chap5高分子基复合材料

1、高分子基复合材料高分子基复合材料1.1 复合材料的提出复合材料的提出 在现代高技术迅猛发展的今天，特别是航空、航天和海洋开发领域的发展，使材料的使用环境更加恶劣，因此对材料的质轻、高强、高韧、耐热、抗疲劳、抗氧化及抗腐蚀等特性也日益提出了更加苛刻的要求。 1.1 复合材料的提出复合材料的提出 又如现代武器系统发展对新材料提出如下要求： 1、高比强、高比模； 2、耐高温、抗氧化； 3、防热、隔热； 4、吸波、隐身； 5、全天候； 6、高抗破甲、抗穿甲性； 7、减振、降噪、隐蔽、高精度和命中率； 8、抗激光、抗定向武器； 9、多功能； 10、高可靠性和低成本。1.1 复合材料的提出复合材料的提出n

2、复合材料，特别是先进复合材料就是为了满足以上高技术发展的需求而开发的高性能的先进材料。n它由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，各组分之间性能“取长补短”，起到“协同作用”，可以得到单一材料无法比拟的优秀的综合性能，极大地满足了人类发展对新材料的需求。因此，复合材料是应现代科学技术而发展出来的具有极大生命力的材料。现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破。1.1 复合材料的提出复合材料的提出1.2 复合材料的定义及特点复合材料的定义及特点v由由两种以上不同两种以上不同的原材料组成，并使原材料的性能得到充分的原材料组成，并使原材料的性能得到充分发挥，通过发挥，通过复合化复合化而得到而得

3、到单一材料所不具备的性能单一材料所不具备的性能岛村岛村昭治昭治 . 尖端材料工业调查会尖端材料工业调查会，1982。v经过一定的操作经过一定的操作，将复数个原材料合体，或者是由，将复数个原材料合体，或者是由复数个相复数个相生成生成，且具有比原材料优异的性能且具有比原材料优异的性能香川香川 丰，八田博志丰，八田博志. 树脂基复合材料树脂基复合材料，1990v由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的由两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料新型材料. 吴人洁，吴人洁，复合材料复合材料，天津大学出版社，天津大学出版社，2000。一、复合材料的定义一、复合材料的定义说明：说明：1. 复合材料

4、复合材料（Composite Materials），以下简称），以下简称CM 2. 各教科书说法不同，还没有完全统一，但意见基本一致各教科书说法不同，还没有完全统一，但意见基本一致复合材料的定义复合材料的定义尽管定义的细节有所不同，但其要点是共同的：尽管定义的细节有所不同，但其要点是共同的：n 含两种以上不同的化学相；含两种以上不同的化学相；n 具有每个组分所不具备的优良性能。具有每个组分所不具备的优良性能。n 人工制造，成分由人们有意识的选择人工制造，成分由人们有意识的选择 所谓所谓复合材料复合材料，是指由，是指由两种或两种以上两种或两种以上不同性质的材料，通过一定的工艺方法不同性质的材料，

5、通过一定的工艺方法人工合人工合成的成的，各组分间有明显，各组分间有明显界面界面且性能优于各组成且性能优于各组成材料的材料的多相多相材料。材料。狭义的复合材料定义狭义的复合材料定义 贾成厂，贾成厂，陶瓷基复合材料导论陶瓷基复合材料导论，20022002复合材料的定义复合材料的定义 一般认为天然材料的骨骼、竹子、木材等应属于具有复合材料形一般认为天然材料的骨骼、竹子、木材等应属于具有复合材料形态的天然材料。态的天然材料。v由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料得到的一种多相固体材料 广义的复合材料广义的复合材料国际标准化组织国

6、际标准化组织(ISO):复合材料的定义复合材料的定义二、复合材料的特点二、复合材料的特点 1）由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料，组分之间存在着明显的界面界面。 2）各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。优良特殊性能。 3）复合材料具有可设计性具有可设计性。三、复合材料的基本结构模式三、复合材料的基本结构模式复合材料由基体和增强剂(体)两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增

7、强，称为增强剂（增强相、增强体）。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。 增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。a是玻纤增强是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，的冲击试样的断口扫描电镜照片，（a）是加入）是加入MPP相容剂的玻纤增强相容剂的玻纤增强体系，体系，( a）中玻璃）中玻璃纤维与基体的结合纤维与基体的结合较好，纤维拔出较较好，纤维拔出较少少.（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。）是未加相容剂的玻纤增强体系。从中可以看出，而从中可以看出，而（b）中有大量的玻）中有大量的玻纤从基体中拔出，证纤从基体中拔出，证明与基

8、体的粘接性较明与基体的粘接性较差，因而体系的力学差，因而体系的力学性能不高。性能不高。注意：注意：所研究的所研究的CM与化合材料、混合材料的区别。与化合材料、混合材料的区别。主要体现在：主要体现在：多相体系多相体系和和复合效应复合效应是复合材料区别于传统的是复合材料区别于传统的“混合材料混合材料”和和“化合材料化合材料”的两大特征。的两大特征。举例：举例：砂子与石子混合砂子与石子混合，合金或高分子共聚物，合金或高分子共聚物， 接枝和嵌段聚合物？接枝和嵌段聚合物？三、复合材料的基本结构模式三、复合材料的基本结构模式基体基体Matrix增强体增强体Reinforcement界面界面Interfac

9、e多相体系：多相体系：CM = 增强相增强相 基体相基体相 界面相界面相1.3、复合材料的分类、复合材料的分类 与命名与命名复合复合材料材料金属基复合材金属基复合材料料MMCMMC无机非金属基无机非金属基复合材料复合材料聚合物基复聚合物基复合材料合材料PMC PMC 热塑性树脂热塑性树脂 热固性树脂热固性树脂树脂基树脂基水泥或混凝土基水泥或混凝土基复合材料复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料CMCCMC 橡胶基橡胶基1. 按基体材料分类按基体材料分类 CM：Metal Matrix CompositesPolymer Matrix CompositesCeramics Matrix Comp

10、osites一、复合材料的分类一、复合材料的分类复合材料增强材料 基体 在纤维复合材料成型过程中，经过一定物理的和化学的复杂的变化过程，基体与增强复合材料都共有特定形状的整体材料。界 面 基体的主要种类 聚合物基CM thermosetting热 固 性 树 脂 （重要）环氧树脂 Epoxy resin酚醛树脂 phenolic resin不饱和树脂 unsaturated resinetc. thermoplastic热 塑 性 树 脂聚烯烃： PE、PP、PolyolefinPolyamidePolycarbonate聚苯硫醚聚砜PEEKetc.金属基CM Al、Mg、Ti陶瓷基 Al2O

11、3、SiO2、SiCCarbon Matrix 玻璃、水泥、石灰 基体的作用 基体通过界面和纤维成为一个整体以剪应力的形式向纤维传递载荷；保护纤维免受外界环境的化学作用和物理损伤；基体像隔膜一样将纤维彼此隔开。这样即使个别纤维断裂，裂纹也不会从一根纤维扩展到其他纤维上，因此提高了复合材料的抗疲劳强度；复合材料的横向拉伸性能、压缩性能、减切性能、耐热性能和耐介质性能等都与基体有着密切关系。 对基体的几点要求 (1)基体对纤维（或增强材料）具有良好的粘结性(2)弹性模量和断裂伸长率与纤维的匹配 虽然增强纤维是复合材料的主要承载部分，但基体材料则对复合材料的纵向控件和纵向压缩性能影响较大。 另外，只

12、有基体材料的断裂伸长大于纤维才能使断裂发生在界面上，从而使复合材料表现出较强的承载能力和良好的韧性。(3) 复合材料耐湿热性主要由基体材料决定的(4) 基体材料应具有良好的工艺性能，如流变性能、成型性等。 高分子（树脂）基复合材料（高分子（树脂）基复合材料（PMCPMC）: : 由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组成的基体组成的复合晶须、颗粒等与热固性、热塑性树脂组成的基体组成的复合材料。材料。特点：特点： 比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、阻尼性好。比强度、比模量高、热膨胀系数小、耐磨性、

13、阻尼性好。广泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电子、体育等。广泛用于航空、航天、建筑、化工、机械、电子、体育等。缺点：耐热性能差缺点：耐热性能差颗粒状分散颗粒状分散相复合材料相复合材料 纤维状分散纤维状分散相复合材料相复合材料 短纤维短纤维 连续纤维连续纤维增强复合材料增强复合材料 颗粒增强复颗粒增强复合材料合材料片晶增强复片晶增强复合材料合材料 复复合合材材料料 单向纤维强化复合材料单向纤维强化复合材料 非编织纤维层非编织纤维层 2 2维，维，3 3维编织纤维层维编织纤维层晶须晶须 不连续纤维不连续纤维增强复合材料增强复合材料 2. 按增强体材料分类按增强体材料分类3. 按功能分类按功能分

14、类结构复合材料结构复合材料 功能复合材料功能复合材料 复复合合材材料料 承力构件复合材料，对力学性能要求高：质轻、高强度、高模量具有一定特殊功能：导热、导电、导磁、光导、阻尼性能等二、复合材料的命名二、复合材料的命名n1. 俗称： 玻璃钢、混凝土n2. .根据增强材料和基体材料名称命名：根据增强材料和基体材料名称命名：增强材料基体材料“复合材料”玻璃纤维环氧树脂复合材料n3.仅写增强材料和基体材料缩写，外加“/”：玻璃/环氧复合材料碳/碳复合材料（碳纤维和碳复合材料）n4.突出增强材料和基体材料，根据强调组分不同，可简称： 玻璃纤维复合材料环氧树脂复合材料1. 4 复合材料的历史复合材料的历史

15、从广义上讲，复合材料已有很久的历史从广义上讲，复合材料已有很久的历史。6000年前：年前：人们用稻草掺入黏土做土坯。人们用稻草掺入黏土做土坯。4000年前：年前：中国人用油漆与亚麻纤维制漆器中国人用油漆与亚麻纤维制漆器1000年前：年前：人们用钢铁层压法制成刀剑等。人们用钢铁层压法制成刀剑等。100年前：年前： 钢筋混凝土钢筋混凝土近代：近代： 以以1942年美国制出的玻璃纤维增强塑料为枪托。年美国制出的玻璃纤维增强塑料为枪托。1946年年 玻璃纤维玻璃纤维/酚醛树脂复料应用与火箭发动机的壳体。酚醛树脂复料应用与火箭发动机的壳体。第一代复合材料第一代复合材料20世纪世纪60年代后：年代后：随后

16、为了提高纤维的性能，开发了硼纤维、随后为了提高纤维的性能，开发了硼纤维、 碳纤维、耐热氧化铝纤维等。碳纤维、耐热氧化铝纤维等。 第二代复合材料第二代复合材料20世纪世纪80年代后：年代后：为改善树脂的耐热性，对金属基和陶瓷基复为改善树脂的耐热性，对金属基和陶瓷基复 合材料也开展了研究。合材料也开展了研究。第三代复合材料第三代复合材料 公元前5000年，中东人用沥青和芦苇复合在一起用来造船 公元前3000年前，印度人用虫胶树脂制作复合板 我国在封建时代故宫的建造中所使用了粘合剂 茅草和泥土的复合建造房子1.5 复合材料在复合材料在21世纪的应用世纪的应用v 世界发展的趋势是进入高信息化的社会，对

17、生活世界发展的趋势是进入高信息化的社会，对生活质量和健质量和健 康水平的追求会更高。康水平的追求会更高。v 地球存在着非常严重的问题。地球存在着非常严重的问题。环境污染、地球环境污染、地球温室效应、臭氧温室效应、臭氧层破坏、沙漠层破坏、沙漠化、野生动物化、野生动物的灭绝的灭绝人口膨胀、清洁人口膨胀、清洁淡水、食物、可淡水、食物、可耕地耕地能源枯竭能源枯竭石油、天然气、石油、天然气、煤、矿产等煤、矿产等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

18、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、高层建筑抗地振灾害高层建筑抗地振灾害提高健康水平提高

19、健康水平修复植入人造器官成修复植入人造器官成分设计、调整应力生分设计、调整应力生物相容性、人工关节物相容性、人工关节、夹骨板、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与空开发海洋与空间间使基础设施延使基础设施延长寿命长寿命提高太阳能的转换率（光电池、框架）风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）核燃力发电装置（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

20、性高性能纤维增强混凝土，取代钢筋高性能纤维增强混凝土，取代钢筋镁（轻量、阻尼性能好，力学性能差）颗镁（轻量、阻尼性能好，力学性能差）颗粒增强或晶须增强，扩大应用范围，野生粒增强或晶须增强，扩大应用范围，野生植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰植物、无机矿物、电厂烟囱煤灰耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置耐高压、耐海水腐蚀的深海勘探装置 （碳纤维增强树脂装置已潜入海下（碳纤维增强树脂装置已潜入海下1000m）海上石油平台、空间站、航天器等海上石油平台、空间站、航天器等4）在治理环境中可起的作用）在治理环境中可起的作用复合材料复合材料降低污染降低污染整体成形整体成形降低原材料用量降低原材料用量节约加工能耗节

21、约加工能耗延长设施寿命延长设施寿命功能膜支撑网格功能膜支撑网格碳纤维缠绕气瓶碳纤维缠绕气瓶废水治理厂管道废水治理厂管道利用废弃物利用废弃物材料互补材料互补矿渣矿渣木屑木屑废塑料废塑料麦杆麦杆稻草稻草野生植物野生植物“绿色绿色”材材料料自然降解自然降解提高性能提高性能利用天然纤维利用天然纤维透明农膜透明农膜一此性餐具一此性餐具降解后变为降解后变为肥料或饲料肥料或饲料5）在军事中的应用）在军事中的应用1.坦克坦克 现代化高技术战争既要求坦克装甲车辆具有高抗弹性,又希望它具有轻量化、高性能化、高机动灵活性等。 树脂基复合材料的密度一般为2.0g/cm3，是合金钢的1/6-1/7，是铝合金的1/3-1

22、/5。这样，在同体积战车上使用复合材料要比钢件减轻60%一70，比铝合金减轻30%一50，且制造成木降低20%一30。 1.坦克坦克2.航空航天航空航天航天、航空飞行器，喷气发动机结构重量减1Kg ，飞机结构可减重4Kg ，升限可提高10米；一枚洲际导弹重量减轻1Kg ，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50Kg ，地面设备的结构重量就可减轻100Kg ，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15-20 Km ；而航天飞机的重量每减轻1Kg ，其发射成本费用就可以减少15000美元 。因此，现代航空、航天领域对飞行器结构的减重要求已经不是“斤斤计较”，而是“克克计较”。 火箭壳体材料对射程的影响 2.

23、航空航天航空航天 目前，复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的70%-80%，在先进战斗机上的用量大约是结构重量的30%-40%。复合材料所占机体结构重量的比例已成为衡量飞复合材料所占机体结构重量的比例已成为衡量飞机先进与否的重要标志。机先进与否的重要标志。 型号F4F15F16F18F117B2F22CM用量%0.82.02.510423825美国战斗机复合材料用量先进战斗机使用复合材料情况2.航空航天航空航天F22F117B2JSA392.航空航天航空航天第四代战机的特点：具有超音速巡航能力超机动（大迎角（6070）超视距1.隐身功能中国第四代战机：最大飞行速度2.2Ma巡航速度

24、：1.6Ma超视距、超机动1.隐身功能中国第四代战机机体结构：38碳纤维复合材料16钢结构材料17铝合金1.25钛合金3.导弹导弹复合材料在导弹中的应用主要在：弹头鼻锥壳体发射筒仪器仓1.天线窗部件复合材料头锥雷达罩进气道整流罩尾翼尾锥发射容器Kevlar纤维/PI玻璃纤维/环氧玻纤/环氧石墨纤维/PI玻纤/环氧玻纤/环氧碳纤维/环氧战斧巡航导弹所用复合材料1.1.由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位复合材由宏观复合形式向微观（细观）复合形式发展，包括原位复合材料、纳米复合材料及分子复合材料。料、纳米复合材料及分子复合材料。n纳米复合材料纳米复合材料包括两种以上纳米尺寸的晶粒进行

25、复合或两种以上纳米厚度的薄膜交替叠层或纳米粒子和薄膜复合的复合材料。这些复合材料由于存在纳米尺寸效应可望明显改善复合材料的韧性和耐温性。n分子复合材料分子复合材料是指刚性棒状高分子为增强相，在分子水平上与柔性高聚物基体复合而成的复合材料。这种复合材料的界面是超微观的，基本上不存在界面相容性和界面应力集中问题，界面粘接性极好；同时有很好的加工性和设计自由度。 1.6 复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势2.2.由双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向发展。由双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向发展。n所谓多元混杂是指复合材料包括两种以上的增强相，其中包括在混杂的纤维增强相中加入颗粒填料；基体也可以用共混高聚物等。n近来出现的最典型的例子是铝板和纤维/树脂复合材料交替叠层的复合材料，也称为超混杂复合材料。这种超混杂复合材料具有优异耐疲劳性能和高模量。 1.6 复合材料的发展趋势复合材料的发展趋势3.3.由结构复合材料为主向功能复合材料、结构功由结构复合材料为主向功能复合