聚合物复合材料(第四章结构与性能).ppt

1,聚合物复合材料,2,第四章 结构和性能,1 聚合物基复合材料的结构 2 聚合物基复合材料的性能,3,1 聚合物基复合材料的结构,复合材料是由两种或两种以上的组分相所组成。组分相由性质、形态和分布状态的不同，可形成不同结构类型的复合材料。 在复合材料，基体通常是三维连续的物质，也就是将不同组分相形成整体材料的物质，而另一个（或几个）以独立的形态分布于整个连续相中的相称为分散相。 对于结构复合材料，分散相的强度、模量通常高于基体相，分散相当加入往往使复合材料的力学性能高于基体相，故人们习惯地把这类分散相称为增强体。 对于功能复合材料，分散相往往赋予复合材料以特殊的化学或物理机械功能，故称之为功能体。,4,聚合物基复合材料由聚合物与粒子填料或纤维状填料组成，通常形成聚合物为连续相，填料、纤维为分散相，个别的形成两相共连续结构,1 聚合物基复合材料的结构,5,颗粒填充聚合物复合材料：无机粒子为分散相、聚合物为连续相,1 聚合物基复合材料的结构,6,各向异性,纤维增强聚合物基复合材料：纤维为分散相、聚合物为连续相,1 聚合物基复合材料的结构,7,连通性：复合体系中的任何相，在空间的零维、一维、二维或三维方向上是相互连通的。 任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0，是零维材料（0维） 而包围它们的介质是网络体状的连续材料，连通性为3，即是三维材料（3维） 纤维状材料的连通性为1，是一维材料（1维） 相应的片状材料连通性为2，即二维材料（2维）,1 聚合物基复合材料的结构,8,按照连通性，理论上可以把复合材料划分为以下几种结构：,各向同性,各向异性,1 聚合物基复合材料的结构,9,无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短纤维） 连续长纤单向增强结构（单向板） 层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层不同) 三维编织体增强结构 夹层结构（蜂窝夹层等） 混杂结构,增强体的排列方式,1 聚合物基复合材料的结构,10,弥散结构,颗粒增强,短纤维增强,片状物增强,11,单向板结构,单向连续纤维增强复合材料示意图,连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料叫单向连续纤维增强复合材料（单向板）。,沿纤维方向具有较高的强度，与纤维任意夹角方向的强度明显下降。,12,层合（板）结构,双向板,正交织物增强（双向板）,多向板,层向强度最差,13,三维正交非织造的纤维结构 (a)非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构 (c）一种柔性结构,管、容器的螺旋缠绕、平面缠绕线型,(a),(b),(c),三维编织纤维结构,厚度方向有增强纤维，可以获得较高的层间强度,14,夹层结构,夹层结构一般都是由高强度的蒙皮(表层)与轻质芯材组成的一种结构材料。,由于芯材的容重小，用它制成的夹层结构，能在同样承载能力下，大大减轻结构的自重。,15,混杂复合材料的混杂类型,16,2 聚合物基复合材料的基本性能,与传统的均质材料相比，聚合物复合材料具有许多优异的性能： 1、设计制造方法有许多优点：投资少、上马快、设计自由度大、成型简单、制品尺寸不限、着色自由等； 2、具有优异的基本性能：比强度和比刚度高、电性能和热性能良好、耐化学腐蚀性良好、耐水性优异、耐候性和耐紫外线性良好、阻燃性和半透明、透明等特点。,17,影响复合材料性能的因素： 增强材料的强度及弹性模量、基体材料的强度及化学稳定性等是决定复合材料性能的最主要因素； 原材料选定，增强材料的含量及其排布方式与方向又跃居重要地位； 此外，采用不同的成型工艺，制品性能亦有较大差异； 最后，增强纤维与基体树脂的界面粘结状况很大程度上影响复合材料的性能。,2 聚合物基复合材料的基本性能,18,基体材料力学性能对复合材料力学性能的影响。 纵向拉伸强度 弱 纵向压缩强度 强 横向拉伸强度 强 横向压缩强度 弱 边缘剪切强度 强 层间剪切强度 很强 弯曲强度 弱、强,19,复合效应：对于由A、B两种原材料复合而成的材料C，其性能既包含A、B两种原材料所固有的性能，又具有A、B两种原材料所不具备的新性能。,源于耦合：原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。,复合效应表现为复合材料的性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。,2 聚合物基复合材料的基本性能,20,复合材料的复合效应,不同复合效应的类别,复合材料的性质与增强组元（功能组元）的含量有线性关系,21,符合混合规则,正效应,负效应,突变,复合材料的复合效应,22,1.平均效应：复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该组分体积分数之加和。 表示为：Pc=PmVm+PfVf，式中P为材料性能，V为材料体积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体。 如复合材料的弹性模量，若用混合率来表示，则为：Ec=EmVm+EfVf,线性效应,复合材料的复合效应,23,2.平行效应：即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。 Kc Ki 对于增强体（如纤维）与基体界面结合很弱的复合材料所显示的复合效应，可以看作是平行效应。,3.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。C = AB 对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补。,线性效应,复合材料的复合效应,24,4.相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。Kc Kii 比如脆性的纤维增强体与韧性基体组成的复合材料，当两者间界面结合很强时，复合材料整体显示为脆性断裂。 比如CF/GF混杂复合材料，强度不高、韧性差。,线性效应,复合材料的复合效应,25,5.相乘效应：两种具有转换效应的材料复合在一起，即可发生相乘效应。 电磁效应磁光效应=电光效应。 通常可以将一种具有两种性能相互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z复合起来，即： X/YY/ZX/Z 式中，X、Y、Z分别表示各种物理性能。,有机热敏电阻：温度/体积体积/电阻,非线性效应,复合材料的复合效应,26,6.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。 例如结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或结晶基体的晶形取向作用。,非线性效应,复合材料的复合效应,27,纤维/树脂界面横晶形态：A碳纤维/聚苯硫醚 B 碳纤维/尼龙66 C 石墨纤维/聚醚醚酮,28,涤纶纤维增强聚丙烯复合材料,横晶,球晶,29,7.共振效应：两个相邻的材料在一定条件下，会产生机械的或电、磁共振。 由不同材料组分组成的复合材料其固有频率不同于原组分的固有频率，当复合材料中某一部位的结构发生变化时，复合材料的固有频率也会发生改变。,非线性效应,复合材料的复合效应,30,某一组元a具有一系列性能A，B，C，与另一组元b复合后，能使a的多数性能B，C受到较大抑制，唯独使其性能A能充分地体现在复合材料中。 例如，有关领域要求导电而不导热的材料，就是通过选择组元和复合状态，在保留导体组元导电性的同时，抑制其导热性而获得的特殊功能材料。 共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究和设计中获得利用。,复合材料的复合效应,31,8.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清楚，但在实际现象中存在着这种效应。 比如红、黄、蓝三色组成的彩色世界 比如涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和,非线性效应,复合材料的复合效应,32,2 复合材料的性能,33,2 复合材料的性能,单向板的纵向拉伸性能,34,单向板的纵向拉伸性能,35,复合材料断裂行为,脱粘或基体 剪切破坏,初始开裂,纤维 抽出,纵向拉伸破坏模式,脆性 断裂,36,单向板的纵向拉伸性能,脆-脆复合材料（基体韧性小于增强材料）的拉伸特性,37,单向板的纵向拉伸性能,脆-韧复合材料（基体韧性大于增强材料）的拉伸特性,38,1,0,2,3,4,8,4,6,2,4,3,2,1,c（MPa）,f（MPa）,复合材料应力c与玻璃纤维应力f的关系 1.表面甲基硅油处理；2.未处理；3.NDZ-101处理；4.KH-570处理,界面粘结对纵向拉伸性能的影响,39,界面粘结的纤维,40,拉伸时的应力分布,复合材料中纤维上受力状态和界面受力状态，随纤维的长径比变化而变化，要增强，需达到临界长度和临界长径比,剪切力与拉应力转变,41,纤维长度对拉伸强度影响,42,填料含量对拉伸强度的影响,临界体积分数：基体真正得到增强时的加入增强体的最小体积分数。,43,单向板的强度与模量纵向拉伸性能,应力作用于纤维轴向时纤维增强复合材料的纵向强度和弹性模量的混合定律为：scsfVfsmVm EcEfVfEmVm,44,单向板的强度与模量横向拉伸性能,应力作用于纤维轴向时纤维增强复合材料的横向强度和弹性模量的混合定律为： scsfsm 1/EcVf/EfVm/Em,45,单向板的横向拉伸性能,单向板横向拉伸的三种破坏模式：基体破坏；界面脱粘；纤维破坏,提高复合材料的横向拉伸强度，可以通过提高基体强度来实现。,46,单向板复合材料的拉伸强度与拉伸方向关系,一般都是根据构件受力情况来决定纤维排列的方向、层数及铺层顺序， 即铺层设计，获得多向纤维复合材料。,47,单向板纵向压缩性能,失效模式,压缩破坏取决于基体材料的破坏，选用抗压强度高的树脂,48,复合材料冲击断裂形貌,单向板冲击性能,破坏区域,缺口,49,短纤维增强热塑性塑料的断裂示意图,单向板冲击性能,纤维增强复合材料的破坏过程包括：基体变形和开裂；纤维破坏；纤维拔出；界面脱粘；分层裂纹等。,缺口,50,冲击过程中裂纹扩展模式如右图，受界面显著影响。 冲击过程的能量吸收包括： 基体变形和开裂； 纤维破坏； 纤维拔出（摩擦功）；界面脱粘； 分层裂纹等多个方面；基体变形吸收较多的能量。 热固性基体性脆，变形很小，冲击韧性差。 热塑性基体可产生较大塑性变形，冲击强度高。,冲击过程中裂纹扩展模式,单向板冲击性能,51,复合材料的冲击韧性：冲击韧性是复合材料的重要性能，可由冲击强度和断裂韧性来表征。,韧性指数：裂纹扩展能Qp与裂纹引发能Qi之比,单向板冲击性能,52,53,（1）纤维增强树脂复合材料的冲击特性主要取决于成型方法和增强材料的形态,冲击性能的影响因素,成型工艺：纤维缠绕制品的冲击性能最佳，约500kJ/m2，模压成型次之，约50100kJ/m2，手糊成型和注射成型较低，在1030kJ/m2之间。,纤维形态：玻璃布增强复合材料的冲击性能在200300kJ/m2左右，玻璃毡增强复合材料则在100200kJ/m2之间，短玻纤复合材料的冲击性能最低。,54,（2）纤维的种类、体积含量、基体材料以及界面粘结状况等因素均影响复合材料的冲击性能。 如纤维的含量提高，冲击强度提高； 韧性树脂为基体，冲击强度对应高些； 界面粘结的影响就比较复杂。,冲击性能的影响因素,55,玻璃纤维/PP的冲击强度,56,界面对冲击强度的影响,57,疲劳的概念：在低于静态强度极限条件下的动载荷（交变载荷）作用下，经过不同时间（或次数）破坏失效的现象。 失效过程：疲劳过程内部损伤（或疲劳裂纹）内部损伤累积至一定程度材料突然破坏失效 四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂 复合材料的疲劳性能一般高于基体的疲劳性能。,复合材料的疲劳性能,58,疲劳S-N曲线,复合材料与金属材料的结构构造不同，疲劳的机理不同，所表现出来的疲劳现象也有很大的差别，总的来说，复合材料的抗疲劳的破坏比传统金属材料好的多。,复合材料和金属材料疲劳的对比,59,复合材料与金属材料的疲劳性能区别如下： 1）金属材料在交变载荷的作用下，可以观察到单一主裂纹有规律的扩展现象，这一主裂纹控制这最终的疲劳破坏。对于复合材料往往出现较大范围的损伤，表现出非常复杂的疲劳破坏行为，很少出现单一裂纹控制的破坏机理。 2）疲劳破坏在复合材料中总是从承载能力比较薄弱的纤维处开始，然后逐渐扩展到结合面上，由于大范围的损伤，所以复合材料的疲劳极限比较高。例如碳纤维聚酯树脂复合材料的疲劳极限是拉伸强度的70%80%，而金属材料的疲劳极限只有强度极限值的40%50%。,复合材料和金属材料疲劳的区别,60,3）复合材料在疲劳过程中，尽管初始损伤尺寸比金属材料大，例如纤维断裂、脱粘、基体开裂、分层等，但疲劳寿命比金属大； 4）复合材料的疲劳损伤是累积的，在破坏之前，损伤已经有了较大的发展，有明显的征兆。而金属材料损伤累积却很隐蔽，破坏有很大的突发性，这对工程结构来说是很危险的。,61,复合材料的蠕变特性,蠕变：当应力保持不变时应变随着时间的延续而增加的现象。,初始蠕变：应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢（减速蠕变）； 稳态蠕变：应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长（平缓蠕变）； 加速蠕变：应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。,62,复合材料的蠕变特性,填料加入使塑料的刚性增大，可明显地改善塑料的蠕变性能，使复合材料具有小的蠕变； 复合材料的蠕变通常随温度或应力提高而增加，不同树脂有不同蠕变特性； 复合材料的蠕变与基体有很大关系，分子刚性越大，抗蠕变性能越好，如抗蠕变性从高到低为：PSF PC POM PA66 PA6。,63,热膨胀系数 a 基本符合混合规则 acam（1Vf ）afVf 实际复合材料的a比上式计算值还小，这是与填料粒子束缚了其周围聚合物的运动有关； 一般无机填料的a比聚合物a低1-2个数量级，因此，填充材料的a较纯聚合物的小得多，而与金属的a接近； 通常a降低会使成型收缩率降低，制品尺寸精度提高；对于纤维增强材料，流动方向与横向方向的a有异，于是产生翘曲，尺寸稳定性反而会因此变差； 复合材料的热膨胀系数取决于树脂基体，但