第5章 聚合物基复合材料课件

1、1基体：聚合物（粘结、传递分配载荷）基体：聚合物（粘结、传递分配载荷）增强材料：连续纤维（高强、高模）增强材料：连续纤维（高强、高模）21. 高比强度、高比模量高比强度、高比模量力学性能出色：比模量和比强度可与常用金属进行比较（钢、铝、力学性能出色：比模量和比强度可与常用金属进行比较（钢、铝、钛）钛）;见表见表5-1；2. 抗疲劳性好抗疲劳性好金属：由里往外、无预兆；疲劳极限为抗拉强度的金属：由里往外、无预兆；疲劳极限为抗拉强度的40%50%；聚合物基：界面阻碍裂纹扩散、从薄弱环节开始、征兆明显；聚合物基：界面阻碍裂纹扩散、从薄弱环节开始、征兆明显；70%80%；3. 减振性好减振性好纤维与基

2、体的基面具有吸振能力；纤维与基体的基面具有吸振能力；34. 高温性能好高温性能好耐热性好，可作为烧蚀材料（高温分解、气化、吸热、冷却基体）。耐热性好，可作为烧蚀材料（高温分解、气化、吸热、冷却基体）。5. 安全性好安全性好纤维量多，少数断裂，载荷会重新分配，不会引起材料失效；纤维量多，少数断裂，载荷会重新分配，不会引起材料失效；6. 可设计性强、成型工艺简单可设计性强、成型工艺简单改变量：纤维、基体种类；相对含量；纤维集合形式、排列方式、改变量：纤维、基体种类；相对含量；纤维集合形式、排列方式、铺层结构；铺层结构；工艺简单：整体、一次成型工艺简单：整体、一次成型缺点：缺点：断裂伸长小；抗冲击强

3、度差、横向强度和层间剪切强度低；断裂伸长小；抗冲击强度差、横向强度和层间剪切强度低；手工劳动多；质量不够稳定；手工劳动多；质量不够稳定；45.1.1 玻璃纤维增强热固性塑料（玻璃纤维增强热固性塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP，玻璃钢），玻璃钢）优点：优点：增强材料：玻璃纤维（长纤维、布、带、毡）；增强材料：玻璃纤维（长纤维、布、带、毡）；基体：热固性塑料（环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树基体：热固性塑料（环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂）、三类；脂）、三类；比重小（比重小（1.62.0）、比强度高（比铝轻、比合金钢强）。）、比强度高（比铝轻、比

4、合金钢强）。耐腐蚀性好：在酸、碱、有机溶剂、海水中稳定；耐腐蚀性好：在酸、碱、有机溶剂、海水中稳定；电绝缘性好：电阻率和击穿电压强度指标；电绝缘性好：电阻率和击穿电压强度指标；不受电磁作用：微波透过性好，不反射电磁波；不受电磁作用：微波透过性好，不反射电磁波；保温、隔热、隔音、减振；保温、隔热、隔音、减振；5缺点：缺点：刚性差：木材的刚性差：木材的2倍；钢材的倍；钢材的1/10；耐热性比塑料高，但低于金属和陶瓷；耐热性比塑料高，但低于金属和陶瓷；导热性差；导热性差；易老化；易老化；总体上是比较理想的结构材料！总体上是比较理想的结构材料！6几种聚合物基材料各具特点：几种聚合物基材料各具特点：玻璃

5、纤维增强环氧树脂：玻璃纤维增强环氧树脂：综合性能最好；粘接力强，机械强度高；收缩率低，尺寸稳综合性能最好；粘接力强，机械强度高；收缩率低，尺寸稳定性好；价格最高；成型需加热，加工不便；定性好；价格最高；成型需加热，加工不便；玻璃纤维增强酚醛树脂：玻璃纤维增强酚醛树脂：耐热性好最好；收缩率大，脆性高，刺激皮肤，最便宜；耐热性好最好；收缩率大，脆性高，刺激皮肤，最便宜；玻璃纤维增强聚酯树脂：玻璃纤维增强聚酯树脂：加工性好（由于引入引发剂和促进剂，可室温固化成型）；加工性好（由于引入引发剂和促进剂，可室温固化成型）；透光性好；价格便宜；耐腐蚀性；使用最广泛。透光性好；价格便宜；耐腐蚀性；使用最广泛。

6、7增强材料：增强材料：长纤维、短切纤维；长纤维、短切纤维；基体：基体：热塑性塑料（聚酰胺、聚丙烯、热塑性塑料（聚酰胺、聚丙烯、）特点：特点：比重更轻（比重更轻（1.11.6）、比强度高、蠕变性能大大改善；）、比强度高、蠕变性能大大改善；种类：种类：玻璃纤维增强玻璃纤维增强聚丙烯聚丙烯、玻璃纤维增强、玻璃纤维增强聚酰胺聚酰胺、玻璃纤维、玻璃纤维增强增强聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料、玻璃纤维增强、玻璃纤维增强聚碳酸酯聚碳酸酯详见表详见表5-45.1.2 玻璃纤维增强热塑性塑料（玻璃纤维增强热塑性塑料（Fiber Reinforced Thermoplastic Plastic，FR-TP）8基体：基体

7、：环氧树脂；环氧树脂；增强纤维：增强纤维：高强、高模纤维（碳纤维、硼纤维、芳香族聚高强、高模纤维（碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维、各种晶须等）酰胺纤维、各种晶须等）特点：特点：比重轻、强度高、模量高、热膨胀系数小；表比重轻、强度高、模量高、热膨胀系数小；表5-5加工工艺简单；加工工艺简单；价格昂贵；价格昂贵；5.1.3 高强度、高模量纤维增强塑料高强度、高模量纤维增强塑料9 碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料优点：优点：强度、刚度、耐热性均很好！强度、刚度、耐热性均很好！缺点：缺点：粘接性差，各向异性；价格昂贵；宇航领域；粘接性差，各向异性；价格昂贵；宇航领域；2. 芳香族聚酰胺纤维增强塑料芳香族

8、聚酰胺纤维增强塑料基体：基体：主要为环氧树脂，也可为热塑性塑料的聚乙烯、聚主要为环氧树脂，也可为热塑性塑料的聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等；碳酸酯、聚酯等；突出特点：突出特点：压延性，与金属相似；抗冲击性好；压延性，与金属相似；抗冲击性好；103. 硼纤维增强塑料硼纤维增强塑料优点：优点：刚度好；强度和弹性模量超过碳纤维增强环氧树脂，刚度好；强度和弹性模量超过碳纤维增强环氧树脂，是纤维增强塑料中最好的一种。是纤维增强塑料中最好的一种。4. 碳化硅纤维增强塑料碳化硅纤维增强塑料特点：特点：不需表面处理，粘接力强；不需表面处理，粘接力强；115.1.4 其他纤维增强塑料其他纤维增强塑料增强材料：增强材料

9、：石棉纤维；矿棉纤维；棉纤维；麻纤维；木质石棉纤维；矿棉纤维；棉纤维；麻纤维；木质纤维；合成纤维；纤维；合成纤维；基体：基体：热塑性塑料和热固性塑料；热塑性塑料和热固性塑料；122. 矿物纤维增强塑料矿物纤维增强塑料矿物纤维增强聚丙烯和增强聚酯矿物纤维增强聚丙烯和增强聚酯特点：纤维短，直径小，与树脂接触面大；分配、定特点：纤维短，直径小，与树脂接触面大；分配、定向性好，挠度扭曲小；向性好，挠度扭曲小； 石棉纤维增强聚丙烯复合材料石棉纤维增强聚丙烯复合材料性能提高：表性能提高：表5-6 抗拉弹性模量提高；抗拉弹性模量提高； 耐热性提高；耐热性提高； 线膨胀系数降低，尺寸稳定性变好；线膨胀系数降低

10、，尺寸稳定性变好；13聚合物基复合材料的性能聚合物基复合材料的性能在在与与体系确定后体系确定后，主要，主要决定于决定于。主要包括以下两个方面：主要包括以下两个方面：一是一是，即将，即将按产品的要求，按产品的要求，铺置成一定的形状铺置成一定的形状，一般就是产品的形状一般就是产品的形状;二是二是，即把已，即把已铺置成一定形状的铺置成一定形状的，在，在温度、温度、时间和压力等因素影响下时间和压力等因素影响下使使下来，并能达到预期的性下来，并能达到预期的性能要求。能要求。1415首先，在模具上涂刷首先，在模具上涂刷，再在，再在其上铺贴一层其上铺贴一层按要求剪裁好的按要求剪裁好的，用刷子、压辊或用刷子、

11、压辊或刮刀压挤织物刮刀压挤织物，使其，使其并排除气泡后，再并排除气泡后，再涂刷树脂涂刷树脂混合物混合物和和铺贴第二层纤维织物铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所，反复上述过程直至达到所需厚度为止。需厚度为止。 然后，然后，在一定压力作用下在一定压力作用下（）或者利用或者利用树脂体系固化时放出的热量树脂体系固化时放出的热量固化成型（固化成型（），最后），最后得到复合材料制品。得到复合材料制品。161718不受产品尺寸和形状限制，适宜不受产品尺寸和形状限制，适宜、产品的生产；产品的生产；、设备、设备。 ；易于满足产品设计要求，可以易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位在产品不同部位制品制品

12、，。 低，低，大，大，差。差。 不易控制，不易控制，不高。不高。 产品产品较低。较低。19是一种古老的技术，早在是一种古老的技术，早在20世纪初就出世纪初就出现了现了酚醛塑料酚醛塑料模压成型。模压成型。模压成型是一种对模压成型是一种对和和都适用的都适用的纤纤维复合材料维复合材料成型方法。成型方法。将定量的将定量的与与放入敞放入敞开的开的金属对模金属对模中，闭模后中，闭模后使其使其，并，并在压力作用下在压力作用下充充满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；满模腔，形成与模腔相同形状的模制品；使树脂使树脂进进一步发生一步发生而固化而固化，或者，或者冷却使冷却使，脱，脱模后得到模后得到。202122模压

13、成型工艺有模压成型工艺有，多数结构复杂的制品可，多数结构复杂的制品可，无需二次，无需二次加工，加工，制品外观及尺寸的制品外观及尺寸的，容易实现，容易实现等。等。，压机及模具，压机及模具，制品尺寸，制品尺寸受设备限制，一般只受设备限制，一般只的中、小型制品。的中、小型制品。23已成为已成为复合材料的重要成型方法复合材料的重要成型方法，在，在各种成型工艺中各种成型工艺中所占比例仅次于所占比例仅次于和和，居第三位。居第三位。近年来随着近年来随着专业化专业化、自动化自动化和和生产效率的提高生产效率的提高，制制品成本品成本不断降低，使用范围越来越广泛。不断降低，使用范围越来越广泛。主要用作主要用作结构件

14、结构件、连接件连接件、防护件防护件和和电气电气绝缘绝缘等，广泛应用于等，广泛应用于工业工业、农业农业、交通运输交通运输、电气电气、化化工工、建筑建筑、机械机械等领域。等领域。由于模压制品由于模压制品，在，在兵器兵器、飞机飞机、导弹导弹、卫卫星星上也都得到应用。上也都得到应用。24，是把一定层数的，是把一定层数的(纸纸)叠在一叠在一起，送入起，送入，在一定的温度和压力下在一定的温度和压力下的工艺。的工艺。属于属于干法压力成型范畴干法压力成型范畴，是复合材料，是复合材料的一种主要成型工艺。的一种主要成型工艺。生产的制品生产的制品包括各种包括各种、等。等。2526制品制品表面光洁表面光洁、质量较好质

15、量较好且且稳定稳定以以及及生产效率较高生产效率较高。只能生产只能生产板材板材，且，且产品的尺寸大小产品的尺寸大小受设备的限制受设备的限制。27将分别将分别混有促进剂和引发剂的混有促进剂和引发剂的从喷从喷枪两侧（或枪两侧（或在喷枪内混合在喷枪内混合）喷出，同时将）喷出，同时将用切割机切断用切割机切断并并由喷枪中心由喷枪中心喷出，与树脂一起喷出，与树脂一起。当当与与混合沉积到一定混合沉积到一定厚度时，厚度时，、，最后最后。282930对所用原材料对所用原材料有一定要求有一定要求，例如树脂体系的，例如树脂体系的，、和和以及以及等。等。最常用的树脂最常用的树脂是是在室温下在室温下即可固化的即可固化的等

16、。等。喷射法使用的模具与手糊法类似，而喷射法使用的模具与手糊法类似，而可提高可提高数倍，数倍，降低，能够降低，能够。 用用方法虽然可以制成方法虽然可以制成，但其，但其都较难精确控制，树脂含量一般在都较难精确控制，树脂含量一般在60%以上，以上，较高，较高，施工现场污染施工现场污染和和浪费较大浪费较大。 利用利用可以制作可以制作大蓬车车身大蓬车车身、船体船体、广告模型广告模型、舞台舞台道具道具、贮藏箱贮藏箱、建筑构件建筑构件、机器外罩机器外罩、容器容器、安全帽安全帽等。等。31将将的的连续纤维或布带连续纤维或布带，按照一定规律，按照一定规律上，然后上，然后成为成为的工艺过程，的工艺过程，称为称为

17、。32缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图33利用利用制作复合材料制品时，制作复合材料制品时，有两种不同的方式可供选择：有两种不同的方式可供选择：一是将一是将浸树脂后，再缠绕在芯浸树脂后，再缠绕在芯模上；模上；二是先将二是先将缠好后，再浸渍树脂。缠好后，再浸渍树脂。目前普遍采用前者。目前普遍采用前者。34首先，纤维首先，纤维按预定要求排列的按预定要求排列的和和，通过改变，通过改变纤维排布方式、数量纤维排布方式、数量，可以实现，可以实现，因此，能，因此，能在较大在较大程度上程度上发挥发挥优异的特点优异的特点; 其次，用其次，用所制得的成品，所制得的成品，和和高，高，比较比较和和较高等。较高等。大，只有大

18、，只有大批量生产时大批量生产时才可能降低成本。才可能降低成本。35适于制作适于制作承受一定内压的承受一定内压的，如如固体火箭发动机壳体固体火箭发动机壳体、导弹放热层导弹放热层和和发射筒发射筒、压力容器压力容器、大型贮罐大型贮罐、各种管材各种管材等。等。 近年来发展起来的近年来发展起来的，可以实现，可以实现复杂横截复杂横截面形状的面形状的或断面呈或断面呈、以及以及容器容器的成型。的成型。36 拉挤成型工艺中，首先将拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂胶液的浸渍过树脂胶液的或或在牵引装置作用下在牵引装置作用下通过通过而而； 其次，其次，在模中或固化炉中在模中或固化炉中，制成具有，制成具有特定横截面特定

19、横截面形状形状和和长度不受限制的长度不受限制的复合材料，如复合材料，如、等。等。3738拉挤工艺实物图拉挤工艺实物图39拉挤成型工艺制备型材实物解剖图拉挤成型工艺制备型材实物解剖图40 过程中，要求过程中，要求增强纤维的增强纤维的强度高强度高、集、集、和容易被树脂胶液和容易被树脂胶液。常用的常用的如如玻璃纤维玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维、碳碳纤维纤维以及以及金属纤维金属纤维等。等。 用作用作以以为主，要求树脂的为主，要求树脂的粘度低粘度低和和适用期长适用期长等。等。大量使用的基体材料有大量使用的基体材料有和和等。等。41 ，易于实现自动化；，易于实现自动化； 制品中增强材料的含量

20、一般为制品中增强材料的含量一般为40-80，能够充分，能够充分发挥增强材料的作用，发挥增强材料的作用，； 不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中不需要或仅需要进行少量加工，生产过程中；制品的制品的，以适应不同制，以适应不同制品的使用要求，其长度可品的使用要求，其长度可根据需要根据需要。42(1)。主要用于。主要用于上、下水装置上、下水装置，工业，工业废水处废水处理设备理设备、化工挡板化工挡板及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的及化工、石油、造纸和冶金等工厂内的栏杆栏杆、楼梯楼梯、平台扶手平台扶手等。等。(2)。主要用于主要用于高压电缆保护管高压电缆保护管、电缆架电缆架、绝绝缘梯缘梯、绝缘杆绝缘杆

21、、灯柱、变压器和电机的零部件等。、灯柱、变压器和电机的零部件等。 (3)。主要用于。主要用于门窗结构用门窗结构用型材、桁架、桥梁、型材、桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。栏杆、支架、天花板吊架等。43(4)。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼。主要用于卡车构架、冷藏车箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道板、刹车片、行李架、保险杆、船舶甲板、电气火车轨道护板等。护板等。(5)。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、。主要用于钓鱼杆、弓箭杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池底板等。(6)。主要用于主要用于太阳能收集器太阳能收集器、支架、支架、风风力发电机叶