聚合物复合材料(第四章结构与性能)

1、1 1 聚合物基复合材料的结构聚合物基复合材料的结构2 2 聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能复合材料是由两种或两种以上的组分相所组成。组分相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。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立的形态分布于整个连续相中的相称为分散相分散相。对

2、于对于结构复合材料结构复合材料，分散相的强度、模量通常高于基体，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，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故人们习惯地把这类分散相称为增强体增强体。对于对于功能复合材料功能复合材料，分散相往往赋予复合材料以特殊的，分散相往往赋予复合材料以特殊的化学或物理机械功能，故称之为化学或物理机械功能，故称之为功能体功能体。聚合物基复合材料由聚合物与粒子填料或纤维状填料组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，通常形成成，通常形成聚合物为连续相，填料、纤维为分散相，聚合物为连

3、续相，填料、纤维为分散相，个个别的形成两相共连续结构别的形成两相共连续结构颗粒填充聚合物复合材料：颗粒填充聚合物复合材料：无机粒子为分散相、聚合物为无机粒子为分散相、聚合物为连续相连续相各向异性各向异性纤维增强聚合物基复合材料：纤维增强聚合物基复合材料：纤维为分散相、聚合物为连续纤维为分散相、聚合物为连续相相连通性：连通性：复合体系中的任何相，在空间的零维、一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。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任意弥散和孤立的颗粒的连通性为0 0，是零维材料，是零维材料（0 0维）维）而包围它们的介质是网络体状的

4、连续材料，连通性为而包围它们的介质是网络体状的连续材料，连通性为3 3，即是三维材料即是三维材料（3 3维）维）纤维状材料的连通性为纤维状材料的连通性为1 1，是一维材料，是一维材料（1 1维）维）相应的片状材料连通性为相应的片状材料连通性为2 2，即二维材料，即二维材料（2 2维）维）按照按照连通性连通性，理论上可以把复合材料划分为以下几种，理论上可以把复合材料划分为以下几种结构：结构：各向同各向同性性各向异各向异性性无规分散无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短纤维）晶须、短纤维）连续长纤连续长纤单向增强结构（单向板）单向增强结构（单向板）层合层合( (板板)

5、 )结构结构( (二维织布或连续纤维铺二维织布或连续纤维铺层，每层层，每层不同不同) )三维编织体三维编织体增强结构增强结构夹层夹层结构（蜂窝夹层等）结构（蜂窝夹层等）混杂混杂结构结构增强体的排增强体的排列方式列方式弥散结构弥散结构颗粒增强颗粒增强短纤维增强短纤维增强片状物增强片状物增强单向板结构单向板结构单向连续纤维增强复合材料示意图单向连续纤维增强复合材料示意图 连续纤维在基体中呈连续纤维在基体中呈同向平行排同向平行排列列的复合材料叫单向连续纤维增强的复合材料叫单向连续纤维增强复合材料（单向板）。复合材料（单向板）。 沿纤维方向具有较高的强度，与纤沿纤维方向具有较高的强度，与纤维任意夹角方

6、向的强度明显下降。维任意夹角方向的强度明显下降。层合（板）结构层合（板）结构双向板双向板正交织物增强（双向板）正交织物增强（双向板）多向板多向板层向强度最差层向强度最差 三维正交非织造的纤维结构 (a)非线性法平面增强非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构一种开式格状结构 (c）一种柔性结构）一种柔性结构管、容器的螺旋缠绕、平面缠绕线型管、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厚度方向有增强纤维，可以获得较高的层间强度夹层夹层结构结构 夹层结构一般都是夹层结构一般都是由由高强度的蒙皮高强度的蒙皮( (表层表层

7、) )与与轻质芯材轻质芯材组成组成的一种的一种结构材料结构材料。由于芯材的容重由于芯材的容重小，用它制成的小，用它制成的夹层结构，能在夹层结构，能在同样承载能力下同样承载能力下，大大减轻结构，大大减轻结构的自重。的自重。混杂混杂复复合材料合材料的混杂的混杂类型类型 与传统的均质材料相比，聚合物复合材料具有许多优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：异的性能： 1 1、设计制造方法有许多优点：投资少、上马快、设、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；计自由度大、成型简单、制品尺寸不限、着色自由等； 2 2、具有优异的基本性能：

8、比强度和比刚度高、电性、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、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、透明等耐候性和耐紫外线性良好、阻燃性和半透明、透明等特点。特点。影响复合材料性能的因素：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；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；跃居重要地

9、位； 此外，采用不同的成型工艺，制品性能亦有较大差异；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。上影响复合材料的性能。 基体材料力学性能对复合材料力学性能的影响。基体材料力学性能对复合材料力学性能的影响。 纵向拉伸强度纵向拉伸强度 弱弱 纵向压缩强度纵向压缩强度 强强 横向拉伸强度横向拉伸强度 强强 横向压缩强度横向压缩强度 弱弱 边缘剪切强度边缘剪切强度 强强 层间剪切强度层间剪切强度 很强很强 弯曲强度弯曲强度 弱、强弱、强复合效应：复合效应：对于由对于由A A、B B两

10、种原材料复合而成的材料两种原材料复合而成的材料C C，其，其性能既包含性能既包含A A、B B两种原材料所固有的性能，又具有两种原材料所固有的性能，又具有A A、B B两种两种原材料所不具备的新性能。原材料所不具备的新性能。源于耦合：源于耦合：原相材料及其所形成的界面相互作用、相互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。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线性性和和非线性非线性的综合。的综合。复合材料的复合效应复合材料的复合效应不同复合效应的类别不同复合效应的类别复合材料的性质复合材料的性质

11、与增强组元（功与增强组元（功能组元）的含量能组元）的含量有线性关系有线性关系符合混合规则符合混合规则正效应正效应负效应负效应突变突变复合材料的复合效应复合材料的复合效应1.1.平均效应：平均效应：复合材料的某项性能等于各组分的该项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。性能乘以该组分体积分数之加和。表示为：表示为：Pc=PmVm+PfVf，式中，式中P为材料性能，为材料性能，V为材料体为材料体积含量，角标积含量，角标c、m、f分别表示复合材料、基体和增强体。分别表示复合材料、基体和增强体。如复合材料的弹性模量，若用如复合材料的弹性模量，若用混合率混合率来表示，则为：来表

12、示，则为：Ec=EmVm+EfVf线性效应线性效应复合材料的复合效应复合材料的复合效应2.2.平行效应：平行效应：即组成复合材料的各组分在复合材料中，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。均保留本身的作用，既无制约也无补偿。 Kc Ki 对于对于增强体（如纤维）增强体（如纤维）与与基体界面结合很弱的复合材料基体界面结合很弱的复合材料所显示所显示的复合效应，可以看作是平行效应。的复合效应，可以看作是平行效应。3.3.相补效应：相补效应：组成复合材料的基体与增强体，在性能上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。能互补，从

13、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。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。线性效应线性效应复合材料的复合效应复合材料的复合效应4.4.相抵效应：相抵效应：基体与增强体组成复合材料时，若组分间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。效应。Kc PC PSF PC POM PA66 PA6P

14、OM PA66 PA6。 热膨胀系数热膨胀系数 a 基本符合混合规则基本符合混合规则 acam（1Vf ）afVf 实际复合材料的实际复合材料的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；了其周围聚合物的运动有关； 一般无机填料的一般无机填料的a比聚合物比聚合物a低低1-2个数量级，因此，填充材个数量级，因此，填充材料的料的a较纯聚合物的小得多，而与金属的较纯聚合物的小得多，而与金属的a接近；接近； 通常通常a降低会使成型收缩率降低，制品尺寸精度提高；对于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纤维

15、增强材料，流动方向与横向方向的a有异，于是产生翘有异，于是产生翘曲，尺寸稳定性反而会因此变差；曲，尺寸稳定性反而会因此变差； 复合材料的热膨胀系数复合材料的热膨胀系数取决于树脂基体取决于树脂基体，但还与纤维含量，但还与纤维含量有关，纤维含量越高，其热膨胀系数越小。有关，纤维含量越高，其热膨胀系数越小。复合材料的热膨胀系数复合材料的热膨胀系数导热系数导热系数K K在理论上也符合混合规则在理论上也符合混合规则KcKm（1Vf ）KfVf实际上由于填料的形态等因素不同而导热系数有所不同，实际上由于填料的形态等因素不同而导热系数有所不同，也对上式提出修正也对上式提出修正填料的导热系数一般比聚合物大，因

16、此，复合塑料的导热填料的导热系数一般比聚合物大，因此，复合塑料的导热系数通常比单纯聚合物大系数通常比单纯聚合物大导热系数的增加有利于导热系数的增加有利于提高成型速度提高成型速度和制备导热性材料和制备导热性材料复合材料的导热系数复合材料的导热系数热变形温度（热变形温度（HDT）是衡量材料的耐热性和使用温度）是衡量材料的耐热性和使用温度高低的一个重要指标（是指在高低的一个重要指标（是指在18.6Kg/cm2负荷下的负荷下的HDT）填料的加入提高基体的热变形温度，但其与基体树脂填料的加入提高基体的热变形温度，但其与基体树脂的性质有很大关系：的性质有很大关系：复合材料的热变形温度复合材料的热变形温度原

17、因：结晶性树脂复合材料的原因：结晶性树脂复合材料的HDTHDT主要由树脂熔点来控制，未主要由树脂熔点来控制，未填充前其填充前其HDTHDT受链段运动影响而比其熔点低得多。填充填料后，受链段运动影响而比其熔点低得多。填充填料后，填料限制其链段运动而填料限制其链段运动而HDTHDT明显提高明显提高a a、结晶性树脂如、结晶性树脂如PPPP、PAPA、PBTPBT、PPSPPS、PEEKPEEK等，加入等，加入填料后可使填料后可使HDTHDT大幅度提高，接近其熔点大幅度提高，接近其熔点b b、结晶性聚合物复合材料、结晶性聚合物复合材料HDTHDT提高程度与其刚性提高提高程度与其刚性提高程度有密切关系，提高复合材料的刚性，同样提高其程度有密切关系，提高复合材料的刚性，同样提高其HDTHDTc c、非晶性树脂如、非晶性树脂如PSPS、PC