第4章聚合物基复合材料

4.1概述聚合物基复合材料（PMC）：以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。当前第1页\共有60页\编于星期三\7点4.1概述当前第2页\共有60页\编于星期三\7点4.1概述当前第3页\共有60页\编于星期三\7点4.1概述当前第4页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体聚合物用作基体材料时的作用：（1）固结分散的增强体以形成复合材料的整体；（2）赋予制件形状；（3）保护增强体不受或少受环境的不利影响；（4）向增强体传递载荷以发挥承力功能。聚合物基体的类型：（1）热固性树脂：受热软化，发生交联，转化不可逆

环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂（2）热塑性树脂：加热可变软或熔化，转化可逆

聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、氟树脂当前第5页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体当前第6页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体一、热固性树脂1、不饱和聚酯不饱和聚酯：含有非芳族的不饱和键,由不饱和二元羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐与多元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的相对分子质量不高的线型高分子化合物。（1）主链上含有脂键、不饱和双键。（2）具有线性结构，线性不饱和聚酯。（3）含有双键，可在加热、光照、高能辐射及引发剂作用下与交联单体进行共聚，固化成具有三维网络的体型结构。（4）交联前后性能变化很大。取决于酸、醇的种类及数量。不饱和聚酯树脂作为玻璃钢复合材料基体树脂、涂料、胶粘剂当前第7页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体2、环氧树酯环氧树脂指含有两个或者两个以上的环氧基团的有机高分子化合物，环氧基团十分活泼，可位于分子链的末端或中间，能与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三维网状结构的高聚物。当前第8页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体3、酚醛树酯当前第9页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体4、呋喃树酯定义：分子链中含有呋喃环结构。未固化的呋喃树脂与许多热塑性和热固性树脂有很好的混溶性，可与环氧树脂或酚醛树脂混合起来进行改性。性能：固化后呋喃树脂耐强酸（强氧化性硝酸和硫酸除外）、强碱

和有机溶剂的侵蚀，在高温下仍很稳定，主要用作各种耐化学腐蚀和耐高浊的材料。环内含有四个碳原子和一个氧原子当前第10页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体5、聚酰亚胺树酯分子链中含有酰亚胺基团的芳杂环聚合物，是一种半梯形环链结构聚合物。通式：不同的芳基聚酰亚胺对热和氧化十分稳定，并具有突出的耐辐射性和良好的电绝缘性，它可分为热固性和热塑性两种。是近年来发展较快的耐高温树脂，250度下可长期使用，无氧时可在300度下使用，零强度温度达800度。适于制造航空航天领域的复合材料。当前第11页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体6、有机硅树酯有机硅树脂是由有机硅单体（如有机卤硅烷）经水解缩聚而成的主链结构为硅氧键的高分子有机硅化合物。这种主链由硅氧键构成，侧链通过硅原子与有机基团相连的聚合物，称为聚有机硅氧烷。用这类树脂制造的玻璃纤维增强复合材料，在较高的温度范围内（200～250℃）长时间连续使用后，仍能保持优良的电性能，同时，还具有良好耐电弧性能及憎水防潮性能。当前第12页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体7、三聚氰胺甲醛树酯三聚氰胺和甲醛缩聚而成，氨基塑料，大量用于制造模塑混合料、层压板材、黏合剂及其他材料，价格较昂贵。用玻璃纤维增强的三聚氰胺甲醛层压板具有高的力学性能、优良的耐热性和电绝缘性及自熄性。当前第13页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体8、脲醛树酯由甲醛和尿素合成，是最重要的氨基树脂（塑料）。与酚醛树脂相比，价格便宜，色泽浅，气味小，具有较好的抗电弧性，但耐热性差，吸水量高。脲醛模塑混合料主要用来制作电器配件、瓶盖，泡沫塑料用于隔热材料等。当前第14页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体二、热塑性树脂结构特点：线型、分枝型，遇热软化或熔融且可反复进行力学性能：①具有明显的力学松弛现象；②较大的断裂延伸率；③抗冲击性能好。电学性能：优异的绝缘性能，对腐蚀性介质稳定。举 例：聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚甲醛、

聚丙烯-十二烯-苯乙烯（ABS树脂）等。当前第15页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体1、聚烯烃包括聚乙烯（产量最大）、聚丙烯、聚苯乙烯和聚丁烯等。当前第16页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体2、聚酰胺定义：分子链中含有酰胺基团（尼龙）性能：具有良好的力学性能 良好的耐磨性和耐腐蚀性较之金属材料刚性较差，但比拉伸强度高于金属当前第17页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体3、聚碳酸脂定义：分子链中含有碳酸酯基团的线性聚合物。性能：硬度高、韧性好，良好耐蠕变性、耐热性和电绝缘性

制品易产生应力开裂，耐溶剂和水能力差，高温下易水解当前第18页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体4、聚甲醛定义：分子链中含有（-CH2-O-）基团

高熔点、高结晶的热塑性塑料性能：优异的力学性能（力学性能最接近金属的塑料）

很高的比强度和比刚度

（在某些场合可以替代钢、铝、铜等金属）当前第19页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体5、氟树脂定义：分子链中含有氟单体，主要的品种有聚四氟乙烯（PTFE）、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚氟乙烯（PVF。应用最多为聚四氟乙烯，分子式为－(ＣＦ２－ＣＦ２)ｎ－，产量约占氟塑料的９０％。性能：聚四氟乙烯是高度结晶的聚合物，分解温度为400度，可在２６０度以下长期使用，具有优异的力学性能,耐化学腐蚀性极强，能耐王水及沸腾的氢氟酸（塑料王）当前第20页\共有60页\编于星期三\7点4.2聚合物基体三、橡胶橡胶是指具有显著高弹性的一类高分子化合物，也可用作复合材料的基体材料，包括天然橡胶和人造橡胶，如丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚丁二烯橡胶等。不同于树脂基复合材料，橡胶基复合材料除了要具有轻质高强的特点外，还应具有柔性和较大的弹性。橡胶基复合材料主要用来制备轮胎、传动皮带等。当前第21页\共有60页\编于星期三\7点4.3纤维增强聚合物复合材料一、玻璃纤维增强热塑性塑料基体树脂：聚丙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚酰胺、聚酯性能改善：力学性能、物理化学性能均有明显提高突出优点：更高的比性能（更小的密度）当前第22页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强聚丙烯（FR-PP）

增强方式：玻璃短纤维，含量一般为30%-40%； 性能特点：抗拉强度可达100MPa

明显改善低温脆性、抗冲击性、热变形性

吸水率小4.3纤维增强聚合物复合材料23当前第23页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强聚酰胺（FR-PA） 基体特点：强度高、耐磨性好、吸水率大、耐热性差 增强方式：玻璃纤维含量30%-35%； 性能改进：抗拉强度提高2-3倍

耐热性、电绝缘性明显提高

耐磨性有所降低 常见举例：玻璃纤维增强尼龙6（尼龙66、尼龙1010）4.3纤维增强聚合物复合材料24当前第24页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强聚苯乙烯类塑料（FR-ABS） 基体树脂：丁二烯-苯乙烯共聚物（BS） 丙烯腈-苯乙烯共聚物（AS） 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS） 性能改进：强度、弹性模量有成倍提高

耐高温、耐低温、尺寸稳定性等都有所改善4.3纤维增强聚合物复合材料25当前第25页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强聚碳酸酯（FR-PC） 基体树脂：聚碳酸酯（PC）

刚柔并济、易产生应力开裂、耐疲劳性差 性能改进：耐疲劳强度提高

耐应力开裂性能可提高

耐热性比P提高，线膨胀系数缩小4.3纤维增强聚合物复合材料26当前第26页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强聚酯（FR-PET、FR-PBT） 基体树脂：聚苯二甲酸乙二醇酯（PET） 聚苯二甲酸丁二醇酯（PBT）

结晶度高、成型收缩率大、尺寸稳定性差 性能改进：强度很高（较其它玻璃增强热塑性塑料）

耐高温性、耐低温性、电绝缘性都好

高温下易发生水解4.3纤维增强聚合物复合材料27当前第27页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强聚甲醛（FR-POM） 基体树脂：聚甲醛（POM）

性能较好 性能改进：强度大幅提高

耐疲劳性和抗蠕变性能提高

耐磨性降低（可加入聚四氟乙烯粉末填料改善）4.3纤维增强聚合物复合材料28当前第28页\共有60页\编于星期三\7点各种塑料与玻璃纤维增强后的性能对比4.3纤维增强聚合物复合材料29当前第29页\共有60页\编于星期三\7点基体树脂：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂GFRP优点：

1）密度小、比强度高：密度为1.6～2.0g/cm3

（“玻璃钢”：质轻而强度高）

2）良好的耐腐蚀性：耐酸、碱、有机溶剂、海水等；

3）良好的电绝缘性二、玻璃纤维增强热固性塑料（GFRP）4.3纤维增强聚合物复合材料30当前第30页\共有60页\编于星期三\7点

GFRP缺点：

1）刚性差

（弹性模量比钢材小十倍）

2）耐热性较低

（连续使用温度350℃以下）

3）导热性较差

（摩擦产生热量不易散出）

4）容易老化 （日光照射、空气氧化、有机溶剂溶解）4.3纤维增强聚合物复合材料31当前第31页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强环氧树脂

综合性能最好的热固性树脂基复合材料！

1）强度高于其它GFRP（树脂黏结能力强、界面结合好）

2）固化收缩率小、制品尺寸稳定性好（无副产物）

3）加工不方便（固化反应大多需要加热）

4）不易制造大型制件4.3纤维增强聚合物复合材料32当前第32页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强酚醛树脂

1）耐热性最好（200度以下长期使用）

2）良好耐电弧性

3）原料丰富、价格便宜

4）脆性大

5）强度不如环氧树脂基复合材料

6）收缩率大、尺寸稳定性差4.3纤维增强聚合物复合材料33当前第33页\共有60页\编于星期三\7点玻璃纤维增强聚酯树脂

1）加工性能好 （成型容易，可制造大型构件）

2）透光性好

3）固化收缩率大

（生成小分子化合物）

4）耐酸碱性差4.3纤维增强聚合物复合材料34当前第34页\共有60页\编于星期三\7点高强度、高模量纤维增强塑料 基体树脂：环氧树脂 增强材料：碳、硼、芳香族纤维、晶须等高强、高模纤维 性能特点：密度小、强度模量高、热膨胀系数小；

制备工艺简单、成型方法多；

纤维价格昂贵，使用范围到限4.3纤维增强聚合物复合材料三、其它纤维增强塑料35当前第35页\共有60页\编于星期三\7点

碳纤维增强树脂:强度、刚度、耐热性均好

硼纤维增强树脂：刚性好（模量高于碳纤维增强）

Kevlar纤维增强树脂：良好压延性、耐冲击、

良好振动衰减性、优异的耐疲劳性4.3纤维增强聚合物复合材料36当前第36页\共有60页\编于星期三\7点常见高性能纤维增强环氧树脂性能对比增强纤维碳纤维Kevlar纤维硼纤维相对密度1.61.42.0拉伸强度，MPa150014001750弹性模量，GPa12761204.3纤维增强聚合物复合材料37当前第37页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工聚合物基复合材料制备工艺的特点（1）材料的形成和制品的成形是同时完成的（简化制品结构、减轻制品质量、降低工艺消耗）（2）方法多样、工艺简便、设备简单、成本很低38当前第38页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工聚合物复合材料成形方法分类（1）预浸料/预混料制备（2）接触成型（手糊成型）（3）压力成型（袋压成型、模压成型、层压成型）（4）缠绕成型

（5）树脂传递成型

（6）注射成型

（7）拉挤成型上述各种成形方法之间存在着共性！39当前第39页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工一、预浸料/预混料制备（1）预浸料：定向排列连续纤维浸渍树脂形成薄片状半成品

热固性预浸料：轮鼓缠绕法、陈列排铺法（设备不同） 湿法、干法（树脂状态不同）

热塑性预浸料：预浸渍技术（树脂完全浸渍纤维）

后浸渍技术（树脂以粉末等形式存在，

完全浸渍在成型过程中完成）40当前第40页\共有60页\编于星期三\7点轮鼓缠绕法预浸料制备示意图4.4聚合物基复合材料的制备和加工41当前第41页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工（2）预混料：工艺对象：不连续纤维浸渍或混合树脂制品特征：片状模塑料（Sheetmoldingcompound，SMC）

块状模塑料（BulkMoldingCompound，BMC）

注射模塑料（Injectionmoldingcompound，IMC）42当前第42页\共有60页\编于星期三\7点连续纤维被切成一定长度的短纤维，散落在连续输送的涂有含填料的糊状树脂的塑料薄膜上，将含有纤维、填料和树脂混合物的塑料薄膜卷绕起来就成为片状模塑料（SMC）。4.4聚合物基复合材料的制备和加工43当前第43页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工二、手糊成型工艺工艺概要模具表面施加脱模剂、胶衣；涂刷树脂液体、铺增强材料；

手持

辊子使树脂浸渍增强体、压实并驱除气泡；重复铺层操作，达到制品设计厚度；固化最原始、最简单的制备方法！44当前第44页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工45当前第45页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工46当前第46页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工47当前第47页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工三、喷射成型工艺工艺概要（半机械化成型方法）树脂+引发剂、树脂+促进剂

分别从喷枪喷出；纤维经切断器切断并从喷枪中心喷出；树脂与纤维一起同时均匀沉积在模具上；沉积一定厚度后用手辊压实除去气泡；固化优点：生产效率高、制品孔隙率小缺点：不易制作小产品、模具复杂且成本高48当前第48页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工四、袋压成型工艺（1）工艺概要（最早最广泛用于预浸料成型）将铺层在模具中铺放；依次铺上可剥保护层、脱模膜、袋膜等；热压固化脱模获得具有一定结构形状的制品（2）优点：产品两面光滑、能适应聚酯、环氧和酚醛树脂、产品重量比手糊高（3）袋压分类：真空袋成型、压力袋成型、热压袋成型49当前第49页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工真空袋成型工艺流程50当前第50页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工压力袋成型工艺流程51当前第51页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工热压罐成型工艺流程52当前第52页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工五、模压成型工艺（1）工艺概要制备具有制品形状的预浸料或预混料半成品；将半成品在模具中热压；固化、脱模（2）工艺关键：模压温度、压力、时间53当前第53页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工五、模压成型工艺（3）工艺优点

1）制品尺寸精度高； 2）可大批量生产；

3）孔隙率低； 4）原材料成本低（4）缺点

1）模具费用较高； 2）制品性能各向同性54当前第54页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工六、缠绕成型工艺（1）工艺概要增强体（无捻粗纱）排列在纱架上；粗纱自纱架退绕、通过树脂槽、绕丝嘴（浸渍过程）；小车往复移动并带动已浸渍粗沙缠绕在回转芯轴上；固化、脱模（两端密闭产品不用脱模，芯模作为内衬）工艺关键：缠绕角度与排列密度由芯轴与小车速度之比控制55当前第55页\共有60页\编于星期三\7点4.4聚合物基复合材料的制备和加工六、