第3章-聚合物基复合材料

,Chapter3,PolymerMatrixComposites,聚合物基复合材料,3.1概述3.2聚合物基体3.3纤维增强聚合物复合材料3.4颗粒增强聚合物复合材料3.5聚合物基复合材料的应用,J,J,主要内容,J,J,J,3.1概述,1、聚合物基复合材料（PolymerMatrixComposites、简称PMC）：凡是以聚合物为基体材料制作的复合材料统称为聚合物基复合材料。2、聚合物基复合材料包括纤维增强（如玻璃纤维增强、碳纤维增强、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维等增强）和颗粒增强复合材料。3、聚合物基体主要包括用于玻璃钢的酚醛树脂、环氧树脂和聚酯，具有耐热性好的基体树脂如聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PES）和聚醚醚酮（PEEK）等热塑性树脂。,在加工过程中，一般只发生物理变化，受热变为塑性体，成型后冷却又变硬定型，若再受热还可改变形状重新成型的塑料。,在成型过程中发生化学变化，利用塑料在受热时可流动的特征而成型，并延长时间，使其发生化学反应而成为不熔不溶的网状分子结构，并固化定型而形成的塑料。,热塑性塑料（线型）,热固性塑料（体型）,产量大，价格低，日常生活中应用范围广的塑料。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。,塑料,根据塑料制品的用途可分为:,机械性能好，能用于制造各种机械零件的塑料。主要有聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚砜、酚醛树脂、ABS塑料等。,具有特殊功能和特殊用途的塑料。主要有氟塑料、硅塑料、环氧树指等。,通用塑料,工程塑料,特殊塑料,表3.1一些聚合物的名称、商品名称、符号及单体,4、聚合物基复合材料的分类：1）按照增强材料来分：玻璃纤维增强聚合物基复合材料(GFRP)、碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强聚合物基复合材料(KFRP）、硼纤维增强聚合物基复合材料（BFRP）、碳化硅纤维增强聚合物基复合材料（SFRP)。2）按照功能或性能来分：通用型、耐化学腐蚀型、耐高温型、阻燃型、导电型等。3）按照聚合物基体的结构和类型来分：热固性树脂、热塑性树脂、橡胶基等。,3.2聚合物基体,3.2.1热固性树脂,3.2.2热塑性树脂,3.2.3天然高分子,3.2.4橡胶,J,J,J,J,3.2.1热固性树脂,性能：难溶、难熔、耐热，机械强度高，刚性好，抗冲击性好,结构式:,用途：制造线路板、插座、插头、电话机、行李车轮、工具手柄、贴面板、三合板、刨花板等,1、酚醛树脂（电木）,2、环氧树脂,线型苯酚甲醛环氧树脂（EPN）,线型邻甲酚甲醛环氧树脂（ECN）,间苯二酚甲醛环氧树脂,该树脂的特点是具有较高的反应活性，固化物的耐热性，耐腐蚀性及电性能优良。可用作耐高温浇注料，胶黏剂、涂料及复合材料，也可用作其他环氧树脂的改性剂。,跑道,各种环氧树脂,地坪,密封胶,电子,3.2.2热塑性树脂,性能：化学性质非常稳定，耐酸、碱，耐溶剂性能好，吸水性低，无毒，受热易老化,用途：制造食品包装袋、各种饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等,第四代聚乙烯（超高分子量聚乙烯）高韧性、高耐磨。密度越低，制造成本越低。,1、聚乙烯(PE),PE薄膜,PE泡沫塑料,聚乙烯泡沫塑料具有密度低、耐低温及抗化学性能优良等优点，并具有一定的力学强度，可用作日用品、精密仪器的包装材料，保温材料和水上漂浮材料等。高发泡聚乙烯钙塑材料广泛用于建筑装饰，近年来聚乙烯泡沫塑料的用途日渐扩大，发展速度较快。,结构式:,性能：强极性，绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。缺点是介电性能差，在100120即可分解出氯化氢，热稳定性差,用途：制造水槽，下水管；制造箱、包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等,氯化聚氯乙烯CPVC（过氯乙烯）可作热水硬管，使用温度65105。,2、聚氯乙烯（PVC),PVC泡沫塑料,聚氯乙烯泡沫塑料按其配方和成型方法不同可制成为软质和硬质两种。软质泡沫塑料在配制时加入较多的增塑剂，成型后具有一定的柔软性。而硬质聚氯乙烯泡沫塑料在配制时加入溶剂将树脂溶解，成型过程中溶剂受热挥发而成为质地坚硬的泡沫制品。,性能：具有韧性、耐磨、耐热，具有吸湿性、无毒、接伸强度大,用途：可做尼龙布、尼龙袜子、尼龙绳及医用消毒容器等；做机械零件、仪表、仪器零件,结构式:,3、聚酰胺（尼龙,PA6/PA66）,性能：耐酸碱，耐腐蚀，化学稳定性好，耐寒，绝缘性好，耐磨。缺点是刚性差,结构式:,用途：可用作高温环境中化工设备的密封零件，无油润滑条件下作轴承、活塞等，还可做电容器、电缆绝缘材料,4、聚四氟乙烯（塑料王）,性能：坚硬、耐高温、良好的机械性能、电绝缘性好、韧性好、抗冲击性好、透明度高,用途：制造继电器盒盖，计算机和磁盘的壳体、荧光灯罩、汽车及透明窗的玻璃等,结构式:,5、聚碳酸酯（PC）（透明金属）,性能：变硬度、高抗冲强度、抗蠕变性好，耐热、耐寒、耐磨、抗氧化性好，尺寸稳定性好,用途：制造机械、电子、电气制造航空、航天等部门的零部件,结构式:,6、聚砜,性能：无毒、无味，易溶于酮、醛、酯等有机溶剂。耐磨性、抗冲击性能好,用途：用于家用电器、箱包、装饰板材、汽车收音机等零部件,结构式:,7、ABS塑料,性能：其透明性在现有高聚物中是最好的，缺点是耐磨能差，硬度较低，易溶于有机溶剂等,结构式:,用途：广泛用于航空、医疗、仪器等领域,8、聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃,PMMA）,9、聚氨酯（PU）,聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称，英文名称是polyurethane（PU），是一种新兴的有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。,聚氨酯具有诸多优良特性，包括：（1）性能可调范围宽、适应性强（2）耐磨性能好；（3）机械强度大；（4）粘接性能好（胶黏剂）；（5）弹性好，具有优良的复原性；（6）低温柔性好；（7）耐候性好，使用寿命长达1520年；（8）耐油性好；（9）耐生物老化；（10）价格适中。,应用广泛：1）油漆2）涂料3）粘合剂4）发泡材料5）弹性体6）人造皮革7）防水材料,聚氨酯泡沫塑料,聚氨酯泡沫塑料是以多元异氰酸酯和多元醇为主要原料，加入催化剂、发泡剂和表面活性剂等，在充分混合下反应形成的轻质发泡材料。发泡气体有时也可以是由异氰酸酯和水反应生成的二氧化碳。聚氨酯泡沫塑料具有整体密度小，比强度高，导热系数低以及耐油、耐寒、防震和隔音性能好等优点，并且加工简单，容易制得。在日常生活和国民经济各部门中得到广泛应用，其产量在各种泡沫期料中名列前茅。,聚氨酯人造革,以聚氨酯树脂溶液为涂料，均匀涂覆在基材上，然后设法除去溶剂，聚氨酯膜层便与基材牢固结合，这样制得的涂层制品即为聚氨酯人造革。聚氨酯人造革的生产方式有干法和湿法两种。前者的工艺过程与前述涂覆法生产聚氯乙烯人造革相似，树脂溶液的涂层通过烘箱时，溶剂被加热挥发。在湿法生产中，溶剂通过水洗清除，涂层具有连续的气孔结构，因而透气性和透湿性大为提高，制品性能更加接近天然皮鞋。为了突出湿法聚氨酯革的优点，有人把它称为“合成革”。,金属涂层,人造革,漆布,塑料壁纸,10、聚苯乙烯（PS）,聚苯乙烯的分子量为520万。PS的机械性能，随温度升高，刚性（弹性模量、抗拉强度、冲击强度等下降，而断裂伸长率较大。PS的透明性好，透光率达8892%，仅次于丙烯酸类聚合物，折射率为1.591.60。故可用作光学零件，但它受阳光作用后，易出现发黄和混浊。PS有主要缺点是性脆和耐热性低。对PS进行改性，如橡胶改性的高抗冲PS（HIPS）；MMA-丁二烯-苯乙烯（MBS）；A（丙烯腈）B（丁二烯）S，在工业上应用最广泛的是ABS塑料。,聚苯乙烯泡沫塑料,聚苯乙烯泡沫塑料的成型方法很多，主要有模压法、可发性珠粒法和挤出发泡法。模压法是采用乳液法聚苯乙烯和热分解型发泡刑制得，是早期使用的方法，现在用的很少。目前大且使用的是可发性珠粒法和挤出发泡法。,3.2.3天然高分子,（NaturalPolymers）,Naturalpolymersarepolymersproducedbylivingorganisms.,价格低廉、来源广泛，在自然界动植物中广泛存在。,3.2.3天然高分子,绿色、清洁、具有可生物降解性和可再生性，,农作物,二氧化碳,水,阳光,农产品,天然高分子,提取,可降解制品,堆肥,一般的天然高分子加工性能都很差，难以通过常用塑料的加工方法成型；力学性能、耐环境性能等存在缺陷，应用范围较窄；因此为了拓展天然高分子的应用范围、提高其使用性能，研究者们开始致力于天然高分子的改性研究，并已成为近年来的研究热点。,3.2.3天然高分子,3.2.3天然高分子,1、淀粉,结构式:,餐具,食品包装膜,-D-Glucose,Starch(helix),3.2.3天然高分子,淀粉（starch）是植物体中贮存的养分，贮存在种子、水果、块茎、根茎中，各类农作物中的淀粉含量都较高，大米中含淀粉6286，麦子中含淀粉5775，玉米中含淀粉6572，马铃薯中则含淀粉1214，是我们饮食中碳水化合物的主要来源。,3.2.3天然高分子,SourceoftheStarch,淀粉,ApplicationofStarch,另外在石油工业、造纸工业、纺织工业等领域中淀粉也常被用做增稠剂、粘合剂、胶凝剂等不同的用途。,纤维素是自然界中存在量最大的天然高分子化合物。纤维素由很多D-吡喃葡萄糖单元以(1-4)苷键连接而成。纤维素是高等植物细胞壁的主要成分，主要来源为木材等。,纤维素具有一定的结晶性；纤维素的分子间存在非常强烈的氢键，使得其具有更高度的结构有序性，耐化学腐蚀性和耐溶剂性。,2、纤维素（Cellulose),SourceoftheCellulose,棉花：是棉属植物种子的表皮毛，是自然界纯度最高的纤维。木材：是自然界中纤维素最主要的来源。草类：包括禾本科和竹科等植物的茎。,2、纤维素,结构式:,人造丝,电影胶片,ApplicationoftheCellulose,ApplicationoftheCellulose,3、蛋白质,结构：,毛发、蚕丝与蜘蛛丝,ApplicationofProtein,3.2.4橡胶,天然橡胶其化学组成是聚异戊二烯有顺式与反式两种构型，它们的结构简式分别为：,顺式,反式,1.天然橡胶,乳胶,2.合成橡胶,合成橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。通用橡胶用量较大，例如丁苯橡胶占合成橡胶产量的60；其次是顺丁橡胶，占15；此外还有异戊橡胶、氯丁橡胶、丁钠橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶等，它们都属通用橡胶。,性能：耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺点是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小,结构式:,用途：为合成橡胶中最大的品种（约占50%），广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料,（1）丁苯橡胶,性能：耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性及气密性都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差,结构式:,用途：制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎、胶粘剂等,（2）氯丁橡胶（万能橡胶）,性能：弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超过天然橡胶；缺点是抗撕裂能力差，易出现裂纹,结构式:,用途：为合成橡胶的第二大品种（约占15%），大约60%以上用于制造轮胎,（3）顺丁橡胶,性能：耐油性好，拉伸强度大，耐热性好；缺点是电绝缘性、耐寒性差，塑性低、难加工,用途：用作机械上的垫圈以及制备收音机和汽车等需要耐油的零件,结构式:,（4）丁腈橡胶,性能：分子无双键存在，故耐热、耐氧化、耐老化性好，使用温度高,结构式:,用途：制造耐热胶管、垫片、三角胶带、输送带、人力车胎等,（5）乙丙橡胶,性能：是一种耐热性和耐老化性很好的橡胶，它的特点是既耐高温，又耐低温，弹性好，耐油，防水，其制品柔软光滑，物理性能稳定、无毒、生物惰性、加工性能好，缺点是机械性能差，较脆，易撕裂,结构式:,用途：可用于医用材料，如导管，引流管，静脉插管，人造器管等，还可用于飞机、导弹上的一些零部件及电绝缘材料,（6）硅橡胶,有机硅应用在汽车电子装置上有：粘接与密封剂、灌封胶、凝胶、绝缘涂料、导热胶等材料。这些材料被用于保护发动机控制模块、点火线圈与点火模块、动力系统模块、制动系统模块、废气排放控制模块、电源系统、照明系统、各种传感器、连接器等等。,3.3纤维增强聚合物复合材料,3.3.1碳纤维增强聚合物复合材料3.3.2玻璃纤维增强聚合物复合材料3.3.3天然纤维增强聚合物复合材料3.3.4合成纤维增强聚合物复合材料,J,J,J,J,3.3.1碳纤维增强聚合物复合材料CFRP,由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。,装有X-43高超声速飞行器的B-52轰炸机,碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。,采用自动铺丝技术制造的PremierI飞机碳纤维复合材料机身,JSF飞机的S形进气道,碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）,CFRP在民用飞机中的应用,CFRP在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用,3.3.2玻璃纤维增强聚合物复合材料（玻璃钢，GFRP）,最常用的玻璃纤维是无碱纤维和中碱纤维。中碱纤维几乎所有的性能都比无碱纤维差，但耐酸性较无碱纤维好，价格也较低。,常用的基体材料有环氧树脂、不饱和聚酯树脂和酚醛树脂。环氧树脂粘结力强，用于较高强度的玻璃钢制品，但粘度高、工艺性能差、价格也较贵。不饱和聚酯树脂的粘度小、浸润性好、气泡容易排除、凝胶时间可根据需要任意调节控制、工艺性能最好、相对价格也较低，故得到广泛应用。酚醛树脂因其优越的阻燃性，近来受到广泛重视。,GFRP的制造有手糊、缠绕、SMC（BMC）、拉挤、离心浇铸、RTM、RIM、GMT等多种工艺。,拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，它是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚脂表面毡等进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的成型模具，并使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。,拉挤工艺流程玻璃纤维粗纱排布浸胶预成型挤压模塑及固化牵引切割制品,拉挤GFRP产品性能,高压玻璃钢管与钢管的性能比较,高压玻璃钢管制造工艺流程图,不同聚合物,玻璃钢应用于工业生产,玻璃钢天线反射面,玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢,玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP）,玻璃钢应用于体育用品,硼纤维增强聚合物基复合材料（BFRP）,特点：抗压强度和剪切强度都很高(优于铝合金、钛合金)，且蠕变小、硬度和弹性模量高，疲劳强度很高，耐辐射及导热极好（硼纤维比强度与玻璃纤维相近；比弹性模量比玻璃纤维高5倍；耐热性更高）类别及应用：硼纤维环氧树脂、聚酰亚胺树脂等复合材料多用于航空航天器、宇航器的翼面、仪表盘、转子、压器机叶片、螺旋浆叶的传动轴等。,3.3.3天然纤维增强聚合物复合材料,天然纤维增强聚合物复合材料（naturalfiberreinforcedplastics，简称NFRP）是利用天然纤维（麻纤维、木纤维等）与热塑性树脂基体或热固性树脂基体复合而成的一种新型材料。,与玻璃纤维增强复合材料相比，NFRP具有密度低、隔音效果好、比性能高、可回收、价格低廉、人体亲和性好等优点。是各行各业特别是与人们生活密切相关的建筑工业和汽车工业，特别青睐的“绿色产品”。,木塑复合材料,木塑复合材料有多种颜色和表面纹理,不同木质填料用量下HDPE的复合材料的性能,其中麻类纤维和竹类纤维因其拉伸强度比其他天然纤维高，可以称为高性能天然纤维。,材料科学与工程学报，2005，23（6）,PolymerTesting，2005，24：1005,在汽车制造中的应用目前各汽车工业大国已经开始大量使用天然纤维复合