青岛科技大学高分子基复合材料课件第一章

1、 (1) 基体基体 热固性基体热固性基体(thermosetting matrix)： i) 熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好熔体或溶液粘度低，易于浸渍与浸润，成型工艺性好 ii) 交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆交联固化后成网状结构，尺寸稳定性好耐热性好，但性脆 iii) 制备过程伴有复杂化学反应制备过程伴有复杂化学反应 热塑性基体热塑性基体(thermoplastic matrix)： i) 熔体粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成熔体粘度大，浸渍与浸润困难，需较高温度和压力下成 型，工艺性差型，工艺性差 ii) 线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，

2、但韧性好线性分子结构，抗蠕变和尺寸稳定性差，但韧性好 iii) 制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象制备过程中伴有聚集态结构转变及取向、结晶等物理现象 聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（ PMC）的组成）的组成 (2) 增强体增强体 主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等主要有碳纤、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等 由于树脂基体与增强体相容性、浸润性较差，由于树脂基体与增强体相容性、浸润性较差， 增强体多经过表面处理与表面改性，以及浸润剂、增强体多经过表面处理与表面改性，以及浸润剂、 偶联剂和涂复层的使用，使其组成复杂化。偶联剂和涂复层的使用，使其组成复杂化。 复合材料的结构复合

3、材料的结构(structure of composites) 无规分散（弥散）增强结构无规分散（弥散）增强结构 （含颗粒、晶须、（含颗粒、晶须、 短纤维）短纤维）(randomly oriented) 连续长纤维单向增强结构连续长纤维单向增强结构（单向板）（单向板）(aligned) 层合层合(板板)结构结构(二维织布或连续纤维铺层，每层二维织布或连续纤维铺层，每层 不同不同)(laminate) 三维编织体增强结构三维编织体增强结构(braided fabric or filament winding) 夹 层 结 构夹 层 结 构 （ 蜂 窝 夹 层 等 ）（ 蜂 窝 夹 层 等 ） (

4、s a n d w i c h constructure) 混杂结构混杂结构(hybrid constructure) 引入引入相的相的“连通性连通性”概念，理论上可将复合材料结构划分概念，理论上可将复合材料结构划分 为为 0-3型、型、1-3型型2-2型、型、2-3型、型、3-3型型等几种典型结构等几种典型结构 三维编织三维编织纤维结构纤维结构 三维正交非织造的纤维结构三维正交非织造的纤维结构 (a)非线性法平面增强非线性法平面增强 (b) 一种开式格状结构一种开式格状结构 (c）一种柔性结构）一种柔性结构 管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型管、容器的螺旋缠绕平面缠绕线型 各种玻各种玻 璃璃夹层

5、夹层 结构结构 单向及准各向同性板的单向及准各向同性板的铺层铺层结构结构 混杂混杂复复 合材料合材料 的混杂的混杂 类型类型 1.基本概念和界面现象基本概念和界面现象 基本概念：相、界面、表面、界面相（层）、表面张力、界面能基本概念：相、界面、表面、界面相（层）、表面张力、界面能 接触角、粘附功接触角、粘附功 界面现象：界面现象： 表面吸附作用与浸润表面吸附作用与浸润 扩散与粘结（含界面互穿网络结构）扩散与粘结（含界面互穿网络结构） 界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力）界面上分子间相互作用力（范氏力和化学键合力） 复合材料的界面复合材料的界面(interface of composit

6、es) 2. 复合材料的界面形成过程复合材料的界面形成过程 PMC、MMC、CMC、C/C等复合材料体系对界面要求各等复合材料体系对界面要求各 不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点，不相同，它们的成型加工方法与工艺差别很大，各有特点， 使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为使复合材料界面形成过程十分复杂，理论上可分为三个阶段三个阶段。 （1）第一阶段第一阶段：增强体表面预处理或改性阶段。增强体表面预处理或改性阶段。 i) 界面设计与控制的重要手段界面设计与控制的重要手段 ii) 改性层成为最终界面层的重要组成部分改性层成为最终界面层的重要组成部分 iii) 为第二阶段作准备

7、为第二阶段作准备 （2）第二阶段第二阶段：增强体与基体在：增强体与基体在一组份为液态一组份为液态（或粘流态）（或粘流态） 时的接触与浸润过程时的接触与浸润过程 i) 接触接触吸附与浸润吸附与浸润交互扩散交互扩散化学结合或化学结合或 物理结合物理结合。化学结合可看作是一种特殊的浸。化学结合可看作是一种特殊的浸 润过程润过程 ii) 界面形成与发展的关键阶段界面形成与发展的关键阶段 （3）第三阶段第三阶段：液态（或粘流态）组分的：液态（或粘流态）组分的固化固化过程，即凝过程，即凝 固或化学反应固或化学反应 i) 界面的固定（亚稳态、非平衡态）界面的固定（亚稳态、非平衡态） ii) 界面的稳定（稳态

8、、平衡态）界面的稳定（稳态、平衡态） 在复合材料界面形成过程中涉及：在复合材料界面形成过程中涉及： i) 界面间的界面间的相互置换相互置换：如，润湿过程是一个固：如，润湿过程是一个固- 液界面置换固液界面置换固-气表面的过程气表面的过程 i i) 界面间的界面间的相互转化相互转化：如，固化过程是固：如，固化过程是固-液液 界面向固界面向固-固界面转化的过程固界面转化的过程 后处理过程：固后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程固界面自身完善与平衡的过程 PMC界面区域界面区域(interface zone of PMC)示意图示意图 1-外力场；外力场； 2-树脂基体；树脂基体； 3-基体表

9、面区；基体表面区； 4-相互渗透区；相互渗透区； 5-增强剂表面区；增强剂表面区； 6-增强剂增强剂 3. 复合材料界面结构与性能特点复合材料界面结构与性能特点 i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、 形式多样。界面区至少包括：基体表面层、增强体表形式多样。界面区至少包括：基体表面层、增强体表 面层、基体面层、基体/增强体界面层三个部分增强体界面层三个部分 ii ) 具有具有一定厚度一定厚度的界面相（层），其组成、结构、的界面相（层），其组成、结构、 性能随厚度方向变化而变化，具有性能随厚度方向变化而变化，具有“梯度梯度”材料的性能材料的

10、性能 特征特征 iii) 界面的界面的比表面积或界面相的体积分数很大比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是（尤其是 纳米复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应纳米复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应 产生的根源产生的根源 iv) 界面界面缺陷形式多样缺陷形式多样（包括残余应力）（包括残余应力）(residual stress)， 对复合材料性能对复合材料性能影响影响十分敏感十分敏感 4. 界面上力的传递与残余应力界面上力的传递与残余应力 有一定结合强有一定结合强 度 的 界 面度 的 界 面 （层），可在（层），可在 基体与增强体基体与增强体 之间进行之间进行 a. 力的转递力的转递 b

11、. 力的分配力的分配 c. 基体或增强基体或增强 体破坏过程中的体破坏过程中的 应力再分配应力再分配 组合力学性能组合力学性能 在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布，在复合材料未受外力时，界面上仍存在应力或应力分布， 这就是这就是“残余应力残余应力”。残余应力来源：。残余应力来源： 增强相与基体相增强相与基体相热膨胀系数的热膨胀系数的不匹配不匹配 相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均相与相之间的弹性系数不匹配，相内的应力分布不均 成型过程中，由高温成型过程中，由高温- -室温、由化学和物理变化引起的各室温、由化学和物理变化引起的各 组元体积收缩的不同，如：基体固化、聚集态

12、转变、晶组元体积收缩的不同，如：基体固化、聚集态转变、晶 相转变等相转变等 层合板中，由铺层方向不同所带来的层间残余应力（层层合板中，由铺层方向不同所带来的层间残余应力（层 合板的翘曲）合板的翘曲） 流变过程中，组元间的塑性变形差异引起的流变残余应流变过程中，组元间的塑性变形差异引起的流变残余应 力力 5. 复合材料界面破坏机制复合材料界面破坏机制(interface failure of composites) （1）破坏的来源）破坏的来源 基体内、增基体内、增 强体内和层强体内和层 面层上均存面层上均存 在微裂纹、在微裂纹、 气孔、内应气孔、内应 力力 在力场或外界环在力场或外界环 境（如

13、介质、水）境（如介质、水） 微裂纹和缺陷按本身的微裂纹和缺陷按本身的 规律发展，并消散能量规律发展，并消散能量 （2）破坏形式）破坏形式 5种基本破坏形种基本破坏形 式式 i) 基体断裂基体断裂 ii) 纤维断裂纤维断裂 iii) 纤维脱粘纤维脱粘 iv)纤维拔出纤维拔出(摩摩 擦功擦功) v) 裂纹扩展与偏裂纹扩展与偏 转转 5 5种形式种形式 综合体现综合体现 复合材料的复合材料的 破坏与失效破坏与失效 复合材料的破坏机制则是上述复合材料的破坏机制则是上述5 5种基本破坏形式的组合与综合种基本破坏形式的组合与综合 体现的结果。体现的结果。 6. 复合材料的界面理论复合材料的界面理论(The

14、 Interface Theories) （1）界面设计与控制的概念）界面设计与控制的概念(design and control of interlayer) 界面具有双重功能界面具有双重功能 传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好传递应力，需要一定界面结合强度，但不是愈高愈好 界面破坏。界面结合适度，界面破坏形式愈丰富，能量界面破坏。界面结合适度，界面破坏形式愈丰富，能量 耗散愈多。高的界面粘接强度，不一定带来材料整体的高强度耗散愈多。高的界面粘接强度，不一定带来材料整体的高强度 和高韧性。和高韧性。 在脆性纤维在脆性纤维-脆性基体复合体系中，强的界面结合往往导脆性基体复合体系中，强

15、的界面结合往往导 致各组元相中及相间的应力集中和脆性断裂、破坏形式单一，致各组元相中及相间的应力集中和脆性断裂、破坏形式单一， 不涉及界面破坏，其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。材料不涉及界面破坏，其能量耗散仅限于产生新的断裂表面。材料 易突然失效或发生灾难性破坏。弱的界面结合强度有时能带来易突然失效或发生灾难性破坏。弱的界面结合强度有时能带来 材料整体高的力学强度和韧性。弱的界面结合可以发生多种界材料整体高的力学强度和韧性。弱的界面结合可以发生多种界 面破坏形式（如纤维拔出、脱粘、应力再分配等），从而消耗面破坏形式（如纤维拔出、脱粘、应力再分配等），从而消耗 大量的外界功，提高材料的强度和韧

16、性，避免脆性断裂或灾难大量的外界功，提高材料的强度和韧性，避免脆性断裂或灾难 性破坏。性破坏。 因此，要求界面：因此，要求界面： . . 适宜的粘接强度适宜的粘接强度 最佳的界面结构和状态最佳的界面结构和状态 与界面相联系的理想的微观破坏机制与界面相联系的理想的微观破坏机制 这就是所谓界面设计与界面控制的基本概念这就是所谓界面设计与界面控制的基本概念 （2）界面理论界面理论 浸润浸润理论理论 化学化学键理键理 优先吸附理优先吸附理 可变形层理论可变形层理论 束缚层理论束缚层理论 每一理论只能部分解每一理论只能部分解 释某些现象或某些结释某些现象或某些结 果。都有一定局限性。果。都有一定局限性。

17、 实际的界面现象复杂实际的界面现象复杂 的多，需多方面、多的多，需多方面、多 角度加以分析。迄今，角度加以分析。迄今， 未能建立一个统一的未能建立一个统一的 界面响应理论模型。界面响应理论模型。 界面分子充分接触界面分子充分接触 粘接，作用力粘接，作用力 聚合物基复合材料的应用聚合物基复合材料的应用 1) 对信息技术提供服务对信息技术提供服务 复合材料复合材料 信息获得信息获得 敏感器件敏感器件 换能材料换能材料 信息存储信息存储 磁记录磁记录 光记录光记录 信息处理信息处理 芯片封装芯片封装 电路板电路板 信息传播信息传播 光导纤维光导纤维 导波管导波管 信息执行信息执行 机械动作机械动作

18、高强高刚高强高刚 2) 对提高人类生活质量做出贡献对提高人类生活质量做出贡献 复合材料复合材料 衣衣 纺织机械纺织机械 食食 蔬菜大棚蔬菜大棚 住住 建筑材料建筑材料 行行 交通工具交通工具 改善舒适性改善舒适性 轻质高强、隔音隔热轻质高强、隔音隔热 墙体门窗、整体洁具墙体门窗、整体洁具 飞机车辆、大小船舰飞机车辆、大小船舰 高速列车的车体结构高速列车的车体结构 提高安全性提高安全性 抗冲韧性、吸收能量抗冲韧性、吸收能量 汽车保险杠轿车底板汽车保险杠轿车底板 自诊断机敏复合材料自诊断机敏复合材料 高层建筑抗地政灾害高层建筑抗地政灾害 提高健康水平提高健康水平 修复植入人造器官修复植入人造器官

19、成分设计、调整应力成分设计、调整应力 生物相容性生物相容性 人工关节、夹骨板人工关节、夹骨板 3) 在解决资源短缺与能源危机方面的贡献在解决资源短缺与能源危机方面的贡献 复复 合合 材材 料料 开发新能源与开发新能源与 节约能源节约能源 挖掘尚未被利挖掘尚未被利 用的能源用的能源 开发海洋开发海洋 与空间与空间 使基础设施使基础设施 延长寿命延长寿命 提高太阳能的转换率（光电池、框架）提高太阳能的转换率（光电池、框架） 风力发电装置（大型化的叶片、支柱）风力发电装置（大型化的叶片、支柱） 核燃料（铀分离转子）；潮汐发电核燃料（铀分离转子）；潮汐发电 基础设施建设的重要性基础设施建设的重要性 高性能纤维增强混凝土，取代钢筋高性能