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高中化学复合材料知识点总结

核心导读:复合材料的结构通常是一个相为连续相,称为基体;基体的作用是将增强体粘合成整体并使复合材料具有一定的形状,传递外界作用力、保护增强体免受外界的各种侵蚀破坏作用。当然也决定复合材料的某些性能和加工工艺。高中学习网小编为您带来高中化学复合材料知识点,希望对大家有所帮助!

复合材料的结构通常是一个相为连续相,称为基体;基体的作用是将增强体粘合成整体并使复合材料具有一定的形状,传递外界作用力、保护增强体免受外界的各种侵蚀破坏作用。当然也决定复合材料的某些性能和加工工艺。高中学习网小编为您带来高中化学复合材料知识点,希望对大家有所帮助!

高中化学复合材料知识点(一)

1、复合材科的定义、组分功能和作用:

定义:由两种或两种以上物理化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合后的产物为固体时才称为复合材料,为气体或液体不能称为复合材料。

组分:其组分相对独立,通常有一相连续相,称为基体,另一相分散相,称为增强相(增强体)。

功能和作用:复合材料既可以保持原材料的特点,又能发挥组合后的新特征,可以根据需要进行设计,从而最合理地达到使用所要求的性能。

2、复合材料的命名

强调基体,以基体材料的名称为主,如树脂基复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料等;

强调增强体,以增强体材料的名称为主,如玻璃纤维增强复合材料,碳纤维增强复合材料,陶瓷颗粒增强复合材料;

基体材料与增强体材料名称并用,如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(玻璃钢)。

3、复合材料的分类方式

按基体材料类型分:聚合物基复合材料,金属基复合材料,无机非金属基复合材料;按增强材料种类分:玻璃纤维复合材料,碳纤维复合材料,有机纤维复合材料,金属纤维复合材料,陶瓷纤维复合材料;

按增强材料形态分:连续纤维复合材料,短纤维复合材料,粒状填料复合材料,编制复合材料;

按用途分:结构复合材料,功能复合材料;

4、常用的基体材料及各自的适用范围

轻金属基体(主要包括铝基和镁基),用于450℃左右;钛合金及钛铝金属间化合物作基体的复合材料,适用温度650℃左右,镍、钴基复合材料可在1200℃使用。

5、常用热固性基体复合材料:环氧树脂,热固性聚酰亚胺树脂。

常用热塑性基体复合材料:聚醚醚酮,聚苯硫醚,聚醚砜,热塑性聚酰亚胺。常用陶瓷基体复合材料:玻璃,氧化物陶瓷,非氧化物陶瓷,无机胶凝材料;

6、玻璃和玻璃陶瓷的定义及不同

玻璃是无机材料经高温熔融、冷却硬化而得到的一种非晶态固体;玻璃陶瓷是将特定组成的玻璃进行晶化热处理,在玻璃内部均匀析出大量微小晶体并进一步长大,形成致密的微晶相;玻璃相充填于晶界,得到的像陶瓷一样的多晶固体材料。

7、氧化物陶瓷有哪些,属于什么结构:氧化物陶瓷主要为单相多晶结构,主要有Al2O3,MgO,SiO2,ZrO2,莫来石等;

8、非氧化物陶瓷有:碳化硅,氮化硅。

9、什么是复合材料的界面,复合材料的界面效应以及作用如何实现

复合材料基体与增强体接触构成的界面,是一层具有一定厚度(纳米以上)、结构随基体和增强体而异、与基体和增强体有明显差别的新相—界面相(界面层)。它是增强相和基体相连接的“纽带”,也是应力和其他信息传递的“桥梁”。

界面作用产生的效应:①传递效应界面能传递力,即将外力传递给增强物,起到基体和增强物之间的桥梁作用;②阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用;③不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象,如抗电性、电感应性、磁性、耐热性等;④散射和吸收效应光波、

声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收,如透光性、隔热性、耐冲击性等;⑤诱导效应增强物的表面结构使聚合物基体与之接触的结构,由于诱导作用而发生改变而产生一些现象,如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性等。

10、金属基复合材料的界面类型及各自特点

1)类型:I类界面相对比较平整,只有分子层厚度,界面除了原组成物质外,基本不含其它物质;II类界面为犬牙交错的溶解扩散界面,基体的合金元素和杂质可能在界面上富集或贫化;III类界面则含有亚微级的界面反应产物层。

2)相容性特点:I类界面纤维与基体互不反应亦不溶解;II类界面纤维与基体互不反应但相互溶解;III类界面纤维与基体反应形成界面反应层。

第二章复合材料的复合原理及界面

1、弥散增强和颗粒增强的原理

1)弥散增强:复合材料是由弥散颗粒与基体复合而成,荷载主要由基体承担,弥散微粒阻碍基体的位错运动,微粒阻碍基体位错运动能力越大,增强效果愈大,微粒尺寸越小,体积分数越高,强化效果越好。

2)颗粒增强:复合材料是由尺寸较大(直径大于1m)颗粒与基体复合而成,载荷主要由基体承担,但增强颗粒也承受载荷并约束基体的变形,颗粒阻止基体位错运动的能力越大,增强效果越好;颗粒尺寸越小,体积分数越高,颗粒对复合材料的增强效果越好。

2、什么是混合法则,其反映什么规律

混合法则(复合材料力学性能同组分之间的关系):?c??fVf??mVm,Ec=EfVf+EmVm式中?为应力,E为弹性模量,V为体积百分比,c、m和f分别代表复合材料、基体和纤维;

反映的规律:纤维基体对复合材料平均性能的贡献正比于它们各自的体积分数。

3、金属基复合材料界面及改性方法有哪些

金属基复合材料界面结合方式:①化学结合②物理结合③扩散结合④机械结合。界面改性方法:①纤维表面改性及涂层处理,②金属基体合金化,③优化制备工艺方法和参数。

4、界面反应对金属基复合材料有什么影响

界面反应和反应程度(弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应)决定了界面的结构和性能,其主要行为有:①增强了金属基体与增强体界面的结合强度;②产生脆性的界面反应产物;③造成增强体损伤和改变基体成分。

高中化学复合材料知识点(二)

第三章复合材料的增强材料

1、玻璃纤维的分类:无碱玻璃纤维(碱含量小于1%)、中碱玻璃纤维(1.5%~12.5%之间)、有碱玻璃纤维(碱性氧化物含量大于12%)、特种玻璃纤维。

2、玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成,单丝直径为几微米到几十微米。

3、玻璃纤维的化学组成:二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。4、玻璃纤维的物理性能:①外观和比重:表面光滑,密度2.16~4.30g/cm3;②表面积大③拉伸强度高,④耐磨性和耐折性差,⑤热性能:导热系数小、耐热性较高,⑥电性能:取决于化学组成、温度和湿度(无碱纤维的电绝缘性比有碱纤维优越,碱金属离子增加,电绝缘性能变差;温度升高,电阻率下降;湿度增加电阻率下降),⑦光学性能:玻璃

纤维的透光性比玻璃差,玻璃纤维可用于通信领域以传送光束或光学物象。

5、影响玻璃纤维化学稳定性因素:①玻璃纤维的化学成分,②纤维比表面增大其相应的耐腐蚀性降低,③侵蚀介质体积和温度(温度升高,化学稳定性降低;介质体积越大,对纤维侵蚀越严重)

6、玻璃纤维的制造方法:坩埚法、池窑拉丝法。

7、玻璃纤维制造怎样避免表面损伤

玻璃纤维制造工艺三个步骤制球、拉丝、纺织。可以在在拉丝过程中用浸润剂,它的作用:①原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起,②防止纤维间磨损,③便于纺织加工。

8、碳纤维是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。含碳95%左右的称为碳纤维,含碳量99%左右的称为石墨纤维。

9、碳纤维的分类:

根据力学性能分类:高性能碳纤维、低性能碳纤维

根据原丝类型分类:聚丙烯腈基纤维、沥青基碳纤维、纤维基碳纤维、其他基纤维基碳纤维

根据功能分类:受力用碳纤维、耐焰碳纤维、活性炭纤维、导电用碳纤维、润滑用碳纤维、耐磨用碳纤维

10、碳纤维的制造方法:先驱体转化法(有机纤维碳化法)原材料有人造丝(胶黏纤维)、聚丙烯腈纤维、沥青基碳纤维;工艺过程:5个阶段:拉丝、牵引、稳定、碳化、石墨化。

11、氧化铝纤维的基本组成主要分为:氧化铝,含有少量的SIO2、B203或Zr2O3、MgO等。

12、碳化硅纤维制备的工艺:①化学气相沉积法(CVD法),②烧结法(先驱体转化法)

1)化学气相沉积法:它的结构可大致分成四层由纤维中心向外依次为芯丝、富碳的碳化硅层、碳化硅层、外表面富硅涂层。制备的步骤:①反应气体向热芯丝表面迁移扩散,②反应气体被热芯丝表面吸附,③反应气体在热芯丝表面上裂解,④反应尾气的分解和向外扩散。

13、芳纶纤维的性能:优异的拉伸强度和拉伸模量、优良的减震性、耐磨性、耐冲击性、抗疲劳性、尺寸稳定性、耐化学腐蚀、低膨胀、低导热、不燃不熔、电绝缘、透磁性、密度小。缺点:热膨胀系数具有各向异性、耐光性差、耐老化能力差、溶解差、抗压强度差、吸湿性强。

14、晶须:是以单晶结构生长的直径极小的短纤维,由于直径小(<3um),造成晶体中的缺陷少,原子排列高度有序,故其强度接近于相邻原子间成键力的理论值。由于晶须的直径非常小,所以不适合容纳在大晶体中常出现的缺陷,因而强度接近于完整晶体的理论值。

15、晶须的性能:①晶须没有显著的疲劳效应,②具有比纤维增强体更优异的高温性能和蠕变性能,③它的延伸率与玻璃纤维接近,弹性模量与硼纤维相当。

16、颗粒增韧的三种机制:相变增韧和微裂纹增韧、复合材料中的第二种颗粒使裂纹扩展路径发生改变、混合增韧。

17、刚性颗粒增强体:指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒,如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。18、延性颗粒增强体:主要为金属颗粒,一般是加入到陶瓷、玻璃和微晶玻璃等脆性基体中,目的是增加基体材料的韧性。

第四章聚合物基复合材料

1、环氧树脂:是—种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团的高分子化合物。粘附力强(树脂中含有极性的醚键和羟基酸、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,良好的尺寸稳定性和耐久性。2、聚酰亚胺树脂PI:是一类耐高温树脂,它通常有热固性(不熔性)和热塑性两类。3、聚酯树脂与环氧、酚醛树脂相比:①工艺性良好,室温下固化,常压下成型,工艺装置简单;②聚酯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;③固化过程中无挥发物逸出,制品的致密性好;④价格比环氧树脂低得多,只比酚醛树脂略贵一些;⑤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。

4、聚合物原材料设计选择原则:①比强度、比刚度高原则,②材料与结构的使用环境相适应的原则,③满足结构特殊性要求的原则,④满足工艺性要求的原则,⑤成本低、效益高的原则。

5、RTM成型法:是一种树脂注入成型法。

制造工艺主要分五步:①增强纤维的预成型片材的制作;②将纤维的预成型片材铺设在模型中;③给模型加压,使铺设的纤维的预成型片材在模型内按产品形状预成型;④利用低压将树脂注入模型,使树脂均匀地渗透到纤维的预成型片材中;⑤在模型内加热固化。

RTM优点:成本低,质量高,产品尺寸形状稳定,可以适应多种固化树脂和热塑性树脂,也可以两种以上的不同增强纤维的组合复合材料的成型,还可以适应多种二维编织和三维编制的复合材料制品的成型。

第五章金属基复合材料的制造方法

1、固态法:是指在金属基复合材料中基体处于固态下制造金属基复合材料的方法;包括:

1)粉末冶金法:是用于制备与成型非连续增强型金属基复合材料的一种传统的固态工艺法。它既可适用于连续、长纤维增强.又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。

优点:①增强材料与基体金属粉末以任何比例混合;②对增强材料与基体互相湿润的要求不高,使颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中;③采用热等静压工艺时,一般不会产生偏聚等缺陷;④可进行二次加工,得到所需形状的复合材料部件的毛坯。缺点:①工艺过程比较复杂;②制备铝基复合材料时,防止铝粉爆炸。

2)固态扩散结合法:是将固态的纤维与金属适当地组合,在加压、加热条件下使它们相互扩散结合成复合材料的方法。包括热压扩散法、热等静压法、热轧法、热拉和热挤压。

其中热压扩散法三个关键步骤:①纤维的排布;②复合材料的叠合和真空封装;③热压(最关键)。为了保证性能符合要求,热压过程中要控制好热压工艺参数(热压温度、压力和时间)。

2、液态法:是指在金属基复合材料的制造过程中,金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合的方法。包括铸造法、熔铸复合法、熔融金属浸渗法、真空压力、浸渍法、喷射沉积法。与固态法相比,液态法的工艺及设备相对简便易行;

1)铸造法包括高压凝固铸造法、真空吸铸法、搅拌铸造法、压力铸造法。

压力铸造法:指在压力的作用下,将液态或半液态金属基复合材料(或金属)以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中,在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料,包括浇入、加压、固化和顶出。

2)喷射沉积法:是一种将金属熔体与增强颗粒在惰性气体的推动下,通过快速凝固制备颗粒增强金属基复合材料的方法。

第六章陶瓷基复合材料

1、陶瓷基体的分类(按组成化合物的元素)

氧化物陶瓷基体:氧化铝陶瓷基体,氧化锆陶瓷基体,莫来石陶瓷基体

碳化物陶瓷基体:碳化硅陶瓷基体,碳化硼陶瓷基体

氮化物陶瓷基体:氮化硅陶瓷基体,氮化硼陶瓷基体

2、陶瓷基复合材料存在的界面:①机械结合,②溶解和润湿结合,③反应结合,④混合结合。

3、陶瓷基复合材料成型加工技术

1)热压烧结成型法(常用):松使散的或成型的陶瓷基复合材料混合物在高温下,通过外加的压力纵向(单轴)加压使其致密化的成型方法。

热压烧结法主要工艺流程:纤维处理→料浆浸渗→缠绕成布→制作预制片→层叠成型→热压烧结

该方法的优点:①与无压烧结相比,能降低烧结温度,延长保湿时间,得到较细的晶粒;②获得高致密度,高性能的复合材料;③材料性能重复性好,使用可靠,控制热压模具的尺寸精度可以减少材料的加工余量;

该方法的缺点:①只能制作形状简单的零件;②模具的消耗大,一次只能单件或者少件烧结,成本较高;③由于热压力的方向性,材料性能有方向性,垂直于热压方向的强度往往比平行于热压方向的强度要大一些。

2)直接氧化法:由液态浸渍法演变而来,,利用熔融金属直接与氧化反应制备陶瓷锦复合材料的工艺方法,在融化金属的表面形成所需的反应产物。

3)高聚物先驱体热解成型法(又称热解法):通过对高聚物先驱体进行热解,直接获取块体陶瓷材料的方法。

4)化学气相沉积成型法(CVD法):使用化学气相沉积技术,在颗粒,纤维,晶须及其他具有开口气孔的增强骨架上沉积所需陶瓷基质制备陶瓷基复合材料。

第七章水泥基复合材料

1、水泥基复合材料分类:纤维增强水泥基复合材料;聚合物混凝土复合材料(聚合物混凝土、聚合物浸渍混凝土、聚合物改性混凝土);

2、聚合物浸渍混凝土:是一种用单体浸渍混凝土表层的空隙,并经处理而成一整体的有机—无机复合的新型材料;(聚合物功能:黏结和填充砼中空隙和裂缝;浸渍液功能:①对裂缝的黏结作用消除裂隙尖端的应力集中;②增加砼密实性;③形成一个连续网状结构;)

3、聚合物改性混凝土:将聚合物乳液掺入新拌混凝土中,可使混凝土的性能得到明显的改善的材料。

 
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