第五章聚合物基复合材料1

第五章聚合物基复合材料聚合物基复合材料的种类和性能01聚合物基复合材料结构设计02聚合物基复合材料成型加工技术03目录CONTENTS聚合物基复合材料的应用04本节重点难点：重点聚合物的优良性能。（掌握）难点常见玻璃纤维增强热塑性塑料和热固性塑料性能。（了解）一般性了解聚合物基复合材料的种类。力学性能的基本指标—弹性模量弹性模量（模量）：

单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。三种形变对应三种模量（1）拉伸模量（杨氏模量）

（2）剪切模量

（3）体积模量（本体模量）

力学性能的基本指标—硬度与强度硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的一种指标。硬度的大小与材料的抗张强度和弹性模量有关。有时用硬度作为抗张强度和弹性模量的一种近似估值。

强度抗张强度（拉伸强度）:试样断裂前所承受的最大载荷与其截面积之比抗弯强度（挠曲强度）：材料抵抗弯曲不断裂的能力

抗冲击强度（冲击强度）,衡量材料韧性的指标，指试样受冲击载荷破裂时单位面积所吸收的能量。疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力，称为疲劳强度或疲劳极限。5.1聚合物基复合材料的种类和性能5.1.1聚合物基复合材料的种类5.1.1聚合物基复合材料的种类聚合物基复合材料：以聚合物为基体，连续纤维为增强材料的复合材料。按聚合物基体的结构分为纤维增强热固性塑料（FRP）和纤维增强热塑性塑料（FRTP）；按增强纤维种类分为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、石墨纤维、硼纤维、碳化硅纤维、木质纤维等增强塑料。聚合物基体纤维增强材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料影响聚合物基复合材料性能的因素：1、增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学稳定性2、增强材料的含量及其排布方式与方向3、不同的成型工艺4、增强材料与基体的界面粘接状况

聚合物基复合材料是由物化性质截然不同的增强材料和有机高分子化合物通过一定工艺方法复合而成的多相固体材料。聚合物基复合材料的特性比强度、比模量高耐疲劳性能好减震性好安全性好可设计性强高温性能好聚合物基复合材料的特性抗拉强度与密度之比比强度高的材料能承受高的应力弹性模量与密度之比比模量高说明材料轻而且刚性大比强度、比模量高采用复合材料可大大减轻构件或制品的重量材料种类性能比重抗拉强度GPa弹性模量100GPa比强度GPa比模量100GPa钢7.61.032.10.130.27玻璃钢2.01.060.40.530.21碳纤维/环氧1.61.072.40.71.5硼纤维/环氧2.11.382.10.661.0聚合物基复合材料的特性耐疲劳性能好疲劳破坏的种类不同：金属：突发性破坏疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%聚合物基复合材料：有预兆破坏极限为拉伸强度的70%~80%聚合物基复合材料的特性增强纤维的缺陷少,抗疲劳性好，基体的塑性好,抑制微裂纹的出现，即使形成微裂纹,在裂纹的缓慢扩展过程中,基体的纵向拉压将引起其横向收缩,而在裂纹尖端的前缘造成基体与纤维分离,基体(如聚合物基)的塑性形变也能使裂纹尖端钝化,减缓其扩展。聚合物基复合材料的特性减震性好受力结构的自振频率有关因素：结构形状

比模量的平方根成正比同时，复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的震动阻尼很高，即使激起振动也能很快衰减。对相同尺寸和形状的梁进行振动试验的结果表明,对同一振动,轻合金梁需要9秒钟才能停止,而碳纤维复合材料梁只需2～3秒。聚合物基复合材料的特性高温性能好聚合物基复合材料耐热性能好，适宜作为烧蚀材料。氨酚醛树脂／玄武岩纤维复合材料，其轴向压缩强度可达轴向和径向热导率均为0.3～0.4W／(m·K)，能够满足固体发动机喷管防热材料的设计要求。聚合物基复合材料的特性过载安全性在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，在每平方厘米面积上的纤维数少至几千根，多达数万根。当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂时，载荷就会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不至于造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，仍能安全使用一段时间。聚合物基复合材料的特性可设计性强通过改变纤维、基体的种类及相对含量、纤维集合形式及排列方式、铺层结构等可以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求。复合材料制品的制造始于整体成型,一般不需焊、铆、切割等二次加工,工艺过程比较简单。©2003Brooks/Cole,adivisionofTomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderliense.5.1.2玻璃纤维增强热固性塑料（GFRP）热固性树脂玻璃纤维GFRP强度很高；脆性，只能承受拉力，不能承受弯曲、剪切和压应力；不易做成固定的几何形状。力学性能不高；耐腐蚀；良好的电绝缘性能；工艺性能良好。强度高；既耐拉又耐压；易加工；耐腐蚀；GFRP是指玻璃纤维（包括长纤维、布、带、毡等）作为增强材料，热固性树脂（包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等）作为基体的纤维增强塑料。GFRP用玻璃纤维作筋骨用热固性树脂（酚醛塑料、环氧树脂及聚酯树脂）作肌肉钢筋混凝土用钢材作筋骨(钢材耐拉)水泥砂石作肌肉(水泥块耐压)玻璃钢根据基体种类不同，分为：玻璃纤维增强环氧树脂（环氧玻璃钢）玻璃纤维增强酚醛树脂（酚醛玻璃钢）玻璃纤维增强聚酯树脂（聚酯玻璃钢）是塑料，不是钢材！1.性能（1）轻质高强：比重小、比强度高相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的1/4~1/5，可是拉伸强度却接近，而比强度可以与高级合金钢相比。GF增强热固性塑料（GFRP）----玻璃钢

（2）耐腐蚀对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。（3）良好的电绝缘性优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高压电缆护罩（4）无磁性、微波透过性好不受电磁作用的影响，不反射无线电波，微波透过性良好，因此可用来制造人造扫雷艇和雷达天线罩。1974年，7102型玻璃钢扫雷艇（5）热性能良好GFRP热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m·h·K），只有金属的1/100~1/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。（6）可设计性好

可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。玻璃钢制的浮雕工艺品（7）工艺性优良

可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。是一种节能材料，若采用手工糊制的方法，其成型时的温度一般在室温下，或者在100℃以下进行，因此它的成型制作能耗很低。2.缺点（1）刚性差弹性模量低，GFRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×105）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。（2）长期耐热性差一般GFRP不能在高温下长期使用，通用聚酯GFRP在50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通用型环氧GFRP在60℃以上，强度有明显下降。但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200~300℃是可能的。（3）易老化在紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。（4）层间剪切强度层间剪切强度是靠树脂来承担的，所以很低。可以通过选择工艺、使用偶联剂等方法来提高层间粘结力，最主要的是在产品设计时，尽量避免使层间受剪。3.特性玻璃钢（1）环氧玻璃钢综合性能最好的玻璃钢。环氧树脂对玻璃纤维的粘结力强，所得玻璃钢的界面剪切强度最高；机械强度高于其他玻璃钢；尺寸稳定性最好，固化收缩率只有1-2%。缺点：环氧树脂粘度大，加工不便；成型时需要加热，不便于制造大型制件。环氧玻璃钢综合力学性能最好，粘结能力最强，与玻纤复合界面剪切强度最高，尺寸稳定性好，耐蚀性好；收缩率只有1-2%，粘度大，施工困难，成型需要加热。（2）酚醛玻璃钢耐热性最好的玻璃钢，可在200oC长期使用；耐烧蚀性好，可用于制造宇宙飞船的外壳；耐电弧性好，用于制作耐电弧绝缘材料；价格便宜。缺点：固化收缩率大；性脆；酚醛树脂对人体皮肤有刺激作用。酚醛玻璃钢耐热性最好,<350℃长期使用，短期可达1000℃；电学性能好，耐烧蚀材料，耐电弧。性脆，尺寸不稳定，收缩率大，对皮肤有刺激作用。玻璃钢采光板玻璃钢汽车保险杠玻璃钢型材透光型玻璃钢体育馆采光赛艇、帆船壳体（2）聚酯玻璃钢突出特点：加工性能好不饱和聚酯中加入引发剂和促进剂后，可在室温固化成型；使用苯乙烯等稀释剂稀释的树脂粘度低，可采用各种成型方法加工成型，可制作大型构件。透光性好，透光率达60-80%，用于制作采光制件价格便宜缺点：固化收缩率大，4-8%耐酸、碱性相对较差加工性能最好。低粘度，可室温固化；价低，用量占80%。透光性好，可制作采光瓦。收缩率大，耐酸碱性差。聚酯玻璃钢各种玻璃钢与金属性能的比较性能聚酯玻璃钢环氧玻璃钢酚醛玻璃钢钢铝高级合金比重1.7-1.91.8-2.01.6-1.857.82.78.0拉伸强度/MPa70-299180-35070-280700-84070-2501280压缩强度/MPa210-250180-300100-270350-42030-100-弯曲强度/MPa210-35070.3-4701100420-46070-110-比强度/MPa16018011550-160导热系数J/m.h.K1.0380.63-1.507-155-748726-828-线膨胀系数*10-6/oC711-353.5-10.71223-玻璃钢型材的导热系数是钢材的1/150，是铝材的1/650

5.1.2

增强热塑性塑料(FR-TP)

特点：

车用立体声音响喇叭

雾灯

车门反射镜架⑴、比重最轻1.1～1.6⑵、抗儒变性等力学性能明显提高⑶、热学性能大大改善>50%⑷、尺寸稳定性提高5.1.2玻璃纤维增强热塑性塑料（FR-TP）FR-TP是指玻璃纤维为增强材料，热塑性塑料（聚酰胺、聚丙烯、低压聚乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等工程塑料）为基体的纤维增强塑料。

与玻璃纤维增强热固性塑料相比，玻璃纤维增强的热塑性塑料比重更小，除比强度较高外，其蠕变性也大为改善。它与部分金属的比强度比较如下：材料比重抗拉强度（MPa)比强度（MPa)普通钢A37.8540050不锈钢1Cr18Ni9Ti855068.8硬铝合金LY122.3470167.3增强尼龙6101.45250179.9增强尼龙10101.23130146.3增强PC1.4214098.3增强PP1.129080.41、玻璃纤维增强聚丙烯（FR-PP）突出特点:（1）机械强度比纯PP大大提高，当短切玻璃纤达30～40%时，其抗拉强度达到100MPa，大大高于工程塑料PC（聚碳酸酯）、PA（聚酰胺）等;使PP的低温脆性得到了大大改善;而且随着玻璃纤维含量提高，低温时抗冲击强度也有所提高。（2）FR-PP的吸水率小，是POM（聚甲醛）和PC的十分之一;（3）耐沸水和水蒸气突出，含20%短切纤维的FR-PP，在水中煮1500小时，其抗拉强度只降低10%，在23℃水中浸泡时强度不变。在高温、高浓度的强酸、强碱中会使机械强度下降。在有机化合物的浸泡下会降低机械强度，并有增重的现象。聚丙烯为结晶型聚合物，当加入30%经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维后，其热变形温度显著提高，可达153℃，接近纯PP的熔点。2、玻璃纤维增强聚酰胺（FR-PA）PA是一种热塑性工程塑料，本身的强度比一般通用塑料的强度高，耐磨性好，但它因吸水率太大，影响尺寸稳定性，另外耐热性也较低，用玻璃纤维增强的聚酰胺，会改善这些性能。FR-PA的品种：FR-PA6、FR-PA66、FR-PA1010（1）耐热性提高：纤维含量达30-35%时，其增强效果最理想，抗拉强度可提高2-3倍，抗压强度可提高1.5倍，耐热性提高明显，尼龙-6的使用温度为120oC，增强后使用温度高达170-180oC;FR-PA的线膨胀系数比PA降低约25%，含30%玻璃纤维放热FR-PA6的线膨胀系数为0.22*10-4/℃，与金属铝的线膨胀系数接近。（2）耐水性提高：聚酰胺的吸水性直接影响它的机械强度和尺寸稳定性，甚至影响了它的电绝缘性，而随着玻璃纤维加入量的增加，其吸水率和吸湿速度则显著下降。例如PA6在空气中饱和稀释率为4%，而FR-PA6则降到2%，吸湿后FR-PA6的机械强度比PA6提高三倍。因而FR-PA吸湿以后的机械强度仍然能够满足工程上的要求，同时电绝缘性也比纯PA好，可以制成耐高温的电绝缘零件。（3）耐磨性变差：因为聚酰胺的制品表面比较光滑，光洁度越好越耐磨。而加入玻璃纤维以后，如果将制品经过二次加工或者被磨损时，玻璃纤维就会暴露于表面上，这时材料的磨擦系数和磨耗量就会增大。因此，如果用它来制造耐磨性要求高的制品时，一定要加入润滑剂。3、玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料（FR-PA）聚苯乙烯类树脂目前已成为系列产品，多为橡胶改性树脂，例如：丁二烯—苯乙烯共聚物(BS)、丙烯腈—苯乙烯共聚物(AB)、丙烯腈一丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)等。这些共聚物大大改善了纯聚苯乙烯的性能，使原来只是一种通用塑料的聚苯乙烯改性成为工程塑料。耐冲击性和耐热性提高了。这些聚合物再用长玻璃纤维或短切玻璃纤维增强后，其机械强度及耐高、低温性、尺寸稳定性均大有提高。玻璃纤维与聚苯乙烯类塑料复合时也要也要加入偶联剂，不然聚苯乙烯类塑料与玻璃纤维粘结不牢，影响强度。4、玻璃纤维增强聚碳酸酯（FR-PC）聚碳酸酯是一种透明度较高的工程塑料，它的刚韧相兼的特性是其他塑料无法相比的，唯一不足之处是易产生应力开裂、耐疲劳性差。加入玻璃纤维以后，FR-PC比PC的耐疲劳强度提高2~3倍，耐应力开裂性能可提高6~8倍，耐热性比PC提高10~20℃

，线膨胀系数缩小为1.6~2.4×10－６m／℃，因而可制成耐热的机械零件。5、玻璃纤维增强聚酯聚酯作为基体材料主要有两种，一种是聚苯二甲酸乙二酯(代号PET)，另一种为聚苯二甲酸丁二酯(代号PBT)。未增强纯聚酯结晶性高，成型时收缩率大，尺寸稳定性差、耐温性差、质脆。用玻璃纤维增强后，机械强度比其他玻璃纤维增强热塑性塑料均高，抗拉强度135-145MPa，抗弯强度209－250MPa，耐疲劳强度达52MPa。耐热性提高最大，PET的热变形温度为85℃

，PR-PFT为240℃

，仍能保持机械强度，是玻璃纤维增强热塑性塑料中耐热温度最高的一种。耐低温度性能好，超过了FR-PA6，在温度高低交替变化时，机械性能变化不大；电绝缘性好，可制造耐高温电器零件；高温下耐老化性好，胜过玻璃钢，尤其是耐光老化性能好，所以使用寿命长。不足之处是在高温下易水解，使机械强度下降。不适于在高温水蒸气下使用。

6、玻璃纤维增强聚甲醛（FR-POM）聚甲醛是一种性能较好的工程塑料，加入玻璃纤维后，不但起到增强的作用，而且耐疲劳性和耐蠕变性有很大提高。含有25％玻璃纤维的FR-POM的抗拉强度为纯POM的两倍、弹性模量为纯PＯM的三倍，耐疲劳强度为纯PＯM的两倍，高温下仍具有良好的耐蠕变性，同时耐老化性也很好。但不耐紫外线照射，因此在塑料中要加入紫外线吸收剂。不足之处是加入玻璃纤维后其摩擦系数和磨耗量大大提高了，即耐磨性降低了。为了改善其耐磨牡，可用聚四氟乙烯粉末做为填料加入聚甲醛中，或加入碳纤维来改性。7、玻璃纤维增强聚苯醚（FR-PPO)聚苯醚（PPO）是一种综合性能优异的工程塑料，但由于熔融粘度大、流动性差、加工困难，且易发生应力开裂、成本高等缺点。往往通过加入其他树脂共混或共聚来改善此缺陷，这种方法虽然克服了以上缺点，但又会使其力学性能和耐热性下降，用玻璃纤维增强可克服这一缺点。(1)含20%玻璃纤维的FR-PPO，其抗弯曲弹性模量比PPO提高2倍；

含30%玻璃纤维的FR-PPO，则提高3倍；可以用它制成高温高载荷的零件。(2)最突出的特性是蠕变性很小，3/4的变形量发生在24h之内，因此蠕变性的测定可在短期内得出估计的数值，这一点是任何高分子复合材料难以达到的。(3)耐疲劳强度高。含20%玻璃纤维的FR-PPO，在23℃往复次数为2.5*106次时，它的弯曲疲劳极限强度仍能保持28Mpa；如果玻璃纤维的含量为30%时，则可达到34MPa。(4)FR-PPO的热膨胀系数很小，是FR-TP中最小的一种，与金属极为接近，其制件与金属零件配合时，不易产生应力开裂。(5)具有优异的电绝缘性。电绝缘性也是工程塑料中居第一位，其电绝缘性可不受温度、湿度、频率等条件的影响。(6)耐湿热性能良好，可在热水或有水蒸气的环境中工作，因此用它可制造耐热性的电绝缘零件。高强度、高模量纤维增强塑料主要是指以环氧树脂为基体，以各种高强度、高模量的纤维(包括碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维、各种晶须等)做为增强材料的高强度、高模量纤维增强塑料。该种材料由于受增强纤维高强度、高模量这一性能的影响，致使其具有共同的特点：(1)比重轻、强度高、模量高和低的热膨胀系数(表5.4），是目前力学性能最好的高分子复合材料。(2)加工工艺简单。