第5章-2-复合材料

1、 高分子复合材料 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 李晓萌李晓萌 概念概念 复合材料复合材料：由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质，用由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质，用 适当的工艺方法组合而成的具有适当的工艺方法组合而成的具有复合效应复合效应的的多相多相固体材料固体材料。 复合材料的结构组成复合材料的结构组成 v结构通常由一相为结构通常由一相为连续相连续相，另一相以独立形态分布于连续，另一相以独立形态分布于连续 相的相的分散相分散相； v分散相的存在，使材料性能发生显著的变化；分散相的存在，使材料性能发生显著的变化； v构成连续相的物质称为构成连续相的物质称为基体基体，构成分

2、散相的物质称为，构成分散相的物质称为分散分散 质质，或称，或称增强剂增强剂 。 复合材料的特点复合材料的特点：多相体系多相体系和复合效应和复合效应 复合材料的分类复合材料的分类 v 按使用性能分类按使用性能分类 结构复合材料结构复合材料(力学复合材料力学复合材料)：以提高力学性能为目的的复合材料。：以提高力学性能为目的的复合材料。 功能复合材料功能复合材料：具有特殊功能的复合材料。如以锆钛酸铅粉末与高分：具有特殊功能的复合材料。如以锆钛酸铅粉末与高分 子树脂复合制成压电复合材料，成型加工性好，而且压电系数提高。子树脂复合制成压电复合材料，成型加工性好，而且压电系数提高。 v 按基体材料分类按基

3、体材料分类 金属基复合材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 树脂基复合材料树脂基复合材料 碳基复合材料碳基复合材料 v 按分散质分类按分散质分类 纤维增强复合材料纤维增强复合材料 粒子填料改性复合材料粒子填料改性复合材料 聚合物聚合物- -聚合物复合材料聚合物复合材料 高分子复合材料高分子复合材料-树脂基复合材料树脂基复合材料 v 减震性减震性 树脂基体和复合材料的界面均具有吸震能力。树脂基体和复合材料的界面均具有吸震能力。 v 比强度、比模量大比强度、比模量大 指材料强度和模量与相对密度之比，是衡量材料承载能力指材料强度和模量与相对密度之比，是衡量材料承载能力 的指标，其值越大，

4、材料刚性越大。的指标，其值越大，材料刚性越大。 v 良好的抗疲劳性能及过载安全性良好的抗疲劳性能及过载安全性 抗疲劳性好，金属疲劳破坏常为无征兆突然破坏，而树脂基抗疲劳性好，金属疲劳破坏常为无征兆突然破坏，而树脂基 复合材料中纤维与基体的界面可阻止裂纹发展复合材料中纤维与基体的界面可阻止裂纹发展(金属的疲劳极金属的疲劳极 限仅为其拉伸强度的限仅为其拉伸强度的4050%，而复合材料可达，而复合材料可达7080%)。 v 耐烧蚀性能好耐烧蚀性能好 树脂基体的比热、熔融热、汽化热都高于金属，短时耐高树脂基体的比热、熔融热、汽化热都高于金属，短时耐高 温性优于金属材料，可作为有机消融材料用于卫星返回舱

5、。温性优于金属材料，可作为有机消融材料用于卫星返回舱。 v 长期耐热性差性长期耐热性差性 一般在一般在200以下，高性能复合材料在以下，高性能复合材料在500以下。以下。 v 工艺性好工艺性好 常采用整体成型，工艺简单，加工周期短，成本较低。常采用整体成型，工艺简单，加工周期短，成本较低。 v可设计性强可设计性强 可利用纤维取向控制，使材料在不同的方向具有不同的强可利用纤维取向控制，使材料在不同的方向具有不同的强 度，以满足不同的需要。度，以满足不同的需要。 v 耐大气老化性差耐大气老化性差 使用寿命短，一般不超过使用寿命短，一般不超过20年。年。 v 层间剪切强度低层间剪切强度低 一般不到拉

6、伸强度的一般不到拉伸强度的10%，且性能分散性大，难以承受受，且性能分散性大，难以承受受 力复杂的情况。力复杂的情况。 聚合物基体的作用聚合物基体的作用 v将纤维粘结成一个整体；将纤维粘结成一个整体； v保护纤维免受湿气、空气的侵蚀，免受磨损；保护纤维免受湿气、空气的侵蚀，免受磨损； v将所受外力均匀分散于纤维（起传递载荷的作用）；将所受外力均匀分散于纤维（起传递载荷的作用）； v承受层间剪切承受层间剪切、压缩压缩、扭曲扭曲载荷载荷，基本不承受拉伸，基本不承受拉伸载荷载荷。 断裂应变应高于增强体。断裂应变应高于增强体。 聚合物基体聚合物基体 聚合物基体聚合物基体 层间层间 剪切剪切 强度强度

7、压缩压缩 强度强度 扭曲扭曲 强度强度 耐耐 燃燃 性性 耐耐 老老 化化 成型成型 工艺工艺 性能性能 决定决定 聚合物基体的特点聚合物基体的特点 v 基体必须为连续相；基体必须为连续相； v 基体受热或外力冲击时，必须能产生塑性流动，把能量基体受热或外力冲击时，必须能产生塑性流动，把能量 传递给增强纤维；传递给增强纤维； v 基体应有一定的强度和耐热性、耐水性；基体应有一定的强度和耐热性、耐水性； v 基体与纤维的粘附性要好。因除强度外，其它性能几乎基体与纤维的粘附性要好。因除强度外，其它性能几乎 都决定于基体、基体与纤维的界面性能；都决定于基体、基体与纤维的界面性能； v 纤维纤维与基体

8、复合时，加工应简单易行。与基体复合时，加工应简单易行。 聚合物基体的种类聚合物基体的种类v酚醛树脂酚醛树脂-耐热性最好耐热性最好 v环氧树脂环氧树脂-综合性能最优，可室温固化综合性能最优，可室温固化 v不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂-加工性能最好加工性能最好 热固性树脂热固性树脂 v预聚物分子量低，固化前流动性好，适合多种工艺。预聚物分子量低，固化前流动性好，适合多种工艺。 v固化后材料的强度和模量高、蠕变小、热变形温度高，断裂固化后材料的强度和模量高、蠕变小、热变形温度高，断裂 伸长率小（伸长率小（0.57%），单向强度大。），单向强度大。 v热固性树脂占统治地位，包括：环氧、不饱和聚酯、聚酰

9、亚热固性树脂占统治地位，包括：环氧、不饱和聚酯、聚酰亚 胺、双马来酰亚胺树脂。胺、双马来酰亚胺树脂。 玻璃钢玻璃钢（GFRP）：以热固性树脂为基体，以玻璃纤维为增）：以热固性树脂为基体，以玻璃纤维为增 强剂构成的复合材料，产量占纤维增强树脂基复合材料总量强剂构成的复合材料，产量占纤维增强树脂基复合材料总量 的的90%。 常用热塑性树脂基体常用热塑性树脂基体 v碳链：碳链：PE、PP、PS、PMMA、PTFE等等 v杂链：杂链：PA、PET、PBT、PC、PPO、PPS、PSF、PEEK 热塑性树脂热塑性树脂 v断裂伸长率大断裂伸长率大(2030%)，韧性好，强度和模量低，易蠕变；，韧性好，强度

10、和模量低，易蠕变； v制品损伤后易修补，废料易回收；制品损伤后易修补，废料易回收； v用常规塑料成型方法，大多用短纤维，单向强度小，三维强用常规塑料成型方法，大多用短纤维，单向强度小，三维强 度大体相等；度大体相等； v相对分子质量高，对纤维的浸润性差，用长纤维成型困难；相对分子质量高，对纤维的浸润性差，用长纤维成型困难； v因高性能热塑性工程塑料的开发，其作为基体发展迅速。碳因高性能热塑性工程塑料的开发，其作为基体发展迅速。碳 链：链：PE、PP、PS、PMMA、PTFE等等 添加在树脂中，使其力学性能得到显著提高的纤维状物添加在树脂中，使其力学性能得到显著提高的纤维状物 质或织物。质或织物

11、。 作用作用 在复合材料中构成骨架，承载外力（主要是拉伸强度和在复合材料中构成骨架，承载外力（主要是拉伸强度和 拉伸模量），是力学性能和热性能的主要提供者。拉伸模量），是力学性能和热性能的主要提供者。 分类分类 v无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、晶须、石棉、陶无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、晶须、石棉、陶 瓷纤维及金属纤维瓷纤维及金属纤维 v有机纤维：合成纤维有机纤维：合成纤维( (芳纶、超高摩尔质量聚乙烯纤维芳纶、超高摩尔质量聚乙烯纤维) )、 棉、麻、纸棉、麻、纸 增强剂增强剂 玻璃纤维玻璃纤维 根据碱金属氧化物含量大小，分为：根据碱金属氧化物含量大小，分为： v无碱玻璃纤维：氧化

12、钠无碱玻璃纤维：氧化钠/钾的含量低于钾的含量低于2%，铝和硼的含量较，铝和硼的含量较 高，也叫高，也叫E（electrical glass fiber）玻璃纤维。强度高，耐）玻璃纤维。强度高，耐 水性好，电绝缘性好。水性好，电绝缘性好。 v中碱玻璃纤维：氧化钠中碱玻璃纤维：氧化钠/钾含量为钾含量为812%，C(chemical glass fiber) 玻璃纤维。玻璃纤维。 v高碱玻璃纤维：氧化钠高碱玻璃纤维：氧化钠/钾含量为钾含量为1417%，强度，强度低，耐水低，耐水 性差，耐酸性好，价格低，性差，耐酸性好，价格低，alkali glass fiber, 主要化学成分：主要化学成分：SiO

13、2、B2O3以及钠、钾、钙、铝的氧化物。以以及钠、钾、钙、铝的氧化物。以 SiO2为主要成分的称为硅酸盐玻璃，以为主要成分的称为硅酸盐玻璃，以B2O3为主要成分的称为为主要成分的称为 硼酸盐玻璃。硼酸盐玻璃。 普通普通玻璃玻璃纤维纤维 v优点：不燃、不腐、耐高温优点：不燃、不腐、耐高温(软化点可达软化点可达850)、拉伸强度高。、拉伸强度高。 v缺点：模量小、脆性大、不耐磨、扭转强度和剪切强度均比其缺点：模量小、脆性大、不耐磨、扭转强度和剪切强度均比其 它纤维低、易折断它纤维低、易折断 。 具备某些特殊物理化学性能的玻璃纤维。如：具备某些特殊物理化学性能的玻璃纤维。如： v石英玻璃纤维：。强度

14、高，耐水性好，电绝缘性好。石英玻璃纤维：。强度高，耐水性好，电绝缘性好。 v高硅氧玻璃纤维：氧化钠和氧化钾含量为高硅氧玻璃纤维：氧化钠和氧化钾含量为812%， chemical glass fiber,C玻璃纤维。玻璃纤维。 v高模量玻璃纤维：高模量玻璃纤维：1417%，强度，强度低，耐水性差，耐酸性好，低，耐水性差，耐酸性好， 价格低，价格低，alkali glass fiber, v耐辐射、电绝缘玻璃纤维耐辐射、电绝缘玻璃纤维 特种特种玻璃玻璃纤维纤维 由粘胶纤维、天然纤维素纤维、腈纶纤维、沥青纤维等在由粘胶纤维、天然纤维素纤维、腈纶纤维、沥青纤维等在 隔氧下，高温碳化而成。一般含碳量在隔

15、氧下，高温碳化而成。一般含碳量在90%以上，表面富含极以上，表面富含极 性基团。性基团。 v耐高温耐高温(2000)，在，在3000无氧下无损；热膨胀系数小无氧下无损；热膨胀系数小(比钢比钢 材小几十倍，接近零材小几十倍，接近零) 。 v耐摩擦、高强度、高模量耐摩擦、高强度、高模量(GF的的3倍，倍，Keveler-49的的2倍倍)，比，比 强度是钢的强度是钢的16倍，铝的倍，铝的12倍。倍。 v具有较好的导电性，导热性、防腐性（优于具有较好的导电性，导热性、防腐性（优于GF和和KF-49，在，在 王水中长期使用）。王水中长期使用）。 碳纤维碳纤维 以比强度、比模量为综合指标，碳纤维增强环氧树

16、脂为以比强度、比模量为综合指标，碳纤维增强环氧树脂为 现有结构材料中最高的。现有结构材料中最高的。 以以13um钨丝作芯材，在高温（钨丝作芯材，在高温（10001200）沉积炉中）沉积炉中 进行进行BCl3+H2B+HCl的反应，硼沉积在钨丝表面，形成约的反应，硼沉积在钨丝表面，形成约 100um直径的纤维。直径的纤维。 u优异的压缩强度和疲劳强度，弹性模量在所有纤维中最高。优异的压缩强度和疲劳强度，弹性模量在所有纤维中最高。 u耐高温耐高温 u价格昂贵，仅少量用于军事。价格昂贵，仅少量用于军事。 硼纤维硼纤维 即金属氧化物的连续纤维，包括氧化铝、氮化硼、碳化硅、即金属氧化物的连续纤维，包括氧

17、化铝、氮化硼、碳化硅、 氮化硅、氧化钛、氧化锆纤维。具有有机纤维无法比拟的耐氮化硅、氧化钛、氧化锆纤维。具有有机纤维无法比拟的耐 高温、抗氧化和耐化学溶剂性；高模量、卓越的压缩强度，高温、抗氧化和耐化学溶剂性；高模量、卓越的压缩强度， 多用作金属基复合材料的增强剂多用作金属基复合材料的增强剂。 陶瓷纤维陶瓷纤维 由芳香族聚酰胺经溶液纺丝或液晶纺丝制成的纤维，主要由芳香族聚酰胺经溶液纺丝或液晶纺丝制成的纤维，主要 用作高性能树脂基复合材料。用作高性能树脂基复合材料。 v对基材的黏附力好对基材的黏附力好 v比强度、比模量高比强度、比模量高 v热稳定性好，对氧稳定，具自熄性热稳定性好，对氧稳定，具自

18、熄性 Kevlar-29（高韧性）（高韧性）/49（高模量）（高模量）/149（超高模量）（超高模量）:聚对苯聚对苯 二甲酰对苯二胺，属高分子液晶，溶液纺丝或液晶纺丝而成。二甲酰对苯二胺，属高分子液晶，溶液纺丝或液晶纺丝而成。 用于火箭发动机壳体、飞机零部件，防弹头盔、运钞车防穿用于火箭发动机壳体、飞机零部件，防弹头盔、运钞车防穿 甲弹坦克，代钢筋材料，轮胎帘子线。甲弹坦克，代钢筋材料，轮胎帘子线。 Nomex:聚间苯二甲酰间苯二胺，溶液纺丝而成。聚间苯二甲酰间苯二胺，溶液纺丝而成。 芳纶纤维芳纶纤维 UHMWPEUHMWPE经凝胶纺丝制成，用于防弹服经凝胶纺丝制成，用于防弹服 v密度最小，比

19、强度高，韧性好，用剪刀剪不断；密度最小，比强度高，韧性好，用剪刀剪不断； v能量吸收性能和阻尼性能优于芳纶；能量吸收性能和阻尼性能优于芳纶； v耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、介电常数低、电磁波透射率高、摩擦系数耐紫外线辐射、耐化学腐蚀、介电常数低、电磁波透射率高、摩擦系数 低及突出的抗冲击、抗切割等优异性能。低及突出的抗冲击、抗切割等优异性能。 v界面黏结性差，不耐高温（极限使用温度界面黏结性差，不耐高温（极限使用温度100100130130）。）。 超高摩尔质量聚乙烯纤维超高摩尔质量聚乙烯纤维 晶须晶须 以单丝形式存在的单晶体，如金属晶须、陶瓷晶须（碳化硅以单丝形式存在的单晶体，如金属晶须、陶瓷

20、晶须（碳化硅 晶须）直径仅为晶须）直径仅为14um的针状单晶体的针状单晶体 v具有高强度、高模量；具有高强度、高模量； v卓越的耐热性；卓越的耐热性； v因直径小，加入聚合物后很少增加体系粘度，反而使加工流因直径小，加入聚合物后很少增加体系粘度，反而使加工流 动性改善；动性改善； 基质与骨架之间的界面黏结力是复合材料能否长期承受载荷的关键。基质与骨架之间的界面黏结力是复合材料能否长期承受载荷的关键。 纤维增强材料的表面处理纤维增强材料的表面处理 v脱蜡脱蜡 高温炉加热（热处理）使拉伸和纺织时加入的润滑剂高温炉加热（热处理）使拉伸和纺织时加入的润滑剂石蜡分解、石蜡分解、 碳化，生成极性基团附着在

21、表面，避免对界面黏结力的影响。碳化，生成极性基团附着在表面，避免对界面黏结力的影响。 v使用偶联剂使用偶联剂 偶联剂偶联剂：分子中同时含有两种不同性质的功能性基团，可分别与树脂和：分子中同时含有两种不同性质的功能性基团，可分别与树脂和 纤维产生亲和力的物质，又称架桥剂。可提高树脂和增强剂或填料间的纤维产生亲和力的物质，又称架桥剂。可提高树脂和增强剂或填料间的 界面结合力。界面结合力。 如环氧树脂玻璃钢中采用如环氧树脂玻璃钢中采用KH-550(KH-550(- -氨基丙基三乙氧基硅烷氨基丙基三乙氧基硅烷) )，氨，氨 基可与环氧基反应，乙氧基水解产生硅羟基，与玻纤表面的硅羟基反应基可与环氧基反应

22、，乙氧基水解产生硅羟基，与玻纤表面的硅羟基反应 生成硅氧硅键。通过偶联剂使玻纤与树脂产生化学结合，大大提高了复生成硅氧硅键。通过偶联剂使玻纤与树脂产生化学结合，大大提高了复 合材料的性能。合材料的性能。 玻璃纤维的表面处理玻璃纤维的表面处理 碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理 v氧化法氧化法 Y气相氧化法：空气、氧气、臭氧、二氧化碳气相氧化法：空气、氧气、臭氧、二氧化碳 Y液相氧化法（化学腐蚀）：用浓硝酸、次氯酸钠、磷酸洗液浸泡，使纤液相氧化法（化学腐蚀）：用浓硝酸、次氯酸钠、磷酸洗液浸泡，使纤 维表面粗糙化并引入极性基团（羧基、羰基、羟基），改善纤维表面性能，维表面粗糙化并引入极性基团（羧基、

23、羰基、羟基），改善纤维表面性能， 提高层间剪切强度。但碳纤维吸附的酸不易洗净，仅用于实验室。提高层间剪切强度。但碳纤维吸附的酸不易洗净，仅用于实验室。 Y阳极氧化法：以碳纤维为阳极，石墨及金属材料为阴极，在含有阳极氧化法：以碳纤维为阳极，石墨及金属材料为阴极，在含有NaOH、 HNO3、H2SO4等电解质溶液中通电，进行阳极氧化处理，层间剪切强度等电解质溶液中通电，进行阳极氧化处理，层间剪切强度 可提高可提高4080%，但需经水洗、干燥等工序。，但需经水洗、干燥等工序。 v表面涂层表面涂层 在纤维表面浸涂一层树脂（低黏度、有溶剂），这种纤维在与树脂复在纤维表面浸涂一层树脂（低黏度、有溶剂），这种纤维在与树脂复 合时界面不易产生空隙。合时界面不易产生空隙。 v