聚合物基复合材料（全套课件320P）

聚合物基复合材料

2023/4/121课程的性质和地位

本课程是高分子材料与工程专业的一门专业限选课。考核办法本课程为考试课程，平时成绩（包括作业、讨论、出勤等）占30%，期末考试成绩占70%。2023/4/122推荐教材及主要参考书王汝敏，郑水蓉，郑亚萍编：《聚合物基复合材料及工艺》，科学出版社，2004年，第一版。倪礼忠主编：《复合材料科学与工程》，科学出版社，2002年，第一版。王荣国主编：《复合材料概论》，哈尔滨工业大学出版社，1999年，第一版。陈华辉主编：《现代复合材料》，中国物资出版社，1998年，第一版。刘雄亚主编:《复合材料工艺及设备》，武汉工业大学出版社，1997年，第一版。2023/4/123其它教学资料学术期刊：《复合材料学报》、《玻璃钢/复合材料》专业网站：中国复合材料网()

中国玻璃纤维复合材料信息网()2023/4/124学时分配章节教学内容学时1绪论22增强材料43基体材料44聚合物基复合材料的界面45聚合物基复合材料成型用半成品的制备46聚合物基复合材料的成型工艺47复合材料夹层结构制品的成型工艺4合计262023/4/125第1章绪论本章教学目的：了解复合材料的定义、命名及分类、成型方法了解复合材料的特性、应用了解复合材料的进展本章重点难点：复合材料的基本概念、应用及进展本章课时安排：2学时2023/4/126第1章绪论1.1引言材料种类特性金属材料强度大，易腐蚀无机非金属材料硬度大，脆性大高分子材料质量轻，易老化复合材料Compositematerial2023/4/127第1章绪论1.2复合材料的定义复合材料：由二种或二种以上不同性能，不同形态的组分材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又显示原组分材料所没有的新性能。复合材料的特征：非均相材料，组分材料性能差异较大，新性能，体积分数大于10%，固体材料。复合材料构成：基体相，增强相，界面相2023/4/128第1章绪论1.3复合材料的命名及分类命名：根据增强材料和基体材料的名称来命名“增强材料+基体材料”复合材料碳纤维环氧树脂复合材料碳/环氧复合材料碳纤维复合材料；环氧复合材料2023/4/129第1章绪论1.3复合材料的命名及分类分类金属基复合材料聚合物基复合材料无机非金属基复合材料

碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料芳纶纤维复合材料

连续纤维（短纤维）复合材料片状（粒状）材料增强复合材料复合材料基体材料增强材料种类外形2023/4/1210第1章绪论1.4复合材料的成型方法1）手糊成型2）层压成型3）模压成型4）缠绕成型5）喷射成型2023/4/1211第1章绪论1.5复合材料的特性1）比强度，比模量高（强度/密度，模量/密度）优点：2023/4/1212第1章绪论1.5复合材料的特性2）耐疲劳性能好，破损安全性能高3）阻尼减振性好4）多种功能性（电绝缘、摩擦、耐腐蚀、光、磁）5）良好的加工工艺性（可设计性、多种成型方法、整体成型）6）各向异性和性能的可设计性优点：2023/4/1213第1章绪论1.5复合材料的特性缺点：1）成型方法自动化、机械化程度低2）性能均一性差，产品质量不稳定3）质量检测方法不完善4）长期耐高温和环境老化性能不好2023/4/1214第1章绪论1.6复合材料的应用航空航天：2023/4/1215第1章绪论1.6复合材料的应用航空航天：2023/4/1216第1章绪论1.6复合材料的应用航空航天：飞机机翼、尾翼、垂尾、机身

波音-747型客机上使用聚合物基复合材料的部位

2023/4/1217

B787客机(2007年7月首架飞机下线,复合材料占总质量50%,节省燃油20%)技术参数：翼展：50.3-51.8米；机长:55.5米；高度：16.5米；最大起飞总重:163000千克；巡航速度：0.85马赫（马赫=1126公里/小时）

；载客量：289；最大航程：15700公里

2023/4/1218B787复合材料机身2023/4/1219B787复合材料机身2023/4/1220

A380客机(2007年10月,首次商业航行,复合材料占总质量25%)是目前世界上唯一采用全机身长度双层客舱,最先进、最宽敞和最高效的飞机。技术参数：翼展：79.8米；机长：73米；宽度：7.14米；最大起飞重量：560吨；巡航速度：0.89马赫；载客量：555人；最大航程：15000公里。2023/4/1221

我国研制的ARJ21（AdvancedRegionalJet）支线客机—“翔凤”(复合材料占总质量2%)2007年12月21日下线，2008年上半年首飞；载客量70—100人;最大燃油航程：4164km.

2023/4/1222聚合物基复合材料在导弹火箭上的应用(导弹减轻1公斤,射程增加16—20公里)2023/4/1223第1章绪论1.6复合材料的应用交通运输：各种车身构件、车门、地板、冷藏车、座椅建筑工业：轻型房屋、建筑装饰及雕塑电子电器：层压板、电线杆、路灯灯具体育：撑杆、弓箭、赛车、滑板机械：各种配件、风机2023/4/1224第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1225第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1226第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1227第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1228第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1229第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1230第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1231第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1232第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1233第1章绪论1.6复合材料的应用2023/4/1234第1章绪论1.7复合材料的进展1）降低纤维价格和开发新纤维2）扩大复合材料的应用3）发展新的设计、制备方法和新的复合技术4）发展混杂纤维复合材料5）发展功能、多功能、机敏、智能复合材料6）发展纳米复合材料和仿生复合材料2023/4/1235本章习题什么叫复合材料？如何命名复合材料?复合材料有哪些优点？存在的主要问题是什么？试分析复合材料的应用及发展。2023/4/1236本章教学目的：了解增强材料的作用、种类了解玻璃纤维的组成、制备方法、性能了解碳纤维的组成、制备方法、性能了解芳纶纤维的组成、制备方法、性能本章重点难点：增强材料的组成、制备方法、性能本章课时安排：8学时第2章增强材料2023/4/1237第2章增强材料2.1概述添加剂（助剂或配合剂）能改善聚合物基体性能，而不明显影响聚合物分子结构的辅助材料。2.添加剂种类①提高稳定性的添加剂：抗氧剂、光（热）稳定剂、防霉剂②改善力学性能的添加剂：纤维增强剂、微粒填充剂、偶联剂③改善加工性能：增塑剂、润滑剂、脱模剂④改进表面性能和外观：抗静电剂、防雾剂、着色剂、荧光增加剂⑤提高耐燃性能：阻燃剂⑥改变其他性能的添加剂：发泡剂2023/4/12382.1概述3.增强纤维显著提高基体材料的机械性能（高强度、高模量）无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维有机纤维：芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维第2章增强材料2023/4/12392.2玻璃纤维(20世纪20年代，生产并投入使用，美国；1950年，中国)第2章增强材料2023/4/12402.2玻璃纤维玻璃纤维的组成玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属无定形离子结构物质。SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点金属氧化物：（Al2O3

，CaO，MgO，BeO，Na2O,K2O，B2O3）改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na2O,K2O为助熔剂，降低熔点)和性能(BeO，模量；B2O3，耐酸)第2章增强材料2023/4/12412.2玻璃纤维玻璃纤维的分类

按化学组成分：有碱玻璃纤维（碱金属氧化物MxOy含量大于12%）；中碱玻纤（MxOy：6~12%）；低碱玻纤（MxOy：2~6%）；微碱玻纤（MxOy：＜2%）按纤维使用特性：普通玻纤；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻纤或R玻纤）；耐化学药品玻纤（C玻纤）按产品特点分：长度（定长玻纤，连续玻纤）；直径（粗纤维d>30µm，初级纤维20µm<d<30µm，中级纤维10µm<d<20µm，高级纤维3µm<d<9µm）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，玻璃粉）第2章增强材料2023/4/12422.2玻璃纤维玻璃纤维的制备

坩埚拉丝法玻璃球d=15~18mmM≈10g拉丝玻纤玻璃原料（砂、石灰石、硼酸）熔炼炉（1260℃）造球机第2章增强材料2023/4/1243（1300℃）（102、204、408孔，d=1.5~2mm,玻璃液为1190℃）（d=3~20µm）

（1000~3000m/min）

2023/4/12442.2玻璃纤维玻璃纤维的制备

池窑法将玻璃配合料投入熔窑熔化后，直接拉制成玻纤优点：效率高，生产能力高；自动化控制，产品质量稳定；节约原料，便于回收第2章增强材料2023/4/12452.2玻璃纤维玻璃纤维制品的制造

玻纤玻纤制品（布、带、毡）纺织、加工第2章增强材料2023/4/12462023/4/12472.2玻璃纤维玻璃纤维制品第2章增强材料2023/4/12482.2玻璃纤维玻璃纤维浸润剂

第2章增强材料浸润剂：在单根纤维表面涂覆的由粘接组分、润滑组分和表面活性剂等配制的乳液。作用：使单丝集束；防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘接；保护纤维，防止纤维磨损降低强度。种类：纺织型浸润剂（石蜡型、淀粉型）增强型浸润剂（偶联剂）化学处理剂（偶联剂）前处理法2023/4/12492.2玻璃纤维玻璃纤维的性能第2章增强材料1.力学性能（拉伸强度较高，但模量较低）d＜10mm,s玻纤=1000MPa；d＜5mm，s玻纤=2400MPa

s玻璃≈40~100MPa2023/4/12502.2玻璃纤维玻璃纤维的性能第2章增强材料微裂纹理论：玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，玻璃被破坏。微裂纹尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低。块状玻璃比玻璃纤维尺寸大，其内部和表面存在微裂纹的概率更大，所以块状玻璃比玻璃纤维的强度低得多。s玻纤＞＞s玻璃2023/4/12512.2玻璃纤维玻璃纤维的性能第2章增强材料微裂纹理论：

玻纤直径越小，长度越短，强度越大；存放时间越长，负荷时间越长，玻纤强度下降。s玻纤＞＞s玻璃2023/4/12522.2玻璃纤维玻璃纤维的性能第2章增强材料分子取向理论：

玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。s玻纤＞＞s玻璃2023/4/12532.2玻璃纤维玻璃纤维的性能第2章增强材料2.热性能Tg≈600℃，Tf≈1200℃；T＞250℃，温度，强度，具有短时耐高温特性；300℃，24h，s20%；400℃，24h，s50%；导热系数k低（20~100℃，0.86Kcal/m.h.℃）,良好的绝热性能；热膨胀系数a低（20~100℃，4.8×10-6/℃），比热容C为0.19cal/g.℃2023/4/12542.2玻璃纤维玻璃纤维的性能第2章增强材料3.耐腐蚀性能玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对酸、碱、盐以及有机溶剂具有较好的耐腐蚀能力。玻纤表面积大，故比块状玻璃耐腐蚀性差。Na2O/K2O离析，溶解酸玻纤硅酸盐硅酸胶体（促进）保护膜（减缓溶解过程）水玻纤Na2O/K2O溶解碱性SiO2骨架破坏碱玻纤溶解玻纤所有成分，玻纤变细2023/4/12552.2玻璃纤维玻璃纤维的性能第2章增强材料3.耐腐蚀性能中碱玻纤耐酸，不耐水不耐碱；无碱玻纤耐水，不耐酸不耐碱。（化学介质温度升高，玻纤腐蚀加剧；温度上升10℃，腐蚀速度提高50%~100%

。）2023/4/12562.2玻璃纤维玻璃纤维的性能第2章增强材料4.电性能电绝缘性好：含碱量越高，绝缘性越低；（碱金属离子迁移，成为载流子）湿度、温度提高，绝缘性降低良好的高频介电性能（介电常数较小，介质损耗低）2023/4/12572.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物。（高强度、高模量、耐热性好、密度低）1959年美国研制人造丝碳纤维；1963年日本以沥青为原料研制出碳纤维；1964年英国，聚丙烯腈基碳纤维20世纪70年代，中国生产碳纤维（品种少，性能一般，产量低）1969年100t1985年4700t2000年20000t2023/4/12582.3碳纤维（CF）第2章增强材料2023/4/12592.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的用途2023/4/1260B787复合材料机身2023/4/1261B787复合材料机身2023/4/12622.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的用途2023/4/12632.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的用途NH-90直升机2023/4/12642.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的用途

NH-90直升机机体结构中，大绝部分均采用复合材料整体结构，与全金属结构相比，其零件数目减少20%，重量减轻15%。

2023/4/12652.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的用途2023/4/12662.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的用途2023/4/12672.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的分类原丝种类：聚丙烯腈基CF，沥青基CF、粘胶基CF制造方法：

碳纤维（800~1600℃，金刚石结构，空间网格）

2023/4/12682.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的分类石墨纤维（2000~3000℃，石墨结构，层状）2023/4/12692.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的分类力学性能：通用级CF、高性能CF

（高强、超高强、高模、超高模）应用领域：商品级CF，宇航级CF功能：导电CF，耐磨CF，耐火CF，活性CF2023/4/12702.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的制造方法气相法：惰性气氛，小分子有机物（烃或芳烃）在高温下沉积而成，形成晶须或短纤维。有机纤维碳化法：经稳定剂处理的有机纤维在惰性气体中焙烧碳化，形成碳纤维2023/4/12712.3碳纤维（CF）第2章增强材料碳纤维的制造方法1.聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）PAN纤维预氧化200~300℃氧化气氛碳化400~1900℃惰性气氛N2石墨化2500~3000℃惰性气氛Ar碳纤维2023/4/12722.3碳纤维（CF）第2章增强材料2023/4/12732.3碳纤维（CF）碳纤维的制造方法1.聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）第2章增强材料①预氧化：PANTg≈120℃，分解前会软化熔融；现象：白黄棕褐色黑结果：PAN分子结构调整为稳定梯形六元环结构，并生成碳氧键，吸氧量为8~10%，PAN丝抵抗外加张力，分子链收缩并择优取向。②碳化（乱层石墨结构）分解N，H，O等非碳元素，碳化产率约为40~45%（一半以上原料被分解），碳纤维含碳率在92%以上。③石墨化（石墨片层结构）纤维中结晶碳向石墨晶体取向，并使之与纤维轴向夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。2023/4/12742.3碳纤维（CF）碳纤维的制造方法2.粘胶基碳纤维（质量损失90%以上）第2章增强材料粘胶纤维（天然/人造纤维）热处理碳化石墨化碳纤维25~150℃，脱水（吸附水）150~240℃，纤维素环脱水240~400℃，自由基反应（C-C，C-O），CO，CO2400℃，芳环化，H22023/4/12752.3碳纤维（CF）碳纤维的制造方法3.沥青基碳纤维第2章增强材料原料：石油沥青、煤焦油沥青、PVC沥青前处理（调整化学成分和结构）：溶剂萃取蒸馏、加氢处理、添加化合物沥青熔融纺丝稳定化处理碳化石墨化碳纤维前处理2023/4/12762023/4/12772.3碳纤维（CF）碳纤维的结构第2章增强材料石墨片层石墨微晶乱层结构石墨原纤条带结构碳纤维2023/4/12782023/4/12792.3碳纤维（CF）碳纤维的结构第2章增强材料缺陷：内部杂质、外来杂质、裂缝、空穴、气泡、表面污染（影响CF强度的重要因素）来源：原丝存在的缺陷（杂质、裂缝）碳化过程产生缺陷（空穴、气泡）2023/4/12802.3碳纤维（CF）碳纤维的性能第2章增强材料1.力学性能强度高（s=1.4~2.5GPa），模量大（E=（2.5~4.6）×102GPa2.物理性能①密度小(r≈1.5~2.0g/cm3)；②耐温性好(250~2000℃)；③热膨胀系数（平行纤维轴为负，垂直纤维轴为正）；④导电性好；⑤自润滑性3.化学性能①氧化性（200℃以上在空气中氧化）②耐腐蚀性好（耐酸碱、耐水）2023/4/12812.3碳纤维（CF）碳纤维的制品第2章增强材料2023/4/12822.4芳纶纤维（KF，VF）第2章增强材料

KF是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀的有机纤维，1960年美国杜邦公司发明。2023/4/12832.4芳纶纤维（KF，VF）第2章增强材料2023/4/12842.4芳纶纤维（KF，VF）第2章增强材料芳纶纤维的种类间位芳香族聚酰胺纤维（Nomex）对位芳香族聚酰胺纤维（Kevlar）聚间苯二甲酰间苯二胺聚对苯甲酰胺聚对苯二甲酰对苯二胺2023/4/12852.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的制备第2章增强材料2023/4/12862.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的制备第2章增强材料1.纺丝原液（向列相液晶）在某一温度下，存在临界浓度（x%），各向同性转变为各向异性。x%增加，h下降；达到液晶最大浓度，x%增加，h增加（高浓度，低粘度）B.温度越高，临界浓度也越高2023/4/12872.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的制备第2章增强材料2.干/湿法纺丝PPTA液晶喷丝纺丝管丝束洗涤干燥KF2023/4/1288第2章增强材料2023/4/12892.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的制备第2章增强材料3.热处理K-29K-49N2，150~550℃目的：分子链进一步取向，提高结晶率（96%）；增加纤维强度、模量，降低断裂伸长率2023/4/12902.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的结构第2章增强材料化学结构①苯环：刚性链晶体②苯环与酰胺键交替排列，规律性好，对称性好，结晶性好③分子间有氢键，形成梯形化合物2.微观结构椭圆形片状结构微纤微纤层KF2023/4/12912.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的性能第2章增强材料力学性能弹性模量高（约为玻纤2倍）；强度高（与GF、CF相当）；密度最小r=1.45；良好韧性；各向异性（平行轴向强度高，垂直则低）；抗压、抗扭差；抗蠕变，耐疲劳2023/4/12922.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的性能第2章增强材料2.热性能良好耐温性能（-196~+500℃）；耐火性能好，不燃；热膨胀系数各向异性，轴向为负，垂直为正。3.化学性能除强酸、强碱外，KF耐各种有机溶剂浸蚀；耐紫外光差（苯环）；耐水性差（饱和吸湿率大，使用前应干燥，80℃/24h）2023/4/12932.5其它纤维硼纤维（BF）第2章增强材料

20世纪50年代末，美国开发的高性能纤维，主要用于制造树脂基和金属基复合材料。CF比BF生产工艺简单，成本低，性能相当，BF被CF替代。目前，主要用于金属基复合材料。1.制造方法有机金属法：硼的有机金属化合物（三乙基硼或硼烷）进行高温分解使硼沉积在底丝上。Al丝沉积室（600℃）BF成本下降，使用温度和性能也下降2023/4/12942.5其它纤维硼纤维（BF）第2章增强材料1.制造方法卤化法钨芯BF：碳芯BF：钨丝清洗室H2/1200℃沉积室

BCl3+H2/1350℃

涂覆室保护层BF

CF33mm裂解石墨室

H2+CH4影响沉积速率的因素：反应物速率、流量、副产物浓度、被涂物温度沉积速度不能太快，否则BF表面缺陷；太慢，则BF强度降低2023/4/12952.5其它纤维硼纤维（BF）第2章增强材料2.性能①弹性模量高（350~400GPa），直径大（100mm），纵向压缩强度高；②空气200℃以下1000h性能不变，330℃/1000h，s下降70%；650℃无强度（全部老化）。适合于制备树脂基复合材料；③常温，BF稳定；高于650℃，BF与金属反应；④BF与树脂基体粘接性比CF好（BF沉积形成，表面粗糙）2023/4/12962.5其它纤维碳化硅纤维（SiCF）第2章增强材料1.制造方法CVD法:钨丝/碳丝沉积室烷基硅烷分解SiCF2023/4/12972.5其它纤维碳化硅纤维（SiCF）第2章增强材料1.制造方法先驱体法:烷基硅烷聚合、纺丝有机纤维高温处理

SiCF（d≈10~15mm）2023/4/12982.5其它纤维碳化硅纤维（SiCF）第2章增强材料2.性能①高强（4.5GPa），高模量（200~400GPa）②化学稳定性好，耐酸碱③耐高温（1300℃，强度不变；1000℃/氧化气氛，强度不变）④与各种基体相容性好（金属基、陶瓷基、树脂基复合材料）2023/4/12992.5其它纤维高硅氧纤维与石英纤维第2章增强材料

由高纯二氧化硅和天然石英晶体制成的纤维。纯度99.95%，密度2.2g/cm3,直径0.7～10μm。具有耐热、耐腐蚀和柔软性。高温下强度保持率高、尺寸稳定、抗热震性、化学稳定性、透光性及电绝缘性好。用途:主要用作电绝缘材料、隔热材料和复合材料的增强体。用于制飞机雷达罩、火箭的尾喷管、空间航天器的烧蚀材料等。

2023/4/121002.5其它纤维高硅氧纤维与石英纤维第2章增强材料1.制造方法玻璃SiO2，B2O3熔融玻纤烧结（700~900℃）高硅氧纤维（SiO296%）1450℃1150℃酸沥滤天然石英晶体（SiO299.95%）棒材（d≈4.4mm）石英纤维

（10mm）2000~2100℃2023/4/121012.5其它纤维高硅氧纤维与石英纤维第2章增强材料2.性能①高强（1500MPa），高模量（73GPa）；②耐腐蚀（除HF、H3PO4）；③耐高温（使用稳定1100~1200℃）；④透光性、电绝缘性好。2023/4/121022.5其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维（分子量300万以上）第2章增强材料目前世界上最新的超轻、高比强度、高比模量、成本低的高性能有机纤维。1975年荷兰DSM公司发明，1990年，第一条小型生产线。2023/4/121032.5其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维第2章增强材料2023/4/1210412.5其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维第2章增强材料1.制造方法高压固态挤出法：PEPE纤维熔融流动诱导结晶法：PE溶液种晶纤维抽取PE纤维压力边界运动稀溶液凝胶纺丝超倍热拉伸法：PE溶液聚合物凝胶熔融纺丝拉伸纤维N2，50℃高速搅拌，2d，冷却90℃真空干燥2023/4/121052.5其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维第2章增强材料2.性能①密度小（r=0.97g/cm3）②高比强度（s=3.0~3.6GPa）③高比模量（E=172GPa）④高断裂伸长率（e=3~4%）⑤化学稳定性好，耐磨性好，吸湿率低⑥使用温度低（100~130℃），熔点150℃2023/4/121062.5其它纤维超高相对分子量聚乙烯纤维第2章增强材料3.表面处理纤维表面能低，不易与树脂基体粘合表面等离子反应法：在N2、O2、H2、NH3、Ar气氛中，生成极性基团；表面等离子聚合法：有机气体或蒸汽，形成表面涂层，生成官能团—C＝O—C≡N2023/4/121072.5其它纤维玄武岩纤维（CBF）第2章增强材料以火山岩为原料，经1500℃熔融拉丝而成的纤维。（外观为金褐色，2006年全世界产量3000吨，中国700吨，70%用于建筑工业。）2023/4/121082.5其它纤维玄武岩纤维第2章增强材料成分：SiO244-52%、Al2O312-18%、Fe3O4和Fe2O39-14%。性能：密度为2.65-2.8。熔化温度在1500℃以上，使用温度（-269~+650

）℃。防水（吸水率1%，玻纤为10%~20%），耐腐蚀性。抗拉强度好、弹性模量高。脆性大，不耐折。

2023/4/121091.玻纤制备过程2.玻纤与块状玻璃性能为何不同？3.玻纤浸润剂的作用4.PAN法制备CF中，预氧化、碳化、石墨化过程的作用。5.碳纤维结构及其对性能的影响6.KF生产过程7.KF生产过程中，溶液纺丝应考虑的因素？8.比较GF、CF、KF的主要优缺点。本章习题2023/4/12110第3章基体材料本章教学目的：了解基体材料的基本性能了解基体材料的工艺性掌握不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂性能、用途、合成及固化过程了解高性能树脂性能和用途本章重点难点：不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂性能、用途、合成及固化过程本章课时安排：14学时2023/4/121113.1概述一、基体材料组分及作用第3章基体材料聚合物基体：基体材料主要成分，决定复合材料的性能、成型工艺及价格。要求：具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能，并且要施工简单，有良好的工艺性能。2.

辅助剂①固化剂（引发剂、促进剂）2023/4/12112②稀释剂：降低聚合物基体粘度，便于施工。3.1概述一、基体材料组分及作用第3章基体材料2.辅助剂非活性稀释剂：不参与树脂固化反应，树脂成型中挥发，加入量为10~60%。如：丙酮、乙醇、甲苯、苯活性稀释剂：不与树脂固化反应，成为材料成分，加入量为10%。如：苯乙烯（不饱和）、环氧丙烷丁基醚（环氧）2023/4/121133.1概述一、基体材料组分及作用第3章基体材料3.增韧（增塑）剂降低树脂刚性、提高塑性，将导致强度和耐热性下降。如：邻苯二甲酚酯、聚酰胺、聚酯等。4.触变剂提高树脂在静止状态下的粘度，在外力作用下，树脂又变成流动性液体。适合于大型产品，尤其在垂直面上使用，加入量为1~3%。如：活性SiO2(白炭黑)、膨润土、聚氯乙烯粉。2023/4/121143.1概述一、基体材料组分及作用第3章基体材料5.填料降低成本，改善性能（降低收缩率，提高表面硬度和耐磨性能、导电、导热等）。如：CaCO3、滑石粉、石英粉、金属粉。6.颜料用量约0.5~5%要求：颜色鲜明，有耐热性和耐光性；在树脂中分散良好，不影响树脂固化。一般选用无机颜料，有机颜料影响树脂固化。2023/4/121153.1概述二、基体的作用第3章基体材料①均衡载荷，传递载荷（将单根的纤维粘成整体）；②保护纤维，防止纤维磨损；③赋予复合材料各种特性（耐热、耐腐蚀、阻燃、抗辐射）；④决定复合材料生产工艺、成型方法。三、基体材料的选用原则①产品性能②工艺性能③成本及来源基体材料综合决定2023/4/121163.2基体材料的基本性能一、力学性能第3章基体材料1.强度与模量主要因素是分子内和分子间的作用力。基体材料的破坏是主链上的化学键断裂或是分子间相互作用力的破坏。纤维弹性模量低，纤维受拉时单独受力，纤维单根或单束断裂纤维弹性模量高，纤维受拉时由于粘接力作用，纤维表面整体强度高2.树脂内聚强度固化程度提高，分子量增大，内聚强度升高；机械强度增加并达到稳定值；固化程度很高，则树脂形变能力减低，呈现脆性2023/4/121173.2基体材料的基本性能一、力学性能第3章基体材料3.树脂断裂延伸率聚合物形变：普弹形变、高弹形变、粘流形变普弹形变：由聚合物分子的键长和键角改变引起，变形较小（1%）高弹形变：由大分子链的链段移动引起，是聚合物主要变形形式（Tg以上）强迫高弹形变（Tg以下）：在外力作用量够大，时间是够长条件下出现决定因素：大分子链的柔韧性、大分子链间的交联密度2023/4/121183.2基体材料的基本性能一、力学性能第3章基体材料4.树脂体积收缩率：物理收缩、化学收缩固化收缩率：环氧树脂1~2%；聚酯树脂4~6%；酚醛树脂8~10%影响因素：固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度；基体固化后的网络结构的紧密程度；固化过程中有无小分子释放。降低收缩率方法：调节树脂大分子链段充分伸直，固化前分子间填充密实，固化后有紧密的空间网络。例如：PMMA/PS+UPUP固化收缩率降低溶解/加热2023/4/121193.2基体材料的基本性能二、耐热性能第3章基体材料复合材料耐热性：温度升高，性能变化物理性能：模量、强度、变形化学性能：失重、分解、氧化树脂耐热性物理耐热性：在一定温度条件下，仍然保持其作为基体材料的强度化学耐热性：树脂发生热老化时的温度范围聚合物受热变化物理变化：变形、软化、流动、熔融化学变化：分子链交联、氧化、产生气体等2023/4/121203.2基体材料的基本性能二、耐热性能第3章基体材料提高树脂耐热性增加高分子链刚性：引入共轭双键、三键或环状结构；进行结晶：-C-O-C-,-OH,-NH2等；进行交联：交联键增加，提高分子间作用力。2023/4/121213.2基体材料的基本性能三、耐腐蚀性能第3章基体材料树脂的腐蚀物理作用：溶胀或溶解，导致结构破坏，性能下降影响因素：树脂结构树脂含量树脂固化交联密度化学作用：化学键破坏或新的化学键2023/4/121223.2基体材料的基本性能四、电性能第3章基体材料树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料影响因素：树脂大分子的极性：极性增加，电绝缘性下降固化树脂杂质含量及种类2023/4/121233.3基体材料的工艺性一、浸润性能（树脂能否均匀分布于纤维表面）第3章基体材料液-固浸润完全浸润：浸润角q=0°浸润：0°＜q≤90°完全不浸润：q=180°不浸润：90°＜q＜180

°基体-增强材料浸润因素纤维表面张力（张力，浸润）树脂表面张力（分子结构即分子间引力，内聚能，浸润）树脂与纤维间界面张力（树脂/纤维表面分子间作用力，浸润）树脂粘度，流动性，浸润；纤维疏松，浸润2023/4/121243.3基体材料的工艺性二、粘接性能第3章基体材料影响因素：树脂对纤维的浸润性和粘附功；树脂本身固化体积收缩率，有无小分子逸出；树脂与纤维断裂伸长率是否匹配三、毒性及过敏性2023/4/121253.3基体材料的工艺性四、固化性能第3章基体材料固化是指线型树脂在固化剂存在下或加热条件下，发生化学反应而转变成不溶、不熔，具有体型结构的固态树脂的全过程。凝胶：定型：熟化：液态树脂可溶线型小分子固态树脂不溶不熔体型结构大分子固化粘流态树脂半固态凝胶失去流动性凝胶时间＜手糊时间凝胶硬度、形状表观上变硬，一定力学性能，经后处理，稳定物理化学性能固化阶段2023/4/121263.4环氧树脂1.定义第3章基体材料环氧树脂是指分子结构中含有二个或二个以上环氧基团的有机高分子化合物。环氧基团可位于分子链末端、中间或成环状结构。2.特性①品种多；②固化方便（10~180℃固化）；③粘附力强（极性羟基，醚键）；④收缩率低（小于2%）；⑤力学强度大，电绝缘性优良；⑥化学稳定性；⑦耐霉菌2023/4/121273.4环氧树脂3.分类第3章基体材料①缩水甘油醚类（用量最大，双酚A型）；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；2023/4/121283.4环氧树脂4.质量指标第3章基体材料1）环氧值（每100g树脂中所含环氧基的克当量数）；如：分子量为340，2个环氧基，环氧值=环氧当量（1g当量环氧基的环氧树脂克数）=测定方法：盐酸-丙酮法环氧基与盐酸反应，生成氯醇，多余盐酸与碱中和2023/4/121293.4环氧树脂4.质量指标第3章基体材料2）无机氯含量（无机氯与胺类固化剂起络合作用，影响树脂固化）测定方法：树脂溶于丙酮，无机氯与硝酸银反应，多余硝酸银涌硫氰酸钾标定3）有机氯含量（有机氯影响树脂固化）测定方法：树脂经KOH水解，成为无机氯有机氯=总氯量-无机氯5.型号、命名方法命名：ET-51主组分环氧值×100改性物2023/4/121303.4环氧树脂6.树脂合成（二酚基丙烷/双酚A）第3章基体材料1）原料二酚基丙烷环氧氯丙烷

2）反应过程环氧氯丙烷在碱催化下与二酚基丙烷进行加成反应，并闭环生成环氧化合物生成的环氧化合物与二酚基丙烷反应含羟基的中间产物与环氧氯丙烷反应含环氧基中间产物与含酚基中间产物之间反应

2023/4/121313.4环氧树脂6.树脂合成（二酚基丙烷/双酚A）第3章基体材料1）2）3）2023/4/121323.4环氧树脂7.固化第3章基体材料反应性固化剂（与环氧树脂进行加成反应，并通过逐步聚合反应）如：多元伯胺、多元羧酸、多元硫醇、多元酚催化性固化剂（可引发树脂分子中的环氧基按阳离子或阴离子聚合反应）如：叔胺、三氟化硼络合物2023/4/121333.4环氧树脂7.固化第3章基体材料1）脂肪族多元伯胺固化剂A.固化原理生成仲胺生成叔胺2023/4/121343.4环氧树脂7.固化第3章基体材料1）脂肪族多元伯胺固化剂B.化学计算关系每一个活泼氢原子都可使一个环氧基打开，则：Phr为每100份（质量）树脂所需固化剂的质量份数例：环氧值0.51，三乙烯四胺固化剂，求用量？胺当量=146/6=24.3；三乙烯四胺phr=24.3×0.51=12.42023/4/121353.4环氧树脂7.固化第3章基体材料2）多元羧酸酐固化剂固化原理酸酐开环引发剂：水分，羟基；叔胺；三氟化硼B.化学计算关系酸酐用量（phr）=C×酸酐当量×环氧值一般酸酐C=0.85，含卤素酸酐C=0.60，加有叔胺催化剂C=1.0例：环氧值0.44，苯酐作固化剂，求用量？酸酐当量=148/1=148；酸酐phr=0.85×148×0.44=55.42023/4/121363.4环氧树脂7.固化第3章基体材料3）常用固化剂特性固化剂粘度/熔点用量（phr）典型固化周期邻苯二甲酸酐131℃30~754~24h/150℃均苯四甲酸二酐284~286℃325~20h/220℃二乙烯三胺0.005Pa.s8~127d/25℃;24h/65℃三乙烯四胺0.025Pa.s10~137d/25℃;2h/100℃间苯二胺62.6℃13~153h/154℃2023/4/121373.4环氧树脂8.树脂改性第3章基体材料1）树脂稀释非活性稀释剂（5~15%）：不与树脂及固化剂反应丙酮、甲乙酮、环己酮、苯乙烯、邻苯二甲酸二甲/丁酯活性稀释剂（5~15%）：含活性环氧基国其他活性基团，参与固化剂反应。有毒性环氧丙烷丙烯醚；环氧丙烷丁基醚；环氧丙烷苯基醚；二缩水甘油醚2023/4/121383.4环氧树脂8.树脂改性第3章基体材料2）树脂增韧非活性增韧剂（5~20%）：苯二甲酸酯类、磷酸酯、亚磷酸酯活性增韧剂低分子聚酰胺聚硫橡胶韧性环氧树脂环氧化聚丁二烯树脂不饱和聚酯丁腈橡胶2023/4/121393.4环氧树脂8.树脂改性第3章基体材料2）树脂增韧①橡胶弹性体增韧（聚硫橡胶、丁腈橡胶）具有活性端基的弹性体分子可以通过活性端基与环氧基的反应嵌段进入环氧的交联网络。橡胶颗粒脱粘或断裂后所形成空洞的塑性体膨胀和颗粒或空洞所诱发的剪切屈服变形能够降低或吸收环氧树脂所受到外加能量，从而增加环氧树脂的韧性。2023/4/121403.4环氧树脂8.树脂改性第3章基体材料2）树脂增韧②热塑性树脂增韧（聚酰胺、聚氨酯）热塑性树脂颗粒对裂纹扩展起约束、闭合作用和钉锚作用，阻止裂纹扩展。热塑性树脂与环氧树脂形成半互穿网络聚合物（S-IPN）形成S-IPN的条件：初始网络（剪切应力），物理网络无限交联网络，化学网络（化学交联反应）2023/4/121413.4环氧树脂8.树脂改性第3章基体材料2）树脂增韧③热致液晶增韧热致液晶聚合物以原纤的形式存在于环氧树脂连续相中，可以阻止裂缝，提高基体韧性，不降低材料的耐热性和刚度。④核壳结构聚合物增韧

核壳结构聚合物（CSLP）是指由二种或二种以上单体通过乳液聚合获得的聚合物复合粒子。粒子的内部和外部分别富集不同成分，显示出特殊的双层或多层结构。核与壳分别具有不同功能。透过控制粒子尺寸及改变CSLP组成，增韧EP

增韧机理：CSLP粒子空穴化—塑性形变，吸收外加能量2023/4/121423.4环氧树脂8.树脂改性第3章基体材料2）树脂增韧⑤刚性纳米粒子增韧在基体受冲击时，纳米粒子与基体之间产生微裂纹（银纹），吸收能量。纳米粒子半径小，比表面积大，表面原子相当多，表面的物理和化学缺陷多，易与高分子链发生物理或化学结合，增加刚性，提高了韧性、强度及耐热性。2023/4/121433.5不饱和聚酯树脂1.定义第3章基体材料是指不饱和聚酯在乙烯基类交联单体（如苯乙烯）中的溶液。不饱和聚酯是由不饱和二元羧酸（或酸酐），饱和二元羧酸（或酸酐）与二元醇缩聚而成的化合物2.合成1）原理2023/4/121443.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料2.合成2）原料①不饱和二元酸（顺丁烯二酸酐和顺丁烯二酸

）

HOOC-C=C-COOH②饱和二元酸（调节双键密度，增加树脂韧性，降低不饱和聚酯的结晶倾向，改善溶解性）邻苯二甲酸酐（苯酐）、间苯二甲酸、对苯二甲酸、己二酸不饱和二元酸与饱和二元酸等摩尔比投放③二元醇：丙二醇、乙二醇、多元醇④交联单体（溶剂、固化反应）苯乙烯、乙烯基甲苯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸甲酯2023/4/121453.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料2.合成通用型不饱和聚酯树脂技术指标：粘度（Pa.S）：0.2~0.5酸值（mgKOH/g）：28~36凝胶时间（25℃，min）：10~252023/4/121463.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料3.固化引发剂/光/热作用下，聚酯与乙烯类单体进行游离基共聚1）原理链引发（引发剂使双键打开）链增长（共聚）链终止（偶合终止）2023/4/121473.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料3.固化2）固化剂（引发剂+促进剂）引发剂能使单体分子或含双键线型高分子活化而成为游离基并进行连锁聚合反应的物质。加热固化温度低，固化反应起动慢；温度高，反应难以控制；固化反应起动瞬间速度极快，最终又不容易固化完全引发剂固化可以有效控制反应速度；最终固化可趋于完全，固化产物性能稳定；加入适当促进剂，可满足各种固化工艺的要求2023/4/121483.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料3.固化2）固化剂（引发剂+促进剂）引发剂引发剂种类烷基（或芳基）过氧化氢：异丙苯过氧化氢过氧化二烷基（或芳基）：过氧化叔丁基过氧化二二甲酰：过氧化二苯甲酰酮过氧化物（混合物）：过氧化甲乙酮、过氧化环己酮2023/4/121493.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料3.固化2）固化剂（引发剂+促进剂）引发剂引发剂特性①活性氧含量：有效氧含量②临界温度：有机过氧化物受热分解形成具有引发活性的游离基时所需要的最低温度。绝大多数引发剂临界温度高于室温，约为100℃③半衰期：在给定温度下，有机过氧化物分解一半所需要的时间2023/4/121503.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料3.固化2）固化剂（引发剂+促进剂）促进剂能促使有机过氧化物在室温下就能分解而产生游离基的物质只对过氧化物有效：叔胺（苯胺衍生物）；只对氢过氧化物有效：金属皂（环烷酸钴/锰/钒）对过氧化物和氢过氧化物均有效：十二烷基硫醇2023/4/121513.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料3.固化2）固化剂（引发剂+促进剂）引发剂协同效应协同效应：活性增加过氧化二苯甲酰过氧化二辛酰过氧化二苯甲酰过氧化甲乙酮过氧化二苯甲酰过氧化甲乙酮过异丁酸叔丁酯抑制作用：活性减小过氧化环己酮过氧化二叔丁基过氧化二甲酰叔丁基过氧化氢过氧化甲乙酮叔丁基过氧化氢2023/4/121523.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料4.阻聚1）作用机理阻聚剂与引发剂分解而产生的游离基反应，使后者失去活性，从而抑制或减缓树脂聚合。（可延长竖直凝胶时间，便于贮存、运输）2）反应过程链增长反应：链阻聚反应：kp＜kzkz/kp≈20~30缓聚作用：缓聚剂（链增长速度变慢）kp＜kzkz/kp＞100抑制作用：抑制剂（阻聚剂消耗后，链增长才能进行）2023/4/121533.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料4.阻聚3）种类无机物：硫磺、铜盐、亚硝酸盐多元酚：对苯二酚、邻苯二酚醌：菲醌、萘醌芳香族硝基化合物：二硝基苯、三硝基甲苯胺类：吡啶、苯胺2023/4/121543.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料常用不饱和聚酯树脂牌号主要成分技术指标性能与用途成型工艺FL191丙二醇/苯乙烯苯酐/顺酐28~38mgKOH/g0.25~0.45Pa.S12~22min耐光通用型树脂，适用于平板和波纹板等玻纤增强产品手糊、模压、连续制板FL189乙二醇/苯酐顺酐/苯乙烯20~28mgKOH/g0.25~0.45Pa.S6.5~11.5min耐水耐候树脂、冷却塔、卫生洁具手糊、模压、喷射FL195丙二醇/苯酐/顺酐苯乙烯/MMA27~35mgKOH/g0.12~0.22Pa.S30~54min高透光率树脂、透明板材、采光罩手糊连续制板FL198丙二醇/苯酐顺酐/苯乙烯20~28mgKOH/g0.45~0.85Pa.S6~10min高活性树脂、适用于强度高、耐中温FRP手糊模压2023/4/121553.5不饱和聚酯树脂第3章基体材料典型树脂配方（质量份）不饱和聚酯树脂100引发剂H（或M）4（2）促进剂E0.1~4引发剂H----50%过氧化环己酮二丁酯糊引发剂M----过氧化甲乙酮溶液（活性氧10.8%）促进剂E----6%萘酸钴苯乙烯溶液2023/4/121563.6酚醛树脂第3章基体材料1.定义酚类和醛类的缩聚产物。一般常指苯酚和甲醛经缩聚反应而得到的合成树脂（最早的合成树脂，1909年）2.性能耐水、耐热、绝缘、机械强度高3.合成原理（热固性酚醛树脂，液体）1）过程：碱性催化剂（NaOH、NH3.H2O、Ba(OH)2）苯酚：甲醛=1(1.1~1.5)（摩尔比）2023/4/121573.6酚醛树脂第3章基体材料3.合成原理（热固性酚醛树脂，液体）1）过程：甲醛与苯酚的加成反应羟甲基酚缩聚反应2023/4/121583.6酚醛树脂第3章基体材料3.合成原理（热固性酚醛树脂，液体）2）影响因素①单体官能度的影响官能度为0，一般不与甲醛反应官能度为1，低分子量缩合物官能度为2，热塑性酚醛树脂（固态）官能度为3，热固性酚醛树脂2023/4/121593.6酚醛树脂第3章基体材料3.合成原理（热固性酚醛树脂，液体）2）影响因素②酚环上取代基的影响间位取代基酚类，增加邻、对位取代活性，反应速率增大；邻、对位取代基酚类，降低邻、对位取代活性，反应速率变小；树脂质量指标：粘度（Pa.S）：5~10凝胶时间（25℃，min）：1.5~2/160℃固体含量：57~62%游离酚：16~18%2023/4/121603.6酚醛树脂第3章基体材料4.固化1）过程（一元、多元酚醇混合反应）2023/4/121613.6酚醛树脂第3章基体材料4.固化2）方法A.加热固化（160~250℃）影响因素：①酚/醛比（1：（1.1~1.5）醛类增加，凝胶时间减小②酸碱性，PH=4为中间点③温度，上升10℃，凝胶时间缩短一半B.酸固化（室温固化）固化剂：盐酸、磷酸（先溶于甘油或乙二醇）、对甲苯磺酸、苯酚磺酸2023/4/121623.6酚醛树脂第3章基体材料5.树脂改性1）目的：降低脆性，提高粘接性、耐潮湿性、耐温性2）方法：封锁酚羟基（降低活性）二苯醚甲醛,酚羟基-----苯环引进其它组分（提高相容性）聚乙烯醇缩醛环氧树脂有机硅二甲苯2023/4/121633.7高性能树脂基体第3章基体材料一、双马来酰亚胺树脂（BMI）结构通式：合成原理：2023/4/121643.7高性能树脂基体第3章基体材料一、双马来酰亚胺树脂（BMI）性能：①反应活性较强，易于含活泼氢化合物进行加成反应，与含不饱和双键进行共聚反应，也能在催化剂或热作用下发生自聚反应；②PBMI：Tg＞250℃，使用温度177~232℃（含苯环、酰亚胺苯环）；③PBMI较高强度和模量（固化物结构致密，缺陷少）；④PBMI有较大的脆性，冲击强度差，断裂延伸率小，断裂韧性低；⑤PBMI优良电性能，耐化学介质性能，耐辐射。2023/4/121653.7高性能树脂基体第3章基体材料一、双马来酰亚胺树脂（BMI）改性方法：目的：降低BMI单体的熔点和熔体粘度；提高在丙酮、甲苯等溶剂中的溶解能力；降低聚合温度；增加其预浸料的粘附性；提高固化物的韧性。方法：芳香族二元胺和环氧树脂改性BMI；热塑性树脂改性BMI；橡胶改性BMI；含硫化合物改性BMI；烯丙基苯基化合物改性BMI2023/4/121663.7高性能树脂基体第3章基体材料二、异氰酸酯树脂合成：ArOH为单酚、多元酚或脂肪族羟基化合物；Hal为Cl,Br,I；碱为有机碱，如三乙胺固化过程：2023/4/121673.7高性能树脂基体第3章基体材料二、异氰酸酯树脂性能：抗冲击性能好（醚键可自由旋转）；电性能较好，介电常数小且稳定，使用频率宽；热分解温度高，耐热性、耐温性好2023/4/121683.7高性能树脂基体第3章基体材料三、热固性聚酰亚胺树脂合成：2023/4/121693.7高性能树脂基体第3章基体材料三、热固性聚酰亚胺树脂性能：综合力学性能好（优于BMI和环氧）；Tg＞300℃，（玻璃化温度高）；耐热老化性好（分子量增加，耐热性下降），长期使用温度288℃；介电性能优异，良好的耐湿热性能2023/4/12170本章习题基体在复合材料中的作用。在选用复合材料树脂基体时，应考虑的因素有哪些？环氧树脂质量指标有哪些？如何测定？环氧树脂特点有哪些？简述树脂固化过程。不饱和聚酯固化方式有哪些？各有何特点？为了加快不饱和聚酯固化，可采取什么方法？酚醛树脂固化方式及影响因素有哪些？2023/4/12171第4章聚合物基复合材料的界面本章教学目的：了解界面的基本概念、界面的形成与作用机理了解界面的破坏机理掌握纤维的表面处理方法本章重点难点：界面的形成与作用机理，界面的破坏机理，纤维的表面处理本章课时安排：6学时2023/4/12172第4章聚合物基复合材料的界面4.1界面的基本概念定义界面指基体与增强物之间化学成分有显著变化的，构成彼此结合的，能起载荷传递作用的微小区域（界面厚度几个纳米到几个微米）2023/4/12173第4章聚合物基复合材料的界面4.1界面的基本概念界面效应物理效应：各组分之间相互浸润、扩散、相容性、界面自由能变化化学效应：形成新的界面层结构力学效应：界面应力分布复合材料力学性能、耐蚀性、能量吸收、加工流变特性影响具有弱界面的复合材料，强度和刚度低，韧性高；具有强界面的复合材料，强度和刚度高，脆性高（纤维断裂）2023/4/12174第4章聚合物基复合材料的界面4.2界面的形成与作用机理一、界面形成第一阶段：基体与增强纤维的接触与浸润过程纤维优先吸附那些能够较多降低其表面能的物质第二阶段：聚合物的固化阶段固化剂或官能团为中心向四周辐射扩散，中心密度大，边缘密度小的非均匀固化结构2023/4/12175sSLsSA

sLA液滴第4章聚合物基复合材料的界面4.2界面的形成与作用机理一、界面形成sSA固体表面张力；sLA液体表面张力；sSL固-液界面张力液（L）-固（S）浸润复合材料界面复合材料性能液-固浸润状况良好，则改变sSA、sLA或sSL可改善界面浸润状况；通常情况下，提高sSA即对纤维表面进行处理2023/4/12176第4章聚合物基复合材料的界面4.2界面的形成与作用机理二、界面作用机理浸润吸附理论（固-液惰性大，发生化学作用可能性小）第一阶段：聚合物大分子（宏观布朗运动）与增强物表面（微观布朗运动），使大分子链靠近增强物表面极性基团；第二阶段：吸附作用分子间距小于0.5nm，范德华力发生作用该理论不能解释：固-液之间作用力远大于分子间作用力，以及非极性聚合物间也会粘接。2023/4/12177第4章聚合物基复合材料的界面4.2界面的形成与作用机理二、界面作用机理化学键理论（偶联理论）偶联剂分子至少有含有两种官能团，一种官能团可与增强材料反应，另一种可与基体反应（参与固化反应）。通过偶联剂的作用，将增强材料与树脂基体通过共价键牢固地连接在一起。该理论不能解释许多未使用偶联剂或偶联剂不与增强材料、基体反应的复合材料体系。2023/4/12178第4章聚合物基复合材料的界面4.2界面的形成与作用机理二、界面作用机理扩散理论（增强材料为有机纤维）两相高聚物相互溶解、扩散高聚物之间的粘接作用与其自粘作用（同种分子间的扩散）一样，也是高聚物分子键与链段的相互扩散（不同分子）引起的，由此产生强大的粘接力。2023/4/12179第4章聚合物基复合材料的界面4.2界面的形成与作用机理二、界面作用机理电子静电理论

金属晶体-增强材料可看成一个电容器，二者各为一极板，相互接触而使电容器充电，形成双电层，产生静电引力，使基体育增强材料粘接在一起。该理论不能解释属性相近的聚合物也能牢固粘接，因为非极性聚合物之间是不能粘接的。机械联结理论

基体与增强物的粘接为机械粘接作用。首先液态基体渗入增强物的空隙中，然后基体凝固或固化而机械的镶嵌在增强物表面，产生机械结合力。2023/4/12180第4章聚合物基复合材料的界面4.2界面的形成与作用机理二、界面作用机理变形层理论

偶联剂涂层是一种柔性层或变形层，能提供具有“自愈能力”的化学键。在外载作用下，处于不断形成与断裂的动态平衡状态，起到均匀传递应力，减弱界面应力的作用，从而提高基体与增强物的粘接性能。优先吸附理论

增强物优先吸附树脂中的不同成分（助剂），使界面层结构与性能具有梯度变化，有利于消除应力，改善复合材料性能。2023/4/12181第4章聚合物基复合材料的界面4.3界面的破坏机理一、影响界面的粘合强度的因素纤维表面晶体大小及比表面积晶体增大，模量增高，表面更光滑，惰性增加，粘合强度下降；比表面积增加，界面增大，粘合强度提高。浸润性浸润性增加，空隙率减小，杂质少，粘合强度增加界面反应性（与层剪强度有关）反应性增加，强度增加残余应力残余应力增加，界面强度降低热膨胀系数不同引起热引力；树脂固化体积收缩引起的内应力2023/4/12182第4章聚合物基复合材料的界面4.3界面的破坏机理二、界面破坏机理在复合材料中，受外力作用时，基体中会产生微裂纹，并由基体逐渐扩展到纤维表面，使纤维脱粘（或拔出），甚至断裂。界面存在物理键（即范德华力）和化学键。其中化学键是主要的，界面破坏时，二种键均受到破坏。弱界面：韧性破坏（纤维脱粘或