第12章聚合物基复合材料

1、第四篇 复合材料各论第十二章 聚合物基复合材料聚合物基复合材料是复合材料中研究最早、发展最快的一类复合材料，聚合物基复合材料已经形成了一个庞大的体系,具备完善的成型技术和生产工艺,复合材料的性能不断提高，应用领域日益扩大在现代复合材料领域中占有重要的地位，在国民经济建设中发挥了越来越重要的作用。第一节 聚合物基复合材料的分类与结构形式聚合物基复合材料以聚合物为基体的复合材料。聚合物基复合材料体系的分类，具有多种不同的划分标准:按增强纤维的种类:玻璃纤维增强、碳纤维增强、芳纶纤维增强、硼纤维增强、及其他纤维增强。按基体材料的性能：通用型、耐化学介质腐蚀型、耐高温型、阻燃型等。按成型固化方式：室温

2、常压固化成型及高温加压固化成型。按聚合物基体的结构形式来分类：热固性树脂基和热塑性树脂基。这种方法最能反映聚合物基复合材料本质。 1 热固性树脂基复合材料聚合物基复合材料的热固性树脂基体主要包括：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、其他热固性树脂。1.1 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂是指具有线型结构的、可溶的、分子质量不高，主链上同时具有重复酯键及不饱和双键的有机高分子化合物。根据不饱和聚酯树脂的组成和结构，可分为以下几类: (1)顺丁烯二酸酐型(顺酐型) 顺酐型不饱和聚酯树脂是由不饱和的顺丁烯二酸酐或反丁烯二酸酐与饱和二元酸及多元醇经缩聚而成。 (2)丙烯酸型 由甲基丙烯酸作为不饱和酸与饱和

3、二元酸及多元醇经缩聚反应而成。(3)丙烯酯型是由邻苯二甲酸二烯丙基酯(DAP)或间苯二甲酸二烯酯 (DAIP)在过氧化物引发剂存在下，通过加聚反应合成的。其结构式为：(4)二酚基丙烷型是由二酚基丙烷与环氧丙烷的加成物(又称D-33单体)代替部分二元醇,再通过与二元酸的缩聚反应而合成，其分子链中具有二酚基丙烷的链节。(5)乙烯基酯型由不饱和酸(丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸等)与低分子量聚合物(常用双酚A型环氧树脂)分子链中的活性基进行反应，引进不饱和双键。乙烯基酯型不饱和聚酯树脂的分子结构为：1.2 环氧树脂环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类有机高分子化合物。根据其分子结构，应用于

4、复合树料的品种大体可分为五大类：(1)缩水甘油醚类 (2)缩水甘油酯类(3)缩水甘油胺类(4)线型脂肪族类(5)脂环族类1.3 酚醛树脂酚醛树脂是由酚与醛按一定的比例在酸性或碱催化剂作用下相互缩合而制成的。复合材料中常用的热固性酚醛树脂按其化学结构可分为:(1)氨、钡催化酚醛树脂，其结构可表示如下:(2)改性酚醛树脂 改善酚醛树脂的工艺性和克服已固化酚醛树脂的脆性、耐碱性差等缺点。酚醛树脂的改性包括：聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、二甲苯改性酚醛树脂等。它们的结构式分别为:聚乙烯醇缩醛改性酚醛 有机硅改性酚醛 二甲苯改性酚醛环氧改性酚醛 这类树脂主要是由酚醛树脂中的羟甲基、酚羟基

5、分别与环氧树脂中环氧基起反应，最后交联成复杂的体型结构。(3)硼酚醛树脂在酚醛树脂结构中，引入硼元素，以使树脂基体具有优良的耐热性和耐烧蚀性。其结构为： 1.4 其他热固性树脂(1)呋喃树脂 树脂分子结构中含有呋喃环(氧杂茂)的一类有机高分子化合物。(2)有机硅树脂 分子主链由硅氧键(SiOSi)构成，侧链通过硅原子与有机基团相连的一类聚合物。(3)丁苯树脂 由丁二烯和苯乙烯(克分子比为7.7：1)在离子型催化剂存在下经共聚反应制得，通过大分子链上以及乙烯基侧链上的不饱和双键与一定量的乙烯基单体进行共聚反应，形成三维网状体型结构。(4)二苯醚树脂 二苯醚树脂系由二苯醚经氯甲基化、水解反应或直接

6、由二苯醚与甲醛反应制得的热固性树脂。 2 热塑性树脂基复合材料热塑性树脂基体是指具有线型或支链型结构的一类有机高分子化合物。特性:受热软化(或熔化)，冷却变硬。纤维增强复合材料聚合物基体的热塑性树脂主要种类:聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯以及聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、ABS树脂。表1给出了上述热塑性树脂的分子结构及主要性能。树脂种类符号分子结构（分子式或分子组成）主要性能拉伸强度（MPa）拉伸模量（GPa）弯曲强度（MPa）延伸率（%）热变形温度（）（1.86 MPa ）聚乙烯PE230.8252960聚丙烯PP35401.4425620063聚苯乙烯PS592

7、.377288聚氯乙烯PVC3563701121256080表1 常用热塑性树脂基体树脂种类符号分子结构（分子式或分子组成）主要性能拉伸强度（MPa）拉伸模量（GPa）弯曲强度（MPa）延伸率（%）热变形温度（）（1.86 MPa ）聚酰胺PA702.8100606686聚甲醛POM702.89860110聚碳酸酯PC632.210060100132138聚对苯二甲酯乙二醇酯PETP741255068续表1 常用热塑性树脂基体第二节 聚合物基复合材料的制造技术1 聚合物基复合材料的工艺特点聚合物基复合材料成型工艺与其他材料加工工艺相比有其特点。材料的形成与制品的成型是同时完成的。复合材料生产过

8、程也是制品的生产过程。在成型中，增强材料的性状变化不大，基体的性状却有较大改变。在各种热固性复合材料的成型方法中都有固化工序，为使固化后的制品具有良好的性能，制订工艺规范，合理确定固化温度、压力、保温时间等工艺参数。成型过程中纤维的预处理(物理或化学的处理)，纤维的排列方式，驱除气泡的程度,是否挤胶, 是否挤放，温度、压力、时间控制精确度等都直接影响制品性能。根据制品结构和使用受力情况来选择成型工艺。成型单向受力杆件和梁应采用拉挤法，拉挤成型可保证制品在顺着纤维方向上具有最大的强度和刚度。簿壳构件可采用连续纤维缠绕工艺，以实现各个方向具有不同的强度和刚度的要求。对于载荷情况不很清楚或承受随机分

9、布载荷的制品，选用短切纤维模压、喷射等成型方法可以获得近似各向同性的制品。复合材料形成和制品成型同完成的特点，可以实现大型制品一次整体成型，从而简化了制品结构，并且减少组成零件和联接零件的数量，这对减轻制品质量，降低工艺消耗和提高结构使用性能十分有利。复合材料成型方便，金属材料无法相比。成型的复合材料制品的工艺特点: 比较简单，具体操作要求严格，材料组分、配比、纤维排布不按设计要求，会形成皱纹、气泡、或其他缺陷。 2 聚合物基复合材料的成型方法从原材料到形成制品的过程,可以统一用图1的生产流程来表示。聚合物基复合材料中最重要的成型方法复合材料制品的生产流程图2.1 手糊法手糊法是用手工工具将布

10、或纤维毡浸上树脂胶液,铺糊在敞开模具上，经固化和脱模即可获得制品。特点: 所用工具和工艺设备简单，不受制品尺寸限制，质量不稳定，易受作业人员水平、经验和劳动态度的影响，且劳动条件差。适宜于小批量、大尺寸、品种变化多的制品生产。用来成型船体、小型游泳池。2.2 喷射法喷射法是利用高压空气将树脂系统(包括固化剂、引发剂和促进剂等)和短切纤维从喷枪上不同喷嘴同时喷出并沉积在模具面上，用手辊压实浸渍纤维层，然后室温固化成型得到制品。特点:喷射成型可以成型较为复杂形状的制品，它需要专用的喷射机，施工中材料浪费较大。用喷射工艺能够成型小船、屋顶、强度不高的罐体和管道、管于衬里、净化槽和浴槽等制品。2.3

11、压制法压制成型分为:预成型对模压制、片状模塑料压制、预混料压制和冷压制等。预成型对模压制通常分两步进行：第一步是预先成型出制品的毛坯；第二步再将毛坯置于成型对模上，然后倒入树脂胶液，加温、加压固化成型后，脱模即可得到制品。片状模塑料压制在对模中成型制品的方法。具体操作是先将片状材料根据制品尺寸进行剪裁、称重，撕去表面保护薄膜，然后叠放在模具内，经过热压固化成为制品。冷压成型法是制品成型依赖树脂系统固化放热提供热量成型方法。 2.4 树脂传递(树脂压注)模压法先在闭合模腔中铺放经缝制好的增强材料(布或是纤维毡)，再将树脂液用泵压注到模腔内，依靠树脂的液压浸渍纤维材料，固化后脱模便得到制品。这种方

12、法效率较高且能保证制品内外光滑。应用：成型大型板、汽车部件、中等容器、雷达天线罩等制品。2.5 缠绕成型法将连续纤维或布带浸渍树脂后，再缠绕到一定形状的芯模上，达到一定厚度后，通过固化脱模得到制品。它适宜要承受一定内压的中空型容器。可以用于固体火箭发动机壳体、压力容器和管道、药品贮罐等制品。2.6 离心成型法将短切纤维毡铺在中空芯模的内壁上，使芯模快速旋转，同时向纤维层均匀喷洒树脂液，由于离心力迫使纤维紧贴在芯模内壁，同时迫使树脂浸润纤维，向芯模内送入热风加速制品固化。 此法适于成型强度要求不高的大型中空容器和大直径管。2.7 袋压法有真空袋压和压力袋压两种方法。真空袋压：使柔软材料和模具之间

13、形成一个密闭空间，对密封空间抽真空。压力袋压：进行加温加压。 2.8 连续成型法包括波纹板、平板连续成型和连续拉挤型材等方法。连续板生产是用树脂浸渍连续织物或毡片，上下两面用玻璃纸或薄膜盖上，复合物经模板或压辊压到一定厚度，并被牵引至加热炉中加热固化，然后切割成定尺寸的板材。连续型材生产是将连续粗纱浸胶后，牵引到模内预成型，经过加热固化，连续拉挤成具有各种断面形状的材料，再根据长度切割。生产的型材可以加工成钓鱼秆、绝缘棒、高尔夫球杆、等制品。连续成型生产效率高，可以大批量地生产复合材料制品,复合材料制造方法分类如下表。分类制造方法纤维长度(mm)纤维含量（%）强度操作条件渗透成型法手糊法502

14、530一般不好喷射法25502530一般不好预成型坯模压法503040一般可以袋压法5060较高良好冷压法5030一般可以树脂注射法5030一般可以缠绕法连续5070高不太好连续成型法连续5060高 可以流动成型法SMC模压法25以下2530一般良好 BMC模压法13以下1020低良好复合材料制造方法分类 第三节 聚合物基复合材料的基本性能纤维增强塑料(FRP)是由物化性能截然不同的无机纤维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。FRP具有许多优异的性能。以玻璃纤维增强聚酯聚酯玻璃钢为例, 在设计制造方面有许多优点，如：投资小、上马快、设计自由度大、成型工艺简便、制品

15、尺寸不限及着色自由等，有优异的基本性能，如热固性；比强度和比刚度高；电性能和热性能良好；耐化学腐蚀性良好，耐水性优异，耐候性和耐紫外光性良好；阻燃性；透明半透明。FRP性能的影响因素如下: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等是决定FRP性能的最主要因素。不同成型工艺,制品性能亦有较大差异。增强纤维与基体树脂的界面粘接状况在一定条件下也可能为影响FRP性能的因素。表4列出了不同成型土艺、不同原材料的FRP的基本性能数据。表5给出了不同纤维构成的FRP的机械性能。表6显示了玻璃纤维制品类型及成型方法对于FRP机械性能的影响。 表5 玻璃纤维的构成与FRP的机械性能 续表 5玻璃

16、纤维的构成与FRP的机械性能表6 增强材料及成型方法和强度的关系 成型方法性能手糊成型真空袋成型加压袋成型热压釜成型模压成型增强材料玻璃毡(600gm2)无捻粗纱布(900gm2）玻璃布(340gm2)玻璃毡(600gm2)玻璃布(340gm2)玻璃毡(600gm2)玻璃毡(600gm2)玻璃毡(600gm2)成型压力（MPa）00.070.8410.528.017.570.035.0120.0纤维含量（%）23 51 4638 50414850密度（g/cm）1.52 1.64 1.631.50 1.671.53 1.611.63 成型方法性能手糊成型真空袋成型加压袋成型热压釜成型模压成型拉

17、伸强度（MPa）81 231 168130 169136150156拉伸模量（GPa）6.4 14.4 13.66.7 27.78.58.69.0弯曲强度（MPa）143 190 217190 247204218227弯曲模量（MPa）5.7 12.7 13.88.7 13.8 9.09.710.0压缩强度（MPa）118 119 132157 148159162168压缩模量（GPa）6.5 17.1 17.28.1 10.88.5 8.79.0续表6 增强材料及成型方法和强度的关系 1 FRP的机械性能 1.1 FRP机械性能的特点(1)比强度高FRP的密度在1.4g/cm32.2g/cm

18、3之间，约为钢的1/41/5。强度与一般碳素钢相近。所以FRP的比强度很高。(2)各向异性 FRP的机械性能呈现明显的方向依赖性，是一种各向异性材料。 (3)弹性模量和层间剪切强度低玻璃纤维增强塑料的弹性模量较低，作为结构件使用时，常感到刚度不足。例如，含玻璃纤维30的单向FRP板，其弹性模量为5104MPa，为钢的14、铝的710。双向FRP板，主应力方向弹性模量为钢的114，铝的15。金属的的剪切弹性模量为其拉压弹性模量的40而双向FRP的仅为拉压弹性模量的20，单向FRP的则不到10。FRP的层间剪切强度亦很低，一般不到其拉伸强度的10。(4)性能分散性大FRP的性能受一系列因素的影响，

19、其性能是不稳定的。例如3号钢屈服强度极限的离散系数为3.0，而手糊平衡型双向FRP的强度离散系数有时可达15。1.2 FRP的静态特性FRP的基本静态特性包括拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量。(1)拉伸特性单向增强FRP而言，沿纤维方向的拉伸强度 及弹性模量 均随纤维体积含量 的增大而正比例增加。表7给出了E-42环氧FRP拉伸性能的方向性。LLEfV表7 E-42环氧FRP拉伸性能注:原材料:无碱100平纹布9层,E-42环氧树脂。 试验温度：1522，144根试件。(2)压缩特性FRP的压缩特性的理论分析及实验结果与拉伸特征的情形类似。在应力很小、纤维末压弯，压缩弹性模量与拉伸弹性模量接近。

20、例如:玻璃布增强FRP的压缩弹性模量大体是单向FRP的压缩弹性横量 的0.500.55倍；纤维毡增强FRP时压缩弹性模量则大致为 的0.4倍。尽管单向FRP的压缩强度也有随着纤维含量增加而提高的趋势，但并非成比例增长，表8显示了E-42环氧FRP压缩性能的方向性。LELE性能方向022.54567.590压缩强度（MPa）256159134.1167218.7压缩模量（GPa）19.513.610.812.917.5试件数（根）44654表8 E-42环氧FRP不同方向压缩性能注:原材料:无碱100平纹布184层,E-42环氧树脂。树脂含量:42.3%(3)弯曲特性实验表明，FRP的弯曲强度及

21、弹性模量都随纤维含量的上升而增加。纤维制品类型不同，方向不同，则弯曲性能亦不同。 (4)剪切特性 FRF的剪切强度与纤维的拉伸强度无多大关系，与纤维-树脂界面粘接强度树脂本身强度有关，与纤维含量有关，常取值在100MPa130MPa之间。随纤维含量增大，FRP的剪切弹性模量上升，FRP的剪切特性亦呈现方向性。见表9 表9 E-42环氧FRP垂直板面剪切持性 性能方向0153045607590剪切强度（MPa）8583.295.099.298.190.789.5 1.3 FRP的疲劳特性影响FRP疲劳特性的因素是多方面的,静态强度高的FRP，其疲劳强度亦高。静态强度随纤维体积含量增加而提高，但疲

22、劳强度则不一定。随加振方向与纤维方向的夹角由0升到45，疲劳强度急速下降。当FRP上存在孔洞或沟槽等缺陷时,将产生应力集中，因此疲劳强度下降。环境温度上升，导致FRP疲劳强度下降。各种FRP的疲劳强度见表10 表10 FRP的疲劳强度续表10 FRP的疲劳强度注：M-玻璃毡；SC-斜纹布；PC-平纹布，R-无捻粗纱布，R-无捻粗纱；TC-粗棉布，FC-细棉布，P-纸。测试值为经受107次干面弯曲的疲劳程度。1.4 FRP的蠕变特性 在常温下FRP也存在蠕变现象。如果定义10000h使FRP产生0.1的蠕变变形的应力为蠕变极限。则FRP的蠕变极限约为静态强度的40。1.5 FRP的冲击特性FRP

23、的冲击特性主要决定于成型方法和增强材料的形态。不同成型法的制品的冲击强度范围如下：注射成型制品20kJm2；BMC制品10kJm230kJm2；SMC制品50kJm2100kJm2；玻璃毡增强FRP100200kJm2 ；玻璃布增强FRP 200kJm2kJm2，纤维缠绕制品约500kJm2。随纤维含量上升，FRP冲击强度提高；而疲劳次数增加，冲击强度降低。2 FRP的物理性能2.1 FRP的电性能FRP的电性能一般包括：介电常数、介质损耗角正切值、体积和表面电阻系数、击穿强度等。FRP的电性能的影响因素：树脂品种、玻璃纤维表面处理剂类型、环境温度、湿度的变化、频率等。表11列举了FRP的电性

24、能。表12是采用E-GF增强的一些FRP在1MHz频率时的电性能FRP的电性能介于纤维的电性能与树脂的电性能之间, 对于纤维与树脂的界面粘接状态不敏感；水分对其影响很大。对于玻璃纤维增强塑料，选用无碱布并进行偶联剂表面处理，则可提高其电绝缘性能。树脂的电性能与其分子结构密切相关。分子极性越大，电绝缘性越差。项目试验方法性能数据体积电阻（ ）JIS-691110121015表面电阻（ ）JIS-691110121015介电常数（F/m）JIS-691135介电损耗JIS-69110.05以下岩层击穿电压(kV/mm)JIS-69111340耐强性(s)JIS-691160180耐搂电径迹性(kV

25、)浸泡痕迹法2.02.5cm 表11 聚酯型FRP的电性能表12 几种FRP的电性能FRP品种介电常数 (F/m) 介质损耗角正切丁苯基FRP3.54.0(3.55.0)10-2DAP基FRP4.04.8(0.91.5)10-2聚二丁烯FRP3.54.0(4.55.5)10-2307聚酯FRP4.04.8(0.91.5)10-26101环氧FRP4.75.2(1.72.5)10-26酚醛FRP5.05.4(1.421.66)10-2环氧酚醛FRP5.4(2.172.32)10-2tg 2.2 FRP的温度特性(1)FRP的热性能FRP的热性能包括导热系数、比热、线膨胀系数和热变形温度等。在室温

26、下，FRP的导热系数一般在0.17W/(mK)0.33W(mK)范围内，金属材料的导热系数在35W/(mK)232W(mK)范围之间。FRP具有良好的隔热性能，可作隔热材料使用。 FRP的热膨胀系数一般在(436)10-6范围内，金属材料的一般在(1129)10-6之间，二者相近，在一定温度范围内，FRP具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。 FRP的热变形温度和耐热温度极限较低。(2)FRP的耐热性温度对于聚合物基体的影响FRP对的温度依赖性较大。在温度作用下，聚合物基体的物理状态和化学性质均发生变化。在不同温度下，线型非晶相高聚物一般呈现三种聚集态玻璃态、橡胶态和粘流态。在FRP中，热固性树脂基

27、体已交联成体型网状大分子。使得树脂不可能发生大分子的粘性流动，故只有玻璃态和橡胶态。聚合物物理状态的改变将导致FRP的机械性能发生巨大变化。温度上升促使树脂分子化学结构发生热老化作用，如变色、降解和氧化等。影响热固性树脂耐热性的主要因素有：大分子链刚性、固化剂性质和体型树脂的固化交联密度等。大分子链刚性提高，交联密度增大，则树脂玻璃化温度升高，热变形温度升高，但柔韧性减小，廷伸率降低，脆性增加。温度对FRP拉伸性能的影响温度对FRP拉伸强度和弹性模量的影响具有如下特征：a一般在低温范围内，拉伸性能好，随温度上升，强度降低。b在低温范围内，无捻粗纱布FRP于湿态下拉伸强度大,而平纹布FRP无此倾

28、向。c在中温范围内，平纹布FRP在50左右拉伸强度量高，而缎纹布和无捻粗纱布FRP无此倾向，都是随温度上升拉伸性能下降。d随着纤维含量的增加，FRP的耐热性提高。 温度对FRP弯曲性能的影响，FRP的弯曲强度和弯曲弹性模量均随温度升高而降低。特别是温度超过70100后，急剧降低。表13和表14分别给出了聚酯FRP和环氧FRP在不同温度下的机械性能。表13 197聚酯FRP在不同温度下的机械性能性能温度室温60100150200拉伸强度（MPa）306.0272.0343.0220.0221.0压缩强度（MPa）179.087.057.226.0弯曲强度（MPa）264.0140.068.023

29、.9剪切强度（MPa）24.614.89.97.5表14 E-51（固化剂：三乙醇胺）环氧FRP在不同温度下的机械性能 (3)FRP的阻燃性及耐火性当FRP接触火焰或热源时，温度升高，进而发生热分解、着火、持续燃烧等现象。FRP的阻燃性即指采用阻燃、自熄或燃烧无烟的树脂制造的FRP ，其阻燃性主要决定于树脂基体。在树脂中引入卤素或者添加锑、磷等的化合物以及难燃的无机填料等。阻燃型树脂可分为反应型和添加型。表15列出了聚酯树脂中可引入的元素，表16列出了如引入上述元素可采用的原料。应用：溴的用量只要相当于氯用量的一半，便具有同等阻燃效果。三氯化二锑单独使用无阻燃作用，与卤素并用时，效果却很显著。

30、磷化合物单独用作阻燃剂时，用量很大，给成本和物性带来麻烦。若与卤素并用，则具有显著的加和效果。在阻燃性无机填料中，氢氧化铝和水合氧化铝效果最佳，若与卤素共用，则效果愈加显著。与其他塑料相比，FRP燃烧发烟小，这是受不燃烧的纤维的影响。Keiting指出，玻璃纤维合量升高，长度增大，均可抑制发烟量。 表15 获得自熄性必须引入的元素元素含量（%）组合磷5磷氧:11520氯25磷溴:13溴1215三氧化二锑氯：189三氧化二锑溴：289表16 阻燃材料 2.3 FRP的隔音性能材料的隔音性能通常是用声音的透过损失R表示。当射入材料的声强为 ，从材料背面传出的声强为 时，则R定义为：气密材料透过损失

31、中最重要的是散射时的透过损失，可由下面理论式给出式中 声波的频率(Hz)；m材料的面密度(kgm2，) 空气密度(kgm2)，c空气中的音速(ms) 散射的声强(wm2)。iItI10lg()itIRdBI220lg() 10lg 1 () nfmfmRIpcpcfppnI2.4 FRP的光学性能(1)影响透光性的主要因素玻璃纤维和树脂的透光性；玻璃纤维和树脂的折射率；其他(如FRP厚度、表面形状和光滑程度、玻璃纤维的形态、玻璃纤维含量、固化剂的种类和用量、着色剂、填料的种类和用量)。(2)透光率和透明度在FRP制品中，采光用FRP波形板和平板的透光性最好，其全光透过率为8590接近普通平板玻

32、璃的透光率。其散射光占全透过光很大比例，没有普通平板玻璃那样透明。这主要是由于树脂和玻璃纤维折射率不同引起的。(3)原材料折射率的匹配玻璃纤维、单体和树脂的折射率列于表17表17 原材料的折射率原材料品种折射率备注玻璃纤维E玻璃C玻璃1.5481.532单体聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯1.5921.4851.50浇注不饱和聚酯树脂乙烯基酯树脂丙烯酸树脂聚醋酸乙烯甲基丙烯酸1.551.571.501.571.531.54固化树脂玻璃纤维与树脂的折射率相互匹配，普通聚酯树脂与无碱玻璃纤维组合，丙烯酸树脂则与C玻璃纤维组合。聚酯树脂的折射率既与其组成(醇、酸)及反应程度有关，也与交联单体种类和用量有一定

33、关系，所以它的折射率可以广泛调节。提高FRP的透光性，既要再次调整树脂的拆射率、玻璃纤维与树脂的折射率之差与透光量的关系，可以下式表示：玻璃纤维的折射率；树脂的折射率；入射光量；反射光量；折射光量(透过光量)。4()/()riGRGRIInnnnGnRniIrItT上式表明，纤维与树脂的折射率之差越大，则反射光量越大，拆射光量因而减少。 (4)FRP的透光性市售各种FRP波形板的透光率列于表18。表18 各种波形板的透光率 3 FRP的老化性能FRP由于各种物理和化学因素的作用，发生的物化性能的下降或变差的现象叫劣化或它化。劣化或它化影响因素有氧、光、水、热、化学物质和机械摩擦等。物化性能则包

34、括力学性能、电性能、透光率和光泽等。FRP的耐老化性实际上反映了FRP的长期工作性能，故又称为耐久性。3.1 FRP的耐化学腐蚀性FRP的耐化学府蚀性是指其抵抗酸、碱、盐及有机溶剂等化学介质腐蚀破坏的长期工作性能。优异的耐化学性对于石油、化工等工业具有重大意义。FRP具有优良的耐化学腐蚀性。(1)化学介质对FPR的腐蚀作用与玻璃纤维的作用 酸、碱和水都是通过破坏SiO2网络而腐蚀玻璃的。玻璃纤维的耐碱性均较差，有碱纤维更甚；耐酸性则以有碱纤维为好。与树脂基体的作用主要有物理作用和化学作用。物理作用是指化学介质使树脂发生溶胀，从而产生增塑作用，导致强度和弹性模量下降。化学作用是指在一定条件下，酸

35、碱盐和有机溶剂等与树脂大分子发生化学反应而导致FRP的性能变坏。反应包括水解、降解和氧化等。一般，树脂分子中活性官随团愈多，化学稳定性愈差。(2)实验结果表19列出了各种FRP在不同介质中弯曲强度的变化。表20给出了各种FRP在不同介质中的耐腐蚀情况。FRP的耐腐蚀性主要依赖于原材料类型，当然也与介质类型有关。 表19 各种FRP在不同介质中弯曲强度的变化注：FRP的弯曲强度保留率在90%以上；：8090% ：70%80%；：70%以下；：未测续表19 各种FRP在不同介质中弯曲强度的变化表20 FRP在各种介质中的耐腐蚀性注：实验条件：常温浸泡9个月 判据：由质量损失判断。：耐；：尚测；：不

36、耐。 3.2 FRP的耐候性能耐气候性是指FRP在户外使用时，抵抗各种气候因素，如日光、O2、03、热、雨、雪、风、沙、盐雾等的侵蚀破坏的能力。(1)气候对FPR的作用温湿度对FPR的作用在户外使用中，日晒温度不足破坏FRP。在湿度地方，空气中的水分可以侵入树脂或纤维-树脂界中，从而破坏界面粘接，降低FRP的弯曲强度。 光氧的作用在太阳光中，只有小于5的紫外光会有害于FRP，并且只与树脂作用。树脂发生光氧化、光降解、交联，生成氧化产物，发生分子链断裂。风砂的作用风砂对FRP产生机械磨损，导致表面光泽度下降、表面层脱落、纤维外露等，这对透光FRP是不利的。(2)老化试验及结果材料耐候性试验可分为

37、两大类：一类称人工加速老化试验。这种方法是借助老化试验机，试件置于模拟自然界的气候箱内进行照射，一般耗时几百几千小时。另一类叫自然老化试验（户外露场）。这种方法是将试件置于选定的曝露场，在自然界的气候条件下，考察其耐气候性。试验周期过于漫长(一般为330年不等)。对聚酯、环氧和酚醛FRP进行了38年的自然曝露试验。经自然老化后，FRP的外观出现：失去光泽、表面起毛、变黄、纤维纹理外露等现象。FRP的拉伸、压缩和弯曲强度及弹性模量以及冲击强度等性能，历经8年曝露仍无显著变化，有些甚至有所提高。就力学性能而言，FRP的耐候性和耐久性是非常优异的。(3)FRP耐候性的改善防止透光照FRP在环境中的老

38、化，国内外开展了大量研究。一些行之有效的防老化措施归纳于表21中。注：效果显著；：效果较好 3.3 FRP的耐水性能水是一种化学介质，它对FRP的侵蚀是存在且相当严重的。(1)水对FRP的作用水能够溶解和破坏玻璃纤维的SiO2网络，同时加速玻璃纤维表面微裂纹的扩展，从而降低玻璃纤维的拉伸性能。 水能使树脂大分子发生溶胀，导致树脂内聚强度降低。水对树脂产生增塑作用，降低其弹性模量。水使树脂分子中的基等发生水解，造成断链、降解等。水亦能导致树脂内部产生微裂纹，并使之扩展。水还能破坏纤维-树脂界面，并沿界面渐渐侵入，降低FRP的层间剪切性能和弯曲性能。(2)实验结果表22给出了三大树脂FRP在蒸馏水

39、中浸泡3年后机械性能的变化。在初一年里，性能下降最快，随后便趋于平缓，有些性能反而有所回升。 表22 水对FRP机械性能的影响(3)提高FRP耐水性的方法纤维进行偶联剂表面处理；选用耐水性好的树脂；表面采用表面毡形成富树脂层；表面涂层，表面贴附氟薄膜、聚酯薄膜等。注:性能变化=浸水后值/初始值100%;浸泡条件:室温蒸馏水第四节 聚合物基复合材料的应用聚合物基复合材料作为一种新型的工程材料，突出的优良性能以及材性的可设计性，它的理论研究及成型技术的不断发展，产品成本的降低，其产品应用范围日益扩大，在航天航空、交通运输、石油化工、建筑工程、机械电气及体育卫生等各个方面发挥着重要的作用。 1 在航

40、天和航空方面的应用航天和航空工程对材料的要求是比强度、比模量和耐烧蚀性能。聚合物基复合材料具有较高的比强度、比刚度及优良的耐烧蚀性能，是理想的航天、航空材料，它具有减轻飞行器的结构质量与增加火箭发动机的推动力。广泛地用于飞行器的次受力构件及非受力部件。美国最早使用碳纤维、芳纶纤维增强环氧树脂制作火箭发动机的壳体性能良好，质量比金属的减轻了45，提高了飞行器的加速度。射程也由原来的1600km增加到4000km。树脂基复合材料在机身和机翼及其他辅助部件上的应用更为可观。表23是飞机上使用树脂基复合材料的情况。表23 飞机上使用硼纤维、碳纤维增强复合材料的例子续表23 飞机上使用硼纤维、碳纤维增强

41、复合材料的例子 2 在交通运输方面的应用由于树脂基复合材料比强度、比刚度高，具有隔音、隔热、减振、阻燃等性能，适宜在车辆上使用。主要包括车辆制造及造船工业上的应用。 树脂基复合材料在铁路客车、货车、冷藏车上主要应用于机车车身、客车和货车车箱以及门、窗等部位。应用最多的是以泡沫塑料为芯材的夹层结构。这种结构材料在冷藏车上既做结构材料又做隔热材料。图2所示的就是由法国制造的铁路冷藏车的复合材料夹层结构。图2 法国复合材料冷藏车的结构在汽车制造方面包括车门、仪表盘、油箱、坐椅、挡泥板、发动机罩等。另外，石棉短纤维增强酚醛树脂复合材料或聚芳酰胺纤维增强树胎基复合材料，具有较好的耐热性、耐油性、耐耗性，比较高的温度、速度下，其摩擦性能