《高分子复合材料》课件-1.2复合材料

1.纤维增强原理纤维增强复合材料是由连续纤维或不连续（短）纤维与金属基体复合而成。复合材料受力时，高强度、高模量的增强纤维承受大部分载荷，而基体主要作为媒介，传递和分配载荷。基体：通过界面将载荷有效地传递到增强相（晶须、纤维等），不是主承力相。纤维：承受由基体传递来的有效载荷，主承力相。断裂力学观点断裂力学

认为任何材料都存在宏观缺陷(如缺口、孔洞、裂纹等)和结构缺陷(如位错、晶界、相界等),那么材料在外力作用下产生破坏的过程就是材料裂缝的快速扩展并最终断裂的过程。而纤维增强复合材料的断裂可能会通过塑性形变、裂纹增长与分叉、界面分离、出现分层或纤维拔出与拉断等方式进行,这是一个能量耗散的过程,纤维在复合材料内是通过间隔阻裂作用使材料得以增强的玻纤增强PP电镜扫描图短纤维增强原理（剪切滞后—应力传递方式）假定纤维、基体理想结合，且泊松比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上短纤维周围的应变

2.复合材料与“混合材料”和“化合材料”的区别复合材料：是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。木塑性复合材料混合材料：就是把几种材料采用简单的物理手段拌合在一起。混合后原有材料各自的物理、化学性质仍保持没变。这只是一个物理变化过程，其中并没有发升化学变化化合材料：又称人造材料,是人为地把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成的材料,其特质与原料不同,如塑料、玻璃、钢铁等。主要体现在：多相体系和复合效果是复合材料区别于传统的“混合材料”和“化合材料”的两大特征。狭义定义：（通常研究的内容：）用纤维增强树脂、金属、无机非金属材料所得的多相固体材料。由此可以得出：CM=增强材料＋基体材料

3.复合材料的命名复合材料的命名

复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法。共同的趋势是根据增强体和基体的名称来命名，通常有以下三种情况：（1）强调基体时以基体材料的名称为主。树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。（3）基体材料名称与增强体材料并用。把增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。例：“玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”指“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”“碳／金属复合材料”碳纤维和金属基体构成的复合材料，也可叫“碳纤维增强金属基复合材料”。“碳／碳复合材料”指碳纤维和碳基体构成的复合材料。国外还常用英文编号表示MMC（MetalMatrixComposite），金属基复合材料。FRP（FiberReinforcedPlastics），纤维增强塑料。

GF/Epoxy,或G/Ep(G-Ep)，玻璃纤维/环氧。

3.复合材料的分类

随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材料，需要对材料进行分类.材料的分类方法较多。如按材料的化学性质分类，有金属材料、非金属材料之分;如按物理性质分类,有绝缘材料、磁性材料、透光材料、半导体材料、导电材料等。按用途分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。

复合材料的分类方法也很多。常见的有以下几种。17

复合材料的分类

按基体材料类型分类18按增强体类型分类按功能分类①结构复合材料主要用于制造受力构件，作为承力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能联接增强体成为整体承载同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。②功能复合材料指具备各种特殊物理与化学性能的材料。例如：声、光、电、磁、热、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦、屏蔽或换能等。

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4.聚合物基复合材料的定义

聚合物基复合材料（PMC），即以聚合物为基体的复合材料，通常是指以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。

它是复合材料中研究最早、发展最快的一类复合材料。在现代复合材料领域中占有重要的地位，在国民经济建设中发挥了越来越重要的作用。

聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。②对填料具有强大的粘附力①良好的综合性能③良好的工艺性能作为复合材料的高聚物应满足下列要求。

5.聚合物基复合材料的分类

PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料；热塑性树脂基复合材料：（聚乙烯，聚丙烯，尼龙，聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK），聚醚酮酮（PEKK））热固性树脂基复合材料：（环氧树脂，聚酰亚胺，聚双马来酰亚胺（PBMI），不饱和聚酯等）

热固性树脂：作为结构材料的纤维复合材料所用的树脂多为热固性树脂，包括不饱和聚酯、环氧、酚醛、有机硅和一些芳杂环树脂，其中前三种用的最多，为了使热固性树脂固化后，具有某些特殊性能或满足工艺要求，往往在树脂中加入其它助剂，如引发剂、增韧剂、促进剂、稀释剂和阻燃剂等。热塑性树脂：热塑性树脂在软化或熔化状态下，能进行模塑加工，在冷却至软化点以下能保持模塑成型的形状。热塑性树脂的典型代表有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及其共聚物如ABS等、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酯、聚砜、聚苯硫醚等。热塑性树脂基复合材料与热固性树脂基复合材料相比，虽然其成型工艺简单、工艺周期短、成本低。但同时其力学性能、使用温度和老化性能也比较低，热塑性高聚物与纤维复合可以提高力学强度和弹性模量，提高热变形温度，提高尺寸稳定性，降低吸水性、抑制应力开裂和改善疲劳性能。另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如：（1）玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)（2）短切玻璃纤维增强热塑性塑料（3）碳纤维增强塑料（4）芳香族聚酰胺纤维增强塑料（5）碳化硅纤维增强塑料（6）矿物纤维增强塑料（7）石墨纤维增强塑料（8）木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点，同时还有其本身的特殊性能。

6.聚合物基复合材料的发展两千多年前，我国就用麻丝和大漆制成了漆器。1839年美国人CharlesGoodyear发明了橡胶硫化法，而硫化橡胶本身是由橡胶、填料、硫化剂等其他助剂组成的复合材料。热固性塑料工业的发展和复合材料工业的发展是相辅相成的。热塑性塑料复合材料的发展要滞后一些。最早的应用是在PVC的生产中加入了碳酸钙，目的是降低成本。英国的ICI公司研发的玻璃纤维增强尼龙的新生产技术取得巨大成功，从而带动热塑性塑料复合材料的快速发展。性能研究进展常见的高性能耐高温聚合物材料有聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。研究发现液晶材料能很好的提高PTFE的耐磨损性能，将PEEK与其它聚合物共混或采用碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)、无机纳米粒子等复合增强，已成为制备摩擦学性能和力学性能更优异的PEEK复合材料的首选。美国一家PI复合材料供应商，主要生产不含MDA型PI／碳纤维、玻璃纤维、石英纤维单向带、织物以及预制品。该公司开发的900HT材料的Tg约为426℃，使用温度最高816℃，可采用热压罐、模压以及某些液体模塑工艺加工。该材料还具有十分优异的热氧化稳定性，因此尤其适用于制造在高温氧气环境中长期工作的发动机以及机身部件.

聚合物基复合材料在自然环境下使用，性能会受到许多环境因子（如紫外辐射、臭氧、氧、水、温度、湿度、微生物、化学介质等）的影响。这些环境因子通过不同的机制作用于复合材料，导致其性能下降、状态改变、直至损坏变质，通常称之为“腐蚀”或“老化”。环境因素对复合材料性能的影响主要是通过树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面的破坏而引起性能的改变。陈跃良等分析了湿热老化、化学侵蚀和大气老化对复合材料的作用机理及对其力学性能的影响.也提出了复合材料老化寿命预测方法。

对于大多数聚合物材料而言，阻燃性能不佳，加入阻燃剂往往是必须的。从阻燃剂发展趋势来看,以高效、价廉、无卤素、无污染为特征的无机类阻燃剂符合世界各国发展环保型材料,推进可持续发展战略的政策要求。无机阻燃剂可以单独使用,也可以与有机阻燃剂复配使用,产生协同效应,起到很好的阻燃效果,是目前阻燃剂发展的主流。而其中的氢氧化物阻燃剂被认为是最有发展前途的、环境友好的无机阻燃剂,

成为近几年各国研究的热点[8]。Kazuki等研究发现了含磷酸基团化合物对氢氧化铝进行表面改性后，后者能显著提高聚合物的阻燃性能复合材料的发展趋势（1）复合材料的功能化①固体自润滑材料及耐磨复合材料以复合材料作自润滑材料及耐磨材料，发展很快，在工业上也得到越来越广泛的应用，自润滑材料是指本身有润滑作用的结构材料，它们大多在高聚物（聚甲醛、聚苯硫醚、聚苯、聚四氟乙烯）中加入超增强及起润滑作用的材料（玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维及二硫化钼、石墨、机油等）制成。②复合光敏材料用感光硬化的塑料复合材料作印刷板代替铅、锌、铜印刷板近年已获应用。这种板材制作工艺简单迅速、质量轻、传墨好、耐印率好，成本低、操作条件好。③导电复合材料绝大部分高聚物都是绝缘体，但近年来用各种方法制得很多导电高分子材料，例，填充石墨和金属在树脂中，制成可导电导热的功能材料。④阻燃及自熄材料在制备复合材料时加入硼、磷、卤素的有机物或含锑或其它金属的阻燃剂就可增加材料的阻燃性和自熄性，这类材料即为阻燃或自熄材料。7.复合材料的组成复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。简言之：复合材料由连续基体相(matrixphase)和分散增强相(dispersephase)及界面相(interfacephase)所构成。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。附下表：复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金属材料金属纤维(丝)纤维金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材金属/塑料板无机非金属材料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶基复合材料颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维纤维/村脂基复合材料粒子碳纤维碳纤维/金属基复合材料纤维/陶基复合材料纤维/树脂基复合材料碳黑颗粒/橡胶颗粒/树脂基复合有机高分子材料有机纤维纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料塑料复合材料的结构(structureofcomposites)①无规分散（弥散）增强结构（含颗粒、晶须、短纤维）(randomlyoriented)②连续长纤单向增强结构（单向板）(aligned)③层合(板)结构(二维织布或连续纤维铺层，每层不同)(laminate)④三维编织体增强结构(braidedfabricorfilamentwinding)⑤夹层结构（蜂窝夹层等）(sandwichconstructure)⑥混杂结构(hybridconstructure)

8.聚合物基复合材料基体1.聚合物基体的作用

复合材料=基体+增强剂(填充剂)复合材料的原材料包括基体材料和增强材料聚合物基体是FRP（纤维增强复合材料）的一个必需组分。在复合材料成型过程，基体经过复杂的物理、化学变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体，因而整体性能直接影响复合材料性能。基体的作用主要包括以下四个部分1）将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维间传递载荷，并使载荷均衡;2）基体决定复合材料的一些性能。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;3）基体决定复合材料成型工艺方法以及工艺参数选择等。4）基体保护纤维免受各种损伤。此外，基体对复合材料的另外一些性能也有重要影响，如纵向拉伸、尤其是压缩性能，疲劳性能，断裂韧性等。2.聚合物基体材料的分类

用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树脂热行为可分为热塑性及热固性两类。热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚酮、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型，无任何化学变化。热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产物前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子，这类基体通常是无定形的。聚合物基体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、阻燃树脂等

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、拉挤用树脂等。科普：不饱和聚酯树脂、环氧树脂及酚醛树脂被称为三大通用型热固性树脂。它们是热固性树脂中用量最大、应用最广泛的品种。9.复合材料增强体

在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。增强材料有时也称作增强体、增强剂等。粉状填料：碳酸钙、二氧化钛、蒙脱土、碳黑、二氧化硅

(白碳黑)。特点是用量大、价格低。纤维增强体：碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须等。特点是用量小、强度大、价格高。编织物：二维纺织布、三维纺织物等。特点是初期可赋形、强度大、价格高。纤维与晶须的主要特点是：密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小.a)多角状SiC颗粒

b)等离子喷射熔融法制备的Al2O3颗粒

c)溶胶凝胶法制备的Al2O3颗粒d)a-Al2O3片晶常用的颗粒增强材料nanofiber几种纤维增强体表2-1常用金属丝和非金属纤维增强材料的性质纤维的强度作为聚合物基复合材料基体的增强材料基本特征：1.增强材料应具有能明显提高树脂基体某种所需特性的性能，如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、低热膨胀性等，以便赋予树脂基体某种所需的特性和综合性能。2.增强材料应具有良好的化学稳定性。在树脂基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化。3.与树脂有良好的浸润性和适当的界面反应，使增强材料与基体树脂有良好的界面结合。4.价格低廉。10.聚合物基复合材料界面

概述在一个多相体系中，不同相之间存在界面。聚合物基复合材料一般是由增强纤维与基体树脂两相组成的，两相之间存在着界面，通过界面使纤维与基体树脂结合为一个整体，使复合材料具备了原组成树脂所没有的性能。聚合物基复合材料界面的形成大体分为两个阶段：1、基体与增强材料的接触与润湿过程。2、聚合物的固化过程。聚合物基复合材料界面的形成大体分为两个阶段：1、基体与增强材料的接触与润湿过程。2、聚合物的固化过程。界面区域示意图1—外力场2—树脂基体3—基体表面区4—相互渗透区5—增强剂表面区6—增强剂聚合物基复合材料的界面结构界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种效应。传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。（2）阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。(3)不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现

界面效应（4）散射和吸收效应光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。(5)诱导效应一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。浸润和接触：增强材料与高聚物间界面的形成首先要求增强材料与基体之间能够浸润和接触，这是界面形成的第一阶段。界面的固定：增强材料与基体材料之间界面形成的第二阶段就是增强材料要与基体材料间通过相互作用而使界面固定下来，形成固定的界面层。复合材料界面的形成如果我们把不同性质的液滴放在不同的固体表面上，有的液滴就聚积成球形，有的液滴会铺展开来遮盖固体的表面。后一现象我们称为“浸润”或“润湿”。反之，如果不铺展而是球状的则称为是“不浸润”或“润湿不好”。“浸润”或不浸润取决于液体对固体和液体自身的吸引力大小，当液体对固体的吸引力大于液体自身的吸引力时，就会产生浸润现象。浸润和接触γSV为固体表面在液体饱和蒸气压下的表面张力；γLV为液体在它自身饱和蒸气压下的表面张力；γSL为固液间的表面张力；θ就是气液固达到平衡时的接触角图2.4.2气、液、固表面张力的平衡状态(1)若γSV<γSL，则cosθ<0，θ>90°，此时液体不能润湿固体。特别当θ=180°时，表示完全不润湿，液滴此时呈球状；(2)若γLV>γSV-γSL>0，则1>cosθ>0，0°<θ<90°，此时液体能润湿固体；(3)若γLV=γSV-γSL，则cosθ=1，θ=0°，此时液体能完全润湿固体；(4)若γSV-γSL>γLV，则式（2-4-3）在这里已不适用了。界面作用机理1）化学键理论基体表面上的官能团与纤维表面上的官能团起化学反应，因此在基体与纤维间产生化学键的结合，形成界面。如：偶联剂的应用而得到证实，故也称“偶联”理论。化学键理论一直比较广泛地被用来解释偶联剂的作用。它对指导选择偶联剂有一定的实际意义。但是，化学键理论不能解释为什么有的偶联剂官能团不能与树脂反应，却仍有较好的处理效果。2）浸润理论两相间的结合模式属于机械粘接与润湿吸附。物理吸附主要是范德华力的作用，使两相间进行粘附。两组分间如能实现完全浸润，则树脂在高能表面的物理吸附所提供的粘接强度，将大大超过树脂的内聚强度。要获得好的表面浸润，基体起初必须是低粘度，且其表面张力低于无机物表面临界表面张力。一般无机物固体表面具有很高的临界表面张力。但很多亲水无机物在大气中与湿气平衡时，都被吸附水所覆盖，这将影响树脂对表面的浸润。3）减弱界面局部应力作用理论当聚合物基复合材料固化时，聚合物基体产生收缩。而且，基体与纤维的热膨胀系数相差较大，因此在固化过程中，纤维与基体界面上就会产生附加应力。这种附加应力会使界面破坏，导致复合材料性能下降。此外，由外载荷作用产生的应力，在复合材料中的分布也是不均匀的，因从复合材料的微观结构可知，纤维与树脂的界面不是平滑的，结果在界面上某些部位集中了比平均应力高的应力，这种应力集中将首先使纤维与基体间的化学键断裂，使复合材料内部形成微裂纹，这样也会导致复合材料的性能下降。4）摩擦理论基体与增强材料间界面的形成(粘接)完全是由于摩擦作用。两者间的摩擦系数决定了复合材料的强度。偶联剂的作用在于增加了两相间的摩擦系数，使复合材料的强度提高。对于水等低分子物浸入后，复合材料的强度下降，但干燥后强度又能部分恢复的现象，这是由于水浸入界面后，基体与增强材料间的摩擦系数减小，界面传递应力的能力减弱，故强度降低，而干燥后界面内的水减少，基体与增强材料间的摩擦系数增大，传递应力的能力增加，故强度部分地恢复。11.复合材料的基本性能①可综合发挥各种组成材料优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。②按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。③可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序。复合材料的基本性能：

性能的可设计性是复合材料的最大特点。影响复合材料性能的因素很多，主要取决于：增强材料性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，及它们二者间的结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。12.聚合物基复合材料的主要性能1.质轻高强普通碳钢的密度为7.8g/cm3，玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5～2.0g/cm3，只有普通碳钢的1/5～1/4，比铝合金还要轻1/3左右；而机械强度却能超过普通碳钢的水平。若按比强度计算（比强度是指强度与密度的比值），玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅大大超过碳钢，而且可超过某些特殊合金钢，碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更小的密度和更高的强度，因此具有更高的比强度。几种材料的拉伸强度见表1-1。表1-1几种材料的密度和拉伸强度2.可设计性好聚合物基复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达到节约材料、减轻重量的目的。对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料，对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可以方便地通过选择合适的原材料来满足。复合材料良好的可设计性还可以最大限度地克服其弹性模量、层间剪切强度低等缺点。3.具有多种功能性聚合物基复合材料具有多种功能性。如：耐烧蚀性好，聚合物基复合材料可制成具有较高比热、熔融热和气化热的材料，以吸收高温烧蚀的大量热；有良好的摩擦性能；高度的电绝缘性能；优良的耐腐蚀性能；特殊的光学、电学、磁学特性。4.过载时安全性好复合材料中有大量增强纤维，当材料过载时有少数纤维断裂时，载荷会重新分配到未破坏的纤