华科大复合材料课件03聚合物基复合材料

PolymerMatrixComposites主要内容绪论聚合物基体材料聚合物基复合材料的制造工艺聚合物复合材料的界面聚合物基复合材料的性能碳/碳复合材料聚合物基复合材料的应用

参考书目1.PolymerMatrixComposites R.E.Shalin(editor)2. 聚合物基复合材料 宋焕成、赵时熙编3. 树脂基复合材料 王顺亭、杨学忠等编著4. 树脂基复合材料制造技术 陈祥宝、包建文、娄葵阳编著第一章绪论1.1 聚合物基复合材料的发展简史

第一阶段:1940-1960 现代先进复合材料的开始 1940: 玻璃纤维增强塑料玻璃钢 1946: 玻璃纤维增强尼龙

第二阶段:1960-1980

现代先进复合材料的开发时期

复合材料的种类不断增加第一章绪论1.1 聚合物基复合材料的发展简史

基体材料:热固性树脂

增强材料:硼纤维、碳纤维 70年代出现了Kevlar纤维、碳化硅纤维、氧 化铝纤维

第三阶段:1980- 现代复合材料的成熟应用时期 1982出现了先进热塑性复合材料 复合材料不仅在航空航天领域，而且在几乎所有工业和民用领域得到应用第一章绪论1.2 聚合物材料的基本特征 聚合物又称高分子化合物，一般是指相对分子量在104以上，主要以共价键结合的一类化合物。

工程应用中分为两类： 天然聚合物：棉花、淀粉 合成聚合物：塑料、合成纤维、合成橡胶第一章绪论1.2 聚合物材料的基本特征 聚合物材料相对于低分子材料的特征： 1. 聚合物是由许多相同基本结构的重复 单元通过共价键连接在一起，具有庞 大的相对分子量。 2. 高聚物分子链的结构形态较复杂,按其 几何形状可分为线型结构、支链结构 和体型结构。 第一章绪论1.2 聚合物材料的基本特征 聚合物材料相对于低分子材料的特征：

3. 高分子链之间的次价力（范德华力、氢键 等） 相互作用，结合成晶态或非晶态的结构。 并且晶态与非晶态结构同时存在于一种高分 子聚合物中。 4. 高分子聚合物中还包含有多种添加剂，如抗 氧化剂、填料等。这些添加剂使得高分子的 大分子链结构变得更加复杂。

第一章绪论1.3 聚合物基复合材料的特点

1. 高的比强度、高的比模量 2. 热膨胀系数低，尺寸稳定

1.3 聚合物基复合材料的特点

第一章绪论1.3 聚合物基复合材料的特点

3. 耐疲劳性能好 金属材料的疲劳极限多为静态抗拉强度的 30-50%

PMC复合材料的疲劳极限多为静态抗拉强 度的 70-80%

PMC复合材料的破坏有明显的预兆，可以 事先检测出来。第一章绪论1.3 聚合物基复合材料的特点

4. 耐腐蚀性能好 耐酸碱、耐盐水等 用于制备化工设备防腐管道 5. 减振性能好 梁振动试验 铸铁中,哪种材料的减振性能最好?

第一章绪论1.3 聚合物基复合材料的特点

6. 工艺性能好 7. 其它良好的性能 — 可设计性 — 良好的电绝缘性能,特殊的光学或电磁 学性能

第一章绪论1.3 聚合物基复合材料的特点

8. 经济性差 原材料与生产成本都比较高。 9. 湿热环境下的性能降低 吸湿与老化现象。 10. 冲击韧性差 一般为脆性材料，断裂韧性低。各种冲击可导致内部损伤，甚至破坏。 第一章绪论1.4 聚合物基复合材料的分类

按基体可分为 热固性树脂复合材料 热塑性树脂复合材料按增强相类型及其在复合材料中的分布来分1.4 聚合物基复合材料的分类按增强相类型及在基体中的分布，如下图：聚合物基复合材料连续纤维按纤维形态不连续纤维长纤维（毡）短切纤维纤维增强单向按铺层方式角铺层织物三维 玻璃纤维按纤维种类碳纤维芳纶纤维超高分子量聚乙烯纤维等晶须增强碳化硅晶须、氧化铝晶须等层片增强云母、玻璃、金属等粒子增强氧化铝、碳化硅、石墨、金属等第二章聚合物基体材料2.1 聚合物材料的介绍

⑴ 树脂⑵ 合成纤维⑶ 合成橡胶⑷ 涂料与粘结剂

第二章聚合物基体材料2.1 聚合物材料的介绍

树脂 热固性树脂在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的进行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。再加热不会软化，不熔、不融。 其高分子聚合物属于三维体型网状结构。 常用的热固性树脂：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂第二章聚合物基体材料2.1 聚合物材料的介绍

树脂 热塑性树脂

加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。冷却后变硬，再加热可软化。其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚 酰胺（尼龙）、聚碳酸脂等。第二章聚合物基体材料2.2 聚合物基体材料的选用原则

复合材料中： 基本材料的性质 加工性质 复合材料的性质基本原则：1 基体材料自身的性能，力学性能、耐热性能、 耐腐蚀性能等→满足产品的使用要求。2 对增强纤维有良好的浸润性与粘附力。第二章聚合物基体材料2.2 聚合物基体材料的选用原则

基本原则：3 具有良好的工艺性能：容易操作，胶液具有 足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮藏期、 固化收缩小等。4 低毒性、低刺激性。保证生产工人的安全。5 来源方便、价格合理。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料

2.3.1 热固性基体热固性树脂： 环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺（BMI）树脂等等环氧树脂：C纤维增强酚醛树脂、不饱和聚酯树脂：GF增强2.3 聚合物基体材料

表2-3典型热固性PMC性能比较第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料表2-4典型热固性树脂浇注体性能数据第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料传统的聚合物基体材料是热固性树脂。最大的优点就是具有良好的工艺性能，由于固化前热固性树脂的粘度低，因此适合于常温常压下浸渍增强纤维，并在较低温度下固化成型，而且固化后具有很好的性能。缺点：热固性树脂所用的预浸料需要低温冷藏， 且贮存期较短；成型周期长，材料的韧 性差。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.1 环氧树脂(EpoxyResin,EP)

环氧树脂是指分子式中含有两个或两个以上环氧基团的高分子聚合物的总称。—CH—CH—O第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.1 环氧树脂(EpoxyResin,EP)

环氧树脂优点1 工艺性好。室温操作、固化剂种类多，适用期、粘度、 与固化时间均可在很大范围内调节。2 韧性好。固化后的韧性约为酚醛树脂的7倍。3 良好的粘合性。-OH,-C-O-C-使EP可形成H键等4 收缩性小。固化时无其它产物，一般<2%。5 化学稳定性好。苯环与脂肪羟基不受碱的侵蚀，且耐 酸。

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.1 环氧树脂(EpoxyResin,EP)

环氧树脂分类

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.1 环氧树脂(EpoxyResin,EP)

环氧树脂分类

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.1 环氧树脂(EpoxyResin,EP)在所有的环氧树脂中，工业上用得最广泛的是双酚A型环氧树脂，其产量约占环氧树脂总产量的90%，属于第一类。固化剂环氧树脂本身是热塑性的线型结构，所以必须向树脂中加入第二组分，才能进行交联固化反应，生成网状结构的高聚物后才能应用。所加的第二组分即为固化剂。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料按固化反应按固化温度按固化剂结构固化剂反应型：固化剂分子直接与环氧树脂官能团反应，反应后成为交联环氧树脂的一部分。催化型：可促进环氧树脂固化，但不参与至交联环氧树脂中。潜伏型：室温下不与环氧树脂反应，但温度升高后可迅速与之反应。高温型：100℃以上中温型：60~100℃室温型：~20℃低温型：低于5℃胺类酸酐类树脂类第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料热固性树脂的固化：分为三个阶段A

粘流态的树脂B

凝胶（不能流动）C

三维网状固体（不熔、不融）第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.2 不饱和聚酯树脂(UnsaturatedPolysterResin,UP)不饱和聚酯树脂：指不饱和聚酯在乙烯基类交联单体中的溶液。不饱和聚酯：由不饱和二元酸（或酸酐）、饱和二元羧酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的相对分子量不高的聚合物。分子为线型结构。

OC

OOHO-R`-OH+R

O

HO-R`-O-C-R-C-OHCO二元醇二元酸酐羟基酸第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.2 不饱和聚酯树脂(

UP)羟基酸分子间的缩聚：2HOR`OCORCOOH

HOR`OCORCOOR`OCORCOOH+H2O

羟基酸与二元醇进行缩聚反应：HOR`OCORCOOH+HOR``OHHOR`OCORCOOR``OH+H2O由羟基酸出发进行的聚酯反应同二元酸与二元醇的线型缩聚反应相同。不饱和聚酯链中由于有不饱和双键，因此可以在加热、光照、高能幅射或引发剂的作用下与交联单体共聚，交联固化成具有三维网络的体型结构。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.2 不饱和聚酯树脂(

UP)不饱和聚酯树脂的分类1 通用型不饱和聚酯树脂，多用于手糊成型复合材料制品。2 柔韧型不饱和聚酯树脂，可单独使用或与通用型混合，冲击强度高。3弹性不饱和聚酯树脂，有较高的弯曲强度和较低的弯曲模量，韧性好。4耐化学腐蚀型不饱和聚酯树脂，用间苯二甲酸替代邻苯二甲酸或将双酚A引入不饱和聚酯分子中，耐腐蚀性能提高。

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.2 不饱和聚酯树脂(

UP)不饱和聚酯树脂的分类5 阻燃型不饱和聚酯树脂，在通用型中加入阻燃剂，或在合 成树脂时，使用一种含有阻燃元素的单体或交联剂。6 耐热型不饱和聚酯树脂，热变形温度达到110-120℃。7 光稳定型和耐气候型不饱和聚酯树脂，添加紫外线吸收剂， 提高了耐候性和光稳定性。8低收缩不饱和聚酯树脂。

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.2 不饱和聚酯树脂(

UP)不饱和聚脂树脂为低粘度液体，可在室温下固化，成型工艺简单，适合于大型异形部件的制造。

不饱和聚脂树脂在固化程中可分为三个阶段：1凝胶：失去流动性形成半固态凝胶。2定型：从凝胶到具有一定硬度和固定的形状。3熟化：要使其达到最好的力学和化学性能，还要在高温 加热几小时或在室温中放置几周。

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.2 不饱和聚酯树脂(

UP)不饱和聚脂树脂的固化采用引发剂。其优点为：1可以有效地控制反应速度。2最终固化可趋于完全，固化后树脂性能稳定。3在配以适当的促进剂后，可以满足各种固化工艺的要求。（加热固化的缺点）引发剂：能使单体分子或含双键的线型高分子活化而成为游离基并进行连锁聚合反应的物质。一般为有机过氧化物，其通式为：R—O—O—H或R—O—O—R。

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(Phenolicresin,PF)酚醛树脂：由酚类（苯酚、甲酚、二甲酚等）和醛类（甲醛、乙醛、糠醛等），在酸或碱催化剂作用下缩聚而成的树脂之统称。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(

PF)酚与醛的质量比略小于1：热固性的酚醛树脂。特点：可溶于丙酮乙醇，加热即固化，固化温度 为150℃170℃

酚与醛的质量比稍大于1：线型的热塑性的酚醛树脂。酚醛树脂的特点：1 价格低廉2 耐烧蚀3 粘附性差4 耐碱性差5 固化后较脆

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(

PF)酚醛树脂固化：热固性酚醛树脂可以在加热条件下固化。

OHOHCH2OHCH2OHCH2OH+HOCH2OH+H2OCH2OHCH2OH生成次甲基的活化热约为57.36kJ/mol，反应温度？第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(

PF)酚醛树脂固化可以在酸性条件下固化。酚醛树脂也可以在较低温度或室温下固化，但需在树脂中加入合适的无机酸或有机酸，工业上称为酸类固化剂。常用的酸类固化剂有：盐酸、磷酸、对甲苯磺酸、苯酚磺酸或其它的磺酸。

第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(

PF)改性酚醛树脂：在酚醛树脂中加入一些其它元素或基团，以改善其性能的不足，特别是提高韧性与耐碱性。环氧改性酚醛树脂：提高其抗拉强度约100MPa、抗冲击强度3∼4倍。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(

PF)有机硅改性酚醛树脂： 提高其使用温度至200∼260℃， 作为瞬时耐高温材料等。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(

PF)二甲苯改性酚醛树脂：改善其工艺性能。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(

PF)聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂：提高其韧性，增韧作用。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.1.3 酚醛树脂(

PF)在酚醛树脂结构中引入硼元素，可提高其耐热性和烧蚀 性。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.2 热塑性树脂

加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。冷却后变硬，再加热可软化。其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。常用的热塑性树脂 聚烯烃树脂：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯（PVC）、聚 苯乙烯、聚碳酸脂等。 氟树脂：聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚 氟乙烯 聚酰胺树脂（尼龙）：尼龙66、尼龙6等 聚酯树脂（涤纶）、聚甲醛树脂、聚丙烯腈-丁二烯-苯 乙烯树脂等第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.2 热塑性树脂 聚丙烯：1954年首次合成，1957年工业化生产。 聚丙烯在工业上是丙烯在氯化钛-氯二乙基铝催化剂的作用下进行配位聚合而得：

CH3

nCH2

CH—CH3[CH2—CH]n 聚丙烯分子链是头尾相接的线型结构，其分子链具有全同立构、间规立构和无规立构三类。 聚丙烯有较好的耐热性（约100℃），特别是有突出的抗弯曲性能和抗疲劳性能，但蠕变性能较PVC和尼龙差。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.2 热塑性树脂 聚氯乙烯：工业用主要为非晶结构（故无明显的熔点），其软化点约为80℃。聚氯乙烯在工业上由氯乙烯通过游离基型加聚反应而得：

Cl

nCH2

CHCl

→[CH2—CH]n 聚氯乙烯自身具有良好的机械性能、耐候性和阻燃性。 聚氯乙烯有较高的化学稳定性，有良好的耐酸、碱性能，并耐大多数油类、脂肪和醇类的侵蚀；但不耐芳烃类、酮类和酯类的侵蚀。用于生产塑料薄膜、人造革等。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.2 热塑性树脂 聚四氟乙烯（塑料王、特氟隆）

nCF2=CF2[CF2—CF2]n聚四氟乙烯是氟树脂中最为重要、用途最广泛的一种。其产量约占全部氟树脂的85-90%。由于链结构中有C-F键，碳链外又有氟原子形成的空间屏蔽效应，因此具有非常优异的化学稳定性、耐热性、耐老化性和自润滑性等。第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.2 热塑性树脂 聚酰胺树脂（尼龙）聚酰胺上主链上含有酰胺基团（—NHCO—）的高分子材料。 合成可通过氨基与羧基的缩聚反应得到：

二元胺与二元酸的线型缩聚反应xH2N(CH2)nNH2+xHOOC(CH2)m-2COOH

H[NH(CH2)nNHCO(CH2)m-2CO]xOH+(2x-1)H2O

尼龙nm，其中n为二元胺的碳原子数，m为二元羧酸中的碳原子数，尼龙66，尼龙11等第二章聚合物基体材料2.3 聚合物基体材料2.3.2 热塑性树脂 氨基酸或内酰胺的线型缩聚制取聚酰胺xH2N(CH2)n-1COOHH[NH(CH2)n-1-CO]xOH+(x-1)H2O

称为尼龙—n，尼龙—6。OH

聚酰胺的特点是分子链中的[C-N]基团上的

H能够与另一个分子的酰胺基团的链段上羧基形成具有相当强作用力的氢键。

H—CH2—C—N—CH2—熔点大于200℃

O

热变形温度较低

HO

长期使用温度低于100℃

—CH2—C—N—CH2—第二章聚合物基体材料2.4 聚合物基复合材料用辅助材料

把各种各样的添加剂添加到聚合物材料中，使之形成能满足实用要求的材料，已成为高分子材料应用中的一大特征。 使用辅助材料（添加剂）的目的有两个方面 使制品尽量达到所要求的性能。 改善加工条件或降低生产成本。 常用辅助材料有交联单体引发剂、促进剂、脱模剂、填料、触变剂等。2.4 聚合物基复合材料用辅助材料

第二章聚合物基体材料2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.1 交联单体 不饱和聚酯树脂是由不饱和聚酯与交联单体两部分组成的溶液，因此交联单体的种类、用量、性能对因化树脂性能影响很大。常用的交联单体有苯乙烯(St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和邻苯一甲酸二丙烯酯(DAP)。 甲基丙烯酸甲酯经常与苯乙烯并用作交联单体，最大的优点是改进固化树脂的耐候性。 粘度较小，有利于浸渍增强材料的结合。 折射率较低，使固化树脂与玻璃纤维的折射率接近， 从而使制品有较好的透光性。 沸点低、易挥发，并用后固化树脂的体积收缩率比 单独用苯乙烯的固化树脂大。第二章聚合物基体材料2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.2 引发剂 引发剂是能使单体分子或含有双键的线型高分子活化而成为自由基并进行连锁聚合的物质。 一般为有机过氧化物，其通式为：R—O—O—H或R—O—O—R，可以看作具有不同有机取代基的过氧化氢的衍生物。这类化合物的化学性质很不稳定，属于极易燃易爆危险品。

引发剂类型： 二酰基过氧化合物OO

一般化学式： R-C-O-O-C-R`最常用的是过氧化二苯甲酰。这类引发剂既可用于室温固化，也可用于加热固化。2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.2 引发剂 酮过氧化物

这是一类最常用的不饱和聚酯树脂的过氧化物引发剂。经常碰到的是过氧化甲乙酮和过氧化环己酮，一般用于室温固化不饱和聚酯树脂。 二烷基过氧化物 一般化学式：R—O—O—R

这类过氧化物多用于热固性片状模塑料和团状模塑料。其代表性的化合物有过氧化二特丁基、过氧化二异丙苯等。 过氧酯 O 一般化学式：R—C—O—O—R`

常用的过氧酯有过苯甲酸叔丁酯、过碳酸二异丙酯等，它们可在很宽的温度范围内（约70-150℃）进行固化树脂。2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.2 引发剂

选用引发剂要考虑的因素：

树脂特性 要与树脂所反应性相匹配。树脂反应性强时，选用的引发剂活性要高。 适用期 配制好的引发剂胶液必须保证有效地浸渍增强材料，应在胶液的存放期内使用。 成型温度 分为三种类型 低温到常温（30℃以下）。在此温度区，有机过氧化 物与促进剂并用才能构成氧化-还原引发体系，这是由 于引发剂的临界温度高于此温度。 2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.2 引发剂

选用引发剂要考虑的因素：

中温固化（50-100℃）。在此温度区，有机过氧化物 可单独使用 。 高温固化（120℃以上）。用于高温固化进使用的有 机过氧化物通常在室温下稳定，并可长期贮存，不需 要促进剂。 固化速度 树脂的固化速度是由引发剂的活性、引发剂与促进剂的用量和成型温度决定的。引发剂的用量常常是树脂质量的1-4%。 其它助剂的影响 其它添加剂的加入往往对引发剂效果产生一定的影响。有的填料起促进作用，会缩短树脂的凝胶期，而有的填料则起阻滞作用，会延长树脂的凝胶期。 2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.3 促进剂 促进剂是一类以提高过氧化物引发剂分解成自由基速率的化合物，它以一种可控的方式加速了不饱和聚酯树脂的固化。 当固化温度较低时，需要使用促进剂。因为一般过氧化物的临界温度都在60℃以上，必须通过促进剂使过氧化物的临界温度降低，才能满足树脂在室温固化的要求。2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.4 填料 填料是加入树脂中用以改善复合材料的某种性能或降低成本而其本身又具有相对惰性的固体物质。 在树脂中加入填料的作用：

降低树脂的固化收缩率和热膨胀系数； 改善制品的耐热性、电性能、耐磨性、表面平滑性、光洁 性及遮盖力等。 提高粘度或赋于触变性； 改善材料的物理、机械性能，如硬度、压缩强度等； 改善操作工艺性； 相对地减少树脂的用量，降低成本。2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.4 填料

填料的种类：

无机填料：轻质碳酸钙、水合氧化铝、粘土、二氧化硅等；

金属填料：铁、铜、铝、铅等金属粉末，可增加复合材料 的导热性、导电性、对磁场的感应和防幅射等；

碳和石墨也作为导电填料

2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.4 填料

填料对复合材料性能的影响： 填料对树脂耐腐蚀性能的影响 复合材料的耐腐蚀性能主要取决于基体材料的性能， 在树脂中加入各种填料，对腐蚀性能的影响很大。 填料对树脂阻燃性能的影响 在树脂中加入填料时，由于填料能够吸收树脂燃烧过 程中的部分热量，因而对树脂的燃烧有一定的延缓作用， 使树脂具有一定的自熄性。 对树脂其它性能的影响 有的填料还产生附加功能，如增加耐磨性、电绝缘性 能、耐化学腐蚀性能等。 2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.5 颜料 为了提高复合材料制品的商品价值和美观程度，大多数制品都要进行着色。 复合材料的着色，一般是反颜料配制成树脂颜料糊使用，先把颜料加入到高粘度树脂中，然后用研磨机混炼。

有机颜料的特点： 某些颜料能部分溶解于树脂中； 密度小，易分散； 粒度小，比表面积大，着色效果好； 有较高的透明度和半透明度，而且光散射较低； 有较高的着色强度值； 热稳定性较低，一般<250℃，仅有少数可达300℃以上； 有些有机颜料受固化体系的影响会变色。2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.5 颜料

无机颜料的特点：

色泽鲜明、遮盖力强； 耐热、耐化学性和光稳定性好； 缺点是着色力差； 颗粒大、不易分散。2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.6 阻燃剂 随着复合材料应用领域的扩大及人们安全防火意识的不断提高，自熄性、阻燃树脂的研究与开发越来越受到人们的重视。阻燃型树脂可分为： 添加型阻燃树脂：在树脂中加入阻燃剂，从而使树脂具有 阻碍燃性。 反应型阻燃树脂：在树脂合成过程中把具有阻燃作用的元 素，如Cl、Br、P等引入树脂分子中，从而制得反应型阻 燃树脂。 2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.6 阻燃剂

阻燃剂作用机理：

形成大量非燃气体，冲释可燃组分，孤立燃烧系统，切断 氧所来源——隔绝效应阻燃； 产生热解物之间的结合或分解吸热反应，从而冷却聚合物 或带走大量热量，降低温度，削弱或终止裂解反应——致 冷效应阻燃； 制成炭化泡沫熔隔层，遮盖聚合物燃烧表面，达到绝热隔 氧的目的——阻断效应阻燃； 提供自由基给予体与传播火焰的高活性氢氧根自由基结合， 终断燃烧值反应——自由基湮没效应阻燃； 投放固体微粒，引起能量消散——发生器壁效应阻燃。2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.6 阻燃剂

阻燃剂作用机理：

三氧化二锑是常用的阻燃剂，常与有机氯化物配合使用，起到更有效的作用。

Sb2O3+4HCl

SbOCl+SbCl2+2H2O

5SbOClSbCl3+Sb4O3Cl2 3Sb4O5Cl22SbCl3+5Sb2O3

三氧化二锑的沸点较高（323℃），可附着在燃烧层表面，起到隔氧阻燃的作用。136-280℃>320℃2.4 聚合物基复合材料用辅助材料2.4.6 其它辅助材料 脱模剂 低收缩剂 防老化剂 触变剂 抗静电剂第三章聚合物基复合材料制造工艺聚合物基复合材料成型工艺之特点:材料的形成与制品的形成是同时完成的。复合材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过程。复合材料的成型比较方便。3.1 引言第三章聚合物基复合材料制造工艺3.1 引言第三章聚合物基复合材料制造工艺

手糊成型技术：将玻璃纤维和不饱和聚酯或环氧树脂交互地铺层、粘贴在一起。 大部分的纤维增强塑料（FRP）制品采用这种方法成型。

喷射成型也称为半机械化手糊法：加引发剂的树脂和加促进剂的树脂分别由喷枪上的两个喷嘴喷出，同时切割器将连续玻璃纤维切割成短纤维，由喷枪的第三个喷嘴均匀地喷到模具表面上，用小辊压实，经固化而成制品。3.2 手糊成型技术3.2 手糊成型技术手糊成型技术的基本工序模具的修整涂脱模剂喷涂胶衣增强材料裁剪树脂的配制成型操作 固化、脱模 图3-1玻璃钢小艇示意图修边、装配 长2.29m,宽1.20m,深0.32m3.2 手糊成型技术3.2.1原材料的准备玻璃纤维织物的准备 玻璃布预先剪裁。简单形状按尺寸剪裁，复杂形状则可利用厚纸制的样板剪裁。要求各向同性的制品，应注意将玻璃布按经纬纵横交 替铺放。对于一些形状复杂的制件，玻璃布的微小变形不能满足要求时，有时必须将玻璃布在适当部位剪开，应尽量少剪开，并把剪开部位在层间错开。玻璃布可采用对接或搭接（搭接长一般为50mm)，接缝应在层间错开。糊制圆环形制品时，沿布的经向成45°角将布剪成布带，然后利用在45°角方向易变形的特点，糊成圆环。3.2 手糊成型技术3.2.1原材料的准备 树脂胶液的配制（环氧树脂为例）

先加入稀释剂和其它助剂，使用前加入固化剂粘度的控制 凝胶时间，加入活性较低的二甲基丙胺、二乙基丙胺 或聚酰胺等来调整。固化度：环氧树脂的固化程度，固化度的控制对制品 质量有很大的影响。应小于24小时3.2 手糊成型技术3.2.2模具的准备模具的常用形式 阴模、阳模、对模、拼装模 模具材料：木材、石膏、泡沫塑料、玻璃钢、金属 （铸铁、铸铝、碳钢等）3.2 手糊成型技术3.2.3胶衣层的制备 为了改善玻璃钢制品的表面质量，延长使用寿命，在制品表面往往需要一层树脂含量较高的通常称为胶衣层的层面。

胶衣层的作用 改善复合材料制品的表面质量 延长模具的使用寿命胶衣层的材料及制备 胶衣层的材料主要为树脂，如不饱和聚酯胶衣树脂。

采用喷涂或涂刷的方法。3.2 手糊成型技术3.2.4糊制及固化糊制工艺3.2 手糊成型技术3.2.4糊制及固化糊制工艺 一层树脂+一层玻璃布 每层厚度小于7mm

死角区应尽量避免或特殊处理3.2 手糊成型技术3.2.4糊制及固化

手糊制品的固化 常温固化，室温应在15℃以上，湿度不高于80%。 采用喷涂或涂刷的方法。24小时后可达到脱模强度， 脱模一周后即可使用。脱模后也可进行热处理，目的：缩短生产周期。3.2 手糊成型技术3.2.5脱模、修整与装配脱模工艺 送入压缩空气（0.2MPa)或水，刮板+楔子 修整与装配 机械加工，除去毛边、飞刺等

大型制品分几部分成型，机加工后进行装配。方法有 机械连接和粘结。 需要时也可按一般的油漆工艺上漆。3.2 手糊成型技术3.2.6制品中产生缺陷的原因及其防止方法3.2 手糊成型技术3.2.6制品中产生缺陷的原因及其防止方法3.2 手糊成型技术手糊成型技术的优点操作简便，操作者容易培训设备投资少，生产费用低模具材料来源广，制作相对简单能生产大型和复杂结构的制品制品可设计性好，且容易改变设计缺点制品质量依赖于操用者的技能水平，质量不易控制生产效率低、周期长产品的力学性能较低压力模压技术的优点无需特殊的模具。材料的利用率高，浪费少。可使用高纤维体积含量和长纤维。压力模压所需压力较注射模压小。压力模压件有较好的物理和力学性能。介绍高强片状模塑料（SMC）复合材料压力模压工艺，压力模压制品的缺陷、模压参数对制品性能的影响等。3.3 压力模压技术3.3.1压力模压工艺压力模压机示意图3.3 压力模压技术3.3.1压力模压工艺坯料的准备和铺叠:SMC坯料通常为长方形，坯料的面积约为模具面积的70-80%，坯料的重量必须一定。闭模：闭模速度为5-10mm/s,是一个影响模压件性能的关键因素。模压压力范围为1-40Mpa，模具的表面温度为150℃。SMC会向模腔外缘流动，其流动量是决定制品质量的又一关键因素。固化：固化时间为一分至几分钟。制品在顶出模具后冷却时会继续固化和收缩，可能导致翘曲或产生应力。3.3 压力模压技术3.3.1压力模压工艺提高压力模压生产效率和模压件质量的措施坯料的预加热。放入模具前加热至略低于凝胶温度，可采用微波、射频法等方法。辅助真空模压。在闭模后抽真空，有利于在SMC流动时减少空气卷入，减少表面孔隙和提高模压件强度。模内涂覆。模压过程中，将模具打开一小缝（0.2-0.5mm)，注入一些柔性混合涂层并覆盖整个制品表面，然后再闭合模具在正常模压压力下固化。减少表面波纹、孔隙、表皮挂痕等表面缺陷。3.3 压力模压技术3.3.2固化周期获得预定固化度所需的时间称为固化周期。3.3 压力模压技术3.3.2固化周期

3.3 压力模压技术3.3.2固化周期 热固性树脂的固化速率符合下列经验公式

(d

c/dt)=(k1+k2

cm)(1-c)n式中 (d

c/dt) 固化速率

c

在时刻t时的固化度

k1,k2

速率常数

m,n

反应级数常数

3.3 压力模压技术3.3.2固化周期

不饱和聚酯和乙烯基酯的固化反应为二级反应(m+n

=2)。k1,k2随温度的升高而增加。3.3 压力模压技术3.3.3温度的影响温度的分布与固化时间 坯料厚度为12.5mm

。3.3 压力模压技术3.3.3温度的影响温度的分布与固化时间 坯料中心层达到绝热峰值温度所需的时间通常作为模压的最短固化时间，此时已有近90%的固化反应完成。3.3 压力模压技术3.3.3温度的影响3.3 压力模压技术3.3.3温度的影响 固化动力学 高强片状模塑料的固化反应机理是苯乙烯单体与不饱和聚酯分子间的自由基共聚反应，①引发dc/dt=2kd

I②抑制

qZ0=2

(I0-L0)③链增长

c

自由基浓度，I催化剂浓度，Z0

—初始抑制剂浓度，L0

全部抑制剂消耗掉后催化剂浓度，

催化剂效率，q

抑制剂效率，t时间，

转化率，kd，

kp取决于温度的速率常数。3.3 压力模压技术3.3.3温度的影响固化动力学

上述三个公式是根据在压力模压过程中的反应机理推导而得到的，尽管作了一些简化，事实上由差热分析得到的实验结果与公式计算获得的反应时间非常一致。表明这些公式能够应用于预测树脂-催化剂-抑制剂的反应，以及为了获得最大生产效率优化树脂配方是有用的。 3.3 压力模压技术3.3.4纤维取向取向测量

纤维取向角通常指的是纤维和主载荷方向所成的夹角。较薄复合材料制件平面的平均纤维取向利用取向系数表示：

式中

n()纤维取向角的分布。3.3 压力模压技术3.3.4纤维取向

完全取向纤维：f=g=1随机取向纤维：

f=g=0压力模压的SMC复合材料，f和

g处在1和0之间。

常用X-射线照相法测定纤维取向，是根据玻璃纤维与周围树脂和填料的X-射线的吸收不同。为了提高反差，可加入少量的示踪纤维，然后利用图像分析系统确定纤维的取向。3.3 压力模压技术3.3.5纤维取向对复合材料力学性能的影响

3.3 压力模压技术3.3.5纤维取向对复合材料力学性能的影响

3.3 压力模压技术3.3.6压力模压SMC复合材料中的缺陷表面缺陷：表面波纹、缩孔、流缝线、豉泡、收缩痕等内部缺陷：空隙、纤维取向、分层、翘曲等一、空隙形成原因：模压件中裹入空气。

A. SMC片在混料过程中产生的气泡,

B.

铺叠成坯料和闭模过程中裹入空气。解决方法： 模压时使用真空 合适的工艺参数（闭模速度、合适的排气系统） 加入活性添加剂于纤维表面

3.3 压力模压技术3.3.6压力模压SMC复合材料中的缺陷一、空隙3.3 压力模压技术3.3.6压力模压SMC复合材料中的缺陷二、收缩痕收缩痕是在制件表面上形成的一些小的凹痕或凹陷，通常出现在与筋条的凸台相对的制件表面。

3.3 压力模压技术3.3.6压力模压SMC复合材料中的缺陷二、收缩痕

产生原因：在SMC流动填充筋条或凸台的过程中，在接近制件表面位置产生一个树脂富集区。这一富集区的热收缩率较大，从而冷却以后产生一个轻微的凹陷。解决办法： 使用低收缩添加剂减少树脂收缩； 使用不同纤维长度的SMC并把较长纤维层铺放在接近平面， 在接近筋条表面使用较短纤维SMC；

避免在筋条和凸台上方使用厚截面并采用圆角过渡。3.3 压力模压技术3.3.6压力模压SMC复合材料中的缺陷三、流缝线当两个或两个以上的不同流动前缘汇集形成单一流动前缘时便会形成流缝线。3.3 压力模压技术3.3.7成型技术参数一、固化时间：充分的固化时间能保证制件充分均匀固化。 短？长？二、闭模速度：对模压件的拉伸强度有明显的影响。过高 易形成空隙，降低制件的性能。三、模压压力：模压压力的提高有利于制件性能的提高。四、坯料尺寸：一般应覆盖80%的模具面积。五、坯料的位置：置于中间较好。3.3 压力模压技术3.3.7工艺控制 一、 台面平等度 二、 温度控制 三、 固化监控3.3 压力模压技术3.4.1简介3.4 热压罐成型技术3.4.1简介热压罐成型工艺的优点：很大范围内适合各种复合材料对加工工艺条件的要求。可同时高温（300-400℃）高压（大于10MPa）下成型。压力首先作用于制件上然后再传到模具上，且加式方式另活、加压均匀。热压罐成型工艺的缺点：

热压罐体积大、结构复杂，投资费用高。升温与加压速度慢，罐内温度分布不均匀。

航空航天用先进复合材料的加工普遍采用热压罐成型。

3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料预浸料通常定义为纤维（连续单向纤维或各种状态的织物等）浸渍某种树脂后的片状材料。是热压罐成型的主要原材料，它是复合材料制造过程中的一种半成品。

3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料3.4.2.1预浸料的制造根据浸渍树脂的状态，可分为溶液浸渍法（湿法）和热熔浸渍法（干法）。 在制造预浸料之前，必须根据设计要求确定预浸料的单位面积的纤维质量和预浸料的树脂含量。对于单向纤维预浸料，有：Ws=t/dWs为预浸料单位面积纤维质量(g/cm2)，t为丝束的纤度(tex,即g/103m)，d为所制造的预浸料的纤维间距(10-3

m)。树脂含量由其所制造的复合材料的纤维体积含量或复合材料单层厚度和固化树脂的密度所决定。

3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料3.4.2.1预浸料的制造一、溶液浸渍法（湿法）

该种制造工艺又可分为辊筒缠绕法和连续铺放法。辊筒缠绕法是间歇性的方法，设备简单、生产效率低、批量小，适合实验室或少批量生产。3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料3.4.2.1预浸料的制造一、溶液浸渍法（湿法）

辊筒缠绕法生产预浸料中应控制的工艺参数包括：纤维状态、胶液浓度、牵引速度和纤维张力等。胶液浓度对预浸料的含胶量影响最大。在其它条件一定的情况下，胶液浓度与预浸料的含胶量呈近似直线的关系。表3-4环氧酚醛胶液密度与预浸料含胶量之间的关系3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料3.4.2.1预浸料的制造一、溶液浸渍法（湿法） 连续铺放法的生产效率高，适于大规模生产预浸料。3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料3.4.2.1预浸料的制造一、溶液浸渍法（湿法）

连续铺放法中胶液浓度、粘度、浸渍时间、牵引速度、丝束张力挤压辊间隙等都是重要的影响因素。胶液的粘度也是重要的影响因素，通过胶液的密度和温度来控制。烘干炉为温度及预浸料在烘干炉中的停留时间对预浸料的质量也在重要的影响。3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料3.4.2.1预浸料的制造二、热熔浸渍法制造预浸料 前面介绍的溶液浸渍法很难制备挥发分含量很低的预浸料。而热熔浸渍法不使用溶剂，能制备挥发分含量很低的预浸料，此外该种方法制备的预浸料的复合材料制品的孔隙率小、力学性能好，并且对环境污染和对人体的危害小。表3-5干法与湿法办228/T800预浸料的比较3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料3.4.2.1预浸料的制造二、热熔浸渍法制造预浸料

热熔浸渍法分为熔融直接浸渍法和胶膜法二种。基体操作单元： 均匀稳定的树脂膜的制备 树脂熔融浸渍纤维 预浸料冷却 预浸料收卷3.4 热压罐成型技术3.4.2预浸料3.4.2.2预浸料的性能不论用何种方法制造的预浸料，为了保证其质量，必须对预浸料的外观、物理性能和化学性能进行检验。⑴ 外观要求：纤维连续平行、无明显交叉、起皱或松散； 树脂分布均匀，并完全浸渍纤维；无外来杂质和固化树 脂颗粒、毛团等；空隙、叠接、纤维准直度等满足有关 材料标准要求。⑵ 物理性能：单位面积的纤维质量，树脂含量，挥发分含 量，粘性，流动度，凝胶时间。⑶ 化学性能：化学成分，反应热焓，未固化预浸料树脂的 化学成分等。3.4 热压罐成型技术3.4.3热压罐系统的结构与成型模具3.4.3.1热压罐系统的结构一、压力容器3.4 热压罐成型技术3.4.3热压罐系统的结构与成型模具3.4.3.1热压罐系统的结构二、加热与气体循环系统对于直径小于2m的热压罐，通常采用电加热方式。成本较高。当工作温度为150-180℃时，热压罐的加热方式常采用蒸气加热方式。通过用高温水蒸气加热热压罐中的循环气体。对于大型热压罐最常用的加热方式为是间接气体点火法。其中，在外部燃烧室内燃烧产生的热气体被送入罐内的螺纹状不锈钢合金换热器而加热热压罐内的气体。最高使用温度可达到450-540℃。热压罐内的气体循环系统主要设备为安装在热压罐后部的鼓风机，罐内的气流速度最好保持在1-3m/S。3.4 热压罐成型技术3.4.3热压罐系统的结构与成型模具3.4.3.1热压罐系统的结构三、气体加压系统 所需压力<1.0MPa，工作温度<120℃时，空气可作为加压气体。 常用的是氮气，应用范围较广。常以液氮形成贮存，在使用时挥发产生约1.4-1.55MPa的氮气，成本较高。 另一种是二氧化碳气体，液体二氧化碳的挥发气体的压力约为2.05MPa。缺点是密度大，对人体有害且不易在空气中分散。3.4 热压罐成型技术3.4.3热压罐系统的结构与成型模具3.4.3.1热压罐系统的结构四、真空系统真空系统是热压罐最重要的辅助系统。为装于真空袋中的制件提供一个真空环境，并抽出预浸料中的溶剂型挥发分和反应产生的小分子等物质。

五、控制系统

利用计算机控制热压罐的制件固化工艺，使其更加合理化。此外还有冷却系统和装卸系统等辅助系统。3.4 热压罐成型技术3.4.3热压罐系统的结构与成型模具3.4.3.1热压罐系统的结构三、真空系统

3.4 热压罐成型技术3.4.3热压罐系统的结构与成型模具3.4.3.2成型模具⑴金属模具：铝、钢等。⑵电成型镍：将镍电镀到一个母模上（石膏制），母模 的尺寸即为制件的最终尺寸。⑶碳纤维增强环氧树脂复合材料模具⑷膨胀橡胶模具⑸石墨模具：用于高温达2000℃，使用次数不超过 10次。3.4 热压罐成型技术3.4.4固化成型工艺流程3.4.4.1

工艺辅助材料 真空袋材料与密封胶条，共同构成密闭的真空袋系统。 有孔或无孔隔离薄膜，作用是防止固化后的复合材料 粘在其它材料上或者其它材料粘在模具上。 吸胶材料，吸收预浸料中多余的树脂，控制调节复合 材料制品中纤维体积含量。 透气材料，作用是疏导真空袋中的气体，排出真空系 统，导入真空管路。 脱模布，防止复合材料与模具等粘合在一起。 周边挡条，阻止预浸料在固化成型过程中向边侧流散。3.4 热压罐成型技术3.4.4固化成型工艺流程3.4.4.2

成型工序 模具的准备 裁剪与铺叠：人工裁剪与铺叠、机械辅助裁剪与铺叠、 全自动裁剪与铺叠。 组合与装袋：首先根据设计铺层方法及制作厚度确定 复合材料成品的纤维体积含量。 固化与出罐脱模3.4 热压罐成型技术3.4.4固化成型工艺流程3.4.4.2

成型工序3.4 热压罐成型技术3.4.4固化成型工艺流程3.4.4.2

成型工序 固化与出罐脱模3.4 热压罐成型技术3.5.1纤维缠绕成型 纤维缠绕成型是在专门的缠绕机上，将浸渍树脂的纤维均匀地、有规律地缠绕在一个转动的芯模上，最后固化、除支芯模获得制件。3.5 其它成型技术3.5.1纤维缠绕成型3.5 其它成型技术3.5.1纤维缠绕成型3.5 其它成型技术3.5.2拉挤成型技术 拉挤成型技术是将增强材料（如纤维纱线、纤维毡或编织物等）经树脂浸渍，再经过具有一定截面形状的成型模具并使之在模具内固化成型后将制吕拉出模具的成型工艺，是一种连续的自动化生产工艺。3.5 其它成型技术3.5.2拉挤成型技术

3.5 其它成型技术3.5.3连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺 由于热塑性树脂高熔点、高熔融温度、缺乏合适溶剂等，其成型工艺与热固性树脂有所不同。成型过程：

升温塑化熔融，树脂受热从玻璃态逐渐转变为粘流态。 保温、保压流动，在压力的作用下，树脂流动充分浸润 纤维。 冷却固化成型，是一个物理过程。3.5 其它成型技术3.5.3连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺

3.5 其它成型技术3.5.3连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺 成型方法：1.匹配模模压成型

3.5 其它成型技术3.5.3连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺 成型方法：2.橡胶垫成型 成型压力均匀，但仅能用于一般成型粘流温度低于300℃的制品。3.5 其它成型技术3.5.3连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺 成型方法：3.膜成型分为单膜成型与双膜成型工艺。可成型比橡胶垫更高粘流温度的复合材料制件。是目前能够控制纤维准直性的最好的方法。3.5 其它成型技术第四章聚合物基复合材料界面

大多数界面为物理粘接，粘接强度较低。

PMC一般在较低温度下使用，故界面可保持相对稳定。

PMC界面增强本体一般不与基体发生反应。4.1 聚合物基复合材料界面的特点第四章聚合物基复合材料界面聚合物基复合材料界面的表征: 聚合物基复合材料界面层结构主要包括增强材料表面、与基体的反应层或与偶联剂的反应层，以及接近反应层的基体抑制层。 界面表征的目的：了解增强材料表面的组成、结构及物理化学性质、基体与增强材料表面的作用、偶联剂与增强材料及基体的作用、界面层性质、界面粘接强度的大小、残余应力的大小与作用等。 手段与方法：电子显微镜（SEM、TEM），光电子能谱（ESCA、AES）、红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（RAMAN）、色谱等。第四章聚合物基复合材料界面

界面强度的测量方法有两种：单纤维测试方法基于实际复合材料的测试技术

界面设计的基本原则：改善浸润性，提高界面的粘接强度。 提高PMC界面粘接强度的措施：

使用偶联剂

偶联剂：也称活性浸润剂，它既与增强用玻璃纤维表面形成化学键，又与基体具有良好的相容性或与基体反应的化学试剂。 常用的偶联剂：有机硅、有机铬、钛酸酯等。 有机硅偶联剂的结构通式为：R-Si-(OR`)34.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善

4.2 聚合物基复合材料界面的设计改善

有机硅偶联剂对玻璃纤维的作用机制：偶联剂在玻璃纤维表面上的水解、吸附、自聚及偶联等。4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善

增强纤维表面活化 通过各种表面处理方法，如表面氧化、等离子处理，可在惰性的碳纤维或玻璃纤维表面上引入活性官能团，例如：-OH、-COOH、C=O、-NH2等。 这些官能团一方面与基体中活性基团反应，另一方面也可提高纤维与基体相容性，从而提高强度。4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善

增强纤维表面活化4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善图4-3碳纳米管经处理后表面官能团的红外测定结果

使用聚合物涂层 聚合物涂层与增强纤维和基体都有良好的浸润性，所以能有效地改善PMC界面粘接状况。 聚合物涂层的另一个作用是改善界面的应力状态，降低界面的残余应力改善聚合物基复合材料的冲击韧性和疲劳性能。4.2 聚合物基复合材料界面的设计与改善第五章聚合物基复合材料的性能

热性能包括： 热传导与热容量：决定了PMC与外界热交换和自身温度 的变化。 热膨胀性能：决定PMC结构的稳定性，应力分布状 态与抗热震性能。 耐热性能：决定PMC的使用温度范围。5.1 PMC的热性能

5.1.1 热传导: 导热系数，W/(m

K)，表征材料的导热能力。 材料本身的特性 温度的函数

5.1 PMC的热性能

5.1.1 热传导5.1 PMC的热性能

5.1.1 热传导5.1 PMC的热性能

5.1.1 热传导5.1 PMC的热性能

5.1.1 热传导5.1 PMC的热性能

5.1.1 热传导5.1 PMC的热性能

5.1.2 比热定义：单位质量的物质升温1℃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关系比较简单，符合加和性原理：5.1 PMC的热性能

5.1.2 比热比热的测试方法主要有卡计法、电脉冲加热法与比较法。5.1 PMC的热性能

图5-2下落等温铜卡计比热测试法 装置原理图

5.1.2 比热 测试温度为T的试样及度样筒在很短的时间内落入温度为TK的铜卡计中，若试样筒与铜卡计达成热泪盈眶平衡后的温度为TB，则试样及试样筒的总热焓的减少量等于铜卡计的热焓增加量，即： （mCP

+mT

CPT)(T-TB)=mk

CPK(TB-TK)其中，m—试样的质量；CP—试样的比热；mT—试样筒的质量；CPT—试样筒的比热；mk—铜卡的质量；CPK—铜卡的比热。

空白试验中试样筒与铜卡计达成热平衡后的温度为TB`，则有：

mT

CPT(T-TB`)=mk

CPK(TB`-TK)

CP=（mk

CPK/m)(TB-TB`)/(T-TB)

5.1 PMC的热性能

5.1.2 比热5.1 PMC的热性能

复合材料的比热的复合效应与其复合状态无关，而只与组分材料因素有关，表现为最简单的平均效应。

5.1.3 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。=（L/T）P/L

=（V/T）P/V=(L/T)/L=(V/T)/V=1+2+3=35.1 PMC的热性能

5.1.3 热膨胀性能 负膨胀系数和零膨胀系数材料5.1 PMC的热性能

5.1.3 热膨胀性能

5.1 PMC的热性能

5.1.3 热膨胀性能

5.1 PMC的热性能

5.1.3 热膨胀性能 复合材料热膨胀系数的影响因素

组成材料因素:材料的热膨胀系数，组成材料含量与模量的乘积

5.1 PMC的热性能

5.1.3 热膨胀性能 复合材料热膨胀系数的影响因素复合状态的影响：增强材料在基体中的分布、排布方式，纤维预应力

使用条件因素：使用温度，热循环5.1 PMC的热性能

5.1.3 耐热性能

PMC的耐热性能主要决定于其聚合物基体的耐热性能。5.1 PMC的热性能

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）。 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、纤维形式及基体类型等。5.2.1 静态力学性能

PMC一般直到断裂都是完全弹性的，没有屈服点或塑性区。此外，PMC的断裂应变很小，与金属相比，断裂功小、韧性差。5.2 PMC的力学性能

5.2.1 静态力学性能

5.2 PMC的力学性能

5.2.1 静态力学性能

5.2 PMC的力学性能

5.2.1 静态力学性能

5.2 PMC的力学性能

5.2.3 疲劳性能 所有材料在低于静态强度极限的动载荷作用下，经过不同时间都要破坏的现象称为疲劳。通常用疲劳寿命（循环次数）N或疲劳强度SN来表示材料的疲劳性能，并以所加应力幅值或最大应力与应力循环次数的关系曲线（S-N曲线）形式给出。

PMC的S-N曲线的影响因素：纤维类型及体积分数 基体类型铺层方式 界面性质载荷形式 平均应力交变应力频率 环境条件5.2 PMC的力学性能

5.2.3 疲劳性能

5.2 PMC的力学性能

5.2.3 疲劳性能

5.2 PMC的力学性能

5.2.4 冲击韧性 评价复合材料冲击韧性最普通的方法是通过测量破坏一个标准试样所需能量来确定冲击韧性。5.2 PMC的力学性能

5.2.4 冲击韧性5.2 PMC的力学性能

5.3.1 电性能 体积电阻率：RV=

V

d/s5.3 PMC的其他性能

5.3.1 电性能 表面电阻率：RS=

S

d/a

a—材料表面的导电宽度。5.3 PMC的其他性能

5.3.2 光学性能

PMC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： 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； 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）。5.3 PMC的其他性能

5.3.3 老化性能

PMC在长期的使用过程中，由于物理和化学因素的作用，面发生物化性能的下降或变差的现象称为老化。 造成PMC老化的因素有：阳光、高能幅射、工业废气、盐雾、微生物等。

老化性能测试： 户外测试（户外曝晒） 棚内老化试验 人工加速老化

5.3 PMC的其他性能

第六章碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是以碳纤维（或石墨）为增强纤维，以碳（或石墨）为基体的复合材料。特点： 优异的热性能，高的导热性、低的热膨胀系数、抗热冲 击。 优异的高温力学性能，高温下的高强度和模量、低蠕变、 高断裂韧性。高温时随温度的升高强度也升高。 是目前唯一可用于达2800℃的复合材料。6.1 简介

6.1 简介

6.1 简介图6-2碳/碳复合材料制造的刹车零件

6.2.1 预成型体的制备

基本思路：先将碳增强材料预先制成预成型体，然后再以基体碳填充逐渐形成致密的碳/碳复合材料。 与聚合物基复合材料一样可制成单向、二维或三维的织物。6.2