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【环氧板​】材料的典型特征


结构环氧板材料的复合效应主要是尺寸效应、界面效应、尺度效应和结构效应。缺陷会降低材料强度,材料尺度越小,其缺陷概率越低,这是材料具有尺寸效应的原因。而界面效应、尺度效应和结构效应是不同性质材料的相互作用或耦合,是从力学上理解环氧板材料的基础。其中,界面效应是环氧板材料的典型特征,对环氧板材料的性能起着重要的作用,但对很多环氧板材料界面的结合机理尚未有统一的认识。尺度效应是不同尺度的材料相互耦合,不同尺度的材料起到不同的作用,从而环氧板材料有优异的性能。结构效应是由不同结构设计产生的系统综合效应。


将在没有外力作用下物理、化学性质完全相同、成分相同的均匀物质的聚集态称为相。 不同相之间会有明确的物理界面。该物理界面不是几何意义上的面,而是具有- -定厚度的区域。由于界面原子能量不同于界面两侧原子能量,因而该区域具有不同于相邻两相的特殊性质。一般将固相或液相与气相的界面称为表面。环氧板材料的界面是指基体与增强体之间化学成分有显著变化、构成彼此结合、能起载荷传递作用的微小区域。界面相则是环氧板材料中组元材料之间具有一定尺度、在结构和原组元材料上有明显差别的新相。


环氧板材料界面在物理结构上呈层状或带状,厚度般是不均匀的,其厚度约在数纳米至数微米之间。虽然界面较小,但其仍有自己独特的结构和性质,且不同于基体和增强体中的任何一相。环氧板材料界面在化学成分上也较为复杂,可以是基体和增强体相互扩散的产物,也可以是基体和增强相的化学反应物,还可以是单独制备的一层物质,其化学组成也会完全不同于基体和反应物。此外,界面还可能含有增强体涂层元素和环境带来的杂质元素等。环氧板材料界而是环氧板材料中极为重要的结构,其结构和性能直接影响环氧板材料的性能。因此,深人研究界面性质,进而对其进行控制,是获得高性能环氧板材料的关键。


增材制造技术又称加成制造,是20世纪70年代末80年代初出现的快速原型技术发展而来的一种先进制造技术。


按照美国材料与试验协会(ASTM)增材制造技术委员会(F42)的定义,增材制造技术是 根据3D CAD模型数据,通过增加材料逐层制造的方式,直接制造与相应数学模型完全-致的三维模型的制造方法。其核心是将所需成型的工件通过切片处理转化成简单的2D截面组合,而不需要采用传统的加工机床。增材制造工艺涉及的技术包括CAD建模、测量技术、接口软件技术、数控技术、精密机械技术、激光技术和材料技术等。


增材制造技术的成型过程主要包括:①利用增材制造设备中的软件,沿试件高度方向进行分层切片,获得各层的2D轮廓图;②按照2D轮廓图,通过增材制造成型设备进行分层制造材料,成型一系列2D截面片层;③通过增材制造成型设备将这些片层黏结,使这些片层顺序堆积成3D试件。


目前,已出现20多种增材制造技术(也可称为固体快速无模成型技术),其中一些技术在机械制造、高分子材料等行业已实现商业化应用。增材制造技术拥有无可比拟的灵活性,可用于制备传统方法无法制备的复杂形状。

聚合物材料具有诸多性能优势例如聚合物材料可以溶液熔体莉小分于年体等被恭形式,在较低压力和温度下漫渍增强体,易于实现材料的环氧板:密度较低:利于实现环氧板材料的轻量化;模量低,有利于应力传递至增强体;韧性高,所制备环氧板材料的抗冲击性能和抗疲劳性能好;耐化学性能好,可以用于某些具有腐蚀性的环境。以上几项使得聚合物基环氧板材料具有制备简单、综合性能优异、成本低廉等特点。


然而,聚合物的力学性能较差,使得环氧板材料在垂直于纤维方向上的力学指标不高;其耐温性能差,在紫外线、辐照、原子氧等的作用下易老化,无法应用于某些恶劣环境中


聚合物由相对分子质量较大的大分子组成。大分子的化学组成、构型、构象、构造以及分子间的作用力决定了聚合物材料的各项物理和化学性能。通过对大分子的化学设计,人们合成了大量性能各异的聚合物材料。


环氧板材料中常用的聚合物基体主要有热固性聚合物和热塑性聚合物两大类。热固性聚合静在力学生能和前热性方面较有优势然面,高度交联的分子结构在提高聚合物某些性能的同时中可能造成材料韧性下降。因面热固性来合物的增韧是需要重视的课趣。


正亚复使用,且环氧板材料制各用期知,却性高,因面越来越受阿人们的重视。


如今,力学性能优异、使用温度较高的热塑性聚合物得到了极大的发展。颗粒是指三个维度上的尺度均较小,且长径比接近于1的材料。在环氧板材料中,颗粒作为分散相,常用于改善-些对结构不敏感的性能,如模量、密度、热导率和硬度等。而对于结构敏感的性能,如强度和韧性,颗粒的改善效果不大。


对于聚合物材料,颗粒的加入可以提高其硬度和热稳定性。金属材料中,颗粒主要起提高硬度屈服强度和耐磨性的作用。也可通过以下两种效应提高材料的强度:首先,当颗粒的长 径比大于1时,可以起到一定的承载的作用;其次,金属材料中使用的颗粒一般具有 比基体更低的热导率,材料从较高的制备温度下冷却时,由于热失配引发的热应力会造成颗粒周围的基体中出现位错,起到强化材料的作用。某些情况下,颗粒的加人可以改善陶瓷材料的韧性,例如氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷。

颗粒材料的纯度对不同类型基体的环氧板材料的性能影响是不同的。聚合物基体对于颗粒材料的纯度要求不高,因而多采用天然矿物破碎后得到的颗粒。而在金属基环氧板材料中,颗粒 的纯度则尤为重要。在较高的制备温度下, 颗粒中的杂质会扩散到合金成分中,改变基体材料性能,并且对界面结合也会产生影响。金属基环氧板材料在使用铸造成型时,常选用氧化物颗粒,因为其一般与金属间的反应活性较低。非氧化颗粒(如SiC)增强金属基环氧板材料在采用铸造工艺时,往往需要对颗粒进行表面处理。

颗粒尺寸对于环氧板材料的性能同样存在显著影响。一般来说, 细小的颗粒对于环氧板材料的屈服强度、断裂强度、模量、疲劳强度等具有更好的改善效果。颗粒过于粗大时,环氧板材料的塑性和加工性能将严重下降。然而,颗粒过于细小,尤其是达到纳米级时易于团聚。需要特别关注颗粒的分散性。

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