和表面活性剂组分等配置而成的乳液称为浸润剂。浸润剂的作用:（1）使单丝集束，便于后续的并股、纺织等工序；（2）防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘结；（3）保护纤维，防止纤维纺织时，由于表面磨损而降低强度。,坩锅拉丝法制备玻璃纤维示意图,1300,三、玻璃纤维增强塑料界面,用偶联剂进行玻璃纤维表面处理的方法,前处理法：将偶联剂作为浸润剂的一个组分，使浸润剂既满足玻璃纤维的拉丝、纺织和各道工序的要求，同时在拉丝的过程中就使玻璃纤维表面覆盖一层偶联剂。前处理法是先进的玻璃纤维表面处理方法，省去了洗涤或灼烧再后处理的复杂工艺，避免了玻纤在灼烧中的强度损失。对适合前处理法的浸润剂配方研究已成为一个重要的课题。,三、玻璃纤维增强塑料界面,用偶联剂进行玻璃纤维表面处理的方法,迁移法：将偶联剂直接加到树脂胶液中混合，借偶联剂从树脂中向玻璃纤维表面的迁移作用与玻璃纤维表面发生反应，产生作用。迁移法的优点是工艺操作简便，不需要庞大复杂的处理设备，也不消耗能量。但迁移法的效果要差于前两种方法。,三、玻璃纤维增强塑料界面,用偶联剂进行玻璃纤维表面处理的效果,未经处理的玻璃纤维，制成的玻璃纤维增强塑料界面容易受到介质的侵蚀，偶联剂使玻璃纤维与基体树脂以化学键结合，界面结合牢固，不易受到介质侵蚀。,聚酯玻璃钢的水煮强度,硅烷偶联剂的处理效果,材料在弯曲应力的作用下，不但受到压缩和拉伸应力的作用，而且还受到切应力的作用。因此弯曲强度可反映出材料界面结合的情况。,三、玻璃纤维增强塑料界面,四、先进复合材料的界面,高性能增强纤维：,1.碳纤维碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。碳纤维不属于有机纤维范畴，但从制备方法上看，它又不同于普通无机纤维。,碳纤维,有机纤维,碳纤维的分类当前，国内外巳商品化的碳纤维种类很多，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和碳纤维的用途等三种方法进行分类。,四、先进复合材料的界面,四、先进复合材料的界面,根据碳纤维的性能分类(1)高性能碳纤维在高性能碳纤维中，有高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等。(2)低性能碳纤维这类碳纤维中，有耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。,四、先进复合材料的界面,根据原丝类型分类(1)聚丙烯腈基纤维；(2)粘胶基碳纤维；(3)沥青基碳纤维；(4)木质素纤维基碳纤维；(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。,根据碳纤维功能分类(1)受力结构用碳纤维(2)耐焰碳纤维(3)活性碳纤维(吸附活性)(4)导电用碳纤维(5)润滑用碳纤维(6)耐磨用碳纤维,四、先进复合材料的界面,四、先进复合材料的界面,碳纤维的制造在制备碳纤维的过程中，无论采用什么原材料，都要经过原丝预氧化（拉丝、牵伸、稳定）、碳化以及石墨化等五个阶段，所产生的最终纤维，其基本成分为碳。,四、先进复合材料的界面,碳纤维的结构与性能 碳纤维的结构 碳纤维的物理性能 碳纤维的化学性能 其他性能,四、先进复合材料的界面,用x射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。,碳纤维的结构,四、先进复合材料的界面,碳纤维的比重在之间，这除了与原丝结构有关外，主要还决定于碳化处理的温度。一般情况下，经过高温(3000)石墨化处理，比重可达2.0。,碳纤维的物理性能,四、先进复合材料的界面,碳纤维的热膨胀系数与其它类型纤维不同，它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72-0.90 10-6/)，而垂直于纤维方向是正值(32 22 10-6/)。,碳纤维的物理性能,碳纤维的比热一般为7.12 l0-1 kJ(kg)。导热率有方向性，平行于纤维轴方向导热率为0.04卡/秒厘米度，而垂直于纤维轴方向为0.002卡/秒厘米度。导热率随温度升高而下降。,碳纤维的物理性能,四、先进复合材料的界面,碳纤维的比电阻与纤维的类型有关。在25时，高模量碳纤维为775 u cm，高强度碳纤维为1500 u cm。碳纤维的电动势为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生电化学腐蚀。,碳纤维的物理性能,四、先进复合材料的界面,碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，当温度高于400 时，则会出现明显的氧化，生成CO和CO2。,碳纤维的化学性能,四、先进复合材料的界面,在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。,其他性能,四、先进复合材料的界面,另外，碳纤维还有良好的耐低温性能、耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。,高性能的有机纤维包括：Kevlar纤维、聚酯纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维等。有机纤维的特点：(1)低密度、高强度、高模量(2)刚性链、高度取向、分子链堆砌密度大(3)分子链排列呈表芯结构,2.有机纤维,四、先进复合材料的界面,四、先进复合材料的界面,碳纤维的表面处理 碳纤维的表面处理就是为了改善其表面结构和性能，采取针对性的措施，使之获得与基体材料很好地粘结，从而达到提高其复合材料层间剪切强度、断裂韧性、尺寸稳定性及界面的抗湿性。处理机理：清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积，从类似石墨层面改性成碳状结构以增加碳纤维表面能，或者引入具有极性或反应性的官能团以形成与树脂起作用的中间层。,四、先进复合材料的界面,高性能纤维的表面处理方法:a、表面清洁处理b、表面氧化处理c、表面涂层d、碳的表面气相沉积e、电聚合处理f、低温等离子处理g、表面接枝,四、先进复合材料的界面,碳纤维表面经氧、氯、氨、烯烃、炔烃等各种气体等离子体处理后，其物化性能发生显著变化，最重要的有如下几方面。表面浸润性的变化 强度和直径的变化 表面组成的变化 碳纤维表面处理对提高复合材料的剪切强度是一个十分重要的因素，其他还会影响表面积、官能团和浸润性增加等。,本章小结,掌握：复合材料的一般的特性 基体、增强材料 偶联剂 玻璃纤维、碳纤维、有机纤维各自的特点,更刺激，更清爽生活像一杯水，有的时候需要加点冰,