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，构成分散相的物质称为

2、，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体材料分类 金属基复合材

3、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，材料刚性越大。的指标，其值越大

4、，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。温性优于金属材料，可作为有机消融材料用于

5、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 一般不到拉伸强度的一般不到拉伸强度的10%，且性能分散性大，难以

6、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

7、决定决定聚合物基体的特点聚合物基体的特点v 基体基体必须为必须为连续相；连续相；v 基体基体受热或外力冲击时，必须能产生塑性流动，把能量受热或外力冲击时，必须能产生塑性流动，把能量传递给增强传递给增强纤维；纤维；v 基体基体应有一定的强度和耐热性、应有一定的强度和耐热性、耐水性；耐水性；v 基体基体与纤维的粘附性要好与纤维的粘附性要好。因除。因除强度外，其它性能几乎强度外，其它性能几乎都决定于基体、基体与纤维的界面都决定于基体、基体与纤维的界面性能；性能；v 纤维纤维与基体复合时，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

8、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

9、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

10、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质添加在树脂中，使其力学性能得到显著提高的纤维状物质或织物。或织物。作用作用 在复合材料中构成骨架，承载外力（主要是拉伸强度和拉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。伸模量

11、），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。

12、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：SiO2、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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、

18、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

19、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

20、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

21、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，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、

22、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、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蒸汽