聚合物基复合材料(2)

1、第七章 聚合物基复合材料 聚合物基复合材料应包括聚合物基宏观复合材料和聚合物基纳米复合材料。 微观复合材料是指分散相至少有一维是在纳米尺寸范围。 一、复合材料的定义和特点：一、复合材料的定义和特点： 1、复合材料的定义：、复合材料的定义： 两种或两种以上物理和化学性质两种或两种以上物理和化学性质 不同的物质组合而成的一种多相固体材料。不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 复合材料应满足下面三个条件：复合材料应满足下面三个条件： （1）组元含量大于）组元含量大于 5 %； （2）复合材料的性能显著不同于各组元的性能；）复合材料的性能显著不同于各组元的性能； （3）通过各种方法混合而成。）通过各

2、种方法混合而成。 2、复合材料的特点：、复合材料的特点： 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观观 复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面。的界面。 2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。优良特殊性能。 3）复合材料具有可设计性。）复合材料具有可设计性。 3、复合材料的基本结构模式、复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成：复合材料由基体和增强

3、剂两个组分构成： 基体：基体：构成复合材料的连续相；构成复合材料的连续相； 增强剂（增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。会使材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。 二、复合材

4、料的分类二、复合材料的分类 1、按基体材料分类，、按基体材料分类，可分为聚合物基、可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。陶瓷基和金属基复合材料。 2、按增强相形状分类，、按增强相形状分类，可分为纤维增强可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。合材料。 3、按复合材料的性能分类、按复合材料的性能分类，可分为结构，可分为结构复合材料和功能复合材料。复合材料和功能复合材料。SiC颗粒颗粒Al2O3片片Al2O3纤维纤维增强相三种类型增强相三种类型通常聚合物基复合材料是指以有机聚合物为基体、纤维类增强材料为增强剂的复合材料。按聚合物特性分类：塑料基复

5、合材料和橡胶基复合材料按增强剂分类：玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料三、复合材料结构类型1、网状结构2、层状结构，两种组分均为二维连续相3、单向结构，纤维单向增强及筒状结构的复合材料4、分散状结构，以不连续的粒状或短纤维为填料的复合材料5、锒嵌结构 四、四、复合材料的基本性能（优点）：复合材料的基本性能（优点）： 1、高比强度、高比模量（刚度）：、高比强度、高比模量（刚度）： 比强度比强度 = 强度强度/密度密度 MPa /（g/cm3）, 比模量比模量 = 模量模量/密度密度 GPa /（g/cm3）。）。 2、耐疲劳性能好、耐疲劳性能好 3、减震性好、减震性好 4、耐烧蚀性能好，高温下能吸

6、收大量、耐烧蚀性能好，高温下能吸收大量热能，是良好的耐烧蚀性材料。热能，是良好的耐烧蚀性材料。 5、工艺性好、工艺性好 五、增强剂 增强剂即指增强材料，是聚合物基复合材料的骨架。增强剂即指增强材料，是聚合物基复合材料的骨架。它是决定复合材料强度和刚度的主要因素。它是决定复合材料强度和刚度的主要因素。1 1、玻璃纤维、玻璃纤维 玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，

7、耐高温性能较好，价格便宜，品种多。缺点是不耐磨、易折断，易受机械损价格便宜，品种多。缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。伤。2 2、碳纤维、碳纤维碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。含碳量聚合物碳。含碳量95%95%左右的称为碳纤维；含碳量左右的称为碳纤维；含碳量99%99%左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小，比强度、左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小，比强度、比模量大，耐热性和耐腐蚀性好，成本低，批生比模量大，耐热性和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，是一类极为重要的高性能增强剂。产量大，是一类极为重要的高性能增强剂。3 3、硼纤维、硼

8、纤维 硼纤维一般是用还原硼的卤化物来生产的。硼硼纤维一般是用还原硼的卤化物来生产的。硼纤维的优点是强度高、耐高温、弹性模量高。但纤维的优点是强度高、耐高温、弹性模量高。但价格昂贵。价格昂贵。4 4、芳纶纤维、芳纶纤维 聚芳酰胺纤维，力学性能好、稳定性高、耐化聚芳酰胺纤维，力学性能好、稳定性高、耐化学腐蚀性。学腐蚀性。具压延性，与金属相似。耐冲击性是具压延性，与金属相似。耐冲击性是石墨纤维的石墨纤维的6 6倍；自由振动的衰减性为钢筋的倍；自由振动的衰减性为钢筋的8 8倍，倍，六、增强材料的表面处理1、玻璃纤维的表面处理 必须将纤维表面上的浸润及剂除掉；采用化学处理剂对纤维表面进行处理，偶联剂。2

9、、碳纤维的表面处理、碳纤维的表面处理a、表面氧化处理、表面氧化处理把碳纤维用各种方法进行表面氧化可增加比表面积把碳纤维用各种方法进行表面氧化可增加比表面积和表面反应性官能团的数量。和表面反应性官能团的数量。b、表面涂层、表面涂层氧化处理后，常使其表面附着一层聚合物以便进一氧化处理后，常使其表面附着一层聚合物以便进一步改善其与聚合物基体的黏接性能。步改善其与聚合物基体的黏接性能。c、碳的表面气相沉积、碳的表面气相沉积在碳纤维表面上化学沉积微粒碳，可提高其耐热性、在碳纤维表面上化学沉积微粒碳，可提高其耐热性、改善与基体聚合物的黏接性能。改善与基体聚合物的黏接性能。d、表面生长晶须、表面生长晶须七、

10、聚合物基体聚合物基体将增强纤维黏接成整体，在纤维间传递载荷并使载荷均衡，从而充分发挥增强材料的作用。热固性塑料、热塑性塑料橡胶八、八、 聚合物复合材料的制造及成型原理聚合物复合材料的制造及成型原理聚合物基复合材料的制造大体包括如下：聚合物基复合材料的制造大体包括如下：预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处预浸料的制造、制件的铺层、固化及制件的后处理与机械加工。理与机械加工。1、预浸料制备、预浸料制备 预浸料是指定向排列的预浸料是指定向排列的连续纤维连续纤维（单向、（单向、织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的织物）浸渍树脂后所形成的厚度均匀的薄片状薄片状半半成品。成品。 预浸料制备：预浸料制备

11、：2、制件成型固化工艺一是一是，即将，即将按产品的要求，按产品的要求，铺置成一定铺置成一定的形状的形状，一般就是产品的形状，一般就是产品的形状; ;二是二是，即把已，即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的，在在温度、时间和压力等因素影响下温度、时间和压力等因素影响下使使下下来，并能达到预期的性能要求。来，并能达到预期的性能要求。（1）手糊成型）手糊成型在模具上涂刷在模具上涂刷，再在其上铺贴一，再在其上铺贴一层层按要求剪裁好的按要求剪裁好的，用刷子、压辊或刮刀压挤织用刷子、压辊或刮刀压挤织物物，使其，使其并排除气泡后，再并排除气泡后，再涂刷树脂混合物涂刷树脂混合物和和铺铺贴第二层纤维织物贴第二层

12、纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。，反复上述过程直至达到所需厚度为止。 将分别将分别混有促进剂和引发剂的混有促进剂和引发剂的从喷枪两侧（或从喷枪两侧（或在喷枪内混合在喷枪内混合）喷出，同时将）喷出，同时将用切割机切断用切割机切断并并由喷枪中心由喷枪中心喷喷出，与树脂一起出，与树脂一起。 喷射成型原理图喷射成型原理图 （3） 缠绕成型：缠绕成型：缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。化成型的一种复合材料制造工艺。 （6 6）挤出成型）挤

13、出成型 是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的热塑性塑料（粉料或粒料）从料斗进入挤出机热塑性塑料（粉料或粒料）从料斗进入挤出机加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的连续体。的连续体。 挤出成型工艺示意图挤出成型工艺示意图 （4 4）挤拉成型）挤拉成型 将预浸纤维连续地通过模具，

14、挤出多余将预浸纤维连续地通过模具，挤出多余的树脂，在牵伸条件下进行固化。的树脂，在牵伸条件下进行固化。（5 5）连续成型）连续成型 把连续纤维不断地浸滞树脂并通过口模把连续纤维不断地浸滞树脂并通过口模和固化炉固化成棒、板或其他型材。和固化炉固化成棒、板或其他型材。（6 6）袋压成型）袋压成型 在模具上放置预浸料后，通过软的薄膜在模具上放置预浸料后，通过软的薄膜施加压力而固化成型。施加压力而固化成型。九、界面是指是指基体与增强物之间基体与增强物之间有显著变化的、有显著变化的、构成构成彼此结合的、彼此结合的、能起能起的微小区域。的微小区域。1. 1. 形成：形成： 第一阶段是基体与增强纤维的接触与

15、浸润； 第二阶段是聚合物的固化。固化反应从中心以辐射状向四周延伸，结果形成了中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分叫胶束或胶粒，密度小的叫胶絮。2. 2. 界面层的结构：界面层的结构：界面的结合力：存在于两相之间，并由此产生复合效果和界面强度。它又可以分为宏观结合力和微观结合力，前者主要指材料的几何因素，如表面的凹凸不平、裂纹、孔隙等所产生的机械铰合力，后者包括化学键和次价键。界面的区域（厚度）：界面区由基体和增强材料的界面再加上基体和增强材料表面的薄层而构成。界面的微观结构3、界面的作用、界面的作用 1.传递效应传递效应：界面能传递力，在基体与增强物之间起桥梁作用。 2.阻断效

16、应阻断效应：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的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。 4.散射和吸附效应散射和吸附效应：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、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。 5.诱导效应诱导效应：一种物质（通常为增强物）的表面结构使另一种（通常为聚合物基体）与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性、耐热性等。4、界面作用机理、界面作用机理界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理

17、。偶联剂之界面作用机理是指界面发挥作用的微观机理。偶联剂之类的表面处理剂对界面作用起着关键性的影响。类的表面处理剂对界面作用起着关键性的影响。 1 1）、化学键理论）、化学键理论偶联剂就在树脂与玻璃纤维表面起到一个化学的媒介作偶联剂就在树脂与玻璃纤维表面起到一个化学的媒介作用，从而把它们牢固地连接起来。这种理论的实质是增用，从而把它们牢固地连接起来。这种理论的实质是增加界面的化学结合，是改进复合材料性能的关键因素。加界面的化学结合，是改进复合材料性能的关键因素。2）物理吸附理论物理吸附理论 两相间的结合属于机械铰合和基于次价键作用两相间的结合属于机械铰合和基于次价键作用的物理吸收，偶联剂的作用

18、主要是促进基体与增的物理吸收，偶联剂的作用主要是促进基体与增强剂表面的完全润湿。这种理论仅是化学键理论强剂表面的完全润湿。这种理论仅是化学键理论的一种补充。的一种补充。 浸润不良浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸良好的或完全浸润润可使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的可使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。内聚强度。3）可变层理论和抑制层理论增强剂经表面处理后，在界面上形成了一层塑性层，它能松弛界面应力，减小界面应力。这种理论称为可变层理论。处理剂是界面区的组成部分，其模量介

19、于增强剂和树脂基体之间，能起到均匀传递应力，从而减弱界面应力的作用，称为抑制层理论。4）减弱界面局部都应力作用理论基体和增强剂之间的处理剂，提供了一种具有“自愈能力”的化学键，在负荷下，它处于不断形成与断裂的动平衡状态。低分子物（主要是水）的应力浸蚀将使界面化学键断裂，同时，在应力作用下，处理剂能沿增强剂表面滑移，使已断裂的键重新结合。这个变化过程的同时使应力得以松弛，使界面的应力集中降低。十、复合材料性能1 1、复合效果、复合效果1 1）组分效果）组分效果加和效果加和效果: :简单的混合法则简单的混合法则相补效果是加和效果的特殊情况，是指性质的相互相补效果是加和效果的特殊情况，是指性质的相互

20、弥补而起到扬长避短的效果。弥补而起到扬长避短的效果。2 2）结构效果）结构效果考虑复合物性能时，必须考虑连续相和分散相的结考虑复合物性能时，必须考虑连续相和分散相的结构形态、取向及尺寸等因素。又分为构形态、取向及尺寸等因素。又分为形状效果、形状效果、取向效果和尺寸效果。取向效果和尺寸效果。形状效果是指两相的连续性以及分散的形状。形状效果是指两相的连续性以及分散的形状。取向效果，对纤维增强复合材料就是指纤维的取向取向效果，对纤维增强复合材料就是指纤维的取向所产生的影响。所产生的影响。尺寸效果，对纤维增强复合材料主要是指纤维的长尺寸效果，对纤维增强复合材料主要是指纤维的长度、直径以及长径比所起的影

21、响。度、直径以及长径比所起的影响。3 3）界面效果（复合效果的主要部分）界面效果（复合效果的主要部分） 热性能包括：热性能包括： 热传导与热容量：决定了热传导与热容量：决定了PMC与外界热交换和自身温度与外界热交换和自身温度的变化。的变化。 热膨胀性能：决定热膨胀性能：决定PMC结构的稳定性，结构的稳定性， 应力分布状应力分布状态与抗热震性能。态与抗热震性能。 耐热性能：决定耐热性能：决定PMC的使用温度范围。的使用温度范围。2、PMC的热性能的热性能 1） 热传导热传导 :导热系数，导热系数，W/(m K)，表征材料的导热能力。，表征材料的导热能力。 材料本身的特性材料本身的特性 温度的函数

22、温度的函数 grdTq 比热比热定义：单位质量的物质升温定义：单位质量的物质升温 1 所需的热量称之。所需的热量称之。与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的与别的性质不同，复合材料的比热与组材料的比热间的关系比较简单，符合加和性原理：关系比较简单，符合加和性原理：piipCmmCVVPPTQmCTQmC)/()/1 ()/()/1 (2） 热膨胀性能热膨胀性能热膨胀系数：表征材料受热时线度或体积的变化程度。热膨胀系数：表征材料受热时线度或体积的变化程度。纤维限制了基体的纵向膨胀，使横向膨胀增加。纤维限制了基体的纵向膨胀，使横向膨胀增加。 3）耐热性能耐热性能PMC的耐热性能主要决定于

23、其聚合物基体的耐热性能。的耐热性能主要决定于其聚合物基体的耐热性能。 复合材料的力学性能主要包括静态性能（拉、压、弯、复合材料的力学性能主要包括静态性能（拉、压、弯、扭等）和动态性能（断裂韧性、蠕变性能、疲劳、冲击等）。扭等）和动态性能（断裂韧性、蠕变性能、疲劳、冲击等）。聚合物基的复合材料种类可能非常多，但决定一种复合聚合物基的复合材料种类可能非常多，但决定一种复合材料性能的主要因素是纤维类型、纤维体积分数、纤维形式材料性能的主要因素是纤维类型、纤维体积分数、纤维形式及基体类型等。及基体类型等。1） 静态力学性能静态力学性能PMC 一般直到断裂都是完全弹性的，没有屈服点或塑性一般直到断裂都是

24、完全弹性的，没有屈服点或塑性区。此外，区。此外，PMC的断裂应变很小，与金属相比，断裂功小、的断裂应变很小，与金属相比，断裂功小、韧性差。韧性差。3、PMC的力学性能的力学性能 2 2）动态力学性能（蠕变及疲劳）动态力学性能（蠕变及疲劳） 聚合物基体中添加纤维可使蠕变大幅度降低。其聚合物基体中添加纤维可使蠕变大幅度降低。其下降幅度与两种材料（纤维和基体）的模量之比下降幅度与两种材料（纤维和基体）的模量之比成比例。玻璃纤维用偶联剂处理之后，复合材料成比例。玻璃纤维用偶联剂处理之后，复合材料的抗蠕变性有明显改善。的抗蠕变性有明显改善。 长径比在长径比在200200以内，疲劳寿命随纤维长度的增加以内

25、，疲劳寿命随纤维长度的增加而增加。而增加。 在高频下疲劳寿命缩短的主要原因是热积累。在高频下疲劳寿命缩短的主要原因是热积累。4、 光学性能光学性能PMC波形板和平板的透光性最好，其全透光率为波形板和平板的透光性最好，其全透光率为 85 - 90 %，接近普通玻璃的透光率。但由于其散射光占全透光很大，接近普通玻璃的透光率。但由于其散射光占全透光很大的比例，因此，没有普通平板玻璃那样透明。的比例，因此，没有普通平板玻璃那样透明。影响透光性的主要因素：影响透光性的主要因素： 玻璃纤维与树脂基体的透光性；玻璃纤维与树脂基体的透光性； 玻璃纤维与树脂基体的折射率；玻璃纤维与树脂基体的折射率； 其他因素（

26、表面形状与光滑程度、纤维的含量与形态、其他因素（表面形状与光滑程度、纤维的含量与形态、固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类与含量等）。固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类与含量等）。 与传统材料与传统材料(如金属、木材、水泥等如金属、木材、水泥等)相比，复合相比，复合材料是一种新型材料。它具有许多优良的性能，并材料是一种新型材料。它具有许多优良的性能，并且其成本在逐渐地下降，成型工艺的机械化、白动且其成本在逐渐地下降，成型工艺的机械化、白动化程度也在不断地提高。团此，复合材料的应用领化程度也在不断地提高。团此，复合材料的应用领域日益广泛。域日益广泛。氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦氮化

27、硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件美国美国B-2B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰赛车上使用的特殊轮胎赛车上使用的特殊轮胎人工合成的金刚石人工合成的金刚石高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器人工肾脏人工肾脏生物陶瓷人造关节生物陶瓷人造关节可调节的太阳镜可调节的太阳镜耐高温纤维制成的消防人员的服装耐

28、高温纤维制成的消防人员的服装 由于复合材料的由于复合材料的持性，使其在航空持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。主承力构件。由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的的耗油量只有钢制汽车的14，而且在受到撞击时复，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。 用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄