《现代复合材料》课件新材料新技术的发展趋势

1、新材料新技术发展的趋势-展开您想像的翅膀神奇的材料越王勾践剑与不锈钢计算机存储材料与人类大脑变色龙与隐身技术动植物与自愈合材料。什么是材料？经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为“原料”，把经过工业加工的原料成为“材料”。材料是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础,是人类活动不可缺少的东西材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平现代一个国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、信息的发展人类材料发展史石器时代青铜器时代铁（钢）器时代 工业纯铁：C0.02% 钢：0.02%C2.11%复合材料时代材料的分类金属材料陶瓷材料高分子

2、材料复合材料第一章复合材料概述复合材料的定义和分类复合材料的性能复合材料的用途第一节复合材料的定义和分类什么是复合材料：国际标准化组织曾在塑料名词术语的定义中，把复合材料定义为：“由两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相体系”。（偏重性能）有人认为：“由连续相的基体(如聚合物树脂、金属、陶瓷等)与分散相的增强材料(如各种纤维、织物及粉末填料等)组合的多相材料称为复合构料”。（偏重结构）材料的优缺点组合示意图复合材料的特点 (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面（相界面）。 (2)复合材料中各组元不但保持各

3、自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。（3）复合材料具有可设计性。复合材料的分类按基体分类聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料石墨基复合材料（碳/碳复合材料）水泥基复合材料按增强相种类分颗粒晶须纤维无机非金属基复合材料复合材料的分类按增强相的形状分零维（颗粒）一维（纤维）二维（片状或平面织物）三维（立体织物）按用途分结构复合材料功能复合材料智能复合材料复合材料性能特点比强度和比模量高比强度强度/密度比模量模量/密度化学稳定性好减摩、耐摩和自润滑性能好耐热性高高韧性和高抗热冲击性、导电和导热性其它特殊性能：优良的电器绝缘材料复合材料性

4、能比较: (1)强度和模量复合材料性能比较:(1)强度和模量(2)化学稳定稳定性金属材料不耐酸、Cl-腐蚀金属材料不耐硫化腐蚀塑料具有良好的耐腐蚀性能陶瓷具有良好的耐硫腐蚀性能(3)减摩、耐磨和自润滑性能碳纤维可以增加石棉的摩擦系数，也可以降低塑料的摩擦系数。还可以增强聚合物材料耐磨性能PVC增加3.8倍PTFE增加3倍PP增加2倍(3)耐热性能 耐热性是指材料在一定的温度上限内能长期使用，而其力学性能保持不低于80的一种性能指标。目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 ，金属基复合材料的耐温性较好，3501100。SiC Al2O3/陶瓷复合材料：12001400 SiC/Si3N4复合

5、材料：1500 复合材料的用途机械汽车化学化工航空航天建筑日常生活第二章增强相增强相的种类纤维及织物：有机和无机纤维、金属纤维晶须：氧化物、氮化物和硼化物颗粒：陶瓷和金属第一节纤维单丝(Monofilament)指拉丝漏板每个孔中拉出的丝 原纱(strand)指多根单丝(数目由漏板的孔数决定)从漏板拉出汇集而成的单丝束，也称纤维束丝Tow)、单股纱或原丝 捻度(Twist)亦称捻数，指有捻纱或其它纱线在每米长度沿着轴向的捻回效(螺旋匝数)。S为左捻，逆时针，Z为右捻，顺时针细度指单丝的直径，一般用微米表示。表示方法：重量法：用一克原纱的长度来表示，称为支数。 定长法：是目前国际上统一使用的方法

6、，单位为Tex，系指1000米长原纱的克数。 粗纱(Roing)由若干单股有捻纱、原纱或单股无捻纱以无捻或少捻平行集束而成。 无捻粗纱有多股连续单股原纱并排合股而成(不加捻)以纱束，以构成原纱的股数和支数表示，如40支40股、40支20股等。一段来讲，无捻粗纱适于制作预浸料，因为它易于浸透树脂，有捻纤维适于编织。 短切纤维(Short fiber)将原丝、无捻粗纱或加捻纱切断成或拉断成长度为35150m(有的书中为0.660mm)的纤维，也称为短纤维。长径比短纤维长度与直径之比。 短纤维毡由不规则的短切纤维随意交叉重叠铺成毡状簿片，随机器的移动均匀排列，用树脂粘结而成。 连续纤维毡由纤维本身的

7、卷缠而形成并由少量粘合剂粘合。这种毡蓬松而具有弹性。 纤维织物(c1oth)用加了捻的纤维以不同方式编织的织物，依织法不同可以分为平纹布、斜纹布、缎纹布和单向布等。 无纬布用胶液将平行的纤维连在一起的布不加任何纬向纤维。横向粘结强度由树脂决定。 预浸料(Prepreg)用于制造复合材料浸渍树脂基体的纤维或其织物经烘干或预聚的一种中间材料。一、有机纤维1、kevlar纤维：芳香族酰胺纤维特点：高强度、高模量，韧性好，密度低Kevlar49：聚对苯撑对苯二甲胺Kevlar29：聚对苯酰胺具有高的结晶度和取向度具有垂直于纤维轴的层状结构Kevlar纤维的物理性能Kevlar纤维的化学稳定性2、超高分

8、子量聚乙烯纤维特点：高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。但熔点较低(约135)，高温容易蠕变用途：缆绳、武器装甲、防弹背心、航天航空部件 UHMWPE纤维的冲击强度几乎与尼龙相当，在高速冲击下的能量吸收是芳纶纤维（PPTA）、尼龙纤维的两倍。这种并疲劳性能非常适合制作防弹材料。二、无机纤维玻璃纤维：有碱(12%),中碱()6-12%,低碱(2-6%)，无碱(2%) 特点：耐腐蚀、高温；便宜；不耐磨、易折断碳纤维：热膨胀系数小；耐高温蠕变；自润滑、导电性高；价格高硼纤维：在钨丝表面沉积B氧化铝纤维：耐热性和抗氧化性好；密度大SiC纤维玻璃纤

9、维的结构玻璃纤维的化学成分和结构玻璃纤维的物理性能玻璃纤结的力学性能影响因素碳纤维的结构目前广泛采用的方法是在隔绝空气和水分的情况下，加热至1000左右分解碳化聚丙烯脂、黏胶纤维或沥青纤维。层与层之间的距离叫层间距，可用d表示，一股约为0.35nm图a。由数层到数十层组成石墨微晶，即碳纤维的二级结构单元见图b。再由石墨微晶组成原纤维图c，其直径为50nm左右，长度达数百纳米，这是碳纤维的三级结构单元。最后由原纤维组成碳纤维的单丝直径一般为68um。碳纤维的性能 碳纤维的热膨胀系数呈各向异性。平行于纤维方向是负值，为-(0.720.90)10-6/,垂直于纤维方向是正值。碳纤维的热导率也有方向性

10、，平行纤维方向的热导率约为1.6w/(mK)；垂直于纤维方向的热导率约为0.08w/(mK) 。热导率随温度升高而下降，此外，碳纤维具有良好的导电性。碳纤维的性能热处理温度的影响 随着热处理温度的提高，碳纤维的电阻率随之降低。碳纤维属于半导体性质而石墨纤维的导电性比铝、铜还要高。低热膨胀系数使碳纤维制品具有高度的尺寸稳定性。氧化铝纤维的性能SiC纤维的性能金属纤维金属纤维钢纤维特点：导电性和导热性好，塑性和抗冲击性能好。纤维性能比较纤维的柔韧性及断裂都没有屈服Kevlar49是韧性断裂，其它为脆性断裂比性能 CF的比模量最高GF的比模量最低PE的比强度和比模量配合最好热稳定性CF的耐高温性能最

11、好Kevalr49最差第二节晶须晶须(wisker)是指具有一定长径比(般大于10)和截面积小于52105cm2的单晶纤维材料。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。晶须的生长机制VLS机制(V表提供的气体原料，L为液体触媒，S为固体晶须） 系统中存在的触媒液滴而是气体原料和固体产物之间的媒介，形成晶须的气体原料通过气液界而输入到小液滴中，使小液滴成为含有晶须气体原料的熔体，当熔体达到一定的过饱和度时析出晶体，并沉积在液滴与接体的界面上。随着气源的连续供给，晶须连续长出，而将小液滴抬起，直到停止生长第三节颗粒刚性颗粒增强体或陶瓷颗粒增强体。具有高强度、高模量、耐热、耐

12、磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、细金刚石等。 作用：提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。延性颗粒增强体，主要为金属颗粒。作用：增强材料的韧性。但高温力学性能会有所下降。颗粒增韧机制 颗粒增强体可以通过三种机制产生增韧效果 当材料受到破坏应力时，裂纹尖端处的颗粒发生显著的物理变化，如晶型转变、体积改变、裂纹产生与增殖等，它们均能消耗能量，从而提高复合材料的韧性。这种增韧机制称为相变增韧和微裂纹增韧。复合材料中的第二相颗粒使裂纹扩展路径发生改变，如裂纹偏转、弯曲、分叉、裂纹桥接或裂纹钉扎等，从而产生增韧效果。以上两种机制同时发生，此时称为混合增韧。第

13、四节增强材料的表面处理作用：改善增强材料与基体的浸渍性相与界面的结合强度聚合物基复合材料（1）偶联剂处理：有机硅烷，钛酸脂（2）等离子处理：（3）氧化处理金属基复合材料 对于金属基复合材料，对纤维进行表面处理的目的主要是改善纤维的浸润性，抑制纤维与金属基体之间界面发生反应形成界面反应层，如利用化学气相沉积技术在硼纤维表面沉积形成碳化硅或碳化硼涂层，可以抑制热压成型时硼纤维与钱之间的界面反应。对氧化铝纤维表面则可沉积镍或镍合金层。第三章复合理论第一节复合原则材料组元的选择依据：复合材料的性能1、颗粒增强复合材料的原则(1)颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶

14、瓷基体)或分子链的运动(聚合物基体)。 (2)颗粒直径的大小要合适，因为颗粒直径过大会引起应力集中或本身破碎导致材料强度降低；颗粒直径太小，则起不到大的强化作用。因此，一般粒径为几微米到几十微米。(3)颗粒的数量一般大于20，数量太少，达不到最佳的强化效果。2纤维增强复合材料的原则(1)纤维的强度和模量都要高于基体，即纤维应具有高模量和高强度，因为除个别情况外，在多数情况下承载主要是靠增强纤维。 (2)纤维与基体之间要有一定的粘结作用，两者之间结合要保证所受的力通过界面传递给纤维。 (3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过大。 (4)纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，特别是不发生强烈的反应，

15、否则将引起纤维性能降低而失去强化作用。 (5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。制备方法的选择原则：(1)所选的工艺方法对材料组元的损伤最小(2)能使任何形式的增强材料(纤维、颗粒、晶须)均匀分布或按预设计要求规则排列；(3)使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各单元组元仍保留着固有的特性。第二节 复合材料的界面设计原则 复合材料的界面，并不是个理想的几何面。实验证明，复合材料相与相之间的两相交接区是一个具有相当厚度的界面层，两相的接触会引起多种界面效应，随界面层的结构和性能不同于它两侧邻两侧相的结构和性质，具有如下特点：具有一定厚度性能在厚度方向

16、上有梯度变化随环境条件变化而改变界面效应界面层的存在，导致界面效应的发生(1)分割效应：个连续体被分割成许多小区域，从而对基体力学性能造成影响。(2)不连续件止：在界面上引起的物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象，如电阻，介电特性，耐热性，尺寸稳定性等。(3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收.(4)感应效应：在界面上产生的感应效应，特别是应变、内应力和由此引出的现象界面设计原则适度粘接的界面层界面的作用：（1）把施加在整体上的力，由基体通过界面层传递到增强材料组元。（2）在一定的应力条件下能够脱粘，以及使增强纤维从基体拔出并发生摩擦。这样就可以借助脱粘增大

17、表面能、拔出和摩擦功等形式来吸收外加载荷的能量以达到提高其抗破坏能力。合适性质的界面层 一种是界面层的模量应介于增强材料与基体材料之间，最好形成梯度过渡。另一种观点是界面层的模量低于增强材料与基体，最好是一种类似橡胶的弹性体，在受力时有较大的形变。界面对性能的影响聚合物基复合材料的界面设计关健：增强界面的浸润性金属基复合材料的界面设计关健：（1）对增强材料进行表面处理，增强浸渍性和防止界面反应 （2）选择金属元素。改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。陶瓷基复合材料的界面设计关健：需要一种既能提供界面粘接又能发生脱粘的界面层，这样才能充分改善陶瓷材料韧性差的缺点

18、。第三节 复合材料界面理论浸润性热力学原理：体系自由能减小 力平衡原理 界面粘结 粘结(或称粘合、粘着、粘接)是指不同种类的两种材料相互接触并结合在一起的一种现象。1、机械作用理论机械作用机理如下图所示，当两个表面相互接触后，由于表面粗糙不平将发生机械互锁。表面越粗糙，互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。2、静电作用理论 当复合材料的基体及增强材料的表面带有异性电荷时，在基体与增强材料之间将发生静电吸引力。静电互作用的距离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才有效。因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。3、化学作用理论化学作用是指增强材料表面的化学基团(图中标有x面)与基体表面的相容基团(标

19、有R面)之间的化学粘结。化学作用理论最成功的应用是偶联剂利用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。4、界面反应或界面扩散理论 复合材料的基体与增强材料间可以发生原子或分子的互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。第四节 力学性能复合原理颗粒增强纤维增强晶须增强4.1颗粒增强原理弥散增强原理 弥散增强复合材料是由弥散微粒与基体复合而成。其增强机理与金属材料析出强化机理相似，可用位错（链段）绕过理论解释。载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错（链段）运动，微粒阻碍总体位错（链段）运动能力越大，增强效果愈大。4.2颗粒增强原理颗粒增强复合材料是由尺寸较大(1um)的坚硬颗粒与基体复合而成，其

20、增强原理与弥散增强原理有区别。在颗粒增强复合材料中，虽然载荷主要由基体承担，但颗粒也承受载荷并约束基体的变形，颗粒阻止基体位错运动的能力越大，增强效果越好。在外载荷的作用下，基体内位错滑移在基体颗粒界面上受到阻滞，并在颗粒上产生应力集中，其值为 i = n 根据位错理论，应力集中因子为 因此 Gm为基体的剪切模量， b为柏氏矢量 Df为颗粒之间的距离为 如果i P (颗粒强度)时，颗粒开始破坏，产生裂纹，引起复合材料变形 P =Gp/C (C为常数)颗粒增强复合材料的屈服强度为 将体视学关系式代入得到4.3单向连续纤维增强原理复合材料性能与组分性能、组分分布以及组分间的物理、化学作用有关。复合

21、材料性能可以通过实验测量确定，理论和半实验的方法可以用于预测复合材料中系统变量的影响，但是不十分可靠，特别在单向复合材料的横向性能方面不准确。然而，数学模型在研究某些单向复合材料纵向性能方面相当精确的。4.3.1 纵向强度和刚度 (1)复合材料应力应变曲线的初始阶段 连续纤维增强复合材料层板受沿纤维方向的拉伸应力作用，假设纤维性能和直径是均匀的、连续的并全部相互平行；纤维基体之间的结合是完美的，在界面无相对滑动发生；忽略纤维和基体之间的热膨胀系数、泊松比以及弹性变形差所引起的附加应力。整个材料的纵向应变可以认为是相同的，即复合材料、纤维和基体具有相向的应变 在沿纤维方向的外加载荷由纤维和基体共

22、同承担，应有 对于平行纤维的复合材料，体积分数等于面积分数 复合材料、纤维、基体的应变相同对应变求导数，得到 d /de表示在给定应变时相应应力应变曲线的斜率。如果材料的应力应变曲线是线性的。则斜率是常数，可以用相应的弹性模量代人，得到(2)复合材料初始变形后的行为 一般复合材料的变形有4个阶段：纤维和基体均为线弹性变形；纤维继续线弹性变形，基体非线性变形；纤维和基体都是非线性变形；随纤维断裂，复合材料断裂。对于合属基复合材料来说，由于基体的塑性变形，第二阶段可能占复合材料的应力应变曲线的相当部分。(3)断裂强度对于纵向受载的单向纤维复合材料，当纤维达到其断裂应变值时，复合材料开始断裂。当基体

23、断裂应变大于纤维断裂应变时，理论计算时一般假设所有的纤维在同一应变值断裂，如果纤维的断裂应变值比基体的小，在纤维体积分数足够大时，基体不能承担纤维断裂转移的全部裁荷，则复合材料断裂。这种条件下，复合材料纵向断裂强度可以认为与纤维断裂应变值对应的复合材料应力相等，从混合法则，得到复合材料纵向断裂强度 是纤维的强度 是对应纤维断裂应变值的基体应力在纤维体积分数很小时，基体能够承担纤维断裂后所转移的全部载荷，随基体应变增加，基体进一步承载，并假设在复合材料应变高于纤维断裂应变时纤维完全不能承载。这时复合材料的断裂强度为 式中 是基体强度。联立以上二式，得到纤维控制复合材料断裂所需的最小体积分数 当基

24、体断裂应变小于纤维断裂应变时，纤维断裂应变值比基体大的情况与纤维增强陶瓷基复合材料的情况一致。在纤维体积分数较小时，纤维不能承担基体断裂后所转移的载荷，则在基体断裂的同时复合材料断裂，由混合法则得到复合材料纵向断裂强度 为对应基体断裂应变时纤维承受的应力 当纤维维体积分数较大时，纤维能够承担基体断裂后所转移的全部载荷假如基体能够继续传递载荷，则复合材料可以进一步承载，直至纤维断裂，这时复合材料的断裂强度为 同样的方法，可以得到控制复合材料断裂所需的最小纤维体积分数为4.3.2横向刚度和强度(1)HalpinTsia公式复合材料横向弹性模量其中 是与纤维几何、堆积几何及载荷条件有关的参数，纤维截

25、面为圆形和正方形时等于2，矩形纤维为2a/b,a/b是截面尺寸，a处理加载方向(2)横向强度 与纵向强度不同的是，纤维对横向强度不仅没有增强作用，反而有相反作用，使得复合材料的断裂应变比未增强基体低得多。 如果复合材料的横向强度受基体强度控制，即基体的横向强度乘以衰减因子S，那么S可以看作是应力集中系数SCF或者应变集中系数SMF，在忽略泊松效应时为：第五节 其它物理性能的复合原理目前尚未掌据所有物理性能的复合规律。已经了解得比较清楚的是一些单纯加和性(符合线性法则)的简单物理性能，如密度、比热容、介电常数、导磁率等。其中导电率、电阻、导磁率和热传导等物理性能的复合法则与力学性能一样，混合物定

26、律大致是成立的。6.1热导率（1）单向复合材料 纵向和横向的热导率可按以下两式估算 式中，K为热导率；下标L、T分别表示纵向和横向；f、m分别表示纤维和基体(2)二维随机短纤维复合材料 纤维排布平面法线方向的热导率为 式中，S11为形状因子，与短纤维的形状有关。如果短纤维是椭圆形截面的粒状体(a1,a2a3)，则 如短纤维为圆形截面，则(3)三维随机短纤维复合材料 这种复合材料可视为各向同性的，其热导率为 对于圆形截面的柱形短纤维(4)颗粒复合材料 当颗粒为球状时，复合材料的热导率为6.2热膨胀系数当两种各向同性材料复合后，体系的热膨胀系数c 式中，a1,a2为组成复合材料组分的热膨胀系数；K

27、为特定弹性常数；为体积分数，当两种材料的泊松比相等时，可用E代替K对于物理常数差别不是很大的多层复合体系，可采用加和公式作为近似计算式6.3电导率对于单向连续纤维复合构料，若基体的电导率大于纤维的电导率，则有纵向电导率 横向电导率对于颗粒增强复合材料，将颗粒看成是均匀分散于基体中的球形粒子第七节 界面粘结强度的测定界面试验方法宏观试验法单纤维试验法微压入试验法 宏观试验法是利用复合材料的宏观性能来评估纤维与基体之间界面应力状态的方法。此类方法中最常用的是三点弯曲和Iosipescu试验法。界面粘接第四章 聚合物基复合材料PMC性能特点优点(1)高比强度、高比模量 (2)可设计性 (3)耐腐蚀

28、(4) 热膨胀系数低，尺寸稳定 (5)耐疲劳缺点材料昂贵在湿热环境下性能变化冲击性能差PMC复合材料的分类 以基体性质不同分：热塑性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类第二节 聚合物基体一、概述1、基体的作用将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均匀决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、横向性能、剪切性能、耐介质性能(如耐水、耐化学品性能)等决定复合材料成型工艺方法及工艺参数选择保护纤维免受各种损伤对复合材料一些性能有重要影响，如纵向位伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。2、基体的分类按树脂热行为可分

29、为：热固性及热塑性两类按树脂特性及用途分为：一般用途树脂、耐热性树脂、耐候性树脂、阻燃树脂 按成型工艺分为：手糊用树脂、喷射用树脂、胶衣用树脂、缠绕用树脂、拉挤用树脂、RTM用树脂、SMC用树脂3、固态高聚物的三态温度对聚合物力学性能的影响温度对聚合物力学性能的影响4、基体的选择原则能够满足产品的使用需要，如使用温度、强度、刚度、耐药品性、耐腐蚀性等。对纤维具有良好浸润性和粘接力。容易操作，如要求胶液具有足够长的适用期、预浸料具有足够长的贮存期、固化收缩小等。低毒性、低刺激性。价格合理。二、热固性基体 热固性基体主要是不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂，不饱合聚脂树脂、酚醛树脂主要用于玻璃纤维

30、增强塑料，其中聚酯树脂用量最大，约占总量的80，而环氧树脂则一般用作耐腐蚀性或先进复合材料基体。1、不饱合聚酯树脂(UPUnsaturated Po1yester Resin) 不饱合聚酯是由不饱合二元酸或酸酐、饱合二元酸或酸酐与二元醇经缩聚反应合成的低聚物。特点：固化收缩率较大、耐热性较差，价格较便宜 不饱合聚酯的性能取决于单体类型和比例，饱和二元酸与不饱和二元酸比例越大，则树脂韧性越好，但耐热性越差。通用不饱合聚酯是由顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐与1，2丙二醇合成。增稠剂： 碱土金属氧化物或氢氧化物固化剂：引发剂(如过氧化物)苯乙烯(或MMA)2、环氧树脂(EP)环氧树脂是种分子中各有两个或

31、两个以上活性环氧基团的低聚物。特点：适应性湿(可选择的品种、固化剂、改性剂等种类很多)、工艺件好、粘接力大、成型收缩率低、化学稳定性好 双酚A型环氧是由双酚A与环氧氯丙烷经缩聚而成环氧树脂的固化环氧树脂的固化可以通过催化剂使环氧基相互连接而固化，也可以用有能与环氧基反应的官能团的反应性固化剂固化。常用固化剂包括脂肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸酐等。伯胺固比的机制是胺上的活泼氢与环氧基反应：环氧树脂的增韧增韧剂：改善树脂的冲击强度和耐热冲击性能，减少固化时反应热和收缩率。但会使树脂耐热性、电性能、耐化学腐蚀性及某些力学性能的下降。端羧基液体丁腈橡胶(CTBN)增韧机制：3、聚酰亚胺树脂(PI)

32、PI是由芳香族四酸二酐与芳香族二氨经缩聚反应合成的。双马树脂(BMI)是由马来酸酐与芳香族二胺反应生成预聚体，再高温交联而成的一类热固性PI树脂特点：优异的综合性能，使用温度范围宽(65230度，超过环氧树脂)，配方选择范围大，工艺性好，价格较低等。缺点是较脆，断裂韧性低4、酚醛树脂(PF) 酚醛树脂是由酚类(主要是苯酚)和醛类(主要是甲醛)聚合生成的一类树脂，它是最早工业化的热固性合成树脂。特点：合成方便，价格低廉，固化物具有阻燃性、耐烧蚀性、低发烟性和耐热性等特点 三、热塑性基体原则上，所有的热塑性树脂，如聚烯烃、聚醚、聚酰胺、聚脂、聚砜等都可作为复合材料基体。1、聚醚醚酮(PEEK)特点

33、：（1）优异的力学性能和耐热性（2）模量与环氧树脂相当，强度忧于环氧，而断裂韧性高一个数量级（3）耐化学腐蚀性，不溶于任何溶剂、阻燃性好，极好的耐辐射性2、热塑性聚酰亚胺 聚醚酰亚胺(PEI) ：长期使用温度为180 ，具有良好的耐热性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐水解性和加工工艺性，可溶在卤代烷、DMF等溶剂中。聚酰胺酰亚胺(PAI)：是一种熔体粘度很高的热塑性树脂，通常也称假热塑性枷B。具有优异的耐热性，其Tg可达280，长期使用温度达240 3、聚苯硫醚(PPS)耐化学腐蚀性极好，仅次于氟塑料，在室温下不溶任何有机溶剂。具有良好的机械性能和热稳定性，可长期耐热至240 。熔体粘度低，易于通过

34、须浸渍、层压制成复合材料。但是在高温下长期使用，会被空气中的氧氧化而发生交联反应，结晶度降低，甚至失去热塑性性质。 3、聚醚砜(PES)在180 温度下长期使用，在一100 一200 温度区间内，模量变化很小，优良的尺寸稳定性，热膨胀系数与温度无关，无毒、不燃、发烟率低、耐辐射性好，耐150 蒸汽，耐酸碱和油类，但可被浓硝酸、浓硫酸、卤代烃腐蚀或溶解，在酮类溶剂中开裂。第三节PMC的界面 一、PMC界面表征 PMC界面层结构主要包括增强剂表面、与基体的反应层或偶联剂参与的反应层，以及接近反应层的基体过渡层。界面表征的目的：要了解增强剂表面的组成、结构及物理、化学性质，基体与增强剂表面的作用，偶

35、联剂与增强剂及基体作用，界面层性质，界面粘接强度的大小以及残余应力的大小及作用等。界面化学结构的表征现代分析技术，如电子显微镜(SEM和TEM)、光电子能谱(ESCA，AES)、红外光谱(FTIR)和拉曼(Raman)光谱、二次离子质谱(SIMS)、色谱等界面物理性能的表征 二、PMC界面特点大多数界面为物理粘接，粘接强度较低PMC一般在较低温度下使用，故界面可保持相对稳定PMC中增强本体一般不与基体反应 三、PMC界面设计 PMC界面设计的基本原则是：改善浸润性，提高界面粘接强度。 提高PMC的界面粘接强度对其大多数性能是有利的。目前对PMC界面研究的主要目的是改善增强剂与基体的浸润性，提高

36、界面粘接力。改善PMC表面浸润性的方法使用偶联剂 偶联剂一端与玻璃纤维表面结合，另一端可溶解扩散于界面区域的树脂，与树脂大分子链发生纠缠或形成互穿高聚物网络结构，达到最好的界面粘附，而且偶联剂本身应含有长的柔软链节，以便形成柔性的有利于应力弛豫的界面层，提高其吸收和分散冲布能，使复合材料具有很好的抗冲击强度。增强剂表面活化通过各种表面处理方法，如表面氧化、等离子体处理，可在惰性的表面上引入活性官能团如COOH、OH、 CO、NH2等等。一方面，这些活性官能团可与基体中活性基团反应，另一方面也可提高纤维与基体相容性，提高粘接强度。通过22处理后,在的表面有大量的官能团产生.在3600-1处的峰表

37、明有羟基,而1600-1处的峰表明有羧基.使用聚合物涂层使用一些聚合物涂层它与增强纤维和基体都有良好的涅润性，也是改善PMC界面粘接状况的一种有效方法。可以用溶液涂敷或电化学聚合以及等离子体聚台的方法获得聚合物涂层。Al2O3/PTFE复合材料断口界面SEM形貌 未经表面处理原位包覆处理硅烷偶联剂处理 纳米SiO2填充 粒径为（97-125）m的Al2O3填充的PTFE复合材料的硬度曲线 经偶联剂处理纳米Al2O3填充的PTFE复合材料的硬度曲线 纳米SiO2/PTFE复合材料硬度 第四节 PMC制备工艺一、预浸料及预混料制造工艺预浸料通常是指定向排列的连续纤维(单向、织物)等浸渍树脂后所形成

38、的厚度均匀的薄片状半成品。 预混料是指由不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后所形成的较厚的片状、团状或粒状半成品，包括片状模塑料(SMC，GMT)、团状模塑料(BMC)和注射模塑料(IMC)。预浸料及预混料的基本特征 1、预浸料制造热固性预浸料制造 根据浸渍设备或制造方式不同，热固性FRP预浸料的制造分轮鼓缠绕法和阵列排铺法；按浸渍树脂状态分湿法(溶液预浸法)和干法(热熔预浸法)。轮鼓缠绕法工艺原理 湿法阵列排铺法是原理是许多平行排列的纤维束(或织物)同时进入胶槽，浸渍树脂后由挤胶器除去多余胶液，经烘干炉除去溶剂后，加隔离纸并经辊压整平，最后收卷。 干法浸渍工艺也称热熔预浸法(Hot melt i

39、mpregnating)，是在热熔预浸机上进行的，其工艺原理是熔融态树脂从漏槽流到隔离纸上，通过刮刀后在隔离纸上形成一层厚度均匀的胶膜，经导向辊与平行排列的纤维或织物压合，通过热鼓时树脂熔融并浸渍纤维，再经辊压使树脂充分浸渍纤维，冷却后收卷。热塑性预浸料制造 溶液预浸是将热塑性高分子溶于适当的溶剂中，使其可以采用类似于热固性树脂的湿法浸渍技术进行浸渍，将溶剂除去后即得到浸渍良好的预浸料。优点：可使纤维完全被树脂浸渍并获得良好的纤维分布，可采用传统的热固性树脂的设备和类似的涅渍工艺。缺点：成本较高并造成环境污染，残留溶剂很难除尽 熔融预浸是将熔融态树脂由挤出机挤到持殊的模具中浸渍连续通过的纤维束

40、或织物。优点：可以适用很多热塑性树脂缺点：要求树脂的粘度低，稳定性好膜层叠工艺原理是：增强剂与树脂薄膜交替铺层，在高温、高压下使树脂熔融并浸渍纤维，制成平板或其它一些形状简单的制品(如雷达罩)。增强剂一般采用织物这样在高温、高压浸演过程中不易变形。优点：适用性强、工艺及设备简单；缺点：纤维浸渍状态和分布不良、制品性能不高，需要高温、高压长时间的成型，以及不能制造复杂形状和大型制品。 粉末浸渍是将热塑性树脂制成粒度与纤维直径相当的微细粉末，通过流态化床技术使树脂粉末直接分散到纤维束中，经热压熔融即可制成充分浸渍的预浸料。优点：预浸料有一定柔软性、铺层工艺性好，成型工艺性好SMC及BMC制造2、预

41、混料制造BMC的生产方法很多，最常用是捏合法，即在捏合机(桨叶式混合器)中，将短切纤维、填料与液态树脂(如UP)或树脂溶液(如PF溶于乙醇)充分搅拌混匀，移出后晾干溶剂)，即得产品。GMT及IMC制造二、袋压成型将铺层铺放在模具中，盖上柔软的隔离膜，在热压下固化。经过所需的固化周期后材料形成具有一定结构的构件。四、缠绕成型五、拉挤成型六、模压成型SMC模压成型制品性能七、纤维增强热塑性塑料(FRTP)成型技术 原理上，用于热固性FRP的制品成型技术大多数也适于FRTP，但所需铺助材料和工艺过程则有较大区别。而有些热固性FRP制品成型技术则一般不能用于FRTP如手糊成型、喷射成型等。要解决的问题主要有二个方面：一是纤