第六章 聚合物基复合材料

第四章聚合物基复合材料 Outline 聚合物基复合材料的种类和性能聚合物基复合材料成型加工技术聚合物基复合材料的界面聚合物基复合材料的应用 聚合物基复合材料的种类和性能 聚合物基复合材料的优点具有比较高的比强度和比模量 可以和常用的金属材料进行比较 力学性能相当出色 抗疲劳性能好 纤维与基体的界面能够阻止裂纹的扩展 在破坏前有明显的征兆 减振性能好 纤维与基体界面具有吸振的能力 其振动阻尼很高 高温性能好 适宜作烧蚀材料 安全性好 纤维数量大 材料超载时载荷可以重新分配到其他纤维上 可设计性强 成型工艺简单 A 玻璃纤维增强热固性塑料 GFRP 特点 比重小 比强度高 具有良好的耐腐蚀性 三种GFRP的耐腐蚀性能均超过不锈钢 期中玻璃纤维增强环氧树脂最突出 良好的电绝缘材料 其电阻率和击穿电压强度都达到了电绝缘材料的标准 不受电磁作用的影响 不反射无线电波 微波透过性好 保温 隔热 隔音 减振 刚性差 耐热性和导热性低 容易老化 分类 玻璃纤维增强环氧树脂 玻璃纤维增强酚醛树脂 玻璃纤维增强聚酯树脂 玻璃纤维增强环氧树脂 综合性能最好 环氧树脂的粘结能力最强 与玻璃纤维复合时界面剪切强度最高 固化时没有小分子放出 尺寸稳定性好 不足是树脂年度大 加工不方便 而且成型时需要加热 不能制造大的部件 玻璃纤维增强酚醛树脂 耐热性最好 可以在200oC下长期使用 在1000oC以上的高温可以短期使用 耐烧蚀 可用作飞船的外壳 耐电弧性好 价格便宜 不足是性能较脆 固化时有小分子放出 尺寸不稳定 玻璃纤维增强聚酯树脂 加工性能好 可采用各种成型方法进行加工成型 可制作大型构件 不足是固化时收缩率大 耐酸 耐碱性稍差 不宜制作耐酸性的设备及管件 各种玻璃钢与金属性能的比较 B 玻璃纤维增强热塑性塑料 FR TP 热塑性塑料 聚酰胺 聚丙烯 低压聚乙烯 ABS树脂 聚甲醛 聚碳酸酯聚苯醚 几种典型金属及FR TP的强度对比 1 玻璃纤维增强聚丙烯 FR PP 玻璃纤维大大提高聚丙烯的机械强度 短切玻璃纤维增加到30 40 时 强度达到100MPa 并能改善聚丙烯的低温脆性 FR PP吸水率小 在水中长时间煮对强度影响不大 2 玻璃纤维增强聚酰胺 FR PA 玻璃纤维可提高聚酰胺的尺寸稳定性 强度 耐热性 耐水性 玻璃纤维会降低聚酰胺的耐磨性 玻璃纤维增强尼龙6 FR PA6 玻璃纤维增强尼龙66 FR PA66 3 玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料 4 玻璃纤维增强聚碳酸酯 聚碳酸酯是一种钢韧相兼的工程塑料 但容易产生应力开裂 耐疲劳性能差 加入玻璃纤维后疲劳强度提高2 3倍 耐应力开裂性能提高6 8倍 耐热性提高10 20oC 线膨胀系数减少 适合做耐热的机械零件 20 玻璃纤维可提高AS抗拉强度近一倍 弹性模量提高几倍 热变形温度提高10 15oC 线膨胀系数随着玻璃纤维的增加而减少 玻璃纤维会提高AS PS的冲击强度 但会降低ABS的冲击强度 玻璃纤维与聚苯乙烯类树脂复合时需加入偶联剂 5 玻璃纤维增强聚酯 6 玻璃纤维增强聚甲醛 FR POM 7 玻璃纤维增强聚苯醚 FR PPO 加入玻璃纤维明显提高耐疲劳性能和耐蠕变性能不耐紫外线照射 需在塑料中加入紫外线吸收剂加入玻璃纤维降低耐磨性能 FR PPO蠕变性很小 3 4的变形量发生在24小时内 耐疲劳强度高热膨胀系数小 为FR TP中最小 接近金属的热膨胀系数电绝缘性不受温度 湿度 频率影响 为工程塑料中最好 机械强度较其他玻璃纤维增强热塑性塑料均高耐热性提高幅度最大 85oC 240oC 耐热度最高在高温下易水解 不适合在高温水蒸气下使用 各种塑料与其玻璃纤维增强后的性能对比 C 高强度 高模量纤维增强塑料 1 碳纤维增强塑料 碳纤维增强环氧树脂复合材料强度 刚度 耐热性均突出 质量轻 比GFRP低1 4 比钢低3 4倍 刚度高 可比拟钢抗冲击 手枪在10步远的距离不能射穿1cm厚的碳纤维增强环氧塑料板耐热性 可在12000oC的高温下经受10秒钟不变形 不足 碳纤维与塑料的粘结性差 而且各向异性 价格昂贵 2 芳香族聚酰胺纤维增强塑料 抗拉强度大于GFRP 与碳纤维增强环氧树脂相当 耐冲击性能优于碳纤维增强环氧树脂 具有压延性 耐疲劳性好于GFRP或金属铝 3 硼纤维增强塑料 刚度好 强度和弹性模量均高于碳纤维增强环氧树脂 4 碳化硅纤维增强塑料 碳化硅纤维与环氧树脂复合时不需要进行表面处理 粘结力就很强 复合材料的抗弯强度和抗冲击强度为碳纤维增强环氧树脂的两倍 用于与碳纤维混合叠层进行复合可以弥补碳纤维的不足 D 其他纤维增强塑料 石棉纤维 矿棉纤维 棉纤维 麻纤维 木质纤维 合成纤维 1 石棉纤维增强聚丙烯复合材料 断裂伸长率 200 变为10 抗拉弹性模量大大提高 为纯聚丙烯三倍 热变形温度 100oC变为140oC 提高了30oC 线膨胀系数 11 3 10 5cm oC变为4 3 10 5cm oC 成形加工尺寸稳定性变好 2 矿物纤维增强塑料 矿物纤维增强聚丙烯 矿物纤维增强聚酯 矿物纤维与树脂接触面积大 因而分配 定向性好 挠度扭曲小 加入50 矿物纤维可以使聚丙烯的抗冲击强度提高50 热变形温度提高14 弯曲强度提高53 几种纤维增强树脂的特点 聚合物基复合材料成型加工技术 A 手糊工艺首先 在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物 再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物 用刷子 压辊或刮刀压挤织物 使其均匀浸胶并排除气泡后 再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物 反复上述过程直至达到所需厚度为止 然后 在一定压力作用下加热固化成型 热压成型 或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型 冷压成型 最后脱模得到复合材料制品 手糊成型工艺流程 适用条件 基体树脂能在室温下胶凝 固化且无小分子物产生 树脂能制备成粘度适中的胶液 无毒或低毒 价格便宜 工艺优缺点 不受产品尺寸和形状限制 适宜尺寸大 批量小 形状复杂产品的生产 设备简单 投资少 工艺简便 易于满足产品设计要求 可以在不同部位任意增补增强材料 生产效率低 劳动强度大 劳动卫生条件差 产品质量不容易控制 性能稳定性不高 产品力学性能比较低 B 模压成型工艺将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合物放入敞开的金属对模中 闭模后加热使其熔化 并在压力作用下充满模腔 形成与模腔相同形状的模制品 再经加热使树脂进一步发生交联反应而固化 或者冷却使热塑性树脂硬化 脱模后得到复合材料制品 模压成型工艺流程 工艺特点 生产效率高 制品尺寸准确 表面光洁 复杂结构的制品可一次成型 无需二次加工 制品外观及尺寸的重复性好 模具设计复杂 压机及模具投资高 制品尺寸受限制 模压料 片状模塑料 SMC 团状模塑料 DMC 散状模塑料 BMC C层压成型工艺层压成型工艺 是把一定层数的浸胶布 纸 叠在一起 送入多层液压机 在一定的温度和压力下压制成板材的工艺 层压成型工艺属于干法压力成型范畴 是复合材料的一种主要成型工艺 层压成型工艺生产的制品包括各种绝缘材料板 人造木板 塑料贴面板 覆铜箔层压板等 D 喷射成型工艺将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚酯树脂从喷枪两侧 或在喷枪内混合 喷出 同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切断并由喷枪中心喷出 与树脂一起均匀沉积到模具上 当不饱和聚酯树脂与玻璃纤维无捻粗纱混合沉积到一定厚度时 用手辊滚压 使纤维浸透树脂 压实并除去气泡 最后固化成制品 原料要求 树脂体系的粘度应适中 容易喷射雾化 脱除气泡和浸润纤维 不带静电 喷射成型工艺流程 E 连续缠绕成型工艺将浸过树脂胶液的连续纤维或布带 按照一定规律缠绕到芯模上 然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程 称为缠绕工艺 缠绕工艺流程图 基本纤维缠绕机 F拉挤成型技术 拉挤成型技术是将增强材料 如纤维纱线 纤维毡或编织物等 经树脂浸渍 再经过具有一定截面形状的成型模具并使之在模具内固化成型后将制吕拉出模具的成型工艺 是一种连续的自动化生产工艺 3聚合物基复合材料界面 3 1聚合物基复合材料界面的特点 大多数界面为物理粘接 粘接强度较低 PMC一般在较低温度下使用 故界面可保持相对稳定 PMC界面增强本体一般不与基体发生反应 3 2聚合物基复合材料界面的设计与改善界面设计的基本原则 改善浸润性 提高界面的粘接强度 提高PMC界面粘接强度的措施 使用偶联剂偶联剂 也称活性浸润剂 它既与增强用玻璃纤维表面形成化学键 又与基体具有良好的相容性或与基体反应的化学试剂 常用的偶联剂 有机硅 有机铬 钛酸酯等 增强纤维表面活化通过各种表面处理方法 如表面氧化 等离子处理 可在惰性的碳纤维或玻璃纤维表面上引入活性官能团 例如 OH COOH C O NH2等 这些官能团一方面与基体中活性基团反应 另一方面也可提高纤维与基体相容性 从而提高强度 使用聚合物涂层聚合物涂层与增强纤维和基体都有良好的浸润性 所以能有效地改善PMC界面粘接状况 聚合物涂层的另一个作用是改善界面的应力状态 降低界面的残余应力改善聚合物基复合材料的冲击韧性和疲劳性能 聚合物基复合材料的应用 A 玻璃纤维增强塑料 GFRP 的应用 1 GFRP在石油化工工业中的应用 输油管道和储油设备 天然气和汽油罐车和储槽海上采油平台配电房用板 潜水器 灯标 停泊信标 油污分离器 救生船冷却塔 冷却塔的导风机叶片 各种耐腐蚀性的储槽 储罐 管道 阀门 2 GFRP在建筑业中的应用 代替钢筋 树木 水泥 砖等传统建筑材料GFRP透明瓦 GFRP板可用于货栈屋顶 建筑物墙板 天花板 太阳能集水器 3 GFRP在造船工业中的应用 GFRP可用于制造各种船舶 如赛艇 警艇 游艇 碰碰船 交通艇 救生艇 帆船 渔轮 扫雷艇等GFRP渔船的优点 玻璃钢渔船稳定性好 可以经受八级风浪的考验 GFRP渔船速度快 全GFRP渔船时速可达7节 维修简便 费用低使用寿命长 可达20年 4 GFRP在铁路运输上的应用 铁路车辆的部件如内燃机车的驾驶室 车门 车窗 框 行李架 座椅 盥洗设备 厕所 5 GFRP在汽车制造业中的应用 汽车外壳 汽车底盘 车门 车窗 车座 发动机罩 驾驶室 6 GFRP在冶金工业中的应用 冶金工业中需要耐腐蚀性的容器 管道 泵 阀门等可用GFRP制造有色金属冶炼生产中耐高温烟气腐蚀的烟囱可用GFRP做内衬 7 GFRP在宇航工业中的应用 飞机雷达罩 飞机机身 机翼 起落架 尾舵 门 窗 1967年美国第一架乘载4人的全塑飞机上天 波音747飞机有一万多个零件由GFRP制成 飞机重量减轻454公斤 在导弹和火箭上的应用 北极星A导弹 8 GFRP在其他部分的应用 机械工业中用于制造各种机器的防护罩 机器的底座 导轨 齿轮 轴承 手柄 玻璃钢氧气瓶 液化气罐 在电气工业中可用于制成电子仪器的线路底板 电机变压器的绝缘板 电线杆 高压线架子 天线棒 配电盘外壳 线圈骨架 在采矿作业中可用于制成GFRP支柱 在农业中可用做制造温室和大棚的建筑材料 各种农机部件 常规武器方面可用于制作步枪的枪托 火箭发射器的手柄 坦克车的轮子 火焰喷射器的筒体 头盔和防弹装甲车外壳 在体育方面可用作制造各种体育用品 B 玻璃