聚合物复合材料

聚合物复合材料应用于各行各业的复合材料4复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；另一个相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，固常称为增强材料；多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料；在基体和增强体之间存在界面5聚合物复合材料基体材料与增强材料提供复合材料的外形粘合增强材料传递载荷基体–金属(Cu,Al,Ti,Ni…);聚合物(热固性,热塑性,弹性体);陶瓷(SiC…)增强基体增强材料主要有以下形式:纤维颗粒片状增强物

–纤维(B,C,Glass,Aramids,PE,…);颗粒,片状,带状…基体材料增强材料Figure‑Possiblephysicalshapesofimbeddedphasesincompositematerials:(a)fiber,(b)particle,and(c)flake聚合物纳米复合材料聚合物-层状硅酸盐纳米复合材料至少一维分散相尺寸<100nm纳米效应

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鲜明的性能特征分类:thedispersionofclayinthepolymermatrix IntercalativeExfoliated

Schematicsof

DifferentNanoparticles

montmorillonite(MMT)MMT0.2~1mMMT0.2~1mMMT~1nmFibers/Tubes

nanoporoussilicaPlateletsSpheres

nanofiber

carbonnanotubeotherceramicormetal

nanoparticles纤维材料纤维增强复合材料所用的纤维材料:玻璃–最常用的纤维碳–高弹性模量硼–更高弹性模量聚合物-Kevlar陶瓷–SiC

或Al2O3

金属–钢丝TypesofNaturalFibre•Bast

fibres(flax亚麻,hemp大麻,jute黄麻,

kenaf红麻…)•Leaffibres(sisal,banana,palm)•Seedfibres(cotton,coconut(coir),kapok)ReinforcementsOrientationDependenceStrengthalongfiberdirectionduemostlytostrongreinforcementsStrengthacrossfiberdirectionduemostlytoweakermatrixmaterialsandinterface0100200300400306090StressFiberanglewithrespecttothetensileaxis为什么复合材料具有重要性复合材料的比强度和比刚度远大于钢和铝等金属材料疲劳强度比工程金属材料好韧性也更高不会象钢铁一样容易出现腐蚀获得金属、陶瓷或聚合物难于单独获得的性能复合材料的比强度和模量决定复合材料性能的三个因素组成材料的性能组成材料的形状和复合材料的结构两相之间的结合方式复合材料的一般分类方法金属基复合材料

(MMCs)陶瓷基复合材料(CMCs)聚合物基复合材料(PMCs)聚合物基复合材料的分类橡胶基复合材料：轮胎等；树脂基复合材料是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的聚合物基复合材料在世界范围内已形成了产业，俗称玻璃钢；全世界的所有复合材料的生产量中，树脂基复合材料占90%以上，其中95%是玻璃纤维增强高分子基复合材料

界面Figure‑Interfacesbetweenphasesinacompositematerial:(a)directbondingbetweenprimaryandsecondaryphases组分材料之间存在界面，要有效发挥组分材料的作用，良好的界面粘合是必须的界面相Figure‑Interfacesbetweenphases:(b)additionofathirdingredienttobondtheprimaryphasesandformaninterphase界面往往需要添加第三组分以增加粘合，第三组分往往会形成界面相Figure‑Interfacesandinterphasesbetweenphasesinacompositematerial:(c)formationofaninterphasebysolutionoftheprimaryandsecondaryphasesattheirboundary另一种界面相界面相由基体和增强相混合组成陶瓷纤维复合材料聚合物基体复合材料复合材料的微观形貌复合材料的历史自然界的复合材料：树干、竹子等。钢筋混凝土：它是用有抗压的水泥，碎石或砖和抗拉钢筋组合而成。历史上的复合材料：草秸增强泥巴筑墙、万里长城的糯米石灰浆、铜雀台的核桃油浸地砖、古埃及的木乃伊等夹苎漆器：我国西汉时期（公元前200年至公元8年）已出现用麻布增强的漆树脂制作“脱胎漆器”的技术，这是世界上最早的初期聚合物基复合材料。聚合物基复合材料的发展历程1932年在美国首先出现FRP，1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功以FRP为机身和机翼的飞机。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949年研究成功玻璃纤维预混料1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。1961年片状模塑料（SMC）在法国问世1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。聚合物基复合材料的发展历程拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，在70年代拉挤技术又有了重大的突破，近年来发展更快。除圆棒状制品外，还能生产管、箱形、槽形、工字形等复杂截面的型材，并还有环向缠绕纤维以增加型材的侧向强度。目前拉挤工艺生产的制品断面可达76cm×20cm。在70年代树脂反应注射成型（RIM）和增强树脂反应注射成型（RRIM）两种技术研究成功，进一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产。1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975年投入生产。这种复合材料最大特点是改变了热固性基体复合材料生产周期长、废料不能回收问题，并能充分利用塑料加工的技术和设备，因而发展得很快。制造管状构件的工艺除缠绕成型外，80年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。

过去50年:纤维复合材料的革命美国空军C-17运输机采用聚合物基复合材料以降低重量提高防腐蚀性能26waterskiDunlop200GTM.improvedElastomer/Kevlarbridgetogivethehighestpossiblecontrol,patentedHotMelttechnologytotheframe'sgraphite29新型飞机设计ADAMM309VOYAGER“旅行者”B-2SpiritTheBeechStarshipSpaceShipOne“太空飞船1号”June21,2004,SpaceShipOne：第一个进入太空的飞机TheGlobalFlyerTheGlobalFlyerMARCH3,2005:SteveFossett

和GlobalFlyer首次完成环球飞行，中间未加油以碳纤维合成材料取代铝制作机体，成为全球第一款以碳纤维合成物为主体材料的民用喷气客机。减少机身拼接所需零部件。增加飞机的耐用性；减轻飞机重量，耗油量与相同大小的客机相比，波音787执行相同飞行任务的耗油量能减少20％左右。航空业内部素有“得中型机者得天下”的说法。波音787正好是波音公司的“当家”中型机。这种飞机有3种型号，分别适用于中远距离飞行，载客量在210至330人之间，标价在1.46亿美元至2亿美元之间。目前波音已经从全球47家公司接到677架波音787的订单，交货期已经安排至2015年。这种被命名为梦想客机的787型民用飞机在没有进行任何试飞的情况下接到的订单数量超过了500架，从而一举成为史上启动最成功的新型客机。Boeing