复合材料测试技术课程小结

1、 1 高性能纤维：芳族聚酰胺纤维，芳族聚酯，碳纤高性能纤维：芳族聚酰胺纤维，芳族聚酯，碳纤维，超高分子量聚乙烯纤维，维，超高分子量聚乙烯纤维，PBO纤维，玻璃纤维纤维，玻璃纤维2 其他纤维：晶须，石棉纤维，其他纤维：晶须，石棉纤维， 碳化硅纤维，矿物碳化硅纤维，矿物纤维，金属与陶瓷纤维，混杂纤维纤维，金属与陶瓷纤维，混杂纤维DONGHUA UNIVERSITY3纤维种类纤维种类商品名商品名强度强度GPa伸长伸长%模量模量GPa密度密度g/cm3熔点熔点对位芳纶对位芳纶Kevlar2.82.41321.44560(d)间位芳纶间位芳纶Metamax0.50.835506.79.81.38430(

2、d)芳香族聚酯纤维芳香族聚酯纤维Ekonol4.13.11341.40380Vectra2.83.7691.40270芳杂环类纤维芳杂环类纤维PBZT4.21.42501.58600(d)PBO5.52.52801.59650(d)高强聚乙烯纤维高强聚乙烯纤维Dyneema3.42.01600.98140Spectra3.52.51560.97140碳纤维碳纤维Pyrofil1.93.50.41.23005001.80Torayca371.52.42003001.80 钢纤维 2.8 200 7.8 1600玻璃纤维 2.0-3.5 70-90 2.5 825 4DONGHUA UNIVERS

3、ITYDONGHUA UNIVERSITYCH2CH2(CH2)4HOOCCOOH(CH2)6H2NNH2+(CH2)6NH CO(CH2)4CONHn5DONGHUA UNIVERSITYCCXOXONH2H2NCCNOONHHn2nHX+X = OH、卤素、OR6DONGHUA UNIVERSITY7生产单位生产单位及商品名及商品名美国杜邦美国杜邦荷兰阿克苏荷兰阿克苏日本帝人日本帝人俄罗斯俄罗斯Kevlar 29Kevlar 129Kevlar 149NomexTwaronRTwaronHTechnoraArmos特性特性标准标准高强高强高模高模高强高伸高强高伸标准标准高模高模高强高强高强

4、高模高强高模密度密度g/cm31.431.441.471.381.441.451.391.44强度强度（GPa）2.93.42.33.36.23.03.13.44.45.5模量模量（GPa）689617348717210972135145伸长率伸长率%3.63.31.535504.42.54.63.54分解温度分解温度500500500500500500500550吸湿率吸湿率%771.23.56.53.5278芳纶性能总结（1）物理性能密度小，为1.44g/cm3比强度高（高于碳纤维和硼纤维）比模量虽然较高，但低于碳纤维和硼纤维；韧性好、抗冲击性好、加工性好；压缩强度不高（为拉伸强度的1/5

5、）；剪切强度不高（为拉伸强度的1/17）；DONGHUA UNIVERSITY9热稳定、耐火、不溶、真空中长期使用温度为160，-60也不脆； Tg =（250400）；热膨胀系数低（300以下，为负值）；具有良好的耐化学介质性（但不耐强酸、强碱）；耐疲劳、耐磨、电气绝缘、透电磁波。芳纶的化学性能DONGHUA UNIVERSITY10耐光性差耐光性差，暴露于可见光和紫外线时会产生光致降解，暴露于可见光和紫外线时会产生光致降解（即力学性能下降和褪色）。用高吸收率材料对（即力学性能下降和褪色）。用高吸收率材料对Kevlar纤维纤维增强聚合物基复合材料作表面涂层，可增强聚合物基复合材料作表面涂层，

6、可以减缓其光致降解；以减缓其光致降解；溶解性差溶解性差；抗压强度低抗压强度低；吸湿吸湿性强，吸湿后纤维性能变化大，因此应密封保存，性强，吸湿后纤维性能变化大，因此应密封保存，在制备复合材料前应增加烘干工序。在制备复合材料前应增加烘干工序。DONGHUA UNIVERSITYDONGHUA UNIVERSITY11DONGHUA UNIVERSITY纤维素基聚丙烯腈基沥青基碳纤维石墨纤维活性碳纤维气相生长碳纤维通用级高性能1213力学性能密度小，较高的比强度和比模量，断裂伸长率低，弹性模量高热性能（1）耐高低温性能好（2）导热性能好（3）线性膨胀系数小DONGHUA UNIVERSITY14化学

7、性能（1）碳纤维的耐药品性好，仅不耐硝酸、硫酸和次氯酸钠；（2）碳纤维在各种试剂中浸渍250天后，其直径、模量和强度变化很小。（3）碳纤维的耐氧化性较差，且PAN高强型碳纤维比高模型的氧化失重更严重。（4）碳纤维的表面活性比玻璃纤维低，因此需要表面处理。电性能碳纤维沿纤维方向的导电性好，其导电性可与铜相比DONGHUA UNIVERSITYDONGHUA UNIVERSITY15类型类型通用型通用型高强型高强型高模型高模型高强高模高强高模T300T700SCT800HBT1000GBM46JBM50JBM35JBM40JB密度密度g/cm31.761.801.811.81.841.841.75

8、1.75强度强度（GPa）3.54.95.56.44.24.14.74.4模量模量（GPa）230230294294436475343377伸长率伸长率%1.52.11.92.20.90.91.41.2纤维实际强度与极限强度存在差异的原因F聚合物相对分子质量较小，末端多、缺陷多F纤维最大拉伸倍数较小解决方案F尽可能提高聚合物相对分子质量F尽可能提高非晶区缚结分子的含量F尽可能减少晶区折叠链的含量，增加伸直链的含量F尽可能将非晶区均匀分散到连续的结晶基质中去DONGHUA UNIVERSITYPE分子量对产品性能的影响： PE 7万30万，板材，膜材，电缆等 UHMWPE 50104500104

9、 高强度纤维，断裂强度20CN/dtex16DONGHUA UNIVERSITY17公司及商品名公司及商品名称称DSM+ToyoboHoneywellMitsuiDyneemaSK 60Spectra900Spectra1000Spectra2000TekmilonITekmilonII拉伸强度拉伸强度/GPa3.03.03.53.83.32.8拉伸模量拉伸模量/GPa10085115135113102断裂伸长率断裂伸长率, %3.83.93.42.93.93.9DONGHUA UNIVERSITY18Filament Chopped Fiber Staple Fiber Spun Yarn

10、1、纤维的强伸特性 任何纤维都必须具有一定的强力才有使用价值，强力测定是最基本的项目。 表示强伸性能的指标都可从拉伸曲线上获得。 拉伸曲线（应力应变，或负荷伸长曲线）：l 表示纤维在拉伸过程中受力与变形的关系曲线l 拉伸曲线能反映出纤维的特征性能19DONGHUA UNIVERSITY20DONGHUA UNIVERSITY断裂强力 指试样拉伸至断裂所能承受的最大负荷，与试样受力面积有关。断裂伸长率 试样拉伸至断裂所增加的长度与标准预张力下试样夹持的初始长度之比。断脱伸长率 试样拉伸至完全断脱的伸长率。比强度 试样单位线密度的能承受的断裂强力。单位：/tex，c/tex，c/dtex初始模量

11、应力应变曲线起始部分斜率。单位：N/tex，cN/tex，c/dtex屈服点应力与应变 应力应变曲线中起始直线部分向延伸区过渡的转折点称为屈服点。相对应的应力与应变称为屈服点应力与应变。21DONGHUA UNIVERSITY环境温湿度试样长度拉伸试验速度试样预加张力22DONGHUA UNIVERSITY23DONGHUA UNIVERSITY 试样在一定预张力下，未拉伸时两夹持器之间的长度为试样初始长度。长度不同测试结果不同。初始长度增加，测得的强力与伸长减小。拉伸试验速度试样预加张力预加张力应使试样伸直而不伸长。24DONGHUA UNIVERSITY25 二、基体树脂及半成品分析二、基

12、体树脂及半成品分析聚合物基体（Polymer Matrix ）在复合材料中的作用有：v固结分散的增强体以形成复合材料整体和赋予制固结分散的增强体以形成复合材料整体和赋予制件形状、件形状、v保护增强体不受或少受环境的不利影响保护增强体不受或少受环境的不利影响. .v在复合材料受力时，向增强体传递载荷使它们发在复合材料受力时，向增强体传递载荷使它们发挥承力功能挥承力功能v决定复合材料的加工性能决定复合材料的加工性能DONGHUA UNIVERSITY26聚合物基体包括聚合物基体包括热固性树脂热固性树脂和和热塑性树脂热塑性树脂两类。两类。热固性热固性树脂树脂(thermosetting resin)

13、 ：v受热会软化，发生分子链的交联反应，这种固化受热会软化，发生分子链的交联反应，这种固化反应使其由线型转化为体型高分子结构，成为不反应使其由线型转化为体型高分子结构，成为不熔不溶状态。熔不溶状态。v上述为不可逆反应，冷却后再受热它不会变软和上述为不可逆反应，冷却后再受热它不会变软和熔化，强热则会分解破坏。熔化，强热则会分解破坏。v三种代表性的热固性树脂为：三种代表性的热固性树脂为：环氧树脂、不饱和环氧树脂、不饱和聚脂树脂、热固性酚醛树脂聚脂树脂、热固性酚醛树脂等。等。 DONGHUA UNIVERSITY27热塑性热塑性树脂树脂( thermoplastic resin)：v可以反复受热软化

14、（或熔化）和冷却凝固。可以反复受热软化（或熔化）和冷却凝固。v热塑性树脂是线型高分子化合物。热塑性树脂是线型高分子化合物。v以它为基体的复合材料能采用塑料加工的类似以它为基体的复合材料能采用塑料加工的类似工艺（如注射、模塑工艺（如注射、模塑）来加工。）来加工。v热塑性聚合物包括：热塑性聚合物包括：聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、热塑性酚醛树脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮热塑性酚醛树脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮等。等。DONGHUA UNIVERSITY28环氧树脂环氧树脂（Epoxy resin）出现于出现于20世纪世纪30年代年代，由瑞士的，由瑞士的Pierre Castam和美国的和美国

15、的 S.O.Greenlee首先合成首先合成. .于于40年代年代工业化。工业化。60年代年代以来，广泛用于碳纤维增强复合材料，是聚合物基复合材料以来，广泛用于碳纤维增强复合材料，是聚合物基复合材料最重要的最重要的基体基体环氧树脂的定义：环氧树脂的定义：环氧树脂是指含有环氧树脂是指含有两个或两个以上环氧基团两个或两个以上环氧基团（ CH CH2 ）的有机高分子化合物。的有机高分子化合物。 O环氧树脂分子结构中活泼的环氧基团可位于分子链的环氧树脂分子结构中活泼的环氧基团可位于分子链的末端末端、中间中间或或成为环状成为环状结构。结构。环氧树脂可与环氧树脂可与多种类型的固化剂多种类型的固化剂发生发生

16、交联反应交联反应，形成不熔不溶的、，形成不熔不溶的、具有三维网络结构的高聚物。具有三维网络结构的高聚物。DONGHUA UNIVERSITY 环氧树脂未固化前是热塑性线型结构，不能直接应用。必须向树脂中加入第二组分，在一定温度条件下发生交联固化反应才能生成可供使用的体型网状结构的高聚物。 所加入的第二组分称为固化剂，转变为固态的工艺过程称之为固化或硬化。 环氧树脂的固化过程一般依从下述三个途径：加入固化剂交联；环氧基团之问直接交联；环氧基团与芳香和脂肪羟基交联。29DONGHUA UNIVERSITY 环氧树脂的固化剂分为反应型和催化型两类。反应型固化剂可以与环氧树脂分子进行加成，并经逐步聚合

17、反应历程使它交联成体型网状结构。固化剂成为固化后环氧树脂网状结构的组成部分；催化型固化荆可以引发树脂分子中的环氧基按阳离子或阴离子聚合历程进行固化反应形成环氧基团之间的直接键合。两类固化剂都通过树脂分子结构中具有的环氧基或仲羟基的反应完成固化过程。 加入其他的固化荆也可使环氧固化，它们的反应过程目前尚不完全清楚，属于这类的固 化荆有：双氰胺、含硼化合物、金属盐类和多异氰酸酯等。 逐步聚合反应固化的固化剂包括：多元伯胺类，如脂肪族多元伯胺、芳香族多元伯胺； 多元羧酸酐类，如邻苯二甲酸酐；多羟基酚；聚酰胺。30DONGHUA UNIVERSITY 环氧树脂加人脂肪族多元伯胺的固化机制 连接在伯胺(

18、R-NH2)氮原子上的活泼氢与环氧基团反应生成仲胺。活泼氢使环氧开环并转移到开环的环氧基上形成羟基(-OH)。反应式为仲胺再与另一个环氧基团反应生成叔胺，反应式为反应物的羟基又与环氧树脂的环氧基团反应 二元伯胺与环氧树脂依上述两步聚合反应历程交联，形成复杂的体型高聚物。一个二元伯胺连接4个环氧基。反应式为31DONGHUA UNIVERSITY当环氧树脂分子变大后，氨基上的氢未必全部参加反应，但这并不妨碍体型结构的形成，叔胺形成的庞大树脂分子链产生巨大的位阻效应，减弱了进一步引发环氧聚合的作用。 常用脂肪族伯胺固化剂有脂肪族伯胺和芳香族伯胺。在室温条件下，脂肪族伯胺对双酚A型环氧树脂反应能力强

19、，能室温固化。固化体系的热变形温度(heat distortion temperature，HDT，指固化后能耐受变形的温度)较低，约为80120，可见此体系的耐温性不够好，这是因为脂肪族长链无苯环。但它具有双键，故柔曲性好。脂肪族伯胺固化剂包括：乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺等(表5 2)。实际上，只有乙二胺才能在常温下使环氧树脂固化完全。 32DONGHUA UNIVERSITY由于芳香族多元伯胺的氯原子上电子云密度降低而使其碱性较低，加之芳环的立体位阻效应，使环氧基团与芳香族胺的反应比与脂肪族胺的慢。同时，它们之中的大多数室温下均为固体，熔点较高。起始反应加成物在树脂中的溶解度较低，因此

20、固化时需要升温。由于稳定的苯环比较紧密地交联到固化结构之中，因此提高了它的耐热性与耐腐蚀性(HDT可提高4060)。重要的芳香族多元胺固化剂有：间苯二胺(简称MPDA)、4，4-亚甲基二苯胺(4，4MDA)、4，4二氨基二苯砜(简称DDS)、间苯二甲胺(简称MXDA)凡是可以促使环氧基团开环的物质对上述反应都有催化作用；凡是能游离出氢的物质都可以对上述反应进行催化。含醇羟基的胺比不含醇羟基的胺与环氧基团的反应要快。不含羟基的溶剂(例如丙酮)因为稀释了反应物将使反应减缓。 脂肪族多元伯胺与环氧树脂的反应一般不需要催化剂但不同的添加物会对反应有不同的效应，一系列质子给予体的物质对固化反应有加速作用

21、。例如含羟基的醇类和酚类、羟酸、磺酸以及环氧树脂本身分子链上脂族羟基等；而质子接受体的物质对固化反应有抑制作用例如酯类、醚类、酮类、腈类和芳烃等。其加速作用的程度依次是 酸类酚类水醇类腈类芳烃二氧六环二异丙醚33DONGHUA UNIVERSITY 脂肪族多元胺是通过氨基上的活泼氢与环氧树脂中的环氧基起反应。理论上，每一个活泼氢都可使一个环氧基打开。胺用量的含义是每100份(质量)树脂需用固化剂的质量份数。 胺用量的计算式为 胺用量=胺当量环氧值(g) 其中， 胺当量=胺的相对分子质量瞎中活泼氢的数目 例：环氧值为例：环氧值为0.51的二酚基丙烷型环氧树脂，用三乙烯四胺作的二酚基丙烷型环氧树脂

22、，用三乙烯四胺作固化剂，求胺用量。固化剂，求胺用量。 解：三乙烯四胺分子式为：H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 它的相对分子质量=18(H)+126(C)十144(N)=146 胺当量=1466=24.3 胺用量=24.30.51=12.4 (g)34DONGHUA UNIVERSITY35 定义：定义： 酚类酚类与与醛类醛类的的缩聚产物缩聚产物通称为酚醛树脂（通称为酚醛树脂（Phenolic Resins，简记为，简记为ph） 。一般常指由苯酚和甲醛经缩。一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。是最早发明的一类聚反应而得的合成树脂。是最早发明的一类热固性树热固性

23、树脂脂。 酚醛树脂的酚醛树脂的高温性能高温性能、不熔性不熔性( (infusibility) )、阻燃性阻燃性( (flame reterdance) )、突出的、突出的瞬时高温耐烧蚀性能瞬时高温耐烧蚀性能和广泛的和广泛的改性余地改性余地，是其获得广泛应用的原因。，是其获得广泛应用的原因。DONGHUA UNIVERSITY36OHOHCH3CH3OHH3COHOHHCHOHCOCHOOCHO 酚类主要是苯酚、甲酚、二甲酚、间苯二酚等 醛类主要是甲醛、乙二醛、糠醛等。 DONGHUA UNIVERSITY37DONGHUA UNIVERSITY 聚合反应中生成的一元、二元或三元取代物在加热条件

24、下，可以进一步脱水缩合，逐步生成长链状高分子 因为分子中含有活性基团羟甲基，如果继续加热，提高温度或在酸性催化家存在下，就会进一步缩合，交联生成坚硬不溶不熔的体型结构，这一过程称为“固化”38DONGHUA UNIVERSITY 一阶段（A阶段）：一阶段热固性酚醛树脂是体型缩聚控制在一定程度内的产物，在合适的反应条件下可促使体型缩聚继续进行，固化成体型高聚物 在这一阶段生成线型、支链少的低分子混合物，分子量较低，可溶，常温下具有流动性，加热后能变成B、C阶段 在一阶段树脂的凝胶点之前，可以用来浸渍增强纤维或编织物制成需要的形状，凝胶后制品基本定型，再进一步固化，可改善制品的理化性能39DONG

25、HUA UNIVERSITY 第二阶段（B阶段）：是由第一阶段树脂经过热处理或酸催化进一步缩聚而成，在加热时具有橡胶似的弹性，能拉成丝，不粘手，常温下不溶于乙醇和丙酮，仅能溶胀，或加热时部分溶解，是树脂固化的中间状态，具有加热变软的特点 第三阶段（C阶段）：是二阶树脂经过加热或酸催化进一步缩合成体型网状机构的树脂，属于不溶不熔的固体物质，是加热固化的最终状态40DONGHUA UNIVERSITY 一阶热固性酚醛树脂在加热条件下的固化反映非常复杂，不仅取决于温度，而且与原料结构、催化剂类型有关。热固化温度一般小于170，羟甲基酚缩合主要是酚核间形成次甲基键及醚键，释放下分子水；但温度升至或超过

26、200时，便开始更加复杂的第二阶段反映，主要是二苄基醚的进一步分解并有少量甲醛逸出，几乎没有水分。此时需加压（层压10-12MPa，模压30-50MPa） 影响热固化速率的因素：酸碱性、酚醛投料比、固化温度等41DONGHUA UNIVERSITY 一阶酚醛树脂（特别是用作粘合剂和浇注树脂时），使用中通常希望能在常温固化，为此可在酚醛树脂中加入合适的有机酸和无机酸作为固化剂。 常用的酸性固化剂有盐酸和磷酸（溶解在甘油或乙二醇中使用）、对甲苯磺酸、苯酚磺酸或其他磺酸42 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂（Unsaturated Polyester Resins，简记简记为为UPR或或UP）是由是由不

27、饱和二元羧酸不饱和二元羧酸（或酸酐）、（或酸酐）、饱和二元饱和二元羧酸羧酸（或酸酐）组成的混合酸与（或酸酐）组成的混合酸与多元醇多元醇缩聚而成的、具有缩聚而成的、具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。 通常，通常，聚酯化缩聚反应聚酯化缩聚反应是在是在190220进行，直至达到预进行，直至达到预期的酸值（或黏度）。期的酸值（或黏度）。 在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体乙烯基单体，配成黏稠的液体，这样的聚合物溶液称为不饱和聚酯树脂。配成黏稠的液体，这样的聚合物溶液称为不饱和聚酯树脂。 DONGHUA U

28、NIVERSITY43 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂（Unsaturated Polyester Resins，简记简记为为UPR或或UP）按化学结构分：邻苯二甲酸型（邻苯型）、）按化学结构分：邻苯二甲酸型（邻苯型）、间苯二甲酸型（间苯型）、双酚间苯二甲酸型（间苯型）、双酚A型、乙烯基酯型和卤代型、乙烯基酯型和卤代不饱和聚酯不饱和聚酯 按复合材料产品性能分：通用型、耐腐蚀型、耐热型、阻按复合材料产品性能分：通用型、耐腐蚀型、耐热型、阻燃型、耐气候型、高强型、胶衣树脂、燃型、耐气候型、高强型、胶衣树脂、SMCSMC和和BMCBMC专用树脂专用树脂以及其他类型专用树脂（如注射、以及其他类型专用树脂

29、（如注射、RTMRTM、拉挤工艺等）、拉挤工艺等）DONGHUA UNIVERSITY环氧值是环氧树脂的一个最重要的指标，它反映树脂分子中环氧基团含量和树脂与助剂反应的能力。 环氧值E定义为100g环氧树脂中环氧基团的物质的量。 环氧基是一个醚键形式，是一个三元环，具有张力和较高的比学活性，能与许多试剂发生加成反应导致三元环的破裂。环氧值就是根据它的这一性质进行测定并与空白试验对照而推算出来的。 测定环氧值常用的方法是利用环氧基与氯化氢的加成反应。最经典的方法是盐酸吡啶法盐酸吡啶法，通过加热回流吡啶溶解环氧树脂并使之与氯化氢反应。该方法可以适用于反应活性较低的环氧树脂(如300和400环氧树脂

30、等)，缺点是吡啶有较大的刺激气味且有毒性。后来采用盐酸盐酸丙酮法丙酮法避免了上述缺点，但丙酮对高相对分子质量的环氧树脂溶解性较差，使反应的时间较长。盐酸盐酸二氧六环法二氧六环法是较好的方法，反应可在室温下进行，且反应速度较快，只需15min便可完成。该方法的缺点是二氧六环价格高，有时还需脱水处理才能测量准确。溴化氢溴化氢醋酸溶液法醋酸溶液法是一种快速而简便的方法，曾被订为美国ASTM D1652标准试验方法。但此法不足之处是溴化氢易挥发，配制的标准溶液浓度易变化。1964年RR杰伊创立高氯酸高氯酸四乙基溴化铵非水滴定法四乙基溴化铵非水滴定法，建立了测定环氧值最理想的方法，并被定为IS03001

31、国际标准。利用环氧基在近红外区的特征吸收峰与已知环氧值树脂的吸收峰进行比较也可粗略估计北侧树脂的环氧值。441 环氧值的测定455 酚醛树脂凝胶时间、挥发分、树脂含量和固体含量测定46热固性树脂性能测试5 酚醛树脂凝胶时间、挥发分、树脂含量和固体含量测定47热固性树脂性能测试6 环氧树脂热固化制度的制定方法试验48496 环氧树脂热固化制度的制定方法试验5051热固性树脂性能测试6 环氧树脂热固化制度的制定方法试验52热塑性树脂性能测试1 密度测试532 熔点和软化点测定54热塑性树脂性能测试2 熔点和软化点测定55热塑性树脂性能测试3 熔融指数（MI/MFR）测定56热塑性树脂性能测试3 熔

32、融指数（MI/MFR）测定57热塑性树脂性能测试4 熔体流变性能测试 毛细管流变仪、锥板流变仪毛细管流变仪、锥板流变仪5 热稳定性测试一 表面及界面的概念二 表面张力的定义及含义三 表面张力的测量（溶液的表面吸附及吸附分子横截面积）四 固-液界面的浸润状态(接触角)五 接触角的测量六 临界表面张力及界面张力七 界面粘接性能八 BET法测比表面积九 表面化学组成分析一SEM 多相体系中相之间存在着界面. 习惯上：气（空气）-液相的界面称之为液体的表面；气（空气）-固相的界面称为固体的表面. 在复合材料体系中，未复合前的增强材料（纤维）和基体树脂都有各自的表面，他们的表面状态和表面性质直接影响到复

33、合后两相之间的粘接力. 一旦形成复合材料，增强材料和基体树脂的结合状态（界面性能）是决定复合材料使用性能的关键因素. 表示材料表面性质的指标主要是表面张力，特定液体在特定固体表面浸润情况（接触角），固体表面的化学元素组成（XPS），两固相之间的界面粘接强度等。1.1. 定义定义l形成单位面积液体表面时所消耗的功（J/m2）l将液体表面相邻两部分展开单位长度的力（N/m）l促使液体表面收缩的力叫表面张力1. 毛细管中液柱升高法 （低粘度）2. 圆环提拉法 （低粘度）3. 最大气泡压力法 （中粘度） 4. 滴重法 （高粘度）5. 纤维或颗粒状填料的表面张力 由液柱所受表面張力的总和与液柱的重量靜力

34、平衡考虑弯月面下体积V时：片状吊环在液膜拉破前瞬间传感器受到的拉力片状吊环在液膜拉破前瞬间传感器受到的拉力F1和和输出电压输出电压U1成正比，有：成正比，有：U1 = BF1。所以电压变化。所以电压变化可指示力的变化。可指示力的变化。圆环法提出浸入某种液体中的金属丝环所需的力LrRf)(4L液体的表面张力系数，N/cm；f 将环提拉离开液体时所需的力，N；R环的圆内半径，cm；r 环丝的半径，cm。XJZ-200全自动界面张力仪全自动界面张力仪)(4rRfFLF 校正因子，与液体悬挂体积V以及 圆环尺寸有关。参考书P811.底座及调节螺丝底座及调节螺丝 2.升降调节螺母升降调节螺母 3.培养皿

35、培养皿 4.金属片状圆环金属片状圆环 5.硅压阻式力敏传感器及金属外壳硅压阻式力敏传感器及金属外壳 6.数字电压表数字电压表圆环法提拉法实验仪器原理（1）实验装置实验装置3. 最大气泡压法测表面张力最大气泡压法测表面张力P=2 /R是液体的表面张力R是毛细管半径Pmax =Pr =P0 -Pr =2 /R 测试原理：测试原理：参见书P83 将被测液体装于测定管中将被测液体装于测定管中,使玻璃管下端毛细管面与使玻璃管下端毛细管面与液面相切液面相切,液面沿毛细管上升液面沿毛细管上升,打开抽气瓶的活塞缓缓打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气放水抽气,测定管中的压力测定管中的压力P逐渐减小逐渐减小,毛细管压力

36、毛细管压力P0 就会将管中液面压至管口就会将管中液面压至管口,形成气泡形成气泡,其曲率半径由大其曲率半径由大而小而小,直至恰好等于毛细管半径直至恰好等于毛细管半径R时时,根据拉普拉斯公式根据拉普拉斯公式,这时能承受的压力差也最大这时能承受的压力差也最大: 则则:=(R/2)gh=Kh 最大压力差可用最大压力差可用U型压力计中最大液柱差型压力计中最大液柱差h来表示，或数字压力计读出。来表示，或数字压力计读出。K为仪器常数为仪器常数,可以用已知表面张力的物质测定。可以用已知表面张力的物质测定。 注：= 恒温装置恒温装置 一套一套 烧杯（烧杯（25 ml25 ml） 一个一个 带有支管的试管（附木塞

37、）带有支管的试管（附木塞） 1 1支支 毛细管（半径为毛细管（半径为0.15mm0.20mm)10.15mm0.20mm)1根根 容量瓶（容量瓶（50ml)850ml)8支支 数字式微压差测量仪数字式微压差测量仪 1 1台台低真空测压仪低真空测压仪滴液漏斗滴液漏斗支管试管支管试管毛细管毛细管（1）安装仪器： 洗净仪器并按图装置，对需干燥的仪器作干燥处理； （2）分别配制002mol/L，0.05molL，010molL，015molL，0.20molL，025molL，030mol/L，035mol/L乙醇溶液各50mL；（3）调节恒温为25。（4）仪器常数测定）仪器常数测定 以以蒸馏水蒸馏水

38、作为待测液测定其仪器常数。作为待测液测定其仪器常数。 将干燥的毛细管垂直地插到使毛细管的端点刚好与水面相将干燥的毛细管垂直地插到使毛细管的端点刚好与水面相切，打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡，速切，打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡，速度约为度约为5s5s10s110s1个。在毛细管口气泡逸出时读出个。在毛细管口气泡逸出时读出U U型管两边液型管两边液面最大高度差面最大高度差 可读三次，取其平均值。通过手册可读三次，取其平均值。通过手册 查出实验温度时水的表面张力，利用公式查出实验温度时水的表面张力，利用公式 求出仪器常数求出仪器常数K K。 maxhmax/hK 注

39、：=（5）待测样品表面张力的测定：用待测溶液洗净试待测样品表面张力的测定：用待测溶液洗净试管和毛细管，加入适量样品于试管中，按照仪器常数管和毛细管，加入适量样品于试管中，按照仪器常数测定的方法，测定不同待测样品的测定的方法，测定不同待测样品的 计算其计算其表面张力表面张力 。 maxh =Kmaxh 接触角的示意图接触角的示意图：lsgANM s-l s-g l-g lsgANM s-l s-g l-g 接触角大于接触角大于90，液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面，液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面接触角小于接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面

40、coss gs ll gYoung方程方程:lsgANM s-l s-g l-g coss gs ll gOCA 接触角接触角的测量（自动分析仪的测量（自动分析仪） 抓拍液滴图象 确定基线 确定液滴外型轮廓 选取适当的计算方法拟合液滴外型曲线，计算接触角t = 60 sect = 300 sect = 0 sec 可选择不同速率拍摄接触角随时间的变化可选择不同速率拍摄接触角随时间的变化 全自动完成所有数据处理过程，轻松一键即可对上全自动完成所有数据处理过程，轻松一键即可对上千张图像进行连续计算，得出精确结果千张图像进行连续计算，得出精确结果coss gs ll gYoung方程方程:sampl

41、e water alcohol PBO 71.437.21.5%-SPBO66.330.63%-SPBO 64.3 23.1 dp 水和乙醇的表面自由能参数Contact mediumAlcohol23.719.34.4Water72.119.952.2dp(Sd)1/2(Ld)1/2(Sp)1/2(Lp)1/2LL+1+ cos = 2不同已知表面张力不同已知表面张力v v的液体在固体表面浸润时，的液体在固体表面浸润时，与固体的接触角余弦（与固体的接触角余弦（ coscos ）与液体表面）与液体表面张力呈线性关系，当每条直线外推至张力呈线性关系，当每条直线外推至=0=0时所时所得到的表面张力

42、基本相同，此表面张力称为固得到的表面张力基本相同，此表面张力称为固体的临界表面张力体的临界表面张力c c一般情况下，一般情况下， c c= = s s可以利用同系列具不同可以利用同系列具不同v v的液体，在固体表面的液体，在固体表面浸润后，求固体的表面张力（教材浸润后，求固体的表面张力（教材P95P95）. .当当v v s s时，液体能在固体表面扩展。时，液体能在固体表面扩展。更多内容参见更多内容参见94-9994-99Schematic drawing of microbond pull-out testFdl: fiber diameter : embedded fiber length

43、Fdl: interfacial shear strength : pull-out force 界面剪切强度的定义：PBO/Epoxy CompositeSPBO/Epoxy Composite复合材料微球的制备复合材料微球的制备0.01.53.04.56.0024681012141618 interfacial Shear Strength/(MPa)Contant of Sulfonate Salt /(%) PBO SPBO P-SPBO40k50k60k70k80k90k354045505560657075 Eembedded Area(m2)Force(CN)40k50k60k70

44、k80k90k505560657075Force(CN)Eembedded Area(m2) PBO fibers/epoxy composites SPBO fibers/epoxy composites数据处理数据处理 复合材料在外加载荷作用下，或者在载荷、加载速率和环境因素的联合作用下表现出的行为，称为复合材料的力学行为。 复合材料的力学性能指：复合材料在力的作用下，所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能。 拉伸 压缩 弯曲 剪切 冲击 硬度 摩擦 磨耗 拉伸强度 伸长率 拉伸弹性模量 泊松比tPbhP：破坏（或最大）载荷；b：试样宽度；h：试样厚度tLbL0100Lb

45、：破坏（或最大）时的伸长量；L0：测量标距EtL0PbhLP：载荷-变形曲线上初始直线段的载荷增量；L：与载荷增量P对应的变形增量211、2：载荷增量P对应的纵向应变和横向应变 压缩强度 压缩弹性模量 长细比的概念cPFP：破坏（或最大）载荷；F：试样横截面积EcL0PbhLP：载荷-变形曲线上初始直线段的载荷增量；L0：测量标距；L：与载荷增量P对应的变形增量hi,i ISh：试样高度；i：最小惯性半径；I：横截面的最小主惯性矩；S：试样横截面积压缩试验是基于在常温下对标准试样两端施加均匀的、连续的轴向静压缩载荷，直至破坏或达到最大载荷时，求得压缩强度和压缩弹性模量等性能参数。对测定压缩强度

46、的试样，一般长细比取10；若试验中发现有失稳现象，长细比可减小到6。测定压缩弹性模量时，长细比取15或根据测量变形的仪表而定。 弯曲强度 弯曲弹性模量f3Pl2bh2P：破坏载荷（或最大载荷，或挠度为了1.5倍厚度时的载荷）；l：跨距；b, h：试样厚度Efl3P4bh3fP：载荷-挠度曲线上初始直线段的载荷增量；f：与载荷增量P对应的跨距中点处的挠度增量弯曲试验中试样的受力状态比较复杂，有拉力、压力、剪力、挤压力等，因而对成型工艺配方、试验条件等因素的敏感性较大。弯曲性能包括弯曲强度、弯曲弹性模量、规定挠度下的弯曲应力、弯曲载荷-挠度曲线等。 摆锤式冲击试验(简支梁式和悬臂梁式) 落球式冲击

47、试验 高速拉伸冲击试验 冲击试验是用来衡量复合材料在经受高速冲击状态 下的韧性或对断裂的抵抗能力的试验方法。复合材料的特点之一是层间剪切强度低，并且层间剪切形式复杂，有单面剪切、双面剪切、拉伸剪切、压缩剪切、弯曲剪切等。在受剪面上，往往受的不是一个单纯的剪力而是复合力。 巴氏硬度 邵氏硬度 材料硬度是表示抵抗其它较硬物体的压入性能，是材料软硬程度的有条件性的定量反映。通过硬度的测量还可间接了解其它力学性能，如磨耗、拉伸强度等；还可用来估计热固性树脂基体的固化程度。 在试样上施加一正压力，测定使物体刚要运动瞬间和匀速滑动时的力，即可计算出两物体间的静摩擦系数和动摩擦系数。sAsmgAkmgs、：

48、静、动摩擦系数；As：滑块与平板产生相对滑动时的起始负荷；Ak：滑块与平板产生均匀滑动期间的起始负荷；m：滑块质量；g：重力加速度氧化磨耗热磨耗研磨磨耗点蚀磨耗摩擦表面发生的现象：摩擦表面破坏的原因：粘着磨耗磨粒磨耗腐蚀磨耗表面疲劳磨耗 线性磨耗率 体积磨耗率 能量磨耗率 质量磨耗率 磨耗度 抗磨粒磨耗系数KLhLh：分离层厚度；L：滑动距离KVVLAaV：分离层体积；Aa：表观面积KEVFLF：摩擦力KWWLAaW：分离层质量r AA：磨粒磨耗因数；：滑动摩擦系数A 线膨胀系数线膨胀系数 导热系数导热系数 平均比热平均比热 马丁耐热与热变形温度马丁耐热与热变形温度 温度形变曲线温度形变曲线

49、电阻系数电阻系数 介电系数和介电损耗角正切介电系数和介电损耗角正切 击穿电压、击穿强度和击穿电压、击穿强度和耐电压耐电压 耐电弧耐电弧 温度指数温度指数 折射率折射率 透光率和雾度透光率和雾度 光泽度光泽度 稳定性稳定性 热膨胀热膨胀 物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的衡量材料的热稳定性热稳定性好坏的一个重要指标好坏的一个重要指标。 如两种不同金属的焊接，玻璃仪器的焊接加工，在电真空工业和仪器制造工业中广泛地将非金属材料（玻璃、陶瓷）与

50、各种金属焊接，也要求两者有相适应的热膨胀系数。如果选择材料的膨胀系数相差比较大，焊接时由于膨胀的速度不同，在焊接处产生应力，降低了材料的机械强度和气密性，严重时会导致焊接处脱落、炸裂、漏气或漏油。夏季高温天气由于热膨胀导致铁轨弯曲和火车出轨 线膨胀系数线膨胀系数材料材料的热膨胀系数的热膨胀系数 材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为称为热热膨胀膨胀。热膨胀通常用热膨胀系数表示。热膨胀通常用热膨胀系数表示。 物质的热膨胀是由原子的非简谐（非线性）振动引起的物质的热膨胀是由原子的非简谐（非线性）振动引起的。 由于总有内能存在，物质的由于总有内能存在，物

51、质的每个原子每个原子都在振动。都在振动。 当物质受热时，由于温度升高，当物质受热时，由于温度升高，每个原子每个原子的热能增大，的热能增大，导致振幅也随之增大，由（非简谐）力相互结合的两个原导致振幅也随之增大，由（非简谐）力相互结合的两个原子之间的距离也随之增大，物质就发生膨胀子之间的距离也随之增大，物质就发生膨胀。线膨胀系数线膨胀系数（L）： 在在实际工作中一般都是测定材料的线热膨胀系数。所实际工作中一般都是测定材料的线热膨胀系数。所以对于普通材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数。以对于普通材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数。 线膨胀系数线膨胀系数是指温度升高是指温度升高1后，物体的相对伸长

52、后，物体的相对伸长。 设试体在一个方向的长度为设试体在一个方向的长度为L L 。当温度从。当温度从T T1 1上升到上升到T T2 2时，长度也从时，长度也从L L1 1上升到上升到L L2 2 ，则平均线膨胀系数，则平均线膨胀系数 设试体为一立方体，边长为设试体为一立方体，边长为L 。当温度从。当温度从T1上升到上升到T2时，体时，体积也从积也从V1上升到上升到V2 ，体膨胀系数，体膨胀系数由于由于膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。取一级近似：膨胀系数一般比较小，可忽略高阶无穷小。取一级近似： = 3在在测量技术上，体膨胀比较难测，通常应用以上关系来估算测量技术上，体膨胀比较难测，通常应

53、用以上关系来估算材料的体膨胀系数材料的体膨胀系数，已足够精确。，已足够精确。体积膨胀系数体积膨胀系数（V）： 相当于温度升高相当于温度升高1时物体体积的相对增大值。时物体体积的相对增大值。材料材料热膨胀系数的检测热膨胀系数的检测方法方法 测定测定无机非金属材料热膨胀系数常用：千分表法、热机械无机非金属材料热膨胀系数常用：千分表法、热机械法（光学法、电磁感应法）、体积法法（光学法、电磁感应法）、体积法 等等。 它们它们的的共同点共同点都是试样在加热炉中受热膨胀，通过顶杆将都是试样在加热炉中受热膨胀，通过顶杆将膨胀传递到检测系统。不同之处在于检测系统。膨胀传递到检测系统。不同之处在于检测系统。 千

54、分表法千分表法是用千分表直接测量试样的伸长量。是用千分表直接测量试样的伸长量。光学热机械法光学热机械法是通过顶杆的伸长量来推动光学系统内的反射镜是通过顶杆的伸长量来推动光学系统内的反射镜转动经光学放大系统而使光点在影屏上移动来测定试样的伸长转动经光学放大系统而使光点在影屏上移动来测定试样的伸长量。量。电磁感应热机械法电磁感应热机械法是将顶杆的移动通过天平传递到差动变压器，是将顶杆的移动通过天平传递到差动变压器，变换成电讯号，经放大转换，从而测量出试样的伸长量。变换成电讯号，经放大转换，从而测量出试样的伸长量。 根据根据试样的伸长量就可计算出线膨胀系数。试样的伸长量就可计算出线膨胀系数。 材料导

55、热系数的测定方法有材料导热系数的测定方法有 稳定热流法稳定热流法 和和 非稳非稳定热流法定热流法 两大类。每大类中又有多种测定方法两大类。每大类中又有多种测定方法。热容：物体的温度每升高1K所需的热量。比热（容）：单位质量的物质温度每升高1K所需的热量，常分定压比热与定容比热11PPVVdQcm dTdQcm dT定压加热时，材料要对外界作功，所以一般有Cp Cv，它们间的关系为： 2PVVTcc式中：为体膨胀系数，为压缩系数 各类材料当温度升高时，其在负荷作用下的形变量均会增加，但增加的幅度不尽相同。因此测出变形能力的大小对于确定材料的软化温度、使用范围、使用条件是非常重要的。 软化温度o

56、定义：在某一指定试样大小、升温速度、施外力方式等条件下，测定试样达到一定形变时的温度。o 软化温度的使用价值：产品质量控制、成型加工和应用的参数之一。o 软化温度的表示方法：热变形温度，维卡耐热温度根据根据GB/T 1634-2004 、 ASTM1525 标准要求标准要求,可对塑料、尼龙、橡可对塑料、尼龙、橡胶等高分子材料进行热变形温度和维卡软化点的测试。胶等高分子材料进行热变形温度和维卡软化点的测试。一般来说，标准规定了使用不同恒定弯曲应力值测定塑料、硬橡胶、一般来说，标准规定了使用不同恒定弯曲应力值测定塑料、硬橡胶、长纤维增强复合材料等的负荷变形温度方法：长纤维增强复合材料等的负荷变形温

57、度方法：o 使用使用1.80MPa弯曲应力的弯曲应力的A法；法；o 使用使用0.45MPa弯曲应力的弯曲应力的B法；法；o 使用使用8.0MPa弯曲应力的弯曲应力的C法。法。 标准ASTMGBASTM试样尺寸mm120136.35120151010103应力大小0.46MPa 1.82MPa 0.45MPa 1.80MPa1kg5kg应加砝码*185g1187g550g2600g853g4853g加荷方式支点跨距为100mm中点加荷截面积1mm2圆形针加压升温速率120 /h50 /h or 120 /h 温度确定形变达0.25mm形变达0.21mm针压入1mm热变形温度测定用压头热变形温度测定用压头维卡耐热温度测定用压针维卡耐热温度测定用压针热变形温度测定用压头热变形温度测定用压头安装维卡耐热温度压针安装维卡耐热温度压针注：热变形温度测定和维卡耐热温度测定的步骤中，选定标准、安放注：热变形温度测定和维卡耐