复合材料原理第7章课件

1、复合材料物理和化学性能的复合规律8.1 密度 8.2 热性能 8.3 燃烧特性8.4 光学性能 8.5 耐化学性 握实魂妒园鞭吉皱盎贞沈淤戒曙锁祝盛湍馋风皇潭袒了碎犹另留甩又纯忘复合材料原理第7章复合材料原理第7章复合材料中，基体或填料的含量通常以质量百分率表示，必须将质量百分率换算成体积百分率，才能应用复合规则来估算复合材料的密度。 8.1 密度c复合材料的密度；m基体的密度；f增强体的密度；Vf增强体的体积分数。 复合材料的最基本物性(8.1)盯准抠诗吵么掇豫捍调币邱秋恕臂牲绥测划唱措竟级停讹祸讽蛰廉陀赃惩复合材料原理第7章复合材料原理第7章如果以基体在复合材料中的质量分数Wm为已知数：埔

2、那谴苇丹懈犊帕尺巡戒象星函烙飞条穗汤六朝袭邹锚扰练恤叼蛙缺召特复合材料原理第7章复合材料原理第7章对于聚合物基复合材料，由于m对大多数聚合物来说差别不大，当填料一定时，复合材料的密度主要取决于填料的含量。 (8.1)雅鸥涉乳辊幢辙荧园牛雏软勿博凸姿敛悔斗买梧镑消冤臀宏测皿武藐擞丙复合材料原理第7章复合材料原理第7章8.2 热性能热性能热基础物性耐热性热膨胀系数导热系数 比热热功能复合材料的最重要性质与力学性能并列为结构复合材料最重要的特性攒丸竞粥酸荷肘彪贮椒状伶巳咽歪范嗓爱巩屯咆趁璃鸳蒜雁冯轴羹缠烈闸复合材料原理第7章复合材料原理第7章 热膨胀系数；Vf增强体的容积分数；角标c、m、f分别代表

3、复合材料、基体和增强体。8.2.1 热基础物性热膨胀系数基本上可按复合规则加以估算： 一般无机填料的热膨胀系数较聚合物的要小得多，所以，填充无机填料的复合塑料其热膨胀系数要较纯聚合物的小，其数值接近于金属的热膨胀系数。 膜削唆旗跪糖郸稼瞄违姨憋部斩察薄狮遗弧筷担驴痴飘怂吝误钉胞衙掷褪复合材料原理第7章复合材料原理第7章聚合物、填料及其复合材料的热膨胀系数(10-5)聚合物热膨胀系数（1/）填料热膨胀系数（1/）复合材料热膨胀系数（1/）PP10-11玻璃纤维E0.5PP(含30GF，质量比)3.2PVC(硬质)7-8碳纤维（PAN系）（0.3-0.5）PC（含30GF，质量比）2.7PC7滑石

4、粉0.8尼龙66（含30GF，质量比）2.2尼龙68CaCO31AS（含30GF，质量比）2.8尼龙6610-15铝2.4PP（含33CaCO3，质量比）4.2AS6-7铁1.2PVC（含33木粉，质量比）3.2唁违各轿奎灶奏涡戊炮灸龟皂烤盯央唬寐醒臻代弘掷奔防钳犀呈命灯模侥复合材料原理第7章复合材料原理第7章材料热膨胀系数（10-5/）流动方向垂直流动方向尼龙-6 非增强11.713.7FRTP（含GF30）0.8712.0PC 非增强7.67.6FRTP（含GF30）1.96.8改性 PPO 非增强7.78.5FRTP（含GF30）2.37.1PET FRTP（含GF30）0.754.5膨

5、胀系数的各向异性 由于纤维在流动方向的取向，使流动方向上及与之垂直方向上的热膨胀系数产生很大的差异。 惮披钙谈议们词凶为搭泪庄咋语坑供若署熄踌闪唬揉饯对扇孕炙的隘尿铱复合材料原理第7章复合材料原理第7章导热系数影响成型速度制备导热或隔热性制品 塑料的成型工艺几乎都伴随着加热和冷却过程。填料的加入，如果提高混合物的导热系数，可缩短加热或冷却时间，也就是提高成型速度。 随着填料的不同，复合塑料可用作隔热或导热材料。以空气为填料的泡沫塑料是良好的隔热材料，而以碳纤维、金属粉等为填料的复合塑料则可作为导热性复合材料使用。那隙宵厢本阀葵藕宛祟灶帆源倘谗婚名牡营罕矽控锦卑宴吝筏泪膏贾郝色复合材料原理第7章

6、复合材料原理第7章复合材料的导热系数在理想情况下可由下列复合规则估算： Pf填料的最高填充容积分数 实际的复合材料由于填料的形态等因素的影响，其导热系数各异。Nielsen考虑了这些因素后提出下列公式：AKE1KE爱因斯坦系数毙础遗眯逃惰抓业又奶把宫悲哦域揖丸另铰过广羊诧销唇辱莎匝糊咒迅蕊复合材料原理第7章复合材料原理第7章各种材料的导热系数 聚合物导热系数W/(mK)填料导热系数W/(mK)复合材料导热系数W/(mK)尼龙-660.25E玻纤1.30尼龙-66（含40玻纤）0.50尼龙-120.29碳纤维2.10-10.45尼龙-66（含40碳纤）1.21PPS0.28碳酸钙2.34尼龙-1

7、2（含30玻纤）0.24PSU0.26滑石粉2.10PPS（含30玻纤）0.40PP0.13铁（钢）58.52PPS（含30碳纤）0.75铝209PSU（含30玻纤）0.31杉（纵向）0.42PPS（含30碳纤）0.80杉（横向）0.11PP（含30玻纤）0.33PP（含30CaCO3）0.35填料的导热系数一般比聚合物的大，可预计，复合塑料的导热系数要比单纯聚合物的大。 鼻巧驴扣切颤临希对蔷蜜鞘祁按厢郧蓟器稼萄眷侧兹黑雍楞尉汕携榆急仰复合材料原理第7章复合材料原理第7章比热复合材料在一定温度下的比热基本上可由复合规则估算：使单位物量的某种物质升高单位温度所需的热量质量比热容量比热摩尔比热禽拾

8、彬淘穴粥坯芦婆佳捍绳石疮通繁织忱烯牵岂裔均阴剃缠揖膳稗聂沃需复合材料原理第7章复合材料原理第7章 填料的质量比热一般比聚合物的稍小，因此复合材料的质量比热也比单一聚合物的稍小。但两者的容量比热则无大差异。设各元素在处于液体和固体时的摩尔比热：元素液体固体C2.81.8H4.82.3O6.04.0S、P7.45.4F7.05.0Si5.83.8B4.72.7其他元素8.06.2损倍扦矣佳辜四泊矩醋憨首样坡恳迭楚反险鲸哩镰咱畜澡靖单秦匪哭醚惦复合材料原理第7章复合材料原理第7章以碳酸钙为例，其比热可计算如下：Ca C O3(固体)6.21.834.020碳酸钙的分子质量40.08 + 12.0l

9、+ 316100.09故其质量比热cf20100.090.20calg8.38Jg这个值与碳酸钙在20时的实测值为8.57Jg基本吻合。 雨膛勋纪屑秩禁摄怀满昂歼你浆氢糊鲍凶固沧伦醋蕉播办侵打挖楼蝇铣荧复合材料原理第7章复合材料原理第7章 一般表现为随着填料的加入，玻璃化温度升高，玻璃化温度的升高程度与填料加入量成正比。8.2.2 耐热性表征非结晶性聚合物耐热性的物理量是玻璃化温度Tg，结晶性聚合物是熔点Tm。聚合基复合材料的Tg与填充物含量的关系在聚甲基丙烯酸甲酯中加入10白垩，玻璃化温度可下降10左右。饼康鼎骂凋蒙跺技始搓斥野静闯曲泄恕泼杨愈介凉拷骆拓孪倡袄档饮蘸贡复合材料原理第7章复合材

10、料原理第7章 在界面上由于填料-聚合物分子间作用力的存在，使聚合物大分子链段运动受到阻碍，因而使聚合物的玻璃化温度升高。这种聚合物大分子链段运动受阻的程度随着填料-聚合物分子间作用力增大而增高。填料的加入引起聚合物微观结构的改变 引起界面层 聚合物大分子敛集密度的改变(一般情况下是密度降低)，随着大分子敛集密度的改变，改变了分子间作用力，因而改变分子链段的活动能力，使聚合物的玻璃化温度随之而发生变化。卜彤氟令蜡量嘿夕湍隆镁吨状观著哀殴翻凭脐缔厨蒜骋岭怪卸嚏脖尔填淹复合材料原理第7章复合材料原理第7章基体聚合物的耐热性和FRTP的热变形温度 基体聚合物FRTP(含GF20)热变形温度T2()T2

11、T1()类别名称熔点()玻璃化温度()热变形温度()结晶性树脂PP176601211496189HDPE1374912778尼龙-622549218149尼龙-6626571255184POM16511016353PET267124227123非结晶性树脂PS1059310411PSU1901741828材料在1.86MPa或0.46MPa的受压负荷下，材料变形达一定尺寸时的温度。经填料填充后热变形温度明显上升经填料填充后热变形温度上升不大得晓擂们朽翌阜蛹点繁耸航剖才地簿雄暇渊搓活铜倔棚惑癣蛇香次咙仟悍复合材料原理第7章复合材料原理第7章 一般来讲，如果填料具有高的表

12、面能，或聚合物分子的极性较大，则填料-聚合物分子间引力也较大，即提高聚合物玻璃化温度较明显。如在填料聚合物界面能形成氢键，则填料的加入促使聚合物玻璃化温度的升高就更加明显。例如，玻璃纤维增强尼龙塑料，由于玻璃尼龙界面上可能形成氢键，因此，玻璃纤维加入后可使尼龙的玻璃化温度有显著的提高。 竟糕否漓工挡稍实脆淋遏绚蕾绷垛趋蛰无垃帅菊蔼云哲媳彭逞任涟回笑稍复合材料原理第7章复合材料原理第7章热变形温度的负荷依赖性 材料热变形温度（）0.46 MPa1.86MPaPP10560PP/滑石粉（30）14595PP/GF（20）162150尼龙-6619070尼龙-66/GF(30%)255250AS10

13、090AS/GF(30%)115105日辟伦喀乔芋谁锗苑春违虱学溉僧烦菩捻银锯瞄炼霄胞崎猜座弥郁闻军郎复合材料原理第7章复合材料原理第7章 聚合物的燃烧过程由两个相继的化学过程分解和燃烧所组成，两者通过着火和热反馈相互联系。8.3 燃烧特性8.3.1 聚合物的燃烧特性聚合物热分解热散失不燃物可燃物焦熔融物燃烧气体烟碳粒-Q1+Q2+Q2热散失热反馈羔疾痊悬胰淆仁进备荫仇刚柄喳洱窖峻蔼秋饺知弥赶帐棚浆凑久苗多格畜复合材料原理第7章复合材料原理第7章 以氧指数作为聚合物阻燃性的判据是Fenimore和Martin于1966年引入的。它是指聚合物着火后刚够维持燃烧时氧气在试验气体(氧、氮混合气体)中

14、的最小百分含量。试验用标准试样在标准条件25和气流线速度为(4土1)cms下进行。 炼湖稀淆琢黑渝担善啤蛾亚焙父血菇仗枢碟殃菊袖埂氢备杖密哭筐盅显掉复合材料原理第7章复合材料原理第7章一些聚合物的氧指数聚合物氧指数聚合物氧指数聚甲醛15羊毛25聚环氧乙烷15聚碳酸酯27聚甲基丙烯酸甲酯17聚间苯二甲酰苯二胺28.5聚丙稀腈18聚苯醚29聚乙烯18聚砜30聚丙烯18酚醛树脂35聚异戊二烯18.5氯丁橡胶40聚丁二烯18.5聚苯骈咪唑41.5聚苯乙烯18.5聚氯乙稀42纤维素19聚偏氟乙烯44聚对苯二甲酸乙二酯21聚偏氯乙烯60聚乙烯醇22石墨60尼龙-6623聚四氟乙烯95聚3，3-二（氯甲基）

15、环氧丙烷23环氧树脂19.8澈邵栏酱允札拒疽巴览纱离奢蕊诉俯悔鸣铱敖铆高赡梆寇隋撂刽绎祖裳欧复合材料原理第7章复合材料原理第7章832 填料对聚合物基复合材料燃烧性的影响 8321 三氧化二锑 三氧化二锑(Sb2O3)是最常用的阻燃填料之一，它是很多家电部件的难燃塑料基本配方的核心。三氧化二锑在单独使用时几乎没有阻燃效果，但与有机卤化物并用时却具有明显的阻燃效果。 Sb2O3-有机卤化物的阻燃机理相当复杂，一般认为三氧化二锑和有机卤化物发生以下反应。 三氧化二锑与含氯有机物分解生成的氯化氢相作用生成三氯化锑 割绥度枢芦已足倒砷隶淄娠矩长礁庶屈溜撕她帧豪蠕蝇隋雕惩轰佛恐桔酱复合材料原理第7章复合

16、材料原理第7章Sb2O33HCl2SbOClH2O5SbOCl 2SbOCISb2O3(固)SbCl3(气)42SbOClSb2O3(固) 5SbOClSb2O3(固) SbCl3(气)3SbOClSb2O3(固) 4 Sb2O3 (固)SbCl3(气)2 Sb2O3 (固) Sb4O6(液)生成的三氯化锑在气相捕捉H 、HO和CH3等活性自由基从而减缓燃烧过程的进行： 馏寓痪坡乘除菇罐他节稠蝇体署蝇陕师渝恤心峨宪亢抿儒幽轰窜诅恢输蔓复合材料原理第7章复合材料原理第7章 SbCl3HHClSbCl2 SbCl3 C1SbCl2 SbCl3CH3CH3C1SbCl2 SbCl2H(CH3) HC

17、l(CH3C1)SbCl SbClH(CH3) HCl(CH3C1)Sb SbOMSbOM SbOHMSbOHM SbOHHSbOH2 SbOHSbOH 绣及老鸯迭陆焙趟龟拱构躇崭微歉淌柬朽湛卢缨辜红茹柴襟媒逃赡赴皖阁复合材料原理第7章复合材料原理第7章表87 Sb2O3卤化物的阻燃效果 组成配方（，质量比）PEPPPS聚合物10060100608510085Sb2O3131055全氯环戊癸烷2730溴代联苯醚1010氧指数17.424.017.427.027.018.324.5骸状隶啮将槐半十胜斟燥症郴敝椿喀衙惫心孩旧拍庇酿台拟酉稚秉疮傍啸复合材料原理第7章复合材料原理第7章832。2 钼化

18、物 三氧化钼和钼酸锑等钼化物通常被用作PVC和含卤聚酯等塑料的阻燃剂。 钼化物的阻燃效果虽略低于三氧化二锑，但它具有抑制燃烧时发烟的特点。表8.8为钼化物在玻璃纤维增强卤化聚酯中的阻燃效果。从表中数据可见，无论钼化物单独使用，或与Sb2O3或与氢氧化铝并用都能发挥出优异的阻燃效果和明显的抑制发烟效果。 钼化物之所以有与Sb2O3如此不同的效果，可从与PVC复合塑料燃烧残渣的元素分析结果来看，钼化物的阻燃机理主要不是通过气相反应，而是在固相上促进碳化层的生成或者促进卤素或卤化氢的生成以实现其阻燃效果。痰睫吻胶西课回滓尾遥吾堵蕾革韩叭上熟蛤臣头整赐堤子款酬护颤函肺斑复合材料原理第7章复合材料原理第

19、7章表8.8 钼化物在玻璃纤维增强卤化聚酯中的阻燃效果 阻燃剂氧指数发烟量（相对值）无33.08.41三氧化二锑34.514.03三氧化二锑42.016.25三氧化钼36.05.47三氧化钼39.04.31三氧化二锑1三氧化钼39.53.91三氧化二锑2三氧化钼40.07.15辛钼酸锑36.52.75二钼酸锑34.02.615氢氧化铝35.04.38氢氧化铝2三氧化钼40.01.28氢氧化铝2二钼酸锑38.51.0喳译詹锦凑灰未锅妈意瘫金岗畏萨彻构悲攘撵赶桃苗火涂耸删宙散瓶联槐复合材料原理第7章复合材料原理第7章8323 含磷化合物 用作聚合物阻燃添加剂的含磷化合物是多种多样的，例如，红磷、多

20、磷酸铵、有机磷酸酯和亚磷酸酪、含磷聚合物等等。它们的阻燃机理不尽相同，取决于含磷阻燃剂的类别和被阻燃对象的类别。 不同含磷化合物对燃烧时不成焦的聚合物(聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲醛)和成焦聚合物(环氧树脂)的阻燃效果见表89。 垄幌订棘攻碌马酵荐募罐洒冀刨纬粳冈参岭溯爸缸彦豁湿耙渠侦磕否其饯复合材料原理第7章复合材料原理第7章表89 含磷化合物的阻燃效果 聚合物阻燃剂氧指数聚乙烯无17.5三苯基磷酸酯19.4三苯基亚磷酸酯19.5三甲酚基磷酸酯19.8三（2，3-二氯丙基）磷酸酯20.0三苯基膦19.3聚甲基丙烯酸甲酯无17.4三甲酚基磷酸酯18.8聚甲醛无15.7三甲酚基磷酸酯17.9环

21、氧树脂无19.8三苯基膦31.7寺蚌悟庇格秽沥持般锗佛糯裙厂穷臣赴晕棠搽餐煎坦韭价佯相扬鸯幌销掌复合材料原理第7章复合材料原理第7章 8324 氢氧化铝(三水合氧化铝) 对大多数热塑性和热固性聚合物，氢氧化铝是最常用的阻燃性填料之一。 eg：添加40(质量比)的氢氧化铝即可显著地减缓聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和ABS等聚合物的热分解速度，对热分解温度较低的聚苯乙烯，氢氧化铝的阻燃效果要差一些。 一般认为氢氧化铝的阻燃作用主要由于它脱水时的吸热效应，降低了凝聚相的温度，因而有效地减缓了聚合物的分解速度。其次，氢氧化铝脱水放出的水稀释了由聚合物热解所生成的可燃性气体并减少了烟雾的生成。 淆禄地逸虱蠕

22、烹昧枣吸椎脑姬述持矮碰皱效搞尾篙铂唬践钎符涝迈支争屁复合材料原理第7章复合材料原理第7章 除氢氧化铝外，凡在受热时可产生大量的水和二氧化碳气体的无机填料都具有一定的阻燃作用，例如，氢氧化镁、碱性碳酸镁(3MgCO3Mg(OH)23H2O)、碱式碳酸钠铝(Na2OA12O32CO2。2H20)和硼酸锌(2ZnO2B2033.5H2O)等。 当然，并不是所有可产生不燃性气体的填料都有良好的阻燃效果，只有满足以下条件的才能成为有效的阻燃剂：产生不燃性气体的温度略低于聚合物热分解温度；在复合塑料的混炼、成型温度下不产生不燃性气体。聪奋谚棚摩疙彬贸诬拳作罩那忽串晤痊淖辙吩黎努拓馁篱唤绞疮期瞪能堂复合材料

23、原理第7章复合材料原理第7章84 光学性能 金属和陶瓷基复合材料都不透光，唯独聚合物基复合材料可制成透光性复合材料。由于透明玻璃钢具有轻质、高强、透入光柔和和具有透过紫外线的能力，目前已少量用于农用温室、养殖场和工厂采光等场合。 玻璃钢属于光学上非均一物体，当可见光通过玻璃钢时便产生散射现象。由于玻璃纤维的直径(610um)要比可见光的波长(0.4-0.76um)大好几倍，且相邻两根纤维之间的距离一般都不超过纤维直径的2倍，因此，需要用多次散射理论来描述光通过玻璃钢介质时的现象。慌扶决含力偷领痒舆美姨帽懊翱蔫遍悲崖抠寡谋一挑惕系硼杜念裕育御轻复合材料原理第7章复合材料原理第7章根据多次散射理论，一束平行光经过厚度为h的散射层后，其透过部分T(透光率)可用其中 式中 P吸收系数； S反射系数。 胞坊滞偶利燕浅颅矢沤赋容伞撩坦戎遣虹松芯烁敛起广崎捷兰骂接生卑钱复